تاثیر شرایط عمل‌آوری اولیه در هوای سرد بر مقاومت فشاری آزمونه‌های مکعبی بتن

چکیده

طبق استاندارد ملی ایران به شماره ۲-۱۶۰۸، آزمونه‌های بتنی پس از نمونه‌گیری باید حداقل ۱۶ساعت و حداکثر ۳ روز پس از ساخت، از قالب خارج شوند. در طول این مدت، آزمونه‌ها باید در دمای ۵ ± ۲۰ درجه سلیسیوس نگهداری شوند (عمل آوری اولیه) و سپس به مخزن آب یا اتاق رطوبت در محدوده دمای ۲ ± ۲۰ درجه سلیسیوس (عمل آوری نهایی) انتقال داده شوند.در برخی موارد تامین این شرایط میسر نیست یا ممکن است از آن غفلت شود. هدف از انجام این پژوهش، بررسی تاثیر شرایط عمل آوری اولیه بر نتایج مقاومت فشاری بتن در فصول سرد است. در این راستا سعی شده است که شرایط معمول عمل‌آوری در ایران شبیهه سازی گردد. بدین منظور دو طرح G1 و G2 به ترتیب با نسبت آب به سیمان ۰/۶ و ۰/۴۲ و عیار سیمان ۳۵۰ و ۴۴۰ کیلوگرم در متر مکعب ساخته شد. ۷ نوع شرایط عمل آوری کارگاهی مختلف به منظور بررسی تاثیر نوع عمل آوری اولیه بر مقاومت فشاری بتن در سنین ، ۳، ۷ و ۲۸ روزه در هوای سرد انجام شد. نتایج نشان می‌دهد که شرایط عمل آوری اولیه تاثیر زیادی در نتایج مقاومت فشاری در سنین اولیه‌ی بتن دارد که این تاثیر با افزایش سن بتن کاهش می‌یابد. نتایج مقاومت فشاری ۲۸ روزه هر دو طرح مخلوط نشان می‌دهد، در صورتی که بتن دچار یخ زدگی نشود و در دماهای پایین‌تر از استاندارد (عمل آوری کارگاهی در محدوده‌ی  ۵ ± ۲۰ درجه سلیسیوس) عمل آوری اولیه آزمونه‌ها صورت گیرد، نتایج مقاومت فشاری بالا‌تر از حالتی است که در شرایط عمل آوری اولیه استاندارد انجام گیرد.

۱.مقدمه

بتن در شرایط محیطی مختلفی تولید و ریخته می‌شود، در فصل زمستان، بتن عموما در دمای پایین تولید شده، ریخته می‌شود و در دماهای پایین‌تری عمل‌آوری می‌گردد نحوه عمل آوری بتن تاثیر مهمی بر کسب مقاومت و دوام آن‌ها دارد.

در تعریف ACI306R-16 ، شرایط بتن‌ریزی در هوای سرد هنگامی وجود دارد که دمای بتن‌ریزی زیر ۴ درجه‌ی سلیسیوس باشد و یا انتظار می‌رود در هنگام عمل آوری دمای آن به زیر ۴درجه‌ی سلیسیوس برسد. حفاظت مورد نیاز از بتن تازه ریخته شده در هوای سرد به همان نسبت افزایش می‌یابد که دمای محیط کاهش می‌یابد. در این شرایط ممکن است که درجه‌ی اشباع کمتر از حالت بحرانی شود. معمولا تا زمانی که بتن به مقاومت ۳/۵ مگاپاسکال برسد، این درجه‌ی اشباع می‌تواند کمتر از حالت بحرانی شود. و برای اکثر بتن‌ها در دمای ۱۰درجه‌ی سلیسیوس تقریبا ۴۸ ساعت زمان نیاز است که بتن به این مقاومت برسد. در نتیجه تا هنگامی که بتن به حداقل مقاومت ذکر شده برسد، عمل‌آوری صحیح از بتن تازه ریخته شده در کارگاه لازم الاجراست. طبق توصیه‌ی ACI از بتن نمونه‌گیری شده همانند بتن ریخته شده در مقاطع باید محافظت نمود. حفاظت از این آزمونه ها باید با استفاده از پوشش مناسب برای حفظ دمای و رطوبت بتن ، بدون اضافه نمودن آب و یا ایجاد تنش حرارتی در کارگاه انجام گرفته و تا زمان جابجایی و انجام عمل آوری نهایی در آزمایشگاه ادامه پیدا کند. عمل آوری استاندارد آزمونه‌های اخذ شده از بتن آماده در کارگاه به دو مرحله‌ی عمل‌آوری اولیه (در کارگاه) و عمل‌آوری نهایی (در آزمایشگاه) تقسیم می‌شود. در مجموعه استاندارد‌های ملی ایران ، دو استاندارد در خصوص عمل آوری آزمونه‌های بتن به شرح زیر وجود دارد:

الف.استاندارد ملی ایران به شماره ۲-۱۶۰۸:

عمل آوری استاندارد اولیه (درکارگاه): آزمونه‌ها باید حداقل ۱۶ساعت و حداکثر ۳ روز پس از ساخت، از قالب خارج شود. در طول این مدت، آزمونه‌ها باید در دمای ۵ ± ۲۰ درجه سلیسیوس نگهداری شوند.

عمل آوری استاندارد نهایی (در آزمایشگاه): عمل آوری در مخزن آب یا اتاق رطوبت در محدوده دمای ۵ ± ۲۰ درجه سلیسیوس انجام می‌شود.

ب. استاندارد ملی ایران به شماره ۳۲۰۵:

آزمونه‌ها باید حداکثر تا ۴۸ ساعت از قالب خارج شوند باید در طول این مدت، برای بتن‌های با مقاومت مشخصه‌ی کمتر از ۴۰ مگاپاسکال، آزمونه ها در دمای ۱۶ تا ۲۷ درجه‌ی سلیسیوس و برای بتن‌های با مقاومت مشخصه برابر یا بیشتر از ۴۰ مگاپاسکال در دمای ۲۰ تا ۲۶ درجه‌ی سلیسیوس نگهداری شوند. و از خشک شدن سطح آزمون‌ها در طول مدت عمل آوری اولیه جلوگیری نمود.

عمل آوری استاندارد نهایی(در آزمایشگاه): عمل آوری در مخزن آب یا اتاق رطوبت در محدوده دمای ۲ ± ۲۳ درجه سلیسیوس انجام می‌شود.

لازم به ذکر است که استاندارد ملی به شماره ۲-۱۶۰۸ معادل استاندارد اروپایی BS EN 12390-2 و استاندارد ملی ایران به شماره ۳۲۰۵ معادل استاندارد آمریکایی ASTM C31 می‌باشد. طبق استاندارد اروپایی، استفاده از آزمونه‌های مکعبی یا استوانه‌ای برای انجام آزمون مقاومت مجاز است. در حالی که در استاندارد آمریکایی، آزمونه‌های استوانه‌ای برای آن تعیین شده است. از آنجا که در ایران عموما از آزمونه‌های مکعبی برای انجام آزمون مقاومت فشاری بتن استفاده می‌شود، ضروری است از الزامات عمل‌آوری در استاندارد اروپایی (استاندارد ملی به شماره ۲-۱۶۰۸) استفاده کرد.

در صنعت بتن آماده‌ی کشور، عموما روال بر این است که آزمونه‌های بتن درون قالب در محل پروژه، به مدت یک تا دو روز باقی می‌مانند. سپس آزمونه‌ها به محل آزمایشگاه منتقل شده و پس از بازکردن قالب‌ها، درون مخزن آب به منظور عمل‌آوری مرطوب طبق سن مقرر شده برای آزمایش قرار می‌گیرند.در طول نگهداری آزمونه‌ها در محل پروژه، معمولا خریدار بتن موظف است، آزمونه‌ها را در مکان مناسبی با محدوده دمایی استاندارد محافظت کند. برخی از خریداران موارد ذکر شده را رعایت می‌کنند و برخی دیگر به آن توجه ندارند. لکن گاهی حفظ دمای بتن در محدوده استاندارد و جلوگیری از یخ زدگی آن مغفول می‌ماند. 

طی تحقیقاتی که توسط بلوئم انجام گرفته، نشان داده شد که عمل آوری اولیه پایین تر از دمای استاندارد، برای یک روز باعث کاهش مقاومت فشاری ۲۸ روزه نمی‌شود اما اگر این روند به مدت ۳ تا ۷ روز ادامه یابد، می‌تواند باعث کاهش ۷ درصدی مقاومت فشاری ۲۸ روزه شود. کاهش ۵۶ درصدی مقاومت فشاری ۲۸ روزه در نمونه‌هایی که در عمل آوری اولیه یک روزه دچار یخ زدگی شدند توسط ریچاردسون مشاهده شد. در عین حال در تحقیقات دیگری، نشان داده شده است که در صورت انجام صحیح عمل آوری اولیه، آزمونه‌هایی که پس از عمل آوری اولیه در معرض یک چرخه‌ی یخ زدن و آب شدن قرار می‌گیرند، در مقایسه با بتن‌هایی که در معرض این چرخه قرار نمی‌گیرند مقاومت فشاری نهایی بالاتری می‌توانند داشته باشند.

هدف از انجام این پژوهش، بررسی تاثیر شرایط عمل‌آوری اولیه برنتایج مقاومت فشاری بتن در فصول سرد است. در این راستا سعی شده است که شرایط معمول عمل آوری در ایران شبیه سازی گردد.

۲.مشخصات طرح مخلوط و روش تهیه آزمونه‌ها

برای انجام این تحقیق، دو طرح مخلوط ساخته شد. در جدول ۱، وزن اجزای بتن در یک متر مکعب بر اساس سنگدانه‌های اشباع با سطح خشک ارائه شده است. با توجه به جدول ۱، طرح G1 دارای سیمان به مقدار ۳۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب و نسبت آب به سیمان برابر ۰/۶ و طرح G2 حاوی سیمان به مقدار ۴۴۰ کیلوگرم و نسبت آب به سیمان ۰/۴۲ است. همچنین اسلامپ طرح‌های G1 و G2 به ترتیب برابر ۹۰ و ۱۸۰ میلی‌متر بدست آمد. این دو طرح مخلوط در بچینگ کارخانه فهاب بتن ساخته و در کامیون مخلوط کن تخلیه شد. نمونه‌گیری از کامیون مخلوط‌کن در محل کارخانه انجام گرفت. از طرح G1 و G2 به ترتیب ۴۲ و ۲۴ آزمونه مکعبی با ابعاد ۱۵۰x150x150 میلی‌متر تهیه شد.

جدول۱- نسبت‌های مخلوط بتن برای یک متر مکعب

۳.شرایط عمل آوری

متغیر این تحقیق شرایط عمل آوری اولیه (در کارگاه) است. انواع شرایط عمل‌آوری اولیه به کار رفته به شرح زیر است: 

الف- یک روز در هوای سرد: آزمونه‌ها تا یک روز پس از نمونه گیری بدون پوشش در هوای سرد محوطه کارخانه قرار گرفتند. در مدت عمل آوری اولیه هیچ گونه رطوبت رسانی انجام نگرفت.

ب- دو روز در هوای سرد: آزمونه‌ها تا دو روز پس از نمونه گیری، بدون پوشش در هوای سرد محوطه کارخانه قرار گرفتند. در مدت عمل آوری اولیه هیچ گونه رطوبت رسانی انجام نگرفت.

پ- سه روز در هوای سرد: آزمونه‌ها تا سه روز پس از نمونه گیری، بدون پوشش در هوای سرد محوطه کارخانه قرار گرفتند. در مدت عمل آوری اولیه هیچ گونه رطوبت رسانی انجام نگرفت.

ت- دو روز هوای سرد + پلاستیک دو لایه: روی آزمونه‌ها پس از نمونه گیری، پلاستیک دو لایه ضخیم کشیده شده (اصطلاحا قنداق پیچ شد) و آزمونه‌ها به مدت دو روز پس از نمونه گیری، در هوای سرد محوطه کارخانه قرار گرفتند. در مدت عمل آوری اولیه ، هیچ گونه گرمایش یا رطوبت رسانی مجدد انجام نگرفت.

ث- دو روز هوای سرد + پلاستیک و پشم شیشه: روی آزمونه‌ها پس از نمونه گیری پلاستیک دو لایه ضخیمی که در بین آن پشم شیشه قرار داده شد، کشیده شد (اصطلاحا قنداق پیچ شد) و آزمونه‌ها به مدت دو روز پس از نمونه‌گیری، در هوای سرد محوطه کارگاه قرار گرفتند (شکل۱). در مدت عمل‌آوری اولیه، هیچ‌گونه گرمایش یا رطوبت رسانی انجام نگرفت.

ج- دو روز هوای سرد+ پشم شیشه: روی آزمونه ها پس از نمونه گیری پشم شیشه کشیده شد (اصطلاحا قنداق پیچ شد) و به مدت دو روز پس از نمونه گیری، در هوای سرد محل کارگاه قرار گرفتند(شکل۱). در مدت عمل‌آوری اولیه، هیچ گونه گرمایش یا رطوبت رسانی انجام نگرفت.

چ- داخل اتاق با محدوده دمایی استاندارد: “آزمونه ها مطابق استاندارد ملی ایران به شماره ۲-۱۶۰۸ در محدوده دمایی ۵±۲۰ درجه سلیسیوس و به مدت یک روز داخل اتاق قرار گرفتند. در مدت عمل آوری اولیه، از تبخیر رطوبت آزمونه‌ها جلوگیری به عمل آمد.

در طول مدت عمل آوری اولیه، دمای محیط کارگاه، داخل اتاق، زیر پلاستیک، پشم شیشه و همچنین پلاستیک- پشم شیشه در ساعات مختلف شبانه روز با استفاده از دماسنج استاندارد بتن اندازه‌گیری شد که نتایج آنها در جدول ۲ آورده شده است. پس از عمل آوری اولیه، آزمونه‌ها از قالب خارج شدند و عمل آوری استاندارد نهایی در آب آهک اشباع در محدوده دمای ۲ ± ۲۰ درجه سلیسیوس روی کل آزمونه‌ها انجام شد.

۴.آزمون مقاومت فشاری

آزمون مقاومت فشاری مطابق استاندارد ملی ایران به شماره ۳-۱۶۰۸ در سنین ۷،۳ و ۲۸ روز انجام شد. نتایج مقاومت فشاری در هر سن، بر اساس میانگین نتیجه مقاومت فشاری دو آزمونه مکعبی با ابعاد ۱۵۰x150x150 میلی‌متر به‌دست آمد.

۵.نتایج و تحلیل

شکل‌های ۲ و ۳ به ترتیب نتایج مقاومت فشاری G2 , G1 را در سنین ۷،۳ و ۲۸ روزه نشان می‌دهد.

نتایج ارائه شده در شکل۲ نشان می‌دهد، در طرح G1 (با نسبت آب به سیمان۰.۶)، شرایط عمل‌آوری اولیه تاثیر معناداری برنتایج مقاومت فشاری بتن در سن ۳ روزه داشته است. همانطور که در شکل ۲ مشاهده می‌شود، عمل آوری اولیه با پلاستیک و پشم شیشه باعث کسب مقاومت فشاری۳ روزه، ۷۱درصد بیشتر از دو حالت عمل‌آوری با پلاستیک و عمل آوری با پشم شیشه شده است. همانطور که در جدول شماره ۲ آورده شده است، دمای آزمونه‌ها در طول مدت عمل‌آوری با استفاده از پلاستیک + پشم شیشه بیشترین مقدار را در بین حالت های مختلف نگهداری در کارخانه دارد و از این رو آزمونه های بتنی مقاومت اولیه ی بالاتری را کسب کرده است، این می تواند به دلیل حفظ و افزایش دمای بتن در ساعات اولیه ی گیرش باشد. در این سن، نگهداری دو روزه بتن در هوای سرد بدون پوشش، کمترین مقاومت را در میان سایر شرایط عمل آوری داشته است. همچنین ماندن یک روزه و سه روزه آزمونه ها در شرایط هوای سرد در مقایسه با شرایط نگهداری در محدوده‌ی استاندارد تفاوت معناداری روی مقاومت فشاری در این سن نداشته است.

در شکل۲ می‌توان مشاهده کرد، در سن ۷روز، که اختلاف مقاومت فشاری در شرایط عمل آوری مختلف در مقایسه با سن ۳روزه بتن کمتر است. (این اختلاف مقاومت فشاری در سن ۳ روزه حدود ۱۱۴ درصد و در سن ۷ روزه در حدود ۹درصد است.) در این سن بیشترین مقاومت فشاری بتن در دو حالت عمل‌آوری با پلاستیک دو لایه و همچنین ماندن یک روزه‌ی بتن‌ها در هوای سرد مشاهده می‌شود. حدود ۹درصد مقاومت فشاری بالاتری در این دو حالت در مقایسه با شرایط استاندارد (داخل آزمایشگاه) مشاهده می‌گردد. علاوه بر این رشد مقاومت از سن ۳ تا ۷ روزه برای آزمونه هایی که دو روز در هوای سرد نگهداری شدند و کمترین مقاومت را در سن ۳ روزه داشتند حاصل شد (حدود ۱۳۶ درصد افزایش مقاومت از سن ۳تا ۷روزه) لازم به ذکر است که کمترین رشد مقاومت در شرایط عمل آوری با پلاستیک و پشم شیشه که بیشترین مقاومت را در سن ۳روزه داشتند اتفاق افتاده است (حدود ۱۴درصد افزایش مقاومت از سن ۳تا ۷روز).

با توجه به شکل۲، اختلاف کمتری در نتایج مقاومت فشاری ۲۸روزه در مقایسه با سنین پایین‌تر مشاهده می‌شود. این تغییرات مقاومت فشاری زیر ۸درصد ثبت شده است. در این سن، عمل آوری اولیه استاندارد در محدوده دمایی ۵±۲۰ درجه سلیسیوس کمترین مقاومت فشاری نهایی را در مقایسه با شرایط دیگر داشته است. همچنین در این سن، عمل آوری اولیه با استفاده از پلاستیک و پشم شیشه، بیشترین مقاومت فشاری را در میان سایر شرایط کسب کرده است.این افزایش مقاومت فشاری حدود ۷/۸ درصد در مقایسه با عمل آوری اولیه در شرایط استاندارد مشاهده شد.

همانطور که در شکل۳ مشاهده می‌گردد، در طرح G2، در سن یک تا ۳ روز، عمل‌آوری اولیه بتن در هوای سرد تاثیر معناداری در مقاومت فشاری ۳روزه بتن داشته است. نگهداری آزمونه‌ها به مدت یک، دو و سه روز در هوای سرد، به ترتیب باعث کاهش مقاومت فشاری ۲/۵، ۳۴/۲ و ۵۲ درصدی مقاومت فشاری در مقایسه با نگهداری در محدوده‌ی استاندارد شده است. این تاثیر در بتن با مقاومت بیشتر (G2) قابل توجه تر است.

در سن ۷ روز برای طرح G2، مشاهده می گردد که اختلاف مقاومت فشاری در شرایط مختلف عمل آوری کاهش یافته است.کمترین مقاومت فشاری در این سن مربوط به نگهداری آزمونه‌ها پس از ۲روز ماندن در هوای سرد است که حدود ۷درصد کاهش مقاومت در مقایسه با نگهداری داخل آزمایشگاه مشاهده گردید. این را می‌توان با توجه به پایین بودن دمای روز دوم در مقایسه با دیگر روزها توجیه نمود (جدول۲ مشاهده شود) علاوه بر این، بیشترین رشد مقاومت از سن ۳ به ۷ روزه در نمونه‌های ۳روز نگهداری شده در هوای سرد اتفاق افتاده است ۱۶۷درصد افزایش مقاومت از سن ۳ تا ۷ روز همچنین کمترین رشد مقاومت از سن ۳ به ۷ روزه در نمونه‌های نگهداری شده در محدوده‌ی استاندار اتفاق افتاده است (حدوده ۳۲ درصد افزایش مقاومت از سن ۳ تا ۷روزه)

در سن ۲۸روز، مقایسه نتایج مقاومت فشاری نشان می‌دهد که تمامی نمونه‌های عمل‌آوری شده در محوطه کارخانه، مقاومت فشاری بالاتری را در مقایسه با شرایط عمل‌آوری اولیه استاندار داشته‌اند. نگهداری اولیه آزمونه‌ها به مدت یک ، دو و سه روز در محوطه کارخانه به ترتیب مقاومت فشاری ۱/۹ ،۹/۱ ،و ۶/۱ درصد بیشتر از نگهداری آزمونه‌ها در شرایط استاندارد را داشته است.

با توجه به موارد ذکر شده، مشاهده شد که برای هر دو طرح G1 و G2 ، در شرایط عمل آوری اولیه خارج از محدوده‌ی استاندارد، مقاومت فشاری ۲۸روزه بالاتری در مقایسه با عمل آوری اولیه استاندارد حاصل شده است. این می‌تواند به علت عدم یخ زدگی آزمونه‌های بتنی در شرایط محیطی کارگاه و کسب مقاومت اولیه در دماهای پایین و در نتیجه بهبود ریز ساختار بتن در طول مدت عمل آوری اولیه باشد و با تحقیقاتی که در گذشته انجام گرفته مطابقت دارد. هرچند نتایج به دست آمده در ین تحقیق نشان می دهد که عمل آوری اولیه در محدوده دمایی استاندارد در سن۲۸ روزه در مقایسه با شرایط دیگر نگهداری نتایج پایین‌تری را داشته است، لازم به ذکر است این موضوع نشان دهنده مجاز بودن تعدادی از محدوده های دمایی مقرر در استانداردهای ملی برای عمل آوری اولیه عمل آوری در کارگاه نخواهد بود و رعایت الزامات استاندارد ضروریست.

۶.نتیجه گیری

• شرایط عمل‌آوری اولیه تاثیر زیادی در کسب مقاومت فشاری بتن در سنین اولیه داردو این تاثیر با افزایش سن بتن کاهش می‌یابد. هرچه مقاومت بتن بیشتر باشد، اثر نوع عمل آوری اولیه بیشتر خواهد بود.
• در هر دو طرح G1 (بتن با آب به سیمان ۰/۶ و عیار ۳۵۰ کیلوگرم) G2 (بتن با آب به سیمان ۰/۴۲ و عیار ۴۴۰کیلوگرم) بتن‌های عمل‌آوری شده در محدوده دمایی استاندارد برای عمل آوری اولیه، مقاومت نهایی پایین تری در مقایسه با دیگر شرایط عمل آوری کارگاهی داشتند. البته لازم به ذکر است، در صورتی که آزمونه ها در محل کارگاه دچار یخ زدگی شوند، انتظار می رود که این نتایج کاملا عوض شود.
• آزمونه های طرح G1 که با استفاده از پلاستیک + پشم شیشه عمل‌آوری شدند نتایج بهتری را در مقاومت فشاری ۳ و ۲۸ روزه کسب کردند. مقاومت فشاری ۲۸ روزه کسب شده در این شرایط ۷/۸ درصد بالاتر از مقاومت فشاری با شرایط دمایی مندرج در استاندارد شد.
• علی رغم حفاظت بتن با استفاده از پوشش‌های پلاستیک و پشم شیشه و ترکیب پلاستیک و پشم شیشه، امکان رعایت محدوده‌ی دمایی ذکر شده در استاندارد درجه سلسیوس در محل کارگاه وجود نداشت لذا توصیه می‌گردد که در شرایط هوای سرد، آزمونه‌های بتن بلافاصله پس از نمونه گیری به محلی مسقف و با دمایی مطابق استاندارد انتقال داده شود.

۷. قدردانی

نویسندگان این مقاله مراتب سپاس خود را نسبت به حمایت‌های مرکز تحقیقات راه ، مسکن و شهرسازی و شرکت فهاب‌بتن اعلام می‌دارند.