یکی از حوزه‌های پژوهشی مهم در صنعت ساختمان، ارائه طرح‌هایی برای تولید بتنی با مقاومت بالاتر است. به‌طور خلاصه منظور از مقاومت بتن، میزان استحکام آن در ابعاد مختلف از جمله فشاری است. طبیعتا هرچه بتن تولید شده مقاوم‌تر باشد؛ امکان ساخت سازه‌هایی با استحکام و امنیت بالاتر بیشتر می‌شود.
از سویی مقاومت بالاتر بتن به معنای کاهش نیاز به استفاده از سایر مصالح مسلح‌کننده بتن مانند آرماتورها است. همچنین همین موضوع باعث می‌شود تا میزان استفاده از بتن نیز کاهش یافته و به‌طور کلی بدون کاهش استحکام سازه، در مصرف بتن و سایر مصالح ساختمانی صرفه‌جویی شود.
در این میان یکی از سبک‌های محبوب تولید بتن با نام بتن پر مقاومت (HSC) شناخته می‌شود. در این مقاله می‌خواهیم درباره طرح اختلاط بتن پر مقاومت (HSC) صحبت کنیم. بنابراین ابتدا با این نوع بتن آشنا شده، سپس روش تولید آن را شرح داده و در نهایت درباره ویژگی‌ها و کاربردهای این بتن توضیحات بیشتری ارائه خواهیم کرد.
آشنایی با بتن پر مقاومت
بتن‌هایی که دارای مقاومت فشاری بیش از ۴۵ مگاپاسکال هستند را بتن پر مقاومت می‌گویند. البته این بتن‌ها می‌توانند تا مقاومت ۱۴۰ مگاپاسکال نیز بهبود یابند. به‌طور خلاصه این تغییرات در میزان مقاومت بتن از طریق تغییر نسبت آب به سیمان انجام می‌شود. به عنوان مثال نسبت آب به سیمان ۰.۲۵ موجب تولید بتنی با مقاومت بیش از ۸۰ مگاپاسکال در ۵۶ روز پس از بتن‌ریزی می‌شود. در حالی که نسبت آب به سیمان به میزان ۰.۴، این میزان مقاومت را در ۲۸ روز پس از بتن‌ریزی فراهم می‌کند.
به‌طور معمول از بتن پر مقاومت در سازه‌های خاص استفاده می‌شود. به عنوان مثال ساخت سدها، پل‌ها، ساخت ستون‌ها در برج‌های بلندمرتبه و به‌طور کلی هر سازه عظیم و حساس دیگر، به کمک این نوع بتن از مقاومت و استحکام بیشتری برخوردار خواهد شد.
از سویی طرح اختلاط بتن پر مقاومت کمک می‌کند تا علاوه بر استحکام بیشتر، این بتن‌ها از نظر میزان نفوذپذیری در برابر مواد شیمیایی نیز مقاوم‌تر شوند. از سویی بهبود خواص مکانیکی اجازه می‌دهد تا سازه‌های بتنی با ابعاد کوچکتر (مثلا ضخامت کمتر) قادر به ارائه مقاومت مشابه باشند.
بنابراین دست طراح برای بهینه‌سازی بیشتر فضا بازتر می‌شود. البته آنچه در این مقاله به عنوان بتن پر مقاومت مورد بررسی قرار می‌گیرد؛ بتن دارای مقاومت فشاری ۴۵ مگاپاسکال (با گذشت ۲۸ روز از بتن‌ریزی) است. این بتن را به اختصار HSC نیز می‌نامند.
تاریخچه بتن پر مقاومت
بطور عمومی بتن های پر مقاومت دارای تاریخچه‌ای طولانی هستند. در واقع از زمان اختراع بتن، تلاش برای افزایش هرچه بیشتر مقاومت آن آغاز شده است. اما به‌طور اختصاصی اگر منظور از بتن پر مقاومت را بتن HSC در نظر بگیریم. باید گفت که این بتن از اواخر دهه ۱۹۷۰ میلادی وارد صنعت ساختمان شد.
در واقع تا پیش از این مقاومت بتن‌ها حداکثر ۴۰ مگاپاسکال بوده و به عدد بزرگ‌تری نرسیده بود. اما به مرور و پس از این تاریخ، روش‌های افزایش استحکام بتن نیز مدرن‌تر شده و امروزه بتن‌های HSC با مقاومت ۴۵ پاسکال به‌راحتی ساخته می‌شوند. همچنین ساخت بتن‌هایی با مقاومت تا ۱۴۰ مگاپاسکال نیز دور از ذهن نیست.
این امکان بیش از هر چیز با اختراع و تولید مواد افزودنی مختلف امکان پذیر شد. هرچند استفاده از تکنولوژی‌های نو در تولید بتن نیز در این زمینه موثر بوده است. بر همین اساس امروزه می‌توان تنها ۱۲ الی ۱۸ ساعت پس از بتن‌ریزی به مقاومت ۵۰ مگاپاسکال و ۲۸ روز پس از بتن‌ریزی به مقاومت بیش از ۷۰ مگاپاسکال دست یافت. همچنین امکان تولید بتنی تا مقاومت ۱۴۰ مگاپاسکال نیز طی سه ماه پس از بتن ریزی در دسترس است.
عوامل موثر در طرح اختلاط بتن پر مقاومت
طرح اختلاط بتن پر مقاومت به معنای انتخاب نسبت مواد اولیه و نوع آنها برای رسیدن به میزان مشخصی از مقاومت است. البته توضیح این نکته ضروری است که ساخت بتن پر مقاومت علاوه بر انتخاب صحیح مواد اولیه به روش ترکیب آن نیز وابسته است. با این حال مهم‌ترین عوامل موثر در طرح اختلاط بتن شامل سنگدانه، سیمان و آب است.
همچنین ذکر این نکته نیز ضروری است که انتخاب صحیح مواد اولیه به‌تنهایی برای رسیدن به بتن پر مقاومت کفایت نمی‌کند. چراکه روش انتقال بتن و بتن‌ریزی نیز می‌تواند بر مقاومت نهایی سازه بتنی موثر باشد. با این حال استفاده از سنگدانههای مرغوب، سیمان باکیفیت و نسبت مناسب آب، راز اصلی طرح اختلاط بتن پر مقاومت است. بر همین اساس در این بخش به توضیح بیشتر هریک از این موارد پرداخته‌ایم.
سنگدانه
سنگدانه‌ها در واقع اسکلت بتن را تشکیل می‌دهند. به عبارت دیگر سنگدانه‌ها استخوان‌بندی بتن هستند که به کمک خاصیت چسبندگی سیمان به یک‌دیگر متصل شده‌اند. در زبان عامه منظور از سنگدانه شن و ماسه‌ای است که در تولید بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد.
این سنگدانه‌ها از نظر شکل، اندازه یا دانه‌بندی و همچنین میزان مقاومت دارای کیفیت‌ها و کمیت‌های گوناگونی هستند. به عنوان مثال از نظر شکلی هرچه سنگدانههای مورد استفاده در بتن دارای گوشه‌های تیزتر و شکسته‌تر باشد؛ استحکام بتن افزایش می‌یابد.
در مقابل استفاده از سنگدانههای گردتر و بدون گوشه ها تیز موجب کاهش مقاومت بتن می‌شود. همچنین هرچه سنگدانه ها از ترک کمتری برخوردار بوده و به‌صورت تکی دارای استحکام بیشتری باشند؛ مقاومت بتن تولید شده نیز بیشتر است. از نظر دانه بندی یا ابعاد نیز هرچه سنگدانه کوچکتر باشد؛ امکان ساخت بتنی با مقاومت بیشتر فراهم می‌شود.
از سویی در انتخاب سنگدانه مناسب، همه چیز به میزان مقاومت مدنظر شما برای بتن بستگی دارد. به عنوان مثال برای ساختن بتن متداول با مقاومت ۴۵ تا ۵۰ مگاپاسکال استفاده از سنگدانههای رودخانه‌ای که شکلی گردتر و بدون گوشه‌تر داشته و معمولا دانه‌بندی درشت‌تری دارند؛ قابل قبول است.
با این حال اگر نیاز به تولید بتنی با مقاومت بیش از ۷۰ مگاپاسکال دارید؛ باید به دنبال سنگدانههای خاص‌تر و مقاوم‌تری مانند سیلیس، بازالت و گرانیت، با دانه بندی کوچک تر باشید. از نظر اندازه نیز ساخت بتنی با مقاومت ۷۰ مگاپاسکال با سنگدانه هایی با ابعاد حداکثر ۲۰ الی ۲۵ میلی‌متر ممکن می‌شود.
برای رسیدن به مقاومت ۱۰۰ مگاپاسکال نیاز به سنگدانه هایی با ابعاد ۱۴ الی ۲۰ میلی‌متر است. همچنین اگر به دنبال ساخت بتنی با مقاومت ۱۲۰ مگاپاسکال هستید باید در فکر تهیه سنگدانههای آذرین با ابعاد حداکثر ۱۰ الی ۱۴ میلی‌متر باشید.
از سویی کارشناسان توصیه می‌کنند برای رسیدن به مقاومت فشاری بیش از ۸۰ مگاپاسکال در طرح اختلاط بتن با مقاومت بالا بهتر است شن را به عنوان سنگدانه حذف کرده و تنها از ماسه‌های دانه‌ریز استفاده نمایید. به عنوان یک راهنمای عملی اگر می‌خواهید بتنی با مقاومت ۱۰۰ مگاپاسکال داشته باشید باید ماسه مورد استفاده شما از الک شماره ۸ رد شود.
سیمان
دومین ماده مهم در طرح اختلاط بتن پر مقاومت سیمان است. سیمان در واقع نقش چسب را در بتن بازی کرده و موجب اتصال سنگدانه‌ها به یک‌دیگر می‌شود. در بتن با مقاومت بالا به‌طور متوسط از ۴۵۰ تا ۵۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب سیمان استفاده می‌شود. تفاوت این عدد نیز بستگی به تیپ یا نوع سیمان مورد استفاده و میزان مقاومت یا چسبندگی آن دارد.
نکته دیگر اینکه به‌طور کلی نسبت مصرف سیمان در بتن‌های پر مقاومت از بتن‌های معمولی بیشتر است. البته میزان مصرف سیمان باید نسبت صحیحی با مصرف سنگدانه‌ها و همچنین میزان آب داشته باشد.
آب
آب اگرچه پس از خشک شدن بتن تازه تبخیر می‌شود؛ اما وجود آن برای تهیه بتن حیاتی است. در واقع وجود آب و ترکیب آن با سیمان، موجب شکل‌گیری واکنشی شیمیایی به نام هیدراتاسیون می‌شود. این واکنش شیمیایی است که خاصیت چسبندگی را در سیمان ایجاد کرده و وجود آن برای ساخت بتن ضروری است.
از سویی کیفیت آب نیز می‌تواند در طرح اختلاط بتن با مقاومت بالا اثرگذار باشد. آب مورد استفاده در بتن باید در درجه اول با سیمان و سایر مواد افزودنی مورد استفاده در بتن سازگار باشد. از سویی استفاده از آب پاکیزه و عاری از مواد عالی، قلیایی، اسیدی و همچنین سایر مواد اضافی، برای ساخت بتنی با مقاومت بالا بسیار مهم است.
نکته دیگر در مورد استفاده از آب، نسبت آن است. قانون کلی در این زمینه کاهش نسبت آب به سیمان است. در واقع هرچه این نسبت کمتر باشد؛ بتن ساخته شده مقاوم‌تر خواهد بود. البته این کاهش دارای یک سطح حداکثری است که از آن بیشتر نباید تجاوز کرد.
چرا که موجب کاهش فرآیند شیمیایی هیدراتاسیون شده و نتیجه عکس می‌دهد. به‌طور عادی نسبت سیمان به آب را در تولید بتن ۰.۲۵ تا ۰.۳۵ درصد نظر می‌گیرند. با این حال این عدد را می‌توان تا ۰.۲ نیز کاهش داد. نمونه گیری از بتن تازه نشان داده است که می‌توان با نسبت آب به سیمان ۰.۳۸ به مقاومت ۴۰، با نسبت ۰.۳۶ به مقاومت ۵۲ و با نسبت ۰.۳۴ به مقاومت ۶۰ مگاپاسکال رسید.
از نسبت ۰.۲ کمتر همان‌طور که گفته شد کارایی، مقاومت و اسلامپ بتن را کاهش می‌یابد. بنابراین به‌خصوص در فرآیند ساخت سازه‌هایی مثل بتن ریزی فونداسیون و ستون‌ها باید به دقت مراقب نسبت آب مورد استفاده بود.
در کنار آب نیز می‌توان از مایعات مخصوصی مثل انواع روان‌کننده بتن استفاده کرد. این مواد کمک می‌کنند که بتوان نسبت آب را به میزان بیشتری کاهش داد.
روش ساخت بتن با مقاومت بالا
در بخش قبلی درباره مواد اولیه مورد استفاده در طرح اختلاط بتن پر مقاومت و ویژگی‌های آنها برای ساختن چنین بتنی صحبت کردیم. بنابراین تا حدود زیادی با روش ساخت بتن با مقاومت بالا نیز آشنا شده‌اید. با این حال نکات ریز دیگری در این زمینه باقی مانده که در این بخش آنها را مطرح می‌کنیم.
برای بالا بردن مقاومت بتن باید از همه ویژگی‌های قابل استفاده در مواد اولیه استفاده کرد. کاهش نسبت آب، استفاده از ریزترین و خوش فرم‌ترین سنگدانه‌ها و اطمینان از استفاده از سنگدانههای آذرین و همچنین به‌کار بردن سیمان تیپ مناسب از جمله این موارد است. همچنین برای رسیدن به اعداد بسیار بالا در مقاومت فشاری بتن، استفاده از مواد افزودنی مانند دوده سیلیس و فوق روان‌کننده‌ها امری متداول است.
نکته دیگر اینکه ساخت بتن پر مقاومت تنها در مرحله تهیه بتن تازه نباید مورد توجه باشد. بلکه مناسب‌سازی شرایط دمایی و آب و هوایی کارگاه بتن‌ریزی، سرعت عمل در بتن‌ریزی و سایر الزامات و استانداردهای مورد نیاز برای حفظ سلامت بتن، در نتیجه نهایی بتن از اهمیت بالایی برخوردار است.
نکته دیگر در ساخت بتن پر مقاومت این است که هرچه شما مقاومت فشاری بتن را افزایش دهید؛ میزان شکنندگی آن نیز افزایش می‌یابد. برای حل این مشکل توصیه متداول این است که در ترکیب بتن از الیاف‌هایی خاص استفاده کرد. این الیاف می‌توانند از شکنندگی بتن ساخته شده بکاهند.
در نهایت برای حفظ سلامت بتن پر مقاومت و انجام صحیح بتن‌ریزی، استفاده از میکسرهای سریعتر و حرفه‌ای‌تر توصیه می‌شود.
مزایای بتن پر مقاومت
به‌طور خلاصه بتن با مقاومت بالا دارای مزایای زیر است:
- بالا بردن سرعت اجرا با کاهش میزان عملیات
- کاهش ابعاد سازه و استفاده بهینه‌تر از فضا
- کاهش نفوذپذیری بتن
- کاهش انحراف سازه
- کاهش خزش بتن در سازه
- کاهش وزن کلی سازه
- افزایش دوام و استحکام سازه
- صرفه‌جویی در هزینه‌های ساخت
معایب بتن پر مقاومت
در کنار مزایا، بتن‌های پر مقاومت دارای معایب و محدودیت‌هایی نیز هستند. در این بخش از مقاله فهرستی از این معایب را ذکر کرده‌ایم:
- پیچیدگی تولید و سنجش میزان دقیق مقاومت نهایی بتن
- هزینه بیشتر برای خرید مصالح و مواد اولیه باکیفیت‌تر در ساخت بتن
- محدودیت استفاده از این سبک بتن در سازه‌های در معرض چرخه های ذوب و انجماد
کاربردهای بتن پر مقاومت
در نهایت برای درک بهتر مزایای استفاده از طرح اختلاط بتن پر مقاومت به بررسی کاربردهای آن پرداخته‌ایم.
- بتن‌ریزی فونداسیون و ستون ها و سایر سازه های حساس در ساختمان های چندین طبقه
- طراحی ستون های جایگاه تماشگران در استادیوم های ورزشی
- ساخت سازه های بتنی صنعتی و عظیم مانند سدها
- ساخت سازه های دریایی
- ساخت قطعاتی مثل دال بتنی و نیوجرسی بتنی
در پایان امیدواریم با خواندن این مقاله درک خوبی از طرح اختلاط بتن پر مقاومت و همچنین ویژگی‌ها، روش ساخت، مواد اولیه، مزایا، معایب و کاربردهای اختلاط بتن با مقاومت بالا به دست آورده باشید.