اصول پایه در طراحی بتن خودتراکم
بتن خودتراکم به عنوان بتن سیال و جدایی‌ناپذیر که می‌تواند در محل پخش شود، قالب را پر کند و اطراف آرماتور را بدون هیچگونه ترکیب مکانیکی محصور کند. در اصل یک گسترش تکنولوژیکی بتن سنتی است و ضمن ارائه کارایی پلاستیکی پیشرفته، خصوصیات معدنی مشابه یا بهبود یافته‌ای را نسبت به بتن سنتی ارائه می‌دهد.
مهم است که بدانیم بتن خودتراکم بتنی با یک اندازه متناسب مورد مصرف در تمام پروژه‌ها نیست، ترکیبات و نسبت‌های مخلوط بتن‌خود‌تراکم بسته به نیاز پروژه، نوع کاربرد و تکنیک قرارگیری از یک مخلوط به مخلوط دیگر متفاوت است. بنابراین تعیین اهداف مناسب برای پروژه و طراحی براساس آن ضروری است؛ به‌عنوان مثال بتن خودتراکم مورد مصرف در محیط‌های نسبتا باز با حداقل میزان آرماتور می‌تواند با توانایی جریان عبوری پایین طراحی شود اما درصورت قرارگرفتن بتن در محیطی پیچیده با فرم‌های پیچیده آرماتور، توانایی جریان عبوری بالا برای اطمینان از پر شدن کامل فضا برای طراحی ضروری می‌باشد. لازم به ذکر است یک روند رو به جلو در جامعه طراحی وجود دارد که با وارد شدن هر نوع ویژگی در سازه که اشکال پیچیده و هندسه جدیدی دارد، طراح را به سوی نوآوری سوق می‌دهد.
بدین جهات برقراری ارتباط و الزامات مناسب برای تهیه و متناسب‌سازی مخلوط از قبل، ارتباط با الزامات پروژه و قراردادن آن در اختیار تولید‌کننده می‌تواند بسیار مهم باشد.
یکی از اصلی‌ترین موانع استفاده گسترده و پذیرش این فناوری در صتعت تداوم توانایی تولید‌کننده برای ارائه مداوم بتن خودتراکم با کیفیت بالاست زیرا این بتن نسبت به تغییرات مواد بسیار حساس است و در طراحی و اجرای آن نیاز به کنترل کیفیت بیشتری است.
مقدار واقعی بتن خودتراکم به آنچه در روش‌های طراحی اعمال می‌گردد مربوط می‌شود و از پروژه‌ای به پروژه دیگر متفاوت می‌باشد. باید مد‌نظر داشت ترکیب مخلوط بتن خودتراکم، برای برآوردن کلیه معیارهای عملکرد بتن در هر دو حالت بتن تازه و بتن سخت شده می‌باشد.
در روش‌های اولیه تولید بتن خودتراکم مبنا بر حجم بالا بود و کم‌کم کارایی و رفتار تفکیکی آن اهمیت یافت و در حال حاضر بتنی مقاوم در برابر تفکیک‌پذیری و درهمتنیده با آرماتورها خاصیت مهمی است که از بتن خودتراکم انتظار می‌رود.
در طراحی بتن خودتراکم طراحی نسبت تقریبی مخلوط متناسب با نیاز و با استحکام بالا موردنیاز است، استحکام بتن خودتراکم توسط خمیر اتصال‌دهنده در حالت سخت‌شده تامین می‌شود در‌حالیکه کارایی بتن خودتراکم توسط خمیر اتصال‌دهنده در حالت تازه تامین می‌گردد.
در این نوع از انواع بتن دو نوع استفاده از مواد وجود دارد که یکی به عنوان جایگیزینی پوزولانی و دیگری پرکننده است. بتن‌خود‌تراکم از انواع مختلف مصالح ساخته می‌شود و در زیر یک لیست کلی از موادی که در ساخت بتن خودتراکم به‌طور معمول استفاده می‌شود، آورده شده است.
انواع مختلف مصالح بتن‌خود‌تراکم
1- سیمان
در اکثر موارد سیمان پرتلند معمولی و مواد سیمانی تکمیلی قابل استفاده است و باید ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی سیمان مشخص گردد. نوع و مقدار سیمان بر اساس خواص و دوام موردنیاز تعیین می‌گردد البته مقدار آن در اکثر موارد حدود ۴۵۰-۳۵۰ کیلوگرم در متر‌مکعب تخمین زده می‌شود.
2- سنگدانه
اندازه سنگدانه درشت برای طراحی بتن خودتراکم به ۲۰ میلی‌متر محدود می‌باشد و می‌توانند سنگدانه‌های طبیعی یا سنگدانه‌های تولیدی با درجه شکستگی یکنواخت استفاده شوند. شن و ماسه رودخانه‌ای چنانچه استفاده شوند باید قبل از مصرف، خشک شده تا از بروز مشکلات انبوه جلوگیری شود. هر نوع سنگدانه که در بتن معمولی استفاده می‌شود در بتن خودتراکم نیز قابل استفاده است با این تفاوت که مقدار سنگدانه درشت بسیار اندک است چرا که درشت‌دانه باعث کاهش سیالیت بتن شده و امکان مسدود شدن آرماتورها هنگام عبور درشت‌دانه بسیار زیاد است.
3- آب
کیفیت آب مورد استفاده همان است که برای بتن آرمه و قطعات پیش‌ساخته بتنی پیش‌بینی می‌شود و به‌طور معمول، آب آشامیدنی برای مخلوط بتن استفاده می‌شود.
4- ترکیبات معدنی
از مواد افزودنی معدنی برای بهبود خصوصیات بتن تازه و سخت شده استفاده می‌شود و در عین حال که در دوام بتن نقش مؤثری دارند هزینه مواد بتنی را نیز کاهش می‌دهند.
در زیر ترکیبات معدنی مختلفی آورده شده است که می‌توان از آن‌ها استفاده نمود و به خصوصیت موردنظر در طرح رسید.
الف- سرباره: به بهبود خصوصیات رئولوژیکی بتن خودتراکم کمک می‌کند.
ب- fly ash: موجب کاهش منافذ و بهبود دوام ساختار‌های بتن خودتراکم می‌گردد.
ج- دود سیلیس: استفاده از دود سیلیس در افزایش خواص مکانیکی سازه بتن خودتراکم مؤثر است.
د- پودر سنگ: جهت بهبود محتوای پودر مخلوط از پودر‌سنگ استفاده می‌شود.
۵- مواد افزودنی شیمیایی
ابرپلاستیک‌سازهای نسل جدید معمولا در طراحی مخلوط بتن خودتراکم استفاده می‌شوند، به خصوص جهت افزایش مقاومت در برابر یخ‌زدگی و ذوب شدن سازه‌های بتنی و کنترل زمان اختلاط.
در برخی از کشورها همچون هند و یا ایران از بتن خودتراکم برای ساخت و سازهای روتین استفاده نمی‌شود و در کشورهایی چون دانمارک، سوئد، تایلند، کانادا، انگلستان و.... به جز ژاپن از بتن‌خود‌تراکم در ساخت سازه‌های روتین هم استفاده می‌گردد و با استفاده از در اختیار قرار دادن داده‌های تحقیقات موجود می‌توان آگاهی از فواید مختلف این ماده، جهت استفاده را گسترش داد. واقعا مشخص نیست که تمام طرح‌های پیشنهادی برای بتن خودتراکم عملی باشند و یا در تمام سازه‌ها قابل اجرا باشند اما در هر صورت استفاده از مواد اصلاحکننده ویسکوزیته به همراه مواد کاهنده آب جهت کنترل جریان‌پذیری و کنترل جداشدگی بسیار ضروری می‌باشد، جدا از چند روش ارائه شده توسط محققان و مؤسسات هیچ کد استانداردی برای طراحی ترکیب بتن خودتراکم در دسترس نیست و شرکت‌های تولید‌کننده با روش‌های خاص خود صرف‌نظر از یک یا چند محدودیت خاص می‌توانند روش کلی خود را با توجه به همه جوانب محیطی و سازهای توسعه دهند. همان‌طور که شرکت پایهان بتن با بهره‌گیری از تیم تحقیقات خود در حال حاضر برای تولید انبوه قطعات بتنی پیش‌ساخته با حجم آرماتور بالا از بتن خودتراکم استفاده می‌نماید و با به حداقل رساندن ضایعات موجب کاهش هزینه‌های اضافی گردیده‌است و پرواضح است که بتن خودتراکم پارامتری جهت صرفه‌جویی در زمان، افزایش کیفیت، دوام و علاوه بر تمام این‌ها یک مفهوم سبز است.
طرح مخلوط بتن‌خود‌تراکم
درجه بندی ترکیبی ترکیب آب، سیمان و استفاده از ترکیبات پیشرفته نیاز به آگاهی بیشتری از جانب کلیه پرسنل تولیدی دارد تا جایی که برای جبران تغییرات طبیعی مواد، باید فرایندهایی انجام شود که به سطح بالاتری از کنترل کیفیت نیاز دارد.
در ارائه یک طرح مخلوط باید به بتنی با قابلیت‌های زیر دست پیدا کنیم:
۱- طور معمول قادر باشد بدون تفیکیک به یک مقدار افت جریان بیش از ۶۰ سانتی‌متر برسد.
۲- حداقل به مدت زمان ۹۰ دقیقه روان و قابل تراکم باقی بماند.
۳- در صورت وجود سطح افقی آزاد قادر به تحمل شیب ۳ درصد باشد.
۴- حداقل ۹۰ دقیقه از طریق لوله‌هایی با طول حداقل ۱۰۰ متر قابل پمپاژ باشد.
همچنین در طراحی یک طرح مخلوط خوب باید پارامترهای زیر پیوسته مد‌نظر باشند:
* مقاومت فشاری بتن خودتراکم
* استحکام کششی
* استحکام پیوندی
* مدول الاستیسیته
* انقباض و خزش
* دوام
* عملکرد سازه
و در نهایت با انجام یک یا مخلوطی از آزمون‌های زیر می‌توان صحت یا سقم طرح پیشنهادی را مورد بررسی قرار داد.
جریان اسلامپ (قابلیت پرکنندگی)
جریان اسلامپT50 cm (قابلیت پرکنندگی)
حلقه J (قابلیت گذرندگی)
قیف v (قابلیت پراکندگی)
قیف V T5min (مقاومت در برابر جداشدگی)
جعبه L(قابلیت گذرندگی)
جعبه V (قابلیت گذرندگی)
جعبه Fill (قابلیت گذرندگی)
غربال سنجش پایداری GTM (مقاومت در برابر جداشدگی)
ارمیت (قابلیت پرکنندگی)
از بتن خودتراکم تولید شده می‌توان دراجرای سازه‌هایی با حجم بالای آرماتور درهمتنیده، ترمیم، تعمیر و نوسازی سازه‌ها، دیوارهای نگهدارنده بسیار پایدار و بادوام، درساخت برج‌ها و ساختمان‌های مرتفع، سدها، پل‌های با دهانه عریض و اجزاء مختلف آن‌ها مانند: لنگرگاه‌ها، قوس‌ها، تیرها، تسمه‌ها، اسکله و همچنین سازه‌های بتنی پیش‌ساخته استفاده نمود.
بنابراین بتن خودتراکم یک راه‌حل ایده‌آل برای روسازی و ساخت سازه‌های محکم و سخت است؛ به‌عبارت دیگر سازه‌هایی با کارایی بالا که در شرایط سخت نیاز به مقاومت قابل توجه دارند.
مزایای احتمالی و فنی بتن خودتراکم:
1- کاهش نفوذ‌پذیری سازه بتنی
2- آزادی عمل در طراحی سازه‌های بتنی
3- گیرش بالا
گیرش بتن خودتراکم بسیار سریع‌تر از بتن‌های معمولی بوده و در کمترین زمان به سختی پیش‌بینی شده در طرح دست پیدا می‌کنیم
4- حذف ویبراتور
از آن‌جا که بتن قادر به خود‌آرایی و رسیدن به مناطق دشوار در قالب است. متغیرهای دستی جهت فشرده‌سازی بتن صفر می‌گردد، بدین معنی که مشکلات مرتبط با لرزش از بین رفته و استفاده از ویبراتور‌ها برای قرادادن بتن در قالب حذف می‌گردد و در نتیجه لرزش و قرارگرفتن در معرض سروصدا به حداقل رسانده می‌شود و با کاهش تعداد نقاط بتن‌ریزی حضور دست و پاگیر لوله را نیز نخواهیم داشت.
ضمن این‌که با کاهش نویز ایجاد شده از لرزش، کاهش مشکلات ناشی از لرزش برای دست و سلامت کارگران را نیز دربرداریم.
5- ارتقاء بهره‌وری
به سهولت قرارگرفتن بتن در سازه موجب حذف ماشین‌آلات خاص بتن‌ریزی گردیده و هزینه‌های مربوط به تعمیر و نگهداری آن‌ها حذف شده و با صرفه‌جویی در هزینه تعمیر و نگهداری ماشین‌آلات ارتقاء بهره‌وری را خواهیم داشت.
6- ایجاد سطوح بی‌نظیر از لحاظ زیبایی‌شناسی
7- افزایش کیفیت ساخت
با پوشاندن سطوح انواع میلگرد در کل سازه عمر میلگرد‌ها افزایش یافته کاهش احتراق با بهبود تراکم پوشش بتنی را داشته و سازهای با قابلیت اطمینان بیشتر نسبت به سازه‌های بتنی معمولی خواهیم داشت.
8- کاهش تقاضای نیروی کار ماهر
9- عرضه بتن اقتصادی
با کاهش حجم مصرف سیمان، بتنی مقرون به‌صرفه‌تر از نظر اقتصادی خواهیم داشت. حدود ۴۰ تا ۵۰ درصد از محتوای سیمان را می‌توان با موادی مانند الیاف جایگزین کرد. در نتیجه هزینه مواد اولیه کاهش می‌یابد و همچنین تعداد اپراتورهای ویبراتور و اتصالات لوله به طرز چشمگیری کاهش می‌یابد، قالب برای چندین بار قابل استفاده بوده و با کاهش میزان نقص، هزینه ترمیم سازه نیز کاهش می‌یابد و بتنی مقرون به‌صرفه در بین انواع بتن خواهیم داشت.
محدودیت‌های بتن خودتراکم
1- هیچ استاندارد جهانی پذیرفته شده برای انجام طرح بتن خودتراکم وجود ندارد.
۲- استفاده از مخلوط طراحی شده به آزمایشات آزمایشگاهی بیشتری نیاز دارد.
۳- اندازه‌گیری و نظارت باید دقیق‌تر باشد.
۴- در انتخاب مواد اولیه باید دقت بیشتری اعمال گردد.
۵- هزینه ساخت بتن‌خود‌تراکم در کل نسبت به بتن معمولی بیشتر است.
کاربردهای بتن خودتراکم
تحقیقات زیادی در سراسر جهان برای کشف کلیه کاربردها و خصوصیات بتن خودتراکم انجام شده است. بتن خودتراکم در ساخت و سازهای مختلف نقش مهمی در توسعه کشورها و همچنین چشم‌اندازهای آینده دارد.
در فرانسه از مخلوط بتن خودتراکم برای بتن‌ریزی بدون سروصدا استفاده می‌شود که می‌توانند ۲۴ ساعت شبانه‌روز در مناطق شهری استفاده شود.
سوئد بتن خودتراکم را در ساخت سازه‌های مختلف از جمله پل‌ها، تونل‌ها، پایه‌ها و بسیاری زیرساخت‌های دیگر پیاده‌سازی نموده است که حدود ۱۰٪ از کل بتن‌ریزی سالانه این کشور را بتن خودتراکم تشکیل می‌دهد، به‌عنوان مثال می‌توان از برج کنترل فرودگاه Arlanda در استکهلم سوئد نام برد.
برج کنترل فرودگاه استکهلم
بتن خودتراکم برای دستیابی به سرعت بتن‌ریزی بیشتر و اطمینان از قراردادن بتن با کیفیت بال،ا بدون لرزاننده در این کشور استفاده می‌شود که صدالبته کاهش میزان آلودگی صوتی در بتن‌ریزی‌ها، بالاخص بتن‌ریزی‌های شبانه را نیز فراهم نموده است.
در هلند ارجحیت استفاده از بتن خودتراکم در صنعت است که در ساخت پل‌ها و اجراء آن، ستون‌ها و قوس‌ها نیز کاربرد دارد و هم اکنون بتن خودتراکم تقویت شده با الیاف جهت تولید عناصر نازک‌تر و سبک‌تر بیشترین کارایی را دارد.
کشور نروژ در ساخت بزرگراه‌ها از این بتن بهره برده است.
در انگلستان ابتکار عمل رسمی توسط انجمن بتن برای گسترش استفاده از بتن خودتراکم با جایگزینی بتن معمولی صورت پذیرفته است. بازار بزرگ Midsummer place در شهر لندن انگلستان نمونه‌ای از کاربرد این نوع بتن در این کشور می‌باشد.
یکی از اولین کاربردهای بتن خودتراکم در ژاپن ساخت سیستم پل آکاشی- کایکو است که در سال ۱۹۹۸ افتتاح گردید، همچنین برای ساخت لنگر دو پل ۲۹۰۰۰۰ مترمربع بتن مورد استفاده قرار گرفت که باعث صرفه‌جویی بهینه در زمان گردید. برج Landmark در یوکاهامای ژاپن و دیواره‌های مخازن گازLNG ژاپن نیز از این فناوری بهره برده است. کاربرد فعلی این بتن در ژاپن بیشتر در ساخت مشبک و روکش تونل‌هاست.
پل آکاشی کایکو ژاپن
در ایالات متحده امریکا طیف وسیعی از طراحی و اجرای بتن‌خود‌تراکم وجود دارد و یکی از این نمونه‌ها برج ترامپ در شهر نیویورک است که بتن‌ریزی حین ساخت‌و‌ساز، بین میلگردهای تقویت شده و درهم‌پیچیده بسیار نزدیک به یکدیگر و در آب و هوای زیر صفر درجه انجام شده است، در این شرایط بتن‌ریزی جز با بتن خودتراکم با استحکام بسیار بالا با آرماتور امکان‌پذیر نبود.
برج ترامپ در نیویورک
ایستگاه جدید تلویزیون یک مکان بسیار مهم در پکن مرکز چین و همچنین پوسته بیرونی ورزشگاه ملی پکن و فاز سه مرکز تجارت بین‌الملل بزرگ‌ترین ساختمان پکن نیز توسط بتن خودتراکم ساخته شده‌اند.
استادیوم ملی پکن
ماحصل سخن آن‌که بتن‌خود‌تراکم به‌عنوان انقلابی‌ترین پیشرفت در ساخت بتن برای چندین دهه مطرح شده است و در راستای فناوری بتن پیشرفته، بتن خودتراکم نقش ابتکاری را برای توسعه و اجرای بتن در سراسر جهان ایفا می‌کند.
پروژه‌های زیرساختی این روزها بزرگ، پیچیده و مقاوم هستند و نیاز به قالب‌بندی پیچیده و تقویت جزئیات سازه دارند که رسیدگی به هرکدام محدودیت‌هایی را نیز دربردارد و با بهره‌گیری از این بتن، که به‌راحتی در اطراف آرماتور جریان می‌یابد و در تمام گوشه‌ها و اتصالات سازه به‌طور عمودی و افقی بدون هیچگونه تراکم مکانیکی باعث صرفه‌جویی در وقت،هزینه و انرژی زیاد می‌گردد، به شرایط بتن‌ریزی مطلوب‌تر دست‌یافته‌اند.
در این دنیای زیرساختی پیشرفته ایجاد کامپوزیت‌های سیمانی با استحکام، پایدار، قوی و سازگار با محیط‌زیست ضروری است که منجر به تشدید مقاومت فشاری، استحکام کششی و خمشی بالاتر و همچنین تسریع هیدراتاسیون می‌شود.
بتن خودتراکم یا (SELF CONSOLATING CONCERET)SCC با قابلیت کارایی بالا و کیفیت بهبودیافته برای سازه‌های مقاوم در برابر زلزله با مقاومت منحصر به‌فرد و کاربرد چند‌منظوره جهت ساخت سازه‌های بتنی مسلح با کارایی فوق‌العاده، پل‌ها، آسمان‌خراش‌ها و همچنین در صنعت حرف بسیار برای گفتن دارد تا جایی‌که در انواع بتن نقش پررنگ‌تری می‌تواند داشته باشد.
در سناریوی کنونی ساخت و سازهای پیشرفته نقش اساسی -در تحقق تقاضاهای معماری مدرن، ساختار پیچیده نامعین با پیکربندی هندسی خاص- برعهده این ترکیب نوظهور می‌باشد. به راحتی می‌توان گفت بتن خودتراکم یک نوع بتن آینده است.
واحد تحقیق و توسعه شرکت پایهان بتن