■ بتن های ویژه بخش عمران

بتن سبک سازه ای
بتن سبک بتنی است که جرم واحد حجم آن به مقدار قابل توجهی از بتن ساخته شده با شن یا سنگدانه های شکسته کمتر است . محدودۀ جرم مخصوص خشک کوره ای این بتنها از 240 تا 3kg/m 1850 و محدودۀ مقاومت فشاری آنها از MPa 7/0 تا بیش از MPa40 متفاوت است .
در استاندارد CSA A233.1 بتن سبک سازه ای بتنی تعریف شده است که مقاومت فشاری 28 روزۀ آن از MPa 20 بیشتر بوده و جرم مخصوص هوا خشک آن از 3kg/m 1850 بیشتر نباشد . بتنی نیمه سبک سازه ای نیز دارای همین مقاومت فشاری است ، اما جرم مخصوص هوا خشک آن بین 1850 تا 3kg/m 25000 است . برای کاربردهای سازه ای معمولاً زمانی از بتن سبک استفاده می شود که کاربرد آن به کاهش هزینه کلی
سازه ای با کاهش بارهای مردۀ روی سازه به دلیل استفاده از فولاد آرماتوربندی کمتر ، هزینۀ پایین تر پی و بنابراین هزینۀ کلی کمتر جبران می شود . همچنین استفاده از بتن سبک سازه ای در گسترش یا نوسازی ساختمانهای موجود نیز دارای مزیت است .
بتن سنگین
جرم مخصوص بتن سنگین به حدود 3kg/m 6400 می رسد . از بتن سنگین اصولاً به عنوان حفاظ پرتوگیر استفاده می شود اما به عنوان وزنۀ تعادل و دیگر کاربردهایی که سنگین وزن اهمیت دارد نیز مورد استفاده قرار می گیرد . بتن سنگین به عنوان مصالح محافظ پرتوگیر در مقابل تاثیرات زیان بخش پرتوهای X ، پرتوهای گاما و تابش نوترونی حفاظت ایجاد می کند . انتخاب بتن برای حفاظت تابشی به الزامات فضا و نوع و شدت تابش بستگی دارد . در مواردی که الزامات فضا فاقد اهمیت است ، بتن معمولی معمولاً اقتصادی ترین حفاظت را ایجاد می کند . در فضاهای محدود ، بتن سنگین امکان می دهد تا بدون فدا کردن تاثیر حفاظ پرتوگیر از ضخامت حفاظ کاسته شود .
مقدار جرم مخصوص و آب بتن محافظ پرتوگیر معمولاً براساس نوع و شدت تابش تعیین می شود . کارایی حفاظ بتنی در برابر پرتوهای گاما تقریباً با جرم مخصوص بتن متناسب است . جرم مخصوص بیشتر ، حفاظ موثرتری ایجاد می کند . از طرف دیگر حفاظ موثر در برابر تابش نوترونی مستلزم هر دو عامل جرم مخصوص بالا و پایین است . هیدروژن موجود در آب عنصر سبک موثری در حفاظ بتنی است . برخی سنگدانه ها از آب بلوری به نام آب پیوندی تشکیل شده اند که بخشی از ساختار آنها را تشکیل می دهد . به همین دلیل چنانچه کاهش پرتوهای گاما و تابش نوترونی هر دو ضرورت داشته باشد ، اغلب از سنگدانه های سنگین با مقدار آب بلوری بالا استفاده می شود . برای کاهش تابش نوترونی شیشۀ بور نیز اضافه می شود .
سنگدانه های سنگین
برای تولید بتن سنگین از سنگدانه های سنگین مانند باریت ، فروفسفر ، ژئوتیت ،؛ هماتیت ، ایلمنیت ، لیمونیت ، مگنتیت و ذرات پانچی فولادی چربی زدایی شده استفاده می شود . در مواردی که به مقدار آب بلوری بالایی احتیاج است ، می توان از سوپانتیت ( که کمی سنگین تر از سنگدانۀ معمولی است ) یا بوگیت استفاده کرد .
در مواردی که به بتنی با جرم مخصوص بیش از 3kg/m 4800 احتیاج است ، از ذرات پانچی فولادی و ساچمه استفاده می شود .
به طور کلی انتخاب سنگدانه براساس خصوصیات فیزیکی ، قابلیت دسترسی و هزینه انجام می شود . سنگدانه های سنگین باید تا حد معقولی از مواد ریز ، روغن و مواد خارجی تاثیر گذار بر پیوستگی خمیر با ذرات سنگدانه یا هیدراسیون سیمان عاری باشند . از کارایی خوب ، جرم مخصوص حداکثر و صرفه جویی اقتصادی ، سنگدانه ها باید تقریباً شکل مکعبی داشته و ذرات پولکی یا دراز در آن زیاد نباشد .
مواد افزوده
گاهی برای بهبود خصوصیات حفاظت نوترونی بتن از مواد افزودۀ بوری مانند کولمانیت ( هیدرات برات کلسیم ) ، بورفریت و بورکلسیلت استفاده می شود . به هر حال این مواد ممکن است بر روی گیرش و مقاومت اولیۀ بتن تاثیر معکوس داشته باشند . بنابراین برای تعیین مناسب بودن این مواد باید با استفاده از مواد افزوده مخلوطهای آزمایشی در شرایط کارگاهی تهیه کرد . برای به حداقل رساندن هر تاثیر کند گیر کننده می توان از آهک هیدراتۀ فشاری هم اندازۀ ماسه درشت استفاده کرد .
آب محبوس یا شیمایی (پیوندی ) موجود در سنگدانه ها .
اطلاعات آزمایش موجود نیست .
برای دستیابی به مقدار آب بلوری 5/0 % تا 5% می توان سنگدانه ها را با لیمونیت ترکیب کرد .
خصوصیات بتن سنگین
خصوصیات بتن سنگین را در هر دو حالت تازه مخلوط شده و سخت شده می توان برای تامین الزامات شرایط کار و حفاظت با انتخاب صحیح مصالح و خصوصیات مخلوط طراحی کرد .
خصوصیات فیزیکی بتن سنگین به جز جرم مخصوص مشابه بتن معمولی است . مقاومت تابعی است از نسبت آب – مواد سیمانی . بنابراین برای هر مجموعۀ ویژه ای از مصالح ، می توان به مقاومتهایی قابل مقایسه با بتنهای معمولی دست پیدا کرد .از آنجا که هر حفاظت تابشی دارای الزامات ویژه ای است ، برای تعیین نسبتهای مخلوط مناسب باید با استفاده از مصالح کار و در شرایط کار مخلوطهایی آزمایشی تهیه کرد .
تعیین نسبت ، اختلاط و بتن ریزی
روشهای انتخاب نسبتهای مخلوط بتن سنگین همان روشهای مورد استفاده در بتن سنگین است . با این حال در ACI211.1 اطلاعات اضافه ای در مورد مخلوط به همراه محاسبات نمونه ارائه شده است . در بخش زیر متداولترین روشهای اختلاط و بتن ریزی بتن سنگین شرح داده می شود :
روشهای مرسوم : اغلب از روشهای مرسوم اختلاط و بتن ریزی استفاده می شود ، اما باید از اضافه بارکردن مخلوط کن پرهیز کرد ، به ویژه در مورد سنگدانه های بسیار سنگینی همچون ذرات پانچی فولادی اندازه محموله را باید تا حدود 50% ظرفیت اسمی مخلوط کن کاهش داد . از آنجا که برخی سنگدانه ها کاملاً ترد وشکننده اند ، باید برای جلوگیری از شکسته شدن سنگدانه ها که تاثیرات زیان بخشی بر کارایی و آب اندازی بتن دارد ، از مخلوط کردن زیاد بتن پرهیز کرد .
روشهای سنگدانۀ پیش آکنده : از این روشها می توان برای ریختن بتن معمولی و سنگین در فضاهای محدود و در اطراف اقلام تو کار استفاده کرد . بدین ترتیب جداشدگی سنگدانۀ درشت به ویژه ذرات پانچی و ساچمه های فولادی به حداقل کاهش پیدا می کند. همچنین با این روش جمع شدگی ناشی از خشک شدن کاهش یافته و بتنی با جرم مخصوص و ترکیب یکنواخت ساخته می شود . در این روش سنگدانه های درشت از پیش در داخل قالبها ریخته شده و سپس دوغابی متشکل از مادۀ سیمانی ، ماسه و آب از طریق لوله پمپ می شود تا فضاهای خالی میان سنگدانه ها پر می شود .
روش پمپاژ : پمپاژ بتن سنگین از طریق خطوط لوله در مکانهای با فضای محدود سودمند است . به دلیل جرم مخصوص بالاتر ، بتن سنگین را نمی توان به اندازۀ بتن معمولی پمپاژ کرد .
روش میل کوبی : در این روش لایه ای ملات به ضخامت mm50 بیشتر در قالبها ریخته می شود و سپس با لایه ای از سنگدانۀ درشت پوشانده شده و با میل زنی یا لرزاندن داخلی به درون ملات رانده می شود . باید دقت کرد تا از توزیع یکنواخت سنگدانه ها در بتن اطمینان حاصل شود .
بتن پیش آکنده
بتن پیش آکنده با ریختن سنگدانۀ درشت به درون قالب در مرحله اول و سپس تزریق دوغاب سیمان – ماسه همراه با افزودنی جهت پر کردن فضاهای خالی ساخته می شود . خصوصیات بتن حاصل مشابه بتنی است که به روشهای معمول ریخته می شود . با این حال به دلیل تماس نوک به نوک ذرات سنگدانه می توان جمع شدگی حرارتی و خشک شدگی کمتری را انتظار داشت .
سنگدانه های درشت باید با الزامات مندرج در استاندارد (ASTM C33) CSA A23.1 مطابقت داشته باشند . به علاوه در بسیاری از مشخصات فنی هر دو مورد حداکثر و حداقل اندازۀ سنگدانه ها محدود می شود . برای مثال حداکثر mm75 و حداقل mm13 . سنگدانه ها معمولاً برای ایجاد مقدار فضای خالی 35% تا 40% دانه بندی می شوند . سنگدانۀ ریز استفاده و در دوغاب معمولاً دارای ضریب ریزدانی 2/1 تا 2 است که تقریباً تمامی آن از الک mm25/1 عبور می کند .
اگر چه روش سنگدانه پیش آکنده اصولاً در کار مرمت و در ساخت حفاظ پرتوگیر راکتور ، پایه های پل و سازه های زیر آبی مورد استفاده قرار گرفته است ، از آن برای احداث ساختمانهایی با معماری غیر معمول نیز استفاده شده است . از آن جا که قالبها پیش از دوغاب ریزی کاملاً با سنگدانه درشت پر شده اند ، با ماسه پاشی یا ابزار زنی سطح با استفاده از مادۀ کندگیر کننده و بررسی کشی سیمی در سنین اولیه می توان به رویۀ سنگدانه نمایان متراکم و یکنواختی دست پیدا کرد .
آزمایشهای بتن پیش آکنده در ASTM C937 تا C943 ارائه شده است . جزییات بیشتر بتن پیش آکنده در ACI 304-00 زیر عنوان « راهنمای اندازه گیری ، حمل و بتن ریزی » آمده است .
بتن پاشیده
بتن پاشیده ملات یا بتن ریزدانه ای است که به صورت بادی با سرعت بالا بیر سطح کار پاشیده می شود . بتن پاشی در سال 1911 ابداع شد و اصول آن تا به امروز ثابت باقی مانده است . در این روش مخلوط نسبتاً خشک بتن با نیروی ضربه ای متراکم می شود و بتن را می توان بدون شره کردن برروی سطوح افقی یا عمودی پاشید .
بتن پاشی را می توان به صورت دو فرآیند خشک یا تر انجام داد . در فرآیند خشک مخلوط از پیش در امیخته سیمان و سنگدانه مرطوب به کمک هوای فشرده از طریق شیلنگ به طرف افشانک رانده می شود . در محل افشانک به مخلوط سیمان و سنگدانه آب اضافه می شود و اجزای کاملاً مخلوط شده بر روی سطح پاشیده می شوند . در فرآیند تر تمامی اجزای بتن از پیش با هم مخلوط شده و سپس مخلوط تر از طریق شیلنگ به سمت افشانک پمپ شده و در آن جا با افشانه شدن هوای فشرده سرعت ان افزایش یافته و بر روی سطح کار پاشیده می شود .
با برخورد مخلوط بتن به سطح کار ، برخی از سشنگدانه های درشت تر تا ایجاد خمیر کافی جهت فراهم شدن بستری برای چسبیدن سنگدانه ، از روی سطح می جهند . برای جلوگیری از اضافه پاشیده شدن بتن ( ملات چسبیده به سطوح نزدیک ) و برجهش ( سنگدانه ای که از روی سطح کار بر می جهد ) ، افشانک را باید عمود بر سطح کار نگه داشت . فاصلۀ مناسب میان افشانک و سطح بسته به سرعت m5/0 تا m 5/1 است .
از بتن پاشی برای هر دو کار ساخت جدید و ترمیمی استفاده می شود . این روش اصولاً برای سازه های بتنی نازک یا خمیده و تعمیرات کم عمق مناسب است ، اما از آن می توان برای اعضای ضخیم نیز استفاده کرد . خصوصیات بتن پاشیدۀ سخت شده به مقدار زیادی به عملکرد کارگر بستگی دارد . جرم مخصوص و مقاومت فشاری بتن پاشیده مشابه بتن معمولی و بتن با مقاومت بسیار بالا است . در بتن پاشیده می توان از سنگدانه هایی با اندازۀ تا mm20 استفاده کرد . اگر چه در بیشتر مخلوطها تنها از سنگدانه های تا mm10 استفاده می شود . برای مخلوطهای تر از 25% تا 30% شن نخودی استفاده می شود . (Austin , Robbins 1995)
از مواد سیمانی مکمل مانند نرمه خاکستر و نرمه سیلیس می توان در بتن پاشی استفاده کرد. این مواد کارایی ، مقاومت شیمیایی و دوام بتن را بهبود می بخشند . استفاده از افزودنیهای تندگیر کننده امکان ایجاد لایه های ضخیم تری از بتن پاشیده را در یک حرکت فراهم می سازد . همچنین این افزودنیها زمان گیرش اولیه را کاهش می دهند . با این حال استفاده از تندگیر کننده اغلب باعث افزایش جمع شدگی ناشی از خشک شدن و کاهش مقاومت در سنین بعدی می شود (1992 دیگران و Gelber ) .
در بتن پاشیده از الیاف فولادی برای بهبود مقاومت خمشی ، دوام و استحکام استفاده می شود . از این الیاف می توان به عنوان جایگزین شبکۀ سیمی آرماتوربندی در کاربردهایی همچون تثبیت شیب سنگی و پوشش تونلها استفاده کرد (ACI 506.1R) . الیاف فولادی را می توان تا 2% حجم کل مخلوط اضافه کرد و در صورت استفاده از الیاف پلی پروپیلن معمولاً می توان 9/0 تا kg7/2 الیاف به ازای هر متر مکعب بتن پاشیده استفاده کرد ، اما از مقدار الیاف 3kg/m1نیز استفاده شده است (The Aberdeen Group 1996).
در ACI 506R ، ASCE (1996) و (200) دیگران و Black راهنماییهایی در مورد استفاده از بتن پاشیده ارائه شده است .
بتن بدون جمع شدگی
بتن بدون جمع شدگی بتن دارای سیمان منبسط شونده یا افزودنی منبسط شونده است که در زمان سخت شدن بتن انبساط ایجاد کرده و بدین ترتیب انقباض زمان خشک شدن ( جمع شدگی ناشی از خشک شدن ) جبران می شود . از بتن بدون جمع شدگی در دالهای بتنی ، روسازی راه ، سازه و کارهای ترمیمی برای به حداقل رساندن ترکهای ناشی از جمع شدگی استفاده می شود . انبساط بتن ساخته شده با سیمان بدون جمع شدگی را باید با روش مشخص شده در ASTM C878 معین کرد .
فولاد آرماتوربندی موجود در سازه بتن را مقید کرده و با منبسط شدن بتن بدون جمع شدگی در کشش قرار می گیرد . به دلیل جمع شدگی ناشی از انقباض خشک شدگی در اثر اتلاف رطوبت بتن سخت شدن ، تنش کششی فولاد کاهش پیدا می کند . تا زمانی که تنش کششی ایجاد شده در بتن از مقاومت کششی بتن تجاوز نکند ، ترک خوردگی پدید نمی آید . بتن بدون جمع شدگی را می توان مشابه با بتن معمولی با انجام چند اقدام پیش گیرانه تعیین نسبت ، پیمانه ، بتن ریزی و عمل آوری کرد . برای مثال با استفاده از عمل آوری اضافی باید از انبساط قابل انتظار اطمینان حاصل کرد .
بتن نفوذ پذیر
بتن نفوذ پذیر ( متخلخل یا دانه درشت ) دارای سنگدانه درشتی با دانه بندی نزدیک به هم ، سنگدانۀ ریز ناچیز یا بدون سنگدانۀ ریز و خمیر سیمان ناکافی برای پر کردن فضاهای خالی میان سنگدانه های درشت است . نسبت آب – مواد سیمانی پایین این بتن کم اسلامپ باعث می شود تا سنگدانه ها در وهلۀ نخست توسط خمیر سیمان و در محل نقاط تماس ذرات سنگدانه درشت در کنار هم بمانند . بدین ترتیب بتنی با حجم بالایی از فضاهای خالی (20% تا 35%) و نفوذ پذیری بالا تولید می شود که امکان عبور آسان جریان را فراهم می سازد .
از بتن نفوذ پذیر در سازه های آبی به عنوان امکانی برای زهکش در محوطه های پارکینگ ، روسازی راه و باند پرواز فرودگاه جهت کاهش روان آب سطحی استفاده می شود . همچنین این بتن با فراهم ساختن امکان نفوذ آب به زمین زیرین ، آب را به آب زیرزمینی محلی باز می گرداند . از بتن نفوذ در زمینهای تنیس و گلخانه ها نیز استفاده شده است .
بتن متخلخل به عنوان مصالح روسازی راه با استفاده از تجهیزات روسازی مرسوم گسترده و با قالب لغزان شکل داده می شود و سپس با غلتک متراکم می گردد . برای کارهای کوچکتر می توان از شمشه لرزان یا غلتکهای دستی استفاده کرد . برای حفظ خصوصیات متخلخل بتن ، سطوح بتن متخلخل را نباید مسدود ساخت . بنابراین شمشه کشی و پرداخت کاری سطح کار مناسبی نیست . مقاومت فشاری مخلوطهای مختلف از 5/3 تا Mpa30 متفاوت است . میزان زهکشی معمولاً از 100 تا 900 لیتر در دقیقه به ازای هر متر مربع متفاوت است .
از بتن درشت دانه به دلیل خصوصیات عایق حرارتی آن در ساختمان سازی ( به ویژه دیوارها ) استفاده می شود . برای مثال مقدار RSI دیوار بتنی متخلخلی به ضخامت mm 250 در مقایسه با مقدار 125/0=RSI دیوار بتنی معمولی ، 9/0 است . همچنین بتن درشت دانه بتنی سبک وزن با جرم مخصوص 1600 تا 3kg/m1900 است و از خصوصیت جمع شدگی ناشی از خشک شدن پایینی برخوردار است . (Malhotra 1976 , Concrete Construction 1983)