ویژگیهای بتن سازه ای با مقاومت بالا

امروزه بتن به عنوان یک ماده ساختمانی مهم در ساخت انواع مختلف سازه ها نظیر ساختمان ها ، پل ها ، تونل ها ، سد ها ، اسکله ها ، راه ها و سایر سازه های خاص دیگر کاربرد دارد . در ساخت و سازهای معمولی ، غالبا تنها معیار پذیرش بتن ، مقاومت فشاری آن است . شاید این مسئله از آنجا ناشی میشود که بتنی با مقاومت فشاری رضایت بخش ، غالبا دیگر ویژگی ها را در حد متوسط خواهد داشت .

در سالهای اخیر کارشناسان با بررسی سازه های بتنی به ویژه در محیط های خورنده و سخت ، متوجه شدند که مقاومت فشاری بتن نمی تواند به تنهایی پاسخگوی کلیه انتظارات از بتن باشد و لازم است در طراحی بتن برای اهداف مختلف علاوه بر مساله مقاومت و تحمل بارها ، بر خواص دیگر بتن به ویژه پایایی و دوام آن نیز توجه کافی شود .

در بعضی کشورهای پیشرفته صنعتی دستورالعمل و استانداردهایی برای طرح بتن های با عملکرد بالا تهیه شده که طراحان و مجریان در آن کشورها ملزم به رعایت این دستورالعمل ها گشته اند. در این تحقیق، بتن با مقاومت بالا یعنی بتن HSC مورد بررسی قرار میگیرد.

بتن با مقاومت بالا (HSC=High Strength Concrete)

در چند دهه اخیر رسیدن به مقاومت فشاری بالا در بتن از اهداف اصلی دست اندرکاران کارهای بتنی بوده است . بر اساس تعریف موسسه بتن آمریکا ، بتن با مقوامت بالا بتنی است که دارای مقاومت فشاری بالاتر از 42 MPA برای بتن ساخته شده از سنگدانه های سبک باشد . شایان ذکر است که اغلب آیین نامه های بتن هنوز مقوامت فشاری بتن مورد استفاده در سازه ها را به 60Mpa محدود میکنند . البته اخیرا بعضی از آیین نامه های بتن ، تحت شرایطی تا حد 105 Mpa را نیز مجاز می شمارند .

غالبا ساخت بتنی با مقاومت فشاری در حدود 50 Mpa با کاهش نسبت آب به سیمان تا حد 0.3 امکان پذیر است . ساخت بتنی با مقاومت زیاد و در حد 120 Mpa و استفاده از آن در ساخت سازه های مختلف به ویژه ساختمان های بلند ، در کشورهای پیشرفته دنیا رواج یافته ساخت . از جمله مزایای این بتن ها می توان به مقاومت فشاری و مقاومت کششی بالا ، مدول الاستیسیته بیشتر و نفوذ پذیری کمتر آن ها اشاره کرد . از عوامل موثر در رسیدن به چنین مقاومت های بالا در بتن ، استفده از شن و ماسه مقاوم و با شکل مناسب ، افزایش مقدار سیمان مصرفی ، محدود کردن اندازه بزرگترین سنگدانه ، استفاده از ماسه با مدول نرمی مناسب و نسبت ماسه به سیمان مناسب برای همگنی بیشتر آن می باشد . همچنین با استفاده از مواد بسیار ریزدانه و با اندازه هایی کمتر از دهم میکرون مانند دوده سیلیس می توان مجموعه ای متراکم تر و با تخلخل بسیار کم را تهیه نمود .

در بتن های با مقاومت بالا بایستی تا حد امکان نسبت آب به سیمان را کاهش داد (W/C=0.18~0.35) ، که در این حالت بعضی دانه های سیمان هیدارته نشده و به صورت مواد ریزدانه پر کننده ، دانسیته را افزایش داده و درنتیجه سبب افزایش مقاومت می شوند . برای تامین روانی و کارایی کافی در چنین مخلوط هایی که با آب بسیار اندک تهیه می شوند ، لازم است از فوق روان کننده ها استفاده شود . در مورد میزان نرمی بتن های با مقاومت بالا باید اشاره شود که غالبا با افزایش مقاومت بتن ، تردی و شکنندگی آن نیز افزایش می یابد . برای افزایش نرمی این بتن ها می توان به آن ها الیاف کوتاه اضافه نمود .

ار موارد خیلی مهم در رابطه با کاربرد بتن با مقاومت بالا در سازه ها ، توجه دقیق به طرح اختلاط ، نحوه اجرا و عمل آوری آن است . در خصوص طرح اختلاط باید اشاره شود که به دلیل کثرت پارامترهای تاثیر گذار در خواص بتن های HSC تا کنون روش طرح اختلاط مشخصی در آیین نامه های معتبر برای این نوع بتن ها پیشنهاد نشده است . بنابراین لازم است در کاربردهای عملی از بتن HSC بر حسب نیاز ، طرح اختلاط مناسب با مطالعات آزمایشگاهی و روش سعی و خطا و یا هر روش معتبر دیگری تعیین شود .

در مورد اجرا نیز باید با استفاده از نیروهای ماهر و تجهیزات مناسب ، نظارت دقیقی بر اجرای صحیح بتن اعمال گردد. عمل آوری بتن هم باید بصورت پیوسته و با تامین رطوبت کافی و در دمای 20 الی 25 درجه سانتی گراد انجام شود .

موضوع دیگر درباره بتن های با مقاومت بالا این است که برخی مواقع مصرف سیمان در آنها خیلی افزایش یافته و ممکن است به بیش از 500 kg/m3 هم برسد . این موضوع علاوه بر افزایش قیمت تمام شده آن ، باعث می شود به دلیل ازدیاد حرارت و جمع شدگی در بتن ، ترک هایی در آن ایجاد شود .

چنین بتنی به علت وجود ترک های زیاد نمی تواند در شرایط محیطی سخت و خورنده ، دوام قابل قبولی داشته باشد . به منظور افزایش دوام این بتن ها ، ضمن کاهش آب مصرفی و استفاده از فوق روان کننده ها ، مقدار سیمان مصرفی را کم کرده و در عوض مواد پوزولانی نظیر دوده سیلیس ، خاکستر بادی و سرباره کوره آهن گدازی را به صورت مواد ریزدانه جایگزین آن می نمایند .

در جدول زیر مشخصات یک نمونه از بتن های با مقاومت بالا که در سال های اخیر ساخت سازه های بلند بکار رفته است ، نشان داده شده است.

خواص بتن با مقاومت بالا و موارد کاربرد آن

مقاومت فشاری بتن شاید مهمترین معیار کیفیت آن باشد . عواملی نظیر مشخصات سنگدانه ها از لحاظ شکل ، بافت و حداکثر اندازه آنها ، مقدار سیمان مصرفی و نسبت آب به سیمان بر مقاومت فشاری بتن تاثیر می گذارند . غالبا رشد مقاومت بتن HSC در سنین اولیه نسبت به بتن معمولی بیشتر است ، ولی افزایش مقاومت در طول زمان ، تابع مواد تشکیل دهنده و روش های عمل آوری بتن می باشد . نکته قابل توجه در عمل آوری بتن با مقاومت زیاد ، تامین رطوبت و دمای کافی است تا در طول دوره عمل آوری ، آبگیری سیمان تداوم داشته باشد .

مقاومت کششی بتن از دیگر خصوصیات مکانیکی آن می باشد . به طور معمول مقاومت کششی بتن حدود 10 تا 15 درصد مقاومت فشاری آن است ، بنابر این کلیه عوامل موثر بر مقاومت فشاری بر روی مقاومت کششی نیز تاثیر گذار بوده و مقاومت کششی بتن HSC به مراتب بیشتر از بتن معمولی می باشد . از آنجا که مقاومت بتن تا حد زیادی به میزان تراکم آن بستگی دارد ، لازم است میزان روانی مخلوط به حدی باشد که امکان دستیابی به یک تراکم مناسب را فراهم سازد . با افزودن فوق روان کننده ، میکرو سیلیس و نظایر آن به مقدار مناسب در مخلوط بتن میتوان کارایی مورد نظر را تامین کرد . منحنی تنش - کرنش و ضریب ارتجاعی بتن از دیگر ویژگی های مکانیکی بتن می باشد . شکل منحنی تنش - کرنش بتن با مقاومت بالا در مقایسه با بتن معمولی ، خطی تر و دارای شیبی بیشتر می باشد .

مقدار کرنش در حداکثر تنش ممکن است بیشتر از مقدار مشابه در بتن معمولی باشد . با این حال کرنش نهایی در بتن با مقاومت بالا نسبت به بتن معمولی کمتر است . به بیانی دیگر ، بتن HSC تردتر از بتن معمولی می باشد . برای رفع این کمبود و افزایش میزان نرمی بتن با مقاومت بالا می توان به آن الیاف کوتاه اضافه نمود . ضریب ارتجاعی یا همان شیب منحنی تنش - کرنش برای بتن با مقاومت بالا در مقایسه با بتن معمولی دارای مقادیر بالاتری است یعنی بتن با مقاومت بالا ، علاوه بر اینکه می تواند تنش بسیار بالاتری را نسبت به بتن معمولی تحمل کند ، دریک تنش یکسان کرنشی به مراتب کمتر از بتن های معمولی از خود نشان می دهد . وزن مخصوص بتن از دیگر مشخصه های آن است . نتایج بررسی ها نشان می دهد که وزن مخصوص بتن های با مقاومت بالا ، اندکی بیشتر از بتن های معمولی ساخته شده از همان مصالح می باشد . با این حال ، وزن سازه های ساخته شده با بتن HSC در مقایسه با بتن های معمولی به مراتب سبکتر بوده که این نکته یکی از مزیت های استفاده از بتن با مقاومت بالا ، به خصوص در مناطق زلزله خیز به حساب می آید . در ضمن پدیده خزش ، نفوذ ناپذیری و سایش در بتن های با مقاومت بالا نسبت به بتن های معمولی کمتر و دوام و مقاومت برشی ، بیشتر می باشد .

دامنه کاربرد بتن های با مقاومت بالا ، خیلی وسیع نیست . امروزه استفاده اصلی از بتن HSC در ساختمان های بلند مرتبه ، پل های پیش تنیده و ساخت بعضی سازه های خاص می باشد . اگر چه در ساخت قسمت های مختلف ساختمانهای بلند ممکن است از بتن با مقاومت بالا استفاده شود ، ولی کاربرد اصلی بتن سازه های خاص می باشد . اگر چه در ساخت قسمت های مختلف ساختمانهای بلند ممکن است از بتن با مقاومت بالا استفاده شود ، ولی کاربرد اصلی بتن HSC در ساخت ستون های این نوع ساختمان ها می باشد . با انجام چنین کاری ابعاد ستون ها به طور قابل ملاحظه ای کاهش یافته و امکان افزایش تعداد طبقات یک ساختمان فراهم می آید . در ساخت پل ها نیز از بتن با مقاومت بالا بطور روز افزونی استفاده می شود . مقاومت کششی بتن با ازدیاد مقاومت فشاری آن افزایش یافته و این امر در طراحی اعضای بتنی پیش تنیده نظیر شاه تیر ها (که در آن مقاومت کششی بتن کنترل کننده است) دارای ارزش زیادی می باشد . همچنین کاهش خزش در بتن با مقاومت بالا ، برای کاهش اتلاف پیش تنیدگی شاه تیرهای پل مفید است . ساخت سازه های خاص نظیر سازه های ساحلی ، سقف جایگاه تماشاگران میادین ورزشی ، پایه های بعضی پل ها ، عرشه پل های کابلی در دهانه های بزرگ جهت کاهش وزن عرشه و غیره نیز ممکن است از بتن با مقاومت بالا استفاده شود . برای بررسی بتن HSC از جنبه اقتصادی باید اشاره شود که استفاده از مواد افزودنی فوق - روان کننده و ترکیبات تکمیلی سیمان نظیر خاکستر بادی ، میکرو سیلیس و سرباره کوره آهنگدازی در مخلوط بتن با مقاومت بالا و همچنین افزایش کیفیت مصالح سنگی و اعمال کنترل کیفیت شدید در هنگام ساخت ، حمل و نقل و جابجایی بتن و نظارت دقیق در مرحله بتن ریزی و عمل آوری آن ، همگی عواملی هستند که قیمت تمام شده بتن با مقاومت بالا را افزایش می دهند ، با این حال در بیشتر کاربرد های بتن با مقاومت بالا ، فواید و محاسن استفاده از آن به قدری زیاد است که عملا افزایش هزینه های مزبور جبران می شود .

نتیجه گیری :

در سالهای اخیر پیشرفت و تحول عظیمی در تکنولوژی بتن ایجاد شده که نتیجه آن پیدایش بتن های جدید با خواصی متفاوت است . یکی از مهمترین این بتن ها ، بتن با مقاومت بالا یعنی HSC است . با پیدایش بتن HSC این امکان فراهم گشته تا ساختمان ها و برج های بتنی مرتفع که دارای ظرافت و هنر معماری هستند احداث شوند . اگر چه امروزه دامنه استفاده از بتن با مقاومت بالا وسیع نبوده و عمدتا به ساخت سازه های بلند مرتبه و پل های بتنی پیش تنیده و بعضی سازه های خاص محدود می شود . با این حال انتظار می رود در سال های نه چندان دور شاهد کاربرد بتن با مقاومت بالا در سطوح وسیع تری باشیم . برای رسیدن به این هدف به نظر می آید که لازم باشد آیین نامه های بتن با تجدید نظر در ضوابط طراحی ، محدودیت های استفاده از بتن HSC را به شکل صریح و روشن در آیین نامه ها وارد نمایند .