بتن‌هاي توانمند و ويژه

مقدمه
سالهاي زيادي است که از بتن بعنوان يک ماده ساختماني مهم و با تحمل فشارهاي بالا جهت ساخت و ساز انواع سازه*ها استفاده مي*شود. ضعف اين ماده مهم و پر مصرف ساختماني در مقابل کشش با قرار دادن آرماتور تا حد زيادي جبران شده است. در سالهاي اخير و با بررسي دوام سازه*هاي بتني مسلح بويژه در مناطق خورنده و سخت براي بتن نظر اکثر کارشناسان و دست *اندرکاران کارهاي بتني به اين مسأله جلب شده است که مقاومت به تنهايي نمي*تواند جوابگوي کليه خواص مربوط به بتن بخصوص دوام آن باشد و لازم است در طراحي بتن براي مناطق مختلف علاوه بر مسأله مقاومت و تحمل بارها در طول مدت بهره*دهي، پايايي و دوام آن نيز مد نظر قرار گيرد. در حال حاضر با اضافه نمودن مواد مختلف بتن و تغييرات در طرح اختلاط مي*توان به بتن*هايي دست يافت که بدون تغيير قابل ملاحظه در مقاومت آنها از نقطه نظر دوام به بتن*هايي با دوام بالا دست يافت. مسأله محيط زيست و آلودگي آن نيز در سالهاي اخير نظر جهانيان را بخود معطوف ساخته است. کاربرد مواد و مصالحي که در ساخت آن آلودگي کمتري به محيط منتقل گردد و همچنين برداشت مصالح طبيعي که کمتر محيط را تخريب نمايد، مورد توجه خاص قرار دارد. در اين راستا محدوديت کاربرد سنگدانه*ها، دستيابي به مواد جديد و نيز استفاده از مواد زائد کارخانه*ها و آلاينده*هاي محيط زيست در بتن در رأس برنامه*هاي تحقيقاتي پاره*اي از کشورهاي جهان قرار گرفته است.
علاوه بر خود بتن و مصالح تشکيل* دهنده آن در سالهاي اخير بر روي آرماتور مصرفي در سازه*هاي بتني مسلح نيز تحولاتي صورت گرفته است. بعنوان مثال و براي پرهيز از خطر خوردگي آرماتور، از فولادهاي ضد زنگ و نيز آرماتورهاي ساخته شده با الياف* مختلف پلاستيکي و پليمري در محيط*هاي بسيار خورنده استفاده مي*شود. کار بر روي عملکرد دراز مدت چنين موادي هنوز ادامه دارد.
در مقاله اخير به چند مورد از بتن*هاي جديد که چند سالي است از آنها در صنعت ساخت و ساز براي سازه*هاي بتني استفاده مي*شود اشاره شده و مواد جديد مورد استفاده در بتن که تحقيقات روي آنها هنوز ادامه دارد، نيز بيان خواهد شد. بعنوان مثال بتن*هاي با مقاومت زياد و بتن*هاي توانمند و با عملکرد بالا در اين خصوص جايگاه ويژه*اي دارند. کاربرد الياف و مواد مختلف در بتن براي افزايش نرمي آن و مقاومت در مقابل بارهاي ضربه*اي و نيروهاي ناشي از زلزله مورد ديگري از بتن*هاي خاص مي*باشد. با نگرشي عميق به مسأله دوام بتن و ضمن تأمين مقاومت لازم، کاربرد بتن*هاي با کارايي بالا که اجراي آن را نيز آسان مي*سازد در برنامه کار مراکز بسياري قرار گرفته و برخي از اين بتن*ها با اضافه کردن افزودنيهاي مختلف به آنها، اينک وارد صنعت بتن شده*اند.
بتن با مقاومت زياد
امروزه بر اساس تکنولوژي رايج بتن، ساخت بتن*هاي با مقاومت*هاي فشاري زياد و دور از انتظار که مي*تواند براي طراحي سازه*هاي اجرايي رايج مورد استفاده قرار گيرند، امکان*پذير مي*باشد. اگر چه اغلب آيين*نامه*هاي بتن هنوز مقاومت بتن مورد استفاده در سازه*ها را به MPa 60 محدود مي*کنند، اما آيين*نامه*هاي جديد اخيراً حدي بالاتر از MPa 105 را نيز در نظر گرفته**اند ] 1 [. ساخت بتن*هاي با مقاومت زياد و در حد MPa 120 و کاربرد آن در ساختمان*هاي بلند در کشورهاي پيشرفته دنيا رواج يافته است. اين مقاومت با اضافه نمودن مواد ريز و فعال به سيمان تا حدي افزايش يافته که بتن*هايي با مقاومت*هاي فشاري بين MPa 200 و MPa 800 و مقاومت*هاي کششي بين MPa 30 و MPa 150 در نمونه*هاي آزمايشگاهي بدست آمده است. براي دستيابي به چنين مقاومت*هايي لازم است تغييراتي در طرح اختلاط داده و از مواد و افزودني*هاي جديدي استفاده نمود.
از عوامل مهم در رسيدن به چنين مقاومت*هايي استفاده از سنگدانه*هاي مقاوم و کاهش حداکثر اندازه سنگدانه در مخلوط بتني براي همگني بيشتر آن مي*باشد. همچنين با استفاده از مواد بسيار ريزدانه و با اندازه*هاي کمتر از دهم ميکرون مي*توان مجموعه*اي متراکم*تر و با تخلخل بسيار کم که بالاترين وزن مخصوص را خواهد داشت، تهيه نمود. در بتن*هاي با مقاومت زياد بايستي تا حد ممکن نسبت آب به سيمان (w/c) را کاهش داد (امروزه حتي نسبت 18/0 = w/c استفاده شده است) که در اين حالت بعضي دانه*هاي سيمان هيدراته نشده بصورت مواد ريزدانه پرکننده، دانسيته را افزايش داده و در نتيجه سبب افزايش مقاومت مي*شوند. بديهي است براي تأمين کارايي چنين مخلوط*هايي با آب بسيار کم لازم است از روان* کننده* ها، فوق *روان*کننده* ها و پخش کننده ذرات ريز در بتن استفاده نمود. براي افزايش نرمي چنين بتن*هايي (با افزايش مقاومت شکنندگي و تردي بتن افزايش مي*يابد) مي*توان به آنها الياف*هاي کوتاه اضافه نمود. در ساخت چنين بتن*هايي (مقاومت در حد فولاد و بالاتر) از روشهاي سخت شده تحت فشار و دما براي عمل آوري بتن و تأمين مقاومت اوليه زياد استفاده مي*گردد.
جدول 1- مشخصات بتن بکار رفته در يک ساختمان بلند در مونترال کانادا
طرح اختلاط خواص بتن
نسبت آب به سيمان 25/0 اسلامپ 250 ميلي*متر
آب 135 ليتر درصد هوا 4/4 درصد
سيمان نوع 1، 500 کيلوگرم در متر مکعب مقاومت فشاري 7 روزه 77 مگاپاسکال
دوده سيليس 30 کيلوگرم در متر مکعب مقاومت فشاري 28 روزه 3/92 مگاپاسکال
شن*با*حداکثر اندازه10ميليمتر *1100*کيلوگرم*در مترمکعب مقاومت فشاري 90 روزه 106 مگاپاسکال
ماسه طبيعي 700 کيلوگرم در متر مکعب مقاومت فشاري يکساله 4/119 مگاپاسکال
ديرگير کننده 8/1 ليتر در متر مکعب
فوق روان کننده 14 ليتر در متر مکعب
بتن هاي با کارايي بسيار زياد (بتن خود متراکم)
امروزه در بعضي کشورهاي جهان و بويژه در ژاپن بتن جديدي با کارايي بسيار بالا که نياز به لرزاندن نداشته و خودبخود متراکم مي*گردد ساخته شده و در برخي پروژه*ها اجرا شده است. با داشتن کارايي بسيار زياد اين بتن در اجرا، خطر جدايي سنگدانه*ها و خمير را نداشته و در عين حال از مقاومت زياد و دوام نسبتاً بالايي برخوردار است. در طرح اختلاط اين بتن، موارد زير در نظر گرفته شده است.
ميزان شن در اين بتن حدود 50 درصد حجم مواد جامد بتن بوده و در آن ماسه به ميزان 40 درصد حجم ملات استفاده شده است. نسبت آب به مواد ريزدانه و پودري بر اساس خواص مواد ريز بين9/0 تا 1 انتخاب مي*شود. براي تعيين ميزان نسبت آب به سيمان و مقدار فوق روان کننده مخصوص مصرفي با استفاده از روش ميز رواني، مقدار بهينه با آزمون و خطا تعيين مي*گردد ]2و3[.
بتن با سنگدانه بازيافتي
امروزه با توجه به پيشرفت جمعيت و مشکل فضا در شهرهاي بزرگ براي ساخت و ساز لازم است ساختمان*هاي قديمي بتني تخريب و بجاي آن ساختمان*هاي بلند جديد احداث شوند. در کشور ژاپن و چند کشور اروپايي که زمين و فضاي لازم براي ايجاد بنا ارزش ويژه*اي دارد و همچنين براي جلوگيري از مسائل محيط*زيستي که از تخريب ساختمانها ناشي مي*شود و کاربرد مصالح آن در بناي جديد تحقيقات وسيعي در ساخت بتن با سنگدانه بازيافتي (خورد کردن بتن قديم و استفاده از آن بعنوان سنگدانه در بتن جديد) در حال انجام است. بعنوان مثال در کشور هلند هر سال حدود 10 ميليون تن مصالح ناشي از تخريب ساختمان*هاي بتني که حدود 3/1 حجم بتن مورد نياز در ساخت ساختمانهاست، توليد مي*شود. قرار است نيمي از اين مصالح در بتن*هاي جديد استفاده شوند. در حال حاضر تحقيقات روي ميزان جمع*شدگي و خزش و دوام اين بتن*ها ادامه دارد تا در قرن بيست و يکم کاربرد وسيع*تر آن را امکان*پذير سازد.
بتن*هاي با نرمي بالا
امروزه کاربرد بتن با نرمي بالاتر که بتواند تغيير شکل*هاي زياد را بدون شکست تحمل نمايد، مورد توجه قرار گرفته است. تحقيقات وسيعي در خصوص تأمين نرمي لازم در بتن با الياف*هاي مختلف و حتي حذف آرماتور در حال انجام مي*باشد. هدف از کاربرد الياف در بتن افزايش مقاومت کششي، کنترل گسترش ترکها و افزايش طاقت (Toughness) بتن مي*باشد تا قطعه بتني بتواند در مقابل بارهاي وارده در يک مقطع ترک خورده تغيير شکل*هاي زيادي را پس از نقطه حداکثر تنش تحمل نمايد.
بتن با الياف مختلف در سالهاي اخير در سازه*هاي عمده*اي چون روسازي راهها و فرودگاه*ها، بتن پي*هاي عظيم با تغيير شکل*هاي زياد و بويژه در پوشش بتني تونلها بکار رفته است. در ساخت پوشش تونلها بتن اليافي با پاشيدن بر جداره شکل مي*پذيرد. اخيراً براي حذف ترکها در پوشش تونلهايي که بصورت چند تکه پيش ساخته اجرا مي*شود از بتن بدون آرماتور و تنها الياف استفاده شده و اين نوع بتن سبب حذف ترکها در حين عمل*آوري و حمل و نقل قطعات و نصب آنها براي کامل کردن مقطع تونلهاي مترو شده است.
در نوع بسيار جديد بتن اليافي که مي*توان با آن به حداکثر نرمي در بتن رسيد از روش ريختن دوغاب روي الياف (SIFCON) استفاده مي*شود. در اين روش ابتدا الياف ريخته شده و سپس فضاي بين آنها با ملات دوغابي پر مي*شود. ميزان الياف در اين بتن حدود 10 درصد مي*باشد که حدود 10 برابر ميزان الياف در بتن*هاي اليافي متداول است. با اين مصالح لايه*هاي محافظي بدون ترک و تقريباً غير قابل نفوذ مي*توان ايجاد نمود. بعلت نرمي زياد اين قطعات ظرفيت تغيير شکل*پذيري اين قطعات به ميزان ظرفيت دالهاي فولادي مي*رسد. مقاومت فشاري اين نوع بتن حدود 110-85 مگاپاسکال و مقاومت خمشي حدود 45-35 مگاپاسکال مي*باشد. از اين قطعات نه تنها مي*توان بعنوان لايه*هاي محافظ کوچک استفاده نمود، بلکه در باندهاي فرودگاه در برابر ضربات عملکرد خوبي نشان مي*دهند. در کارهاي تعميراتي دالها مي*توان از آنها بعنوان لايه روي بتن قديم و بدون درز و در زماني کوتاه استفاده نمود ]4[.
آرماتورهاي غير فولادی در بتن
در سالهاي اخير استفاده محدودي از آرماتورهاي غير فلزي آغاز گشته است هر چند تحقيقات بر روي کاربرد وسيع*تر آنها و عملکرد دراز مدت اين نوع آرماتورها ادامه دارد. اين آرماتورها که معروف به آرماتورهاي با الياف پلاستيکي (FRP) هستند از الياف مختلفي چون الياف شيشه*اي (GFRP)، الياف آراميدي (AFRP) و الياف کربني (CFRP) در يک رزين چسباننده تشکيل شده اند. در جدول 2 خواص مکانيکي چند آرماتور اليافي که کاربرد پيدا کرد*ه*اند*، آورده شده است.
جدول - خواص مکانيکي الياف*هاي مختلف
نوع الياف مقاومت کششي (MPa) کرنش نهايي (٪) E (Gpa)
آراميد 3400-2700 4-5/2 165-73
شيشهE 3500 5-3 75
شيشه S 4500 5/5-5/4 87
کربن مدول پايين 3900-3200 6/1-1 250
کربن مدول بالا 2700-2300 6/0 400
خاصيت عمده اين آرماتوها که سبب کاربرد آنها شده است، مقاومت در برابر خوردگي آنهاست که مي*تواند در محيط*هاي بسيار خورنده دوام دراز مدتي داشته باشند. علاوه بر اين مقاومت بالا، مقاومت به خستگي بالا، ظرفيت بالاي تغيير شکل ارتجاعي، مقاومت الکتريکي زياد و هدايت مغناطيسي پايين و کم اين مواد از مزاياي آنها شمرده مي*شود. البته اين مواد معايبي چون کرنش گسيختگي کم و شکننده بودن و خزش زياد و تفاوت قابل ملاحظه ضريب انبساط حرارتي آنها در مقايسه با بتن را به همراه دارند ] 5[.
اخيراً از الياف مختلف شبکه*هايي بافته شده و بصورت يک شبکه آرماتور در سطح بتن براي کنترل ترک و کم کردن عرض آن و همچنين در ديوارهاي نماي بتني از آن استفاده مي*کنند. تحقيقات روي کاربرد صفحات اليافي بجاي صفحات فولادي براي تقويت قطعات خمشي و تيرها و دالها بويژه در پلها ادامه دارد. اين صفحات بارزين*هاي اپوکسي به نواحي کششي از خارج اتصال داده مي*شوند. کاربرد صفحات با الياف کربني براي اين تقويت بيشتر رايج گشته و در چندين پل در ژاپن و در بعضي کشورهاي اروپايي از آن استفاده شده است ]6[.
بتن*هاي ابداعي
در بعضي موارد با تغيير در مواد تشکيل* دهنده بتن و با روش*هاي ابداعي مي*توان پاره*اي از خواص نامطلوب بتن را حذف نمود. اين امر منجر به پيدايش بتن*هاي خاص با خواص ويژه*اي مي*گردد. بعنوان مثال تغييراتي است که مي*توان در ترکيب بتن*هاي با مقاومت زياد که اين روزها کاربرد بيشتري پيدا مي*کنند را نام برد. بتن*هاي با مقاومت بالا معمولاً با سيمان زياد و نسبت آب به سيمان کم و اضافه و جايگزين نمودن سيمان با دوده سيليس ساخته مي*شوند. در حين عمل هيدراسيون سيمان و سخت شدن اين بتن*ها چون آب داخل بتن کافي نيستَ، مقداري آب از سطح خارجي به قسمت داخلي براي تکميل عمل فوق مي*رسد. بنابراين بتن هاي با مقاومت زياد در ساعت اوليه سخت شدن دچار جمع*شدگي ذاتي قابل ملاحظه*اي مي*شوند. ممکن است اثرات منفي ديگري نظير حساسيت به ترک*خوردگي بيشتر در اين بتن*ها مشاهده شود. اين معايب را مي*توان با روش ساده*اي برطرف نمود. در يک عمل ابداعي مي*توان حدود 25 درصد از حجم سنگدانه را با سنگدانه سبک وزن قبلاً خيس شده جايگزين نمود. اين سنگدانه*ها باعث ايجاد ذخيره آب در بتن شده و محيطي با عمل*آوري مرطوب فراهم مي*سازند. نتيجه اضافه کردن سنگدانه پيش اشباع شده به بتن با مقاومت زياد، کاهش جمع*شدگي ذاتي و کم شدن و حذف ترکهاي مويي خواهد بود. همچنين تراکم و دانسيته بالاي بتن*هاي با مقاومت زياد سبب کاهش مقاومت در برابر آتش اين بتن*ها مي*شود که بعنوان يک عيب محسوب مي*شود. در دماي بالا آب شيميايي خمير سيمان بخار شده ولي به علت متراکم بودن بتن با مقاومت زياد نمي*تواند از آن خارج شود. در نتيجه پوشش بتني بصورت ورقه جدا شده و ظرفيت بارپذيري ستون کاهش مي*يابد. در يک کار ابداعي مي*توان الياف پروپيلني به بتن اضافه نمود. در دماي بالا الياف ذوب شده و کانالهايي براي فرار و خروج بخار آب از بتن فراهم مي*سازند و از ورقه ورقه شدن بتن جلوگيري بعمل مي*آورند ]7[.
نتيجه*گيري
در سالهاي اخير تحول عظيمي در تکنولوژي بتن و پيدايش بتن*هاي جديد صورت گرفته است. اين تحولات به پيدايش بتن*هاي با مقاومت بسيار زياد، بتن*هاي با نرمي بالا، بتن*هاي با آرماتورهاي غيرفلزي، بتن با کارايي بسيار زياد، بتن با سنگدانه*هاي بازيافتي و بتن*هاي ابداعي منجر شده است. بايد اذعان نمود که نتايج تحقيقات سالهاي آخر قرن حاضر و ادامه آنها در قرن جديد مي*تواند نگرش تازه*اي به بتن بعنوان يک ماده ساختماني پرمصرف بدهد. اين نتايج منجر خواهد شد تا ديدگاه بتن بعنوان تنها يک ماده با مقاومت فشاري خوب به کلي دگرگون شده و خواص جديد بتن*هاي نوين نظر اکثر دست اندرکاران پروژه*هاي عظيم عمراني را در جهان بخود معطوف سازد.
فهرست مراجع
[1] “ Norwegian standard NS3473, concrete structures, Design rules”, Oslo, 1989.
[2] H. Okamura, “Self compacting high performance concrete”, Ferguson Lecture at ACI convention (New Orleans), November 1996.
[3] H. Okamura and K.Ozawa, “Mix design for Self compacting concrete”, Concrete library international, Japan, No. 25, Dec. 1995.
[4] G. Konig et. Al., “New concepts for high performance concrete with improved ductility”, proceedings of the 12th FIP congress on challenges for concrete in the next millennium, Netherlands, 1998, pp. 49-53.
[5] A. Nanni, “Fiber-reinforced plastic (FRP) reinforcement for concrete structures: properties and applications”, Elsevier, London, 1993.
[6] Taerwe, “Non-Metallic (FRP) reinforcement for concrete structures”, RILEM proceedings, No. 29, E & FN Spon, London, 1995.
[7] R.Breitenbucher, “High strength concrete C 105 with increased fiber resistance due to polypropylene fibers”, 4th international symposium on the utilization of high strength-high performance concrete, Paris, May 1996, pp 571-577