بتن ریزی درشرایط آب و هوای سرد

کمبود فضاهای شهری و تلاش برای افزایش عمر ساختمان باعث شده است، دستیابی به فناوری‌های جدید و استفاده از مواد افزودنی شیمیایی و ترکیبی در مصالح ساختمانی به امری متداول تبدیل شود. بتن یکی از مصالح پرکاربرد ساختمانی است که تحت تاثیر شرایط محیطی مانند دما می‌باشد و استفاده از بتن در شرایط دمایی زیر صفر درجه باعث بوجود آمدن مشکلات مختلفی در ساختمان سازی می‌شود.

چهار فصل بودن کشور ایران و نیاز به بتن ریزی در تمام فصول به­ویژه در هوای سرد باعث استفاده از ضدیخ بتن و ملات  در بتن ریزی‌ها شده است به همین سبب آگاهی از دانش کاربردی اثر ضد یخ‌ها بر بتن یک ضرورت علمی‌در ساختمان سازی در شرایط آب و هوایی سرد می‌باشد. در این مقاله به بررسی اجمالی مبانی ضدیخ‌های بتنی  و ویژگی­های مهم آن بر اساس استانداردها می‌پردازیم .

ضد یخ بتن:

بتن پرکاربردترین و ستون فقرات ساخت و ساز مدرن در مهندسی عمران به شمار می‌رود و باید طبق روش ملی طرح مخلوط بتن و آیین نامه بتن ایران (آبا) ساخته شود.

ضدیخ بتن یا زودگیر کننده‌ی بتن، افزودنی‌هایی هستند که می‌توانند سبب افزایش سرعت هیدراسیون سیمان،کاهش زمان گیرش و زودگیری در سیمان شوند . این افزودنی‌ها روند کسب مقاومت بتن را نیز افزایش می‌دهند.

ضد يخ‌ بتن جهت جلوگيري از يخ زدن بتن در شرايط آب و هوايي سرد و اجتناب از توقف بتن ریزی در مخلوط‌هاي بتني مورد استفاده قرار مي‌گيرد . این محصول می‌بایست الزامات موجود در  استاندارد ASTM C494  را برای نوع C افزودنی‌های تندگیر کننده یا نوع E افزودنی‌های کاهنده آب و تندگیر کننده تامین کنند.

خواص و اثرات ضد یخ بتن:

• باعث تسریع در انجام واکنش هیدراسیون می‌گردد.
• جهت جلوگیری از توقف در واکنش، دمای نقطه انجماد آب را پایین می‌آورد.
• باعث رشد در مقاومت سنین اولیه بتن می­گردد.

کاربرد ضد یخ بتن:

استفاده از بتن در شرایط دمایی زیرصفر درجه باعث بوجود آمدن مشکلات مختلفی در ساختمان سازی می‌شود. چهار فصل بودن کشور ایران و نیاز به بتن ریزی در تمام فصول به ویژه در هوای سرد باعث استفاده از ضدیخ در بتن ریزی می‌شود.

هدف استفاده از ضد یخ بتن، کمک به کسب حداقل مقاومت لازم برای مواجهه با اولین سیکل ذوب و یخبندان و تنش ناشی از آن می‌باشد.

• امکان ساخت، حمل و اجرای بتن و ملات در زمستان تا منفی ۱۵ درجه سانتیگراد
• افزایش دمای بتن و ملات
• افزایش مقاومت بتن و ملات در سنین اولیه
• کاهش زمان گیرش بتن و ملات و افزایش سرعت سفت شدن بتن و ملات
• امکان انجام قالب برداری در زمان کوتاه تر  (حدودا نصف زمان معمول)
• کارهای ترمیمی‌که نیاز به کسب مقاومت سریع بتن دارد مانند جایی که فشار آب به بتن یا ملات وارد می‌شود

مزایای ضد یخ بتن:

استفاده از ضدیخ‌ها باعث پیوستگی اجرای بتن در هوای سرد با رعایت استانداردهای موجود و مقاومت کافی می‌گردد. اگر بتن یخ بزند 50 درصد مقاومت خود را از دست می‌دهد و در صورت تکرار سیکل یخ زدگی احتمال تخریب بتن نیز وجود دارد. ضد یخ یک عامل تعدیل کننده اثرات مخرب شرایط جوی بر بتن می‌باشد و با کاهش نسبی دمای انجماد، آب متناسب در بتن،  نقش تسریع کنندگی گیرش در بتن در دمای زیر صفر درجه را دارد.

• کاهش دوره مورد نیاز برای محافظت و عمل آوری بتن
• کاهش هزینه
• افزایش سرعت ساخت و ساز

از اصلی ترین دلایل استفاده از ضد یخ بتن در فصل سرد اجرای عملیات ساختمانی می‌باشد.

انواع ضد یخ :

 1) ضد یخ بتن مایع:

در تولید ضد یخ‌های بتن مایع از کلسیم و نیترات‌های سدیم استفاده می‌شود که باعث افزایش گرمازایی فرایند هیدراسیون شده و به شدت دمای انجماد بتن را کاهش می‌دهد. از مهم ترین مزیت‌های استفاده از ضدیخ بتن می‌توان به سازگاری با انواع بتن و همچنین استفاده از بتن‌های مسلح  اشاره کرد.

 2) ضد یخ بتن پودری:

در تولید این نوع از ضد یخ‌ها از موادی مانند کلسیم کلراید و نمک‌های معدنی استفاده می‌شود که این نوع ضد یخ باعث افزایش گرمازایی در بتن شده و سبب کاهش دمای یخ زدگی بتن نیز خواهد شد. توجه داشته باشید که استفاده از این نوع ضد یخ برای بتن مسلح مجاز نمی‌باشد چرا که دارای یون کلراید بوده و مهندسین استفاده از آن را در این گونه بتن‌ها توصیه نمی‌کنند.

تعریف هوای سرد در بتن ریزی:

ä طبق تعریف آیین نامه بتن ایران "آبا" هوای سرد به وضعیتی اطلاق میگردد که برای سه روزمتوالی، هردوشرایط زیر برقرار باشد:

1) دمای متوسط روزانه هوا در شبانه روز کمتر از 5 درجه سیلسیوس باشد. (دمای متوسط روزانه، میانگین حداکثر وحداقل دمای هوا در فاصله زمانی نیمه شب تا نیمه روز است.)                                                                                                   

2) دمای هوا برای بیشتر از نصف روز از 10درجه سیلسیوس بیشتر نباشد.

برای کنترل شرایط فوق، دمای بتن در طول مدت بتن ریزی و حداقل دوبار در شبانه روز باید کنترل و ثبت شود تا  از وضعیت نگهداری بتن اطمینان حاصل گردد.

لازم به ذکر است گوشه‌ها و لبه‌های بتن در مقابل یخ زدن آسیب پذیر بوده و می‌بایست به دمای این نقاط توجه بیشتری شود.

بتن ریزی در هوای سرد: (طبق نشریه327):

"طبق نشریه 327 " مقاومت و میزان سخت شدن بتن با کاهش دمای بتن کاسته می‌شود و در دمای زیر نقطه انجماد، روند شیمیایی سخت شدن بتن متوقف می‌گردد. در صورتی که دمای محیط به کمتر از 5 درجه سانتی گراد برسد ، نباید بتن ریزی بدون اعمال تمهیدات لازم انجام شود .

به طور کلی در دمای‌های پایین، آهنگ کسب مقاومت بتن کاهش می‌یابد و بتن تازه می‌بایست در مقابل آثار مخرب یخبندان محافظت گردد. در مواردی که بتن در چند ساعت اول، بعد از بتن ریزی و یا قبل از رسیدن به مقاومت لازم ،در معرض یخ بندان قرار گیرد، مقاومت نهایی بتن تا50 درصد کاهش یافته و دچار آسیب دیدگی جدی میگردد.

در صورتی که بتن در دمایی کمتر از 5+ قرار گیرد فرایند هیدراسیون بسیار کند شده و روند کسب مقاومت بتن عملا متوقف میگردد. آب خالص در صفر درجه یخ می‌زند، اما آب در داخل بتن به علت وجود املاح مختلف، دارای نقطه انجماد کمتری بوده و زمانی که آب در بتن یخ می‌زند، حجم آن حدود 9درصد افزایش می‌یابد. از آنجا که انجماد بتن فرایندی تدریجی می‌باشد ، مقداری از آب در منافذ مویین باقی مانده که به علت افزایش حجم یخ، تحت فشار هیدرولیک قرارمی­گیرد و در صورت آزاد نشدن فشار باعث تنش کشش داخلی شده ودر نتیجه سبب ترک خوردگی بتن و خرابی آن می‌گردد. با افزایش تعداد سیکل‌های ذوب و یخبندان، شدت خرابی بتن اضافه می­گردد.

در صورتی که شرایط هوای سرد طبق تعریف آیین نامه و مقررات ملی در کارگاه حاکم گردد، عملیات ساخت و ریختن بتن باید متوقف گردد مگر این که تمهیدات لازم انجام گردد.

نکات مربوط به بتن ریزی در هوای سرد:

نکته1: در هوای سرد مسئله­ی تامین رطوبت تقریبا منتفی بوده وسيله‌ی اصلی تامین دمای مناسب برای بتن است.

نکته2: از آنجا که واکنش‌های هیدراسیون بتن حرارت زا است، مهم ترین مسئله در مراقبت از بتن در هوای سرد جلوگیری از بیرون رفتن حرارت بتن است، به طوری که سطح بتن در طول دوره ی مراقبت از 5+ درجه ی سانتی­گراد، سرد­تر نشود. این مورد به کمک پوشش عایق بتن تامین می­شود. به طوری که استفاده از عایق مناسب در دمای سرد، ممکن است دمای سطح بتن را 15تا 20درجه سانتی‌گراد نسبت به دمای محیط بالاتر نگه دارد.

نکته3: در فصل سرما و اصولا هر زمانی که احتمال داده می­شود در سردترین ساعت نیمه شب، دمای سطح بتن از5+ درجه سانتی گراد کمتر نشود، لازم است اطراف ستون‌ها (چه در قالب وچه پس از باز شدن قالب) در طول دوره ی مراقبت از بتن (مثلا در 7روز اول) با عایق بتن پوشانده شود. اگر درمواردی به دلیل وجود مهارهای جانبی پوشاندن کامل توسط عایق امکان پذیر نباشد لازم است ضمن پوشش با عایق در حد امکان با روشن کردن بخاری در نزدیکی ستون و محبوس کردن فضای پیرامونی حداقل دمای لازم برای سطح بتن کنترل شود.

تاثیر هوای سرد بربتن تازه و سخت شده:

1)تاثیر هوای سرد بربتن تازه:

الف-افزایش زمان گیرش

ب- یخ زدگی بتن در حالت تازه بودن

2) تاثیر هوای سرد بربتن سخت شده:  

الف – احتمال یخ زدن و تاخیر در سخت شدن

ب – کاهش سرعت کسب مقاومت در کوتاه مدت

 ج – ترک خوردگی بتن

براي بتن ريزي در هواي سرد چه بايد كرد؟

1- محافظت در برابر يخ زدن بتن 

-2 كسب مقاومت اوليه بعد از دوره محافظت

 -3 استفاده از شرايط عمل آوري مناسب براي كسب مقاومت با سرعت نرمال

-4  تحمل سيكل ذوب و يخ بعد از دوره عمل آوري

 -5 جلوگيري از ترك خوردگي بتن

-6 كسب مقاومت لازم براي قالب برداري ايمن

-7 كسب مقاومت كافي براي تحمل بارگذاري در دوره اجرا

مراحل تهیه بتن در شرایط آب و  هوای سرد :

الف) انتخاب مواد و مصالح :

سیمان:

1. می‌توان از سیمان زود گیر پرتلند نوع سه به جای سیمان معمولی استفاده نمود .

-استفاده از سیمان‌های آمیخته ، به ویژه سیمان‌های پوزولانی و روباره ای در بتن ریزی در هوای سرد توصیه نمی‌شود .

-در صورت عدم وجود مشکل ترک خوردگی ، می‌توان از سیمان با مقاومت اولیه زیاد استفاده کرد .

-سیمان نباید به طور مستقیم حرارت داده شود و برای گرمایش بتن تنها آب و سنگدانه گرم شوند

سنگدانه:

-سنگدانه‌ها نباید آغشته به یخ و برف باشند و در شرایطی ذخیره شوند که امکان یخ زدن یا ورود یخ در آن‌ها نباشد چون توده یخ بزرگتر از 75 میلی‌متر ، اغلب در زمان اختلاط و حمل بتن ، ذوب نمی‌شود و در بتن باقی می‌مانند .

-معمولا ماسه از شن مرطوب تر و احتمال وجود یخ در آن بیشتر است بنابراین اغلب گرم کردن ماسه ضرورت پیدا می‌کند و سنگدانه باید به صورت یکنواخت و به گونه ای گرم شود که این فرآیند باعث خشک شدن آن‌ها نشود .

-زمانی که برف و توده‌های یخ زده در سنگدانه وجود ندارد و هوای محیط معتدل است ، لازم نیست مصالح سنگی گرم شوند .

-حداکثر جذب آب سنگ دانه مصرفی در بتن، بر اساس دت 210 و دت 211 برای سنگدانه‌های درشت به 2.5 درصد و برای سنگدانه‌های ریز به 3 درصد محدود شود .

-اگر دمای هوا زیر 4 - درجه سانتی‌گراد باشد و دمای آب تا 60 درجه سانتی‌گراد گرم شود ، معمولا لازم است که مصالح سنگی تا دمای 15 درجه سانتی‌گراد گرم شوند.

آب :

-می‌توان از آب گرم برای رساندن بتن به دمای مطلوب استفاده نمود.

-بهتر است آب و سنگدانه در ابتدا مخلوط شوند بطوری که دمای مخلوط آن‌ها برابر یا کمتر از 40 درجه سانتی گراد شود.

-از تماس مستقیم آب گرم با دمای بیش از 40 درجه سانتی گراد و سیمان جلوگیری شود و این موضوع در نحوه ریختن مصالح در مخلوط کن رعایت شود.

مواد افزودنی

-استفاده از مواد حباب ساز هوا  و ساخت بتن با حباب هوا برای بتن‌هایی که در معرض رطوبت و یخ زدن و آب شدن‌های متوالی قرار می‌گیرند الزامی‌است.

           -موادی مانند مواد ضد یخ بتن و مواد مقاوم در برابر سرما که مشخصات آن‌ها در استاندارد موجود نیست ، در صورتی  قابل استفاده است که کیفیت آن‌ها به طور کامل مورد بررسی و تایید قرار گرفته باشد.

-    استفاده از مواد کاهنده آب برای کاهش نسبت آب به سیمان برای مقاومت در برابر یخ زدن می‌تواند مفید باشد.

-    مواد افزودنی مختلف مانند مواد ضد یخ بتن و ملات، مواد مقاوم در برابر یخ زدگی، تسریع کننده گیرش، حباب هواساز، مواد کاهنده آب می‌توانند برای بتن ریزی در هوای سرد انتخاب شوند.

ب) طرح اختلاط بتن برای بتن ریزی در سرما:

-برای جلوگیری از آسیب ناشی از یخ زدن اولیه بتن و همچنین کاهش میزان آب انداختن ، مقدار آب بتن باید تا حد امکان برای حفظ کارایی کاهش یابد؛ بنابراین برای تامین کارایی لازم می‌توان از مواد افزودنی خمیری کننده و روان کننده استفاده نمود.

-نسبت آب به سیمان نباید بیش از 50 درصد باشد بنابراین لازم است قبل از شروع بتن ریزی تدابیر لازم برای کسب مقاومت بتن صورت گیرد.

-در صورتی که از مواد افزودنی روان کننده استفاده نمی‌شود اسلامپ بتن نباید بیش از 50 میلی‌متر انتخاب گردد.

     -درصد حباب هوای مورد نیاز در طرح اختلاط باید مطابق قوانین طرح اختلاط بتن آبا انتخاب شود

ج) اجرای بتن در آب و هوای سرد  :

-قبل از بتن ریزی باید میله گردها ، قالب ، سطح بتن سخت شده قبلی و زمین از هر نوع یخ زدگی زدوده شود و این کار می‌تواند با اسپری آب یا بخار روی بدنه قالب و حایل‌ها انجام شود چون یخ زدگی باعث میشود دمای بتن به سرعت افت کند و همچنین ممکن است زمین یخ زده ذوب شود بطوری که بتن نشت کند.

- دمای سطح بتن در تماس با زمین یا قالب، نباید 5 درجه سانتی‌گراد بیشتر یا 8 درجه سانتی‌گراد کمتر از توده بتن باشد.

-با توجه به این که دمای پایین بتن باعث افزایش فشار جانبی قالب می‌شود ، لازم است توجه کافی در سرعت بتن ریزی و ارتفاع بتن صورت پذیرد.

د) محافظت از بتن :

روش‌های مختلف محافظت بتن، پس از جایدهی شامل پوشش مناسب یا حرارت دادن در فضای مسدود است. اعضای نازک بتن، نیاز به محافظت طولانی مدتی دارند، اما بتن‌های حجیم به خصوص در سن اولیه نیاز به محافظت ندارند به شرطی که دمای هیدراتاسیون جبران کننده دمای بتن باشد.

در هنگام هوای سرد باید از عمل آوری با آب اجتناب و به روش عایقی (استفاده از پوشش برای جلوگیری از تبخیر آب) اکتفا کرد. در عمل آوری حرارتی (پروراندن) نباید خشک شدگی موضعی حاصل شود و گازهای حاصل از سوزاندن مواد مختلف در تماس با بتن جوان قرار گیرد. استفاده از بخار آب در عمل آوری حرارتی امکان رطوبت رسانی را فراهم می‌آورد.

 عموماً بتنی که یخ زده باشد‌، در ظاهر آن ترک‌هایی قابل توجه دیده می‌شود که بخاطر ازدیاد حجم آب در اثر سرما و در نتیجه ترک در بتن ایجاد می‌شود. نیز موجب کاهش پایایی و کسب مقاومت بتن شده و عملاً آن انتظاری که از بتن به عنوان ماده همگن و با مقاومت فشاری بالا (که اکنون بتن خرد شده) را داریم کمرنگ‌تر خواهد شد.

‌مهم ترین نشانه ظاهری یخ زدگی بتن در ابتدا پوسته پوسته شدن رویه آن و جمع شدن لایه‌های رویی با کمی‌فشار مثلا فشار با نوک کفش است. ‌ضمناً در نقاطی که بتن دارای قشر کمتر است نظیر روی بلوک‌های سقف، نظیر یونولیت‌ها (پلی استایرن) به‌راحتی عدم گیرایی و انعطاف پذیر بودن بتن را با کمی‌فشار احساس خواهید کرد.

‌‌‌برای بتن‌های خیس، عمل یخ زدگی یک عامل تخریب است، چون آب به هنگام یخ زدن ازدیاد حجم پیدا کرده و باعث تولید تنش‌های مخرب درونی شده و لذا بتن ترک می‌خورد. ترک‌ها و درزهایی که نتیجه یخ زدگی و ذوب متناوب هستند، باعث می‌شوند سطح بتن به صورت پولکی درآمده و بر اثر فرسایش، خرابی عمق بیشتری پیدا کند. بنابراین عمل یخ زدگی بتن و میزان تخریب حاصله، بستگی به درجه تخلخل و نفوذپذیری بتن دارد.

برای مطلاعه بیشتر پیرامون این مقاله می‌توانید به مقالات ذیل رجوع کنید:

 نکات اولیه در مورد بتن ریزی در هوای سرد

 بتن ریزی و عمل آوری بتن در هوای سرد

منابع: ASTM C494 / C494M-نشریه شماره ۳۲۷-آیین نامه بتن ایران (آبا)

.