بتن با چگالی بالا چیست؟
همه چیز درباره بتن با چگالی بالا
بتن بدون شک یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی در سراسر جهان است و این به دلیل صرفه جویی و کاربردی بودن آن است. اما ماده ای است که در رایج‌ترین شکل خود از مخلوط یک چسب، با مواد دانه‌بندی شده و مقداری افزودنی به دست می‌آید. انواع مختلفی را می‌توان با تغییر مقادیر مخلوط‌ها و مواد افزودنی مانند بتن خود ترمیم شونده به دست آورد. این بار بر روی بتن با چگالی بالا یا سنگین تمرکز خواهیم کرد که از چگالی 3200 کیلوگرم بر متر مکعب فراتر می‌رود. وزن زیادی به این دلیل است که آنها با گرانول‌های متراکم‌تر از حد معمول، یعنی باریت، مگنتیت، هماتیت و برخی دیگر ساخته می‌شوند. به هر روی، در این بررسی به طور کامل بتن با چگالی بالا می‌پردازیم.
بتن با چگالی بالا چیست؟
بتن با وزن 30 کیلو نیوتن بر متر مکعب تا 64 کیلو نیوتن بر متر مکعب را بتن با چگالی بالا یا سنگین (High Density Concrete) می‌گویند. بنابراین، وزن واحد بتن با چگالی بالا حدود 25 درصد بیشتر از بتن معمولی در محدوده 24 کیلو نیوتن بر متر است. این نوع بتن را می‌توان با استفاده از انواع سنگدانه‌های سنگین تولید کرد.
بازاری برای بتن با چگالی بالا (HD) وجود دارد و به نظر می‌رسد که محبوبیت آن افزایش یافته است. اغلب اوقات، بتن با چگالی بالا برای مقاصد محافظت در برابر تشعشع استفاده می‌شود، جایی که می‌توان ضخامت مورد نیاز دیوارهای ساخته شده با بتن معمولی را کاهش داد و در نتیجه فضای کار داخلی بیشتری را فراهم کرد.
در دهه‌های 60 و 70، به دلیل رونق ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای، بتن HD بسیار مورد استفاده قرار می‌گرفت. همچنین این در تاسیسات توسعه سلاح هسته‌ای کاربرد داشت. هزینه بتن با چگالی بیشتر از بتن معمولی بیشتر است، اما به دلیل جرم آن محافظت عالی در برابر تشعشعات مضر ایجاد می‌کند.
همین امر به این بتن برتری ساختاری، دوام و هزینه کمتر بتن نسبت به جایگزین‌ها (سپرهای کامپوزیت سرب یا فولاد) را اضافه کرده است. صنعت ساخت نیروگاه هسته‌ای ممکن است مانند گذشته قوی نباشد اما نیاز به ذخیره سازی زباله یا مواد رادیواکتیو هنوز وجود دارد و بتن پیش ساخته ممکن است بتواند این نیاز را برطرف کند.
بتن با چگالی بالا برای ساخت دیوارهای سپر تشعشع هسته‌ای، بلوک‌های بالاست، وزنه‌های تعادل، دیوارهای دریایی و سایر کاربردهایی که چگالی بالا مهم است استفاده می‌شود. به عنوان یک ماده محافظ، این بتن از راکتورهای هسته ای بتنی، تأسیسات تولید مواد رادیواکتیو، کاتالیزورهای ذرات، رادیوگرافی صنعتی و محافظت در برابر تشعشع در برابر اشعه ایکس و پرتودرمانی پرتو گاما از کاربران در برابر تشعشعات محافظت می‌کنند.
محافظت در برابر خطرات بیولوژیکی تشعشع عمدتاً شامل محافظت در برابر پرتوهای ایکس و گاما و نوترون‌ها می‌شود. انتخاب بتن برای محافظت در برابر تشعشع بر اساس فضای مورد نیاز و نوع و شدت تابش است. در جاهایی که محدودیت فضا وجود ندارد، بتن با کارایی بالا با چگالی مشترک معمولاً اقتصادی‌ترین سپر را فراهم می‌کند. اگر فضا محدود باشد، این موضوع به بتن اجازه می‌دهد تا ضخامت سپر بدون از بین رفتن اثر سپر کاهش یابد.
خواص بتن با چگالی بالا
مشابه بتن با وزن معمولی، خواص این بتن در شرایط ترکیبی و سخت شده تازه را می‌توان با انتخاب مناسب مواد و نسبت اختلاط برای برآورده ساختن نیازهای کاربرد تنظیم کرد. به جزء چگالی، خواص فیزیکی این بتن مشابه بتن با وزن معمولی است. طبق معمول، انرژی تابعی از نسبت مواد آب به سیمان است. بنابراین برای هر ماده معین، می‌توان به مقاومت‌های قابل مقایسه با مقاومت بتن با وزن معمولی دست یافت.
مدول الاستیسیته بالا، انبساط حرارتی کم، خاصیت ارتجاعی کم و تغییر شکل خزشی از خواص مطلوب بتن با‌چگالی‌بالا است. این بتن ممکن است محتوای سیمان بیشتری داشته باشد. در این صورت، ممکن است خزش و انقباض بیشتری را نشان دهد. استفاده از میلگرد تقویتی با دوغاب خوب، می‌تواند استحکام طبیعی ایجاد کند.
کاربرد بتن با چگالی بالا
دلیل استفاده از این نوع بتن خاص ارتباط چندانی با عملکرد مکانیکی آن در سطح سازه‌ای ندارد. این بتنی است که در حفاظ بانک‌ها و گاوصندوق‌ها استفاده می‌شود زیرا بسیار فشرده می‌باشد و عبور از آن دشوار است و البته به عنوان وزنه تعادل در جرثقیل‌ها و در کاربردهای خاص در سازه‌ها برای متعادل کردن بارها و افزایش جرم بدون تأثیر بر حجم استفاده می‌شود.
این ویژگی‌ها به دلیل دوام مواد و مقاومت آن در برابر عوامل خورنده آب نمک در ساخت عناصر نگهدارنده سازه ای و مهاربندی در زیر آب نیز بسیار مفید است. از سوی دیگر، بتن با چگالی بالا در برابر تشعشعات بسیار مقاوم است، به همین دلیل یافتن آن در مناطق خاصی از بیمارستان‌ها و در نیروگاه‌های هسته‌ای فعال و غیرفعال رایج است مانند نمونه معروف «سارکوفاگ چرنوبیل».
همچنین کاربردهای بسیار دیگری برای بتن HD وجود دارند مانند شرایطی که وزن زیادی در حجم‌های کوچکتر مانند بالاست برای خطوط لوله دریایی، سازه‌های موج شکن یا در وزنه‌های تعادل مورد نیاز است. کاربردهای دیگر شامل تضعیف صدا یا ارتعاش، شتاب دهنده‌های خطی و افزایش مقاومت در برابر شناوری هستند. چگالی بتن معمولی حدود 150 پوند بر فوت مکعب است، به دست می‌آیند اما نادر هستند.
سنگدانه‌ها حیاتی‌ترین جزء بتن
بتن با چگالی بالا خوب به سنگدانه‌ها وابسته است. بنابراین کیفیت و انواع سنگدانه‌ها مهمترین فاکتور در فرآیند انتخاب می‌باشند. مهم نیست که چه نوع سنگدانه‌های سنگینی انتخاب می‌شوند، ابتدا باید همان استاندارد کیفیت سنگدانه‌های معمولی مانند ASTM C33، مشخصات استاندارد برای سنگدانه‌های بتنی را داشته باشند. با این حال، بتن باید تمیز، بی‌اثر، عاری از مواد مضر و آلوده به سنگدانه‌های با چگالی معمولی باشند.
شکل ذرات و درجه بندی نیز باید مشابه سنگدانه‌های با چگالی معمولی باشند. اما چگالی نسبی سنگدانه‌ها باید برای تولید چگالی مطلوب بتن مناسب باشد. چگالی سنگدانه‌ها با وزن معمولی حدود 160 پوند بر فوت مکعب است. سنگدانه‌های با چگالی بالا در محدوده 270 پوند بر فوت مکعب هستند. سنگدانه‌هایی مانند مگنتیت، ایلمنیت، هماتیت و باریت در گذشته برای محدوده‌های وزن کم تا متوسط مورد استفاده قرار می‌گرفتند.
نکته مهم در استفاده از بتن با چگالی بالا
- قدرت مکانیکی: همانطور که قبلاً در بالا ذکر کردیم، افزایش چگالی یک مخلوط بتن سنگین نسبت به مخلوط بتن متوسط، به معنای افزایش متناسب خواص مکانیکی آن در برابر فشار، ضربه، سایش، کشش و غیره نیست. به این معنی که بسته به مورد، باید مواد افزودنی به مخلوط اضافه شود که به دستیابی به نیازهای مکانیکی عنصری که با بتن سنگین ساخته می‌شود، کمک کند.
- محافظت در برابر عوامل خارجی: بزرگترین زمینه کاربرد بتن با چگالی بالا در حفاظت بیولوژیکی مانند نیروگاه هسته‌ای یا ساخت و ساز در خاک زیر آب است. باید پیش بینی کرد که این نوع بتن در مقایسه با سازه‌های معمولی در معرض عوامل خارجی بسیار شدیدتری قرار می‌گیرد. ما به تأثیر تغییرات زیاد در دما، ظرفیت نگهداری آب، هدایت حرارتی، گرمای ویژه و ضریب انبساط خطی اشاره می‌کنیم.
- خلوص و قوام بالا: در مورد فاز اختلاط باید تدابیری اتخاذ شود تا مقادیر زیاد سنگدانه‌های مورد استفاده مانند باریت، مگنتیت، هماتیت و غیره، گرد و غبار بیش از حدی ایجاد نکند که بر خواص بتن تأثیر بگذارد. علاوه بر این، البته، اقدامات احتیاطی لازم را انجام دهید تا وزن بالای خود مواد تأثیری در حمل و نقل و استفاده از آن نداشته باشد.
تناسب، مخلوط کردن و ریختن بتن با چگالی
روش‌های انتخاب نسبت اختلاط برای این بتن مشابه روش‌های بتن با چگالی معمولی است. نسبت آب به سیمان از 0.5 تا 0.65 متغیر می‌باشد، معمولاً از 1: 5 تا 1: 9. آنها بتن با چگالی بالا و بدون ترک تولید می‌کنند. در روش سنتی اختلاط، حمل و جاسازی بتن را می‌توان با بتن سنگین مطابق با بتن معمولی تطبیق داد اما مراقب باشید که میکسر را اضافه بار نکنید! اندازه دسته باید به حدود 50 درصد از ظرفیت نامی میکسر کاهش یابد.
از آنجایی که برخی از سنگدانه‌ها با چگالی بالا به اندازه کافی شکننده هستند، باید از اختلاط بیش از حد برای جلوگیری از متلاشی شدن کلی با اثرات مضر بر زنده ماندن و آب انداختگی اجتناب شود. برای جلوگیری از جدا شدن سنگدانه‌های سنگین‌تر از بقیه مواد، ممکن است به مقدار سیمان بالاتری نیاز باشد.
روش‌های پیش فرض سنگدانه‌های بتن را می‌توان برای قرار دادن بتن با چگالی بالاتر در مناطق محدود و اطراف مواد جاسازی شده استفاده کرد. این امر جداسازی کل درشت با چگالی بالا، به ویژه فولاد قراضه را کاهش می‌دهد. این روش انقباض خشک شدن را کاهش می‌دهد و تراکم و ترکیب یکنواخت بتن را ایجاد می‌کند. در این روش سنگدانه‌های درشت با مواد سیمانی و قالب‌های ماسه ای جایگزین شده و دوغاب می‌شوند و سپس از طریق لوله‌ها پمپ می‌شوند تا آب پر شود.
نگرانی‌های ویژه تولید بتن با چگالی بالا
روش‌های اندازه گیری، اختلاط، انتقال و ریختن بتن با چگالی بالا یا سنگین تا حدودی شبیه به روش‌هایی است که در ساخت و ساز بتن معمولی استفاده می‌شود، با این حال تخصص ویژه و برنامه ریزی کامل برای جلوگیری از هرگونه مشکل ضروری است. توصیه‌های بچینگ و نسبت مخلوط برای بتن چگالی بالا را می‌توان در ACI 211.1-91.2 یافت. همه سیمان‌های مطابق با ASTM C150 یا ASTM C595 که برای بتن معمولی مناسب هستند، باید برای استفاده در بتن با چگالی سنگین نیز مناسب باشند.
سیمان کم قلیایی باید زمانی استفاده شود که ترکیبات واکنش دهنده قلیایی در سنگدانه‌ها وجود داشته باشند. به عنوان یک بتن سنگین وزن، طراحی بتن با چگالی بالا شبیه بتن‌های با وزن معمولی است، اما وزن اضافی باید در نظر گرفته شود. بتن مرسوم با چگالی بالا ممکن است حاوی یک ماده افزودنی کاهنده آب باشد که الزامات ASTM C4944 را برآورده کند. مواد افزودنی حباب کننده هوا معمولاً در بتن با چگالی بالا که در معرض یخ زدگی و ذوب قرار نمی‌گیرند استفاده نمی‌شوند زیرا استفاده از آنها باعث کاهش چگالی بتن می‌شود.
اگر مخلوط‌های بتن دارای چگالی کافی برای اجازه دادن مقداری هوای حباب شده باشند، مزایای قطعی از جمله کاهش خونریزی، کارایی بیشتر و بتن همگن‌تر وجود دارند. به خاطر داشته باشید که بتن با‌چگالی‌بالا با محتوای سیمان بالا و نسبت آب به سیمان کم ممکن است خزش و انقباض بیشتری را نشان دهد.
دو روش اساسی برای قرار دادن بتن با چگالی بالا وجود دارند. روش اول معمولاً به عنوان روش دانه بندی از پیش قرار داده شده نامیده می‌شود. در این روش سنگدانه‌های با چگالی‌بالا در قالب قرار می‌گیرند و یک دوغاب داخل سنگدانه‌ها ریخته می‌شود و فضاهای خالی را پر می‌کند. برای اهداف این مقاله، به بتن بتن با‌چگالی بالا با بتن ریزی معمولی می‌پردازیم.
برای مخلوط کردن بتن با چگالی بالا می‌توان از تجهیزات اختلاط استاندارد استفاده کرد، اگرچه ابتدا باید با سازنده تراک میکسر مشورت کرد. مراقب باشید تا تجهیزات اختلاط و قرار دادن، از جمله تسمه نقاله، اضافه بار نباشد. به طور کلی، حجم مجاز بتن بتن با چگالی بالا مخلوط شده باید معادل وزن مخلوط بتن با چگالی معمولی باشد تا ظرفیت حجمی تجهیزات اختلاط!
قالب برای بتن با چگالی بالا به طور معمول باید به دقت انتخاب و بازرسی شود زیرا در مقایسه با قالب‌های قابل مقایسه برای بتن معمولی تحت تنش‌های قابل توجه بالاتری قرار می‌گیرد. حمل و جابجایی بتن پیش ساخته بتن با چگالی بالا نیز مشابه بتن با وزن معمولی است اما وزن بالاتر آن را باید با توجه به ظرفیت‌های باربری وسایل نقلیه حمل و نقل، جاده‌ها و جرثقیل‌های نصب در نظر گرفت. حمل و نقل بتن با چگالی بالا برای مدت زمان طولانی می‌تواند منجر به استحکام یا بسته‌بندی بیش از حد شود.
جدایی سنگدانه‌های بتن
قرار دادن بتن مرسوم مخلوط بتن‌با‌چگالی بالا مشمول همان ملاحظات کنترل کیفی بتن با چگالی معمولی است، با این تفاوت که به دلیل جابجایی نامناسب، به مراتب بیشتر مستعد تغییرات در کیفیت است. سنگدانه‌های سنگین به ویژه در هنگام قرار دادن در معرض تفکیک قرار می‌گیرند. جداسازی بتن با چگالی بالا نه تنها منجر به تغییر مقاومت می‌شود بلکه مهمتر از آن، جداسازی بر تراکم بتن تأثیر می‌گذارد.
تراکم ناسازگار برای محفظه‌های محافظ تشعشع قابل قبول نیست زیرا چگالی مستقیماً با اثربخشی خواص محافظ بتن مرتبط است. تثبیت یکنواخت کلید دستیابی به تراکم یکنواخت و بهینه است. در بتن با‌چگالی‌بالا، ویبراتورها دارای مساحت موثر یا شعاع عمل کمتری هستند. بنابراین، برای اطمینان از اینکه بتن به درستی یکپارچه شده است، باید دقت بیشتری انجام شود. اگر از ویبراتورهای نوع استینگر استفاده می‌شود، باید آنها را در فواصل نزدیک و فقط در عمقی قرار داد که باعث اختلاط کامل لایه‌های مجاور شوند.
آزمایش‌های کنترل کیفیت بتن تازه مخلوط شده بسیار شبیه بتن معمولی است و باید شامل آزمایش‌های وزن واحد، دما، اسلامپ و محتوای هوا باشد که مطابق با روش‌های آزمایش مناسب ASTM انجام شده‌اند. آزمایش مقاومت فشاری ممکن است بر اساس ASTM C39.5 انجام شود. تلورانس‌ها برای رد بتن با چگالی بالا باید در مشخصات ساخت و ساز تعیین شوند تا با پارامترهای طراحی سازه‌های درگیر مطابقت داشته باشند.
استفاده از ناودان‌های بلند و سخت یا لوله‌ها باید اجتناب شود، زیرا طول افت زیاد می‌تواند باعث جداسازی مخلوط گردد. در جاهایی که بتن باید در اشکال باریک یا از طریق مناطق محدود قرار داده شود، باید از یک لوله کشی کوتاه و انعطاف پذیر که تمایل به فروریختن و مهار ریزش بتن با چگالی بالا دارد، استفاده شود.
کلام آخر
در صورتی که فرصتی برای پیشنهاد پروژه‌ای با بتن پیش ساخته با چگالی بالا پیدا کردید، اطمینان حاصل کنید که برای کار با این مواد قبل از مناقصه مجهز هستید و مسائل مربوط به تولید را درک می‌کنید. بتن با‌چگالی بالا می‌تواند به یک بازار خاص برای تولیدکنندگان پیش ساخته تبدیل شود که آماده و قادر به سازگاری هستند. بتن با‌چگالی‌بالا برای موارد خاص استفاده می‌شود و هزینه‌های تولید آن بالاست.
منابع: