⦁ مقدمه
خصوصیات فیزیکی و پایداری مطلوب بتن از یک‌سو و سهولت تولید و در دسترس بودن مصالح تشکیل دهنده آن از سوی دیگر از جمله مواردی است که بتن را به عنوان یکی از پر مصرف‌ترین مصالح در صنعت ساخت‌و‌ساز جهانی تبدیل نموده است. بتن معمولی و سپس بتن توانمند سالیان سال است که تشکیل دهنده بخش اصلی سازه‌های بتنی بوده‌اند. اما نیاز به ساخت سازه‌های مرتفع‌تر، مقاوم‌تر، با دوام‌تر و دارای المان‌های سازه‌ای با ابعاد کوچک‌تر محققان را وادار به جستجو و تحقیق برای ساخت بتن با خواص بهتر نمود. برای آشنایی با ویژگی ها، مزایا و نمونه های بتن فوق توانمند در این مقاله با ما همراه باشید.
⦁ بتن فوق توانمند (UHPC)
در اوایل دهه 80 میلادی ایده استفاده از یک دانه‌بندی بسیار ریز به همراه یک ماتریس همگن و توپر از مواد سیمانی ظهور پیدا کرد. این ایده از آن‌جا پیدا شد که تحقیقات نشان داد ضعیف‌ترین ناحیه بتن محل اتصال خمیر سیمان و سنگ‌دانه‌ یا همان ناحیه انتقال می‌باشد. عمدتاً ریز‌ترک‌هایی که در این ناحیه ایجاد می‌گردند پس از گسترش به نواحی دیگر باعث گسیختگی بتن می‌شوند. حال با حذف درشت‌دانه در واقع این ضعف حذف می‌گردد و ریز‌ترک‌های ناحیه انتقال که باعث گسیختگی نهایی بتن می‌شوند نیز محدود خواهد شد. این کار همان ایده‌ی بتن پودری است که بعد‌ها بتن فوق توانمند نامیده شد ]1[.
به طور کلی برای ساخت بتن فوق توانمند عملیات ویژه ای در نظر گرفته می‌شود ]2، 3 و4[ که عبارتند از:
⦁ حذف کردن مصالح سنگی درشت‌دانه، برای رسیدن به ساختاری همگن‌تر
⦁ افزایش تراکم بتن با بهینه کردن و درجه‌ بندی دانه‌های مصالح استفاده شده در این بتن
⦁ به‌کار‌گیری عمل‌آوری‌های ویژه، فشرده کردن بتن تازه و اعمال عملیات حرارتی بر روی این بتن
⦁ اضافه‌کردن الیاف فولادی برای افزایش شکل‌پذیری و خارج شدن از تردی بتن
⦁ کاهش مقادیر نسبت آب به سیمان به میزان 2/0 و حتی کمتر، با استفاده از فوق‌روان‌کننده‌های نسل جدید
⦁ به‌کار‌گیری مواد سیمانی و پوزولانی دیگر برای جایگزینی مقداری از سیمان
⦁ کاهش نسبت CaO به SiO2 با اضافه کردن مصالح سیلیسی
ویژگی و مشخصات بتن فوق ‌توانمند که در دنیا مطرح شده است عبارتند از :
⦁ مقاومت فشاری 150 مگا پاسکال و حتی بیشتر (با عمل‌آوری‌های گرمایی و فشار قبل از گیرش، مقاومت فشاری به 800 مگاپاسکال نیز رسیده است‌) ]4 و 5[.
⦁ مقاومت کششی 25 مگاپاسکال و حتی بیشتر ]2[.
⦁ مدول خمشی (مقاومت خمشی نهایی) حدود 40 مگاپاسکال با الیاف فولادی ]6[.
⦁ شکل‌پذیری بالا و جذب انرژی بسیار بالا، که قابل مقایسه با برخی فلزات می‌باشد؛ (در صورت وجود الیاف فولادی، شکل‌پذیری آن حدود 250 برابر بتن معمولی می‌باشد). این قابلیت ساخت سازه‌های بلند و قابل اعتماد در برابر بار‌های اضافی و زلزله را میسر می‌سازد ]1[. در شکل ‏11 تیری با ظرفیت باربری مشخص داریم و می‌توان ابعاد تیر ساخته شده با بتن فوق توانمند را با ابعاد تیر فولادی، تیر بتنی پیش‌تنیده و تیر بتنی معمولی مقایسه کرد.

 

 

 

⦁ دوام بسیار بالای این بتن که منجر به افزایش طول عمر و کاهش نگه‌داری از آن می‌شود. نفوذ‌ناپذیری این بتن بسیار زیاد می‌باشد؛ به‌طوری‌که تقریبا مانع کربناسیون و نفوذ کلرید‌ها و سولفات‌ها می‌گردد. در برابر چرخه‌های یخ و ذوب مقاومت بالایی دارد. در جدول ‏11 مقایسه‌ای بین پارامتر‌های دوام بتن فوق توانمند بتن معمولی و بتن توانمند انجام شده است.
جدول ‏11 مقایسه پارامترهای دوام ]8[
پارامتر‌های دوام بتن معمولی بتن توانمند بتن فوق‌توانمند
عمق کربناتاسیون بعد از 3 سال در رطوبت‌ نسبی 65 % و دمای ͦ 20 (mm) 7 4 5/1
عمق انتشار یون کلر در 6 ساعت (mm) 23 8 1
خوردگی در سیکل یخ و ذوب (gr/m2) 1500 150 30
فاکتور جذب آب 60 11 1
نفوذپذیری گاز نیتروژن (m2) 16-10 17-10 18-10>

معایب و نقاط ضعف بتن فوق ‌توانمند عبارتند از ]3[ :
⦁ مصرف زیاد مواد سیمانی (حدود 1000 کیلوگرم بر متر مکعب)
⦁ هزینه نسبتا بالا برای تولید
⦁ افت بتن و گسترش ریز‌ترک‌ها
⦁ حساسیت بالا به نسبت آب به مواد سیمانی، فوق‌روان‌کننده به مواد سیمانی، مشخصات شیمیایی مصالح و توزیع ذرات ریز (نیاز به میکسر‌هایی با سرعت دورانی بالاتری است)
⦁ در صورت استفاده نکردن از الیاف، مانند سایر مصالح پر مقاومت، بسیار ترد و دارای مدول الاستیسیته بالا در حدود 45 تا60 گیگا پاسکال خواهد بود که چندان مطلوب نیست.
اگر بخواهیم ویژگی‌های این بتن را با بتن‌های دیگر مقایسه کنیم می‌توانیم شکل‌های 1-2 تا 1-4 را مورد بررسی قرار دهیم ]9 و 10[. در اشکال زیر کلمات NC، RCC، UHPC، SCC وHPC به ترتیب عبارتند از:Normal Concrete (بتن معمولی)، Roller Compacted Concrete (بتن غلتکی)، Ultra High Performance Concrete (بتن فوق ‌توانمند)، Self Consolidating Concrete (بتن خود‌متراکم) وPerformance Concrete High (بتن توانمند).

شکل ‏12 نمودار مقادیر حدودی وزنی سیمان برای انواع بتن‌های رایج ]9 و 10[
همان‌گونه که در شکل ‏12 مشاهده می‌شود، بیشترین مقدار سیمان در بتن فوق ‌توانمند و کمترین مقدار سیمان در بتن غلتکی استفاده می‌شود.

شکل ‏13 نمودار حداکثر بعد سنگدانه‌های انواع بتن‌های رایج ]9 و 10[
با توجه به شکل ‏13 کوچکترین بعد سنگدانه مربوط به بتن فوق ‌توانمند و بزرگترین بعد سنگدانه مربوط به بتن غلتکی می‌باشد.

شکل ‏14 نمودار مقاومت فشاری انواع بتن رایج ]9 و 10[

در شکل ‏14 می‌توان تفاوت زیاد مقاومت فشاری را به خوبی احساس نمود که بیشترین مقاومت فشاری مربوط به بتن فوق توانمند است.
اگرچه بتن فوق ‌توانمند دارای ویژگی‌های مطلوب زیادی می‌باشد، اما در کنار داشتن این ویژگی‌ها، این ماده در مقابل تنش‌های کششی آسیب‌پذیر بوده و اگر کاربرد آن به صورت غیر مسلح مد نظر باشد، تنها می‌توان در موارد محدودی نظیر سازه‌های وزنی از آن استفاده نمود. یکی از موارد ضعف در بتن تازه به دلیل پدیده جمع‌شدگی، ایجاد ترک‌هایی است که نتیجه آن افزایش نفوذپذیری، از بین رفتن سطح بتن، خوردگی آرماتورها و کاهش خواص مکانیکی می‌باشد ]11[. به منظور جبران این ضعف، یکی از روش‌هایی که امروزه در کشورهای پیشرفته مورد استفاده قرار می‌گیرد، استفاده از رشته الیافی نازک به منظور کنترل رشد ترک و افزایش مقاومت کششی بتن در تمام حجم بتن می‌باشد. در نتیجه رشته‌های الیاف به طور فعال در محدود کردن عرض ترک‌ها وارد عمل شده و با تشکیل ریزترک‌های زیاد همکاری می‌کنند و با افزایش قابلیت انعطاف‌پذیری بتن، قابلیت بهره برداری را افزایش داده و از گسیختگی ناگهانی بتن جلوگیری می‌کنند.
⦁ الیاف
رشته‌های نازک و کوتاه با مقاومت کششی مطلوب را الیافگویند. پدیده استفاده از الیاف، جهت ارتقای خصوصیات رفتاری مواد گوناگون و تقویت کردن مواد ترد و شکننده یک ایده قدیمی است. در حدود 3500 سال پیش، از کاه به عنوان رشته‌های تقویت‌کننده‌ی گل و آجر استفاده می‌شده است. پس از آن از موی اسب جهت تقویت گچ در ساختمان استفاده شده است. همچنین کاربرد الیاف در دیوار چین در 2000 سال قبل بیان‌گر این است که دانش مهندسی نساجی از زمان قدیم در کنار مهندسین عمران، در ارتقای عمر مفید سازه‌های گوناگون تاثیرگذار بوده است ]12[. در ادامه به معرفی مختصر الیاف فولادی و شیشه پرداخته می‌شود.
⦁ الیاف فولادی
الیاف فولادی باعث افزایش شکل‌پذیری تحت تمام حالت‌های بارگذاری می‌شود. مقاومت فشاری با حضور الیاف تنها میزان کمی افزایش می‌یابد؛ به‌طوری که این افزایش مقاومت به ندرت از ‌25‌‌% بیشتر می‌گردد. افزایش مقاومت در کشش مستقیم، کاملاً مشهود است به‌طوری که با افزایش 5/1‌% حجمی الیاف فولاد، مقاومت کششی، 30 تا 40 درصد افزایش می‌یابد. افزایش مقاومت خمشی بیشتر از افزایش مقاومت فشاری یا کششی است. ثابت شده است که با افزودن الیاف فولادی به تیرهای مسلح، در عین افزایش مقاومت خستگی، عرض ترک‌ها نیز کاهش می‌یابد ] 13و14[.
⦁ الیاف شیشه‌ای
بیشتر تحقیقات انجام شده بر روی الیاف شیشه‌ای و بتن مسلح شده با الیاف شیشه‌ای به اوایل دهه 1960 بر‌می‌گردد. تحقیقات انجام شده بر روی الیافی از جنس بورو سیلیکات با اسم تجاری پیرکس (E-Glass) و الیاف شیشهای از جنس کربنات سدیم-آهک-سیلیس(A-Glass) بود. مقاومت GFRC های ساخته شده با الیاف مذکور پس از مدت نسبتا کوتاهی به علت محیط قلیایی ملات سیمان (PH≥12.5)، کاهش مییافت. زیرا این دو نوع الیاف با توجه به درصد زیاد سیلیس در محیطهای قلیایی ناپایدار بودند؛ در نتیجه برای موارد مصرف طولانی مدت مناسب نبودند. ادامه تحقیقات منجر به تولید الیاف شیشهای مقاوم در برابر محیطهای قلیاییو محصولات GFRC پایاتر شد. بتنهای تولید شده AR-GFRC نام گرفتند. این تحقیقات توسط مؤسسه تحقیقات ساختمانی انگلستان در سال 1967 آغاز شد و سرانجام در سال 1971، برادران پیلکینگتون با همکاری مؤسسه تحقیقاتی ساختمان انگلستان حق انحصاری تولید محصولات الیاف شیشهای مقاوم در محیطهای قلیایی و توزیع آن به سرتاسر جهان را به نام خود ثبت کردند. آنها توانستند الیاف شیشهای حاوی 16 درصد زیرکونیوم با مقاومت زیاد در مقابل محیطهای قلیایی تولید کنند ]15[.
از آن پس استفاده از AR-glass در تولید GFRC افزایش یافت. در دهه 1970، اولین استاندارد مشخصات الیاف شیشهای انتشار یافت و در دهه 1980، در دوازده پروژه ساختمانی که در آمریکا اجرا شده بود برای ساخت پانلهای دیواری، از GFRC استفاده شد. در دو دهه اخیر موارد مختلف استفاده از این محصولات به طور گسترده به وجود آمده است. امروزه انواع مختلفی از الیاف شیشهای با خواص مختلف در جهان تولید میشود. آخرین نسل الیاف شیشهای، AR-glass است که توسط دو شرکت بزرگ NEG و Cem-Fill تولید و به تمام دنیا صادر میشود. همانطور که قبلا ذکر شد، در نسل جدید الیاف شیشه ای با اضافه کردن دی اکسید زیرکونیوم (ZrO2) پایایی الیاف تولیدی، در برابر محیطهای قلیایی به ویژه بتن افزایش مییابد ]15[.
در جدول ‏12 ترکیبات شیمیایی و در جدول ‏13 پارامترهای مکانیکی برای برخی الیاف شیشهای توسط ACI 544.1R-24 ]15[ ارائه شده است.
علت نامگذاری این نوع الیاف به الیاف شیشهای، داشتن پایه شیشهای (SiO2) است. الیاف شیشهای از اکسیدهای متنوعی از قبیل اکسید سدیم، سیلیس، آهک و … ساخته شدهاند.
جدول ‏12 ترکیبات شیمیایی برخی الیاف شیشهای ]15[
ترکیب (%) A-glass E-glass AR glass
(Cem-FIL) AR glass
(NEG)
SiO2 73 54 62 61
Na2O 13 – 8/14 15
CaO 8 22 – –
MgO 4 5/0 – –
K2O 5/0 8/0 – 2
Al2O3 1 15 8/0 –
Fe2O3 1/0 3/0 – –
B2O3 – 7 – –
ZrO2 – – 7/16 20
TiO2 – – 1/0 –
Li2O – – – 1

جدول ‏13 مشخصات مکانیکی برخی الیاف شیشهای ]15[
مشخصه A-glass E-glass Cem-FIL AR glass NEG AR glass
چگالی(gr/cm3) 46/2 54/2 7/2 74/2
مقاومت کششی، MPa 3103 3448 2483 2448
مدول الاستیسیته، MPa 64813 71708 79982 78603
کرنش شکست، % 7/4 8/4 6/3 5/2

⦁ کاربرد‌های بتن فوق توانمند
اولین کاربرد صنعتی این بتن در صنایع دفاع دانمارک برای پروژه‌های خاص و به صورت سری بود. تحقیقات با هدف کاربرد بتن فوق توانمند در صنعت ساختمان در حدود سال 1985 شروع شد. بعد از انجام تحقیقات اولیه در اوایل دهه ‌90، بتن فوق‌توانمند با نام‌های تجاری مختلف توسط چند شرکت بزرگ در اروپا تولید گردید. معروف‌ترین آن‌ها دو پیمانکار بزرگ فرانسوی بودند که محصولات خود را تحت نام‌های BSI و Ductal تولید کردند ]9[.
اولین کاربرد بتن فوق ‌توانمند ساخت پل عابر پیاده در شهر شربروک کانادا بوده است. دهانه این پل 60 متر است و به صورت خرپای فضایی پیش تنیده اجرا شده است. در شکل‌های 1-5 و 1-6 این پل نشان داده شده است.

 

در واقع اجرای این پل بخشی از یک مطالعه دراز مدت بود و یک برنامه تحقیقاتی برای مطالعه بر روی تغییر شکل‌ها و تنش‌ها در المان‌های پیش‌تنیده پل در دراز مدت انجام گرفت‌ ]9[.
در سال 1997 استفاده از بتن فوق ‌توانمند در یک پروژه در فرانسه تاییدی بر دوام بسیار خوب این نوع بتن شد. در نیروگاه کتنوم فرانسه تیر‌های فلزی برج‌های خنک‌کننده با تیرهای ساخته شده از بتن فوق توانمند جایگزین شدند. محیط بسیار خورنده بود و کارشناسان انتظار داشتند با توجه به دوام بسیار بالای این بتن، خرابی و در نتیجه هزینه‌های تعمیر و نگه‌داری این تیرها به حداقل ممکن برسد. بعد از 3 سال یک گروه تخصصی از انجمن مهندسان فرانسه تیرهای مذکور را در محل نیروگاه بازبینی نمودند و هیچ‌گونه اثر خرابی بر روی تیرها دیده نشد‌]9[.
پروژه‌های دیگری نیز در کشورهای کره جنوبی، ژاپن، فرانسه و آلمان انجام شده است. پل عابر پیاده صلح نشان داده شده در شکل ‏17 در کره جنوبی یک پل قوسی با دهانه 120 متر، ارتفاع قوس 15 متر و ضخامت رویه پل بین 3 تا 10 سانتیمتر می‌باشد‌]9[.

 

اولین پل ساخته شده از بتن فوق ‌توانمند برای عبور وسایل نقلیه در کشور فرانسه، در سال 2001 به بهره‌برداری رسید. دهانه این پل حدود 44 متر است و در شکل ‏18 نشان داده شده است]9[.

 

در ایالات متحده در سال 2001 برای ساخت سقف سیلوهای کلینکر از بتن فوق ‌توانمند به جای پوشش فلزی استفاده شد. بیست و چهار قطعه ذوزنقه‌ای شکل با ضخامت 13 میلیمتر، سقف سیلو به قطر 5/17 متر را پوشش دادند. این کار باعث کاهش نیروی انسانی و زمان اجرای پروژه نسبت به حالت پوشش با فلز شد ]9[.

مراجع

جدول سئو «
عنوان سئو ⦁ معرفی بتن فوق توانمند | ساخت سازه‌های مرتفع‌تر، مقاوم‌تر و با دوام‌تر
نامک Introducing Superior Concrete | Build taller, more durable, durable structures
توضیحات سئو بتن یکی از پر مصرف‌ترین مصالح در صنعت ساخت‌و‌ساز است. نیاز به ساخت سازه‌های مرتفع‌تر، مقاوم‌تر و دارای المان‌های سازه‌ای با ابعاد کوچک‌تر نیاز به ساخت بتن فوق توانمند را ضروری ساخته است.
کلید واژه‌ها بتن فوق توانمند
تعداد کلمات کلیدی بتن فوق توانمند: 20
عنوان عکس اصلی آشنایی با بتن فوق توانمند
نامک عکس اصلی Get to know the super concrete
توضیحات عکس اصلی معرفی ویژگی ها و مزایای بتن فوق توانمند
عنوان عکس 1 مقایسه مقطع عرضی بتن فوق‌توانمند با بتن های دیگر
نامک عکس 1 Comparison of cross section of super-strength concrete with other concrete
توضیحات عکس 1 مقایسه مقطع عرضی تیرهای فولادی، بتنی فوق‌توانمند، بتنی پیش‌تنیده، بتنی معمولی با ظرفیت خمشی یکسان
عنوان عکس 2 اولین کاربرد بتن فوق‌توانمند
نامک عکس 2 The first application of super powered concrete
توضیحات عکس 2 پل عابر پیاده شربروک در کانادا، اولین کاربرد بتن فوق توانمند
عنوان عکس 3 یکی از کاربردهای بتن فوق‌توانمند
نامک عکس 3 Another application of the aforementioned concrete
توضیحات عکس3 پل عابر پیاده شربروک در کانادا، یکی از کاربردهای بتن فوق توانمند
عنوان عکس 4 نمونه ای از بتن فوق‌توانمند
نامک عکس 4 An example of super-strong concrete

توضیحات عکس 4 پل عابر پیاده صلح در کره جنوبی نمونه ای از بتن فوق‌توانمند
عنوان عکس 5 مثالی از بتن فوق‌توانمند
نامک عکس 5 An example of concrete Fvqtvanmnd
توضیحات عکس5 پل ترافیکی Bourg les valence در فرانسه از جمله موارد بتن فوق‌توانمند

» جدول شبکه اجتماعی «
تیتر شبکه اجتماعی معرفی بتن فوق توانمند | ساخت سازه‌های مرتفع‌تر، مقاوم‌تر و با دوام‌تر
خلاصه مطلب شبکه اجتماعی خصوصیات فیزیکی و پایداری مطلوب بتن از یک‌سو و سهولت تولید و در دسترس بودن مصالح تشکیل دهنده آن از سوی دیگر از جمله مواردی است که بتن را به عنوان یکی از پر مصرف‌ترین مصالح در صنعت ساخت‌و‌ساز جهانی تبدیل نموده است. بتن معمولی و سپس بتن توانمند سالیان سال است که تشکیل دهنده بخش اصلی سازه‌های بتنی بوده‌اند. اما نیاز به ساخت سازه‌های مرتفع‌تر، مقاوم‌تر، با دوام‌تر و دارای المان‌های سازه‌ای با ابعاد کوچک‌تر محققان را وادار به جستجو و تحقیق برای ساخت بتن با خواص بهتر نمود.