مقاله در مورد نقش افزودنی های بتن در مقاوم سازی سازه ها

بخشی از مقاله

نقش افزودني هاي بتن در مقاوم سازي سازه ها

اگر نخواهيم با مقاوم سازي بدينگونه که امروزه در کشورمان رايج شده برخورد کنيم،پروسه مقاوم سازي شامل دو مرحله مي باشد:
مقاوم ساختن: به اين معني است که قبل ازساخت(مراحل مطالعه و طراحي)، در هنگام اجرا و همچنين پس از ساخت سازه (مراحل مراقبت و مونيتورينگ)، تمام دست اندر کاران پروژه طبق استانداردهاي موجود و معتبر عمل کنند. بعنوان مثال کيفيت مواد و مصالح بکار رفته در پروژه مورد نظر داراي کيفيت مطلوب و استاندارد باشند.

و اما مقاوم سازي کردن به اين معني است که: چنانچه پس از ساخت و در مرحله مونيتورينگ بخصوص در برابر حوادثي که بايد در هنگام طراحي و اجرا در نظر گرفته مي شد(مانند زلزله مورد انتظار در منطقه مورد نظر) سازه عملکرد مطلوبي از خود نشان نداده و از حداکثر تغيير شکل هاي مجاز در استاندارد تجاوز نمايد، آنگاه عمليات تقويت سازه ضروري خواهد بود.

در اينجا در مورد روش هاي و اينکه مقاوم ساختن بهتر است يا مقاوم سازي کردن!!! صحبتي نخواهيم کرد بلکه مي خواهيم به اين موضوع بپردازيم که در مقوله مذکور،بخصوص مورد دوم که تقريبا رايج ترين بحث صنعت ساختمان در کشور است، سهم مواد افزودني چقدراست؟ و اينکه اصولا آيا مواد افزودني هيچ نقشي در ساختمان مي توانند داشته باشند؟ و اگر دارند آيا مي توانند در مقابل اين سوال هميشگي پيمانکاران يعني صرفه اقتصادي توجيهي داشته باشد يا خير؟

براستي مهندسين فعال در پروژه هاي عمراني و همچنين مسئولين شرکتهاي ساخت بتن(بتن آماده) توجه دارند که در حال حاضر سازه ها بايد مقاوم سازي شوند نه عيار بالا سازي؟در واقع شايد بهتر باشد قانون براي مقاومت بالا،عيار سيمان بيشتر را به صورت براي مقاومت بالاتر، طرح اختلاط خوب تغيير داد.با توجه به اهميت بحث، ابتدا استفاده از مواد افزودني را در مقاوم سازي کردن بررسي کرده و سپس مختصري به نقش آنها در مقاوم ساختن سازه ها هم اشاره خواهيم کرد.
بطور عمده مقاوم سازي کردن يا به اختصار مقاوم سازي سازه ها به سه طريق صورت مي گيرد:
کاهش بارهاي وارده برسازه
وصله کردن يا به عبارتي تقويت اعضاي موجود
اضافه کردن يک تعداد اعضاي جديد.
در اينجا لازم است به اين نکته اشاره گردد که در بحث حاضر مواد افزودني روان کننده و فوق روان کننده مورد بررسي قرار خواهند گرفت.

مواد افزودني روان کننده و فوق روان کننده در کاهش بارهاي وارده بر سازه بطور مستقيم نمي توانند نقشي داشته باشند اما بطور غير مستقيم مي توانند بدين شکل عمل کنند. چنانچه سازه با بتن بدون مواد افزودني (بتن ساده) ساخته شود، چون مقاومت آن از بتن با ماده افزودني (بتن مجهز)کمتر خواهد بود، لذا اندازه اعضاي سازه بيشتر و بار وارده بر سازه زيادتر خواهد بود. به عبارت ديگر ساختن بتن با مقاومت بالا در شرايط يکسان با مواد افزودني راحت تر است. کما اينکه در بسياري موارد بخصوص هنگاميکه درصد آب به سيمان از يک مقدار اجرايي کمتر مي شود،

ساختن بتن اصولا غير ممکن است. در صورتيکه با استفاده از مواد افزودني اين امر امکان پذير مي باشد.
اما نقش مواد افزودني در روش هاي دوم و سوم مقاوم سازي سازه معقول تر و بطور مشهود تري قابل بررسي است. معمولا در هنگام مقاوم سازي به روش تقويت اعضاي موجود، مطلوب است که از مصالحي با کيفيت بالاتر و بهتر از مصالح بکار رفته در سازه استفاده مي شود که در مورد بتن، اغلب بتن با مقاومت بالا و يا بتن چگال تر مد نظر است. براي ساخت بتن با مقاومت بالا مهمترين کار، کاهش مقدار نسبت آب به سيمان تا حداقل مقدار ممکن است، اما اين کار مشکلات اجرايي را در بر خواهد داشت بطوريکه يک درصد مشخص آب به سيمان اجرايي تعريف مي شود(5/0 الي 55/0). مواد افزودني حتي در نسبت هاي آب به سيمان کمتر از عددي که اجرايي ناميده مي شود مي توانند به گونه اي بتن را مجهز کنند که مشکلات اجرايي را مرتفع نمايند.

در روش سوم مقاوم سازي همانند روش قبل معمولا مطلوب اين است که اعضاي اضافه شده بهتر از اعضاي موجود باشند لذا دوباره همانند آنچه در بالا توضيح داده شد مي توان يک سازه بتني با مقاومت بالا را اجرا کرد.
روش هاي مذکور به عبارتي روش هاي درمان سازه بيمار هستند اما همواره پيشگيري بر درمان مقدم است بعبارت ديگر بجاي مقاوم سازي بعد از ساخت که بخصوص در اکثر موارد روش هاي اجراي خاص را مي طلبد،بهتر است سازه در هنگام طراحي و ساخت، مقاوم و مجهز ساخته شود. در مورد يک سازه و يا عضو بتني مقاومت بتن مهمترين خصوصيت آن است که تقريبا اکثر خواص ديگر بتن را مي توان با آن سنجيد. بنابراين بطور کلي و در اکثر موارد و نه هميشه ساخت ي

ک بتن خوب به معناي ساخت بتن با مقاومت فشاري مطلوب است.
و همانطور که اشاره شد چنانچه ماده افزودني در بتن استفاده گردد نگراني دست يافتن به مقاومت مورد نظر کمتر خواهد بود.
بد نيست پس از اينکه فوايد مواد افزودني روان کننده و فوق روان کننده و همچنين مزاياي استفاده از بتن مجهز بررسي شد، سوالاتي را هم که در ذهن اکثر مهندسان عمران همواره وجود دارد پاسخ داده شود. به عبارت بهتر ذهنيت موجود در صنعت ساختمان نسبت به مواد افزودني منفي بوده و يا حداقل مثبت نيست.
اولين سوال صرفه اقتصادي است.

با اين ذهنيت که اگر از مواد افزودني استفاده کنم هزينه هر متر مکعب بتن بالا خواهد رفت. اين قضيه در اکثر موارد درست نيست.بخصوص اگر در يک ساختمان بررسي شود، براي استفاده از بتن مجهز به دو صورت مي توان عمل کرد:
اول اينکه استفاده از مواد افزودني در اسلامپ ثابت باعث کاهش آب مي شود، از طرفي با توجه به اينکه مقاومت بتن به نسبت آب که به سيمان بستگي دارد لذا مي توان مقدار سيمان را به اندازه اي کم کرد که نسبت قبلي ثابت بماند و با استفاده از مواد افزودني يک بتن مهربانتر ساخت که با توجه به نوع بتن و کاهش سيمان مي تواند حتي باعث کاهش قيمت تمام شده بتن شود. البته با توجه به وضعيت فعلي بازار سيمان، کاهش مصرف سيمان هم مي تواند يک امتياز مثبت باشد.
دوم اينکه اکثرا در هنگام طراحي اعضاي بتني مقاومت آن به اندازه اي در نظر گرفته مي شود که به راحتي مي توان مقاومتي بالاتر از آنرا با ماده افزودني گرفت. در نگاه اول هزينه اجراي سازه به علت اضافه شدن ماده افزودني و تبديل بتن ساده به بتن مجهز، بيشتر شده و به صورت ظاهري نا مطلوب مي نمايد، در صورتي که کاهش هزينه کلي اجراي سازه به علت کاهش اندازه مقاطع اعضاي سازه و در نتيجه کاهش بار مرده ساختمان اصلا در نظر گرفته نمي شود.
علاوه بر دو مورد بالا شعار کاهش مصرف سيمان را نيز همگ شنيده اند!!!

پس از اينکه به اين نتيجه رسيديم که : شايد هم مواد افزودني بد نباشد، حتما بد نيست، شايد خوب باشد،حتما خوب است و يا حتما بايد استفاده شود،همانند هر کالاي ديگري استفاده از نوع مناسب ماده روان کننده يا فوق روان کننده در اينجا نيز مطرح خواهد بود.
اما چرا توليد نسل هاي پي در پي مواد فوق روان کننده احساس شد؟ در جواب سوال مي توان اين گونه بيان کرد، که بتن يک موجود زنده است. لذا اين موجود زنده در شرايط، مکان هاي مختلف و با مصالح مختلف رفتار متفاوتي از خود نشان مي دهد.

بنابراين نسل اول مواد افزودني در بسياري مورد نتوانست باعث افزايش اسلامپ بتن تا حد مطلوب شود، حتي وقتي که حداکثر مقدار دوزاج کمتر از نسل اول، بتن قوي مذکور را تکان دهد ولي نسل دوم هم در برخي موارد نتوانست مقدار آب بتن را تا جايي که مطلوب بود، کاهش دهد. لذا نسل سوم فوق روان کننده ها بر پايه پلي نفتالين به بازار آمد.

اين مواد با دوزاج تقريبي يک درصد وزن سيمان، بتني را که اسلامپ آن حدود صفر باشد به سانتي متر و با دوزاج 5/1 درصد به حدود اسلامپ بتن مي رساند. البته وقتي که مقصود، اسلامپ ثابت و کاهش آب بتن باشد، مقاومت را در بتن مذکور تا 110 کيلوگرم بر سانتي متر مربع نسبت بتن شاهد افزايش خواهد داد. نسل چهارم فوق روان کننده ها که بر پايه پلي کربوکسيلات است. بتن فوق را فقط با 5/0 درصد وزن سيمان از اسلامپ حدود صفر به بتن تبديل مي کند. در حال حاضر استفاده از فوق روان کننده هاي نسل اول و دوم تقريبا منسوخ شده و نسل سوم و حتي چهارم در پروژه ها استفاده مي شود.

توجه به اين نکته در استفاده از مواد فوق روان کننده ضروري است که:
تفاوت عملکرد فوق روان کننده ها، تفاوت قدرت آنها در کاهش آب و يا افزايش اسلامپ( و يا نگهداري اسلامپ) بتن مي باشد. يعني همانگونه که نمي توان براي طي يک مسير مشکل از تجهيزات ابتدايي و ضعيف استفاده کرد، نمي توانيد يک فوق روان ساز نسل اول، دوم و شايد سوم را براي توليد يک بتن قوي انتخاب کنيد. هر چند که ممکن است بتوانيد به ظاهر و در ابتداي امر با خريد محصول ارزانتر و صرفا اضافه کردن يک ماده، به عنوان فوق روان ساز در پروژه صرفه جويي کنيد.

بطور کلي چهار عامل انگيزشي و امتيازي، در مصرف مواد افزودني بتن(فوق روانسازها)، بشرح زير متصور مي باشد:
1. افزايش رواني بتن
2. افزايش مقاومت بتن
3. کاهش نفوذپذيري و افزايش دوام بتن
4. صرفه جويي در مصرف سيمان و نهايتا تقليل هزينه هاي متعلقه که هر کدام از موارد مذکور به جاي خود و در زمان مناسب قابل محاسبه و وصول خواهد بود.

بدنبال اظهار مزاياي مشروحه استفاده از مواد افزودني بتن فقط يک عامل مهم و باز دارنده مصرف مواد افزودني، بعنوان دغدغه مهم و پر اهميت مهندسين و مصرف کنندگان،که همان تضمين کيفيت مواد افزودني در بتن که در صد بسيار بسيار نازلي از قيمت کل سازه بتني را شامل مي شود مطرح مي باشد.

چگونه به اين کالا اعتماد کنيم؟ متولي تاييد صلاحيت توليد کنندگان و محصولات توليد شده کيست؟
خوشبختانه هم اکنون در کشورمان استاندارد مواد افزودني فوق روانساز موجود است و يا به عبارت بهتر همه شرکت هاي توليد کننده مواد افزودني موظف شده اند که محصولات خود را به تاييد اداره استاندارد برسانند و افزون بر اين امر از سوي موسسه استاندارد و تحقيقات صنعتي ايران نيز ورود، توليد و توزيع مواد افزودني بتن( شامل روان کننده ها، فوق روان کننده ها و کند گير کننده ها و مواد حباب ساز) بصورت غير استاندارد ممنوع و عاملين به ورود، توليد و يا توزيع مواد افزودني غير استاندارد تهديد به تعقيب قانوني شده اند و اين دغدغه استفاده از مواد غير استاندارد با اخذ مجوز کاربرد علامت استاندارد مرتفع گرديده است
افزودنیهای بتن
برای ساخت بتن های ویژه در شرایط خاص نیاز به استفاده از افزودنی های مختلفی می باشد. پس از پیدایش مواد افزودنی حباب هواساز در سالهای 1940 کاربرد این ماده در هوای سرد و در مناطقی که دمای هوا متناوباً به زیر صفر رفته و آب بتن یخ می زند، رونق بسیار یافت. این ماده امروز یکی از پر مصرف ترین افزودنی ها در مناطق سرد نظیر شمال آمریکا و کانادا و بعضی کشورهای اروپایی است.

ساخت افزودنی های فوق روان کننده که ابتدا نوع نفتالین فرمالدئید آن در سالهای 1960 در ژاپن و سپس نوع ملامین آن بعداً در آلمان به بازار آمد شاید نقطه عطفی بود که در صنعت افزودنی ها در بتن پیش آمد. ابتدا این مواد برای کاستن آب و به دست آوردن کارایی ثابت به کار گرفته شد و چند سال بعد با پیدایش بتن های با مقاومت زیاد نقش این افزودنی اهمیت بیشتری یافت. امروزه بتن

های مختلفی برای منظور ها و خواص ویژه و نیز به منظور مصرف در شرایط خاص با این مواد ساخته می شود که ازمیان آنها به ساخت بتن های با مقاومت زیاد، بتن های با دوام زیاد، بتن های با مواد پوزولانی زیاد (سرباره کوره های آهن گدازی و خاکستر بادی)، بتن های با کارایی بالا، بتن های با الیاف و بتن های زیر آب و ضد شسته شدن می توان اشاره نمود.

بتن های با کارآیی بسیار زیاد که چند سالی است از پیدایش آن در جهان و برای اولین بار در ژاپن نمی گذرد، تحول جدیدی در صنعت ساخت و ساز بتنی ایجاد کرده است. این بتن که نیاز به لرزاندن نداشته و خود به خود متراکم می گردد، مشکل لرزاندن در قالب های با آرماتور انبوه و محلهای مشکل برای ایجاد تراکم را حل نموده است. این بتن علیرغم کارایی بسیار زیاد خطر جدایی

سنگدانه ها و خمیر بتن را نداشته و ضمن ثابت بودن کارایی و اسلامپ تامدتی طولانی می تواند بتنی با مقاومت زیاد و دوام و پایاپی مناسب ایجاد کند. در طرح اختلاط این بتن باید نسبت های خاصی را رعایت نمود. به عنوان مثال شن حدود 50 درصد حجم مواد جامد بتن را تشکیل داده و ماسه حدود 40 درصد حجم ملات انتخاب می شود. نسبت آب به مواد ریزدانه و پودری بر اساس خواص مواد ریز بین 9/0 تا 1 می باشد. با روش آزمون و خطا نسبت دقیق آب به سیمان و مقدار ماده فوق روان کننده مخصوص برای مصالح مختلف تعیین می گردد. از این بتن با استفاده از افزودنی دیگری که گرانروی بتن را می افزاید در زیر آب استفاده شده است.

در سال های اخیر استفاده محدودی از آرماتورهای غیر فلزی آغاز گشته است هر چند تحقیقات بر روی کاربرد وسیعتر آنها و عملکرد دراز مدت این نوع آرماتورها ادامه دارد این آرماتورها که معروف به آرماتورهای با الیاف پلاستیکی (FRP) هستند از الیاف مختلفی چون الیاف شیشه ای (GFRP) الیاف آرامیدی (Afrp) والیاف کربنی (CFRP) در یک رزین چسباننده تشکیل شده اند. خاصیت عمده این آرماتورها که سبب کار برد آنها شده است مقاومت در برابر خوردگی آنهاست که می تواند در محیط های بسیار خورنده دوام دراز مدتی داشته باشند. علاوه بر این مقاومت بالا، مقاومت به خستگی

بالا، ظرفیت بالای تغییر شکل ارتجاعی، مقاومت الکتریکی زیاد و هدایت مغناطیسی پایین و کم این مواد از مزایای آنها شمرده می شود. البته این مواد معایبی چون کرنش گسیختگی کم و شکننده بودن و خزش زیاد و تفاوت قابل ملاحظه ضریب انبساط حرارتی آنها در مقایسه با بتن را به همراه

دارند. اخیراً از الیاف مختلف شبکه هایی بافته شده و به صورت یک شبکه آرماتور در سطح بتن برای کنترل ترک و کم کردن عرض آن و همچنین در دیوارهای نمای بتنی ازآن استفاده می کنند. تحقیقات روی کاربرد صفحات الیافی به جای صفحات فولادی برای تقویت قطعات خمشی و تیرها و دال ها به ویژه در پل ها ادامه دارد. این صفحات با رزین های اپوکسی به نواحی کششی از خارج اتصال داده می شود. کاربرد صفحات با الیاف کربنی برای این تقویت بیشتر رایج گشته و در چندین پل در ژاپن و در بعضی کشورهای اروپایی از آن استفاده شده است.

افزودنی های خاص در شرایط ویژه :
برای ساخت بتن های ویژه در شرایط خاص نیاز به استفاده از افزودنی های مختلفی می باشد. پس از پیدایش مواد افزودنی حباب هواساز در سالهای 1940 کاربرد این ماده در هوای سرد و در مناطقی که دمای هوا متناوباً به زیر صفر رفته و آب بتن یخ می زند، رونق بسیار یافت. این ماده امروز یکی از پر مصرف ترین افزودنی ها در مناطق سرد نظیر شمال آمریکا و کانادا و بعضی کشورهای اروپایی است.
ساخت افزودنی های فوق روان کننده که ابتدا نوع نفتالین فرمالدئید آن در سالهای 1960 در ژاپن و سپس نوع ملامین آن بعداً در آلمان به بازار آمد شاید نقطه عطفی بود که در صنعت افزودنی ها در بتن پیش آمد. ابتدا این مواد برای کاستن آب و به دست آوردن کارایی ثابت به کار گرفته شد و چند سال بعد با پیدایش بتن های با مقاومت زیاد نقش این افزودنی اهمیت بیشتری یافت. امروزه بتن های مختلفی برای منظور ها و خواص ویژه و نیز به منظور مصرف در شرایط خاص با این مواد ساخته می شود که ازمیان آنها به ساخت بتن های با مقاومت زیاد، بتن های با دوام زیاد، بتن های با مواد پوزولانی زیاد (سرباره کوره‌های آهن گدازی و خاکستر بادی)، بتن های با کارایی بالا، بتن های با الیاف و بتن های زیر آب و ضد شسته شدن می توان اشاره نمود.

بتن های با کارآیی بسیار زیاد که چند سالی است از پیدایش آن در جهان و برای اولین بار در ژاپن نمی گذرد، تحول جدیدی در صنعت ساخت و ساز بتنی ایجاد کرده است. این بتن که نیاز به لرزاندن نداشته و خود به خود متراکم می گردد، مشکل لرزاندن در قالب های با آرماتور انبوه و محلهای مشکل برای ایجاد تراکم را حل نموده است. این بتن علیرغم کارایی بسیار زیاد خطر جدایی ند بتنی با مقاومت زیاد و دوام و پایاپی مناسب ایجاد کند. در طرح اختلاط این بتن باید نسبت های خاصی را رعایت نمود. به عنوان مثال شن حدود 50 درصد حجم مواد جامد بتن را تشکیل داده و ماسه حدود 40 درصد حجم ملات انتخاب می شود. نسبت آب به مواد ریزدانه و پودری بر اساس خواص مواد ریز بین 9/0 تا 1 می باشد. با روش آزمون و خطا نسبت دقیق آب به سیمان و مقدار ماده فوق روان کننده مخصوص برای مصالح مختلف تعیین می گردد. از این بتن با استفاده از افزودنی دیگری که گرانروی بتن را می افزاید در زیر آب استفاده شده است.