بتن حجــیم SSG
مقـدمه
با رشد روزافزون ساختوسازها و سازههای بلندمرتبه در کلانشهرها، استفاده از احجام بزرگ بتن در عناصری مانند فونداسیونهای گسترده، سدها و پایههای پل اجتنابناپذیری است. این نوع بتنریزی که در اصطلاح مهندسی بتن حجیم نامیده میشود، به دلیل مقیاس بزرگ ریختن بتن، نیازمند تمهیدات ویژهای جهت مدیریت حرارت ناشی از هیدراتاسیون سیمان است. عدم کنترل دقیق دمای داخلی و اختلاف دمای بین مغزه و سطح بتن در این سازهها، میتواند منجر به بروز ترکهای حرارتی، کاهش مقاومت و دوام سازه و در نهایت تحمیل هزینههای گزاف تعمیر و نگهداری شود. از این رو، شناخت دقیق ماهیت بتن حجیم، ملزومات فنی آن و راهکارهای اجرایی برای کنترل پدیدههای حرارتی، برای مهندسان و تولیدکنندگان بتن آماده از اهمیت بالایی برخوردار است.
بتن حجیم چیست؟
براسـاس ACI PRC-207.1-05 بتن ریزی حجـیم به فرآیند استفاده از بتن در سازههایی اطلاق میشود که در آنها حجم زیادی از بتن در مقیاس بزرگ ریخته میشود، بهطوری که حرارت ناشی از واکنشهای هیدراسیون سیمان در تودهای حجیم از بتن میتواند منجر به ایجاد مشکلاتی مانند ترک خوردگی، تغییر شکل، کاهش مقاومت و دوام بتن شود. به صورت دقیقتر، بتن حجیم به بتنهایی اطلاق میشود که برای کاهش حرارتزایی و افزایش دمـا، نیاز به توجه ویژهای در انتخاب مواد، طرح مخلوط بتن، مراحل تولید و فرآیندهای اجرایی دارند. این نوع بتنریزی معمولاً در پروژههای بزرگ مانند سدها، سازههای پل، فونداسیون ساختمانهای بلندمرتبه و مقاطع خاص که حجم بتن به اندازهای زیاد است که دماهای داخلی بتن در مراحل اولیه هیدراسیون میتواند به حد بحـرانی برسد، به کار میرود. واکنش میان سیمان و آب همراه با تولید گرما میباشد و سبب افزایش قابل ملاحظه دمای درون قطعات بزرگ بتنی میشود. اگر این گرما نتواند به سرعت خارج شود تغییر حجم ناشی از افزایش و کاهش دمای سازه ممکن است تنشها و کرنشهای قابل ملاحظهای ایجاد نماید که ترک خوردگی بتن را به دنبال خواهد داشت موجب کاهش مقاومت و دوام بتن خواهد شد. تدابیر لازم برای کنترل دمای بتن ممکن است قبل، همزمان با بتنریزی و پس از آن اعمـال شوند.
ملزومات بتن حجیم
یکی از ملزومات مهم بتن حجیم، پایش دمـا و کنترل گرادیان حرارتی میباشد. در اینگونه بتنریزیها به دلیل حرارتزایی واکنش هیدراسیون، دمای مرکز بتن بالاتر از دمای سطحی است، به همین جهت، کنترل دمای داخلی بتن و جلوگیری از بروز اختلافهای دمایی زیاد میان لایههای مختلف بتن که منجر به ترک خوردگی حرارتی میشود از اهمیت ویژهای برخوردار است. لذا، توصیه میشود که در بتنریزی حجیم، اقدامات ویژهای مانند به حداقل رساندن مقدار مواد سیمانی مصرفی، استفاده از مواد جایگزین سیمان و استفاده از سیستمهای سرمایشی انجام شود تا از آسیبهای احتمالی ناشی از حرارتزایی بالا و افزایش گـرادیان حرارتی جلوگیری گــردد.
در بتنریزیهای حجیم، دمای ناشی از فرآیند هیدراسیون در برخی موارد به بیش از ۸۰ درجه سلسیوس میرسد. حرارت در بتن حجیم به کندی مستهلک میگردد، طبق ضوابط گزارش ACI 301-16، گرادیان حرارتی و حداکثر دمای مقطع بتنی نباید به ترتیب از از 19 درجه سلسیوس و 70 درجه سلسیوس بیشتر شود.گرادیان بین مغزه و سطح میتواند تنشهای کششی همراه با ترک خوردگی حرارتی ایجاد نماید، مقاومت کششی بتن در سنین اولیه کم است، در نتیجه اهمیت این موضوع جهت جلوگیری از بروز تنشهای حرارتی و کاهش خطر ترکخوردگی ناشی از انبساط غیرهمگون در لایههای مختلف بتن ضروری است. با ایجاد ترک در بتن، مواد زیانآور و یونهای مهاجم میتوانند به داخل بتن نفوذ کرده و مکانیزمهای خرابی مانند خوردگی آرماتور و حمله تشدید شوند. پیامد این پدیدهها، نه تنها دوام سازهها را کاهش میدهد بلکه هزینههای تعمیر و نگهداری را بهطور تصاعدی افزایش خواهد یافت.
محدودیت حداکثر دمای 70 درجه سلیسوس در به منظور جلوگیری از مشکلات ناشی از افزایش دما در بتن وضع شده است که شامل تنشهای حرارتی، ترکخوردگی ناشی از تفاوت دمای داخلی و سطحی بتن و خطر تشکیل اترینگایت تأخیری (DEF) میشود. اترینگایت تأخیری یک پدیده شیمیایی است که زمانی رخ میدهد که بتن در دماهای بالا (بیشتر از 70 درجه سلسیوس) قرار میگیرد و موجب میشود که ترکیبات سولفاتی موجود در بتن بهطور غیرطبیعی در دماهای پایینتر دوباره تشکیل شوند، که این فرآیند میتواند منجر به ترکخوردگی و کاهش دوام بتن شود. با این حال، استفاده از سرباره با درصد جایگزینی بیش از 35 درصد میتواند دمای مجاز بتن را تا 85 درجه سانتیگراد افزایش دهداین افزایش دما به دلیل تأخیر در تشکیل ژل اترینگایت است که در اثر ویژگیهای پوزولانی و سیمانی سرباره، امکانپذیر میشود. استفاده از سرباره، بهویژه در مقاطع حجیم، میتواند خطر تشکیل اتـرینگایت تأخیری را کاهش دهد.
اهمیت بتن حجیم در بتن آماده
با توجه به تراکم جمعیت و افزایش ساختوساز در کلانشهرها، بهویژه در زمینه سازههای بلندمرتبه، نیاز به عناصر سازهای حجـیمتر، بیش از پیش احساس میشود. این امر باعث میشود که بتنریزی حجیم به یکی از چـالشهای مهم مهندسی تبدیل شود. سازههای بلندمرتبه که نیازمند بتن ریزی در مقیاسهای بزرگ هستند، به دلیل ارتفاع زیاد فونداسیون و ضخامت بالای مقاطع و احتمال بروز مشکلاتی نظیر حرارت زایی و ترکهای حرارتی، نیازمند بررسی و مطالعات دقیقتری در زمینه تکنیکهای بتنریزی حجیم و کنترل فرآیندهای آن باشند. همچنین با گسترش استفاده از بتنخود تراکم و پر مقاومت در سازههای شهری، با توجه به استفاده از مقادیر بیشتر مواد سیمانی در این نوع بتنها، مشکلات بتن حجیم بسیار بیشتر میشود. بنابراین ضروری است اهمیت موضوع بتن حجیم در سازههای شهری درک شود و کارخانههای بتن آماده تمهیدات لازم در این خصوص را بهکار ببرند.
تمهیدات بتنریزی حجیم
برای مقابله با چالشهای بتنریزی حجیم، راهکارهای متعددی وجود دارد که میتواند به کاهش تنشهای حرارتی وکنترل گرادیان حرارتی کمک کند. اولین راهکار، استفاده از افزودنیهای مناسب و مواد جایگزین سیمان مانند پوزولانها یا انواع سـرباره است که نه تنها میزان حرارت هیدراسیون را کاهش میدهند، بلکه دوام و مقاومت بلند مدت بتن را نیز افزایش میدهند. همچنین، سیستمهای سرمایشی مانند استفاده از یخ در مخلوط بتن و یا سیستمهای انتقال حرارت برای جلوگیری از افزایش دمای داخلی بتن نیز از دیگر روشهای مؤثر در کنترل گرمازایی و حداکثر دما هستند. به علاوه، طراحی مناسب مقاطع بتن و پیشبینی دقیق زمان ریختن بتن با توجه به شرایط محیطی، از جمله دیگر استراتژیها برای به حداقل رساندن تنشهای حرارتی و جلوگیری از ترکهای ناشی از آنها به شمار میرود. همچنین طراحی عایق حرارتی و زمان بندی عایقگذاری و عایق برداری برای حفظ گرادیان حراتی بسیار اهمیت دارد. به طور کلی، ترکیب این راهکارها میتواند منجر به بهبود عملکرد بتن در سازههای حجیم و افزایش دوام آنها گردد.
شرکت بتن آماده سنگ شکن غرب مجهز به دانش آنالیز حرارتی با استفاده از مدلسازی المان محدود و طراحی و اجرای بتنهای حجیم با توجه به شرایط محیطی و الزامات فنی پروژهها میباشد. خروجی مطالعات این شرکت شامل موارد زیر میباشد:
- طراحی مخلوط بتن به منظور به حداقل رساندن حداکثر دما و گرادیان حرارتی
- برنامه زمان بندی اجرا
- طراحی عایق (جنس، ضخامت، ضریب انتقال حرارت)
- برنامه زمان بندی عایق گذاری و عایق برداری
- پایش مستمر دمای حداکثر و گرادیان حرارت با کار گذاری ترموکوپلهای اندازهگیری دما در مقاطع حجیم
لذا خریداران بتن آماده پروژههای بزرگ میتوانند از مشاوره واحد فنی این مجموعه بهره ببرند.
ردیف | موضوع | شرح / مقدار الزامی (طبق متن و ACI 301-16) |
۱ | تعریف عملیاتی | بتنی که به دلیل حجم زیاد، نیازمند پایش دما و کنترل گرادیان حرارتی جهت جلوگیری از ترکخوردگی است. |
۲ | چالش اصلی | تولید گرمای ناشی از هیدراتاسیون سیمان و کندی استهلاک حرارت از مقطع. |
۳ | پیامدهای عدم کنترل | ترکخوردگی حرارتی، تغییر شکل، تشکیل اترینگایت تأخیری (DEF)، کاهش مقاومت و دوام. |
۴ | حداکثر دمای مجاز (عمومی) | ۷۰ درجه سلسیوس (جهت پیشگیری از DEF و تنشهای حرارتی). |
۵ | حداکثر دمای مجاز (ویژه) | ۸۵ درجه سلسیوس (در صورت جایگزینی بیش از ۳۵٪ سیمان با سرباره). |
۶ | حداکثر گرادیان حرارتی مجاز | ۱۹ درجه سلسیوس (اختلاف دمای مغزه و سطح بتن). |
۷ | تمهیدات طرح اختلاط | کاهش مقدار مواد سیمانی، استفاده از پوزولانها یا سرباره (مواد جایگزین سیمان). |
۸ | تمهیدات اجرایی و کنترل دما | استفاده از یخ در مخلوط، سیستمهای پسسرمایش، طراحی عایق حرارتی، و پایش با ترموکوپل. |
جمع بندی
بتنریزی حجیم در سازههای مدرن شهری و عمرانی، چالش فنی پیچیدهای است که هسته اصلی آن، مدیریت «حرارت» است. کنترل دقیق حداکثر دمای داخلی (عموماً زیر ۷۰ درجه) و گرادیان حرارتی (کمتر از ۱۹ درجه) جهت تضمین سلامت سازه و جلوگیری از پدیدههای مخربی همچون ترکهای حرارتی و اترینگایت تأخیری ضروری است. دسترسی به این هدف تنها با اتکا به دانش فنی، طراحی دقیق مخلوط بتن (با استفاده از پوزولانها و سرباره)، و اعمال تمهیدات پیشگیرانه قبل، حین و پس از بتنریزی (مانند خنکسازی و عایقبندی) میسر میشود. مجموعه بتن آماده سنگ شکن غرب با در اختیار داشتن دانش آنالیز حرارتی المان محدود و تجهیزات پایش دما، بستری مطمئن برای طراحی و اجرای بهینه بتنهای حجیم در پروژههای بزرگ کشور فراهم آورده است.
