اهمیت بتن سبک و تاثیر  فوق روان کننده در خواص مهندسی بتن سبک


چکیده

با توجه رشد روز افزون ساخت سازه های بتنی مرتفع، وزن باالی این سازه ها عاملی است که محققان را وادار به بررسی این موضوع جهت کاهش وزن بتن بدون تاثیر زیاد بر خواص مهندسی بتن کرده است.

یکی از این راهکارها استفاده از بتن سبک است. در این پژوهش ابتدا مزایای بتن سبک به اختصار توضیح داده شده و سپس به مقایسه مقاومت فشاری بین بتن سبک و بتن معمولی بدون افزودنی پرداخته شده است. در ادامه به بررسی تاثیر میزان روان کننده و مقدار ریز دانه و درشت دانه در طرح های اختلاط مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. در نتیجه این تحقیق ثابت شده که اول بتن سبک توان رقابتی

بسیار خوبی در مقابل بتن معمولی دارد و تفاوت زیاد وزن مخصوص می تواند عامل مهمی در پژوهش بیشتر بر روی این نوع بتن و استفاده آن در سازه های مرتفع باشد و دوم در صورت استفاده کم یا زیاد از

حد روان کننده در بتن سبک شاهد کاهش مقاومت فشاری و مدول االستیسیته آن خواهیم بود.

 سوم،

رعایت توازن در میزان ریز دانه و درشت دانه در مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته بتن سبک تاثیر گزار می باشد .

مقدمه

بتن کاربردی ترین و پرمصرف ترین مصالح مورداستفاده در جهان است. هزینه نسبتاً پایین، آسانی کاربرد و مقاومت فشاری بالای بتن از دلائل اصلی مقبولیت این ماده در دنیا به شمار میآید. از جمله مواردی که از همه با اهمیتتر است مواد اولیه این ماده ساختمانی بوده که به وفور در همه جای دنیا یافت میشود. بتن سبک با توجه به استفاده از مصالح سبکتر باعث کم شدن وزن و قطر ستونهای سازه و درنتیجه صرفه جویی در مصرف مصالح ساختمانی میشود.

علل انجام تحقیق بر روی بتن سبک

بتن معمولی یکسری نقاط ضعف در این نوع بتن وجود دارد از جمله مهمترین آنها میتوان به وزن باالی آن به خصوص در ساختمانهای بلند اشاره کرد. تالش برای کاهش وزن بتن منجر به نوآوری جدید و ساخت بتن های سبک شده است. اعضایبتنی به علت مقاومت کمتر بتن نسبت به فوالد، در مقایسه با اعضای فوالدی دارای ابعاد بزرگتری هستند و از این رو وزن اعضا در ساختمان های بتنی بخش قابل توجهی از بار وارده به ساختمان را تشکیل میدهد. در ده های اخیر تحقیقات زیادی توسط محققین بر روی سبکسازی با استفاده از بتن با سنگدانههای سبک در ساخت بناها معطوف شده است بهطوری که استفاده از مصالح طبیعی و مصنوعی سبکوزن، بهعنوان یک راهحل مؤثر در جهت کاهش ابعاد سازه و به حداقل رساندن نیروی زلزله وارد بر ساختمان و در نهایت افزایش سرعت و سهولت اجراء و اقتصادی شدن طرح مورد توجه است.

طبق تحقیقات به عمل آمده در بتن سبک دانه نسبت بتن معمولی، پیوند بین سنگدانه و ماتریس قویتر است. خمیر سیمان به دلیل طبیعت متخلخل سنگدانهها، به داخل آن نفوذ میکند؛ بنابراین ناحیه انتقالی واسطه بین سنگدانه ها و ماتریس وجود ندارد و یا در صورت وجود خیلی کوچک است. این موضوع از حیث پایایی بتن از اهمیت باالیی برخوردار است به دلیل  اینکه این ناحیه در بتن معمولی ضعیفترین ناحیه است. لذا در سالهای اخیر و با بررسی دوام سازه های بتنی مسلح به ویژه در مناطق خورنده برای بتن، نظر اکثر کارشناسان و سازندگان سازه های بتنی به این مسئله جلب شده است که مقاومت بتن هایی نمیتواند جوابگوی کلیه خواص مربوط به بتن بخصوص دوام آن باشد و الزام است در طراحی بتن برای مناطق مختلف عالوه بر مسئله مقاومت و تحمل بارها در طول مدت بهره دهی، پایایی و دوام آن نیز مدنظر قرار گیرد.

اگر از دید دیگر نیز به مسئله توجه شود مالحظه می گردد که مسئله محیط زیست و آلودگی آن نیز در سالهای اخیر نظر جهانیان را به خود معطوف ساخته است. کاربرد مواد و مصالحی که در ساخت آن آلودگی کمتری به محیط منتقل گردد و همچنین برداشت مصالح طبیعی که کمتر محیط را تخریب نماید، مورد توجه خاص قرار دارد. در ضمن تخریب بتن های سبک  دانه نسبت به بتن معمولی انرژی کمتری میطلبد چون میتوان از ماشین آلات کوچکتری استفاده کرد.

جدای از این موضوع، چون این بتنها حاوی هوا هستند، حجم نخاله در هنگام تخریب کمتر از هنگامی است که از بتن معمولی استفاده میشود. لذا با مزیتهای بیشماری که این نوع بتنها دارند استفاده از بتن سبک دانه در حال افزایش است و تحقیقات و ابداعات برای توسعه بتن های سبکدانة سازهای باید ادامه یابد.

خلاصه ای از تحقیقات انجام گرفته در این زمینه تحقیقات انجام شده را میتوان به دو دسته مطالعات محاسباتی آزمایشگاهی تقسیم بندی نمود. در زیر خالصه از چند مورد از  تحقیقات ذکر شده است.

TOPCU گزارش داد که کاهش بار مرده به وسیله کاربرد بتن سبک سبب کاهش مقاطع ستونها، تیرها و پی میگردد.Khaiat, Haque

اثر عمل آوری داخلی آغازین بر روی خواص فیزیکی و مقاومتی بتن سبک را موردبررسی قراردادند.

آنها بتن سبک با مقاومت فشاری (

cm/Kg(055و وزن مخصوص

3 m

kg

0055  تولید کردند

al et Alduaij و همکاران بر روی بتن سبک در نواحی ساحلی با استفاده از سبک دانههای متفاوت شامل آجرهای خردشده سبک، لیکا و شن معمولی با حذف ریزدانه مطالعه کردند. آنها بتن سبک با مقاومت فشاری استوانه ای

2cm/225Kg  و وزن مخصوص Airdry ،0025 کیلوگرم بر مترمکعب به دست آوردند .

al et Rossignolo و همکاران نتایج بتن سبک سازهای حاصل از لیکا را گزارش دادند. در مطالعاتشان مقدار سیمان مورد  استفاده در طرح های اختالط از 445 تا 005 کیلوگرم بر مترمکعب است. مقاومت فشاری مرطوب 20 روزه و وزن مخصوص خشک به ترتیب از 590 تا 055 کیلوگرم بر سانتی متر مربع و از 0455 تا 0550 کیلوگرم بر متر مکعب متغیر است .

Wischers و Manns چنین عنوان کردند که در حال حاضر اگر سبکدانه مقاومت باال و شن طبیعی بکار گرفته شوند، بیشترین مقاومت فشاری بدست آمده حدود 555 کیلوگرم بر سانتی متر مربع است ) 05 مگا پاسکال(.

با کاربرد دوده سیلیسی فشرده و فوق روان کننده ها بتن های سبک، مقاومت های فشاری بیشتر از 05 مگا پاسکال را دارا خواهند بود. گرچه چنین مقاومتی برای خیلی از نیازهای سازهای الزم نیست، اما استفاده از بتن سبک مقاومت باال در

بعضی موارد مانند سکوهای حفاری ساحلی فواید بسیاری دارد.چنین بتنی دارای شناوری بیشتری بوده و در نتیجه برای تزریق در آبهای عمیق آسان تر است .

Atiz و همکاران نشان دادند که میتوان با دانههای پومیس و 05 %وزنی سیمان میکرو سیلیس به صورت جایگزین، میتوان به مقاومت فشاری MPa 0/45 با وزن مخصوص خشک در حدود 0025 کیلوگرم بر متر مکعب بعد از گذشت 95 روز دستیافت.

تحقیقات Agnesini و همکاران نشان دادند که با استفاده از دانههای سبک میتوان به مقاومت فشاری 20 روزه معادل MPa 5/05 با وزن مخصوص خشک در حدود 0550کیلوگرم بر متر مکعب دستیافت.

Malhotra و همکاران نیز توانستند با استفاده از سنگدانههای سنگرسی منبسط شده به بتن سبکی با مقاومت فشاری MPa 05 در 550 روز که دارای وزن مخصوص 2555 کیلوگرم بر متر مکعب بوده است، دست یابند.

با توجه به نوشته های بالا و قرارگیری ایران در خطوط زلزله، نیاز به ساخت سازههایی با مقاومت بهتر و وزن سازهای کمتر بسیار مهم و تأثیر گزار است. متأسفانه به دلیل نبود تحقیقات و علم کافی و همچنین نبود متخصصین درزمینه ساخت و محاسبه برای سازههایی با بتن سبک به خصوص در ایران، همچنان از بتن معمولی در ساخت سازه ها استفاده میشود.

مقایسه ای مختصر بین بتن سبک و معمولی

 مقایسه بین مصالح مصرفی

الف . مقدار استفاده از فوق روان کننده در بتن سبک بسیار کم می باشد و دلیل اصلی استفاده از آن جذب آب توسط سبک دانه ها و نیاز به روان کننده مناسب برای حفظ کارایی بتن است..مقایسه وزن مخصوص

ب. مهمترین و بارز ترین تفاوت این دو نوع بتن در وزن آن ها می باشد . به طوری که طبق جدول 2 تفاوت وزن مخصوص در هر متر مکعب بتن بین 555 تا 055 کیلوگرم می باشد . این تفاوت در ساخت ساختمان های بیش از چهار طبقه بسیار زیاد خواهد بود و با کم کردن این وزن می توان هم در مصرف میلگرد صرفه جویی کرد و هم قطر ستون ها و تیر ها کاهش می یابد در کنار این عوامل مقدار عمق پی و وزن آن نیز کاهش پیدا میکند که در بخش صرفه اقتصادی در مورد آن بحث شده است .

ج . مقایسه مقاومت فشاری

بر خلاف تصورات و یک سری نتایج بدست آمده از آزمایشات بتن سبک بدون استفاده از پوزوالن های معمول جایگزین وزنی سیمان، نتایج خوب و قابل قبولی از خود نشان داده است  مقاومت با پوزوالن ترکیبی 05 درصد میکروسیلیس و 05 درصد متاکائولن و بدون استفاده از پوزولان با بتن معمولی مقایسه شده است

-1.مقایسه و تحلیل نتایج

 مقایسه ای میان وزن مخصوص صورت گرفته است:

همانطور که  مشخص است طرح 0-FX در آزمایشها که بدون استفاده از پوزوالن در سیمان است، نتایج بهتری از

خود نشان داده ولی برای طرح 5 که از پوزوالن متاکائولن در سیمان استفاده شده است در مقایسه با طرح 15-FB1 با اختلاف اندکی مقاومت کمتری حاصل شده است. بهترین نتیجه مقاومت فشاری مربوط به طرح 15-FB1 است که مقاومت آن 400کیلوگرم بر سانتیمتر مربع بهدستآمده است و در این طرح از 00 درصد متاکائولن جایگزین وزنی سیمان استفاده شده است.

تفاوت بین طرحهای FB1 و FB2 فقط در مقدار فوق روان کننده مورداستفاده است و در طرحFD عالوه بر تفاوت میزان فوق  روان کننده میزان مصالح زیر دانه نیز اندکی کمتر است. این مسئله نشاندهنده این است که با کاهش مقدار روان کننده در  طرح اختالط ساخت بتن سبک بخصوص در اختالطهای حاوی سیمان پوزوالنی مقاومت بهطور چشمگیری کاهش مییابد. در مقایسه وزن مخصوص، در تمامی طرحها وزن مخصوص اختالف کمی دارد. همانطور که مشخص است همانند نتایج و مقایسه حاصل شده در مقاومت فشاری طرح شاهد مدول الاستیسیته بهتری نسبت به طرحهای شاهد مقاله مورد مقایسه را دارا است .

ولی در مقایسه بین طرح 15-FB1 و طرح 5 اختالف بسیار کم است و همانند نتایج مقاومت فشاری، نتیجه مشابه کاهش  مدول االستیسیته در اثر کاهش مقدار روان کننده در مقاله مورد مقایسه، نشاندهنده تأثیر زیاد اثر روان کننده بر مدول الاستیسیته نیز است. اختلاف نتایج آزمایش های بدست آمده نیز با آیین نامه ACI ،نزدیک و قابل قبول است.همچنین افزایش مقدار روان ککنده نیز نتیجه معکوس داشته و با افزایش بیش از اندازه روانی بتن باعث افت مقاومت می شود .

در آزمایش ها دو طرح FX به صورت متوازن شده هستند ولی در مقایسه با طرح 15-FB1 مقاومت کمتری نشان داده است که می توان با افزایش مقدار فوق روان کننده در طرح مقاومت را بالاتر برد .

همانطور که در مقایسه طرح های FX با بقیه طرح ها مشاهده میشود تاثیر مقدار ریز دانه ) ماسه ( و درشت دانه )لیکا(، کاملا در نتایج مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته مشهود است . بطوری که در طرح 0-FB2 افزایش مقدار سیمان و کاهش روان  کننده باعث افت شدید مقاومت فشاری شده است . همچنین همین طرح در مدول االستیسیته نیز کمترین مقدار را ثبت  نموده است .

در طرح های بدون افزودنی متاکائولن، طرح 0-FX بهترین نتیجه را از خود نشان داده است و این طرح می تواند اثباتی برای  توازن میان زیر دانه و درشت دانه و همچنین مقدار سیمان و آب اختلاط باشد . با توجه به اهمیت این طرح به علت عدم  مصرف هیچ گونه افزودنی باید گفت که می توان با تغییر مقدار نسبت آب به سیمان و تغییر مقدار درشت دانه به ریز دانه به  مقاومت بالاتری برای بتن سبک دست یافت .

 در مدول الاستیسیته نیز این طرح نسبت به باقی طرح های بدون افزودنی نتیجه  بهتری از خود نشان داده و با محاسبه تخمینی آیین نامه 213R-ACI هم پوشانی مناسب تری را داراست.

کمترین میزان فوق روان کننده در طرح 0-FD استفاده شده است اما نتیجه آن کمترین مقدار مقاومت نبوده، بلکه اگر این طرح را با طرح 0-FB2 مقایسه شود تفاوت در مقدار ریز دانه نیز هست . بدین صورت می توان نتیجه گرفت که با تغییر مقدار استفاده از مصالح ریز دانه مقدار روان کننده نیز باید به تناسب تغییر کند.

سبک دانه ها با جذب آب باعث کاهش روانی بتن میشوند و با باالبردن استفاده از آنها به عنوان مصالح درشت دانه، مقدار مصرف روان کننده نیز باید افزایش یابد. در صورت استفاده از افزودنی ها ، مانند میکروسیلیس یا متاکائولن و...، مقدار روان  کننده افزایش میابد به دلیل اینکه این افزودنی آب بتن را جذب کرده و باعث افت مقاومت بتن می شوند.

در مقایسه مصالح مصرفی بین طرح های بدون افزودنی ، در طرح FX درشت دانه بسیار کمتر و ریز دانه بیشتری استفاده شده  است .نتیجه اینکه استفاده بیشتر از اندازه درشت دانه در طرح اختالط باعث کاهش روند رشد مقاومت نهایی بتن سبک شده  است و این می تواند به دلیل کم بودن زیر دانه ها و عدم چسبندگی مناسب مصالح در خمیر سیمان باشد. به دلیل اینکه در  بتن سبک، سبک دانه ها به دلیل داشتن خلل و فرج در خود مقداری آب حفظ می کنند در صورت توازن میان ریز دانه و درشت دانه ، این آب می تواند در فرایند هیدراسیون سیمان و واکنش های بتن تا رسیدن به مقاومت نهایی نتیجه مثبتی را داشته باشد . در بتن سبک مقاومت نهایی می تواند تا سن نود روزگی همچنان رشد قابل ملاحضه ای از خود نشان دهد .

در صورت استفاده دو پوزوالن بصورت ترکیبی ده درصد میکروسیلیس و ده درصد متاکائولن جایگزین وزنی سیمان و با مقدار  مشابه ریز دانه و درشت دانه همانند طرح FX مقدار مقاومت در سن 20 روزه ، 500 کیلوگرم بر سانتی متر مربع بدست آمده  در صورتی که در سن نود روزه این مقدار به 455 کیلوگرم بر متر مربع رسیده است. این مطلب نشان می دهد با افزایش مقدار  پوزولان جایگزین وزنی سیمان، رشد مقاومت کند تر شده و واکنش های خمیر سیمان در بتن رواند تکاملی خود را در سنین بالاتر ( برخلاف بتن معمولی) ادامه می دهد .

توضیحاتی که در مورد بتن سبک بدون مواد افزودنی جایگزین وزنی سیمان و برتری طرح 0-FX داده شده در نتایج وزن مخصوص نیز مشهود است. این طرح کمترین مقدار وزن مخصوص را ثبت نموده است . اهمیت بالای بتن سبک در کاهش بار  مرده سازه می باشد و این طرح با مقاومت مناسب وزن مخصوص بسیار خوبی نیز از خود نشان داده است.

همانطور که در توضیحات مقایسه مقاومت فشاری گفته شده است توازن بین مصرف درشت دانه و ریز دانه و مقدار سیمان در  طرح اختلاط، می تواند عاملی موثر در باال بردن مقاومت فشاری بتن سبک با حفظ وزن است .

نتیجه گیری

در این پژوهش، با بررسی تحقیق ها و فعالیت های گذشته سعی بر نشان دادن تاثیر مقدار مصرف فوق روان کننده و اهمیت رعایت نسبت مصالح برای ساخت بتن سبک با مقاومت فشاری و وزن مخصوص مناسب شده است. و همانند پژوهش های  پیشین بر مزیت های بالای استفاده از این نوع بتن تاکید شده است.در مقایسه بتن سبک با بتن معمولی ، بتن سبک با تفاوت کمی در مقدار مقاومت فشاری و تفاوت باال در وزن مخصوص و مزیت هایی از جمله تحمل باالی حرارت، عایق صوت و دما و...  انتخاب بهتری برای استفاده در سازهای بلند مرتبه می باشد. همچنین با توجه به تخریب آسان تر این سازه ها و ساخت سازه های جدید صرفه جویی در زمان، انرژی و هزینه را نیز میتوان بر محسنات آن اضافه نمود .

با بررسی تاثیر مقدار روان کننده  مشاهده شد مصرف به اندازه فوق روان ککنده در طرح اختالط باعث افزایش مناسب مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته شده است . با بررسی مقدار ریز دانه و درشت دانه، مقدار درشت دانه کمتر و ریز دانه بیشتر در مقایسه انجام شده در طرح های بدون پوزولان ، نتیجه خیلی بهتری بدست آمده است.

پیشنهادات

• بررسی تغییرات مقاومت بتن سبک با و بدون پوزولان با استفاده از تصاویرمیکروسکپی ) SEM)
• بررسی اثر میزان آب به سیمان و میزان فوق روان کننده بررسی کامل صرفه اقتصادی استفاده از سبکدانه و بلوک سبک جایگزین بلوک های معمولی
• بررسی صرفه اقتصادی و مقاومتی انواع سقف های سبک
• تحقیقات بیشتر بر روی طرح های اختلاط با مقاومت بالاتر و با صرفه اقتصادی
• بررسی مقاومت لرزه ای و تنش های ایجاد شده بر اثر زلزله بر روی سازه با بتن سبک و مقایسه آن با بتن معمولی