همه چیز درباره بتن با عملکرد بالا

بتن با کارایی بالا با انتخاب دقیق و تناسب اجزای تشکیل دهنده آن یعنی سیمان، ماسه، شن، مواد سیمانی مانند خاکستر بادی تولید می‌شود. دود سیلیس و سرباره و افزودنی‌های شیمیایی به عنوان مثال افزودنی‌های کاهش دهنده آب استفاده می‌شوند. مقاومت و دوام بتن با کارایی بالا از بتن معمولی بیشتر است.

ترکیب این بتن تقریباً مشابه بتن سیمانی معمولی است اما دارای ویژگی‌های زیادی مانند مقاومت بالا، سطح شکست صاف، نفوذپذیری کم، منافذ ناپیوسته و سایر است که با بتن معمولی متفاوت می‌باشد. این به دلیل نسبت کم آب به مواد سیمانی و وجود جایگزین‌های سیمان و مواد افزودنی شیمیایی است. عمل آوری بتن با عملکرد بالا بسیار مهم می‌باشد و دوره عمل آوری بحرانی از زمان قرار دادن یا اتمام تا 2 تا 3 روز بعد ادامه دارد.

بتن با عملکرد بالا (بتن توانمند) چیست؟

بتن با کارایی بالا ممکن است به عنوان بتن با مقاومت و دوام بالاتر از آنچه که با روش‌های معمولی به دست می‌آید، تعریف شود. بنابراین، ویژگی‌های مورد نیاز برای طبقه ‌بندی بتن به عنوان عملکرد بالا، به ویژگی‌های بتن معمولی قابل دستیابی در زمان و مکان خاص بستگی دارد.

بتن با کارایی بالا در کشورهای توسعه یافته معمولاً به بتن با مقاومت فشاری 28 روزه فراتر از 70±80 مگاپاسکال، ضریب دوام (تعریف شده به عنوان درصد مدول اصلی باقی مانده پس از 300 سیکل انجماد/ذوب) بالای 80 درصد اشاره دارد و w/c زیر 0.35. این سنگدانه با کیفیت خوب، محتوای سیمان بالا (550±450 کیلوگرم) و دوز بالای دوز سیلیس (5±15 درصد وزنی سیمان) و فوق روان کننده (15±5 لیتر) ساخته شده است.

گاهی از مواد پوزولانیک دیگر نیز در این بتن استفاده می‌شود. عملکرد بالا با استفاده از نسبت آب به سیمان کم (0.20±0.35) و همچنین پوزولان‌ها برای تولید یک ریزساختار متراکم با استحکام بالا و نفوذپذیری کم به دست می‌آید. فوق روان کننده برای کارآمد نگه داشتن مخلوط اضافه می‌شود. با محتوای سیمان بالا، استفاده از فوق پاستیزه کننده‌ها و دود سیلیس و نیاز به کنترل کیفی دقیق‌تر، هزینه واحد بتن با کارایی بالا می‌تواند 100±30 درصد از بتن معمولی بیشتر شود.

اهمیت استفاده از بتن با عملکرد بالا

علی‌رغم هزینه بالای مصالح، استفاده از بتن با کارایی بالا برای ستون‌های ساختمان‌های بلند مقرون به صرفه است زیرا می‌توان میزان آرماتورهای فولادی را کاهش داد. در پل‌ها، کاهش اندازه و وزن عرشه به طور موثر دهانه غیرقابل پشتیبانی را افزایش می‌دهد. برای پل پیوسته می‌توان تعداد پایه‌ها را کاهش داد.

در بسیاری از پروژه‌های زیرساختی، بتن با کارایی بالا به دلیل دوام آن در برابر انواع مختلف مواد شیمیایی (مانند سولفات یا کلرید) و حملات فیزیکی (مانند سایش) انتخاب می‌شود. بتن با کارایی بالا را می‌توان با سنگدانه‌های سبک نیز تولید کرد. با این حال، سنگدانه باید با دقت زیادی انتخاب شود تا مطمئن شوید که به اندازه کافی قوی است. تا زمانی که مصالح سبک وزن به اندازه کافی قوی باشند، استفاده از آن در واقع می‌تواند سودمند باشد.

با اشباع منافذ خود با آب قبل از اختلاط، این سنگدانه‌ها می‌توانند به عنوان مخازن داخلی عمل کنند که آب را تامین می‌نمایند تا از هیدراتاسیون مداوم سیمان اطمینان حاصل کنند و از انقباض ژنی خود به دلیل خودخشک شدن جلوگیری نمایند. این جنبه مربوط به بتن با نسبت آب به سیمان بسیار کم است که در آن توسعه اولیه چگالی بالا و نفوذپذیری کم، نفوذ یکنواخت آب را برای ادامه فرآیند هیدراتاسیون دشوار می‌کند.

علاوه بر تولید بتن با کارایی بالا، فوق روان کننده‌ها نیز معمولاً در تولید بتن با کارایی بالا استفاده می‌شوند. با مقدار بستر 230±180 میلی‌متر، بتن با کارایی بالا را می‌توان به سرعت در فواصل طولانی پمپ کرد، به راحتی در سازه‌هایی با تقویت مجدد بسیار فشرده متراکم شد و حتی می‌تواند خود متراکم باشد (یعنی نیازی به تلاش خارجی برای تراکم ندارد). با فوق روان کننده‌ها، می‌توان محتوای سیمان را با حفظ همان کارایی کاهش داد.

بنابراین امکان ترک حرارتی در سازه‌های عظیم را می‌توان کاهش داد. در تلاش مستمر برای بهبود عملکرد بتن، به زودی متوجه می‌شوید که اندازه سنگدانه‌ها یک عامل مهم است. با استفاده از سنگدانه‌های بسیار ریز، فوق روان کننده‌ها و دوز بالای دوده سیلیس (حدود 30±20 درصد از محتوای سیمان) مقاومت بتن بیش از 200 مگاپاسکال را می‌توان با تکنیک‌های معمولی بدست آورد. یک مثال سیستم متراکم شده با DSP با ذرات ریز است. با استفاده از سنگدانه‌های قوی با اندازه کوچک می‌توان DSP با مقاومت فشاری بیش از 250 مگاپاسکال را تولید کرد.

بتن پودری واکنشی (RPC) مثال دیگری است. با حداکثر اندازه ذرات محدود به 0.4 میلی متر، مقاومت فشاری در 28 روز در دمای اتاق به 170 مگاپاسکال می‌رسد. پخت در دمای 90±80 درجه سانتیگراد استحکام را تا 230 مگاپاسکال افزایش می‌دهد. اگر فشار قبل و در حین گیرش اعمال شود و عمل آوری در دمای 400 درجه سانتیگراد انجام شود، می‌توان به مقاومت 680 مگاپاسکال دست یافت. بنابراین تقویت فیبر برای جلوگیری از شکست فاجعه در بار نهایی ضروری است.

از مزایای بتن با عملکرد بالا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

کاهش اندازه اعضای سازه
سرعت ساخت
کارایی و پمپاژ پذیری
مواد مقرون به صرفه از نظر زمان و پول
مقاومت لرزه ای بالاتر
دوام بهبود یافته
مقاومت در برابر سایش
استحکام کششی بالا
کاهش هزینه نگهداری

مشخصات بتن با عملکرد بالا

مخلوط بتن که دارای کارایی بالا، استحکام بالا، مدول خواص فیزیکی بالا، چگالی بالا، پایداری ابعادی بالا، نفوذپذیری کم و مقاومت در برابر حملات شیمیایی است. به طور کلی بتن با کارایی بالا نامیده می‌شود. کمیته بتن آمریکایی در مورد بتن با کارایی بالا شامل پنج مورد زیر است.

سهولت در قرارگیری
خواص مکانیکی بلند مدت
قدرت در سنین پایین
سختی بالا
طول عمر در محیط‌های سخت

الزامات عملکرد فوق الذکر را می‌توان در سه دسته کلی زیر دسته بندی کرد:

ویژگی‌هایی که برای فرآیند ساخت و ساز مفید هستند.
ویژگی‌هایی که منجر به افزایش خواص مکانیکی می‌شوند.
ویژگی‌هایی که دوام و عملکرد طولانی مدت را افزایش می‌دهند.

جدول زیر طبقه بندی بتن با کارایی بالا را در رابطه با مقاومت نشان می‌دهد:

کلاس با کارایی بالا	مقاومت فشاری (مگاپاسکال)
1	50
2	75
3	100
4	125
5	150

برنامه تحقیقات استراتژیک بزرگراه (SHRP) بتن با عملکرد بالا را برای کاربرد بزرگراه بر اساس معیارهای بعدی استحکام، دوام و نسبت آب به سیمان ترسیم کرده است.

الف) باید یکی از معیارهای قدرت بعدی را برآورده کند:

مقاومت 4 ساعت: 17.5 مگاپاسکال
مقاومت 24 ساعته: 35 مگاپاسکال
مقاومت 28 روزه: 70 مگاپاسکال

ب) ضریب دوام باید بعد از 300 سیکل عمل ذوب و انجماد بیشتر از 80 درصد باشد.

ج) نسبت آب به سیمان باید کمتر یا مساوی 0.35 باشد.

ویژگی‌های بتن با کارایی بالا

تخلخل بسیار کم از طریق ساختار منافذ محکم و تصفیه شده
خمیر سیمان
دارای نفوذپذیری بسیار کم
مقاومت بالا در برابر حملات شیمیایی
حرارت کم هیدراتاسیون
قدرت اولیه بالا و توسعه قدرت مدام
کارایی بالا و کنترل اسلامپ
نسبت اتصال دهنده آب کم
مقاومت فشاری > 80 مگاپاسکال، حتی تا 800 مگاپاسکال
ماندگاری بالا
نسبت اتصال دهنده آب (0.25 تا 0.35)
کاهش لخته سازی دانه‌های سیمان
طیف گسترده‌ای از اندازه دانه‌ها
خمیر سیمان غلیظ شده
منطقه انتقال قوی‌تر در حد فاصل بین خمیر سیمان و سنگدانه
مقدار کم آهک آزاد
انقباض درون‌زا
محصور کردن قوی سنگدانه‌ها
ریز ترک خوردگی کم
سطح شکستگی صاف

اجزای سازنده بتن با کارایی بالا

مونتاژ بتن با کارایی بالا شامل سه مرحله مهم مرتبط بعدی است:

انتخاب مواد تشکیل دهنده مناسب برای بتن با خواص رئولوژیکی، مقاومت و غیره مورد نیاز
تعیین مقادیر نسبی مواد به منظور ایجاد دوام
کنترل داخلی دقیق هر بخش از روش کراتین بتن

در تهیه بتن با کارایی بالا از مواد زیر استفاده می‌شود:

سیمان:

خصوصیات فیزیکی و شیمیایی سیمان نقش بسزایی در ایجاد مقاومت و کنترل رئولوژی بتن تازه دارد.
ظرافت بر نیاز آب برای قوام تاثیر می‌گذارد.
مقدار کمی از آلومینات تری کلسیم (C3A) تا حد ممکن، زیرا هر چه مقدار کمتر از C3A باشد، کنترل علوم فیزیکی آسان‌تر و مشکلات سازگاری سیمان و فوق روان کننده کمتر است.
باید حاوی مقدار مناسبی از آلومینات کلسیم (C3S) باشد.

مصالح ریز:

هم می‌توان از ماسه رودخانه ای و هم از سنگ‌های خرد شده استفاده کرد.
ماسه درشت‌تر ممکن است ترجیح داده شود زیرا ماسه ریزتر نیاز آب بتن را افزایش می‌دهد.
ماسه بسیار ریز ممکن است در بتن با کارایی بالا ضروری نباشد.

سنگدانه درشت:

سنگدانه درشت قوی‌ترین و کم متخلخل‌ترین جزء بتن است. مقاومت بتن با کارایی بالا نیز توسط استحکام سنگدانه درشت کنترل می‌شود. از این رو انتخاب سنگدانه درشت گام مهمی در ترکیب طراحی بتن با کارایی بالا خواهد بود.

آب :

آب باید فاقد محتوای اسیدی باشد و به طور کلی نوشیدن آب سالم برای استفاده مفید خواهد بود.

مواد افزودنی معدنی:

تفاوت عمده بین بتن سیمانی معمولی و بتن با کارایی بالا اساساً استفاده از مواد افزودنی معدنی در بتن دوم است. برخی از مواد افزودنی معدنی عبارتند از:

خاکستر بادی
دود سیلیس
سرباره کوره بلند دانه بندی شده زمینی (GGBFS)
مواد سیمانی تکمیلی پرکننده یا پوزولونیک ریز
افزودنی‌های معدنی مبتنی بر گچ بی آب

مواد افزودنی شیمیایی:

افزودنی‌های شیمیایی با افزایش راندمان خمیر سیمان، کارایی مخلوط بتن را بهبود می‌بخشند که منجر به کاهش نیاز آب می‌شود. برخی از مواد افزودنی شیمیایی مهم عبارتند از:

روان کننده‌ها
فوق روان کننده‌ها
کندکننده‌ها
عوامل حباب کننده هوا

کاربردهای بتن با کارایی بالا

به طور گسترده ای در ساخت سازه‌های بزرگ زیر استفاده می‌شود:

پل‌ها
ساختمان‌های مرتفع
تونل‌ها
پیاده روها
سازه‌های هسته‌ای

روش‌های دستیابی به بتن با عملکرد بالا

دو رویکرد برای دستیابی به دوام از طریق تکنیک‌های مختلف به شرح زیر هستند:

کاهش سیستم منافذ مویرگی به گونه ای که هیچ حرکت سیالی امکان پذیر نیست اولین رویکرد است. درک این امر بسیار دشوار است و هر بتن می‌تواند دارای منافذ به هم پیوسته باشد.
ایجاد مکان‌های اتصال فعال شیمیایی که از انتقال یون‌های تهاجمی مانند کلریدها جلوگیری می‌کند، دومین روش مؤثر است.