بتن با مقاومت زیاد (بتن پر مقاومت) یا HSC (High strength concrete) به بتنی با مقاومت فشاری حداقل 40 مگاپاسکال گفته می‌شود. امروزه به بتن‌هایی که مقاومت فشاری بالاتر از 60-55 مگاپاسکال دارند HSC اطلاق می‌شود.
مقایسه بتن با مقاومت زیاد با بتن معمولی
جدول زیر مقایسه بتن با مقاومت زیاد با بتن معمولی را نشان می‌دهد:
بتن با مقاومت زیاد
بتن معمولی
استحکام بیشتر از 40 مگاپاسکال
استحکام تا 35 مگاپاسکال
نفوذپذیری HSC کم است.
نفوذپذیری نسبتاً بیشتر است.
نسبت w/c (آب به سیمان) بسیار کم (کمتر از 0.3)
نسبت w/c کم تا متوسط (حدود 0.4)
فوق‌روان‌کننده‌ها (Superplasticizers) برای جبران افت کارایی نسبت w/c بسیار کم، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
استفاده از فوق‌روان‌کننده‌ها اجباری نیست.
مقدار سیمان بیشتری استفاده می‌شود.
محتوای سیمان کمتر است.
حداکثر اندازه سنگدانه‌های درشت کاهش می‌یابد.
حداکثر اندازه سنگدانه‌های درشت بیشتر از اندازه‌های مورد استفاده در HSC است.
شکست ناشی از تردی (brittle failure) بیشتر از بتن معمولی است.
شکست الاستیک (elastic failure) بیشتر از بتن با مقاومت زیاد است.
دوام به دلیل نفوذپذیری کمتر افزایش می‌یابد.
دوام کمتر از HSC است.
اهمیت و مزایای استفاده از بتن با مقاومت زیاد
سازه‌های بلند قبلاً با استفاده از فولاد ساخته می‌شدند. اکنون می‌توان سازه‌های بلند را حتی با بتن ساخت. برای چنین سازه‌هایی بتن با مقاومت زیاد ضروری است.
استفاده از HSC هزینه ساخت را کاهش می‌دهد. یک گزارش نشان می‌دهد که افزایش ظرفیت حمل بار به میزان 4.7 برابر، هزینه را تنها 3.1 برابر افزایش می‌دهد.
مزایای اصلی HSC عبارتند از:
- کاهش سطح مقطع عناصر سازه و در نتیجه افزایش فضای موجود
- بهبود زیبایی‌شناسی به‌دلیل سطح مقطع باریک‌تر
- کاهش وزن سازه
- افزایش مدول الاستیسیته ((modulus of elasticity بتن و کاهش خزش (تغییر شکل تحت بارگذاری مداوم) و کنترل انحرافات کوتاه‌مدت و بلندمدت
- HSC دوام بلندمدت سازه‌ها را بهبود می‌بخشد.
این بتن یک ماده مناسب برای ساخت ساختمان‌های بلند، پل‌ها با ارتفاع زیاد، کف‌های صنعتی سنگین و بتن پیش تنیده است.
ساخت بتن با مقاومت زیاد
بتن با مقاومت زیاد را می‌توان در کارخانه‌های بچینگ به‌صورت مکانیکی تولید کرد. در زیر به برخی از عواملی که باید در حین ساخت به آنها توجه شود اشاره می‌کنیم:
- تناسب مخلوط
- شکل سنگدانه‌ها
- استفاده از مواد سیمانی
- استفاده از دوده سیلیس
- استفاده از فوق روان‌کننده‌ها
بتن مخلوطی از سیمان، آب، سنگدانه‌های درشت و ریز، با یا بدون مواد افزودنی شیمیایی و معدنی است. از آنجایی که سنگدانه‌ها 75 درصد از حجم بتن را تشکیل می‌دهد، برای بتن با مقاومت زیاد، استفاده از سنگدانه با مقاومت بالا و اندازه‌بندی‌شده ضروری است. وجود اندازه‌های مختلف سنگدانه در نسبت‌های مناسب، برای کاهش فضای خالی لازم است. حداکثر اندازه سنگدانه نیز عامل مهم دیگری است.
به دلیل نفوذ داخلی آب در بتن، اتصال بین سنگدانه‌های بزرگ ضعیف است. سنگدانه‌های 20 میلی‌متری را می‌توان برای ساخت بتن با مقاومت 6000 psi یا بالاتر استفاده کرد. با این حال، اگر مقاومت مورد نیاز 10000 psi یا بیشتر باشد، می‌توان اندازه‌ها را به 12 میلی‌متر کاهش داد.
پیوند با خمیر سیمان در سنگدانه‌هایی با اندازه کوچک‌تر بهتر انجام می‌شود. برای HSC، مقدار سیمان در مقایسه با بتن معمولی باید افزایش یابد. مقدار سیمان در HSC بر اساس مقاومت مورد نیاز از 420 تا 650 کیلوگرم در متر مکعب متغیر است. با افزایش مقدار سیمان، اندازه سنگدانه‌ها نیز در مقایسه با NSC باید افزایش یابد.
روش‌های ساخت بتن با مقاومت زیاد
بتن با مقاومت زیاد را می‌توان با استفاده از روش‌های زیر تولید کرد:
- بذر دهی (Seeding)
- ارتعاش مجدد (Revibration)
- مخلوط کردن دوغاب با سرعت بالا (High speed slurry mixing)
- استفاده از مواد افزودنی (Use of admixtures)
- مهار ترک‌ها (Inhibition of cracks)
- اشباع گوگرد (Sulphur impregnation)
1. بذر دهی
در این روش، درصد کمی از ذرات ریز آسیاب شده و کاملا هیدراته سیمان پرتلند به بتن تازه مخلوط شده اضافه می‌شود. مکانیزمی که این روش سبب افزایش استحکام می‌شود معلوم نیست. روش بذردهی کمتر برای تولید بتن با مقاومت زیاد استفاده می‌شود.
2. ارتعاش مجدد
مقاومت بتن معمولا به‌صورت زیر کاهش می‌یابد:
- بتن پس از اختلاط، دچار انقباض می‌شود.
- اختلاط آب باعث ایجاد کانال‌های پیوسته آب در بتن می‌شود.
- آب در برخی نقاط بتن جمع می‌شود.
با Revibration می‌توان بر عیب‌های فوق غلبه کرد و قدرت بتن را افزایش داد.
3. مخلوط کردن دوغاب با سرعت بالا
در اختلاط دوغاب با سرعت بالا مراحل زیر انجام می‌شود:
- مخلوط سیمان و آب تهیه می‌شود.
- این ترکیب با سرعت و شدت زیادی با سنگدانه‌ها مخلوط می‌شود تا بتن را بسازد.
این اقدام سبب هیدراتاسیون کارآمد خمیر سیمان می‌شود که به استحکام بالاتر کمک می‌کند.
4. استفاده از افزودنی‌های مناسب
همان‌طور که در بالا توضیح داده شد، کاهش محتوای آب می‌تواند مقاومت بتن را افزایش دهد. برای جبران از دست‌دادن کارایی با کاهش محتوای آب، افزودنی‌هایی مانند فوق‌روان‌کننده‌ها اضافه می‌شوند.
5. مهار ترک‌ها
ترک‌ها پس از ایجاد، در بدنه بتن گسترش می‌یابند. بتن به‌دلیل تشکیل ترک شکسته می‌شود. از این رو، مهار ترک‌ها می‌تواند بتن را قوی‌تر و همچنین بادوام‌تر کند.
برای جلوگیری از ایجاد ترک، 3-2 درصد از سنگدانه‌های ریز را با لنتیکول‌های پلی‌اتیلن یا پلی‌استایرن با ضخامت 025/0 میلی‌متر و قطر 4-3 میلی‌متر جایگزین می‌کنند. این لنتیکول‌ها به‌عنوان ترک‌گیر عمل می‌کنند، بدون این‌که نیاز به آب اضافی برای کارایی بیشتر داشته باشند.
6. اشباع گوگرد
فرآیند تولید HSC با اشباع گوگرد به‌شرح زیر است:
- نمونه بتن تازه به مدت 24 ساعت مرطوب باقی می‌ماند.
- بتن مرطوب در دمای 120 درجه سانتیگراد به مدت 24 ساعت خشک می‌شود.
- بتن خشک‌شده به مدت 2 ساعت در گوگرد مذاب در خلاء غوطه‌ور می‌شوند.
- خلاء برداشته می‌شود.
- بتن دوباره به مدت 0.5 ساعت در گوگرد خیس می‌خورد.
بتن آغشته به گوگرد می‌تواند مقاومتی تا 58 مگاپاسکال ایجاد کند.
سخن آخر
بتن با مقاومت زیاد (HSC) عموماً به بتنی با مقاومت فشاری بالاتر از 60 مگاپاسکال گفته می‌شود. در سال‌های اخیر HSC آن‌قدر پیشرفت کرده است که بتن‌هایی با مقاومت فشاری تا حدود 120 مگاپاسکال به صورت تجاری در دسترس هستند. روش‌های مختلفی برای ساخت این نوع بتن وجود دارد که در این مقاله بررسی شدند.
https://www.thedailystar.net/star-infrastructure/news/high-strength-concrete-key-parameters-and-challenges-1790164
https://www.civilgiant.com/high-strength-concrete/
https://www.bsu.edu.eg/Backend/Uploads/PDF/Conference/Mechanical%20properties%20of%20high%20strength%20concrete(HSC).pdf
