بتن حجیم، تعاریف و دستور العمل ها

بتن حجیم به طور گسترده در صنعت ساختمان تعریف مشخصی دارد که توسط مؤسسه بتن آمریکا (ACI) ارائه شده و به عنوان مرجع معتبر در این زمینه شناخته می شود. طبق تعریف این مؤسسه، هر حجمی از بتن سازه ای که در آن، ترکیبی از ابعاد ریخته گری شده، شرایط مرزی (boundaryconditions)، ویژگی های مخلوط بتن و شرایط محیطی بتواند منجر به تنش های حرارتی نامطلوب، ترک خوردگی و واکنش های شیمیایی مضر شود؛ یا کاهش مقاومت طولانی مدت در نتیجه افزایش دمای بتن در اثر گرمای هیدراتاسیون را ایجاد کند، بتن حجیم نامیده می شود. بتن حجیم به دلیل حجم بالای بتن ریزی و میزان زیاد سیمان مصرفی، در معرض تولید حرارت زیادی قرار می گیرد که در صورت عدم کنترل مناسب، ممکن است باعث ترک خوردگی حرارتی در بتن شود. این ترک ها می توانند دوام سازه را کاهش داده و آن را در برابر عوامل محیطی آسیب پذیر کنند. به همین دلیل، کنترل رفتار حرارتی بتن حجیم یکی از مهم ترین عواملی است که آن را از سایر انواع بتن متمایز می کند. در واقع، تأثیر حرارتی بتن حجیم به قدری قابل توجه است که می تواند عملکرد یکپارچه سازه را تحت تأثیر قرار دهد و منجر به بروز مشکلات ساختاری جدی شود.

بسیاری از دانش و تجربیاتی که امروزه در مورد بتن حجیم در اختیار مهندسان قرار دارد، نتیجه درس های آموخته شده از دوران طلایی ساخت سدهای بتنی عظیم در ایالات متحده در قرن بیستم است. در آن دوران، پروژه های بزرگی همچون سد هوور و سایر سدهای بتنی، چالش های متعددی در زمینه مدیریت حرارت بتن حجیم ایجاد کردند که موجب شد مهندسان به بررسی دقیق رفتار حرارتی این نوع بتن بپردازند. این تجربیات ارزشمند، پایه گذار توسعه روش ها و تکنیک های جدید برای کاهش تنش های حرارتی و کنترل ترک خوردگی در سازه های حجیم شدند. بتن حجیم نه تنها در پروژه های سدسازی، بلکه در سایر سازه های بزرگ مانند پی های گسترده، ستون های عظیم، دیوارهای حائل و پایه های پل های بزرگ نیز مورد استفاده قرار می گیرد. در این سازه ها، کنترل دمای بتن در هنگام بتن ریزی و در مرحله عمل آوری اهمیت ویژه ای دارد، زیرا تغییرات دمایی شدید می تواند به ایجاد تنش های حرارتی منجر شود که در نهایت باعث افت کیفیت و کاهش طول عمر سازه می شود.

در نهایت، بتن حجیم به دلیل شرایط خاصی که در فرآیند تولید و عمل آوری دارد، نیازمند طراحی دقیق مخلوط بتن، کنترل دقیق شرایط محیطی و استفاده از روش های پیشرفته خنک سازی است تا بتواند عملکرد مطلوب و دوام بلندمدت سازه را تضمین کند.

کاربرد بتن حجیم

بتن حجیم معمولاً در سازه های بتنی بزرگ و ریخته گری شده در محل مانند سدها، پایه های پل، پی ساختمان های بسیار بلند و سایر سازه ها با حجم زیاد بتن، که حداقل 1 متر هستند، قابل مشاهده است. توجه داشته باشید که ممکن است شرایطی وجود داشته باشد که در آن سازه هایی با ضخامت کمتر از یک متر هم به مراحل بتن ریزی حجیم نیاز داشته باشند. تصمیم گیری نهایی در مورد این که آیا باید از دستورالعمل های بتن ریزی حجیم استفاده شود یا نه، بر عهده مهندس سازه (SER) است.

بتن حجیم بسته به هدف ساخت سازه ممکن است تقویت شده یا معمولی باشد. این نوع بتن معمولا در سدهای ثقلی استفاده می شود که نیازی به آرماتور ندارند، اما حتی در این سدهای ثقلی، پایه های دریچه های سرریز و کانال های سرریز از بتن حجیم به شدت مسلح ساخته شده اند.

دستورالعمل های مربوط به بتن حجیم

برای بتن حجیم لازم است دستورالعمل های خاصی رعایت گردد تا دوام سازه در بلندمدت تضمین شده و مقاومت آن کاهش نیابد. برخی از دستورالعمل های مربوط به این نوع بتن به شرح زیر هستند:

دما

دستورات ACI 301 دو محدودیت دمایی را برای این نوع بتن ارائه می دهد:

• حداکثر دمای بتن در طول عمل آوری نباید از 160 درجه فارنهایت تجاوز کند.
• حداکثر اختلاف دما بین مرکز و سطح محل قرارگیری، نباید از 35 درجه فارنهایت تجاوز کند.

در صورتی که می خواهید بدانید شاتکریت چیست این مقاله را مطالعه بفرمایید!

این محدودیت ها برای جلوگیری از تشکیل اترینگیت تاخیری (delayed ettringite formation) یا DEF، که می تواند باعث ترک خوردگی و کاهش مقاومت بتن شود، اعمال می شود. اگرچه ممکن است این محدودیت های دما قابل توجه به نظر نرسند، اما دستیابی به آنها اغلب دشوار است، به ویژه محدودیت در تفاوت دما که می تواند چالش زیادی ایجاد کند.

برای نیل به دستورالعمل های مربوط به حداکثر دما، شروع بتن ریزی با دمای اولیه پایین تر توصیه می شود تا بتن به حد دمای بالاتر نرسد. روش های معمول برای پایین نگه داشتن دمای بتن شامل واردکردن یخ خرد شده به مخلوط به جای مقداری از آب و استفاده از سنگدانه های از پیش سرد شده است. در مواقعی که دمای محیط بالاست، ممکن است لازم باشد بتن از طریق کویل های خنک کننده، پس از خنک شدن ریخته شود. به غیر از زمانی که از عایق استفاده می شود، استفاده از آب روی دال برای جلوگیری از اتلاف آب و کمک به عملیات ضروری است.

در مورد دستورالعمل های مربوط به اختلاف دما باید در نظر داشت که در یک سازه بتنی معمولی، یک تفاوت دما بین فضای داخلی، جایی که گرمای هیدراتاسیون جمع می شود، و سطح بیرونی، که گرما را به جو منتقل می کند، وجود دارد. در هوای سردتر، عایق به بالای دال اضافه می شود تا گرادیان مجاز دما را حفظ کند و از سردشدن سریع تر رویه نسبت به هسته جلوگیری کند. حفظ اختلاف دمای 35 درجه ای، زمانی که فضای داخلی بتن با چندین فوت بتن در بالا و زیر آن «عایق بندی» شده است و قسمت بیرونی بتن در معرض دماهای بسیار سرد زمستان قرار می گیرد، حتی با استفاده از پتوهای عایق، دشوار است. توجه داشته باشید که حد 35 درجه یک توصیه کلی برای جلوگیری از خراب شدن بتن به دلیل جداشدن لایه های بتنی است، اما اغلب به صلاح دید مهندس است ممکن است اختلاف دماهای دیگری نیز توصیه شود.

نظارت بر دمای بتن در بتن ریزی حجیم، معمولاً از طریق استفاده از ترموکوپل انجام می شود. این حسگرها قبل از عملیات بتن ریزی در داخل سازه دفن می شوند. سنسورها دمای داخل سازه را گزارش می کنند و مهندس را قادر می سازند دماها را از زمان قرارگیری اولیه بتن تا زمانی که عملیات نهایی بتن ریزی کامل می شود، در محدوده مورد نظر نگه دارد.

ترکیبات

بسیاری از تغییرات توصیه شده در مخلوط بتن حجیم، حرارت هیدراتاسیون را کاهش داده یا تولید آن را کند می کند تا تغییر دما را محدود کرده و در نتیجه میزان تشکیل ترک را کاهش دهد.

برای نیل به این هدف، کاهش مقدار سیمان در مخلوط اهمیت زیادی دارد. لازم است که سیمان با ترکیباتی مانند سرباره و خاکستر بادی جایگزین شود. در حال حاضر پوزولان های شیشه آسیاب شده نیز می تواند به حفظ مقاومت های مورد نیاز در شرایط کاهش سیمان کمک کنند. استفاده از سنگدانه های بزرگ تر نیز می تواند کمک کننده باشد. با این حال، استفاده از این روش احتمالا دشوار باشد؛ زیرا ازدحام آرماتورهای فولادی و روش بتن ریزی ممکن است اندازه سنگدانه ها را محدود کند.

جلوگیری از اتصال سرد

اتصال سرد زمانی تشکیل می شود که لایه های بتنی که در عمق ریخته ش‍ده اند شروع به سفت شدن می کنند، اما لایه های سطحی هنوز در حال ریخته شدن هستند. تشکیل مفصل سرد، یکپارچگی بتن حجیم را از بین برده و معمولاً در مکان های تصادفی، افقی یا روی شیب تشکیل می شود.

اجتناب از اتصالات سرد در بتن حجیم، نیاز به برنامه ریزی قبلی دارد. شیوه بتن ریزی باید استراتژیک باشد تا از ترک در مناطق خاصی جلوگیری شود. به حداکثر رساندن تعداد نقاط بتن ریزی، جریان بتن را تا حد امکان حفظ می کند.

استفاده از یک افزودنی تاخیری برای به تعویق انداختن سفت شدن بتن اهمیت زیادی دارد و می تواند به کنترل دما کمک کند. یک روش معمولی این است که کامیون های بتن ریزی اولیه را با حداکثر مقدار توصیه شده افزودنی تاخیری پر کنید و به تدریج از میزان این افزودنی بکاهید.

متأسفانه، حتی با بهترین برنامه ریزی، فرآیند بتن ریزی ممکن است اشتباه پیش برود؛ مثلا یک پمپ خراب شود، تحویل بتن به تاخیر بیفتد و غیره. بسیار مهم است که بازرس یا مهندس، محل هر گونه اتصال سردی را که ایجاد می شود، ثبت و مستند کند. این به مهندس اجازه می دهد تا ضربه به سازه را با دقت بیشتری ارزیابی کند و کارآمدترین اصلاح را ارائه دهد.

نتیجه گیری

بتن حجیم به دلیل ماهیت خاص و شرایط حرارتی ویژه ای که در سازه های بزرگ ایجاد می کند، نیازمند کنترل دقیق و اجرای دستورالعمل های تخصصی است. مدیریت دمای بتن، جلوگیری از ترک خوردگی حرارتی، انتخاب ترکیبات مناسب و کنترل فرآیند عمل آوری از عوامل کلیدی در حفظ کیفیت و دوام این نوع بتن هستند. تجربیات ارزشمندی که از پروژه های عظیم سدسازی در قرن بیستم به دست آمده، مبنای توسعه روش های نوین برای کاهش تنش های حرارتی و بهبود عملکرد سازه های حجیم بوده است. با توجه به حساسیت بالای بتن حجیم، رعایت دقیق دستورالعمل های ارائه شده توسط مؤسسه بتن آمریکا (ACI) و بهره گیری از تکنیک های مدرن، می تواند مانع از افت کیفیت، ترک خوردگی و آسیب های ساختاری شود و دوام طولانی مدت سازه را تضمین کند.