بتن سبک سازه‌ای

بتن سبک سازه‌ای؛ حرکت به سوی کاهش وزن سازه‌ها

گنبد معبد پانتئون؛ ساخته‌شده با بتن سبک با دهانه 43 متر


بتن سبک سازه‌ای[1]؛ حرکت به سوی کاهش وزن سازه‌ها

بتن سبک سازه‌ای ؛ حرکت به سوی کاهش وزن سازه‌ها

                                                                        تصویر 1 – عبور کشتی بتنی از زیر پل خلیج سان‌فرانسیسکو-اوکلند. از بتن سبک به شکل گسترده، هم در ساخت کشتی و هم در ساخت پل درون تصویر استفاده شده است.

  • تعریف بتن سبک

بتن سبک (LWC)، دسته جامعی از بتن‌ها را شامل می‌شود که می‌توانند کاربرد سازه‌ای یا غیرسازه‌ای داشته باشند. بتن معمول سازه‌ای، وزن مخصوصی در حدود 2300 کیلوگرم بر مترمکعب دارد؛ این در حالی است که وزن مخصوص بتن سبک، بسته به نوع عملکرد آن، می‌تواند در محدوده 300 الی 2000 کیلوگرم بر مترمکعب قرار گیرد.بتن سبک سازه‌ای؛ حرکت به سوی کاهش وزن سازه‌ها

 

جدول 1 مقایسه اجمالی مشخصات میانگین بتن سبک سازه‌ای و بتن سازه‌ای با وزن معمول

مشخصه بتن سبک سازه‌ای بتن سازه‌ای با وزن معمول
چگالی طراحی (کیلوگرم بر مترمکعب) 1850 2400
مقاومت فشاری (مگاپاسکال) 50 – 20 70 – 20
مقاومت کششی (مگاپاسکال) 5/2 0/3
مدول کشسانی (گیگاپاسکال) 28 – 17 40 – 20
نسب پوآسون 2/0 2/0
جمع‌شدگی در 1 سال (میکرواسترین[2]) 600 550
خزش ویژه (میکرواسترین بر مگاپاسکال) 150 – 70 120 – 70
گرمای ویژه

(ژول بر کیلوگرم بر درجه کلوین)

960 920
هدایت حرارتی (وات بر متر بر درجه کلوین) 86/0 – 58/0 9/2 – 4/1
انتشار حرارتی (مترمربع بر ساعت) 0015/0 0079/0 – 0025/0
انبساط حرارتی

(میکرواسترین بر درجه سانتی‌گراد)

9 11

 

دسته‌بندی این نوع بتن‌ها می‌تواند به چند روش انجام شود. یک دسته‌بندی، بر مبنای عملکرد و کاربرد بتن بوده که شامل بتن سبک سازه‌ای[3] (ASTM C330) و غیرسازه‌ای (بتن سبک سازه‌های بنایی (ASTM C331) و بتن‌های عایق[4] (ASTM C332)) است. دسته‌بندی مذکور با لحاظ مقاومت فشاری حداقل، انجام می‌شود. مقاومت فشاری حداقل آزمونه استوانه‌ای بتن سبک سازه‌ای در سن 28 روز، نباید کمتر از 17 مگاپاسکال (7/166 کیلوگرم بر سانتی‌متر‌مربع) باشد.

دسته‌بندی دیگر بر مبنای روش تولید این نوع بتن‌هاست. در این حالت، سه نوع بتن سبک تعریف می‌شود:

  1. بتن سبک ساخته شده از سنگدانه‌های سبک متخلخل با وزن مخصوص ظاهری کمتر نسبت به سنگدانه‌های معمول بتن (شن و ماسه). از جمله این دانه‌ها می‌توان به دانه‌های رس منبسط شده (تحت نام‌های تجاری لیکا[5]، آژلیت[6]، هایدیت[7]، راکلایت[8] و گرولایت[9])، اسکوریا[10]، استالیت[11]، لیاپور[12]، پومیس[13]، سرباره پفکی[14] و لیتاگ[15] اشاره نمود.
  2. بتن هوادهی‌شده[16] که وزن مخصوص، هدایت حرارتی[17] و مقاومت فشاری و خمشی پایینی دارند. این بتن‌ها با استفاده از اضافه‌کردن فوم پایدارشده[18] یا استفاده از عامل هواساز[19] تولید می‌شوند. در تولید قطعات پیش‌ساخته بتنی سبک با استفاده از این روش، از پودر آلومینیوم بهره گرفته می‌شود تا با ترکیب با اجزای قلیایی مخلوط، حباب هیدروژن تشکیل داده و موجب افزایش حجم گردد. نوع سازه‌ای این بتن‌ها، تحت فشار بالای بخار قرار می‌گیرند. بتن هوادهی‌شده اتوکلاو[20] که برای اولین بار در سال 1929 در سوئد مورد استفاده قرار گرفت، نمونهی از ایس‌ای از بتن سبک پرمقاومت در صنایع قطعات پیش‌ساخته است.
  3. بتن بدون ریزدانه[21]، نوعی بتن سبک است که شامل سیمان و سنگدانه درشت (بزرگتر از 9 میلی‌متر) بوده و فاقد ریزدانه است. این محصول، دارای خلل و فرجی بوده که به صورت یکنواخت در توده بتن پخش شده‌اند. این بتن برای اولین بار در سال 1923 در انگلستان معرفی و 50 خانه در ادینبرو و سپس 800 خانه در لیورپول، منچستر و لندن با آن ساخته شد.
سنگدانه

تصویر 2 – سنگدانه استالیت

 

سنگدانه لیاپور

تصویر 3 – سنگدانه لیاپور

پس از معرفی دسته‌بندی‌های رایج در خصوص بتن سبک، به مرور بخشی از تاریخچه آن پرداخته‌شده است.

  • تاریخچه بتن سبک

سنگدانه‌های سبک بسیاری به صورت طبیعی در کره زمین وجود دارند که از آن جمله، می‌توان به پومیس، اسکوریا و توف[22] اشاره کرد. سنگدانه‌های سبک طبیعی در برخی از قدیمی‌ترین سازه‌های ساخته‌شده توسط رومیان به‌کاررفته‌اند. به طور مثال، معبد پانتئون[23] با استفاده از همین سنگدانه‌های سبک، 125 سال پس از میلاد مسیح ساخته شده و تا به امروز (که نزدیک به 1900 سال از ساخت آن می‌گذرد)، هم‌چنان پابرجاست. گنبد این معبد، دهانه‌ای به طول 43 متر داشته و از بتن سبک ساخته‌شده است. دوام و مقاومتی که چنین سازه‌های باستانی، در مقایسه با سازه‌های مدرن و امروزی، نشان می‌دهند، در خور توجه و تعمق بسیار می‌باشد.

بتن سبک سازه‌ای ؛ حرکت به سوی کاهش وزن سازه‌ها

تصویر 4 – گنبد معبد پانتئون؛ ساخته‌شده با بتن سبک با دهانه 43 متر

تولید سنگدانه‌های سبک و طراحی و ساخت سازه‌های بتنی سبک‌وزن در اوایل قرن 20 میلادی در ایالات متحده آمریکا آغاز شد. از استفن هیدی[24] به عنوان پدیدآورنده روش ساخت سنگدانه‌های سبک مصنوعی یاد می‌شود.

از جمله سازه‌های مدرنی که با استفاده از بتن سبک ساخته شده است، کشتی‌هایی هستند که حوالی سال 1920 میلادی ساخته و در جنگ‌های جهانی اول و دوم استفاده شده‌اند. استفاده از بتن سبک، مزیت‌های زیادی نظیر اقتصادی‌کردن توانایی حمل بار را برای کشتی‌ها ایجاد کرد؛ به طوری که کاهش 16 کیلوگرمی در وزن بتن در هرمترمکعب، منجر به افزایش توان باربری کشتی‌ها به میزان 32 تن شد! بدنه برخی از این کشتی‌ها نیز امروزه به عنوان موج‌شکن خدمت‌رسانی می‌کنند. این بقایای بتن سبک، زمینه بسیار مناسبی جهت ارزیابی بلندمدت کارایی و دوام بتن سبک ایجاد کرده‌اند. این عملکرد و کارایی ثابت شده، موجب استفاده وسیع از بتن سبک در ساخت سازه‌های دریایی در سالهای 1980 الی 1990 میلادی شده است.

اولین نمونه استفاده از بتن سبک در ساخت سازه‌ها در ایالات متحده، مربوط به گسترش عمودی ساختمان دفتر شرکت Southwestern Bell در شهر کانزاس[25] ایالت میسوری[26] بوده است. در سال 1928، استفاده از این بتن، به طراحان سازه اجازه داد تا به جای 8 طبقه، بتوانند 14 طبقه به سازه موجود اضافه کنند. از جمله نمونه‌های دیگر استفاده از بتن سبک، می‌توان به هتل Statler Hilton در شهر دالاس[27] ایالت تگزاس[28]، ساختمان 42 طبقه Prudential Life در شهر شیکاگو[29] ایالت ایلینویز[30] و ساختمان 50 طبقه One Shell Plaza در شهر هیوستون[31] ایالت تگزاس  به ارتفاع 7/217 متر اشاره نمود. در ساختمان One Shell Plaza، اجزای سقف و فونداسیون گسترده آن با استفاده از بتنی با وزن مخصوص 1840 کیلوگرم بر سانتی‌مترمکعب و مقاومت فشاری 28 روزه 42 مگاپاسکال ساخته شده است.

در حال حاضر، بتن سبک در تمامی نقاط آمریکا در سازه‌های فولادی (بتن سبک روی عرشه‌ فولادی[32] در معرض آتش)، سازه‌های بتنی و سقف پارکینگ‌ها استفاده می‌شود. بتن سبک روی عرشه فولادی در تمامی دال‌های سقف ساختمان 55 طبقه و 312 متری Bank of America Plaza در شهر آتلانتا[33] ایالت جورجیا[34] استفاده شده است. این سازه، بلندترین ساختمان شمال آمریکا، بیرون از شهرهای شیکاگو و نیویورک، می‌باشد.

برج One Shell Plaza در هیوستون؛

تصویر 5 – برج One Shell Plaza در هیوستون؛ ساخته‌شده از بتنی با وزن 1840 کیلوگرم بر مترمکعب و مقاومت 42 مگاپاسکال

ساختمان‌های دارای قاب بتنی، شامل سیستم‌های سقف پس‌کشیده[35] با استفاده از بتن سبک، در کنار عناصر پیش‌ساخته[36] و پیش‌تنیده[37] می‌باشند. سازه‌های پارکینگ معمولا با قطعات بتنی سبک پیش‌ساخته به شکل Double-Tee بنا می‌شود. ساختمان برج Wachovia در شهر شارلوت[38] کارولینای شمالی[39] با استفاده از این روش ساخته شده است.

صدها پل در تمامی شرایط آب و هوایی، با استفاده از بتن سبک ساخته شده است. بیشتر آن‌ها در نیمه شمالی آمریکا قرار گرفته‌اند. از بتن سبک، هم برای عرشه پل‌ها و هم برای سایر قسمت‌های سازه آن استفاده می‌شود. از جمله استفاده‌های قابل توجه از بتن سبک در پل‌ها، می‌توان به عرشه بالایی پل معلق سن‌فرانسیسکو[40]-اوکلند[41]، پل‌های خلیج Chesapeake درسال‌های 1952 و 1975 و پل جدید Benecia-Martinez در سال 2007 اشاره نمود. شاه‌تیرهای قوطی‌شکل بتنی پیش‌ساخته برای پل جدید سن‌فرانسیسکو-اوکلند، از بتن سبکی با مقاومت 50 مگاپاسکال برای پانل‌های شیب‌دار (که نقش تکیه‌گاه لبه دال‌های طره[42] را دارند) استفاده شده است.

یکی از جالب‌ترین پل‌هایی که در آن از بتن سبک استفاده شده است، پل Stolma در نروژ است. به کمک بتنی با وزن مخصوص 1600 کیلوگرم بر مترمکعب و مقاومت فشاری مکعبی 28 روزه 4/70 مگاپاسکال، مهندسان توانستند دهانه آزادی به طول 301 متر را طراحی و اجرا نمایند که رکوردار بلندترین سازه بتنی با دهانه کنسولی آزاد می‌باشد.

پل Stolma در نروژ

تصویر 6 – پل Stolma در نروژ

بتن سبک با مقاومت فشاری طراحی معادل 70 مگاپاسکال و وزن مخصوص بیشینه 1920 کیلوگرم بر مترمکعب، جهت نمایش یک پروژه پل در Coweta County ایالت جورجیا مورد استفاده قرار گرفت. این پروژه در ادامه طرح تحقیقاتی انستیتو تکنولوژی جورجیا[43] انجام شد که نشان دهنده امکان‌ استفاده از بتن سبک جهت افزایش طول دهانه شاه‌تیرهای پیش‌تنیده پل به میزان 46 متر بود، بدون آن که از حد مجاز بارگذاری تجاوز کند.

  • خصوصیات سنگ‌دانه‌های سبک

مشخصات سنگ‌دانه‌های سبک در استاندارد ASTM C330 (مشخصات استاندارد سنگ‌دانه‌های سبک جهت ساخت بتن سازه‌ای[44]) مطرح و بررسی شده است که شامل دانه‌های منبسط‌شده رس در کوره‌های دوار[45]، خاکستر ذغال‌سنگ گلوله‌شده[46]  و مصالح طبیعی نظیر پومیس، اسکوریا، توف و … می‌باشد. فرآیند تولید دانه‌های منبسط‌شده بر پایه خاک رس، به این صورت است که به آن‌ها در کوره‌های دوار، حرارت‌ داده می‌شود تا حجمشان تقریبا دوبرابر شود. این افزایش حجم، ناشی از تشکیل گاز درون توده مصالح می‌باشد. با خنک شدن این توده، حباب‌های گاز تشکیل شده مجموعه‌ای از حفرات تقریبا یکدست را به وجود می‌آورند که بین 5 تا 300 میکرومتر اندازه دارند. چگالی نسبی توده نیز پس از خنک شدن، از حدود 2/65 به کمتر از 1/55 می‌رسد. هم‌چنین پروسه گرمادهی، موجب تبدیل مواد خام رسی به مصالح سرامیکی شیشه‌گونه می‌شود.

  • مشخصات مهندسی

مشخصات دانه‌های سبک در بخش‌های مختلف از جمله وزن مخصوص، مقاومت فشاری، مقاومت برشی و کششی، مدول الاستیسیته[47]، نسبت پوآسون[48]، ظرفیت بیشینه کرنشی[49]، نفوذپذیری[50]، مقاومت در برابر ذوب-آب‌شدن[51]، کربناسیون[52]، مقاومت در برابر سایش[53]، جمع‌شدگی[54]، خزش[55]، مقاومت اتصال[56] و طول توسعه آن، انبساط حرارتی[57]، گرمای ویژه[58]، انتشار حرارتی[59]، هدایت حرارتی[60]، مقاومت در برابر آتش[61]، جذب آب[62]، شکل‌پذیری[63] و خستگی[64] بررسی می‌شود.

بتن سبک

تصویر 7 – بررسی عمل‌آوری داخلی در ناحیه تماس سنگدانه و خمیرسیمان؛ در حالت وجود سنگ‌دانه سبک (LWA) و سنگدانه با وزن معمول (NWA)

  • وزن مخصوص

بارزترین ویژگی بتن سبک، وزن مخصوص کمتر آن است. این موضوع، نتیجه مستقیم طبیعت متخلخل سنگ‌دانه‌هاست. اغلب بتن‌های سبک دارای وزن مخصوصی در محدوده 1600 الی 1840 کیلوگرم بر مترمکعب می‌باشند. در مقام مقایسه، این محدوده برای بتن‌های معمول سازه‌ای بین 2080 الی 2480 کیلوگرم بر مترمکعب است. وزن مخصوص انبوهی[65] دانه‌های سبک معمولا بین 560 الی 1120 کیلوگرم بر مترمکعب بوده و این عدد برای سنگدانه‌های با وزن معمول، بین 1200 الی 1750 کیلوگرم بر مترمکعب است.

برای ساخت سبک‌ترین بتن سازه‌ای، از دانه‌های سبک، هم برای جایگزینی سنگ‌دانه‌های درشت و هم سنگدانه‌های ریز استفاده می‌شود؛ هرچند، اغلب بتن‎‌های سبک با ماسه معمولی و سنگدانه درشت سبک ساخته می‌شود که به عنوان بتن سبک ماسه‌ای[66] شناخته می‌شود. تعیین وزن مخصوص بتن سبک سازه‌ای با استفاده از استاندارد ASTM C567 (روش آزمون استاندارد جهت تعیین وزن مخصوص بتن سبک سازه‌ای[67]) انجام می‌شود. در این استاندارد، نحوه اندازه‌گیری و محاسبه چگالی خشک[68] بتن سبک سازه‌ای آورده شده است. مفهوم دیگری نیز تحت عنوان چگالی تعادلی[69] وجود دارد. این چگالی از روی چگالی خشک‌شده محاسبه می‌شود و به این معنی است که آزمونه بتنی، تحت شرایط رطوبتی و دمای مشخص، به یک وزن ثابت برسد. بر اساس تحقیقات جامعی که انجام شده است، چگالی تعادلی تقریبا 50 کیلوگرم بر مترمکعب از چگالی خشک‌شده در گرم‌خانه[70] بیشتر است. به طور عمومی پذیرفته شده است که برای اغلب بتن‌های سبک سازه‌ای، چگالی تعادلی در سن 90 روز حاصل می‌شود و برای بتن‌های سبک پرمقاومت، این دوره 180 روز است. ضمنا چگالی بتن سبک در وضعیت تازه، به طرز مشهودی بیشتر از چگالی تعادلی و چگالی خشک‌شده بتن سخت‌شده می‌باشد.

  • مقاومت فشاری

بتن‌های سبک با مقاومت فشاری 28 روزه 20 الی 35 مگاپاسکال به صورت گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما بتن‌های سبک با مقاومت‌های بالاتر (تا 70 مگاپاسکال) نیز می‌توانند در صورت لزوم، تولید و اجرا شوند.

عامل محدودکننده مقاومت بتن‌های سبک، مقاومت دانه‌های سبک است. این عامل، که به عنوان ظرفیت مقاومتی یا سقف مقاومتی[71] از آن یاد می‌شود، هنگامی وارد قضیه می‌شود که با افزایش مقدار مواد سیمانی یا کاهش نسبت آب به مجموع مواد سیمانی، تغییری در میزان مقاومت فشاری حاصل نشود. هرچند، این محدودیت می‌تواند با استفاده از دانه‌های سبک با اندازه‌ کوچک‌تر، کم‌تر شود. معمولا بتن با وزن عادی، از مسیر خمیر سیمان اطراف سنگ‌دانه‌ها (ناحیه انتقالی بین خمیرسیمان و سنگ‌دانه[72]) دچار شکست می‌شود. این درحالی است که بتن سبک تمایل دارد تا از طریق مسیر دانه‌های سبک بشکند؛ زیرا سختی[73] سنگ‌دانه و خمیرسیمان تقریبا یکسان است.

  • مقاومت در برابر آتش

مقاومت بتن‌های سبک در برابر آتش به طور کلی از بتن‌های معمولی (در ضخامت یکسان) بیشتر است. دلیل این موضوع، در کاهش هدایت و انبساط حرارتی دانه‌های سبک در مقایسه با دانه‌های با وزن معمول می‌باشد. هم‌چنین، حرارت بالایی که در تولید یا ایجاد دانه‌های سبک صنعتی یا طبیعی به آن‌ها وارد می‌شود، پایداری ذاتی دانه‌ها را در هنگام قرارگیری در معرض دمای بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد، تامین می‌کند.

  • دوام

به طور عام، دوام دانه‌های سبک در حد دانه‌های با وزن معمول و یا بهتر از آن است. ارزیابی اولین کشتی‌های ساخته‌شده از بتن سبک، دیدی عالی در خصوص دوام بلندمدت بتن‌های سبک و کارایی آن‌ها در محیط‌های دریایی با شرایط شدید خورندگی و تخریب می‌دهد. شرایط محیطی و آب‌وهوایی که این کشتی‌ها در معرض آن‌ها قرار گرفته‌اند، عمدتا شدیدتر از وضعیتی است که برای اغلب ساختمان‌ها و پل‌ها رخ می‌دهد. خرابی‌های رخ‌داده در این کشتی‌ها، در وهله اول مربوط به پوسته‌پوسته‌شدن‌های ناشی از خوردگی[74] است که از عدم تامین پوشش بتنی مناسب روی آرماتورهای فلزی ناشی شده است و در وهله دوم، مربوط به ترک‌های سازه‌ای می‌باشد.

مطالعات دیگری نیز در Treat Island ایالت Maine در شمال آمریکا، روی تاسیسات دریایی جوخه مهندسین ارتش ایالات متحده آمریکا انجام شده است. نمونه‌های گرفته‌شده از این تاسیسات، در معرض بیش از 100 چرخه سالانه ذوب-یخ‌زدن قرار گرفته بودند. تحلیل نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که عملکرد و کارایی بتن سبک استفاده شده، در سن و شرایط مشابه، با بتن با وزن معمول تفاوتی ندارد.

  • ناحیه انتقالی بین خمیرسیمان و سنگدانه (ITZ)

بتن سبک از دو جز اصلی به‌وجود آمده است؛ یک بخش ملات و خمیر سیمان و یک بخش سنگ‌دانه. ناحیه ارتباط و مرز مشترک میان این دو جز، یک عامل بسیار مهم در بررسی دوام بلندمدت بتن می‌باشد. محققین، یافته‌اند که این ناحیه در بتن‌های سبک، متراکم‌تر بوده و دانه‌های سبک متخلخل، تمایل بیشتری به چسبندگی به خمیرسیمان دارند و به نوعی، سنگ‌دانه متخلخل به خمیرسیمان چنگ زده و اتصال قوی‌تری را ایجاد می‌کند.

  • طرح مخلوط بتن‌های سبک

در استاندارد ACI 211.2 (استاندارد عملی انتخاب اجزا برای بتن سبک سازه‌ای[75])، دو روش مجزا جهت تعیین طرح مخلوط بتن‌های سبک بیان شده است:

  1. روش حجم مطلق[76]

تعیین اجزا با استفاده از این روش، بر مبنای نسبت تخمینی آب به مجموع مواد سیمانی انجام می‌شود؛ زیرا مجموع اوزان هر جز اختلاط در واحد حجم، معادل وزن مجموع هریک از اجزاست. تعیین ضریب چگالی نسبی[77]، ارتباط بین وزن و حجم را ایجاد می‌کند. فرآیند تعیین ضرایب چگالی نسبی و جذب آب سنگ‌دانه درشت سازه‌ای در ACI 211.2 شرح داده شده است. مشخص‌کردن درصد رطوبت جذب‌شده سنگ‌دانه درشت به صورت دقیق، جهت انجام این محاسبات ضروری است (طبق استاندارد ASTM C127).

اقداماتی که در روش حجم مطلق جهت تعیین نسبت اجزا انجام می‌شود، عبارتند از :

  1. انتخاب اسلامپ مناسب
  2. انتخاب بزرگترین اندازه اسمی سنگ‌دانه سبک
  3. تخمین میزان آب اختلاط و نسبت آب به مجموع مواد سیمانی
  4. تعیین درصد هوا
  5. تعیین مقدار سیمان و مواد سیمانی
  6. تعیین میزان سنگ‌دانه سبک درشت
  7. تعیین میزان سنگ‌دانه سبک ریز

اصلاحاتی که در اولین طرح آزمایشی انجام می‌شود، بر مبنای مشاهدات و نیازهای لازم صورت می‌گیرد. نسبت آب به مجموع مواد سیمانی، به روش مشابه با طرح مخلوط بتن‌های با وزن مخصوص معمول انجام می‌شود.

  1. روش حجمی

روش حجمی، مبتنی بر اجزای طرح آزمایشی است که بر پایه محاسبه احجام مرطوب متراکم‌نشده[78] و تبدیل آن به اوزان طرح انجام می‌شود. این روش، میزان اوزان اجزا (نظیر سیمان) را بر مبنای مقاومت فشاری مدنظر، تخمین می‌زند. این روش، نیازمند تخمین اولیه تا حد امکان، دقیق از میزان سیمان و سنگ‌دانه لازم جهت حصول مقاومت فشاری و چگالی تعادلی مدنظر می‌باشد.

اقداماتی که در روش حجمی جهت تعیین اجزای اختلاط انجام می‌شود، عبارتند از:

  1. تخمین اوزان هریک از اجزا برای یک مترمکعب بر مبنای اوزان خشک‌شده در گرم‌خانه
  2. تعیین اوزان سنگ‌دانه‌ها در حالت مرطوب با سطح خشک (SSD[79])
  3. تبدیل نسبت‎‌های خشک به نسبت‌های SSD جهت استفاده در ساخت

نسبت‌های ساخت نهایی، بر مبنای میزان رطوبت واقعی مصالح در هنگام ساخت به‌دست می‌آید.

  • میزان مصالح سیمانی

طبیعت متخلخل سنگ‌دانه‌های سبک در کنار نرخ بالای جذب آب آن‌ها، به معنای آن است که بتن‌های سبک، معمولا نیاز به مقدار بیشتری مصالح سیمانی دارند. در بحث بتن‌های سبک پرمقاومت، میزان مصالح سیمانی اضافه‌شده اندکی بیش‌تر از مقداری است که در بتن‌های با وزن معمول استفاده می‌شود.

  • نسبت آب به مجموع مواد سیمانی

مقدار بیشینه نسبت آب به مواد سیمانی، به طور مشخص برای بتن‌های سبک، محدود نشده است؛ مگر آن که بتن سبک، برای پل یا سازه‌های دریایی استفاده شود.

این نسبت برای بتن‌های سبک، محاسبه و در روش طرح اختلاط بر مبنای روش حجمی مطلق استفاده می‌شود. هنگامی که سنگ‌دانه‌های سبک در معرض شرایطی قرار گیرند که رطوبت جذب‌شده‌شان، بیش‌تر از مقداری باشد که پس از یک روز غرقاب شدن حاصل می‌شود، نرخ جذب آن‌ها پس از آن مدت، بسیار پایین بوده و نسبت آب به مجموع مواد سیمانی، با دقت تعیین می‌شود. بنابراین، این نسبت را می‌توان در بتن سبک، با همان دقتی بدست آورد که در بتن با وزن معمول حاصل می‌شود. آب جذب‌شده درون سنگ‌دانه‌های بتن سبک به هنگام اختلاط، در محاسبات نسبت آب به مواد سیمانی در هنگام گیرش وارد نمی‌شود. هرچند، این میزان آب جهت عمل‌آوری داخلی[80] مورد استفاده قرار می‌گیرد که فرآیند هیدراسیون سیمان[81] را پس از اتمام عمل‌آوری خارجی[82]، ادامه خواهد داد.

  • حباب هوا

در ساخت بتن‌های سبکی که در معرض شرایط ذوب و یخ‌زدن قرار می‌گیرند، 4 الی 8 درصد هوای اضافی به بتن دارای سنگ‌دانه با اندازه بیشینه اسمی 19 میلی‌متر وارد می‌شود. این میزان برای حداکثر اندازه اسمی 5/9 میلی‌متر سنگ‌دانه، 5 الی 9 درصد است. ایجاد یک سیستم حفرات هوای منظم درون بتن، جهت عملکرد مناسب بتن سبک ضروری است.

ارزیابی میزان هوای بتن سبک، باید بر اساس استاندارد ASTM C173 (روش آزمون استاندارد جهت تعیین میزان هوای بتن تازه‌مخلوط‌شده با روش حجمی[83]) صورت گیرد. روش حجمی تنها روش مورد تایید برای ارزیابی هوای بتن سبک است. درک این نکته مهم است که این روش آزمون، میزان کل درصد هوای بتن تازه (شامل هوای عمدی وارد‌شده و هوای محبوس ناشی از فرآِیند مکانیکی اختلاط) را نشان می‌دهد.

در یک ترکیب بتن سبک دارای حباب هوای اضافه شده، خمیر ملات شامل تعداد زیادی حباب هواست که در شرایط ذوب-یخ‌زدن، از بتن محافظت می‌کند. به طور مشابه، سنگ‌دانه‌های سبک نیز شامل حفرات زیادی هستند که این شباهت، باعث می‌شود سنگ‌دانه‌های سبک از نظر کشسانی[84]، با خمیر سیمان سازگار باشند. کاهش مقاومت فشاری که معمولا شامل افزایش درصد هواست، به خاطر همین سازگاری الاستیک، در بتن سبک خیلی مشهود نمی‌باشد.

  • تمهیدات طراحی و ساخت بتن سبک

ذات متخلخل سنگ‌دانه‌های سبک، نیاز به توجه به موارد مهمی دارد. این سنگ‌دانه‌ها قادر به جذب و نگه‌داری مقدار زیادی آب، در مقایسه با سنگ‌دانه‌های معمول هستند. میزان جذب آب 24 ساعته سنگ‌دانه‌های سبک، از 5 تا بیش از 20 درصد وزن سنگ‌دانه خشک، می‌تواند متغیر باشد.

اگر سنگ‌دانه سبک به طور کامل پیش‌خیسانده[85] نشود، آب اختلاط در حین فرآیند ترکیب می‌تواند جذب سنگدانه‌ها شود یا به دلیل فشار پمپ، به داخل منافذ سنگدانه نفوذ کند.

  • پیش‌خیساندن سنگ‌دانه‌های سبک

پیش‌خیساندن، یک اقدام پیشگیرانه ساده اما ثابت‌شده و موثر در برابر جذب آب سنگ‌دانه‌های سبکی است که هنوز به تمام ظرفیت جذب خود نرسیده‌اند. پیش‌خیساندن به منظور اشباع‌سازی کامل سنگ‌دانه انجام نمی‌شود؛ بلکه به این منظور انجام می‌شود که به سنگ‌دانه این فرصت داده شود تا میزان زیادی از ظرفیت جذب آب خود را خرج کند. سنگ‌دانه‌های سبکی که 24 ساعت در آب غرقاب شده‌اند، معمولا به صورت کامل اشباع نمی‌شوند؛ حتی اگر نرخ جذب آب آن‌ها، آن‌قدر کم باشد که در توزین، نشانی از تغییر وزن ندهد.

سنگ‌دانه‌های سبک تمایل دارند تا با ته‌نشینی مصالح سنگین‌تر، به سمت سطح بالایی دال و سطوح وسیع بتنی حرکت کنند. این موضوع با پیش‌خیساندن سنگ‌دانه‌های سبک و پایش دقیق اصلاحات طرح مخلوط قابل پیشگیری است.

از فرآیند اشباع‌سازی به کمک خلا[86]، جهت خیساندن سنگ‌دانه‌هایی که آب را تحت شرایط مرطوب محیطی، سریع جذب نمی‌کنند، استفاده می‌شود تا دانه در زمانی معقول و به صورت مناسب، خیس شود. با این روش، بعضی سنگ‌دانه‌هایی که هفته‌ها و حتی ماه‌ها لازم دارند تا در شرایط جوی عادی، به یک درصد رطوبت مشخص برسند، بسیار سریع‌تر در دسترس قرار خواهند گرفت.

این فرآیند شامل ورود سبک‌دانه‌ها به درون یک مخزن فلزی و استفاده از یک پمپ خلا جهت خروج هوای مخزن می‌باشد. وقتی خلازایی کامل شد، آب به درون مخزن وارد می‌شود. وقتی آب‌گرفتگی تحت خلا صورت گرفت، پمپ خلا قطع شده و مصالح از داخل مخزن تخلیه می‌شود.

  • ملاحظات پمپ‌کردن

پمپ‌کردن بتن سبک می‌تواند منجر به نفوذ تحت فشار آب به درون منافذ دانه‌ها شود. این امر می‌تواند با پیش‌خیساندن سنگ‌دانه‌های سبک کاهش یابد. در توصیه‌های اجرایی جهت پمپ‌کردن بتن سبک، پیشنهاد می‌شود تا پیش از افزودن افزودنی‌های روان‌ساز[87]، حداقل اسلامپ 75 میلی‌متر بدست آید. پیشنهادات دیگر، شامل استفاده از لوله‌های با قطر بیشتر (125 میلی‌متر)، استفاده از لوله‌های تمیز، بدون خرابی و روان‌کاری‌شده، انتقال آرام بین نواحی منعطف و ثابت پمپ و کاهش فشار پمپ در کنار استفاده از یک سیستم هیدرولیک کارآمد می‌باشد.

طراحان باید به تعیین چگالی تعادلی و ملاحظات بتن‌ریزی با استفاده از پمپ، توجه ویژه‌ای داشته باشند.

پمپ‌کردن بتن سبک حاوی سنگ‌دانه سبک

تصویر 8 – پمپ‌کردن بتن سبک حاوی سنگ‌دانه سبک استالیت

  • عمل‌آوری داخلی

بتن سبک حاوی سنگ‌دانه‌های تماما مرطوب‌شده، یک منبع جهت عمل‌آوری داخلی در بتن ایجاد می‌کند. عمل‌آوری داخلی به فرآیندی اشاره می‌کند که هیدراسیون سیمان و واکنش‌های پوزولانی[88]، می‌توانند به دلیل وجود آب داخلی اضافه بر آب اختلاط، ادامه یابند. این فرآِیند به بتن اجازه می‌دهد تا کسب مقاومت اضافی داشته و نفوذپذیری آن نیز به دلیل گسترش زمان عمل‌آوری، کاهش یابد. عمل‌آوری داخلی هم‌چنین به کاهش ترک‌خوردگی در سنین اولیه بتن‌های حاوی میزان مواد سیمانی بالا، کمک می‌کند. جمع‌شدگی اولیه بتن ناشی از خشک‌شدن سریع نیز با استفاده از این روش، کاهش می‌یابد.

علاوه بر آن، از آن جایی که دانه‌های سبک، حاوی مقادیر بیش‌تری آب در هنگام پیش‌خیساندن هستند، زمان عمل‌آوری داخلی آن‌ها طولانی‌تر شده و تفاوت بیشتری بین چگالی بتن تازه و چگالی تعادلی آن‌ها دیده می‌شود. در اغلب موارد، آب اضافی از بتن خارج می‌شود. هنگامی که از بتن سبک به عنوان زیرسازی یک سیستم کف‌سازی حساس به رطوبت بهره برده می‌شود، باید زمانی خشک‌شدن بتن نیز مدنظر قرار گیرد تا آسیبی به کف وارد نکند.

  • ارتباط بین بخش‌های طراحی و اجرا

ساخت یک سازه بتنی، نیازمند ارتباط مستمر تمامی بخش‌ها می‌باشد. جلسات پیش‌از‌ساخت، با حضور تمامی افراد دخیل در پروژه برگزار شده و تمامی نگرانی‌ها و موارد خاص بررسی می‌شود. مشخصات بتن سبک مورد استفاده، باید در انتخاب بهترین روش ساخت مدنظر قرار گیرد. مشخصات سنگ‌دانه سبک احتمالی باید در فرآیند طراحی سازه و انتخاب طرح مخلوط لحاظ گردد. مشارکت تولیدکنندگان دانه سبک، تولیدکنندگان بتن، پیمانکاران و مجریان در فرآیند طراحی، این امکان را فراهم می‌سازد تا دغدغه‌هایی که در خصوص ناسازگاری مصالح، برنامه‌ریزی ساخت و روش‌های ساخت وجود دارد، بررسی و برطرف گردد.

  • دستورالعمل‌ها

اولین اشاره فنی در آیین‌نامه‌ها و دستورالعمل‌ها به بتن سبک، در ACI 318 (الزامات ساختمانی برای بتن سازه‌ای[89]) در سال 1963 بوده است. انستیتو  ESCSI[90] یک راهنما برای طراحان منتشر نمود تا بتوانند آیین‌نامه‌ها را به درستی تدوین نمایند. دستورالعمل راهنما برای بتن سازه‌ای با چگالی پایین[91] به عنوان یک ضمیمه در “گزارش نوین بتن سازه‌ای بادوام و پرمقاومت با چگالی پایین جهت استفاده در مناطق ساحلی با شرایط شدید[92]“، منتشر شده توسط Holm در سال 2000، آمده است. با این که این دستورالعمل برای مناطق ساحلی تدوین شده است، اما برای اجرای‌های متداول بتن سبک (از جمله ساختمان‌ها و پل‌ها) نیز قابل استفاده است.

مراجع

  • ACI, Committee 211, Standard Practice for Selecting Proportions for Structural Lightweight Concrete, ACI 211.2-98 (Reapproved 2004), American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 2004.
  • ACI, Committee 213, Guide for Structural Lightweight-Aggregate Concrete, ACI 213R-03, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 2003.
  • ACI, Committee 318, Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary, ACI 318-08, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 2008.
  • ASTM C127-07, Standard Test Method for Density; Relative Density (Specific Gravity), and Absorption of Coarse Aggregates, ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania, 2007.
  • ASTM C128-07a, Standard Test Method for Density; Relative Density (Specific Gravity), and Absorption of Fine Aggregate, ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania, 2007.
  • ASTM C173-08, Standard Test Method for Air Content of Freshly Mixed Concrete by the Volumetric Method, ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania, 2008.
  • ASTM C330-05, Standard Specification for Lightweight Aggregates for Structural Concrete, ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania, 2005.
  • ASTM C567-05a, Standard Test Method for Determining Density of Structural Lighweight Concrete, ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania, 2005.
  • Bentz, Dale P. and Garboczi, Edward J., “Computer modelling of the interfacial transition zone: Microstructure and properties,Engineering and Transport Properties of the Interfacial Transition Zone in Cementitious Composites, RILEM Report No. 20, RILEM Publications s.a.r.l., Cachan Cedex, France, pages 349-385, 1999, http://fire.nist.gov/bfrlpubs/build00/PDF/b00023.pdf
  • Bohan, Richard P., and Ries, John, “Structural Lightweight Aggregate Concrete,” IS032, Portland Cement Association, Skokie, Illinois, 2008, 8 pages, https://www.escsi.org/wp-content/uploads/2020/09/CT-SLWAC-PCA-2008.pdf
  • Castrodale, Reid W., and Harmon, Kenneth S., “Specifying Lightweight Concrete for Bridges,” The First International Conference on Recent Advances in Concrete Technology, Washington, D.C. September 19-21, 2007.
  • Eberhardt, Robert, “Concrete Shipbuilding in San Diego, 1918- 1920,” Journal of San Diego History, Vol. 41, No. 2, Spring 1995.
  • ESCSI, Building Bridges and Marine Structures with Structural Lightweight Aggregate Concrete, Publication No. 4700, Expanded Shale, Clay and Slate Institute, Salt Lake City, Utah, February 2001.
  • ESCSI, Guide Specification for Structural Lightweight Concrete Section 03313, Information Sheet No. 4001, Expanded Shale, Clay and Slate Institute, Salt Lake City, Utah, September 26, 2001.
  • ESCSI, Lightweight Concrete, Publication No. 7600.1, Expanded Shale, Clay and Slate Institute, Salt Lake City, Utah, November 1971.
  • Holm, Thomas A., and Bremner, Theodore W., State-of-the-Art Report on High-Strength, High-Durability Structural Low-Density Concrete for Applications in Severe Marine Environments; prepared for U.S. Army Corps of Engineers; monitored by Structures Laboratory, U.S. Army Engineer Research and Development Center. (ERDC/SL;TR-00-3) (TR INP-OO-2) August 2000.
  • Holm, T., and Ries, J., “Lightweight Concrete and Aggregates,” Significance of Tests and Properties of Concrete and Concrete-Making Materials, STP169D, ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania, 2006.
  • Khan, Fazlur, “Lightweight Concrete for Total Design of One Shell Plaza,” Lightweight Concrete, SP29. Jenney D.P. and Litvin A. eds., American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, pages 1-14, 1971.
  • Kosmatka, Steven, Kerkhoff, Beatrix, and Panarese, William, Design and Control of Concrete Mixtures, EB001, Portland Cement Association, Skokie, Illinois, 2002 (revised 2008), 372 pages.
  • Lam, H., Effects of Internal Curing Methods on Restrained Shrinkage and Permeability, SN2620, Portland Cement Association, Skokie, Illinois, 2005, 134 pages.
  • Murugesh, G., “Lightweight Concrete and the New Benicia-Martinez Bridge,” HPC Bridge Views, Issue 49, May/June 2008, National Concrete Bridge Council (NCBC) and the Federal Highway Administration (FHWA).
  • NRMCA, “What, Why, and How? Structural Lightweight Concrete,” Concrete in Practice, CIP36, National Ready Mixed Concrete Association, Silver Spring, Maryland, 2003.
  • Ramirez, J., Olek, J. Rolle, E. and Malone, B., Performance of Bridge Decks and Girders with Lightweight Aggregate Concrete (2 Volumes) FHWA/IN/JTRP-98/17, Joint Transportation Research Program, West Lafayette, Indiana, October 2000.
  • Sturm, R.D., McAskill, N., Burg, R.G. and Morgan, D.R., “Evaluation of Lightweight Concrete Performance in 55 to 80 Year Old Ships,” High Performance Concrete: Research to Practice, SP189, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, pages 101-120, 1999.
  • Tang, Man-Chung, Manzanarez, R., Nader, M., Abbas, S., and Baker, G., “Replacing the East Bay Bridge,” Civil Engineering, Vol. 69, No. 9, pages 38-43, September 1999.
  • Turner, H.C., “Report of the Joint Committee of the American Concrete Institute and Portland Cement Association on Concrete Barges and Ships,” Proceedings of the American Concrete Institute, 14, American Concrete Institute, Detroit, Michigan, pages 505-515, 1918.

[1] Structural Lightweight Concrete

[2] Microstrain

[3] Structural Lightweight Concrete

[4] Insulated Concrete

[5] LECA (Lightweight Expanded Clay Aggregate)

[6] Aglite

[7] Haydite

[8] Rocklite

[9] Gravelite

[10] Scoria

[11] Stalite

[12] Liapor

[13] Pumice

[14] Foamed Slag

[15] Lytag

[16] Aerated Concrete

[17] Thermal Conductivity

[18] Stabilized Foam

[19] Air-Entraining Agent

[20] Autoclaved Aerated Concrete

[21] No Fines Concrete

[22] Tuff

[23] The Pantheon Dome

[24] Stephen Hayde

[25] Kansas City

[26] Missouri

[27] Dallas

[28] Texas

[29] Chicago

[30] Illinois

[31] Houston

[32] Steel Deck

[33] Atlanta

[34] Georgia

[35] Post-Tensioned

[36] Precast

[37] Prestressed

[38] Charlotte

[39] North Carolina

[40] San Francisco

[41] Oakland

[42] Cantilever Slab

[43] Georgia Tech

[44] Standard Specification for Lightweight Aggregates for Structural Concrete

[45] Rotary Kiln

[46] Pelletized Fly Ash

[47] Modulus of Elasticity

[48] Poisson’s Ratio

[49] Maximum Strain Capacity

[50] Permeability

[51] Freeze-Thaw

[52] Carbonation

[53] Abrasion Resistance

[54] Shrinkage

[55] Creep

[56] Bond Strength

[57] Thermal Expansion

[58] Specific Heat

[59] Thermal Diffusivity

[60] Thermal Conductivity

[61] Fire Resistance

[62] Water Absorption

[63] Ductility

[64] Fatigue

[65] Bulk Density

[66] Sand Lightweight Concrete

[67] Standard Test Method for Determining Density of Structural Lightweight Concrete

[68] Oven-Dry

[69] Equilibrium Density

[70] Oven

[71] Strength Ceiling

[72] Interfacial Transition Zone (ITZ)

[73] Stifness

[74] Corrosion-Induced Spalling

[75] Standard Practice for Selecting Proportions for Structural Lightweight Concrete

[76] Absolute Volume Method

[77] Relative Density Factor

[78] Damp Loose Volume

[79] Saturated Surface-Dry

[80] Internal Curing

[81] Cement Hydration

[82] External Curing

[83] Standard Test Method for Air Content of Freshly Mixed Concrete by the Volumetric Method

[84] Elastically

[85] Prewetted

[86] Vacuum Saturation Process

[87] Plasticizer

[88] Pozzolanic Reactions

[89] Building Code Requirements for Structural Concrete

[90] Expanded Shale, Clay & Slate Institute

[91] Guide Specification for Structural Low-Density Concrete

[92] State-of-the-Art Report on High-Strength, High-Durability Structural Low-Density Concrete for Application in Severe Marine Environments

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *