بتن حجیم

هر حجمی از بتن (معمولاً با ابعاد بزرگ) که نیازمند تدابیری ویژه برای کاهش ترک خوردگی ناشی از گرمای آبگیری (هیدراتاسیون) سیمان است، بتن حجیم نامیده می‌شود. واکنش میان سیمان و آب، توام با تولید گرما است و سبب افزایش قابل ملاحظه دمای درون قطعات بزرگ بتنی می‌شود. اگر این گرما نتواند به سرعت تخلیه 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.
در طراحی مخلوط‌های بتنی حجیم با کیفیت (مقاومت و پایایی) مطلوب‌، باید کمترین مقدار سیمان به مصرف برسد، تا ترک خوردگی حرارتی کاهش یابد.
 

روش‌های تحلیل بتن حجیم

در سازه‌های بتنی حجیم معمولاً از روش‌های تحلیل اجزای محدود استفاده می‌شود. به طور خاص روش‌های زیر برای تحلیل سدهای بتنی کاربرد دارند.

• تحلیل وزنی
• بار آزمون
• شبیه سازی دال
• اجزای محدود
• روش‌های آزمایشگاهی شامل ساخت و مطالعه مدل

مصالح بتن حجیم

سنگدانه‌ها

سنگدانه‌های مصرفی در بتن حجیم باید از نزدیکترین و مناسب‌ترین منابع قرضه موجود در اطراف ساختگاه تامین شوند. منابع قرضه مورد تایید می‌توانند شامل سنگدانه‌های طبیعی موجود در آبرفت‌های کنار رودخانه‌ها، تراس‌های آبرفتی مرتفع‌تر، معادن سنگ کوهی یا مخلوطی از آنها باشند.
مشخصات فیزیکی و شیمیایی سنگدانه‌های مناسب برای بتن‌ریزی‌های حجیم باید منطبق بر ضوابط مندرج در آیین نامه بتن ایران باشد. افزون بر این بسیاری از سنگدانه‌هایی که حداقل کیفیت مورد نیاز را دارا هستند نیز به شرط حفظ پایایی بتن می‌توانند مورد تایید قرار گیرند. در بتن‌های حجیم به منظور کاهش مشکلات ناشی از گرمای آبگیری باید با توجه به سایر الزامات طرح از بزرگترین اندازه ممکن سنگدانه استفاده شود، ولی استفاده از سنگدانه‌های درشت سبب افزایش پدیده جداشدگی در بتن می‌شود، که این پدیده باید به کمک طراحی مخلوط‌هایی با دانه بندی مناسب و با اعمال الزامات اجرایی آیین نامه کنترل شود.

دانه بندی

در بتن‌های حجیم که قطر بزرگترین سنگدانه مصرفی در آنها بیش از ۴۰ میلی متر است و به ویژه بتن‌هایی که با استفاده از سنگدانه‌های شکسته حاصل از معدن سنگ تهیه می‌شوند، چون میزان سنگدانه‌های درشت نسبت به بتن‌های معمولی زیادتر و میزان سیمان و ماسه مصرفی کمتر است، بتن ظاهری خشن داشته و چسبندگی و قوام آن کم می‌شود. در این حالت توصیه می‌شود از طریق ساخت طرح‌های اختلاط آزمایشی و پس از تایید دستگاه نظارت، این کمبود با مصرف میزان مناسبی پودر سنگ، حاصل از فرآیند تولید سنگدانه، یا دیگر افزودنی‌های معدنی مجاز جبران شود.
شن و ماسه باید تمیز، مقاوم، سخت، پایا و بدون هرگونه اندود باشد. دانه‌ها باید تا حد امکان گرد و مکعبی شکل بوده و با شرایط مندرج در آیین نامه بتن ایرانتطابق داشته باشند.

سیمان

عامل چسباننده سنگدانه‌ها در بتن – یعنی خمیر سیمان – نقش مهمی در عملکرد سازه بتنی حجیم ایفا می‌کند. علاوه بر الزامات پایایی و مقاومتی مورد نیاز، واکنش‌های آبگیری در بتن‌های حجیم باید آهسته تر از بتن‌های معمولی صورت گیرد تا گرمای حاصل از این واکنش‌ها سبب افزایش بیش از حدود مجاز دمای سازه نشود. در بتن‌های حجیم یکی از چند گونه سیمان پرتلند نوع ۲، ۴ یا ۵ یا انواع بخصوصی از سیمان‌های آمیخته پرتلند پوزولانی و روباره‌ای استفاده می‌شود.

سیمان‌های آمیخته

سیمان‌های پرتلند آمیخته مخلوطی از سیمان پرتلند و درصدی مواد مضاف معدنی هستند که از آسیاب کردن همزمان و یا مخلوط کردن پودر این دو تولید می‌شوند. مواد مضافی که در تولید این سیمان ها به کار گرفته می‌شوند شامل پوزولان‌های طبیعی، پوزولان‌های مصنوعی شامل خاکسترهای صنعتی، خاکستر بادی، روباره‌های کوره آهن گدازی و غیره هستند.
انواع سیمان‌های آمیخته‌ای که در اجرای سازه‌های بتنی حجیم کاربرد دارند.
سیمان پرتلند روباره ای نوع IS
سیمان پرتلند – پوزولانی نوع IP

مواد افزودنی

علت مصرف مواد افزودنی در بتن‌های حجیم می‌تواند یک یا ترکیبی از موارد زیر باشد.

• برای کاهش مصرف سیمان و در نتیجه کاهش حرارت آبگیری.
• برای کاهش نرخ گیرش سیمان و در نتیجه امکان اجرای بلوک‌های بزرگتر در یک نوبت بتن ریزی.
• برای کمک به اجرای کار در شرایط جوی نامطلوب و بهبود کارآیی بتن.
• برای افزایش کیفیت و کاهش هزینه اجرای کار.
• برای افزایش پایایی در برابر دوره‌های مکرر یخ زدن و آب شدن و نیز بهبود کارآیی.

آب

آبی که برای اختلاط، عمل آوری و شستن مصالح سنگی بتن بکار می‌رود باید تازه، تمیز و عاری از فضولات ناشی از فاضلاب‌های شهری و صنعتی، روغن، اسید، نمک، مواد قلیایی و آلی و دیگر مواد زیان آور بوده و به طور کلی مطابق نشریه شماره ۳۴۴ باشد. در مواقع سیلابی و گل آلود بودن آب رودخانه‌ها باید با اعمال تدابیری مانند استفاده از حوضچه‌های ته نشینی، مواد معلق در آب تا میزان قابل قبول کاهش یابد.

پایایی بتن حجیم

در سازه‌های بتن حجیم مخلوط بتن باید به گونه‌ای طراحی و اجرا شود که ضمن کسب مقاومت فشاری لازم در سن مورد نظر، کیفیت اولیه سازه در خلال دوره بهره‌برداری مفید به گونه‌ای تنزل نیابد که عملیات ترمیم و بازسازی پر هزینه‌ای را به دنبال داشته باشد.
با این حال با توجه به هزینه بر بودن ساخت سازه‌های بتنی حجیم نظیر سدها و ابنیه وابسته به آنها در مقایسه با دیگر سازه‌های بتنی متعارف باید در نظر داشت برای افزایش عمر مفید سازه‌های بتنی ممکن است اعمال تمامی ملاحظات پایایی برای تمامی سازه‌ها مورد نیاز نباشد. به همین دلیل در تعیین و اعمال الزامات پایایی برای سازه‌های مختلف بتنی حجیم باید اهمیت، دوره، تواتر بهره برداری و شرایط اقلیمی منطقه طرح مد نظر قرار گیرد. بطور کلی برای اقتصادی‌تر نمودن اجرای این گونه سازه‌ها ابتدا باید طبقه بندی آنها از حیث اهمیت در کل پروژه صورت گیرد و سپس مجموعه الزامات پایایی با توجه به حساسیت‌ها و اولویت‌های موجود برای هر مورد به طور جداگانه اعمال شوند.

یخ زدن و آب شدن بتن حجیم

زمانی که بتن مرطوب در معرض دوره‌های متناوب یخ زدن و آب شدن قرار گیرد، در صورت دارا بودن کیفیت مطلوب آسیب کمتری می‌بیند. برای ارتقای کیفیت بتن و مقابله با آثار یخبندان‌های متناوب رعایت نکات زیر ضروری است.

• تدابیر لازم برای ایجاد حباب‌های هوا به میزان لازم در بتن اتخاذ شود.
• مصالح مصرفی در ساخت بتن دارای کیفیت مناسبی باشند.
• نسبت آب به سیمان تا جایی که خدشه‌ای به عملیات پیش سرمایش بتن وارد نیاید، کاهش داده شود.
• روش‌های مناسب و صحیح در تهیه، انتقال، اجرا، عمل آوری و محافظت بتن به کار بسته شود. وجود رطوبت و آب عاملی تعیین کننده در تخریب بتن در اثر یخبندان‌های متناوب به شمار می رود، از این رو طراح و مجری تا حد امکان باید از طریق زهکشی و انتخاب جزییات اجرایی مناسب یا دیگر تدابیر لازم، آب و رطوبت را از سازه بتنی در معرض یخبندان دور نموده و یا مقدار آن را به حداقل ممکن کاهش دهد.

عوامل شیمیایی خورنده

از عوامل مهم در افزایش پایایی بتن در برابر عوامل شیمیایی خورنده اسیدی، افزایش میزان سیمان و کاهش نسبت آب به سیمان است. عوامل شیمیایی خورنده مطرح در سازه‌های بتنی حجیم شامل املاح کلریدها، سولفات ها، سولفیت‌ها و کربنات‌ها است.
با توجه به ابعاد قابل ملاحظه سازه‌های بتنی حجیم نظیر سدها، افزایش میزان سیمان مصرفی به دلیل خطر بروز ترک‌های حرارتی توصیه نمی‌شود. به عنوان مثال برای کاهش نفوذپذیری بتن‌های حجیم می‌توان از مواد افزودنی معدنی با پایه سیلیسی نظیر پوزولان به جای افزودن میزان سیمان استفاده نمود.

واکنش قلیایی سنگدانه‌ها

واکنش قلیایی در بتن عبارت است از واکنش کانی‌های مستعد موجود در سنگدانه‌های مصرفی با املاح قلیایی آزاد موجود در بتن در محیط با رطوبت کافی. منابع تأمین مواد قلیایی شامل دو منبع درونی و بیرونی هستند. منبع درونی می‌تواند شامل کلیه مصالح تشکیل دهنده بتن از جمله سنگدانه‌ها، سیمان، آب و مواد افزودنی معدنی و شیمیایی باشد. آب یا مایعات حاوی املاح قلیایی در صورتی که زمینه نفوذ آنها به داخل بتن فراهم شود، خود می‌توانند منبع بیرونی تأمین قلیایی‌ها در بتن تلقی شوند. این واکنش‌ها می‌توانند سبب انبساط مخرب، ترک خوردگی و خرابی بتن شوند. واکنش‌های قلیایی شناخته شده در بتن شامل نوع سیلیسی و کربناتی هستند. برای شروع و ادامه پدیده واکنش قلیایی باید سه شرط زیر برقرار باشد.

• وجود سنگدانه‌های حاوی کانی‌های فعال و مستعد واکنش زایی
• دسترسی سنگدانه‌ها به میزان قلیای کافی (منبع اصلی تأمین قلیایی‌ها در بتن اکسیدهای سدیم و پتاسیم موجود در سیمان است.)
• دسترسی به رطوبت کافی

تدابیر ویژه برای محیط‌های سولفاتی و سولفات‌های موجود در بتن

زمانی که سازه بتنی حجیم در معرض آب زیرزمینی یا خاک دارای سولفات‌های سدیم، پتاسیم یا منیزیم باشد، بتن تحت تأثیر قرار گرفته و به تدریج خرابی در آن گسترش می‌یابد. برای حفاظت بتن حجیم در برابر حمله سولفات‌ها رعایت موارد زیر توصیه می‌شوند.

• استفاده از سیمان مناسب (سیمان نوع ۵، درصورتی که یون کلراید به طور همزمان وجود نداشته باشد، یا معادل آن از نوع سیمان‌های آمیخته)
• کاهش نسبت آب به سیمان
• استفاده از پوزولان مناسب به میزان مؤثر (حداقل ۲۰ درصد وزن سیمان)
• طرح اختلاط مناسب و تراکم کافی بتن در حین بتن ریزی
• ایجاد حباب‌های هوا در بتن برای کاهش نسبت آب به سیمان (کاهش نفوذپذیری )
• عمل آوری مناسب و کافی

تدابیر ویژه برای کاهش سایش و فرسایش در بتن

مقاومت فشاری مهمترین عامل کنترل کننده مقاومت سایشی بتن است، بنابراین اولین گام، انتخاب مقاومت فشاری مناسب است. بهبود روش‌های تراکم، پرداخت سطوح و عمل آوری بتن نیز در افزایش مقاومت سایشی بتن مؤثرند. برای دستیابی به این ویژگی باید توصیه‌های زیر را مدنظر قرار داد.

• پرهیز از جداشدگی دانه‌ها حین بتن ریزی
• اجتناب از آب انداختن سطوح بتن
• انتخاب زمان صحیح برای پرداخت سطوح بتن
• افزایش نسبت سنگدانه به سیمان در مخلوط بتن
• به حداقل رساندن نسبت آب به سیمان بتن‌های مجاور سطوح
• پرهیز از افزودن آب به سطوح بتنی برای سهولت پرداخت

کاربرد سنگدانه‌های با سختی زیاد، مصرف سیمان به میزان کافی و استفاده از پوزولان‌هایی مانند دوده سیلیسی می‌تواند باعث افزایش مقاومت بتن در برابر سایش و فرسایش شود.

ارزیابی و پذیرش بتن حجیم

مقاومت فشاری مشخصه بتن حجیم سازه‌های بتنی بزرگ که پس از گذشت چندین ماه یا سال تحت اثر بارهای بهره برداری قرار می‌گیرند، با تشخیص طراح می‌تواند به جای ۲۸ روز، برای سن ۹۰ یا ۱۸۰ روز در نظر گرفته شود. در این صورت ارزیابی و پذیرش بتن ریزی‌های حجیمی که در زمان تعیین مقاومت فشاری نمونه‌های آن زیر چندین نوبت بتن ریزی بعدی قرار دارد، نمی‌تواند ملاک و معیار مناسبی باشد. لذا پذیرش بتن چنین سازه‌هایی (مانند سدها) باید بر اساس تایید کیفیت مصالح تشکیل دهنده آنها، ارزیابی خواص بتن تازه، کنترل روش‌های اجرا و بررسی مقاومت فشاری طولانی مدت نمونه‌های اخذ شده ضمن انجام کار صورت پذیرد.

بتن ریزی در هوای گرم

در هوای گرم باید تدابیری اتخاذ شود که بتن آب خود را به سرعت در اثر تبخیر از دست ندهد. تدابیر زیر با نظر دستگاه نظارت در طول مدت حمل، ریختن، گیرش و سخت شدن بتن بر اساس شدت گرما و سرعت جریان هوا اتخاذ می‌شوند.

• توقف بتن ریزی در گرمترین ساعات روز و انجام عملیات بتن ریزی در شب.
• مصرف آب سرد و یا جایگزینی بخشی از آب اختلاط با یخ خرد شده.
• عایق بندی حرارتی منبع آب دستگاه بتن ساز و لوله‌ها.
• استفاده از رنگ سفید برای پوشش کلیه تجهیزات تولید و حمل بتن.
• حفاظت سنگدانه‌های انبار شده از تابش آفتاب (نصب سایبان) و خنک کردن آن با پاشیدن آب.
• حفاظت سیمان مصرفی از تابش آفتاب و احتراز از مصرف سیمان گرم.
• خودداری از مصرف بتن‌های خیلی خشک.

بتن ریزی در هوای سرد

بطور کلی دمای محیطی که در آن بتن (حاوی سیمان پرتلند معمولی فاقد مواد افزودنی شیمیایی‌) اجرا می شود باید تا ۲۴ ساعت بعد از بتن ریزی بالاتر از صفر درجه سانتیگراد باشد. در مواردی که حجم قطعه زیاد و تدابیر خاصی برای مقابله با یخ زدگی بتن تازه در نظر گرفته شده است، دمای توده بتن در تمام مدت بتن ریزی، فرایند گیرش و سخت شدن باید از صفر درجه سانتیگراد بیشتر باشد. با نظر دستگاه نظارت ب ر ای جلوگیری از یخ زدگی بتن تازه تدابیر زیر اتخاذ می گردد.

• انبار کردن سنگدانه‌ها در محیط سرپوشیده و ترجیحاً گرم و یا گرم نمودن سنگدانه بوسیله هوای گرم و خشک.
• افزایش نسبی سیمان مصرفی و کاهش نسبت آب به سیمان.
• بکاربردن مواد افزودنی روان کننده.
• گرم کردن آب اختلاط تا حداکثر ۶۰ درجه سانتیگراد.
• کاهش فاصله زمانی بین تهیه و ریختن بتن در قالب.
• بکاربردن قالب‌های چوبی با ضخامت زیاد و استفاده از عایق‌های حرارتی برای قالب‌های فلزی.
• حفاظت سطوح نمایان بتن بلافاصله پس از بتن ریزی.

کارآیی بتن حجیم

کارایی بتن تازه باید به حدی باشد که بتوان آنرا با سهولت کافی جابجا نمود، در قالب ریخت، متراکم نمود و سطح آنرا صاف کرد. در تمامی این مراحل مواد متشکله بتن نباید از یکدیگر جدا شوند. بتنی که شرایط مذکور را داشته باشد دارای کارآیی مطلوب است.کارایی بتن به مواد متشکله مخلوط، بخصوص به میزان آب، نرمی و مقدار ماسه، دانه بندی و شکل سنگدانه‌ها بستگی دارد. به علاوه کارایی بتن تحت تاثیر بعضی مواد افزودنی مانند روان کننده‌ها، مواد هوازا و گاهی اوقات پوزولان‌ها قرار می‌گیرد.

عمل آوری و محافظت بتن حجیم

تمامی بتن‌ها باید بمدت حداقل ۱۴ روز متوالی با روش‌های مناسب مرطوب نگاهداشته شده و حفاظت شوند. عمده‌ترین آثار نامطلوب محیطی که باید بتن را در برابر آن محافظت نموده به شرح زیر است.

• خشک شدن زودرس که بخصوص در اثر تابش آفتاب و وزش باد پیش می‌آید.
• شسته شدن بتن تازه توسط باران یا آب جاری.
• کاهش سریع دمای بتن در روزهای نخست.
• محافظت از بتن با مرطوب نگهداشتن سطوح آن بکمک آب پاشی یا پوشاندن سطوح با گونی خیس انجام می‌شود. شیوه محافظت و نیز مدت آن به عوامل مختلف از جمله شرایط محیط، ویژگی‌های مورد انتظار از بتن، نوع سیمان مصرفی و نیز نسبت‌های اختلاط بتن بستگی دارد که با نظر دستگاه نظارت تعیین می‌شود.
• بتنی که در هوای سرد ریخته شده است باید در چند روز اول پس از بتن ریزی در مقابل یخ زدن محافظت شود.