بتن خود متراکم (SCC)

بتن با ویژگی های خود متراکم شونده و یا خود تحکیم شونده (Self-Consolidating Concrete)، که به طور مختصر با SCC نمایش داده می‌شود بیانگر یکی از مهمترین تکنولوژی‌های توسعه یافته در سالیان متمادی می‌باشد و این به علت توانایی بی‌نظیر SCC و بهبود عمل بتن ریزی و فرآیند ساخت در آینده خواهد بود.

تعاریف زیادی در مورد بتن SCC در بخش‌های مختلف صنعت و بخش‌های مشخص در کل آسیا ، اروپا و شمال آمریکا وجود دارد که سه مورد از مهم‌ترین آنها در اینجا مطرح شده است:

1. بتنی که بتواند در هر گوشه از قالب تنها به وسیله وزن خود و بدون نیاز به دستگاه ویبره (لرزاننده) متراکم شود.
2. بتن SCC بتنی نوآور است که برای جایگیری و تراکم ، نیازی به ارتعاش ندارد. این بتن قادر است تحت وزن خود جریان یابد و قالب را پر کند و به طور کامل متراکم شود. حتی اگر آرماتور مسدود شده باشد. بتن سخت شده متراکم ، یک دست و دارای خواص پایدار و مهندسی مشابه بتن لرزشی قدیمی می‌باشد.
3. بتن خود متراکم دارای قابلیت روانی بالا و پیوسته است میتواند در محل پخش شود و قالب را پر کند و بدون تراکم سازی مکانیکی ، آرماتورها را پر کند.

مواد تشکیل دهنده بتن خود متراکم:

SCC ترکیبی از سیمان پرتلند ، سنگدانه های ریز مانند شن و ماسه ، سنگدانه های درشت ، آب و ترکیبات شیمیایی، مکمل‌های سیمانی از قبیل خاکستر بادی ، سیمان سرباره، نرمه سیلیس و متا کائولین می‌باشد. در برخی موارد ، مواد پر کننده معدنی (فیلر) مانند پودر سنگ ، آهک و یا ماسه های ریز برای افزایش حجم پودرهای ترکیبی و یا محتویات مواد ریز دانه استفاده می‌شوند. صرف نظر از پر کننده های موردی ، مواد به کار رفته در تولید SCC مشابه مواد تشکیل دهنده در بتن معمولی است. به دلیل وجود مواد مشترک در هر دو نوع بتن ، فرآیند ارزیابی عملکردSCC  نسبت به بتن معمولی در آزمایشگاه و یا طی یک فرآیند ساده و در مقیاس تولید کامل انجام می‌شود.

بصورت خلاصه مواد تشکیل دهنده SCC شامل موارد زیر هستند:

1-سیمان: نوع و مقدار سیمان بر اساس خواص و دوام مورد نیاز در پروژه مشخص می‌گردد. معمولاً مقدار سیمان بین 350 تا 450 کیلوگرم بر متر مکعب در نظر گرفته می‌شود.

2-سنگدانه های درشت: تمام سنگدانه های مورد مصرف در بتن معمولی می‌تواند در SCC مصرف شود. اندازه ای که معمولاً بین 16 تا 20 میلیمتر در نظر گرفته می‌شود. مقدار سنگدانه های درشت در بتن خودمتراکم کمتر از بتن معمولی است زیرا سنگدانه های درشت با صرف انرژی زیاد باعث کاهش روانی بتن می‌شوند و در هنگام عبور از موانع خاص مانند آرماتور ها ، سبب مسدود شدن مجرای عبوری می‌شوند.

3-سنگدانه های ریز: تمام سنگدانه های ریز که در بتن معمولی استفاده می‌شوند قابل استفاده در SCC می‌باشند.

4-افزودنی های معدنی: انواع افزودنی های معدنی یا پوزولان را می‌توان در SCC استفاده کرد. این افزودنیها برای بهبود بخشی به خواص بتن تازه و یا بتن سخت شده مورد مصرف قرار می‌گیرد.

4-روان کننده ها: روان کننده یا فوق کاهنده های آب بتن از مواد اصلی و بسیار مهم برای ساخت بتن خود متراکم می‌باشند که انتخاب آنها نیاز به دانش فنی بالا و کار مداوم آزمایشگاهی دارد.

5-غلظت دهنده ها: مواد اصلاح کننده ویسکوزیته برای افزایش مقاومت جداشدگی در ساخت بتن های خودمتراکم مورد استفاده قرار میگیرد.

6-فیلر: به دلیل الزامات رئولوژی خاص SCC هر دو مواد فیلر فعال و خنثی برای بهبود کارایی و همچنین تعادل در مقدار مصرف سیمان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ویژگی عملکردی:

SCC نوع جدیدی از مخلوط بتن است. عملکرد کلی آن به صورت تلفیقی از توانایی بتن در ایجاد خواص مهندسی گسترده با پتانسیل بیشتر ساخت و ساز و بسیار فراتر از بتن معمولی می‌باشد. این تنها کافی نیست که بگوییم مخلوط SCC روان تر از بتن معمولی است ، زیرا SCC کاربردهای متفاوت داشته و بدون لرزش جایگیری می‌شود. از این رو اصطلاحات دیگری نیز برای تکمیل توصیف خصوصیت تازگی آن به کار میرود.

این ویژگی و خصوصیات عبارتند از :

توانایی پرکردن (Filling ability) ، توانایی عبور (Passing ability) و پایداری (Stability).

توانایی پرکردن به توانایی مخلوط بتن برای پر کردن قالب ، بدون لرزش و ویبره اطلاق می‌شود.

توانایی عبور به مقاومت مخلوط بتن در مقابل مسدود شدن اطلاق می‌شود چون باید از میان موانعی مانند آرماتورهای فشرده جریان یافته و عبور کند.

پایداری به مقاومت مخلوط در مقابل جدا شدن می‌گویند که موجب افزایش آبدهی می‌گردد. این ویژگی‌ها عملکرد SCC را در کاربردهای مشخص بیان می‌کند که از طریق خصوصیات رئولوژیکی (سیال شناسی) ماده، تنش تسلیم و ویسکوزیته پلاستیکی حمایت می‌شود.

تنش تسلیم در مخلوط ، به نیروی مورد نیاز برای شروع جریان در مخلوط اطلاق می‌شود در حالی که ویسکوزیته پلاستیک به مقاومت داخلی مخلوط بتن در مقابل جریان  یا همان چسبندگی گفته می‌شود.

باید توجه داشت که ویژگی سخت شدگی بتن SCC متفاوت از بتن عادی است. بررسی‌های عملی گسترده ای بر روی خواص سخت شدگی SCC انجام شده که نشان می‌دهد خواص سخت شدگی با مقاومت فشاری و خصوصیات مکانیکی و پایداری ایجاد می‌شود. در حقیقت SCC روان تر از بتن معمولی است و عامل ایجاد آن ویژگی سخت شدگی بتن نیست. بنابراین یک خصوصیت SCC که ممکن است بر خواص سختی آن تاثیر بگذارد پایداری مخلوط است. ناپایداری مخلوط بیش از هر چیز بر پیوند با فولاد آرماتور و دوام آن تاثیر می‌گذارد.

مزایای بتن خود متراکم:

برای دستیابی به مزایای SCC باید شناخت صریح و روشنی از ویژگیهای SCC داشت. آگاهی و شناخت اولیه از مزایای عملی موجب می شود تا مجریان با سرعت بیشتری به جزئیات تکنیکی و ویژگی‌های SCC دست یابند. بعضی از مزایای SCC به عنوان فرصت هایی معرفی و ارائه شده است.

لیست زیر شامل مجموعه‌ی تعدیل یافته ای از این مزایا می‌باشد که از منابع بسیاری در این زمینه استفاده شده است:

1. کاهش منابع انسانی مورد نیاز برای بتن ریزی
2. بالا بردن کیفیت زیبایی شناسی و کیفیت بتن ریزی در محل
3. تسریع در ساخت و ساز
4. تسهیل بتن ریزی و تراکم در موقعیت های مشکل به واسطه محدودیت دسترسی به علت وجود اجزای قالب بندی و آرماتور
5. گسترش استفاده از کاربردهای رقابتی معماری
6. کاهش نیاز به تجهیزاتی مانند سیستم ارتعاش دهنده و در بعضی مواقع پمپ های بتنی
7. کوتاه شدن زمان تحویل(توسعه سرعت بهره وری)
8. کاهش وصله کاری
9. بهیود نازک کاری
10. بهبود شرایط عملی برای کارگران که نتایج زیر را در بر خواهد داشت:

*بهبود نحوه حمایت از کارگران                    *کاهش غیبت کارمندان

11- توسعه ایمنی: کاهش تعداد کارگرانی که هنگام بتن ریزی و تراکم روی دیوار فعالیت دارند و کاهش خطرات برق گرفتگی و یا فرار شیلنگ باد که برای ایجاد ویبره استفاده می‌شود. رعایت موارد ذکر شده موجب ایجاد نتایج زیر می‌شود:

• وجود صدمات کمتر در نتیجه صرف زمان کمتر
• کاهش درخواست جبران خسارت توسط کارگران
• کاهش حق بیمه(بیمه گذار)

همچنین باید اشاره نمود که به روز نبودن دانش عمرانی فعلی در سطح کشور و در دسترس نبودن افزودنی‌های خاص این نوع از بتن از مشکلات اساسی در استفاده از SCC می باشد.

آزمون های SCC:

قابلیت پر کردن، توانایی مخلوط بتن تازه برای جاری شدن داخل قالب بندی و پر کردن آنها تحت وزن خود می‌باشد و واژه های “قابلیت پر کردن” ، “سیالیت” و یا “روانی” چنانچه مربوط به SCC باشند، گاهی اوقات بجای یکدیگر به کار می روند. اما ویژگی قابلیت پر کردن کافی در مخلوط SCC لازم و ضروری می‌باشد.

آزمون جریان اسلامپ:

در این آزمون ، مخروط استاندارد آبرامز را با یک حرکت و بدون به کار گیری میله ها پر می‌کنیم. زیرا بتن تحت اثر وزن خود متراکم میگردد. میتوان مخروط را به شکل استاندارد ، قائم و یا در وضعیت معکوس قرار داد. زمانی که مخروط پر شد، آن را بلند می‌کنیم و بجای اندازه گیری ارتفاع بتن خالی شده، قطر بتن پخش شده را اندازه گیری می‌کنیم. به محض اینکه مخروط برداشته شد و تا زمانی که قطر مخلوط پخش شده به 50 سانتیمتر می‌رسد، زمان اندازه گیری می‌شود.

معیارها ، این اندازه ها را بصورت T20 ، T50 و T500 به ترتیب اینچ ، سانتیمتر و میلیمتر ارزیابی کرده اند که T50 از بقیه موارد معمول تر است. مخلوط هایی که زمان اسلامپ مشابهی دارند ، زمان جریان اسلامپ نشان دهنده میزان تقریبی ویسکوزیته مخلوط است. زمان بالای T50 جریان اسلامپ ، بطور کلی نشان دهنده ویسکوزیته بالا می‌باشد (در شرایطی که میزان جریان اسلامپ نهایی مشابه باشد). پارامتر مهم دیگر که همراه با جریان اسلامپ قابل ارزیابی است ، میزان شاخص پایداری (ثبات) چشمی است VSI: Visual Stability Index.

قابلیت عبور به توانایی مخلوط SCC برای عبور از میان فضاهای محدود که دسترسی به آنها مشکل است، بدون انسداد، قابلیت عبور می‌گویند. این ویژگی شامل عبور سنگدانه‌ها از میان آرماتور ، عبور جریان از بخش‌های باریک در قالب بندی ویا عبور از داخل شیلنگ پمپ بتن زمانی که تبدیل سر راه آن قرار دارد ، می‌باشد. جایی که ذرات جامد در بتن ، به منظور عبور جریان ( از موانع ) مجبور به تغییر آرایش می‌شوند ، ویژگی قابلیت عبور از اهمیت خاصی برخوردار می‌گردد.

آزمون حلقه J:

این آزمون شامل اجرای جریان اسلامپ با استفاده از یک حلقه که میله‌هایی را در اطراف پایه مخروط نگه میدارد ، می‌باشد. راه های مختلفی برای اندازه گیری به وسیله این آزمون وجود دارد. میتوان اختلاف ارتفاع را در داخل حلقه و بیرون حلقه بدست آورد و یا اختلاف میزان جریان اسلامپ را با حلقه و بدون حلقه محاسبه کرد. هرچه میزان اختلاف بدست آمده کمتر باشد ، مخلوط SCC قابلیت عبور بهتری دارد. همچنین ارزیابی چشمی داخل و بیرون حلقه نشان دهنده پایداری و یا مقاومت ملات در مقابل تفکیک سنگدانه‌های درشت می‌باشند.

آزمون جعبه L:

این آزمون شامل یک جعبه به شکل حرف  L و یک دریچه کشویی است که بخشهای افقی و عمودی جعبه را از هم جدا می‌کند. در قسمت بیرون دریچه میله هایی وجود دارند ، زمانی که بتن جریان پیدا می‌کند از قسمت عمودی وارد شده ، از میله ها عبور کرده و وارد قسمت افقی میشود. میزان اذتفاع در قسمت مقابل انتهای بخش عمودی و نیز ارتفاع در قسمت افقی محاسبه می‌گردد. هر چه این عدد بزرگتر باشد مخلوط از قابلیت عبور بهتر و بالاتری برخوردار می‌باشد. سرعت عبور جریان از میان بخش افقی می‌تواند اندازه‌گیری شود که نشان دهنده ویسکوزیته مخلوط است.

آزمون جعبه U:

این آزمون شامل یک جعبه U شکل می‌باشد ، که بوسیله یک دیواره نازک عمودی و یک دریچه کشویی به دو قسمت تقسیم شده است. در انتهای دیواره ، میله هایی کنار هم به عنوان مانع قرار گرفته ، این میله ها هم میتواند فشرده تر و با فاصله کمتری کنار هم قرار گیرند و هم میتوانند با فاصله بیشتری از یکدیگر قرار گیرند. بتن در یک طرف جعبه ریخته میشود ، سپس دریچه کشویی باز می‌شود ، بتن جریان می‌یابد و از میان موانع میله ای وارد بخش مقابل میشود. ارتفاع بالا آمده بتن در طرف خالی جعبه (طرف مقابل) اندازه گیری می‌شود. میزان ارتفاع بیشتر نشان دهنده قابلیت عبور بهتر مخلوط است. این آزمون میتواند بدون موانع میله ای نیز انجام گردد. انجمن دولتی مهندسین ژاپن حداقل ارتفاع بالا آمده را 300 میلیمتر پیشنهاد کرده اند (11.8 اینچ).

پایداری یا مقاوت در برابر تفکیک به توانایی یک مخلوط SCC برای مقاومت در برابر تفکیک اجزای تشکیل دهنده آن اطلاق می‌شود. پایداری (ثبات) تحت دو شرایط دینامیک و استاتیک تعیین میگردد. پایداری دینامیک مربوط می‌شود به مقاومت مخلوط در برابر تفکیک طی انتقال و جابجایی تا مرحله ای که پایداری استاتیک (ثابت) ایجاد گردد.

آزمون جدانشینی (تفکیک) ستون:

در این آزمون یک ستون 650 میلیمتر (26 اینچ) استفاده می‌شود ، این ستون طوری ساخته شده که یک چهارم فوقانی و تحتانی ستون میتواند برداشته شود. در طی این مرحله ستون با مخلوط SCC پر می‌شود و اجازه میدهیم به مدت 15 دقیقه در این شرایط باقی بماند. پس از این زمان بتن را از یک چهارم فوقانی و تحتانی بیرون آورده ، شستشو میدهیم و از غربال 4.75 عبور میدهیم ، به طوری که سنگدانه های درشت باقی بماند. اختلاف اندازه بین سنگدانه های درشت بین بخش فوقانی و تحتانی جدا شده مشخص می‌شود ، در نتیجه درصد تفکیک محاسبه می‌شود.

آزمون مقاومت در برابر تفکیک (جدانشینی) غربال:

در این روش نمونه ای از مخلوط SCC تازه جمع آوری می‌گردد. به مدت 15 دقیقه آن را رها می‌کنیم ، سپس قسمت بالایی مخلوط را در الک (غربال) می‌ریزیم تا آب ، خمیر و ملات از الک خارج شده و داخل ظرفی که زیر آن قرار دارد بریزد، سپس میزان مواد عبوری از الک را بعنوان درصدی از نمونه اصلی اندازه می‌گیریم.

آزمون نفوذ ابزار:

در این آزمون یک لوله خالی را بر روی نمونه ای از یک بتن تازه که در قالب ریخته شده قرار میدهیم و عمق نفوذ لوله را به داخل بتن در زمان مشخص اندازه گیری میکنیم. معمولاً لوله به نفوذ در داخل مخلوط بتن تازه ادامه میدهد تا زمانی که به سنگدانه های درشت برخورد کند ،  زمانی که سنگدانه های درشت برخورد کند ، زمانی که سنگ دانه های درشت نشست می‌کنند ، به تدریج لوله به میزان بیشتری به داخل نمونه ، نفوذ می‌کند. این روش برای درجه بندی کردن آزمون جدانشینی (تفکیک) ستون نیز استفاده می‌شود که در مورد آزمایش پایداری بسیار مفید است.

به طور خلاصه شده مشخصات کلی برای SCC شامل موارد زیر هستند:

1- در حالت معمولی جریان اسلامپی بیش از 600 میلیمتر داشته باشد و از لحاظ بصری فاقد جدا شدگی باشد.

2- روانی بتن به مدت حداقل 90 دقیقه حفظ گردد.

3- توانایی مقاومت در شیب 3 درصد، در سطح افقی آزاد را داشته باشد.

4- به مدت 90 دقیقه قابلیت پمپ پذیری در لوله های به طول حداقل 100 متر را داشته باشد.

5- دارای مقاومت 28 روزه حدود 250 تا 600 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع باشد.

6- دارای مقاومت در برابر حمله سولفات ها و یون های مهاجم بوده و مقاوم در برابر سیکل های ذوب و یخبندان باشد.

7- دارای مقاومت بیشتر در برابر ترک های حرارتی نسبت به بتن های معمولی ویبره شده باشد.

نتیجه:

SCC یا بتن خود متراکم مشتمل بر گستره‌ی وسیعی از طرح های اختلاط می‌باشد که در حالت تازه و سخت شده خاصیت هایی برای کاربری های مخصوص را دارا می‌باشد.

در بتن خود متراکم کماکان معیار اصلی همان مقاومت می‌باشد، اما ویژگیهای بتن تازه آن بسیار گسترده تر از بتن معمولی و متراکم شده توسط لرزاننده ها می‌باشد. این خاصیت‌ها باید در طول زمان و در حین انجام عملیات اجرای بتن حفظ شوند.

در مواردی که شبکه آرماتور فشرده وجود دارد SCC گزینه ای بسیار مطلوب می‌باشد. عدم نیاز به ویبراتور باعث کاهش آلودگی های صوتی تا حد قابل ملاحظه ای می‌گردد. باید توجه نمود، طرح اختلاط و اجرای SCC تابع عوامل متعددی از قبیل نوع دانه بندی ، نوع افزودنی ها و فیلر ها می‌باشد که هر یک از این عوامل بر کیفیت بتن سخت شده و کار پذیری بتن تازه تاثیر ویژه ای خواهد داشت. زمان ، هزینه و کیفیت سه عامل مهم در فرآیند اجرا می‌باشند که در صنعت ساخت بسیار نقش مهمی دارند.

بدیهی است هرگونه پیشرفت و یا توسعه ای که باعث بهبود کیفیت این سه عامل گردد همواره مورد علاقه و توجه اهالی عمران خواهد بود. SCC با توجه به خصوصیات ویژه ای که نسبت به بتن های معمولی داراست، خود یکی از این توسعه هاست که می‌تواند تاثیر قابل توجهی بر صنعت عمرانی داشته باشد. امروزه به دلیل در دسترس نبودن افزودنی های خاص مورد استفاده در بتن خودمتراکم و به روز نبودن دانش عمرانی کشور در این حوزه ، استفاده از بتن با ویژگی خود متراکم یا SCC بسیار محدود میباشد.