در مـورد تعریـف بـتن حجـیم و الزامـات مصـالح مصرفی، ساخت و عمل آوری و جایگاه مصرف مواد پوزولانی جایگزین سیمان برای کاهش احتمال بروز تنش هـای حرارتی، موارد زیر را به استحضار می رسانم. امید است ابهامات موجود برطرف گردد.
۱ ـ برخلاف آنچه که اکثریت قریب بـه اتفـاق مـی پندارنـد، بـتن حجـیم تعریـف دقیقـی از نظـر ابعـادی نـدارد. در ACI116R و در ACI207R برای بتن حجیم تعریف جالب اما ابهام آمیـز وجـود دارد. گفتـه شـده اسـت کـه بـتن حجیم، بتنی با ابعادی آنقدر بزرگ است که (در حالت عادی کنترل نشده) تنش های حرارتی می تواند در آن ایجـاد شود و به ترک خوردگی بیانجامد. در صورت وجود چنین حالتی باید تمهیـدات و اقـدامات خاصـی را فـراهم نمـود و انجام داد تا چنین مشکلی بوجود نیاید.
در برخی منابع و مراجع معتبر از قطعاتی همچون ستون با ابعاد ۰.۵۰ متر نام برده اند که حجیم تلقی شـده اسـت و برای پرهیز از ترک خوردگی ناشی از تنش های حرارتی حاصـله از گرادیـان حرارتـی نیازمنـد اتخـاذ تـدابیر خاصـی بوده اند. برای مثال گفته شده است در سـتونی بـه ابعـاد ۱ متـر حـاوی
۵۰۰ kg/m3 سـیمان پرتلنـد نـوع ۱ ،دوده سیلیسیkg/m3 30 در زمانی ۳۰ ساعته پس از بتن ریزی، افزایش دمای مغز آن به ۴۵ درجه سانتی گراد رسـیده است که می توانسته به ترک خوردگی (بعلت گرادیان حرارتی سطح و مغز آن) بیانجامد.
در برخی منابع اروپایی گفته شده است که اختلاف دمای ۲۰ درجه سانتی گراد با فرض ضریب انبساط حرارتی ۶- ^۱۰*۱۰ منجر به تغییر شکل نسبی (کرنش) ۶ -۱۰*۲۰۰ می گردد و این کرنش معمولاً موجب ترک خوردگی در بتن می گردد (بتن غیر مسلح عادی). بهرحال ممکن است این ترک خوردگی در اختلاف دمای کمتر یا بیشتر حاصل گردد. دلیل این امر تغییر در ضریب انبساط حرارتی و تغییر در مقدار کرنش کششی و تغییـر در مقاومـت کششـی و
ظرفیت کرنش گسیختگی بتن های مختلف می باشد. گاه گرادیان حرارتی بتن که منجر به ترک خوردگی مـی شـود را تا ۲۵ درجه سانتی گراد در بتن معمولی غیر مسلح دانسته اند.
۲ـ امروزه در بسیاری از نقاط ایران مانند حاشیه خلیج فارس، سازه هائی ساخته می شـود کـه در آنهـا بـتن حجـیم وجود دارد و حداکثر نسبت آب به سیمان آنها به ۰.۴ یا ۰.۳۸ محدود شده است. بتن آنها با پمپ ریخته می شود که عیار سیمان و مواد سیمانی بالائی را نیز دارا هستند (۴۰۰ تا ۴۵۰ کیلوگرم برمتـر مکعـب) و بـدلیل ایجـاد گرادیـان حرارتی زیاد به شدت دچار ترک خوردگی سراسری و عمیق حرارتی می شوند.
شالوده های سازه های بزرگ معمولاً از ضخامت زیادی برخوردارند که با این مشکل روبرو هستند. مسلماً در بتن های مسلح نمی توان گرادیان حرارتی متناظر با ترک خـوردگی را ۲۵ درجـه سـانتیگراد دانسـت، امـا درمنابع و مراجع علمی حد معینی را ذکر نکرده اند ولی مسلماً این مقدار بیش از ۲۵ درجه سانتیگراد خواهد بود.
همچنین در شالوده ها و ستونها و دیوارهای ضخیم (بویژه پرسیمان) با مشکل تنش های حرارتـی و تـرک خـوردگی روبرو هستیم. استفاده از بتن خودتراکم در سالهای اخیر در چنین قطعاتی بر این مشکل می افزاید زیرا بطور معمول،عیار سیمان این بتن ها بیشتر از بتن های معمولی است بویژه اگر از پودر سنگ و پوزولانهای طبیعی اسـتفاده نشـود نگرانی بیشتری وجود خواهد داشت.
۳ـ ایجاد گرما در بتن بدلیل هیدراته شدن سیمان و مواد چسباننده می باشـد. معمـولاً سـیمانهای پرتلنـد آمیختـه موجود در استانداردهای ایران و ASTM ضمن هیدراته شـدن سـیمان بـتن در طـی ۲۸ روز، ۵۰ تـا ۸۰ کـالری در هرگرم گرما ایجاد می کنند، در حالی که اگر سیمانهای پرتلند نوع ۱و۲و۵ موجود در ایران را در نظر بگیریم این عددبین ۷۰ تا ۹۵ کالری برگرم خواهد بود و البته گرمای آزاد شده برای هیدراته شـدن کامـل معمـولاً ۱۰تـا۲۰ درصـد افزایش خواهد داشت. گرمای هیدراته شده سیمان پرتلند نوع ۴ در طـی ۲۸روز بـین۵۰ تـا ۷۰ کـالری در هـر گـرم میباشد.
گرمـای حاصـل از هیدراتـه شـدن C3S،C2S،C3A،C4AF و همچنـین هیدراتـه شـدن Ca,Mg ، Na2،K2 کـه در سیمانها به مقادیر مختلف وجود دارد ایجاد می شود.
با توجه به اینکه در سیمانهای پرتلند نوع ۱و۲و۵ امروزی در ایران مقدار C3S بین ۴۰تا۶۵ درصد است به دلیل وجود این مقدار C3S و همچنین گرمازائی ناشی از هیدراته شدن C3S) حدود ۱۲۰ کالری برگرم)، گرمـازائی آن درنهایـت در یک گرم سیمان بین ۵۰ تا ۷۵ کالری است که بسیار چشمگیر است در حالی که بـا توجـه بـه وجـود ۱۵ تـا ۳۰ درصدی C2S در سیمانهای پرتلند نوع ۱و۲و۵ امروزی در ایران و گرمازائی نهائی C2S به میـزان ۶۲ کـالری برگـرم،
عملاً برای هر گرم سیمان در نهایت ۱۰تا۲۰ کالری از گرمای حاصله به C2S مربوط می گردد.
با اینکه C3A از گرمازائی زیادی برخوردار است اما عملاً در سیمانهای موجود، گرمـازائی آن بـین ۱۰ تـا ۲۰ کـالری است. با این حال باید گفت گرمازائی کلی سیمان هر چند مهم است اما مهم تر از آن آهنگ گرمازائی بویژه در سنین پایین می باشدکه این نرخ گرمازائی برای C3S به مراتب بیشتر از C2S مـی باشـد وعمـلاً گرمـازائی C2S در سـنین کمتراز ۳ روز ۱تا۲ کالری برای هر گرم سیمان است در حالیکه این مقدار برای C3S بین ۲۵تا ۳۵ کالری خواهد بـود
و برای C3A نیز عمده گرمازائی در سن کمتر از ۳ روز ایجاد می شود. بنابراین در این سیمانها گرمای حاصله در طی سه روز اولیه بین ۴۰ تا ۵۵ کالری است و در یک هفته اول این مقدار به ۵۵ تا ۷۵ کالری یا بیشتر بالغ می گردد.
نکتهای که نباید در آهنگ گرمازائی مورد غفلت قرار گیرد، آهنگ هیدراته شدن سیمان است که به عواملی همچـون ریزی آن، دمای مخلوط بتن در ابتدا و در ادامه کار و حتی مواردی مانند نسبت آب بـه سـیمان بسـتگی دارد و مـی توان آنرا در بازه ای نسبتاً گسترده فرض نمود، در حالی که در مـورد گرمـازائی سـیمان چنـین عـواملی مـوثر واقـع نمیشوند.
۴ـ با وجود مواد پوزولانی و سرباره جایگزین سیمان، از کل گرمازائی و آهنگ گرمازائی کاسـته مـی شـود امـا نبایـد پنداشت که پوزولان و سرباره در هنگام هیدراته شدن فاقد گرمازائی هستند. عملاً پوزولان ها و سرباره هـا در حـدود نصف سیمان پرتلند معمولی، گرما تولید می کنند اما نرخ یـا آهنـگ گرمـازائی آنهـا (بجـز دوده سیلیسـی و برخـی پوزولانهای دیگر) عملاً به مراتب کمتر از سیمان پرتلند معمولی است کـه کمـک آنهـا را در ارتبـاط بـا بـتن حجـیم ارزشمند می سازد.
برای مثال اگر سیمان پرتلند با گرمازائی کل ۱۰۰ کالری برگرم داشته باشیم و ۲۰درصد پوزولان طبیعـی جـایگزین آن سازیم، گرمازائی کل برای هر گرم از سیمان آمیخته ۹۰ کالری خواهد شد اما اگر سـیمان پرتلنـد در طـی سـه و هفت روز به ترتیب ۵۰ و ۷۰ کالری گرما تولید کند در مورد سیمان آمیخته با ۲۰درصد پوزولان طبیعی این مقـادیر به ترتیب حدود ۴۲ و ۶۰ کالری خواهد شد یعنی کاهشی بیش از ۱۰درصد در گرمـازائی ۳ و ۷ روزه خواهـد داشـت
(۱۶ و ۱۴ درصد کاهش). لازم به ذکر است که سیمان پرتلند پوزولانی ایران دارای کمتر از ۱۵ درصد پوزولان اسـت و سیمان های پرتلند پوزولانی ویژه ایران معمولاً بین ۱۵ تا ۲۵ در حدود پوزولان طبیعی دارند و تاثیر آنها برکـاهش گرمازائی کل و اولیه با این مثال روشن تر می شود.
۵ ـ عامل عمده در ایجاد گرمازائی در یک بتن، عیار سیمان آن است. مسلماً اگر عیار سیمان ۴۰۰ کیلوگرم بـر هـر متر مکعب به ۳۰۰ کاهش یابد، مقدار گرمازائی آن نیز تقریباً با همین نسبت کاهش خواهد یافـت. بنـابراین یکـی از مهمترین اقدامات در بتن حجیم، کاهش عیار سیمان و مواد سیمانی خواهد بود.
کاهش عیار سیمان به سادگی میسر نیست. از یک طرف نسبت آب به سیمان با کاهش سیمان افزایش می یابـد و از طرفی در صورت ثابت نگهداشتن نسبت آب به سیمان مجبور به کاهش آب آزاد بتن خواهیم بود کـه بـه کـارائی آن لطمه جدی خواهد زد. بنابراین باید ترفندهائی بکار رود تا بتوان بدون کاهش روانی مورد نظر، عیار سیمان را کـاهش داد.
بهرحال گاه در بتن های حجیم مانند ساخت سد بتنی، اسلامپ بتن ها را در محدوده ۲.۵ تا ۵ سـانتی متـر در نظـر می گیرند تا امکان دستیابی به سیمان کمتر فراهم شود ضمن اینکه اسلامپ کمتر و سیمان کمتر باعث کاهش جمع شدگی و کاهش احتمال خوردگی در بتن غیر مسلح با طول یکپارچه نسبتاً زیاد (در یک بلوک)خواهد شد.
۶ـ برای کاهش مصرف سیمان و مواد سیمانی علاوه بر کاهش روانی راهکارهائی وجود دارد که به ترتیب می توان از افزایش حداکثر اندازه سنگدانه، انتخاب بافت دانه بندی درشت تر، بکارگیری ماسه گردگوشه تر و گاه شن تیز گوشـه تر، پرهیز از بکارگیری سنگدانه های پولکی و کشیده و سوزنی، مصرف روان کننده (کاهنده آب) نام برد.
گاه مصرف حبابزا میتواند به صورت غیر مستقیم به کاهش مواد سیمانی در بتن حجیم سدها منجر شود در حالی که معمولاً در پروژه های دیگر به افزایش جزئی مصرف سیمان نیز منتهی می گردد.
۷ـ در بتن حجیم یک شالوده مسلح گاه نمی توان از ترفند افزایش حداکثر اندازه سنگدانه یا درشت بافت کردن دانه بندی استفاده نمود اما استفاده ازماسه گردگوشه و پرهیز از مصرف سنگدانه های حاوی پولکی و کشیده و هم چنین مصرف روان کننده توجیه کافی دارد. بویژه اگر قرار باشد از پمپ و لوله برای ریختن بهره گرفت نمی توان بافت دانـه بندی را نیز درشت تر نمود و راهکارهای ممکن محدودتر می گردد.
بهرحال در بتن پمپی نمی توان عیارسیمان را نیز به کمتـر از حـدود ۳۰۰ و یـا حتـی ۳۲۵ کیلـوگرم بـر مترمکعـب رسانید. از طرفی گاه طراحان پروژه، مقاومت مشخصه بتن شالوده را بالاتر درنظر می گیرند و نیازمند نسـبت آب بـه سیمان کمتری خواهیم بود،که ممکن است نتوان حتی با مصرف روان کننده و یا فوق روان کننده نیز عیار سیمان را از حدود ۳۵۰کیلـوگرم بـر مترمکعـب پائین تر آورد. گاه ضوابط و معیارهای آئین نامه ای یا مقررات ملی موجود محدودیت هـائی را در نسبت آب به سیمان یا حداقل عیار مصرفی در نظر می گیرند که به افزایش مشکل گرمازائی کمک میکند (مانند راهکارهای مقابله با حمله سولفاتها یا جلوگیری از خوردگی زودهنگام میلگردها در منـاطق خورنـده خلـیج فـارس و سایر محیط های مشابه)
۸ ـ راهکار دیگری که در بتن حجیم اتخاذ می گردد کاهش آهنگ گرمازائی با استفاده از مواد دیرگیرکننده است که راه حل چندان موثری نیست زیرا صرفاً در چند ساعت اول این تاثیر را دارا می باشـد امـا اسـتفاده از سـیمانهائی بـا آهنگ هیدراسیون و گرمازائی کم راه حل موثری تلقی می شود. استفاده از سیمانهای آمیخته یـا مصـرف پـوزولان و سرباره (بجز دوده سیلیسی) نیز همین تاثیر را دارا می باشد.یکی از راهکارهای کاهش آهنگ گرمازائی، کاهش دمـای اولیه بتن در هنگام ریختن تلقی می شود که از جهات مختلف راه حل موثری است. بویژه این راه حل موجب کـاهش دمای مغز بتن می گردد و گرادیان حرارتی را کمتر می کند. نام این کار پیش سرمایش محسوب می شود و تاثیر آن قابل انکار نیست.
۹ ـ راه حل دیگر، خروج گرما از مغز بتن است که پس سرمایش نام دارد. پس سرمایش در بتن ریزی سـد بتنـی راه حل مهم و رایج و موثری است. اما اینکار در پروژه های ساختمانی و در ارتباط با شالوده های حجیم رایج نیست.
کارگذاری لوله های مارپیچ در بتن و چرخش آب خنک در این لوله ها به جذب و خروج گرما از بتن منجر می شود و مانع بالا رفتن شدید دمای بتن در بخش های میانی می گردد و گرادیان حرارتی را کاهش مـی دهـد و بـویژه باعـث عدم انبساط بتن بعلت افزایش دمای شدید در مجاورت بتن لیفت تحتانی می شود.
۱۰ ـ راه حل موثر دیگر، کاهش گرادیان حرارتی با افزایش دمای سطح خارجی بتن می باشد بویژه اگر دمای محـیط مجاور کم باشد مشکل جدی وجود خواهد داشت.
درحالتی که کمترین بعد قطعه بتنی زیاد باشد گرمای حاصله نمی تواند به سرعت خارج شود و به نوعی حبس گرمـا بوجود می آید و به بالارفتن دما در مغز آن منجر می شود. هر چند دراین حالت شـرایط آدیاباتیـک کامـل(بی در رو بودن) وجود ندارد اما حالت نیمه آدیاباتیک مشاهده می شود و با افزایش بعد قطعه، این مشکل بیشتر می شود.
متناسب با آدیاباتیک بودن قطعه بتنی، آهنگ هیدراته شدن و آهنگ گرمـازائی بـا توجـه بـه نـوع و جـنس و ریـزی سیمان و هم چنین با توجه به عیار سیمان بتن و تا حدی نسبت آب به سیمان دمای مغز بتن برای سیمانهای پرتلند نوع ۲و۵ به ازاء هر ۱۰ کیلو سیمان حدود ۱ درجه سانتی گراد (با رواداری حدود ۲/۰ درجه) افزایش خواهد داشت.
بنابراین برای مثال اگر شالوده را با عیار سیمان ۳۵۰ کیلوگرم در هرمتر مکعب بتن ریزی نمائیم و از سـیمان پرتلنـد نوع ۲و ۵ بهره گرفته باشیم دمای مغز بتن در حدود ۳۰ تا۴۰ درجه سانتی گراد افزایش نشان خواهد داد.
اگر مثلاً در زمستان با حداقل دمای هوای ۵ -درجه سانتی گراد بتنی با دمای حدود ۱۰تا۷ درجه را در یـک شـالوده حجیم بریزیم دمای مغز آن پس از ۳ تا ۴ روز به حدود ۴۰ تا ۵۰ درجه سانتیگراد خواهد رسـید در حالیکـه در یـک صبح زمستانی با حداقل دمای ۵ -درجه سانتی گراد، گرادیان حرارتی زیادی بین سـطح و مغـز بـتن وجـود خواهـد داشت.
فرض کنید همین کار را در تابستان با حداقل دمای هوای روزانه ۲۰ درجه سانتیگراد انجام دهیم. در این حالت دمای بتن در هنگام ریختن با فرض کنترل های مناسب در حدود ۳۰ درجه سانتی گراد خواهد بود و دمای مغز بتن پس از ۲ تا ۳ روز به ۶۰ تا ۷۰ درجه سانتی گراد خواهد رسید ( رسیدن به دمای حداکثر در مغز بتن سریعتر رخ می دهد).
بنابراین براحتی دیده می شود که گرادیان حرارتی بین مغز و سطح بتن عملاً کمتـر از فصـل زمسـتان خواهـد بـود. متاسفانه عامه مهندسین عمران تصوری متفاوت و برعکس را دارند و فکر میکننـد مشـکل بـتن حجـیم در تابسـتان بیشتر از زمستان است که معمولاً تصور نادرستی تلقی می شود.
بنابراین لازم است بویژه در هوای خنک، با ایجاد عایق حرارتی در سطوح لخت جانبی و فوقانی عملاً موجـب افـزایش دمای سطح بتن شویم تا گرادیان حرارتی کمتر شود. اینکار در هوای تابستانی نیز می تواند مفید واقـع شـود. ایجـاد عایق می تواند با پشم شیشه، پشم سنگ، پلی اورتان، پلی استایرن، کاه وپوشال، خاک و غیره حاصل گردد.
۱۱ ـ گاه برای نگهداری و عمل آوری بتن از رطوبت رسانی استفاده می شود که بهترین نوع عمل آوری اسـت امـا در ارتباط با بتن حجیم (بویژه در ساختمانهای رایج)، تبخیر آب از سطح بتن می تواند به کاهش دمای سطح بتن منجـر شود و گرادیان حرارتی و تنش های حرارتی و احتمال ترک خوردگی را افزایش دهد.
بنابراین در صورتی که لازم است از این شیوه عمل آوری استفاده شود باید با استفاده از نایلون جلـوی تبخیـر گرفتـه شود تا دمای سطح کاهش نیابد. استفاده از آب خنک نیز در این مورد توصیه نمی شود.
۱۲ـ هر چند در بندهای قبلی در مورد اثر وجود پوزولان ها در بتن حجیم و جایگاه آن بحث شد امـا مجـدداً خـاطر نشان می شود که وجود پوزولان جایگزین سیمان به کاهش گرمازائی و آهنگ گرمازائی کمک می کند و ممکن است افزایش دمای مغز بتن اندکی تخفیف یابد اما با مصرف پوزولان طبیعی یـا خاکسـتر بـادی (بـین ۱۵ تـا ۲۵ درصـد) ممکن است کاهش این افزایش دما در مجموع بسته به میـزان مصـرف و جـایگزینی آنهـا در حـدود ۵ درجـه باشـد
بنابراین هر چند اقدام ارزشمندی است اما نباید پنداشت که مشکل بتن حجـیم را بصـورت اساسـی حـل مـی کنـد.
بنابراین اتخاذ روشهای مناسب در زمینه کاهش گرادیان حرارتی همچنان ضرورت خواهد داشت.
۱۳ ـ دوده سیلیسی که یک پوزولان مصنوعی ریز و با خلوص زیاد سیلیس فعال محسوب می شود، عملاً نمی توانـد دراین مورد کمک کند زیرا هر چند گرمازائی آن در حدود نصف سیمان پرتلند معمـولی اسـت امـا سـرعت (آهنـگ) گرمازائی آن با توجه به جایگزینی ۵تا۱۰ درصدی چندان تفاوتی با بتن فاقد دوده سیلیسی ندارد و نمی تواند در این رابطه راهگشا باشد. متاسفانه در برخی از کتب و مراجع معتبر، استفاده از پـوزولان هـا و سـرباره هـا بـدون اینکـه از استثناهای آن مانند دوده سیلیسی نام برده شود برای بتن حجیم مناسب دانسته شده است که بایـد اصـلاح شـود و موجب شده است تا برخی مهندسین، استفاده از دوده سیلیسی را یک راه حل تلقی نمایند.
فصلنامه انجمن بتن ایران – محسن تدین
