بتن خود تراکم چیست؟ معرفی ویژگی های بتن خود تراکم

معرفی ویژگی های بتن خود تراکم

بتن خود تراکم، مخلوطی بتنی دارای تنش تسلیم کم، تغییر شکل پذیری بالا، مقاومت خوب در برابر جداشدگی (جلوگیری از جدا شدن ذرات در مخلوط) و ویسکوزیته متوسط ​​(در جهت اطمینان از معلق بودن یکنواخت ذرات جامد در طول حمل و نقل، بتن ریزی (بدون تراکم خارجی) و پس از آن تا زمانی که بتن خود را بگیرد.) می­باشد. در شرایط معمول، وقتی بتن خودتراکم ریخته می‌شود، ترکیبی بسیار سیال با ویژگی‌های اجرایی بارز زیر است:

• به راحتی در داخل و اطراف قالب جریان دارد.
• می‌تواند از موانع عبور کند.
• دارای قابلیت عبورمی­باشد و در اطراف گوشه‌ها تقریبا تراز می­شود.
• پس از بتن ریزی نیازی به لرزش یا ضربه زدن ندارد.
• پس از سخت شدن، شکل و بافت سطح قالب را به به خوبی به خود می­گیرد.

پس از بتن ریزی، بتن خودتراکم معمولاً از نظر زمان گیرش و عمل­آوری (به دست آوردن مقاومت) و استحکام مشابه بتن استاندارد است. در بتن خودتراکم از میزان آب زیاد برای سیالیت بالا استفاده نمی­شود، در واقع بتن خودتراکم ممکن است حتی حاوی آب کمتری نسبت به بتن­های استاندارد باشد. از طرفی این بتن، خواص سیالیت خود را از نسبت غیرمعمول بالای ریزدانه­ها مانند شن و ماسه (معمولاً %50)، فوق روان‌کننده بتن (افزودنی‌هایی که اطمینان می‌دهند ذرات پراکنده می‌شوند و در مخلوط سیال ته نشین نمی‌شوند) و افزودنی‌های افزایش دهنده ویسکوزیته به دست می‌آورد. بتن خود تراکم از این نظر که نیاز به ویبره و متراکم کردن ندارد و در نتیجه نیاز به نیروی کار، زمان و منابع احتمالی مسائل فنی و کنترل کیفیت در آن کاهش می­یابد، نسبت به بتن معمولی ارجحیت دارد.

الزامات طراحی مخلوط بتن خود متراکم :

حجم بالای خمیر

حجم بالای مواد ریزدانه ( با قطر کمتر از 80 میکرون)

دوزهای بالای فوق روان کننده

استفاده از قوام دهنده­ها

مواد درشت دانه کمتر

استفاده از مواد افزودنی بتن

 

ویژگی­های بتن خود تراکم تازه

بتن از زمان مخلوط شدن تا زمان گیرش در حالت تازه باقی می­ماند. در این دوره است که بتن جابه­جا می­شود، بتن ریزی و سپس تراکم صورت می­گیرد. خواص بتن در حالت تازه بسیار مهم است زیرا بر کیفیت بتن سخت شده تأثیر می­گذارد. ویژگی اصلی بتن خود تراکم در حالت تازه این است که بدون نیاز به ویبره کردن، بتواند قالب را به طور کامل پر کرده و آرماتور را به اندازه کافی احاطه کند (حتی در جاهایی که به طور متراکم با آرماتور تقویت شده­اند) و هیچ خلل و فضای خالی یا جداشدگی در طول پرداختن باقی نگذارد. علاوه بر سیالیت بالا، این نسل از بتن­ها، باید ظرفیت خوبی برای جریان یافتن مانند یک سیال چسبناک و عبور از بین میلگردهای تقویت کننده را، از خود نشان دهند.

روش­های مختلف برای تعیین طرح اختلاط بتن خود تراکم

• روش تجربی

روش طراحی تجربی مبتنی بر داده­های تجربی مربوط به میزان ریزدانه و درشت دانه، میزان آب، مواد سیمانی و دوز روان کننده بتن برای تعیین نسبت اولیه مخلوط است. براساس این روش با استفاده از چند طرح مخلوط آزمایشی، تخمینی مناسب از نسبت­های طرح مخلوط مطلوب ( جهت دستیابی به خواص مورد نیاز) حاصل می­شود. یکی از طرح مخلوط­های اراِئه شده برای بتن خودتراکم که براساس روش تجربی حاصل شده است، شامل موارد زیر می­باشد:

• درشتدانه­ها، %50 حجم مواد جامد را تشکیل می­دهند.
• ریزدانه­ها، %40 از حجم ملات سیمان را تشکیل می­دهند..
• نسب آب به مواد پودری بسته به خواص پودر در محدوده 1 0/9 – می­باشد.
• دوز فوق روان کننده و نسبت نهایی آب به پودر، در جهت اطمینان براساس ویژگی خودتراکمی تعیین می_­شود.

اگرچه به کارگیری این رویکرد بسیار ساده است، اما در این روش هیچ پارامتری برای توصیف خواص مصالح تعریف نشده است. برای دستیابی به کارایی بالاتر و ویسکوزیته متوسط، باید از فوق روان کننده با دوزهای بالاتر  استفاده کرد که می­تواند منجر به، به تاخیر انداختن بتن و همچنین افزایش هزینه­ بتن خودتراکم شود.طرح مخلوط دیگری که برمبنای روش تجربی حاصل شده است، توصیه می­کند نسبت ریزدانه­ها، نسبت آب به مواد پودری و میزان فوق روان کننده ثابت باشد. شکل زیر روند طراحی طرح مخلوط را نشان می­دهد. در مقایسه با رویکرد قبل، این روش می­تواند برای مواد پودری و سنگدانه­ با کیفیت­های متفاوت نیز مورد استفاده قرار گیرد. اگرچه تحقیقات بیشتری برای تشخیص ویژگی­های مواد اولیه، مثل تراکم­پذیری بین مواد پودری و فوق روان کننده ­ها لازم است.

روش دیگر پیشنهاد شده مربوط به بتن خودتراکم حاوی متاکائولین با درشت دانه­های با خواص مختلف است. استفاده از متاکائولین در بتن نه تنها می­تواند انتخاب خوبی برای استفاده از ضایعات باشد، بلکه خواص بتن خودتراکم را نیز افزایش می­دهد.

آقای دومون و همکاران، روشی بر مبنای تجربه و درک رفتار بتن خودتراکم به نام UCL پیشنهاد کرده­اند. این روش طرح مخلوط را برای خواص مورد نیاز تخمین می­زند و سپس با تعدادی طرح آزمایشی بهینه می­شود. ملات بتن با استفاده از آزمایش‌های پخش و قیف V برای تعیین نسبت آب به پودر و دوز فوق روان‌کننده مورد آزمایش قرار می­گیرد. شکل (3) روند این روش را نشان می­دهد. در این روش فقط آزمایشات استاندارد برای بتن تازه مورد نیاز است و از آزمایشات پیچیده مربوط به رفتار رئولوژیکی ملات یا بتن اجتناب می­شود. یک مزیت قابل توجه برای روش طراحی تجربی، سادگی آن است. یک مزیت قابل توجه برای روش تجربی، سادگی آن است. با این حال، آزمایش­های آزمایشگاهی فشرده برای به دست آوردن سازگاری بین اجزای موجود و نسبت­های مخلوط مناسب مورد نیاز است.

• روش مقاومت فشاری در بتن خود تراکم

در این روش میزان سیمان، مواد افزودنی، آب و مقدار سنگدانه­ها براساس مقاومت فشاری مورد نیاز به دست می­آید. EFNAR یک روش ساده برای طرح مخلوط بتن خودتراکم بر اساس   ACI 211.1است. در این روش، میزان درشت­دانه به حداکثر اندازه سنگدانه(MAS)  و مدول نرمی ریزدانه بستگی دارد. میزان آب بر اساس حداکثر اندازه سنگدانه و مقاومت بتن تعیین خواهد شد. همچنین نسبت آب به سیمان و نسبت حجمی آب به مواد پودری با مقاومت فشاری بتن تعیین می­شود.

این مطلب را هم بخوانید: آزمایش بتن خودتراکم

طرح مخلوط بر اساس ACI 211.1، مقاومت فشاری در محدوده­ی 15 تا 40 مگاپاسکال را نیز شامل می­شود. اگرچه در این روش می­توان با حداکثر نسبت آب به سیمان محدوده مقاومت فشاری را از 15 تا 75 مگاپاسکال، گسترش داد.

دیناکار و همکاران، روشی را برای بتن خودتراکم حاوی سرباره  (GGBS)با استفاده از ضریب کارایی پیشنهاد کردند. این روش شامل پنج مرحله می­باشد که در شکل زیر قابل مشاهده است. مقدار مواد پودری کل، در مرحله اول ثابت لحاظ می­شود و درصد سرباره نیز براساس مقاومت مورد نیاز، ثابت در نظر گرفته می­شود. ضریب کارایی (k) برای همان درصد با معادله پیشنهادی در مرحله دوم تعیین می­شود. در مرحله سوم مقدار آب و سپس درشت­دانه و ریزدانه با استفاده از منحنی­های دانه­بندی ترکیبی استانداردهای DIN تعیین می­شود. در نهایت، خود تراکم­پذیری بتن تازه از طریق اندازه­گیری جریان اسلامپ و جریان­­­پذیری از طریق آزمایش قیف V، و توانایی عبور از طریق آزمایش جعبه L مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت. با استفاده از روش پیشنهادی و مقادیر ضریب کارایی تعیین شده برای GGBS، بتن خودتراکم با محدوده قدرت بین 30 تا 100 مگاپاسکال با میزان جایگزینی GGBS از 20 تا 80 درصد می­تواند توسعه یابد. این روش کارایی مواد پوزولانی را در نظر می­گیرد و راهی برای استفاده از جایگزین­های با حجم بالا تا 80 درصد، برای 30 مگاپاسکال ارائه کرد. روش مقاومت فشاری روشی شفاف و دقیق، برای بدست آوردن مقادیر خاصی از مواد تشکیل دهنده و به حداقل رساندن تعداد طرح مخلوط­های آزمایشی است. علاوه بر این، دانه­بندی سنگدانه­های ریز و درشت یا تاثیر نقش مواد پوزولانی در خواص بتن را در نظر می­گیرد. با این حال، یکی از نقاط ضعف این روش آن است که برای دستیابی به طرح مخلوط بهینه، نیاز به تغییر و اصلاح در مقدار همه­ی مواد مانند ماسه، سنگدانه‌های درشت، فوق روان‌کننده‌ها و آب می­باشد.

• طرح مخلوط براساس رئولوژی مدل خمیر

طبق این روش، رئولوژی ماتریس سیمان تا حد زیادی مقاومت در برابر جداشدگی و کارایی بتن تازه را با توجه به یک توزیع اندازه ذرات مشخص و نسبت حجمی سنگدانه تعیین می­شود. کاربرد این روش با اندازه­گیری خواص جریان بتن تازه آزمایش می­شود. علاوه بر این، پیشنهاد می‌شود تا تنش تسلیم و ویسکوزیته خمیر از مقدار حداقل تعریف شده برای آن بیشتر باشد، تا در شرایط استاتیک (استراحت) و دینامیک (جریان) از جداشدگی جلوگیری شود.

با گسترش روش ذکر شده، اثرات نسبت حجمی سنگدانه­ها (و خمیر)، توزیع اندازه ذرات سنگدانه­ها و نسبت ریزدانه به درشت دانه نیز در ارائه­ی طرح اختلاط لحاظ گردید. این عوامل، همراه با شکل سنگدانه، بر میزان فضای خالی و قطر متوسط ​​ذرات اسکلت جامد تأثیر می‌گذارند. قطر متوسط ​​ذرات اسکلت جامد به صورت رابطه­ی (1) تعریف می­شود:

یک مقدار حداقل از حجم خمیر سیمان، برای پر کردن فضای خالی بین ذرات سنگدانه­ها و ایجاد لایه­ای ضخیم برای اطمینان از تغییر شکل پذیری و مقاومت در برابر جداشدگی نیاز است. از این رو، میانگین فاصله سنگدانه­ها   d_ss  که به عنوان دو برابر ضخامت لایه خمیر اضافی پوشاننده سنگدانه­ها است از رابطه­ی (2)، تعریف می­شود:

خواص رئولوژیکی خمیر (تنش تسلیم و ویسکوزیته) باید با توجه به میانگین قطر سنگدانه­ها و به عنوان تابعی از فاصله سنگدانه­ها بهینه شود. روش این فرآیند در شکل (7) نشان داده شده است.

مدل رئولوژی خمیر و معیارهای مربوط به فاصله سنگدانه­ها و میانگین قطر سنگدانه­ها را می­توان برای نسبت­های درشت­دانه به کل سنگدانه­ها، مقدار سیمان،  نسبت آب به مواد چسباننده و همچنین مقدار و انواع مختلف خاکستر بادی اعمال کرد. مدل رئولوژی خمیر می­تواند وسعت کار آزمایشگاهی و مواد مورد استفاده را کاهش دهد و زمینه را برای کنترل کیفیت و توسعه بیشتر مواد افزودنی جدید معدنی و شیمیایی فراهم کند.

این مطلب را هم بخوانید: مکانیزم عملکرد بتن

• روش انباشتگی سنگدانه ­ها (aggregate packing method)

این روش ابتدا  نسبت اختلاط را با به دست آوردن “کمترین فضای خالی” بین سنگدانه­ها بر اساس مدل انباشتگی تعیین می­کند و سپس برای پر کردن فضای خالی بین سنگدانه­ها از خمیرها استفاده می­کند. هوانگ و همکاران ،روشی براساس الگوریتم طراحی مخلوط تراکم یافته  (DMDA)پیشنهاد کردند.

در این روش اثرات سه نوع اتباشتگی سنگدانه (معمولی، متراکم، دانه بندی گسسته) بر فضای خالی داخل سنگدانه­ها و ویژگی بتن ساخته شده، مورد بررسی قرار گرفت. در انباشتگی معمولی از ماسه برای پر کردن فضای خالی بین سنگدانه­های درشت و سپس خاکستر بادی برای پر کردن فضای خالی بین سنگدانه­ها استفاده می­شود.

View this post on Instagram

A post shared by شرکت همگرایان تولید – کپکو (@capco.co.ir)

در انباشتگی متراکم از الک استاندارد 8/3 اینچ، برای جدا کردن سنگدانه­ها در سایزهای مختلف استفاده می­شود. نتایج نشان می­دهد که منحنی­های دانه­_­­بندی متراکم، کاملاً به منحنی فولر نزدیک هستند، همانطور که در شکل (9) نشان داده شده است.

DMDA برمبنای تئوری چگالی حداکثر، خمیر اضافی و مفهوم طراحی بر اساس دوام برای دستیابی به حداقل مقدار آب و سیمان با استفاده از خاکستر بادی (برای پر کردن فضای خالی بین سنگدانه­ها و خمیر سیمان برای رسیدن به کمترین مقدار منافذ) است. بتن خودتراکم طراحی شده با استفاده از روش DMDA، بسیار جریان پذیر، مقرون به صرفه و بادوام است. این روش بر  مشکلات موجود در بتن خودتراکم مثل توزیع ذرات، شکل­ بتن، حجم بالای خمیر سیمان، دانه­بندی گسسته­ی سنگدانه­ها غلبه می­کند. اگرچه هنوز در مورد توانایی عبور بتن طراحی شده با این روش در بتن­های تقویت شده و مقاومت در برابر جداشدگی اطلاعاتی کمی وجود دارد.

پترسون و همکاران یک روش برای طرح مخلوط بتن خودتراکم پیشنهاد کردند که بر اساس رابطه بین نسبت حجم مسدود کننده به فاصله دقیق آرماتورها به نسبت قطر می­باشد. این روش بتن را به عنوان یک فاز سنگدانه جامد در فاز خمیر مایع که با پودر، آب و مواد افزودنی تشکیل می­شود، در نظر می­گیرد. خمیر فضای خالی ماتریس سنگدانه را پر می­کند و یک لایه روان کننده در اطراف هر ذره ایجاد می­کند. در این روش خطر انسداد با استفاده از رابطه زیر محاسبه می­شود.

این روش به دلیل اهمیت آن قابل توجه است اما استفاده از آن به راحتی امکان­پذیر نیست. با استفاده از این روش می­توان باتوجه به فاصله میلگردها، طرح مخلوطی با روانی مناسب بین سنگدانه­ها، به دست آورد. با این حال، روشی برای توجیه یکنواختی مخلوط وجود ندارد. در روش دیگر، یک ضریب انباشتگی (PF) برای طرح اختلاط بتن خودتراکم پیشنهاد شده است. از ملاحظات اصلی این روش این است که خمیر چسباننده­ها، فضاهای خالی سنگدانه‌ای با ساختار شل را پر کند. ضریب انباشتگی سنگدانه، نسبت جرمی سنگدانه‌های نزدیک انباشته شده شده به سنگدانه‌های شده تعریف می‌شود. بنابراین محتوای سنگدانه های ریز و درشت را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

استفاده از این روش ساده بوده و از مقدار کمتری از چسباننده­ها استفاده می­کند. ضریب انباشتگی، میزان سنگدانه را تعیین می­کند و بر مقاومت، جریان پذیری و توانایی خودتراکمی تأثیر می­گذارد. با این حال در این روش، چگونگی تعیین نسبت ماسه به سنگدانه بهینه یا ضریب انباشتگی توضیح داده نشده است. این دو مقدار به صورت تجربی در طرح مخلوط در نظر گرفته می­شوند.

سومین مدل انباشتگی توسعه داده شده در LCPC، مدل انباشتگی تراکم­پذیر (CPM) می­باشد. در CPM ابتدا چگالی انباشتگی مجازی ذرات جامد با توزیع اندازه ذرات مختلف با توجه به ساختار انباشتگی محاسبه می­شود. سپس از طریق شاخص تراکم K، رابطه بین چگالی انباشتگی مجازی و چگالی انباشتگی واقعی در فرآیندهای انباشتگی مختلف برقرار می­شود. در نهایت، یک معادله غیر خطی برای بدست آوردن چگالی انباشتگی واقعی حل می­شود. در این روش، یک رئومتر BTRHEOM و یک نرم افزار RENE-LCPC برای طراحی مورد نیاز است.

این روش بر بهینه ‌سازی اسکلت دانه‌ای از نظر تراکم انباشتگی، تمرکز دارد. در بعضی مواقع با کاهش زیاد میزان خمیر ممکن است  باعث از بین رفتن سریع اسلامپ و مسدود شدن در حین پمپاژ شود. علاوه بر این، استفاده از این روش بدون خرید نرم افزار برای دیگران دشوار است.

شی و همکاران، روشی را برای طرح اختلاط بتن­های سبک وزن خود تراکم (SCLC)، با استفاده از ترکیبی از تئوری خمیر اضافی و دستورالعمل­های ACI برای طراحی بتن سبک سازه­ای معمولی، پیشنهاد کردند. پودرهای شیشه و خاکستر بادی کلاس F، برای تولید خمیر بیش از اندازه جهت افزایش جریان­پذیری و مقاومت در برابر جداشدگی بتن، اضافه می­شوند. مخلوط­های طراحی شده با SCLC، جریان­پذیری و مقاومت جداسازی خوبی از خود نشان می­دهند.

روش بعدی پیشنهاد شده توسط سبایبی و همکاران، براساس مدل انباشتگی تراکم­پذیر و استاندارد EN-206-1 است. در این روش از نرم افزار RENE-LCPC برای بهینه سازی ترکیب بتن خودتراکم استفاده می­شود. مقدار خمیر مواد پوزولانی با استفاده از NF EN 206-1  محاسبه می­شود. نسبت آب به سیمان با توجه به نمودار موجود در شکل (13) تعیین می­­شود.

این روش حاوی سنگدانه بیشتر، چسباننده کمتر و  نسبت ریزدانه به حجم ملات 60 درصد است. در نهایت یک طرح اختلاط با مقدار کمتری ماده­ی چسباننده و نسبت تقریباً بالاتری از ریزدانه به حجم ملات حاصل می­شود.

جمع ­بندی مشخصات بتن خود تراکم

• طراحی طرح مخلوط براساس روش تجربی، به آسانی امکان­پذیر است . با این حال، آزمایش‌های آزمایشگاهی فشرده بر روی مواد اولیه موجود برای به دست آوردن نسبت‌های مخلوط مناسب، مورد نیاز است.
• روش مقاومت فشاری روشی واضح و دقیق، برای به دست آوردن مقدار مواد اولیه ارائه می­دهد. این روش در عین حال نیاز به طرح­های آزمایشی را به حداقل می­رساند. علاوه بر این، دانه­بندی درشت­دانه، ریزدانه و نسبت مواد پوزولانی در خواص بتن خودتراکم را در نظر می­گیرد. با این وجود، این روش برای دستیابی به طرح مخلوط بهینه نیاز به اصلاح و تغییر مقدار برای همه مواد دارد.
• روش انباشتگی سنگدانه، عمدتاً روابط بین خمیر و سنگدانه را در نظر می­گیرد. از این رو، این روش ساده­تر بوده و به مقدار کمتری از چسباننده­ها نیاز دارد. اگرچه بتن خودتراکم تولید شده بر اساس این روش تمایل به جداشدگی بیشتری داشته، که در فرآیند ساخت و ساز می­تواند مشکل­ساز باشد.
• مدل مبتنی بر رئولوژی خمیر، می­تواند کار آزمایشگاهی و مواد را کاهش دهد و زمینه را برای کنترل کیفیت و توسعه بیشتر مواد افزودنی جدید معدنی و شیمیایی فراهم کند.