مقاله تحلیلی: کاربرد بتن فوق توانمند در پیش‌ ساخته سازی

بتن فوق توانمند (UHPC) یک نوع در حال ظهور از بتن است که مشخصه آن مقاومت فشاری خیلی بالا، شکل‌پذیری قابل‌توجه بعد از ترک خوردن و دوام استثنایی در مقایسه با بتن معمولی است. UHPC معمولاً با مقاومت فشاری حداقل 17000 psi تا بیش از 30000 psi خود از بتن‌های معمولی و بتن‌های توانمند متمایز می‌شود. همچنین می‌تواند مقاومت کششی بیش از 1000 psi بعد از ترک خوردن داشته باشد، کاهش سرعت انتشار کلرید کمتر از یک‌دهم سرعت آن در بتن معمولی است و در برابر یخ زدن و ذوب شدن هم آسیب‌پذیر نیست. همچنین بیشتر UHPCها خود متراکم هستند.

به دلیل این ویژگی‌های عملکردی استثنایی، UHPC منافع زیادی برای صنعت بتن پیش‌ساخته سازی ازجمله امکان طراحی سطح مقطع‌های کوچک‌تر، پیش تنیدگی بیشتر و کاهش آرماتورهای تقویتی معمول، امکان تولید اعضا با دهانه‌های بیشتر و تکیه‌گاه‌های میانی کمتر و در نتیجه فضای قابل‌استفاده بیشتر بین پایه‌های پل‌ها و ستون‌های ساختمان‌ها و تسریع فرآیند ساخت‌وساز دارد. علیرغم مزایای زیاد، استفاده از UHPC در پیش‌ساخته سازی گران‌قیمت است؛ تولید مصالح آن بسیار پیچیده یا گران‌قیمت است. بااین‌حال کارهای تحقیقاتی در حال انجام توسط سازمان‌های حمل‌ونقل ایالتی و فدرال، تحقیقات دانشگاهی و صنعت باعث شده UHPC با استفاده از مصالح محلی، بتوان از آن استفاده بیشتری کرد. در این مقاله در مورد بعضی از پیشرفت‌های اخیر در ایجاد و استفاده از UHPC در صنعت پیش‌ساخته سازی بحث می‌شود.

مخلوط UHPC 

عملکرد استثنایی UHPC ریشه در مصالح تشکیل‌دهنده آن و نسبت‌های اختلاط آن‌ها دارد. مصالح UHPC نه‌تنها به دلیل مشخصات واکنش‌پذیری‌شان بلکه به دلیل قابلیت چسبندگی و ایجاد یک خمیر چگال تر نسبت به بتن معمولی انتخاب می‌شوند. مصالحی که معمولاً در UHPC استفاده می‌شوند عبارت‌اند از: سیمان، سیلیکا فوم و یک مصالح پودری دیگر با اندازه بین این دو مانند سرباره، خاکستر آتش‌فشانی یا سیلیکا فوم. ماسه ریز – اغلب ریزتر از ماسه بتن معمولی – بقیه خمیر را پر کرده و از سنگ‌دانه درشت استفاده نمی‌شود. یک افزودنی کاهنده آب قوی (HRWRA) که معمولاً بر پایه فناوری پلی کربوکسیلات است، باعث ایجاد ویژگی خودتراکمی شده و امکان جاری بودن مخلوط حتی در نسبت‌های آب به مواد سیمانی کمتر از 0.20 را فراهم می‌کند. در نهایت الیاف فولادی پر مقاومت با مقدار 1 تا 3 درصد حجم بتن اضافه می‌شود که تا مقاومت کششی بیشتر و شکل‌پذیری بعد از ترک خوردن بتن فوق توانمند فراهم شود.

تولیدکنندگان بتن پیش‌ساخته متعددی نشان داده‌اند که می‌توان مخلوط‌های بتن فوق توانمند را با استفاده از مصالح مختلفی که در حال حاضر برای ساخت بتن معمولی استفاده می‌شوند هم تولید کرد. در کل یک کارخانه پیش‌ساخته سازی معمول بسیاری از اجزای اصلی مخلوط UHPC را دارد (که سیمان پرتلند، سیلیکا فوم، مصالح سیمانی مکمل و HRWRA مؤثر هستند) و تنها باید ماسه نرم مناسب و الیاف فولادی پر مقاومت را برای تولید بتن فوق توانمند تهیه کند. دو روش معمول برای ایجاد مخلوط‌های بتن فوق توانمند غیراختصاصی با مصالح محلی موجود وجود دارد. اولین روش با اختلاط آزمایشی تکراری است که در آن مخلوط‌های کوچکی از مصالح و نسبت‌های اختلاط مختلف تولید می‌شوند و نسبت‌ها و مصالحی که مطلوب‌ترین مشخصات را ایجاد کنند برای تولید انتخاب می‌شوند. روش دوم با بهینه‌سازی تجربی مدل‌های بسته‌بندی ذرات است که می‌توان از آن برای شناسایی مصالح تشکیل‌دهنده خشک و نسبت‌هایی که باعث ایجاد مطلوب‌ترین حالت می‌شوند استفاده کرد؛ این کار معمولاً با چند مخلوط آزمایشی محدود برای شناسایی نسبت آب به مواد سیمانی مناسب، نوع HRWR و مقدار HRWR در مخلوط نهایی همراه است. عملکرد مخلوط‌های آزمایشی را می‌توان ازنظر کارایی اولیه (سرعت جریان)، مقاومت فشاری و عملکرد خمشی یا کششی ارزیابی کرد؛ ارزیابی دیگر مشخصات ازجمله مقاومت در برابر نفوذ کلرید یا دوام در برابر یخ زدن – ذوب شدن را هم می‌توان در نظر گرفت.

تولید اعضای UHPC پیش‌ساخته

تولید اعضای UHPC پیش‌ساخته را می‌توان با استفاده از تجهیزاتی که برای تولید  المان‌های پیش‌ساخته معمولی استفاده می‌شود انجام داد. تقریباً هر نوع میکسری توانایی تولید UHPC را با دادن زمان اختلاط کافی دارد – حتی یک کامیون میکسر. برخلاف بتن معمولی، UHPC معمولاً با مخلوط کردن تمام مصالح پودری و ماسه و سپس اضافه کردن تدریجی آب و HRWR و اختلاط تا روان شدن مصالح انجام می‌شود. این زمان بسته به بهره‌وری میکسر و HRWR مورد استفاده ممکن است از 5 تا 15 دقیقه طول بکشد. بعد از رسیدن به روانی مناسب، الیاف‌ها به‌تدریج اضافه می‌شوند تا از انباشته شدن آن‌ها جلوگیری شود و سپس مصالح از میکسر تخلیه‌شده و در قالب ریخته می‌شود.

روش‌های مورد استفاده برای ریختن UHPC در قالب عموماً مشابه روش‌های مورد استفاده برای بتن خودتراکم هستند. بااین‌حال باید به اثر فرآیند بتن‌ریزی بر جهت‌گیری الیاف که تأثیر زیادی بر عملکرد مکانیکی دارد توجه کرد. ریختن بتن UHPC باید به‌گونه‌ای باشد که از تشکیل درزهای سرد جلوگیری شود. در صورت امکان UHPC باید در یک مرحله و از یک محل به‌صورت پیوسته ریخته شده و از لرزش داخلی برای پرهیز از کاهش احتمال جدا شدن الیاف اجتناب شود. نقطه‌ضعف UHPC خشک شدن در روزهای ابتدایی و ترک ناشی از جمع شدگی پلاستیک است؛ بنابراین سطح عضو باید بلافاصله بعد از بتن‌ریزی پرداخت و پوشانده شود. درحالی‌که می‌توان از گرما برای تسریع هیدراسیون اولیه استفاده کرد، ممکن است از یک روش عمل‌آوری حرارتی (مانند بخار داغ) هم برای مقاومت اولیه بالاتر یا برای جبران تغییرات حجمی به دلیل جمع شدگی و خزش عضو استفاده شود.

منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

 اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.