بتن پیش آکنده

بتن پیش آکنده

فاطمه خنجری- دانشجوی کارشناسی مهندسی عمران- دانشگاه پارس

 khanjary.fatemeh@yahoo.com

چکیده

بتن پیش آکنده اصولا در بهسازی و ساخت حفاظ پرتوگیر راکتور، پایه های پل و سازه های زیر آبی و بتن ریزی‌های حجیم مورد استفاده قرار می‌گیرد، همچنین از آن برای احداث سازه‌هایی با معماری غیرمعمول نیز استفاده می‌شود. کاربرد: سازه‌های حاوی بتن سنگین، بتن ریزی در زیر آب‌های ساکن و جاری، بتن ریزی شمع‌ها و سپری‌ها به صورت درجا، بتن‌ریزی حجیم و سدها و پایه پل‌ها، بتن‌ریزی منابع آب و مخازن، تعمیر و ترمیم، بتن ریزی در هوای سرد و گرم، بتن با نمای خاص و آرشیتکتی. بتن پیش آکنده نوع خاصی از بتن است که به طور قابل توجهی با بتن معمولی متفاوت می‌باشد. تفاوت اصلی این نوع بتن در روش اجرا و ساخت می‌باشد. به طور کلی عدم جدایی مواد و همگنی،انقباض و ترک خوردگی کم،اتصال خوب با بتن کهنه،مقاومت خوب و دوام و نفوذ ناپذیری مطلوب، مصرف کمتر سیمان،عدم نیاز به تراکم، ایجاد نمای خاص، امکان کنترل دما در هوای سرد و گرم، بتن ریزی در عمق و زیر آب از مزایای مهم بتن پیش اکنده است. در این پژوهش سعی شده به مزایای این بتن به طور کامل پرداخته شود و به برخی نتایج مهم پژوهش‌ها اشاره گردد. مطالب به دست آمده از آزمایشات صورت گرفته شده و تحقیقات بررسی شده جمع آوری شده است.

این بتن در سال‌های ابتدایی فقط در تعمیر پل و تونل استفاده می‌شد اما پس از آزمایشهای مختلف USBR  آن را در بازسازی سرریز سد HOOVER  به کار بردند. سپس در تعمیرهای بالا دست سدی در کلورادو این شیوه به کار رفت و سریعا طی ۱۰ روز تزریق ملات انجام شد در حالی که دریاچه سد از آب پر بود(۱۹۴۶).سپس مهندسین ارتش آمریکا نیز در پروژه‌‌های خود از این نوع بتن استفاده کردند(۱۹۵۱).در ساخت پل MACKINAC  تقریبا بیش از ۳۸۰۰۰۰ متر مکعب از این بتن در ساخت ۳۳ پایه پل به کار رفت۱۹۵۴).(از سال ۱۹۵۰ در کشور ژاپن و سپس در استرالیا و کشورهای دیگر این شیوه بتن ریزی و تعمیر به وفور به کار رفته است. در ادامه پژوهش به مزیت‌های این نوع بتن اشاره خواهد شد تا بتوانیم به معرفی هرچه بهتر آن بپردازیم.

کلمات کلیدی: بتن پیش آکنده، سد، بتن معمولی، دانه بندی شن، پارامترهای مقاومتی

مقدمه

بتن پیش آکنده نوع خاصی از بتن است که به طور قابل توجهی با بتن معمولی متفاوت می باشد. در بتن پیش آکنده ابتدا دانه های شن درون قالب بتن قرار گرفته و سپس فضاهای خالی بین سنگدانه های شن توسط ملات مخصوص ماسه و سیمان پر میشوند. تفاوت اصلی این نوع بتن در روش اجرا و ساخت می باشد، به طوری که در بتن معمولی تمامی مصالح با یکدیگر مخلوط شده و سپس درون قالب قرار می‌گیرند، ولی در بتن پیش آکنده، ملات درون شن تزریق می شود. (امیدی معاف، ۱۳۹۵)

تاریخچه

در واقع بتن پیش آکنده نوع خاصی از تزریق می باشد که در آن ملات ماسه و سیمان به درون شن تزریق می شود. این کار ابتدا برای تعمیر یک تونل در کالیفرنیا توسط آقای لی تورزیلو انجام شد۱۹۳۷ ولی مطالعات و تحقیقات در زمینه این تکنولوژی گسترده نمی باشد و در پروژه های مربوطه نهفته مانده است. (امیدی معاف، ۱۳۹۵)

این بتن در سال های ابتدایی فقط در تعمیر پل و تونل استفاده میشد اما پس از آزمایشهای مختلف [۱]USBR آن را در بازسازی سرریز سد HOOVER به کار بردند. سپس در تعمیرهای بالا دست سدی در کلورادو این شیوه به کار رفت و سریعا طی ۱۰ روز تزریق ملات انجام شد در حالی که دریاچه سد از آب پر بود(۱۹۴۶).سپس مهندسین ارتش آمریکا نیز در پروژه های خود از این نوع بتن استفاده کردند(۱۹۵۱).در ساخت پل MACKINAC تقریبا بیش از ۳۸۰۰۰۰ متر مکعب از این بتن در ساخت ۳۳ پایه پل به کار رفت۱۹۵۴).(از سال ۱۹۵۰ در کشور ژاپن و سپس در استرالیا و کشورهای دیگر این شیوه بتن ریزی و تعمیر به وفور به کار رفته است. (امیدی معاف، ۱۳۹۵)

خصوصیات بتن پیش آکنده

خصوصیات بتن پیش آکنده مشابه بتنی است که به روشهای معمول ریخته می شود. با این حال به دلیل تماس نوک به نوک ذرات سنگدانه، این نوع بتن جمع شدگی حرارتی و خزش کمتری نسبت به بتن معمولی دارد از طرفی به طور نسبی این بتن سنگین تر از بتن معمولی است. (امیدی معاف، ۱۳۹۵)

بتن پیش آکنده از چند جنبه با بتن معمولی متفاوت می باشد. اولین تفاوت در روش اجرا و ساخت می باشد که در بتن معمولی تمامی مصالح با یکدیگر مخلوط شده و سپس درون قالب ریخته می شوند، ولی در بتن پیش آکنده ملات درون شن تزریق می شود. بتن پیش آکنده با قرار دادن شن درون قالب و سپس پر کردن فضاهای خالی بین شن ها توسط ملات ماسه و سیمان ساخته می شود. معمولا، عملیات پر کردن فضاهای خالی بین شن ها به دو روش وزنی و تزریق انجام می پذیرد. در روش وزنی ملات ازبالا بر روی قالب پر شده از شن ریخته می شود و به کمک تراکم و یا ویبره ملات فضاهای خالی را پر می کند. این روش در بتن های با ارتفاع حداکثر 300mm قابل استفاده می باشد. در روش تزریق با قرار دادن لوله های تزریق درون قالب، ملات به وسیله ی پمپ به درون قالب تزریق می شود و لوله های تزریق به تدریج بالا کشیده می شوند.(رجبی، امیدی معاف۱۳۹۶)

دومین تفاوت این است که در بتن پیش آکنده ذرات شن با یکدیگر در تماس مستقیم می باشند و به عبارتی با یکدیگر تماس نوک به نوک دارند، که این عامل باعث می شود ملات در بین ذرات شن قرار گیرد، در حالی که در بتن معمولی ذرات شن در بین ملات قرار می گیرند. به همین دلیل در بتن پیش آکنده به علت تماس مستقیم ذرات شن با یکدیگر تنش ها از طریق ذرات شن توزیع می شوند. حدود ۶۰% از حجم بتن پیش آکنده از ذرات شن تشکیل می شود، در حالی که در بتن معمولی حدود ۴۰% از حجم بتن از ذرات شن تشکیل می شود لذا دانه بندی و شکل هندسی دانه های مصالح درشت دانه تأثیرزیادی درپارامترهای ژئومکانیکی بتن خواهد داشت و نقش بسزایی در تامین مقاومت بتن ایفا می نمایند. (رجبی، امیدی معاف۱۳۹۶)

اهمیت و کاربرد

این نوع بتن در پروژه های فراوانی از جمله سازه های بتنی زیر آب، سدهای بتنی حجیم، سازه های بتن آرمه بهسازی سازه های بتنی با موفقیت به کار رفته است. بتن پیش آکنده اصولا در بهسازی و ساخت حفاظ پرتوگیر راکتور، پایه های پل و سازه های زیر آبی و بتن ریزی های حجیم مورد اسنتفاده قرار میگیرد، همچنین از آن برای احداث سازه هایی با معماری غیرمعمول نیز استفاده می شود. (رجبی، امیدی معاف۱۳۹۶)(سلطانی،۱۳۸۳)

با وجود اینکه اجرای بتن پیش آکنده در زیر آب آسانتر از اجرای بتن معمولی در زیر آب می باشد اما در صورت بتن ریزی در دریا امکان باقی ماندن مقداری از آب دریا در آن وجود دارد.تزریق ملات با فشار کم در زیر سطح آب خلیج فارس باعث ماند یون کلر در این بتن خواهد شد که در صورت مسلح بودن سازه بتنی زمینه مشکلات خوردگی آرماتور ها را فراهم می کند. (سلطانی،۱۳۸۳)

با افزایش اجرای پروژه های زیر سطح آب در خلیج فارس و به ویژه منطقه عسلویه،معرفی بتن پیش آکنده و بررسی مسائل مربوط به این بتن در زیر سطح آب حائز اهمیت است. (سلطانی،۱۳۸۳)

در مجموع با هزینه کم تهیه و ریختن شن، این بتن ارزان تمام می شود. در موارد خاصی مانند بتن ریزی زیر آب، تعمیرات، بتن حجیم و محلهایی که دسترسی با وسایل دیگر حمل و بتن ریزی مقدورنیست (بتن ریزی در میله های معادن)بتن پیش آکنده از مزایای فراوانی برخورداراست. سرعت بالا به همراه سهولت اجرا و هزینه پایین تر در مقایسه با روشهای دیگر بتن ریزی، بتن پیش آکنده را نسبت به سایر روشها متمایز نموده است.

برخی از نتایج مهم پژوهش ها

عبدالقادر در سال ۱۹۹۹ الگوریتم طراحی مخلوط بتن پیش آکنده را ارائه نمود. وی به این نتیجه رسید که بهترین زمان مخلوط کردن مالت، ۴ دقیقه می باشد. همچنین با استفاده از شن گرد گوشه، شکسته و مخلوط آن ها، به این نتیجه رسید که استفاده از مخلوط شن شکسته و گرد گوشه، بهترین عملکرد را در بهبود خواص مکانیکی بتن پیش آکنده دارد. (رجبی، امیدی معاف۱۳۹۶)

نجار در سال ۲۰۱۴ به بررسی خواص و کاربرد های بتن پیش آکنده پرداخت. وی در این پژوهش به بررسی تمام تحقیقات انجام شده در زمینه بتن پیش آکنده پرداخت و به این نتیجه رسید که بتن پیش آکنده از لحاظ اقتصادی نسبت به بتن معمولی مناسب تر می باشد. همچنین به علت نسبت شن به سیمان بالاتر در بتن پیش آکنده، این بتن مقاومت فشاری بالاتری نسبت به بتن معمولی دارا می باشد. وی به این نتیجه نیز دست یافت که خواص مکانیکی بتن پیش آکنده وابسته به انتخاب دانه های شن می باشد. (رجبی، امیدی معاف۱۳۹۶)

یکی از مواردی که در پژوهش ها مورد بررسی قرار گرفته بحث مقاومت کششی و مقاومت فشاری و در کل پارامتر های مقاومتی است که برخی از نتایج این پژوهش ها را در ادامه مشاهده می کنید:

دانه بندی شن نقش بسیار مهمی در پارامترهای مقاومتی بتن پیش آکنده دارد. استفاده از شن با دانه بندی ریزتر باعث افزایش مقاومت فشاری، افزایش مقاومت کششی، افزایش مدول  الاستیسیته و کاهش ضریب پواسون بتن پیش آکنده می شود. با استفاده از شن های ریزتر، مقاومت فشاری بتن پیش آکنده ۱/۱۵ برابر بتن معمولی بدست آمد. مدول الاستیسیته بتن پیش آکنده در یکی از نمونه ها ۱/۲۲ برابر بتن معمولی بدست آمد. مقاومت کششی بتن پیش آکنده با دانه بندی ریزتر نیز، ۱/۲ برابر بتن معمولی بدست آمد. ضریب پواسون بتن پیش آکنده یکی دیگر از انواع این بتن، ۰/۹۶ برابر بتن معمولی بدست آمد. با توجه به نتایج بدست آمده، بتن پیش آکنده با انتخاب مناسب طرح مخلوط، دارای پارامترهای مقاومتی بالاتری نسبت به بتن معمولی می باشد و می تواند مقاومت های فشاری و کششی بالاتری نسبت به بتن معمولی تحمل نماید. (رجبی، امیدی معاف۱۳۹۶)مقادیر زاویه اصطکاک داخلی در بتن پیش آکنده از بتن معمولی بیشتر می باشد که این عامل منجر به عملکرد برشی بهتر بتن پیش آکنده نسبت به بتن معمولی می گردد. بتن معمولی و بتن پیش آکنده در حالت خشک مقاومت بالاتری نسبت به حالت اشباع دارا می باشند. (رجبی، امیدی معاف۱۳۹۵)

مزایای روش بتن پیش آکنده در بتن ریزی سدها

بتن ریزی در سدها همواره با مشکلاتی مانند گرمازائی و بالارفتن دمای بخش های مرکزی همراه است.بنابراین با استفاده از افزایش حداکثر اندازه سنگدانه ها و دانه بندی بهتر،کاهش آب مصرفی و روانی بتن و سیمان و استفاده از افزودنیهای پوزولانی،روانساز،کندگیرکننده و سیمان های کندگیر و کم حرارت و فنون پیش تبرید و پس تبرید سعی در حل معضل دارند.(تدین، ۱۳۹۶)

بتن ریزی به روش پیش آکنه موجب کاهش مصرف سیمان،ایجاد همگنی و عدم جدائی،دوام و نفوذپذیری،انقباض کم،عدم نیاز به تراکم،خنک سازی آسان و مصرف سرمایه کمتر در کاگاه برای حمل و بتن می شود و از طرفی مشکلاتی مانند مسئله کارآیی،تراکم پذیری،جدائی مواد و حمل و ریختن و پخش و تراکم مشکلات اجرایی و هزینه های بالا را کاهش داده و مانع از لطمه به کیفیت بتن می شود. (تدین، ۱۳۹۶)

گرما زائی و سرعت گرما زائی یکی از علت های محدودیت بتن ریزی معمولی است و این عامل موجب بالا رفتن دمای بخش های مرکزی و انبساط و تنش های حرارتی می گردد که به کیفیت مقاومتی و دوام بتن تازه لطمه جدی وارد می کند.از طرفی اکسید کلسیم و منیزیم آزاد موجود در سیمان سریعتر هیدراته شده و باعث انبساط شدید و گاه مخرب می گردد. روش های کاهش مصرف سیمان و خنک سازی بتن قبل و بعد از ریختن با مشکلات و هزینه های زیادی همراه است. در بتن معمولی کاهش مصرف سیمان با انتخاب مقاومت های کمتر در طراحی،کاهش مقدار آب با کاهش روانی بتن یا افزایش حداکثر سنگدانه و انتخاب شکل مناسب آنها یا انتخاب دانه بندی بهتر و یا استفاده از روانساز ها و حباب زا ها ممکن می باشد.بتن ریزی معمولی در این شرایط مستلزم تجهیزات ویژه ای برای حمل ۶۰ تا ۱۸۰ متر مکعب در ساعت و ریختن و تراکم آنست.بالا بردن حداکثر اندازه دانه ها،کمی عیار سیمان و اسلامپ کم و بزرگی جاکها مسئله جدایی مواد و ناهمگنی را باعث می شود.تراکم چنینی بتنی نیز مسئله جدی است و مسئله گیرش،اتلاف حرارتی (خنکی)و تابش آفتاب و غیره نیز بر مشکل لایه لایه ریختن می افزاید. پله ای ریختن بتن مستلزم به کارگیری امکانات و نفرات زیادی می باشد.خنک سازی بتن قبل و بعد از ریختن نیز برای این سرعت بتن سازی و حجم بتن نهایی کاری دشوار،سرمایه بر و پر هزینه است. (تدین، ۱۳۹۶)

مزایای بتن پیش آکنده

1. به طور کلی عدم جدایی مواد و همگنی،انقباض و ترک خوردگی کم،اتصال خوب با بتن کهنه،مقاومت خوب و دوام و نفوذ ناپذیری مطلوب،مصرف کمتر سیمان،عدم نیاز به تراکم،ایجاد نمای خاص، امکان کنترل دما در هوای سرد و گرم، بتن ریزی در عمق و زیر آب از مزایای مهم بتن پیش اکنده است.
2. عدم جدائی مواد و همگنی بتن پیش آکنده همواره مهم ترین ویژگی آن به ویژه در ارتباط با بتن سنگین در سدهای وزنی و سپرهای محافظ پرتوهای رادیواکتیوو پایه ها و حائل وزنی بوده است.دانه بندی سنگدانه ها مسلما در نهایت ناپیوسته است اما به دلیل نوع اجرا عدم جدائی و همگنی عالی وجود خواهد داشت که بنوبه خود بر مقاومت بتن قطعه و دوام و نفوذ ناپذیری و غیره کمک خواهد کرد.
3. به دلیل اتکا مستقیم سنگدانه های درشت بر هم،انقباض این بتن در هنگام گیرش و در زمان خشک شدن نصف تا ثلث بتن های معمولی است این امر در کارهای تعمیراتی و اتصال بتن نو به کهنه و درز های اجرائی، سپرهای محافظ پرتوهای رادیواکتیو و سدسازی و منابع آب حائز اهمیت است.به همین دلیل بلوکها را می توان بزرگ تر گرفت.
4. علیرغم عیار کم این بتن، مقاومت بتن پیش آکنده در مقایسه با بتن های معمولی مشابه (نسبت آب به سیمان مساوی) به مراتب بیشتر است.
5. به دلیل اتکا مستقیم سنگدانه ها بر هم، مدول ارتجاعی این بتن کمی بیشتر از بتن های معمولی مشابه آنست و این مسئله برای سدهای بتنی حائز اهمیت است.
6. دوام و نفوذناپذیری این بتن به مراتب بهتر از بتن های معمولی مشابه آنست و ترک خوردگی کمتر و همگنی بیشتر نیز به این مسئله کمک وافری می نمایند. این مسئله برای منابع آب و سدهای بتنی بسیار مهم می باشد.
7. عیار کم سیمان این بتن از جمله مزایای بسیار مهم آن برای سدسازی و کنترل دما می باشد بدون این که مشکل کارآیی و تراکم و غیره محدودیتی را به وجود آورد.مسلما استفاده از پوزولانها، روانسازها، حباب زا ها و کندگیرکننده ها و سیمانهای خاص می تواند ضمن کاهش مصرف سیمان، گرمازایی و سرعت گرامازایی و افزایش دما را بیشتر کنترل نماید. به همین دلیل می توان ارتفاع قطعه را بیشتر نمود.
8. عدم نیاز به تراکم در شرایط عادی یکی از مزایای مهم این نوع بتن است.گاه برای ایجاد نمای خاص ممکن است از لرزاننده سطحی متصل شونده به قالب استفاده نمائیم که مشکل اجرائی ویژه ای در سدسازی ندارد. مسلما بدین دلیل نیازی به لایه لایه ریختن نداریم و ارتفاع قطعه می تواند بزرگ تر شود و محدودیتی به جز فشار وارد به قالبها (در صورت کنترل دما)وجود ندارد و تعداد درزهای اجرائی افقی و آماده سازی آنها کم می شود و زمان اجرا نیز کاهش می یابد.
9. به دلیل تماس سنگدانه های درشت با قالب پس از تزریق ملات نمای شبه موزائیکی خواهیم داشت.با استفاده از شن های سفید، سیاه یک رنگی و ملاتهایی با سیمان سفید یا رنگی می توان نماهای خاص را به وجود آورد. با برداشتن سریعتر قالب ها یا استفاده از کندگیری که به سطح قالب مالیده شده می توان ملات سطح بتن را شست و نمای زیباتری را به دست آورد.
10. وسائل حمل بتن و ریختن در این روش ابعاد و احجام و قیمتهای کمتری دارد.
11. امکان کنترل دمای بتن در هوای سرد و گرم و یا تهیه بتن خنک در قالب از مزایای مهم بتن پیش آکنده است. برای این کار می‌توان شن خنک یا بادامی معمولی را درون قالب ریخت و ملات با دمای معمولی یا خنک را بدان تزریق نمود. همچنین می توان شن معمولی را در قالب ریخته و آب خنک را در قالب آب بندی شده وارد نمائیم و سپس ملات با دمای معمولی یا هنک را مانند روش تزریق زیر آب تزریق نمائیم تا آب پس بزند. این کار می تواند برعکس و برای افزایش دما به کاررود که در سدسازی کمتر به کار گرفته می شود. هزینه های سرمایش و گرمایش در این روش به مراتب کمتر از بتن ریزی با روش معمولی است.استفاده از این روش ها باعث می شود ارتفاع قطعه (لیفت) با کنترل سرعت گرمازائی به طور نامحدود افزایش یابد و چون در این روش مشکل بتن ریزی در عمق نیز وجود ندارد هیچ خسارتی ببار نمی آید. (تدین، ۱۳۹۶)

روش ساخت بتن پیش آکنده

در این روش ابتدا قالب نصب شده و درزهای آن به خوبی گرفته می شود سپس لوله های تزریق ملات به قطر داخلی ۲۵ تا ۵۰ میلیمتر (بسته به حجم کار و فاصله) در قالب به صورت عمودی تا انتهای کاربه فواصل حدود ½  تا ۲ متر کار گذاشته می شود.سپس مصالح سنگی درشت دانه یکنواخت و ترجیحا شکسته با حداکثر اندازه های بیش از ۲۵ میلیمتر در قالب و لابلای لوله های تزریق ملات و معمولا بدون ایجاد تراکم و لرزش ریخته می شود.فضای بین سنگدانه ها باید با ملات تزریقی پر شود. ملات باید به اندازه کافی روان باشد و به کمک پمپ از طریق لوله های نصب شده با فشار کافی تزریق شود، تا فضاها پر شده و ملات به تدریج بالا آمده تا قالب پر شود.مسلما به تدریج لوله نیز بالا کشیده می شوند. (تدین، ۱۳۹۶)