طرح اختلاط های بتن خودتراکم

بنا به درخواست های فراوان جهت این نوع طرح اختلاط واحد فنی کلینیک بتن ایران، این متن را آماده و تدوین کرده که در اختیار مهندسین عزیز قرار می دهد.
الوین (Lwin) نمونه‌هایی از طرح اختلاط‌های SCC مورد استفاده در آمریکا را به شرح جدول زیر ارائه کرده است. وی مقدار جریان اسلامپ برای بتن SCC را بین 25 تا 27 اینچ (64 تا 69 میلیمتر) ذکر می‌کند.

جدول چند طرح اختلاط بتن خود تراکم رایج در آمریکا

برای دستیابی به خاصیت خود تراکمی لازم است تا خمیر یا ملات دارای قابلیت تغییر شکل بالا بوده، به علاوه در هنگام جریان بتن از یک محفظه بسته یا بین میلگردهای تقویت، مقاومت مناسب در برابر جداشدگی سنگدانه های درشت و ملات وجودداشته باشد. خود تراکمی می تواند به طور وسیعی تحت تاثیر مشخصات مصالح و طرح اختلاط قرار گیرد. بنابراین یک طرح اختلاط منطقی و مناسب با استفاده از مصالح گوناگون مورد نیاز است.

ملات یا خمیر مورد استفاده در بتن خودتراکم نیاز به لزجت بالا و نیز قابلیت تغییر شکل بالا دارد. برای افزایش قابلیت تغییر شکل خمیر، باید نسبت آب به پودر را بالا برد یا از فوق روان کننده‌ها استفاده کرد. برای به دست آوردن لزجت بالا، باید نسبت آب به پودر را کاهش داد یا از افزونی‌های اصلاح لزجت استفاده کرد. قابلیت تغییر شکل به این معنا است که انرژی در داخل بتن یا در مرزها به علت اصطکاک کمتر استفاده می‌شود. در مقابل لزجت بیشتر به معنای افزایش انرژی لازم برای تغییر شکل است. بنابراین باید یک تعادل مناسب بین دو نیاز برقرار نمود. چنانچه برای افزایش لزجت، از کاهش نسبت آب به پودر استفاده شود، برای بالا بردن قابلیت تغییر شکل چاره ای جز بهره‌گیری از فوق روان کننده‌ها نیست. در صورتی که بتوان تعادل بین لزجت و قابلیت تغییر شکل را در محدوده ای که منجر به خود تراکمی شود، به دست آورد. نیازی به مواد اصلاح کننده لزجت نخواهد بود خوشبختانه مواد فوق روان کننده‌ ای یافت شده اند که در عین بهبود قابل توجه قابلیت تغییر شکل، لزجت را به مقدار اندکی کاهش می‌دهند.

اوکامورا و اوزاوا، پارامترهای نسبت آب به پودر و مقدار فوق روان کننده  را برای تنظیم طرح اختلاط خود مورد اشارده قرار می دهند، مشخصات پودر و فوق روان کننده‌ به طور وسیعی بر روی خواص ملات تاثیر می‌گذارد، به نحوی که مقادیر مناسب نسبت آب به پودر و فوق روان کننده‌ را نمی‌توان بدون اختلاط آزمایشی، ثابت در نظر گرفت، بنابراین بلافاصله پس از تعیین نسبت اختلاط، باید خودتراکمی را به وسیله آزمون های جریان U، جریان اسلامپ و قیف ارزیابی کرد. روش‌هایی برای قضاوت این که با توجه به نتایج آزمون آیا نسبت آب- پودر یا مقدار روان کننده کمتر یا بیشتر از حد نیاز است، و روشهایی برای تخمین مقادیر مناسب مورد نیاز است. روابط بین خواص ملات در بتن خود تراکم و نسبت اختلاط مورد تحقیق قرار گرفته و فرموله شده است. این فرمولها می‌توانند برای تعیین یک روش منطقی برای تنظیم نسبت آب به پودر و مقدار فوق روان کننده، به منظور به دست آوردن لزجت و قابلیت تغیر شکل مناسب، استفاده شوند. اوکامورا تاکید می‌کند که اگر چه میزان خود تراکمی بسته به پروژه متفاوت است، اما چون حفظ خاصیت خود تراکمی دشوار بوده و رواداری هایی در ان وجود دارد، بهتر است که میزان خود تراکمی در بالاترین حد (یا بالاتر از حد نیاز) تنظیم شود.

یکی از مشخصات مهم پودرها این است که مقادیر بالایی آب را در خود نگاه می‌دارند. آزمایشها نشان داده است که یک رابطه خطی بین مساحت نسبی جریان و نسبت آب به پودر وجود دارد. بنابراین با استفاده از این رابطه می توان مقدار نسبت آب به پودر را که در آن تغییر شکل خمیر متوقف می شود (برابر با صفر می شود)، برون‌یابی نمود. این حد را می توان مقدار آبی در نظر گرفت که توسط پودر محبوس می‌شود و همیشه بین 7/0 تا 0/1 قرار می گیرد که بستگی به پودر، شکل هندسی ذرات و دانه‌بندی آنها دارد. به عبارت دیگر، طبق نظر اوکامورا ، پودر تقریباً هم حجم خود، آب را محبوس می‌نماید.

سنگدانه ها جزء با دوام و مقاوم بتن‌ها به شمار می‌روند. معمولاً از نسبت 2:1:1 سیمان: سنگدانه ریز: سنگدانه درشت به عنوان نسبتی مناسب برای رسیدن به مقاومت حداکثر یاد می‌شود. اوکامورا نتایج مهمی را در خصوص سنگدانه های ریز ارائه کرده است. براساس کارهای وی، مقدار اب نگهداشته شده به وسیله سنگدانه های ریز، در صورتی  که مقدار این سنگدانه‌ها در یک محدوده مشخص قرار داشته باشد، تقریباً متناسب با حجم آن است. این مقدار تقریباً 20درصد و حدود یک پنجم پودرها است. وی دریافت که سنگدانه های ریزتر از 90 میکرون را باید پودر در نظر گرفت (و نه سنگدانه‌). به غیر از تفاوت در میزان نگهداشتن آب بین پودر وسنگدانه ریز، یک تفاوت دیگر نیز وجود دارد: نسبت آب نگه داشته شده توسط سنگدانه ریز، وقتی که مقدار آن از یک حد مشخص فراتر رود، به شکل قابل توجهی افزایش می‌یابد.

نهایتاً اوکامورا و اوزاوا یک سیستم طرح اختلاط برای استفاده واحدهای بتن آماده، به شکل زیر ارائه کرده‌اند:

1- مقدار سنگدانه درشت در بتن به مقدار 50% حجم مواد جامد ثابت در نظر گرفته می شود. این مقدار، از برخورد سنگدانه‌های درشت و بسته شدن مسیر در قسمت های تنگ بین موانع جلوگیری می‌کند.

2- مقدار سنگدانه  ریز به مقدار 40% حجم ملات در نظر گرفته می‌شود. اگر از تخمیر مناسبی استفاده شود و مقدار محدود شود. برخورد چندانی بین سنگدانه های ریز رخ نخواهد داد. در عین حال لازم است تا دانه های ریزتر از 90 میکرون به عنوان پودر محاسبه شوند.

3- نسبت حجمی آب به پودر بین 9/0 تا 0/1، بسته به خواص پودر، در نظر گرفته می‌شود.

4-مقدار فوق روان کننده و نسبت نهایی آب به پودر به گونه‌ای تنظیم می‌شود که خود تراکمی تضمین شود.

با محدود کردن حجم سنگدانه‌های درشت، از برخورد سنگدانه ها در نزدیکی موانع جلوگیری شده، در حالی که همزمان نسبت آب به پودر برای دستیابی به لزجت مناسب، در حدود مقدار یک کنترل می‌شود. در طرح اختلاط بتن‌های معمولی، ابتدا نسبت آب به سیمان ثابت گرفته می‌شود تا مقاومت کافی به دست آید. اما در بتن های خود تراکم، با توجه به حساسیت و وابستگی شدید خود تراکمی به نسبت آب به پودر، این نسبت باید با توجه به هدف دستیابی به خود تراکمی تنظمم شود. برای این نوع بتن، در اکثر اوقات مقاومت مورد نیاز، تعیین کننده نسبت آب به پودر نیست. زیرا نسبت آب به پودر جهت دستیابی به مقاومت لازم برای اکثر سازه ها، به اندازه کافی کم است (مگر اینکه بیشتر مواد پودری استفاده شده، از نوع غیر واکنش زا باشند). در واقع در روش و همکارانشف آنها با ثابت نگهداشتن مقدار سنگدانه های درشت در حداکثر 50 درصد حجم مواد جامد و سنگدانه های ریز در حداکثر 40 درصد حجم ملات و با تنظیم نسبت آب به سیمان و با افزودن مقدار بیشتری فوق روان ساز، توانستند به خاصیت خود تراکمی بتن دست یابند.

تحلیل نسبت‌های طرح اختلاط، اصول عمومی به دست آوردن ترکیب لازم خواص مخلوط‌های SCC را به دست می دهد. دامون این تحلیل را بر روی اطلاعات 68 پروژه بتن های خود تراکم انجام داده و به نتایج زیر رسیده است:

محتوای سنگدانه‌های درشت باید به اندازه کافی پایین باشد بطوریکه سنگدانه های مجزا به وسیله یک لایه از خمیر ریز دانه/ ملات لیز شده، به این وسیله قابلیت جریان یافتن افزایش یافته و خطر پل شدن سنگدانه‌ها و مسدود شدن بتن در هنگام عبور از سطوح باریک یا تنگ کاهش یابد. به عبارت دیگر به این ترتیب قابلیت عبور بهبود می یابد.

قابلیت جریان یافتن ولزجت مناسب ملات با محدود کردن درصد سنگدانه های ریز و نسبت آب به پودر، اضافه شدن فوق روان کننده و در صورت تمایل استفاده از یک عامل بهبود دهنده لزجت (VMA) به دست آمده، از این طریق ترکیبی از دو خاصیت مطلوب قابلیت پر کردن و مقاومت به جداشدگی به دست می آید.

این موارد باعث به دست آمدن مخلوطی می‌ شود که در مقایسه با بتن معمولی، حاوی مشخصات زیر است:

-درصد کمتر درشت دانه
-درصد بیشتر خمیر
-درصد بالای پودر (مواد زیر 125 میکرون)
-نسبت های کم آب/ پودر
-مقادیر بالای فوق روان کننده
-وجود یک عامل بهبود دهنده لزجت (گاهی اوقات)

با توجه به موارد فوق، دامون  اجزای کلیدی شامل درصد حجمی درشت دانه‌ها، درصد حجمی خمیر، درصد وزنی پودر، نسبت وزنی آب/ پودر و حجم ریزدانه‌ها/ حجم ملات را برای تحلیل طرح اختلاط‌های مختلف انتخاب و بررسی آنها را انجام داده است.
در اکثر پروژه های بررسی شده روش تشخیص درشت دانه از ریزدانه، برحسب محل کار، اندازه 4 یا 5 میلیمتر بوده است. در برخی موارد نادر، اندازه های دیگری مانند 2 یا 8 میلیمتر به عنوان معیار به کار گرفته است، که دامون برای این موارد نیز برای یکدست بودن تحلیل‌ها، مقادیر تقسیم 4 میلیمتر را مبنای محاسبات قرار داده است.
به استثنای دو مورد، محتوای پودر در محدوده 625-425 کیلوگرم بر متر مکعب، با 80% در محدود (605-445) کیلوگرم بر متر مکعب بوده است. نسبت‌های آب/ پودر در محدوده 26/0 تا 48/0 بوده است که 80% آن در محدوده (42/0-28/0) قرار می گیرد. نسبت آب به پودر دارای اثرات قابل توجهی بر روی خواص بتن تازه و سخت شده است. اما در بتن  خود تراکم، بیشتر این خواص بتن تازه است که محدود کننده مقدار آن در طرح اختلاط می‌باشد. برخلاف آن، ترکیب پودر اثر مهمتری روی فرایند هیدراسیون (و در نتیجه گرمای ازاد شده، مقاومت و غیره) دارد و به همین دلیل برای کنترل این خواص به کار می‌رود. ترکیب ملات بر حسب درصد حجمی ریزدانه‌ها بین 38/0 تا 54/0 متغیر است، که 80 درصد از آن در محدوده 41 تا 52 درصد قرار می گیرد.
نان سو در 2001 یک روش جدید برای طرح اختلاط بتن خود تراکم پیشنهاد داد. در این روش، ابتدا مقدار سنگدانه مورد نیاز تعیین و سپس خمیر چسباننده داخل حفره های سنگدانه ها پر می‌شود تا از خواص جریان‌پذیری، توانایی خود تراکمی و سایر خواص SCC اطمینان حاصل شود. انگیزه وی ارائه روشی اصلاح شده و ساده تر نسبت به روش‌های قبلی، از جمله روش اوکامورا، بوده است.
نکته اساسی طرح اختلاط سو، این است که خمیر چسباننده به داخل قالبی ریخته شود که سنگدانه ها در آن به صورت غیر فشرده ریخته شده‌اند. سو ذکر می‌کند که طبق روش 29ASTM C انتظار می‌رود که فضای خالی میان سنگدانه ها بین 42 تا 48 درصد حجمی باشد (یعنی نسبت حجمی سنگدانه بین 52 تا 58 درصد مقاومت فشاری SCC به وسیله چسباندن سنگدانه ها به وسیله خمیر در حالت سخت شده تامین می‌شود، در حالیکه کارآیی SCC باید بوسیله خمیر چسباننده در حالت تازه بدست آید. سو برای بدست اوردن مناسب خاصیت خود تراکمی از راهنمای ارائه شده توسط انجمن مهندسان عمران ژاپن استفاده می‌کند، که ویژگی های آن در جدول آمده است.

 

جدول ویژگی های بتن خود تراکم، پیشنهاد شده توسط انجم مهندس عمران ژاپن

در روش سو ابتدا با استفاده از مفهوم درجه تراکم، مقادیر سنگدانه‌‌های ریز و درشت محاسبه می‌شود. انجمن معماران ژاپن سه گروه 15، 20 و 25 میلیمتر را برای حداکثر اندازه سنگدانه مشخص می کند، که اندازه 20 میلیمتر از همه رایج‌تر است. همچنین پیشنهاد شده است که مقدار سنگدانه‌های درشت حدود 50 درصد حجمی متراکم شده در حالت خشک (طبق روش 29ASTM C) باشد. مقدار هوای لازم بستگی به دما دارد. سپس مقدار سیمان باید محاسبه شود. برای تضمین جریان پذیری و مقاومت خوب به جداشدگی، مقدار پودرها نباید کم باشد. براساس راهنمای انجمن مهندسان عمران ژاپن، حداقل مقدار سیمان که برای بتن های معمولی و دوام بالا باید استفاده شود، به ترتیب 270 و 290 کیلوگرم بر متر مکعب است. مقدار زیادی مصالح پودری باید اضافه شود تا جریان پذیری و خود تراکمی افزایش یابد. چنانچه به این منظور فقط از سمیان استفاده شود، مقدار اضافی سیمان باعث افزایش هزینه‌ها و جمع شدگی ناشی از خشک شدن خواهد شد. بعلاوه افت اسلامپ افزایش یافته و مقاومت فشاری نیز بیشتر از مقدار لازم طرح خواهد شد. بنابراین در یک طرح اختلاط مناسب برای بتن خود تراکم، باید مقدار  مناسب سیمان و نسبت آب به سیمان را برای رسیدن به مقاومت لازم تنظیم و در کنار آن برای رسیدن به خود تراکمی و مقاومت در برابر جداشدگی از مواد پودری دیگر (غیر از سیمان) استفاده کرد. مقادیر فوق روان کننده و آب در مرحله بعدی تعیین و مخلوط‌های تجربی برای رسیدن به خواص مورد نظر خود تراکمی و مقاومت ساخته می شود.

ونگالا[1] با آزمایش های مختلف، روش ساده‌ای را برای طرح اختلاط بتن خود تراکم ارائه کرده است. در این روش، ابتدا یک اختلاط معمولی با استفاده از طرح اختلاط ACI (یا هر روش پذیرفته شده دیگر) با اسلامپ 100 میلیمتری بدون استفاده از فوق روان کننده تهیه می‌شود. سپس با افزودن  فوق روان کننده به طرح اختلاط فوق، یک اسلامپ 160 تا 180 میلیمتر به دست می آید. در صورت مشاهده هرگونه جداشدگی یا آب انداختگی ظاهری، قسمتی از سنگدانه های درشت به وسیله سنگدانه ریز جایگزین شود. درصد جایگزینی اندک و حدود 5% در نظر گرفته می شود. برای رسیدن به بتن  خود تراکم، سنگدانه درشت با یک پودر ریز جایگزین می‌شود. برای این کار از افرایش های 5 درصدی استفاده شود تا یک جریان اسلامپ 500 تا 700 میلیمتر به دست آید. برای ارزیابی قابلیت عبور باید از آزمون‌های قیف V و جعبه L استفاده شود. آزمون‌ها و شاخص‌های مورد نیاز برای این ارزیابی بحث شده است. در صورت نیاز، افزودنی VMA نیز به مخلوط افزوده شود.

روش های اختلاط دیگری نیز توسط پژوهشگران بررسی و ارائه شده است. برخی از این طرح‌ها برای بررسی امکان استفاده از مصالح ارزان محلی ارائه شده و برخی دیگر نیز مانند طرح اوزبای[2] حاوی مطالعات عمیق‌تر با بررسی چندین معیار مختلف است.