بتن
مقدمه
همواره سبکی بتن،همراه مقاومت کم آن تلقی شده است .سبکدانه های درشت نقش مهمی را در تغییر مقاومت بتن سبکدانه بازی می کنند .نزدیک به دو دهه پیش مطالعه برای تولید بتن سبکدانه با مقاومت زیاد به ویژه در پروژه های نفتی آغاز شد وتوانستند با استفاده از سبکدانه های خاص وبکارگیری مرغوب اعم از سیمان، دوده سیلیسی وفوق روان کننده ها به مقاومت های فشاری فراتر ازMPa20 دست یابند.در ایران نیز تلاشهایی برای دست یابی به بتن سبکدانه پرمقاومت با مصالح موجود در ایران آغازشد؛اما به دلیل ضعف سبکدانه های درشت ،محدویت های جدی دراین راه وجود دارد .با این حال احساس می شودبتن از سبکدانه از مقاومت زیاد یا متوسط به عنوان بتن بادوام جهت بتن ریزی در قطعات بتن مسلح در حاشیه خلیج فارس ودریای عمان استفاده نمود.
اگر بتوان علیرغم کاهش وزن مخصوص بتن ،مقاومت مناسبی را به دست آوردویا نسبت مقاومت به وزن مخصوص را بالا برد وبار مرده سازه های بتنی را کاهش داد،وضعیت مطلوبی حاصل می شود.گاه سبکی بتن یک خواسته درپروژه خاص می باشد.با استفاده از سبکدانه می توان بتن سبکدانه تولید کرد.علیرغم تلاشهایی که قبل از دهه 80میلادی(به ویژه در دهه 70)صورت گرفته بود .عملا مقاومت های فشاری بتن سبکدانه رشد قابل توجهی نداشت و به 50MPaمحدود می شد.به دلیل نیاز برخی شرکت های نفتی درامریکا ونروژبرای ساخت سازه هاو مخازن ساحلی وفرا ساحلی وسکوهای نفتی تلاش هایی در دهه80و اوایل دهه90صورت گرفت .آنها توانستند با استفاده از دوده سیلیسی وفوق روان کننده وهمچنین سبکدانه های مرغوب و پر مقاومت به مقاومت هایی فراتر از70MPaوحتی به مرزهای 100MPaبرسند.در این پروژه ها مسئله دوام بتن ها به ویژه موضوع خوردگی میلگرد ها و پایایی در یخ بندان وآب شدگی وهمچنین مجاورت با آب دریا اهمیت زیادی داشت.این مطالعات و اجرایی این بتن ها راه را برای اقدامات مشابه در سایر کشورها باز نمود .اما جالب است بدانیم ازنیمه دوم دهه 90تاکنون تحقیقات ناچیزی برروی بتن ها انجام ومنتشر شده است.و به نظر می رسد نیاز به تحقیقات گسترده تراحساس نمی شود ویا منابع مالی لازم در اختیار محققین قرار نمی گیرد.در ایران نیز از حدود سال هایآخر دهه 70 هجری شمسی(اواخر دهه 90م)تلاشهایی برای تولید بتن سبک پر مقاومت آغاز شد که نتایج آن در این مقاله از نظر می گذرد.
فلسفه بکارگیری بتن سبک پر مقاومت وکاربردها:
بتن معمولی از جرم حجمی150/2تا350/2تن بر مترمکعب برخوردار است وتوانسته اند درحالات عادی به مقاومت های بیش ازMPa 60 وتا حدودMPa120دست پیدا کنند .اگر به طور متوسط مقاومت بتن پر مقاومت معمولی راMPa90 در نظر بگیریم ،نسبت مقاومت به جرم حجمی خشک 40خواهد بود.
بتن نیمه سبکدانه جرم حجمی خشک 55/1تا 85/1تن بر متر مکعب را دارا می باشد.مقاومت های فشاری بتن های نیمه سبکدانه قبل از دهه80 معمولابین MPa25تا 45MPaبود؛که متوسط آن 35Mpaمی باشد.نسبت مقاومت به جرم حجمی متوسط خشک در حدود 20بود ؛بنابراین مصرف بتن نیمه سبکدانه توجیهی نداشت.بتن های تمام سبکدانه جرم حجمی خشک 25/1 تا 45/1تن بر متر مکعب را دارا بود ؛اما مقاومت فشاری آن به زحمت ازMPa 25 فراتر می رفت ونسبت مقاومت به جرم حجمی متوسط خشک کمتر از20می شد وبسیاری از اوقات این نوع بتن جنبه سازه ای نداشت وبه عنوان مصالح غیر سازه ای بکار می رفت.ازآن جا به دلیل نیاز به سبکی در برخی پروژه های نفتی می خواستند از بتن سبکدانه سازه ای استفاده نمایند ناچار به دنبال افزایش مقاومت برآمدند و همان گونه که بتن پر مقاومت معمولی ساخته شده بود سعی شد نیمه سبکدانه پر مقاومت معمولی تولید شود و باید به نسبت مقاومت به جرم حجمی 40 دست می یافتند یعنی مقاومت فشاری به حدودMPa 70می رسید تا مصرف آن از جمیع جهات توجیه داشته باشد.
هر چند بتن سبکدانه سازه ای ازسال های جنگ جهانی اول ودوم درقایق ،بارج ،کشتی های جنگی وغیر جنگی کوچک وبزرگ به کار رفته بود؛اما بعد ها به ویژه پس از جنگ جهانی دوم ساختمان ها و پلها ی زیادی در امریکا وکانادا واروپا با مقاومت های فشاری بیش ازMPa25 ساخته شد.ساخت مخازن مغروق ونیمه مغروق،مخازن گاز طبیعی ،اسکله شناور ،ساختمان های فراساحلی همچون سکوهای نفتی با بتن سبکدانه سابقه داشت ؛اما از اواسط دهه 80تا 90 ساخت این نوع سازه های دریایی با بتن نیمه سبکدانه معمول شد.
ساخت بتن نیمه سبکدانه پر مقاومت مصالح ونسبت ها:
برای ساخت بتن نیمه سبکدانه درشت با کیفیتی مقاومتی خوب ،از ماسه یا سنگدانه ریز با وزن مخصوص معمولی استفاده می شودکه سیمان وافزودنی های دیگر معدنی وشیمیایی یه همراه آب آن را تکمیل می کند.معمولا بتن سبکدانه پر مقاومت به بتنی اطلا ق می شود که مقاومت فشار استوانه ای 28روزه آن یبش از35مگا پاسکال باشد.سبکدانه درشت معمولا وزن مخصوص توده ای غیر متراکم کمتر ازkg/m 3880 را دارا ست.سبکدانه های رسی منبسط شده مانند لیکا یا لیاپور ویا فیبوکه ممکن است اسامی دیگری را درکشورهای مختلف داشته باشد از جمله سنگدانه های سبک مصرفی در این بتن ها می باشد.شیل منبسط شده نیز از جمله سبکدانه یه های مصرفی است که در برخی کشورها لیاپور نیز نام گرفته است.سیلیس منبسط شده (لیسا)در بتن سبکدانه پر مقاومت به میزان گسترده ای بکا رفته است.خاکستر سوخت پخته شده (لیتاژ) وروباره منبسط شده (پلیت)از جمله این سبکدانه ها است.به هر باید گفت معمولا وزن مخصوص توده ای غیر متراکم این سبکدانه ها لازم است بیش از600 وتا حدود بیش ازkg /m 3 800باشد وتا از تو پری واستحکام مناسبی برای این بتن ها برخوردار گردد لاز م به ذکر است وزن مخصوص غیر متراکم لیکای ایران با توجه به حداکثراندازه آن در حدود 350تا450kg/m 3 می یاشد وپرواضح است که درآزمایش های مقاومتی جوابگو نخواهد بود.
برای بتن سبکدانه پر مقاومت حداکثر اندازه سبکدانه معمولا بیش از16 میلی متر وغالبا به10تا12 میلی مترمحدود می شودمسلما با کاهش حداکثر اندازه،وزن مخصوص غیر متراکم بیشترشده ودرآزمایش های مکانیکی نیزبهبودآشکاری از خود نشان می دهد.به طور مثال با کاهش حداکثراندازه25به16 میلی متر،مقاومت فشاری بتن سبکدانه حاوی لیکا در حدود 30درصد افزایش یافته است.اگر این کاهش با حداکثراندازه ادامه یابدباز هم مقاومت بیشتر می شود؛اما باید دانست وزن مخصوص بتن نیز بالا می رود.سیمان مصرفی معمولا از نوع 1یا 2 وحتی 3 می باشد.مقدار سیمان دربتن سبکدانه پر مقاومت اکثرا بین400تا550kg/m 3می باشد هر چند با مصرف دوده سیلیسی ممکن است مقادیر کمتر سیمان نیز در کارهای انجام شده مشاهده شود.
معمولا امروزه در همه بتن های پر مقاومت من جمله بتن سبکدانه پر مقاومت،دوده سیلیسی وجود دارد ونقش مهمی را ایفا می کند.مقدار دوده سیلیسی معمولا بین 9تا 15 درصد وزن سیمان مصرفی می باشد.تجربیات موجود نشان می دهد اثر دوده سیلیسی در مقاومت بتن سبکدانه بیشتر از تاثیر آن بر مقاومت فشاری بتن معمولی است.وجود دوده سیلیسی،مقاومت کششی را به طورقابل توجهی دربتن سبکدانه افزایش می دهدو نفوذپذیری دربرابر یون کلر را به شدت کاهش می دهد.
لازم به ذکر است برخی محققین از مواد دیگری همچون خاکستربادی به جای دوده سیلیسی استفاده نموده اند.افزودنی های شیمیایی مصرفی از نوع فوق روان کننده های نسل دوم ونسل سوم می باشد.فرم آلدئیدملامین سولفوناته فشرده وفرم آلدئید نفتالین سولفو ناته فشرده ازجمله فوق روان کننده های نسل دوم هستند که کاهندگی آب آنها به25درصد میرسد؛در حالی که کاهندگی فوق روان کننده های پلی کربوکسیلی نسل سوم به بیش از 35 درصد بالغ می شود به هرحال در بتن های سبکدانه پر مقاومت میزان قابل توجهی فوق روان کننده مصرف می شودو غالبا به حداکثر میزان مجاز مصرف این مواد در بتن میرسد.
تغییر در سبکدانه وسنگدانه معمولی نیز می تواند باعث تغییر مقاومت گردد.بدیهی است با افزایش ماسه معمولی و کاهش سبکدانه درشت می توان مقاومت فشاری را افزایش داد،اما وزن مخصوص بتن نیز بالا می رود.به هر حال سعی می شودتا حد امکان مقدار سبکدانه درشت راکم وبر مقدار ماسه معمولی بیفزاییم تا نتیجه مناسب عاید شود.
شکل سبکدانه درشت وماسه مصرفی نیز تا حدودی برمقاومت ها تاثیر می گذارد که چندان مهم تلقی نمی شود.
کاهش نسبت آب به سیمان طبق روال معمول برمقاومت بتن می افزاید.در بتن سبکدانه پر مقاومتمعمولا این نسبت از25/0تا35/0 می باشد که به ندرت به4/0 نیز می رسد.مسلما افزایش میزان آب واسلامپ کنترل می شود؛زیرا اسلامپ های زیاداغلب موجب جداشدگی بتن های سبک به ویژه درهنگام اجرا میشود مگر این که از عیار سیمان ومواد چسباننده بیش ازkg/m 3450 برخوردار باشد.