الزامات کیفی بتن سبک

چکیده

در دهه های اخیر استفاده از مواد افزودنی معدنی و شیمیایی در تکنولوژی بتن منجر به تغییراتی در فرمولاسیون و طرح اختلاط شده است که به نوبه خود باعث استحکام و دوام بیشتر بتن شده است. بتن سبک (LWC) یک راه حل عالی از نظر کاهش بار مرده سازه است، در حالی که بتن خود متراکم (SCC) ریختن را آسان می کند و مشکلات ساختمانی را برطرف می نماید.

ترکیب مزایای LWC و SCC زمینه جدیدی از تحقیقات است. بتن سبک خود متراکم (LWSCC) با توجه به وزن سبک سازه و سهولت در قرارگیری آن، ممکن است پاسخی به نیازهای ساخت و ساز فزاینده عناصر سازه ای باریک و به شدت تقویت شده باشد. 21 تحقیق تجربی آزمایشگاهی در مورد نسبت مخلوط، چگالی و خواص مکانیکی LWSCC در 12 سال گذشته منتشر شده است و در این مطالعه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.

اطلاعات جمع آوری شده برای بررسی نسبت های مخلوط از جمله افزودنی های شیمیایی و معدنی، سنگدانه های سبک و وزن معمولی، پرکننده ها، سیمان و آب استفاده می شود. نتایج تحلیل شده بر حسب عبارات آماری ارائه شده است. برای تحقیقات آتی انتخاب اجزای مناسب با نسبت‌ها و شرایط پخت متفاوت برای رسیدن به عیار بتن مورد نظر با توجه به کاربرد برنامه‌ریزی‌شده بسیار مفید است.

1. مقدمه

به طور کلی سه ویژگی اصلی بتن عبارتند از کارایی، مقاومت و دوام می باشد. اعتقاد بر این است که استحکام و دوام به بتن سخت شده و کارایی به بتن تازه مربوط می شود، اما خواص سخت شده ممکن است مستقیماً به طراحی مخلوط بتن و خواص بتن تازه نسبت داده شود. به عبارت دیگر طراحی اختلاط و خواص تازه بتن بحرانی ترین نقاط برای کنترل در رابطه با ویژگی های مکانیکی بتن سخت شده است. ارزیابی اولیه خواص بتن سخت شده بسیار مهم است.

مشکل این است که به دنبال فرآیند سخت شدن، کیفیت و خواص مکانیکی بهبود نمی یابد. رفتار ساختاری بتن به نسبت اختلاط و خواص مواد سیستم کامپوزیت متکی است و این عوامل پس از سخت شدن تغییر نمی کنند.

دستاوردهای فناوری مدرن بتن منجر به معرفی بتن سبک (LWC) و بتن خود تراکم (SCC) به عنوان مواد کاهنده جرم سازه و قابل کار شده است. LWC که بر خلاف SCC در صنعت ساخت و ساز شناخته شده است، راه حلی عالی برای کاهش بار مرده سازه است، در حالی که SCC یک ماده مدرن است که ریختن و رفع مشکلات ساختمانی را تسهیل می کند.

در سال های اخیر تلاش هایی صورت گرفته است تا مزایای این دو نوع بتن در یک بسته بندی به نام بتن سبک خود متراکم (LWSCC) ترکیب شود. طیف گسترده ای از انتشارات در مورد LWC در مورد سنگدانه های مختلف سبک و نسبت های مخلوط وجود دارد. با این حال بتن SCC یک موضوع کاملاً جدید در صنعت ساخت و ساز است و بنابراین توجه تحقیقاتی فزاینده ای را به ویژه در دهه گذشته به خود جلب کرده است.

علیرغم کدهای عملی متفاوت در مورد طراحی مخلوط LWC و برخی از انتشارات نادر در مورد SCC در ادبیات، هیچ مرجع و پیش نویس فنی در مورد طراحی مخلوط LWSCC و کاربرد آن وجود ندارد. با این حال، با توجه به مزایای مورد انتظار LWSCC از نظر کارایی هزینه و کاهش زمان ساخت، تحقیقات برای درک ماهیت پیچیده این ماده جدید به طور فزاینده ای در نقاط مختلف جهان در حال رشد است.

به طور کلی، مقاومت فشاری LWSCC یک پارامتر اساسی برای برآورد سایر خواص مکانیکی آن است. علی‌رغم مطالعات موجود در مورد مزایای LWSCC مرتبط با عملکرد بالای آن در حالت تازه، مطالعات کمتری در مورد خواص سخت‌شده مورد انتظار برای پاسخ‌های مکانیکی مانند مقاومت فشاری وجود دارد.

LWSCC به تغییرات در خواص اجزای مخلوط و نسبت آنها بسیار حساس است، بنابراین نیاز به افزایش کنترل کیفیت دارد. ویژگی‌های معمول نسبت‌های مخلوط LWSCC، که برای اطمینان از خواص تازه کافی ضروری هستند، می‌توانند اثرات قابل‌توجهی بر خواص سخت شده مانند استحکام، پایداری ابعادی و دوام داشته باشند. به عنوان مثال، مقاومت فشاری LWSCC تحت تأثیر نوع سنگدانه و آب به سیمان و آب به پودر کل است.

از بتن تازه با کنترل نسبت آب به سیمان، بتن متراکم تر و قوی تر می شود. در LWSCC، این مشکل به دلیل ناکافی بودن انرژی اولیه سنگدانه های سبک در ارتباط با حرکت همراه با سنگدانه های سبک در خمیر سیمان، آشکارتر است. بنابراین برای حفظ تعادل بین نسبت های LWSCC برای دستیابی به جریان پذیری مورد نیاز در حالت تازه و چگالی برنامه ریزی شده و کیفیت بالا در حالت سخت شده مهم است.  

تئوری چگالی بسته بندی یک روش طراحی مخلوط بتن است که با تعیین نسبت بهینه ملات به فضاهای بسته بندی سنگدانه ها با موفقیت در LWSCC استفاده شده است. مراحل اصلی برای دستیابی به طرح مخلوط LWSCC در این روش عبارتند از:

(الف) به حداقل رساندن حجم های خالی مربوط به سنگدانه درشت.

(ب) به حداقل رساندن نسبت آب به سیمان.

(ج) به حداکثر رساندن چگالی مواد سیمانی .

(د) بهینه سازی جریان پذیری و الزامات بتن تازه.

2. تضاد مشکل تفکیک و الزامات جریان پذیری

اگرچه طرح اختلاط LWSCC شامل هر دو نسبت LWC و SCC است، اما طرح اختلاط ویژه آن دقیقاً از طرح مخلوط برای این نوع بتن پیروی نمی کند. با این حال ملاحظات تکنولوژیکی و مشکلات اختلاط در LWC و SCC هنوز بر طراحی مخلوط LWSCC حاکم است. بتن تازه از سنگدانه های ریز و درشت معلق در ماتریس خمیر چسباننده ترکیب شده است.

ویسکوزیته ملات و کسر حجمی سنگدانه ها رفتار جریان را کنترل می کند. همه مطالعات، جریان پذیری مخلوط‌های LWSCC تازه را با آزمایش‌های جریان اسلامپ، آزمایش‌های حلقه J و آزمایش‌های قیف V بر اساس کمیته بتن خود متراکم EFNARC ارزیابی می‌کنند. اگرچه جنبه‌های کارایی LWSCC را می‌توان با پیشنهادات تایید شده در SCC بهبود بخشید، LWSCC ویژگی‌های خاصی را نشان می‌دهد که از استفاده از مصالح سبک وزن ناشی شده‌اند.

مشکل رایج گزارش شده در تقریباً تمام مطالعات منتشر شده در رابطه با ترکیب LWC و SCC، اطمینان از جریان پذیری حالت تازه و چگالی کم بتن سخت شده بدون جداسازی است. شکل سنگدانه ها تأثیر مفیدی بر جریان پذیری بتن تازه دارد. با این حال، هنگام اختلاط سنگدانه های سبک و معمولی در LWSCC، سنگدانه های سنگین تر به طور قابل توجهی فرو می روند.

خاک رس منبسط شده، سرباره دانه بندی منبسط شده، پرلیت منبسط شده یا ورمیکولیت و مواد پلیمری منبسط شده اغلب از سنگدانه های سبک وزن در LWC استفاده می شوند. به دلیل بسته بودن حفره ها، جذب آب زیاد است و بنابراین تخمین حجم آب مورد نیاز دشوار است. بالا آمدن آب به سطح در هنگام اختلاط، در ارتباط با تمایل سنگدانه های سبک به شناور شدن، خطر جداسازی را افزایش می دهد.

برخی از تحقیقات در طرح اختلاط LWSCC، استفاده از روش طراحی مخلوط بتن با کارایی بالا برای LWC را در مخلوط توصیه می‌کنند تا از مشکل تفکیک و حفظ مقاومت بتن بالا نگه داشته شود، علی‌رغم اعمال سنگدانه‌های سبک.

علیرغم تعداد محدودی از انتشارات، داده‌های جمع‌آوری‌شده این تصور را ایجاد می‌کند که برای ارزیابی سیستماتیک معتبر و مفید از تنوع پارامترها و ویژگی‌های ترکیبی در عبارات آماری کافی هستند. مهمتر از همه، این ایده آنچه را که می توان با LWSCC برای کاربران و محققان بالقوه انتظار داشت توسعه می دهد. همچنین به افراد علاقه مند و درگیر این مورد زمینه ای می دهد که در آن شیوه های خود را ارزیابی کرده و سایر محققان را در مورد محصولات خود آگاه کنند.

3 -اهداف اصلی این مطالعه عبارتند از:

1. ارزیابی سیستماتیک آزمایش های انجام شده توسط محققان در نقاط مختلف جهان. از آنجایی که LWSCC یک موضوع جدید در صنعت ساخت و ساز است، مجموعه جامع داده ها تا به امروز، همراه با مقایسه های تحلیلی، نقطه شروع کلیدی برای تحقیقات آتی و کاربرد LWSCC در پروژه های واقعی خواهد بود.
2. ارزیابی و مقایسه اثر اجزای مختلف طرح مخلوط LWSCC از نظر مقاومت فشاری.  

4. مشاهدات اولیه

بخش اصلی این مطالعه مربوط به خواص LWSCC، نسبت مخلوط و مواد تشکیل دهنده است. با این حال، محدوده مواد در مخلوط های مختلف و توزیع کلی اجزاء نیز ارائه شده است. شکل 1 توزیع جغرافیایی مطالعات موردی را در سال های مختلف نشان می دهد.

علیرغم شروع تحقیقات SCC و کاربرد آن در ژاپن، تحقیقات LWSCC در کشورهای اروپایی به ویژه در سال های اخیر در حال رشد است. قابل توجه است که هیچ سابقه ای از LWSCC در استرالیا، آفریقا و آمریکای جنوبی یافت نشد. تمام مطالعات ارائه شده در شرایط آزمایشگاهی انجام شده است و هیچ نشانه ای از کاربرد LWSCC در پروژه های واقعی وجود ندارد.

شکل 1. توزیع جغرافیایی مطالعات موردی در LWSCC

5. نسبت ها را مخلوط کنید 

5.1. مواد افزودنی

LWSCC نوعی SCC است، بنابراین اجتناب ناپذیر است که ما از افزودنی های شیمیایی و معدنی به عنوان موارد زیر استفاده کنیم: (الف) ترکیبی از مواد افزودنی کاهش دهنده آب با برد بالا (HRWRA) و افزودنی اصلاح کننده ویسکوزیته (VMA) با یا بدون عامل ضد کف. و (ب) ترکیبی از HRWRA و محتوای بالای پودرهای معدنی. افزودنی های پوزولانی واکنش هیدراسیون را گسترش می دهند و ساختارهای ریز منافذ خوبی ایجاد می کنند که دوام LWSCC را بهبود می بخشد.

مواد افزودنی در این مطالعه به دو دسته اصلی تقسیم می شوند: (الف) مواد شیمیایی (Super Plasticizer (SP) و عامل جذب کننده هوا (AEA) و (ب) مواد افزودنی معدنی. فوق روان کننده در تمام مطالعات موردی استفاده شده است، در حالی که 38٪ از مطالعات موردی شامل AEA نیستند. دلیل اصلی اعمال AEA یعنی؛ ایجاد مقاومت در برابر انجماد و ذوب یا بهبود رئولوژی LWSCC در مطالعات موردی به وضوح تعریف نشده است.

اکثر مطالعات موردی (62%) از فوق روان کننده بر پایه پلی کربوکسیلات اسید در مخلوط ها استفاده می کنند. نوع فوق روان کننده در 24 درصد از مطالعات موردی ذکر نشده است. فوق روان کننده های مبتنی بر ملامین و نفتالین لینگو سولفونات به طور مساوی در 5 درصد از مطالعات موردی استفاده شده اند.

 5.2. اجزای پودری

پودر موجود در مخلوط ها شامل سیمان و پرکننده است. تمام مطالعات موردی از مخلوط سیمان با یک یا چند نوع پودر معدنی همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است استفاده می کنند. اکثر سیمان از انواع مختلف سیمان پرتلند استفاده می کند. کلاس های مختلف سیمان پرتلند نوع I (CEM I) در 43 درصد از مطالعات موردی استفاده شده است، در حالی که 14 و 9 درصد از مطالعات موردی به ترتیب از سیمان پرتلند نوع II (CEM I) و سیمان پرتلند نوع III (CEM III) استفاده کرده اند. .

طیف مواد افزودنی معدنی مورد استفاده مانند پودرهای پرکننده گسترده تر از انواع سیمان است. خاکستر بادی، پودر سنگ آهک، دوده سیلیس، سرباره کوره و پودر پوکه به ترتیب در 71، 28، 33، 9 و 5 درصد از مطالعات موردی استفاده شده است. انواع دیگر پودرها مانند پودر بتن بازیافتی، ضایعات صنعتی پودر الیوین و Inducement TBK (پرکننده ساخت اندونزی) به طور مساوی در 5٪ از مطالعات موردی استفاده شده است. هیچ اطلاعاتی در مورد پرکننده ها در 10 درصد باقی مانده از مطالعات موردی داده نشده است. شایان ذکر است 57 درصد از مطالعات از ترکیب دو یا چند فیلر در مخلوط های LWSCC استفاده کرده اند.