بخشی از مقاله
چکیده
واکنش سیمان با آب، که معمولا به آن هیدراتاسیون گفته می شود، یک واکنش شیمیایی حرارت زاست، در خلال فرایند هیدراتاسیون هر گرم از سیمان تا حدود 500 ژول - 120 کالری - حرارت آزاد میکند. این حرارت در هنگام بتن ریزی با حجم کم مانند بتن ریزی سقف ساختمان ها، قابل چشم پوشی کردن است. اما زمانی که حجم بتن ریزی زیاد است مانند بتن ریزی سدهای قوسی، سدهای وزنی بزرگ، فونداسیون سازه های بلند و پل های خاص کنترل گرمای تولید شده نا شی از فرایند هیدرا سیون امری ضروری ا ست . چرا که اگر در سازه های بتن حجیم کنترل گرما صورت نگیرد، باعث ایجاد ترک های حرارتی خواهد شد.
ترکهای حرارتی کنترل نشده در بتن حجیم نیز می تواند باعث از بین رفتن یکپارچگی سازه، افزایش تراوش، نفوذ عوامل مخرب و نهایتا کاهش عمر سازه گردد. جهت کنترل گرما در سا زه های بتن حجیم روش های متفاوتی وجود دارد، عموما برای کنترل و جلوگیری از بروز ترک درسازههای بتنی حجیم بویژه سدها از پس سرمایش استفاده میشودکه مکانیزم آن به صورت عبور آب سرد از دا خل لو له های مدفون در بتن است. در م طال عه حاضر، اب تدا ص حت سنجی به صورت دو ب عدی با مدل آز مایشگاهی kim j.k et al صورت گرفت که نتایج بد ست آمده تطابق خوبی با یکدیگر دا شتند. سپس در گام بعدی مدل سازی سی ستم پس سرمایش به صورت سه بعدی برای یک قطعه بتنی با استفاده از یک لوله u شکل انجام شد که در این زمینه نیز نتایج خوبی حاصل شد.
-1 مقدمه
بتن، به طور کلی، به هر ماده یا محصولی که از یک ماده چسبنده با خاصیت سیمانی شدن تشکیل شده باشد، اطلاق میشود. این ماده چسبنده عموما حا صل فعل و انفعال سیمانهای هیدرولیکی و آب میبا شد. در حال حا ضر بتن بعد از آب پر م صرفترین ماده در بین مخلوقات کره زمین است. امروزه بتن به دلایلی از جمله سهولت تهیه اجزا تشکیل دهنده، صرف هزینههای کم نسبت به سایر مواد، خواص مهندسی مطلوب، دوام فوق العاده، فرمپذیری و مهمتر از همه تعامل مثبت با محیط زیست، مورد توجه ویژه بوده است.
با آنکه ساخت بتن با اجزا اصلی سیمان، سنگدانه و آب امکان پذیر ا ست، لیکن با وجود همین سه جز و افزودن مواد جدید و نیز اثرات محیطی، پیچیدگیها و نادان ستههای فراوان در این سنگ م صنوعی سخت شده همچنان باقیست. اما برای شناخت بتن میبایست ابتدا مصالح تشکیل دهندهی آن را شناخت این مصالح عبارتند از: سیمان، سنگدانه، آب و ماده چهارم افزودنی ها. در کار حا ضر ازمیان م صالح ت شکیل دهنده بتن، فقط سیمان به علت حرارتی که در هنگام ترکیب شدن با آب از خود تولید میکند مورد توجه بوده که در ادامه به بررسی آن میپردازیم.
ترکیبات سیمان پرتلند محصولات غیر متعادلی از واکنشهای با دمای زیاد و بنابراین در حالت پر انرژی هستند. وقتی که سیمان هیدراته می شود، این ترکیبات با آب واکنش برقرار می سازند تا در و ضیت انرژی پایینی قرار بگیرند و این فرایند با آزاد کردن انرژی به شکل حرارت همراه میبا شد. هیدراسیون ترکیبات سیمان مانند بسیاری از واکنشهای شیمیایی حرارتزا است. اهمیت حرارت هیدراتاسیون سیمان در فناوری بتن چند جهته میبا شد.
حرارت هیدراتا سیون بع ضی مواقع میتواند م ضر با شد برای مثال در سازههای بتن حجیم و در مواقع دیگر کمک با شد. از آنجا که هدایت حرارتی بتن ن سبتا کم ا ست، لذا به عنوان عایق حرارتی عمل مینماید و درداخل یک توده عظیم بتنی هیدرا سیون می تواند منجربه افزایش شدید درجه حرارت گردد. همزمان سطح خارجی بتن مقداری از حرارت خود را از د ست می دهد بطوریکه گرادیان حرارتی با شیب زیادی ایجاد گ شته و در نتیجه در جریان سرد شدن بعدی در قسمت داخلی بتن ترکهای جدی ممکن است بوجود آید. از طرف دیگر حرارت تولید شده بوسیله هیدراسیون سیمان میتواند از یخ زدن آب در لولههای مویینه بتن تازه در جا ریخته شده در هوای سرد جلوگیری نماید. در چنین موردی تولید حرارت زیاد دارای مزیت خواهد بود.
-2سازه های بتن حجیم
طبق آیین نامه موسسه بین المللی بتن ACIکمیته ACI 116 تعریف بتن حجیم بدین گونه است: هر حجمی از بتن با ابعادی به اندازه کافی بزرگ که نیاز به تمهیداتی جهت جلوگیری از ایجاد ترکهای حرارتی که در بتن حجیم بر اثر حرارتزایی حاصل از واکنش شیمیایی هیدراسیون آب با سیمان و پیامد تغییرات حجم شکل میگیرد دارد بتن حجیم نامیده میشود. این تعریف از نظر تعداد زیادی از سازمانها کافی اطلاق نمی شود. بنابراین تعریف خود را از بتن حجیم مطرح نموده اند. بعضی از این تعریفها به این گونه است:
هر قطعه بتنی که ابعاد آن حداقل بزرگتر از 90 سانتی متر باشد بتن حجیم نامیده میشود. طبق این تعریف یک پی با بزرگی ضخامت 90 سانتی متر بتن حجیم خوانده نمی شود، ولی یک پی بتنی با بزرگی ضخامت 1 متر بتن حجیم در نظر گرفته میشود.
در سازمانها، حداقل ابعاد به کار گرفته در محدودههای 0/46 متر تا 2 متر را در نظر میگیرند که بستگی به تجارب کارگاهی گذشته آنان دارد. نکته قابل توجه این است که هیچ کدام از این تعاریف مقدار مواد سیمانی مصرفی در بتن را مورد ملاحظه قرار نداده است.
بتن حجیم نه تنها بتن کم سیمان مورد استفاده در سدها و دیگر سازههای حجیم، بلکه بتن پر سیمان و با مقدار سیمان متوسط مورد استفاده در اعضای سازه ای را نیز شامل میشود که انجام اقدامات ویژه جهت کاهش گرمای هیدراسیون ضرورت پیدا میکند.
یکی از مهمترین مشخصههای سازههای بتنی حجیم نظیر سدهای بتنی، رفتار حرارتی آنها میباشد. سازههای با بتنریزی حجیم بطور معمول دارای ابعاد بزرگ بوده و با توجه به مشخصههای حرارتی مصالح استفاده شده در بتن، حرارت ناشی از انجام عمل هیدراسیون سیمان نمی تواند بسرعت از بتن خارج گردد و لذا حرارت تولید شده در داخل بتن محبوس گشته، سبب افزایش درجه حرارت آن خواهد شد. به عنوان مثال برای یک دیوار به ضخامت 15 سانتی متر که از بتن معمولی ساخته شده و دو طرف آن با هوا در تماس باشد زمان لازم جهت اتلاف 95 در صد گرمای ایجاد شده در حدود 1/5 ساعت خواهد بود. زمان مذکور برای دیوار به ضخامتهای 1/5متر، 15 متر - مانند سدهای قوسی - و 152 متر - مانند سدهای وزنی - به ترتیب معادل یک هفته، دو سال و دویست سال برآورد میشود.
بنابراین در سازههای معمولی افزایش حرارت بتن مشکل خاصی را بوجود نیاورده ولی در سازههای بتنی حجیم نظیر سدهای قوسی یا وزنی، تغییر درجه حرارت و افزایش آن سبب تغییرات حجمی بتن و با توجه به نقاط گیرداری، سبب ایجاد تنشهای کششی خواهد گردید و لذا چنانچه کنترلهای لازم صورت نپذیرد، ترکهای حاصل از تنشهای کششی مذکور، میتوانند کاملا قابل ملاحظه باشند. مهمترین هدف در کنترل درجه حرارت بتن کنترل اندازه و فواصل ترکها در بتن میباشد.
اندازه و حدود کار تابعی از اهمیت سازه، روش ساخت و درجه حرارت محیط است. بطور کلی بروز ترک در بتن به دلیل تاثیر روی قابلیت آب بندی، تنشهای داخلی، دوام و شکل ظاهری نامطلوب میباشد. ترک در بتن زمانی ایجاد میشود که تنشهای کششی بوجود آمده، از مقاومت کششی بتن تجاوز نمایند، این تنشهای کششی ممکن است در اثر بارهای خارجی وارد به سازه و یا در اثر گیرداری در مقابل تغییر شکلهای حجمی بتن رخ دهد. معمولا بزرگترین تغییر شکلهای حجمی در بتن ناشی از تغییر درجه حرارت میباشد و لذا کنترل درجه حرارت بتن که سبب حداقل نمودن تغییرات حجمی میگردد، بتنریزی بلوکهای بزرگتر را ممکن ساخته که در نتیجهی آن سرعت اجرا افزایش و از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه خواهد بود.
روشهای کنترل درجه حرارت میتواند بصورت پیش سرمایش و یا پس سرمایش باشد که بهر حال کاهش میزان سیمان مصرفی، استفاده از سیمان کم حرارت زا، استفاده از پوزولانها و جایگزینی آن با سیمان نیز میتواند ما را در کنترل درجه حرارت بتن یاری نماید. عواملی نظیر شرایط محیطی در هنگام بتنریزی و بعد از آن، درجه حرارت نهایی و پایدار بتن، تغییرات فصلی درجه حرارت محیط، اندازه و نوع سازه، ترکیب مصالح بتن، روش ساخت و سرعت عملیات اجرایی از مواردی هستند که در مطالعات باید در نظر گرفته شوند.
-3روش های کنترل حرارت در سازه های بتن حجیم
از مهمترین روش های کنترل درجه حرارت می توان به پیش سرمایش، پس سرمایش، کنترل میزان و نوع سیمان، استفاده از پوزولانها، کاهش ضخامت بتن ریزی، نگهداری با آب، دیرگیرها و کنترل دمای سطحی بتن اشاره کرد.
-1-3پیش سرمایش
یکی از روشهای موثر در کنترل درجه حرارت، کاهش دمای بتن ریخته شده - تازه - میباشد که میتواند بصورت خودداری از بتنریزی در ساعات گرم روز، یا ماههای گرم سال و یا کاهش دمای مصالح تشکیل دهنده بتن باشد. انتخاب روش یا ترکیب روشهایی که برای کاهش درجه حرارت بتن تازه ا ستفاده می شود ب ستگی به میزان سرد سازی مورد نیاز، تجهیزات پیمانکار و تجارب قبلی دارد.
برای برخی سازهها، آب پا شی روی م صالح و نگهداری در سایه میتواند مفید با شد. بازدهی آب پا شی روی م صالح ب ستگی شدید به درجه حرارت آب و نحوهی عملکرد عوامل پیمانکار در محل انبار م صالح دارد. در مناطق با رطوبت کم، تبخیر آب روی م صالح میتواند به سرد سازی م صالح کمک نماید. سرد سازی آب در محدودهی و سیعی قابل اجرا میباشد که درجه حرارت حدود 0 تا 4/5 درجه سانتیگراد حد معمول آن میباشد. اضافه نمودن یخ قطعه قطعه شده یا خورد شده میتواند موثر با شد ولی به هرحال از دیدگاه عملی محدودیت دارد . از رو شهای دیگر میتوان به ا ستفاده از تانکهای خنک کننده م صالح، ا ستفاده از هوای خنک و دمیدن آن به داخل مصالح، افشاندن - اسپری - آب سرد روی مصالح، عبور مصالح از یک تونل سرد ساز و غوطه وری مصالح در داخل آب سرد اشاره نمود
-2-3نوع سیمان و مواد جایگزین آن
کاهش درجهی حرارت سیمان مورد ا ستفاده در بتن نیز از مواردی ا ست که میبای ست مورد توجه قرار گیرد زیرا بطور معمول سیمان تازه دارای درجه حرارت بالا بوده و ا ستفاده از آن در بتن سبب افزایش درجه حرارت بتن میگردد. بطور کلی سازههای بتنی حجیم نیاز ن سبی کمتری به سیمان در مقایسه با سازههای معمولی دارند و علت آن عدم نیاز به مقاومت بالا میباشد و لذا کاهش هر چه بیشتر سیمان در آنها میتواند درجه حرارت نهایی بتن را کاهش دهد.
نوع سیمان مورد استفاده نیز از عواملی است که میتواند ما را در کاهش درجه حرارت نهایی بتن یاری دهد. سیمانهای پرتلند معمول در تیپهای V ، IV ، III، II ، I در د سترس میبا شند که دامنهی تولید حرارت هر یک از آنها با دیگری متفاوت ا ست و در میان آنها تیپهای II، IV برای استفاده در بتن ریزیهای حجیم مناسب میباشند. [5]
با پیشرفت تکنولوژی بتن و مواد جایگزین سیمان نظیر پوزولانها و روبارهها امروزه قسمت عمده بتن حجیم در جهان با استفاده از این مواد ساخته میشود.
گرمای تولید شده توسط پوزولانهای مختلف بستگی به ترکیب شیمیایی پوزولان دارد ولی عمدتا گرمازایی یک گرم پوزولان برابر با گرمازایی نیم گرم سیمان در نظر گرفته میشود. آهنگ گرمازایی توسط واکنش پوزولانی کندتر از سیمان میباشد و بر این اساس در سازه هایی با اندارههای متوسط که فرار گرما به محیط خود عاملی در تعیین دمای حداکثر میباشد این عامل موجب کاهش بیشتر دمای حداکثر بتن میگردد.
از پوزولان به عنوان جایگزین سیمان عمدتا در نسبتهای 10 تا 40 درصد استفاده میگردد. نکته مهمی که قابل توجه میباشد این است که آهنگ واکنش پوزولانی کندتر از واکنشهای ترکیبات سیمان بوده و در صورتی که مقاومت 28 روزه ملاک باشد مقدار مواد سیمانی در بتن حاوی پوزولان بایستی بیشتر از مخلوط کنترل ساخته شده با سیمان تنها باشد. لیکن بعد از 90 روز مقاومت حاصله بر اثر واکنش پوزولانی میتواند برابر با سیمان فرض گردد. اگر مقدار استفاده از پوزولان 30 درصد در نظر گرفته شود انتظار میرود که گرمازایی حدود 15 درصد کاهش یابد
