بتن خودمتراکم

تعریف بتن خودمتراکم

طبق تعریف انجمن بتن ایالات متحده بتن خودمتراکم «بتنی با کارایی زیاد و عدم جداشدگی است که می‌تواند در محل مورد نظر ریخته شده، فضای قالب را پر کند و اطراف آرماتورها را بدون نیاز به تراکم مکانیکی فرا بگیرد». به‌طور کلی بتن خودمتراکم با مصالح بتن معمولی ساخته می‌شود و در برخی موارد برای ساخت آن علاوه بر مقادیر نسبتاً زیاد فوق روان‌کننده، از افزودنی لزجت دهنده نیز استفاده می‌شود.

تاریخچه

از آغاز گسترش کاربرد بتن مسلح، مشکلات اجرایی ناشی از کاربرد مخلوط‌های خشک موجب گرایش به مخلوط‌های مرطوب تر با روانی بیشتر مخصوصاً در میان متولیان اجرای سازه‌های بتنی شده بود، ولی از آنجا که افزایش روانی در گرو استفاده از آب بیشتر در مخلوط بتن بود و از طرفی تأثیر افزایش میزان آب به سیمان بر کاهش مقاومت و دوام بتن شناسایی شده بود، این سؤال برای متخصصان بتن ایجاد شده بود که چگونه می‌توان بدون تأثیر منفی بر خواص بتن در جهت سهولت اجرای سازه‌های بتنی، روانی مخلوط را افزایش داد.
با گذشت زمان و پیدایش روان‌کننده‌ها و فوق روان‌کننده‌ها به عنوان نوع جدیدی از افزودنی‌ها، بسیاری از مشکلات اجرایی بتن که ناشی از استفاده از بتن‌های با کیفیت خوب ولی کارایی کم بود از میان برداشته شد. با این حال دست‌یابی به بتن با قابلیت خودمتراکمی بدون افت در مقاومت و دوام بتن و عدم ایجاد انسداد و جداشدگی، سال‌ها به عنوان یک هدف دست نیافتنی برای دست‌اندرکاران صنعت بتن در کشورهای مختلف قلمداد می‌شد.
این مسایل باعث توجه محققین به خواص کارایی و رئولوژی بتن گردید. نهایتاً در اوایل دهه هشتاد میلادی به دنبال کاهش نیروی کار ماهر در صنعت ساخت و ساز ژاپن و نیز تراکم نامناسب بتن ناشی از افزایش حجم آرماتورهای مصرفی که باعث کاهش کیفیت کارهای اجرایی انجام گرفته شده بود، این موضوع برای چندین سال مورد بحث و بررسی قرار گرفت تا اینکه نظریهٔ بتن خودمتراکم، بتنی که بتواند تحت وزن خود و بدون نیاز به لرزاندن متراکم شده و تمام زوایای قالب را پر کند، به عنوان راه حلی توسط Okamura در سال ۱۹۸۶ مطرح شد. لازمهٔ تحقیق بر روی بتن خودمتراکم مطالعهٔ عمیق کارایی بتن بود که توسط Ozawa و Maekawa در دانشگاه توکیو صورت گرفت. مدل اولیهٔ بتن خودمتراکم در سال ۱۹۸۸ تکمیل شد و در همین سال این نوع بتن برای اولین بار در کارگاه ساخته شد و نتایج قابل قبولی را از نظر خواص فیزیکی و مکانیکی ارائه داد.
تحقیقات در زمینهٔ بتن خودمتراکم در اروپا و آمریکا در مقایسه با ژاپن دیرتر آغاز گردید. لیکن امروزه بتن خودمتراکم هم‌زمان با کشور ژاپن در مراکز دانشگاهی و تحقیقاتی کشورهای اروپایی، کانادا، آمریکا و نیز آسیا موضوع بحث، بررسی و اجرای سازه‌های بتنی است. در پی استفاده گسترده از بتن خودمتراکم در ژاپن، مراکز علمی و پژوهشی در دنیا بر آن شدند تا این تجربیات را به صورت مدون و استاندارد درآورند. می‌توان گفت منسجم‌ترین تلاش در این زمینه توسط مؤسسه اروپایی EFNARC در سال ۲۰۰۲ با انتشار راهنمای بتن خودمتراکم به ثمر نشست. در سال ۲۰۰۵ میلادی نیز این مؤسسه به همراه چهار مؤسسهٔ دیگر تجربیات عملی در بتن خودمتراکم را تحت عنوان «راهنمای اروپایی بتن خودمتراکم، ویژگی‌ها، تولید و استفاده» گردآوری و منتشر نمودند. در ایران نیز آشنایی با این بتن از اوایل دههٔ ۷۰ آغاز شد و با گذشت زمان و پس از انجام مطالعاتی در دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی کشور، این نوع بتن در چندین پروژهٔ خاص بکار گرفته شد.

طرح اختلاط

در طرح اختلاط ابتدا نوع عضو را انتخاب می‌کنیم «تیر - ستون - دال - دیوار برشی» سپس عدد اسلامپ را انتخاب کرده و نسبت آب به سیمان را تعیین می‌کنیم. در انتها با توجه به حجم بتن مصرفی و وزن مخصوص ماسه، سیمان، آب و شن مقدار شن و ماسه را بدست می‌آوریم.

چالش‌های کاربرد گستردهٔ بتن خودمتراکم در ایران

با اینکه در ابتدا بتن خودمتراکم در زمرهٔ بتن‌های خاص و پیچیده محسوب می‌شد، توانایی‌ها و مشخصات فوق‌العاده، این نوع بتن را به سرعت به یکی از انواع پرکاربرد در کشورهای پیشرفتهٔ دنیا تبدیل کرد. با این حال، در کشورهایی مانند کشور ایران، هنوز این بتن یک فناوری جدید در عرصهٔ ساخت و ساز به‌شمار می‌آید و می‌توان گفت استفاده از آن هنوز محدود می‌باشد و آشنایی و دانش کافی دربارهٔ آن نزد اغلب مهندسین وجود ندارد. با این حال با پایان موفقیت‌آمیز چند پروژهٔ عمرانی بزرگ همانند پروژهٔ بزرگراه طبقاتی شهید صدر در تهران به نظر می‌رسد با آشنایی تدریجی سازندگان ایرانی با روش‌های اجرا و مزایا و معایب بتن خودمتراکم در چنین پروژه‌های عظیمی، می‌توان در آینده شاهد استقبال مهندسین از این محصول نوین، اجتناب از بکارگیری مصالح و روش‌های سنتی و هزینه بر و در نهایت ارتقای کیفیت سازه‌های بتنی بود.

خزش در بتن

رابطه بین تنش و تغییر شکل نسبی بتن تابعی از زمان است که افزایش تغییر شکل نسبی به مرور زمان تحت اثر بار ثابت خزش نامیده می‌شود. از آنجا که این افزایش می‌تواند چندین برابر بزرگتر از تغییر شکل نسبی هنگام بارگذاری باشد، لذا پدیده خزش نقش نسبتاً مهمی در رفتار سازه‌ها خواهد داشت. بزرگی خزش و نرخ پیشرفت آن تحت تأثیر فاکتورهای زیادی هستند، بعضی از این فاکتورها ناشی از خواص مخلوط سیمان بوده و برخی به شرایط بارگذاری و محیطی بستگی دارند. با توجه به اینکه خزش به میزان تنش نیز بستگی دارد، هنگامی که تنش تحمل شده کمتر از حدوداً نیمی از مقاومت فشاری بتن باشد، کرنش خزشی تقریباً متناسب با میزان تنش بوده و خزش خطی خوانده می‌شود. در سطوح بالاتر تنش، خزش با نرخ سریعتری افزایش می‌یابد و نسبت به تنش غیرخطی می‌شود. این رفتار غیرخطی خزش در سطوح بالای تنش، مرتبط با افزایش میکروترک‌ها تلقی می‌شود. تنش‌های فشاری به ندرت در ساز ه‌های بتنی در بارهای سرویس از نصف مقاومت فشاری فراتر می‌روند و لذا اثرات خزش غیرخطی از اهمیت کمتری نسبت به خزش خطی برخوردار است.

رئولوژی بتن خودمتراکم

مخلوط بتن SCC سیال تر از مخلوط بتن معمولی است؛ بنابراین روشی که توسط آن شناسایی می‌شود نیازمند یک دیدگاه متفاوت و تکنیک اندازه‌گیری جدید می‌باشد. رئولوژی بتن علمی است که به بررسی جریان بتن می‌پردازد. اگرچه ویژگی‌های تازه بتن در حوزه رئولوژیکی از سوی Tattersall و Banfill (اوایل ۱۹۸۰) بیان شده‌اند، SCC در حال حاضر بتنی به صنعت ارائه نموده‌است که مبنای واقعی آن بر اساس ویژگی‌های رئولوژیکی ساخته شده‌است.
در SCC ویژگی‌های یک سیال مخلوط بتن شامل رئولوژی آن می‌باشد؛ و مقادیر زیاد آن به ما کمک کرده تا عملکرد آن را در روشن بنیادین شناخته و متمایز کنیم. مدل‌های رئولوژیکی متعددی وجود دارند، اما اکثر شواهد نشان می‌دهد رئولوژی بتن باید مطابق با مدل بینگهام توصیف شود.
این مدل دو تعریف ثابت را در جریان (روانی) مواد پیشنهاد می‌دهد، تنش تسلیم که به مقدار نیروی لازم جهت شروع جریان یک ماده اطلاق می‌شود و ویسکوزیته پلاستیک که به عنوان مقاومت داخلی مواد در برابر جریان تعریف می‌شود.

رئومتر

رئومتر در واقع یک ابزار آزمایشگاهی است که بر خلاف وسکومترها جهت اندازه‌گیری برخی مشخصه‌های افزایش از جمله ویسکوزیته بتن، سرعت برشی و تنش برشی به کار می‌رود. سازوکار عملکرد این وسیله به این صورت است که در آن از طریق بررسی توان مورد نیاز برای چرخش یک سطح و پره در داخل نمونه، پارامترهایی چون ویسکوزیته دینامیک اندازه‌گیری می‌شود.

مفهوم ویسکوزیته

قبل از اینکه وارد بحث بشییم بهتر است بدانیم که ویسکوزیته به مقاومت در برابر جاری شدن را گویند. میتوان گفت وقتی یک سیال میخواهد جاری شود به دلیل اصطکاک بین لایه‌های سیال مقاومت در برابر جاری شدن را نشون میده یا میشه گفت لایه‌های سیال به دلیل جاذبه بین لایه‌ها نمیخان جاری شن که همه اینا همون ویسکوز بودن سیال است و این یکی از خاصییت سیالات است مثل جامدات که خاصییت الاستیک دارند.
زمانی که فرد مخلوط بتن را در سطح هم بزند، هرچه بخواهد سریع تر مخلوط کند، تنش بیشتری بر بازوی وی اعمال می‌شود و این هم زدن دشوارتر می‌شود. داده‌های رئولوژیکی از طریق طراحی یک خط مناسب به وسیله مجموعه ای از نقاط به دست می‌آید. نقطه برون یابی شده نقطه ای است که که در آن مخلوط درحالت تسلیم قرار گرفته و شروع به جاری شدن می‌کند.
همان‌طور که قبلاً بدان اشاره شد، علاوه بر تنش تسلیم، ویسکوزیته پلاستیک یک مخلوط بتن می‌تواند با استفاده از رئومتر تعیین شود. ACI 238 ویسکوزیته را به صورت مقاومت یک سیال در برابر تغییر شکل، تحت تنش برشی تعریف می‌کند.
در مورد بتن، این پارامترها از طریق کاربرد یک رئومتر بتن اندازه‌گیری می‌شوند که چند نوع از آن‌ها با نام تجاری رئومان ۱۱۰ و ۱۱۸ توسط شرکت توسعه پایدار سلمان تجاری سازی شده‌است.
چیزی که در این مورد برای متخصص یا کارشناس بتن معنی می‌دهد این است که مخلوط اگرچه کم و بیش سیال است، کم و بیش چسبناک نیز می‌باشد. تفاوت بین عسل و آب را در نظر بگیرید، هر دو سیال‌هایی هستند با تنش تسلیم صفر یا نزدیک به صفر. اما عسل دارای ویسکوزیته بالاتر از آب است.
ویسکوزیته بتن خود متراکم بسته به نوع مواد، نسبت اختلاط مواد و افزودنی‌ها، متفاوت می‌باشد. بعضی از این ترکیبات می‌توانند از ویسکوزیته پلاستیک بالاتر همانند عسل برخوردار باشند، در حالی که سایر ترکیبات ویکوزیته پایین‌تری دارند و این زمانی مهم خواهد بود که بتواند ویژگی عملکردی معینی از قبیل مقاومت در برابر تفکیک را تحت تأثیر قرار دهد.
پس به لحاظ رئولوژیکی ترکیبات SCC دارای یک تنش تسلیم پایین همچنین ویسکوزیته ای که میزان آن برای کاربردهای مختلف، متفاوت است، می‌باشد.

بتن خود متراکم در ایران

بتن خود متراکم یک عرضه پویا در زمینه ساخت و ساز در دنیاست، با توجه به این موضوع دانشکده عمران دانشگاه شهید باهنر کرمان اولین تجلی گاه ظهور بتن خود تراکم در ایران شد که دانشجویان کارشناسی ارشد زیر نظر دکتر مقصودی عضو هیئت علمی به این مهم دست پیدا کردند.