افزودنی های بتن

از مواد افزودنی کاهنده‌ی آب برای کاهش مقدار آب مورد نیاز در مخلوط بتن برای رسیدن به اسلامپ مورد نظر، کاهش نسبت آب به سیمان، کاهش حجم سیمان یا افزایش اسلاماپ بتن استفاده می‌شود. کاهنده‌های آب معمولاً بین 5 تا 10 درصد از حجم آب در بتن را کاهش می‌دهند. اضافه کردن افزودنی کاهنده‌ی آب بدون کاهش مقدار آب در آن می‌تواند بتنی با اسلامپ بیشتر تولید کند. هر چند نرخ کاهش اسلامپ تغییری نمی‌کند و در برخی موارد حتی افزایش نیز می‌یابد (نمودار پایین). کم شدن اسلامپ بتن در زمان کوتاه، باعث کم شدن کارایی بتن و کاهش فرصت برایبتن‌ریزی می‌شود.

در این نمودار نرخ کاهش اسلامپ در سه بتن مختلف نمایش داده شده. همان طور که مشاهده می‌کنید، اضافه کردن کاهنده‌ی آب باعث کاهش نرخ کم شدن اسلامپ نمی‌شود و حتی شیب آن را بیشتر نیز می‌کند. نمودار افقی نشان‌دهنده‌ی زمان با واحد دقیقه و نمودار عمودی نشان‌دهنده‌ی مقدار اسلامپ به میلی‌متر می‌باشد.

افزودنی‌های کاهنده‌ی آب، به دلیل آن که نسبت آب به سیمان را در بتن افزایش می‌دهند، باعث بالا رفتن مقاومت بتن می‌شوند. برای بتن‌های مختلف در شرایط مشابه، مقاومت بیست و هشت روزه‌ی بتنی که در آن از کاهنده‌ی آب استفاده شده، بین ده تا بیست و پنج درصد افزایش داشته است. با وجود این که این نوع افزودنی‌ها، باعث کاهش آب در بتن می‌شوند و تصور عمومی این چنین است که باید جمع شدگی را نیز کاهش دهند، اما مشاهدات و تحقیقات نشان داده که مقدار جمع شدگی به دلیل تبخیر را بیشتر نیز می‌کنند. هر چند معمولاً نقش کاهنده‌های آب در مقایسه با دیگر عوامل ایجاد جمع شدگی در بتن، خیلی کمتر است. استفاده از کاهنده‌ی آب برای کاهش مقدار سیمان و آب درمخلوط بتن، با ثابت نگه داشتن نسبت آب به سیمان، در مقاومت فشاری بتن تغییری ایجاد نمی‌کند یا آن را کاهش می‌دهد؛ همچنین می‌تواند باعث کاهش نرخ اسلامپ نیز شود.

افزودنی‌های کاهنده‌ی آب بر پایه‌ی مواد شیمیایی استفاده شده در تولیدشان، می‌توانند باعث کاهش، افزایش یا عدم تغییر مقدار آب انداختگی بتن شوند. کاهش آب انداختگی در سطوح صافی که شرایط خشک شدن سریع را دارند، مشکلاتی ایجاد می‌کند. از کاهنده‌های آب می‌توان برای ایجاد تغییرات در زمان گیرش استفاده کرد؛ البته در صورت عدم نیاز به تغییر زمان گیرش، کاهنده‌هایی نیز وجود دارند که در زمان گیرش تغییر چندانی ایجاد نمی‌کنند.

کاهنده‌های نوع A تاثیر کمی بر روی زمان گیرش دارند، در حالی که کاهنده‌های نوع D زمان گیرش را عقب می‌اندازند. کاهنده‌ی نوع E نیز به گیرش بتن سرعت می‌بخشد. کاهنده‌ی نوع D، زمان گیرش را بین یک تا سه ساعت عقب می‌اندازد. برخی از مواد کاهنده‌ی آب، می‌توانند در بتن هوازایی کنند. افزودنی‌های لینگین، مقدار هوای موجود در بتنرا بین 1 تا 2 درصد افزایش می‌دهد. همچنین بتن‌هایی که در آن‌ها از افزودنی‌های کاهنده‌ی آب استفاده شده، احتباس هوای بهتری دارند.

تاثیر افزودنی‌های کاهنده‌ی آب بر روی عملکرد بتن به عواملی همچون ترکیب شیمیایی‌شان، دمای بتن، ترکیب سیمان و مرغوبیت آن، مقدار و حجم سیمان و وجود دیگر افزودنی‌ها بستگی دارد. 

انواع تیپ سیمانها و محل های مورد استفاده

ـ انواع سیمان

به طور کلی سیمانهای ساختمانی به دو نوع پرتلند و غیر پرتلند تقسیم می‌شوند. در قدیم ، قیر، گچ و آهک قسمت عمده سیمانهای غیر پرتلند را تشکیل می‌داد. لکن امروزه انواع مواد پلیمری به عنوان سیمانهای غیر پرتلند مورد توجه قرار گرفته‌اند .مواد پلیمری دارای خواص بسیار گوناگون و مفیدی هستند. البته پاره‌ای مشکلات خاص خود مانند عدم مقاومت در برابر آتش ، تغییر خواص در دراز مدت واز همه مهمتر قیمت بسیار بالا را هم دارند.

2ـ8 ـ انواع سیمان پرتلند بر مبنای استاندارد ایران

در استاندارد ایران ـ که بر مبنای استاندارد ASTM تدوین شده ـ سیمان پرتلند به پنج تیپ (نوع) تقسیم می‌شود که عبارتند از :

تیپ 1ـ سیمان پرتلند معمولی

تیپ 2ـ سیمان پرتلند اصلاح شده .

تیپ3ـ سیمان پرتلند زود سخت شونده .

تیپ 4ـ سیمان پرتلند با حرارت کم .

تیپ 5ـ سیمان پرتلند ضد سولفات .

تجهیزات لازم برای تولید هر پنج نوع سیمان فوق و خط تولید آنها مشابه است و عمده اختلاف در مقدار مواد اولیه و درجه حرارت کوره می‌باشد.

2ـ8 ـ1ـ سیمان پرتلند تیپ 1

همانطور که از نام سیمان پیداست، به طور معمول در کارها از این نوع سیمان استفاده می‌شود؛ مگر اینکه ویژگی خاصی مدنظر قرار گیرد. در استاندارد ایران سیمان تیپ 1 به سه دسته تقسیم می‌شود که عبارتند از : 325-1 ، 425-1، 525-1. این تقسیم بندی بر مبنای مقاومت 28 روزه نمونه‌های سیمانی است:

حداقل مقاومت 28 روزه سیمان پرتلند معمولی 325ـ1، 325 kg/cm3یا ,32.5Mpaاست.

2ـ8 ـ2ـ سیمان پرتلند تیپ 2

با اصطلاحاتی که در خط تولید این نوع سیمان صورت پذیرفته ، درصد C3A در آن به حداکثر 8% محدود شده است. این امر با کاستن از میزان خاک رس در مواد اولیه امکانپذیر است. چرا که C3A حاوی اکسید آلومینیوم ( Al2O3) است که این اکسید در خاک رس وجود دارد. لذا جهت کاهش باید از میزان خاک رس کاست.

کم شدن C3A باعث کاهش حرارت هیدراتاسیون و همچنین مقاوم شدن سیمان (و بتن) در برابر حمله سولفاتهاست . زیرا همانطور که در بخش 2ـ5 گفتیم، C3A در مجاورت آب با سولفاتها ترکیب شده ، ماده‌ای به نام اترنژیت به وجود می‌آورد که در اثر جذب آب متورم می‌شود و ایجاد ترک می‌کند (به این پدیده حمله سولفاتها گویند).

2ـ8ـ3ـ سیمان پرتلند تیپ 3

زمان گیرش این نوع سیمان، مشابه سیمان پرتلند معمولی است. اما مقاومت اولیه آن به سرعت زیاد می‌شود؛ به گونه‌ای که در سه روز ، به مقاومت هفت روزه تیپ 1 می‌رسد. یادآوری می‌‌کنیم که سیمان زود سخت شونده با سیمان زودگیر تفاوت دارد.مفهوم زودگیر یعنی زمان گیرش سریع که با مفهوم کسب مقاومت سریع متفاوت است. در این نوع سیمان، کسب مقاومت سریع با آزاد شدن گرمای هیدراتاسیون زیادی همراه است و لذا نباید از این نوع سیمان در بتن ریزیهای حجیم استفاده کرد. زیرا بتن در اثر گرمای زیاد هیدراتاسیون منبسط می‌شود و در همان حال گیرش حاصل می‌کند. اما پس از سرد شدن، پدیده انقباض بتن را تحت کشش قرار می‌دهد و باعث ایجاد ترکهایی در آن می‌شود. برای دستیابی به این نوع سیمان در مرحله تولید عمدتاً دو کار انجام می‌شود:

1ـ میزان C3S در سیمان را افزایش می‌دهند. همانطور که در بخش 2ـ5 متذکر شدیم، C3S وظیفه تامین مقاومت اولیه را بر عهده دارد.

2ـ در آسیاب نهایی آن را نرمتر از سیمان پرتلند معمولی می‌کنند (حدود3200cm2/gr).

در صورت عدم دسترسی به این نوع سیمان می‌توان از سیمان پرتلند معمولی 525-1 بهره جست.

امروزه مواد دیگری نیز به سیمان اضافه می‌کنند و سیمانهای خیلی زود سخت شونده و سوپر سخت شونده بدست می‌آورند. در مصرف این نوع سیمانها باید دقت داشت که دقیقاً مطابق روش ارائه شده در راهنمای آن عمل شود.

2ـ 8ـ4ـ سیمان پرتلند تیپ 4

در این نوع سیمان از طریق کم کردن میزان C3A C3S ،حرارت هیدراتاسیون را تا حد زیادی کاسته‌اند و از آن در بتن ریزیهای حجیم استفاده می‌کنند. البته میزان تولید این نوع سیمان در دنیا کم است و سعی می‌شود از سیمانهای جایگزین (همچون تیپ 5) استفاده شود.

در اینجا مناسب است بگوییم جهت کاستن حرارت هیدراتاسیون در بتن ریزی روشهای دیگری نیز وجود دارد که عبارتند از :

پیش سردکن: در این روش بجای آب از پودر یخ استفاده می‌شود . همچنین سعی بر آنست که سنگدانه‌ها حتی المقدور خنک باشند. بدین جهت شن و ماسه را از درون تونلهای خنک کننده عبور می‌دهند. به موازات آنها از میزان مصرف سیمان در بتن نیز تا حد امکان می‌کاهند. پس سردکن : در این روش ، لوله‌های مسی یا گلوانیزهمناسبی را در لابلای محدوده بتن ریزی قرار می‌دهند و هنگام بتن ریزی و در طول زمان عمل‌آوری، از میان آنها آب یا هوای سرد عبور می‌دهند. این لوله‌ها در بتن مدفون شده ، در آن باقی می‌ماند.

2ـ8 ـ5ـ سیمان پرتلند تیپ 5

در این نوع سیمان ـ که با هدف استفاده در جاهایی که در معرض حملات سولفاتی است ساخته می‌شود ـ درصد C3A به حداکثر 5% محدود شده است. از آنجا که حرارت هیدارتاسیون این نوع سیمان بسیار کمتر از حرارت هیدراتاسیون سیمان پرتلند معمولی است، می‌توان از آن در بتن ریزیهای حجیم استفاده کرد.

تذکر این نکته ضروری است که سرعت کسب مقاومت این نوع سیمان کمتر از تیپ 1 است؛ به طوری که در 28 روز، حدود 91% مقاومت 28 روزه سیمان تیپ 1 را بدست می‌آورد. لذا در برخی آیین‌نامه‌ها مقاومت 42 روزه این نوع سیمان به جای مقاومت 28 روزه آن لحاظ می‌شود.

2ـ9ـ بحثی پیرامون حملات سولفاتها

تا مدتها پس از بکارگیری سیمان پرتلند معمولی در بتن، در برخی مناطق بتن کم کم سفید شده ، پودر می‌شد و می‌ریخت. این معنا توسط یک مهندس سوئدی به نام شلتون کشف شد. شلتون نشان داد در مناطقی که مواد سولفاتی وجود دارد، سولفاتها پس از نفوذ به درون بتن با C3A ترکیب شده ، ماده‌ای به نام اترنژیت یا اترینگات به وجود می‌آورند . این ماده جدید در اثر جذب آب متورم و باعث ایجاد ترک در بتن می‌شود که به این روند، حملات سولفاتها گویند. برمبنای این کشف، کاهش میزان C3A در سیمان و تولید سیمانهایی چون سیمان پرتلند تیپ 5 به عنوان راه حل مقابله با حملات سولفاتها ارائه شد. در روند حملات سولفاتها، نکته مهم آنست که تخریب بتن در اثر پدیده شیمیایی ترکیب سولفات C3A نیست؛ بلکه به علت پدیده فیزیکی انبساط اترنژیت در اثر جذب آب است! بعدها مشخص شد که سولفاتها علاوه بر ترکیب با C3A ، به Ca(OH)2 نیز حمله کرده، در ترکیب با آن تولید سنگ گچ می‌کنند که این محصول هم در مجاورت آب و با جذب رطوبت، منبسط می‌شود و در بتن ایجاد ترک می‌کند. از طرفی دیده می‌شد که استفاده از سیمان ضد سولفات(تیپ 5) در مناطقی نظیر حاشیه خلیج فارس ـ که مواد سولفاتی به وفور وجود دارد ـ بر خلاف انتظار جوابگو نبوده، بتن تخریب می‌شود که نمونه این پدیده درتیرهای برق مشهود بود. با بررسیهای دقیقتر مشخص شد این تخریب در اثر حمله کلریدهاست نه سولفاتها؛ بدین شرح که با کاهش میزان ، در کنار افزایش مقاومت در برابر سولفاتها، نفوذپذیری نیز زیاد می‌شود و کلریدها راحت‌تر به داخل بتن راه می‌یابند. کلریدها به میلگرد حمله می‌کنند و در آنها خوردگی به وجود می‌آورند که در نهایت منجر به تخریب بتن می‌شود و از آنجا که در مناطق حاشیه خلیج فارس کلریدها نیز به میزان زیاد در محیط وجود دارند، این مشکل ظهور می‌کرد. جهت رفع این معضل، پیشنهاد شد در این مناطق از سیمانهایی استفاده شود که درصد C3A در آنها از 8% کمتر باشد؛ ولی کمتر از 5% نشود. که هم در برابر سولفاتها مقاومت کند و هم قابلیت نفوذ زیادی نداشته باشد. به طور کلی چنین نیست که هر جا مساله وجود سولفاتها در محیط مطرح باشد، از سیمان تیپ 5 استفاده شود . نوع سیمان مناسب در ارتباط با مقدار سولفات محیط مطابق جدول 2ـ1 می‌باشد. همچنین در مقابله با حملات سولفاتها ، علاوه بر انتخاب سیمان مناسب، باید به نکات دیگری نیز توجه داشت که در پدیده بسیار موثرند:

1ـسولفاتها تنها در حالت محلول قادر به حمله به بتن هستند. لذا یکی از راه‌های مقابله با حملات سولفاتها دور نگاهداشتن بتن از رطوبت است. نمونه این عملیات قلوه چینی پیرامون پی ساختمانها جهت جلوگیری از نفوذ آب به پی است. همچنین در ساخت بتن نباید از آب دارای سولفاتها استفاده کرد.

2ـ تر و خشک شدن متناوب ، حملات سولفاتها را تشدید می‌کند. این پدیده به ویژه در سازه‌های بتنی کنار دریا که تحت تاثیر جذر و مد هستند مشاهده می‌شود. 3ـ از آنجا که هر چه میزان آب به سیمان (W/C) در بتن بیشتر باشد، نفوذپذیری و پیرو آن حملات سولفاتها و کلریدها بیشتر است، حتی‌المقدور باید مقدار آب را تا حد امکان کاست و به جای آن از مواد روان کننده استفاده کرد.

جدول 2ـ1 : نوع سیمان مناسب در ارتباط با میزان سولفات محیط

اصولاً بتن در معرض دو گانه حمله است:

1ـ حمله داخلی .

2ـ حمله خارجی.

در حمله داخلی، مواد مخرب با مواد اولیه وارد بتن می‌شوند و گریزی از حضور آنان نیست. مثلاً سولفات از طریق سنگ گچ موجود وارد بتن می‌شود. ممکن است آب مصرفی خود دارای مواد واکنش‌زا باشد و … . تنها راه مقابله با این حملات، دقت در انتخاب مواد اولیه و خشک نگه داشتن بتن حاصله است. اینگونه حملات طی سالیان طولانی و آهسته آهسته ظاهر می‌شوند. در حمله خارجی، مواد مخرب از خارج به درون بتن نفوذ کرده، آن را تحت تاثیر قرار می‌دهند. مانند حمله کلریدها در خلیج فارس. این گونه حملات طی مدت زمان بسیار کوتاه تری (بین 6 ماه تا یک سال) ظهور می‌کنند و راه‌های مقابله با آن قبلاً شرح داده شد.

2ـ10ـ دیگر انواع سیمانهای پرتلند

2ـ10ـ1ـ سیمانهای پرتلند پزولانی

پزولانها مواد سیلیسی یا سیلیس آلومیناتی هستند که خود قابلیت چسبندگی ندارند؛ اما به صورت پودر در کنار رطوبت با آهک ترکیب می‌شوند و ترکیبات سیلیکات کلسیم به وجود می‌آورند که خاصیت چسبندگی دارند. در تهیه سیمانهای پرتلند پزولانی، درصد مشخصی از مواد پزولانی را به سیمان پرتلند می‌افزایند و با سیمان حاصل، خواص جدیدی را تامین می‌کنند. یکی از مهمترین خواص این سیمانها مقاومتشان در برابر حمله سولفاتها می‌باشد. پودر سیمان پرتلند در مجاورت آب ، ژل سیمانرا به وجود می‌آورد. 2(Ca(OH ماده‌ای است که در ژل سیمان یافت می‌شود و معایبی را به همراه دارد که عبارتند از:

1ـ آب هنگام خروج از لوله‌های مویین بتن، مقداری 2(Ca(OH را در خود حل و به خارج منتقل می‌کند. 2(Ca(OH در مجاورت هوا با CO2 ترکیب می‌شود و CaCo2+H2O را به وجود می‌آورد که پس از تبخیر آب آن به صورت سفیدکهایی بر سطح بتن ظاهر می‌شود.

2ـ جای 2(Ca(OH هایی که به صورت فوق از بتن خارج می‌شوند، خالی می‌ماند که این خود، عاملی در جهت افزایش نفوذپذیری بتن است.

3ـ 2(Ca(OH بستر مناسبی برای حمله سولفاتها به وجودمی‌آورد. زیرا سولفاتها به 2(Ca(OH حمله کرده، گچ به وجود می‌آورند . این گچ در اثر جذب رطوبت متورم می‌شود و همان مساله حمله سولفاتها به وقوع می‌پیوندد. پزولانها با 2(Ca(OH موجود در سیمان ترکیب می‌شوند و سیلیکات کلسیم به وجود می‌آورند که ماده‌ای است با خاصیت چسبندگی . در حقیقت پزولانها یک ماده مضر در سیمان را به ماده‌ای مفید تبدیل می‌کنند. تا مدتها گمان بر آن بود که مقابله با حمله سولفاتها فقط از طریق کاستن میزان C3A و استفاده از سیمان تیپ 5 میسر است. اما امروزه می‌دانند که میزان زیاد 2(Ca(OH نیز بستر مناسبی جهت حمله سولفاتها فراهم می‌کند و راه مقابله با آن استفاده از سیمان پرتلند پزولانی است. بر مبنای همین اصل ، همانگونه که در جدول 2ـ1 نیز مشاهده کردید، اگر درصد سولفات محیط بیش از 2% باشد، در کنار استفاده از سیمان تیپ 5 باید از مواد پزولانی استفاده کرد. سیمانهای پزولانی بر اساس میزان پزولان موجود در آنها به صورت ًسیمان پزولانی X%ًبیان می‌شوند. آیین نامه حداکثر میزان مجاز پزولان در سیمان پرتلند پزولانی را 15% می‌داند . البته در برخی سیمانها میزان پزولان تا مقادیری بسیار بیش از این هم می‌باشد؛ اما چنین سیمانهایی پرتلند محسوب نمی‌شوند. بلکه ًسیمانهای  پزولانی با خواص مربوط به خود هستند. حرارت هیدراتاسیون پرتلند پزولانی بسیار پایینتر از سیمانهای پرتلند معمولی است و لذا در بتن ریزیهای حجیم همچون سد سازیها کاربرد دارند. اما در زمستان که خطر یخ زدگی وجود دارد نباید از آنها استفاده کرد. همچنین مقاومت آنها تا پیش از یک سال کمتر از مقاومت سیمانهای عادی می‌باشد (نمودار شکل 2ـ21) و لذا از سیمانهای پرتلند پزولانی در قسمتهایی که نیاز به کسب مقاومت سریع است نمی‌توان استفاده کرد. مواد پزولانی به دو گونه در طبیعت یافت می‌شوند:

پزولانهای طبیعی ، شامل خاکسترهای آتشفشانی است که از دهانه کوه‌های آتشفشان خارج می‌شود و در اطراف این کوه‌ها به صورت پوکه جمع می‌شود. شاید قدیمیترینخاکستر آتشفشانی که در صنعت سیمان به کار گرفته شد، خاکسترهای موجود در دهکده پزولان در دامنه کوه آتشفشان وزوو در ایتالیا باشد ـ و نام پزولان نیز از همین جا کسب شده است ـ . استاندارد شماره 3433 ایران خواص پزولانهای طبیعی را به دقت بیان کرده است که در هر مورد، پزولان مورد نظر باید تجزیه و با استاندارد تطبیق داده شود. از مهمترین مشکلات پزولانهای طبیعی . غیر یکنواختی آنهاست که در تولید سیمان یکنواخت ایجاد مشکل می‌کند. امروزه پزولانهای طبیعیکاربرد چندانی ندارند. پزولانهای مصنوعی گونه دیگری از پزولانها هستند که برخلاف پزولانهای طبیعی، کاربردهای متعددی دارند. دو نوع عمده آنها عبارتنداز:

1ـ خاکستر بادی .

2ـ دوده سیلیسی .

خاکستر بادی از سوختن ذغال سنگ در کوره‌های نیروگاه برق ـ که از این ذغال سنگ به عنوان سوخت استفاده می‌کنندـ بدست می‌آید. این ماده بر خلاف دوده سیلیسیکه در دو کارخانه ًازناً در نزدیکی خرم آباد و ًسمنانً تهیه می‌شود، در ایران تولید نمی‌شود. جهت تهیه دوده سیلیسی ، با استفاده از برق فشار قوی، جرقه‌ای الکتریکی در انباشته‌ای از ذغال سنگ سیلیس به وجود می‌آورند. دوده‌ای که بدین طریق بدست می‌آید، همان دوده سیلیسی است. ذرات دوده سیلیسی 100 تا 200 بار کوچکتر از ذرات سیمان است و به دلیل همین نرمی زیاد هنگام استفاده از آنها یا باید میزان آب مصرفی را افزود یا از مواد روان کننده استفاده کرد.

2ـ10ـ2ـ سیمان پرتلند سرباره‌ای

به موادی که در بالای کوره بلند ذوب آهن جمع می‌شوند و به عنوان ضایعات صنعت فولاد شناخته شده‌اند، سرباره گویند. سرباره اگر به آهستگی سرد شود، حالت بلوری پیدا می‌کند که مصرف چندانی ندارد. اما اگر آن را به سرعت سرد کنیم، به صورت آمورف یا شیشه‌ای در می‌آیند که پس از پودر شدن، در صنعت سیمان کاربرد دارند. بدین منظور از جت آب سرد استفاده می‌شود. هنگام آسیاب کردن سرباره باید دقت داشت از آنجا که سختی سرباره بیش از سیمان است ، باید هر یک جداگانه آسیاب و در نهایت مخلوط شوند. در صورتیکه سیمان و سرباره با هم مخلوط شوند، بنا به دلایل فوق، ذرات سیمان نرمتر از سرباره‌ها خواهد شد. در ترکیب شیمیایی سرباره ها،سیلیکاتها، آلومینوسیلیکاتها و کلسیم وجود دارد که مقدار آنها در سرباره کوره‌های مختلف، متفاوت و به جنس مواد اولیه مصرفی کوره وابسته است. در ایران استاندارد شماره 3517 مشخصات سیمان های پرتلند سرباره‌ای ـ که شباهت به سیمانهای پرتلند پزولانی داردـ را بیان می‌کند. در این استاندارد، سیمانهای سرباره‌ای بر مبنایسرباره موجود در آنها به سه دسته تقسیم می‌شوند . جدول 2ـ2 گویای این اطلاعات است. سیمان ًپ س 5ً مقاومت بسیار خوبی،‌ حتی بهتر از سیمان پرتلند 5 ، در برابر حمله سولفاتها از خود نشان می‌دهد. با توجه به مواد اولیه در تولید سیمان پرتلند سرباره‌ای، معمولاً در نزدیکی کارخانه‌های ذوب آهن، یک کارخانه تولید سیمان نیز مشاهده می‌شود. مانند سیمان سپاهان در نزدیکی ذوب آهن اصفهان .

جدول 2ـ2 : انواع سیمان سرباره‌ای بر اساس استاندارد شماره 3517 ایران.

2ـ10ـ3ـ سیمان پرتلند بنایی

یکی از مصارف سیمان، تهیه ملات و استفاده از آن در آجرکاری است. بدین منظور ملات مورد استفاده باید خصوصیات ذیل را دارا باشد.

1ـ باید آب خود را حفظ کند. زیرا در حالت عادی، آجر در مجاورت ملات، آب ملات را جذب می‌کند و اصطلاحاً ملات را می‌سوزاند. چنین ملاتی به علت عدم وجود آب کافی برایهیدراتاسیون سیمان، چسبندگی و مقاومت مناسبی ندارد.

2ـ خشن نبوده، راحت پخش شود.

3ـ ترک خوردگی در آن تا حد امکان کم باشد.

ملاتی که از سیمان عادی تهیه می‌شود، خصوصیات فوق را ندارد. اولاً در برابر آجر آب خود را از دست می‌دهد. یعنی آجر آب آن را می‌کشد. برخی بنّاها برای کاستن این اثر آجر، آجرها را پیش از آجرکاری ًزنجابً می‌کنند. یعنی آنها را برای مدت معین در آب غوطه‌ور می‌نمایند. ثانیاً پخش کردن ملات ماسه سیمان چندان ساده نیست. به عبارتی این ملات خشن است . استادان بنّا برای رفع این مشکل ، به ملات سیمان، خاک رس یا آهک می‌افزایند . این مسایل متخصصان را به فکر تولید سیمانی با خواص مطلوب جهت کار بنایی واداشت. که نتیجه آن تولید سیمان پرتلند بنایی بود. در تولید این سیمان مقداری سنگ‌ آهکی را همراه سیمان آسیاب می‌کنند . با وجودیکه مقاومت این سیمان از سیمان پرتلند معمولی کمتر است (در حدود 200kg2/cm)، اما برای هدف منظور بسیار مناسب است. چرا که مقاومت خود قالبهای آجر چیزی در حدود 80kg2/cm است. لذا مقاومت زیاد ملات کارایی ندارد و در صورت رسیدن بار به این حد، آجرها خرد می‌شوند. لازم به ذکر است افت مقاومت سیمان به ازای افزودن تا 50% آهک ، در حدود 5% است. معمولاً جهت متمایز کردن سیمان پرتلند بنایی با سیمان پرتلند عادی. حداکثر 10% به آن پودر قرمز رنگ هماتیت ـ که در جزیره هرمز یافت می‌شودـ می‌زنند که نتیجه آن پودر صورتی رنگ سیمان خواهد بود. استاندارد شماره 3516 ایران، مشخصات سیمان پرتلند بنایی را بیان کرده است. دقت کنید از سیمان پرتلند بنایی به هیچ وجه نمی‌ توان در صنعت بتن استفاده کرد.

2ـ10ـ4ـ سیمان پرتلند آهکی

روش تولید این سیمان ـ که در آلمان به سیمان P.K.Z معروف است ـ مشابه سیمان پرتلند بنایی است با این تفاوت که در تولید سیمان پرتلند بنایی از همان پودر سنگ آهک ـ که از مواد اولیه کارخانه است ـ استفاده می‌شود؛ در حالیکه در تولید سیمان پرتلند آهکی از پودر آهک ویژه که دارای خواص معین در استانداردهای مربوط است استفاده می‌شود.

خواص این سیمان مشابه سیمان پرتلند معمولی است . در 28 روز مقاومت 330kg2/cmمی‌ دهد و لذا می‌توان آن را در تهیه بتن به کار برد. علت عمده تولید این نوع سیمان، مساله اقتصادی است.

2ـ10ـ5ـ سیمان پرتلند سفید

رنگ سیاه سیمان ناشی از ترکیبات آهن و منگنز موجود درآنست. لذا جهت از بین بردن آن ، باید ترکیبات عناصر فوق تا حد امکان محدود و کم شود (کمتر از 1%) . همچنین در آسیاب سیمان به جای استفاده از گلوله‌های فلزی ـ که در اثر سایش مقداری آهن وارد سیمان می‌کنند ـ از گلوله‌های سرامیکی استفاده شود. از طرفی ترکیبات آهن در سیمان نقش کاتالیزور را داشته، از افزایش دمای پخت جلوگیری می‌کنند. در صورت حذف این ترکیبات، دمای پخت تا حدود 1800 درجه بالا می‌رود که غیر اقتصادی است. به منظور مقابله، از کاتالیزور حرارتی کرایولیت (فلرورسدیم و آلومینیوم) استفاده می‌شود. کنترلهای مختلف در تولید این نوع سیمان سبب افزایش قیمت آن نسبت به سیمان پرتلند معمولی شده است.

با وجودیکه سیمان سفید فقط به دلیل مشخصه رنگ سفیدش (در نماسازی و اندود کاری) استفاده می‌شود، از لحاظ جنس باید کلیه خصوصیات سیمان پرتلند معمولی را دارا باشد. جهت تعیین میزان سفیدی این سیمان ، قرصی از آن را تهیه می‌کنند و در کنار قرص منیزیم زیر میکرسکوپ قرار می‌دهند. به هر قرص نوری یکسان می‌تابانند و میزان انعکاس از هر یک را محاسبه می‌کنند. با توجه به آنکه مبنای سنجش سفیدی سیمان، میزان بازتاب نور از سطح قرص منیزیم است، درجه سفیدی عبارتست از نسبت بازتاب نور توسط قرص سیمان سفید به بازتاب نور توسط قرص منیزیم . حداقل لازم برای این نسبت 80% در نظر گرفته شده است.

2ـ10ـ6ـ سیمان پرتلند رنگی

گاهی لازم است به دلایل نماسازی یا متمایز کردن قسمتی از سازه، بخواهیم بتن رنگی داشته باشیم. در اینصورت باید از سیمان پرتلند رنگی استفاده کرد. بدین منظور ، هنگام آسیاب نهایی سیمان ، کلینکر را با حداکثر 10% مواد رنگی (براساس جدول 2ـ3) آسیاب می‌کنند تا سیمان رنگ مورد نظر را پیدا کند. در صورتیکه بخواهند سیمان با رنگهای تیره تولید شود، از کلینکر سیمان پرتلند معمولی و در صورت لزوم به دستیابی به رنگهای روشن ، ازکلینکر سیمان پرتلند سفید استفاده می‌کنند.

جدول 2ـ3: مواد رنگ ساز مختلف برای تهیه سیمانهای رنگی گوناگون

به طور کلی مواد رنگی ساز باید دو خصوصیت عمده داشته باشند که عبارتنداز:

1- خنثی باشند. یعنی در واکنشهای هیدراتاسیون سیمان شرکت نکنند.

2ـ پایدار باشند. یعنی رنگ حاصل از آنها در اثر تابش آفتاب ، شرایط جوی و … تغییر نکند.

سیستم صحیح دستیابی به بتن یا سیمان رنگی همان است که ذکر کردیم. یعنی رنگ باید هنگام آسیاب شدن به سیمان افزوده شود . افزودن رنگ به بتن در کارگاه هنگام ساخت بتن صحیح نیست و کیفیت یکنواخت و قابل قبولی ندارد. این نوع سیمان در ایران تولید نمی شود.

2ـ10ـ7ـ سیمان ضد آب

قبلاً دیدیم که سیمان انبار شده در اثر جذب آب یا فاسد می‌شود. در صورتیکه بخواهند سیمانی را برای مدت طولانی یا در محیط مرطوب انبار کنند،آن را به صورت  ضد آب می‌سازند. بدین صورت که هنگام آسیاب کلینکر، درصدی اسیدهای چرب (اسید اولئیک ، اسید استئاریک یا اسید لاکتیک) به آن می‌افزایند . در این صورت لایه‌ای از چربی دور دانه‌های سیمان را گرفته ، از رسیدن رطوبت CO2 یا به آنها جلوگیری می‌کند. لذا این سیمان در انبار فاسد نمی‌شود. اما هنگامیکه با شن و ماسه در میکسر می‌ریزد، لایه چربی به علت اصطکاک بین سنگدانه‌ها و ذرات سیمان از بین می‌رود و سیمان به صورت عادی عمل می‌‌کند. این سیمان نیز در ایران تولید نمی‌شود.

2ـ10ـ8 ـ سیمان حفاری

کاربرد این سیمان منحصر در چاه‌های نفت است. در حفاریهای نفتی که عمق آن گاهی به حدود 6000 متر نیز می‌رسد، جهت جلوگیری از ریزش دیواره‌ها با قرار دادن لوله‌هایی درون چاه ، پشت آن را دوغاب سیمان ترزیق می‌کنند. سیمان مصرفی برای این منظور باید تامین کننده خصوصیات زیر باشد:

1ـ زمان گیرش اولیه آن طولانی (در حدود 3 ساعت) باشد تا فرصت کافی برای پمپ کردن آن به اعماق پایینی زمین وجود داشته باشد.

2ـ از آنجا که در دما در اعماق پایینی زمین ممکن است تا حدود نیز برسد، باید در برابر حرارت مقاوم باشد.

3ـ چون لایه ریزی آن از پایین به بالاست، مقاومت سیمان باید پس از گیرش به سرعت افزایش یابد. سیمان مناسب برای این اهداف، سیمان حفاری یا سیمان چاه‌های نفت است که بسیار گرانقیمت تر از سیمان پرتلند معمولی است و هرگز نباید از آن برای منظور دیگری استفاده کرد. در صورت ساخت بتن با این سیمان، این بتن تا چند روز حالت خمیری دارد و دیر سفت می‌شود. اما پس از سفت شدن مقاومت بسیاری بالایی خواهند داشت و تخریب آن فوق‌العاده دشوار است.

2ـ10ـ9ـ سیمان گسترش یابنده

جمع شدگی یکی از خصوصیات سیمان است که اگر تحت کنترل در نیاید، موجب بروز خساراتی خواهد شد. بحث جمع شدگی و راه‌های مقابله با آن ، مفصل و نیازمند مجال دیگری است. سیمان گسترش یابنده، نوعی سیمان است که در آن به گونه‌ای با مساله جمع شدگی مقابله شده است . در این سیمان ـ که اولین بار توسط دانشمند فرانسوی به نام لوزیه تهیه شد ـ به سیمان موادی می‌افزایند که هنگام مصرف منبسط شود و جمع شدگی سیمان را جبران کند. انبساط مذکور تحت کنترل است و یا برابر میزان جمع شدگی است که در این صورت سیمان حاصل ، بدون جمع شدگی است و یا بیش از آن است که در این صورت سیمان حاصل ، منبسط شونده یا پف کننده است. جهت تولید این نوع سیمان ، کلینکر را با درصدی مواد منبسط شونده آسیاب می‌کنند. لوزیه، مخلوط سنگ گچ ، گچ معمولی و سنگ بوکسیت را با هم حرارت داد و ترکیبسولفوآلومینات کلسیم را بدست آورد و از آنجا که این ماده در مجاورت با آب منبسط می‌شود، از آن به عنوان ماده مورد نیاز استفاده کرد. این فرایند در حقیقت حمله مصنوعی سولفاتها به حساب می‌آمد. ولی جهت کنترل این حمله و انبساط ، از ماده تثبیت کننده ًسرباره کوره آهن گدازی استفاده کرد. البته امروزه مواد گوناگون به عنوان ماده گسترش یابنده به کار می‌روند. سیمانها از لحاظ گسترش یافتن به چهار دسته به شرح جدول 2ـ4 تقسیم می‌شوند. نکته‌ای که در ارتباط با استفاده از این سیمانها باید متذکر شد، آنست که شیوه مصرف دقیقاً مطابق با آنچه تولید کننده بیان کرده باشد. در غیر این صورت ممکن است نتیجه مطلوب حاصل نشده ، خساراتی هم به بار آید .

نوع سیمان                                   میزان انبساط

بدون جمع شدگی                          حداکثر تا 4 میلیمتر در متر

با انبساط کم                                 4 تا 8 میلیمتر در متر

با انبساط متوسط                           8 تا 12 میلیمتر در متر

با انبساط زیاد                               12 تا 15 میلیمتر در متر

جدول 2ـ4 : انواع سیمان از لحاظ میزان گسترش یافتن

سیمانهای گسترش یابنده کاربردهای خاصی دارند که به برخی از آنها اشاره می‌شود.

الف ـ ترمیم روسازیهای بتنی

در روسازیهای بتی که یکپارچگی سطح مهم است، در صورتیکه بخشی از سطح سوراخ یا کنده شود، جهت پرکردن آن باید از سیمان گسترش یابنده استفاده کرد تا پس از حاصل کردن گیرش، منبسط شده ، کاملاً به دیواره‌های سوراخ بچسبد و یکپارچگی سطح را حفظ کند و از ظاهر شدن شکاف و درز جلوگیری نماید.

ب ـ ترمیم مخازن سیالات

در صورت بروز ترک یا درز در دیواره‌های بتنی مخازن سیالات ، ترک حاصل را نمی‌توان با سیمان عادی ترمیم کرد. چرا که پس از حاصل کردن گیرش ، باز در اثر پدیده جمع شدگی ، درز کوچکی باقی می‌ماند. بدین منظور از سیمان گسترش یابنده استفاده می‌کنند تا با فشار آوردن به دیواره‌های ترک ، آن را به خوبی مسدود نماید.

ج ـ ترمیم قوسها

قوسها سازه‌هایی هستند که نیروهای قائم را به صورت نیروهای فشاری به پی منتقل می‌کنند(شکل 2ـ23). لازمه این عملکرد، یکپارچه بودن عناصر سازنده قوس است. در صورت بروز انقطاع در این عناصر ، محل قطع باید به وسیله سیمان منبسط شونده ترمیم شود تا یکپارچگی فوق تامین گردد.

د ـ نصب ستونهای بلند

هنگام نصب ستونها باید در شاغولی بودن آنها بسیار دقت کرد. در غیر این صورت ستون کج نصب می‌شود که باعث خارج شدن بار از محور بارگذاری و تحمیل ممان خروج از مرکز می‌گردد. این مساله مخصوصاً در ستونهای بلند بسیار اهمیت دارد. چرا که انحرافات اندک پای ستون، در ارتفاعات به وضوح ظاهر می‌شود.

جهت نصب اینگونه ستونها ، آنها را بر روی صفحاتی فلزی جوش داده، به محل منتقل می‌کنند. بر روی صفحات سوراخهایی جهت عبور پیچ است. این پیچها قبلاً در پی تعبیه شده‌اند. با قرار دادن صفحات فلزی روی پیچها و تنظیم مهره‌های مربوط ، ستون را به صورت شاغول در می‌آورند. آنگاه اطراف صفحه تا روی پی را بسته ، درون آن رادوغاب سیمان گسترش یابنده تزریق می‌کنند تا پس از کسب مقاومت ، هم ستون شاغول باشد و هم قدرت باربری سیستم تامین شود.

2ـ11 ـ سیمان پرآلومین (برقی)

در خاتمه بخش سیمان، آشنایی با یک سیمان غیر پرتلند به دلیل خواص جالب آن مناسب به نظر می‌رسد. به دنبال کشف مساله حمله سولفاتها، یک دانشمند فرانسوی به نام ژول برد تحقیقاتی را جهت دستیابی به سیمانی مقاوم در برابر سولفاتها آغاز کرد. نتیجه این تحقیقات ، دستیابی به سیمان پرآلومین بود. در تولید این سیمان حدود 40% سنگ آهک را با 40% بوکسیت مخلوط نموده، 20% مواد دارای آهن و سیلیس می‌افزاییم و مخلوط را درون کوره حرارت می‌دهیم. کوره تولید سیمان برقی دارای یک قسمت قائم و یک قسمت افقی است که دما در قسمت افقی به بالاترین حد یعنی حدود 1600 درجه می‌رسد. در این دما ـ برخلاف روند تولید سیمان پرتلند که 25% مواد ذوب می‌شوند ـ کلیه مواد اولیه به صورت مذاب در می‌آیند. مواد مذاب از انتهای کوره خارج می‌شوند و داخل سینیهایی می‌‌ریزند تا به سرعت سرد شوند . حاصل، ورقه‌های شیشه‌ای مانند است که به دستگاه خردکن می‌روند و به صورت قطعات کوچکی در می‌آیند. این قطعات ، کلینکر سیمان برقی می‌باشند. کلینکر سیمان برقی را به آسیاب می‌برند و بدون افزودن هیچگونه ماده‌ای آن را آسیاب می‌کنند. نتیجه فرایند ، سیمان پرآلومین است که دارای رنگی تیره‌‌تر از سیمان پرتلند معمولی (تقریباً سیاه) می‌باشد. همانطور که گفته شد، هدف از تهیه این سیمان، مقاومت در برابر حمله سولفاتها، بود که به خوبی انجام پذیرفت. بعداً دیده شد که مقاومت این سیمان در مقایسه با سیمان پرتلند معمولی بسیار سریعتر افزایش می‌یابد؛ به گونه‌ای که در یک روز، مقاومت 28 روزه سیمان پرتلند عادی را بدست می‌دهد (شکل 2ـ25). با توجه به اینکه این کشف، پس از جنگ جهانی دوم و آغاز دوران بازسازی در اروپا صورت پذیرفت، سیمان پرآلومین با اقبال فراوان و مصرف گسترده‌ای مواجه شد. لکن برخی‌ سازه‌هایی که در آن این نوع سیمان به کار رفته بود، خراب می‌شد. مدتها علت این امر پوشیده بود تا نهایتاً در دهه 1960 پدیده تبدیل کشف گردید. دانشمندان نشان دادند که این سیمان در دمای بین 20 تا 30 درجه مخصوصاً در محیطهای مرطوب دچار تغییرات شیمیایی شده ، چسبندگی خود را از دست می‌دهد که این امر باعث تخریب سازه‌های این نوع سیمان است. کشف پدیده تبدیل ، مصرف سیمان پرآلومین در کارهای ساختمانی را ممنوع کرد . امروزه کاربرد این سیمان در دماهای بسیار بالا یا پایین است؛ مثلاً در مناطق قطبی یا استوا. لکن مهمترین کاربرد آن ، استفاده به عنوان سیمان نسوز است. این سیمان تا دمای حدود 1600 درجه را به خوبی تحمل می‌کند و لذا می‌توان از آن در چسباندن آجرهای نسوز درون کوره سیمان بهره جست.

نقش سیمان های پر مقاومت در کاهش مصرف سیمان و توسعه پایدار

مشخصات سیمان های پرتلند رده های 425-1 و 525-1 با اقتباس از رده های مقاومتی سیمان استاندارد EN 197-1 در استاندارد 389 ایران از سال 1377 ارائه شده است. در سال های اخیر تعدادی از کارخانه های سیمان اقدام به تولید سیمان پرتلند 425-1 و به تازگی برخی از کارخانه ها در مقیاس محدودتر سیمان پرتلند 525-1 تولید کرده اند. با استفاده از روش ملی طرح مخلوط بتن ایران و انجام آزمایش های تجربی می توان نشان داد.

مقدمه

تولید سیمان نیاز به 45/1 تا 50/1 تن سنگ آهک، خاک رس و سنگ گچ و در مواردی سیلیس، بوکسیت و سنگ آهن دارد.

همچنین خردایش و آسیاب کردن مواد اولیه و آسیاب کردن کلینکر و سنگ گچ و راه اندازی دستگاه های مختلف  کوره و خنک کن و غیره نیاز به انرژی برق زیادی وجود دارد که در حدود 110 تا 130 کیلو وات ساعت در هر تن می باشد.

کوره پخت کلینکر به سوخت نیاز دارد که در حدود 100 تا 120 متر مکعب گاز طبیعی برای هر تن کلینکر است و معادل 90 تا 110 لیتر مازوت (نفت کوره) می باشد.

اگر انرژی های مصرفی در معدن و برای حمل مواد اولیه به کارخانه و حمل سیمان به کارگاه ها و محل مصرف نیز در نظر گرفته شود وضعیت مصرفی انرژی در این صنعت روشن تر می گردد. گفته می شود کل انرژی مصرفی در کارخانه برای هر تن کلینکر در روش خشک با پیش تکلیس 16/3 گیگا ژول و با پیش گرم کن 44/3 گیگا ژول می باشد که 8 درصد آن انرژی الکتریسیته است. در هنگام پخت مواد اولیه و یا در کلسینه کردن سنگ آهک و سوزاندن مواد سوختی در مراحل مختلف از معدن تا محل کارگاه نزدیک به یک تن دی اکسید کربن به ازای هر تن سیمان تولید می شود که بسیار وحشتناک است.

امروزه با تولید 60 میلیون تن سیمان و بیش از 55 میلیون تن کلینکر بیش از 7 درصد انرژی برق کشور صرف تولید سیمان می­شود و برای تولید سیمان (در­صورت مصرف مازوت) در­حدود 4 تا 5 درصد سوخت مایع مصرفی کشور را می­بلعد که با احتساب تولید انرژی برق این مقدار به 7 درصد بالغ می گردد.

بنابراین دیده می شود برای توسعه پایدار و حفظ محیط زیست و منابع طبیعی تجدید ناپذیر نیاز به کاهش تولید کلینکر یا سیمان می باشد و یا حداقل باید افزایش تولید را متوقف نمود. به هر حال آنچه مسلم است باید مصرف سیمان برای تولید هر متر مکعب بتن را کاهش داد و یا نسبت مصرف سیمان به مقاومت بتن را پایین آورد.

راه حل های مختلفی برای کاهش مصرف سیمان وجود دارد که یکی از موثرترین آنها افزایش سطح مقاومتی سیمان­های مصرفی می باشد که سال ها است از این روش در کشورهای پیشرفته دنیا بهره گیری می شود.

در برخی کشورهای اروپایی سال ها است از سه رده مقاومتی سیمان استفاده می شود که در نهایت در سال 1992 در مشخصات استاندارد سیمان ها یعنی EN 197-1 سه رده 5/32، 5/42 و 5/52 مگا­پاسکال پیش بینی شده است. این رده­ها می تواند برای همه انواع سیمان های پرتلند و آمیخته و مرکب برقرار باشد و محدودیتی از این نظر وجود ندارد.

در سال 1377 در مشخصات فنی سیمان های پرتلند ISIRI 389 صرفا برای سیمان پرتلند نوع 1 سه رده مقاومتی 325، 425 و 525 کیلوگرم بر سانتی­متر مربع در نظر گرفته شد و سایر انواع سیمان ها فاقد این رده بندی بودند که سوال برانگیز است و لازم است اصلاحاتی در این مورد صورت گیرد.

رده­های­مقاومتی، نمایانگر حداقل­مقاومت­فشاری ملات 28 روزه ماسه­سیمان استاندارد طبق EN 196 یا ISIRI 393می­باشد.

در ابتدای دهه 80 هجری برخی کارخانه های سیمان اقدام به تولید سیمان 425-1 نمودند و به تدریج بر تعداد آنها افزوده شده است. از نیمه دوم دهه 80 به تدریج تعداد بسیار اندکی از آنها به تولید آزمایشی سیمان 525-1 دست زدند و شاهد آن هستیم که در طول سه سال گذشته تعداد آنها به تعداد انگشتان یک دست یا بیشتر می رسد.

سوال­های اساسی آن است که تولید این سیمان ها چگونه می تواند به کاهش مصرف سیمان در بتن های کشور منجر شود.

آیا بطور کلی این کاهش مصرف در همه موارد از جمله ساخت ملات های بنایی و بتن های پرکننده و یا کم مقاومت و یا مقاومت متوسط و زیاد بطور یکسان وجود دارد.

آیا بدون فرهنگ سازی و زمینه سازی برای مصرف صحیح سیمان های پر مقاومت می توان موفقیتی را انتظار داشت.

آیا با استفاده از روش های طرح مخلوط بتن در طرح اولیه می توان تاثیر مقاومت سیمان ها را دید و در نهایت آیا این کاهش مصرف سیمان اتفاق می افتد.

در این نوشته سعی می شود پاسخ این سوالات به نحو مقتضی ارائه گردد.

 

معرفی روش ملی طرح مخلوط بتن

در سال های 84 و 85 در مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، ایده ارائه یک روش متحد طرح مخلوط بتون در کشور مطرح شد و بر این اساس روش های مختلف و معروف طرح مخلوط در دنیا بررسی شد.  پس از بحث های مفصل و تبادل نظرهای فراوان و طرح مزایا و معایب روش های مختلف قرار شد از روش آلمانی به عنوان روش مرجع استفاده شود. به هر حال امکان استفاده از روش آلمانی بطور کامل وجود نداشت. بنابراین سعی شد با اعمال تغییراتی اندک و یا گاه تغییراتی وسیع از این روش بهره گیری شود و در پایان سال 86 اولین ویرایش روش ملی طرح مخلوط بتن ارائه شد و  یک سال بعد ویرایش دوم آن ارائه گشت. همچنین راهنمایی برای بکارگیری آن نوشته و به صورت محدود منتشر گشت که بزودی در مقیاس وسیع تر ارائه خواهد شد. ضمنا نرم افزاری نیز برای آن تهیه شده است که سهولت بکارگیری از این روش را تضمین می کند.

یکی از مزایای این روش، مشاهده تاثیر رده های مختلف مقاومتی سیمان در مقاومت بتن است. همچنین می توان تاثیر شکل سنگدانه درشت در مقاومت را دید. امکان استفاده از دانه­بندی­های مختلف شن و ماسه حتی به صورت غیر استاندارد، ارائه دانه بندی های مطلوب برای کاربردهای مختلف، دقت در تعیین آب آزاد بتن با توجه به بافت دانه بندی و شکل سنگدانه های درشت و ریز با سطوح مختلف کارایی از 10 تا 210 میلی متر و توجه به تاثیر عیار سیمان و مصرف دوده سیلیسی و مواد پوزولانی و سرباره ای در مقدار آب و استفاده از رابطه حجم مطلق برای تعیین آخرین مجهول طرح مخلوط بتن و ایجاد  امکان برای تهیه نرم­افزار از جمله این مزایا به حساب می­آید که این روش را بسیار کارا و پیشرفته نموده است.

 

مواردی که باید بررسی شود :رابطه نسبت آب به سیمان و مقاومت فشاری بدون مصرف روان کننده بتن ،فوق روان کننده بتن ، ژل میکروسیلیس .

 مواردی که باید بررسی شود ::رابطه نسبت آب به سیمان و مقاومت فشاری با توجه به مصرف روان کننده بتن ، فوق روان کننده بتن ، ژل میکروسیلیس .

رابطه اصلاح شده فولر- تامسون، در صورتی­که مرز سنگدانه و مواد ریز دانه 075/0 میلی­متر فرض شود، عبارت است از:

رابطه حجم مطلق برای بدست آوردن حجم سنگدانه های اشباع با سطح خشک به صورت زیر می باشد.

                                                                                                         

که در آن:

c: جرم سیمان بر حسب kg/m3

wf: جرم آب آزاد بر حسب kg/m3

D: جرم مواد جایگزین سیمان بر حسب kg/m3

Va: حجم هوای موجود در بتن (عمدی و ناخواسته) بر حسب dm3

ρc: جرم مخصوص سیمان بر حسب kg/dm3

ρw: جرم مخصوص آب بر حسب kg/dm3 که معادل 1 منظور می‌شود 

ρD: جرم مخصوص افزودنی معدنی بر حسب kg/dm3

بررسی روش های رایج دیگر و مقایسه با روش ملی

در روش طرح مخلوط ACI 211.1 امکان استفاده از یک رده مقاومتی سیمان یعنی پرتلند نوع 1 در طرح مخلوط اولیه بتن وجود دارد و روشن نیست که شکل سنگدانه های درشت مصرفی در هنگام تعیین نسبت آب به سیمان چیست.

در روش جدید طرح مخلوط BRE انگلیس امکان بکارگیری سه رده مقاومتی اروپایی برای سیمان وجود دارد و شکل سنگدانه های درشت تا حدودی قابل استفاده در تعیین نسبت آب به سیمان می باشد.

به هرحال اگر به صورت اصولی از ساخت مخلوط آزمون طرح مخلوط اولیه بهره گیری نماییم، تاثیر رده های مقاومتی سیمان را در مقاومت بتن حاصله خواهیم بود و می توانیم در نسبت آب به سیمان و سایر اجزا به ویژه سیمان اصلاحات لازم را به عمل آوریم و طرح مخلوط تعدیل شده نهایی را مشخص کنیم.

در روش ملی طرح مخلوط بتن می توان انتظار داشت مخلوط آزمون، مقاومتی نزدیک به مقاومت هدف را با در نظر گرفتن مقاومت واقعی سیمان بدست دهد.

 

ارائه طرح های مخلوط رده های مقاومتی بتن با رده های مختلف مقاومتی سیمان

فرضیات

با استفاده از سه رده مقاومتی سیمان یعنی 325-1، 425-1 و 525-1، طرح مخلوط اولیه بتن بر اساس روش ملی برای رده­های مقاومتی C12، C16، C20، C25، C30، C35، C40 و C45 ارائه می­شود. در این طرح­ها حداکثر اندازه شن 25 میلی­متر و به­صورت شن صد­درصد شکسته منظور می­گردد. در حالی­که ماسه ها به صورت کاملا گرد گوشه رودخانه ای در نظر گرفته می­شود.

برای محاسبه مقاومت هدف (متوسط لازم) طرح اختلاط، از حاشیه امنیت ارائه شده در آیین نامه بتن ایران استفاده شده است و فرض آن است که انحراف معیار مقاومتی کارگاه مشخص نیست. 

* بتن مصرفی برای پمپاژ در نظر گرفته شده است و اسلامپ بتن آن پس از ساخت ،125 میلی متر فرض شده است.

دانه بندی شن و ماسه به صورت زیر منظور شده است و برای دانه بندی مطلوب مخلوط سنگدانه آن جهت بتن پمپی، دانه بندی متوسط با توان 4/0– 5/0n= در نظر گرفته شده است.

جدول 2- دانه بندی شن و ماسه مصرفی و دانه بندی مورد استفاده و دانه بندی های مطلوب پمپی

در طرح های اختلاط بتن ها از مواد روان کننده بتن  استفاده نمی شود

 

روند تهیه طرح های اختلاط با توجه به فرضیات موجود

طبق روش ملی طرح مخلوط، مدول ریزی مخلوط سنگدانه 40/5 بدست می آید. بر اساس این روش درصد شکستگی متوسط معادل سنگدانه برای محاسبه مقدار آب 33 درصد محاسبه می شود.

برای تعیین نسبت آب به سیمان از منحنی های نسبت آب به سیمان – مقاومت فشاری که برای رده های مختلف مقاومتی سیمان و سنگدانه های درشت گرد­گوشه و شکسته تهیه شده است استفاده می شود. با توجه به شکستگی کامل شن ها از منحنی­های 325-C، 425-C و 525-C استفاده می گردد.

مقدار آب مورد نیاز بتن با استفاده از مدول ریزی و درصد شکستگی معادل و اسلامپ مورد نیاز بدست می آید که پس از تعیین مقدار سیمان، مقدار آب اصلاح می گردد و سپس مجددا مقدار سیمان طرح اختلاط اولیه بتن محاسبه می شود. در نهایت مقدار شن و ماسه مصرفی با توجه به رابطه حجم مطلق و درصد هوای غیر عمدی یک درصد و با در نظر گرفتن چگالی اشباع با سطح خشک آنها بدست می آید.

 

طرح های اختلاط اولیه بدست آمده

اطلاعات و نتایج زیر پس از محاسبات انجام شده بر اساس فرضیات و داده های فوق بدست آمده است.

 

جدول 4- نتایج طرح های اختلاط اولیه بتن رده های مقاومتی مختلف برای رده سیمان 325-1

رده مقاومتی بتن
    رای رده مقاومتی C40  و بالاتر با حاشیه امنیت مفروض، نسبت آب به سیمان لازم در محدوده روش­ملی طرح­مخلوط نمی­باشد.

 

برای رده مقاومتی C45  و بالاتر با حاشیه امنیت مفروض، نسبت آب به سیمان لازم در محدوده روش­ملی طرح­مخلوط نمی­باشد.

 



 

تفسیر نتایج و بحث

همانگونه که مشاهده می شود، با تغییر رده مقاومتی سیمان و افزایش آن، با توجه به فرض های انجام شده، عیار سیمان مصرفی در بتن کاهش می یابد.

همچنین با افزایش رده مقاومتی بتن، تاثیر افزایش رده مقاومتی سیمان در کاهش عیار سیمان بیشتر می گردد.

 

در صورتی که در طرح های اختلاط فوق، محدودیت نسبت آب به سیمان و حداقل عیار سیمان یا حداکثر عیار سیمان وجود داشته باشد، وضعیت طرح ها متفاوت خواهد بود.

در صورتی که حداقل عیار سیمان مجاز مطرح شود، اگر این حداقل مجاز بیشتر از مقدار سیمان حاصل از محاسبه باشد نمی توان به کاهش عیار سیمان امید داشت. فرض کنید در طرح مخلوط بتن C25 موضوع رویارویی با حمله سولفات ها ایجاب کند که حداقل 370 کیلوگرم سیمان بکار رود. هنگامی که از سیمان 325-1 استفاده شود عیار سیمان 372 و با بکارگیری سیمان های 425-1 و 525-1 به ترتیب عیار سیمان 321 و 288 بدست می آید که به دلیل محدودیت فوق مجبور خواهیم شد تا عیار سیمان 370را بکار بریم. بنابراین بالا بردن رده مقاومتی سیمان، کمکی به کاهش عیار سیمان نخواهد کرد.

 باوجود محدودیت نسبت آب به سیمان و بکارگیری حداکثر مجاز برای آن و کمتر بودن این نسبت آب به سیمان در مقایسه با نسبت آب به سیمان حاصل از مقاومت ،کاهش عیار سیمان به صورت جدی ممکن است حاصل نشود.  اگر در این طرح مخلوط قرار باشد به دلیل محدودیت حداکثر نسبت آب به سیمان برابر 5/0، طرح اختلاط کامل شود، از آنجا که با سیمان 325-1، نسبت آب به سیمان 48/0 و با سیمان های 425-1 و 525-1 به ترتیب نسبت آب به سیمان 55/0 و 62/0 بدست می آید. با محدودیت فوق مجبور هستیم نسبت آب به سیمان را به 5/0 محدود کنیم. هنگام بکارگیری سیمان های 425-1 و 525-1 عیار سیمان برابر 356 بدست می آید و صرفه جویی چندانی در مقایسه با عیار سیمان 372 برای سیمان های رده 325-1 حاصل نمی شود.

اگر حداکثر عیار سیمان مجاز اعمال گردد، بکارگیری رده سیمانی بالاتر کمک می کند در بسیاری از موارد محدودیت مزبور رعایت شود و تهیه طرح مخلوط بدون بکارگیری روان کننده تسهیل گردد. فرض کنید در حاشیه خلیج فارس و دریای عمان قرار باشد طرح مخلوط بتن با رده C35 با حداکثر نسبت آب به سیمان 45/0 و حداقل سیمان 350 و حداکثر عیار سیمان 425 کیلوگرم در متر مکعب بتن طبق آیین نامه پیشنهادی پایایی بتن در خلیج فارس و دریای عمان را ارائه دهیم. طبق جداول فوق برای سیمان 325-1، نسبت آب به سیمان 36/0 و عیار سیمان 552 کیلوگرم حاصل می شود که نمی توان از آن استفاده کرد زیرا عیار سیمانی بیش از 425 کیلوگرم دارد و لذا با مصرف فوق روان کننده، مقدار آب و در نتیجه سیمان مصرفی را می توان کاهش داد.

در حالی که با مصرف سیمان 425-1، نسبت آب به سیمان 44/0 و عیار سیمان 419 کیلوگرم را داریم و بدون مصرف روان کننده به نتیجه می رسیم. با مصرف سیمان 525-1، نسبت آب به سیمان 52/0 و عیار سیمان 341 کیلوگرم می شود که نیاز به تغییر دارد. اولا نسبت آب به سیمان باید به 45/0 تبدیل شود و بدین ترتیب عیار سیمان اولیه 396 کیلوگرم می شود که با اصلاح مقدار آب از 178 به 184 مقدار سیمان طرح 409 کیلوگرم در متر مکعب خواهد شد و بدون مصرف روان کننده بتن همه چیز قابل قبول خواهد بود.

همانگونه که در بتن هایی با رده مقاومتی کم ،تاثیر رده سیمانی بر مصرف سیمان جدی نیست، در ملات های بنایی نیز نمی توان به کاهش جدی مصرف سیمان امیدوار بود بویژه اینکه کاهش شدید عیار سیمان، ملات را از کارایی مناسب دور می کند و نمی توان عیار سیمان را در این ملات ها از 200 کیلوگرم در متر مکعب و حتی در مواردی از 250 کیلوگرم در متر مکعب کمتر در نظر گرفت. در واقع محدودیت مصرف حداقل سیمان در این ملات ها و کم اهمیت بودن مقاومت در اینگونه موارد، کاهش مصرف سیمان را به دنبال نخواهد داشت.

مخلوط های تجویزی در نشریه 101 و 55 (مشخصات فنی عمومی راه و کارهای ساختمانی) ارائه شده است. در نشریه 101 مقادیر عیار سیمان با توجه به طبقه بتن (رده بتن) به صورت زیر ارائه شده است.

 

لازم به ذکر است که این عیار­ها بدون توجه به حداکثر اندازه سنگدانه، شکل سنگدانه ها و نوع و رده مقاومتی سیمان ارائه شده است و اگر قرار باشد از این مخلوط های تجویزی استفاده شود، مصرف سیمان پر مقاومت در کاهش عیار سیمان تاثیری نخواهد داشت. تاثیر افزایش اسلامپ در عیار بتن نیز طرح نشده است. ضمناً لازم به ذکر است در این نشریه به صراحت اعلام شده است که جدول مخلوط های تجویزی برای بتن های با رده بالاتر از C25 کاربردی ندارد و باید       نسبت های اختلاط از طریق مطالعات آزمایشگاهی بدست آید اما متاسفانه در جدول مزبور نسبت ها و مقاومت های رده C30 و C35 ارائه شده است.

 

نتیجه گیری

- رده های مقاومتی بالاتر در سیمان (مصرف سیمان پر مقاومت تر) به کاهش مصرف سیمان در بتن ها منجر می گردد.

- در بتن های پر مقاومت، تاثیر مصرف سیمان پر مقاومت در کاهش مصرف سیمان بیشتر خواهد بود.

- در صورتی که مصرف بتن های پر مقاومت در کشور رایج تر شود، سیمان های پر مقاومت می تواند مفیدتر واقع گردد.

- مصرف سیمان های پر مقاومت در ملات های بنایی توصیه نمی شود و به هدر رفتن پتانسیل های این نوع سیمان­ها منجر می­شود.

- در صورتی که محدودیت نسبت آب به سیمان موجب شود تا نتوان از نسبت آب به سیمان بالاتر استفاده نمود، مصرف سیمان های پر مقاومت به کاهش عیار سیمان منجر نمی گردد.

- در صورتی که حداقل مجاز برای عیار سیمان مشخص شده باشد، در مواردی که عیار سیمان کمتر از حداقل عیار مجاز بدست آید، کاهش عیار سیمان میسر نیست.

- در مواردی که حداکثر مجاز عیار سیمان شود، به­دلیل امکان مصرف نسبت آب به سیمان بالاتر و پایین آمدن عیار سیمان مصرفی، ممکن است نیاز به مصرف روان کننده منتفی شود.

- به دلیل پیچیدگی های موجود، کاهش مصرف سیمان در صورت مصرف سیمان های پر مقاومت وقتی میسر است که طرح اختلاط آزمایشگاهی تهیه شود و در این صورت ساخت مخلوط آزمون در آزمایشگاه ضرورت دارد.

- در صورت استفاده از مخلوط­های تجویزی موجود، مصرف سیمان های پر مقاومت به کاهش عیار سیمان منجر نمی­شود.

- برای بهره گیری از پتانسیل های سیمان های پر مقاومت باید آموزش های لازم به مهندسین و دست اندرکاران داده شود و زمینه مصرف آنها فراهم گردد.

- کاهش مصرف سیمان به کاهش مصرف انرژی و مواد اولیه منجر می شود و به حفظ محیط زیست و جلوگیری از آلودگی و از بین نرفتن منابع طبیعی تجدید ناپذیر می انجامد.

منابع و مراجع

1- عزیزیان، محمدرضا، "تکنولوژی سیمان"، سیمان اکباتان

2- بکائیان، منوچهر، "هندبوک مهندسی سیمان، مواد نسوز و مصالح ساختمانی"، سیمان آبیک

3- قدوسی، پرویز، همکاران، "روش ملی طرح مخلوط بتن"، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن

4- تدین، محسن، همکاران، "راهنمای روش ملی طرح مخلوط بتن"، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن

5- موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی، "ویژگی های استاندارد سیمان های پرتلند"، استاندارد ملی شماره 389 ایران

6- مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، "آیین نامه (پیشنهادی) پایایی بتن در محیط خلیج فارس و دریای عمان"، نشریه شماره 428

7- سازمان مدیریت و برنامه ریزی، "آیین نامه بتن ایران (آبا)"، نشریه شماره 120، 1379

8- سازمان مدیریت و برنامه ریزی، "مشخصات فنی عمومی راه"، نشریه شماره 101، 1382

9- سازمان مدیریت و برنامه ریزی، "مشخصات فنی عمومی کارهای ساختمانی"، نشریه شماره 55

10- نویل، مترجم: هرمز فامیلی، "هرمز فامیلی"، ویرایش چهارم

10- EN 197-1, "Cement; Part1: Composition, specifications and conformity criteria for common cements"

11- American Concrete Institute, "Standard Practice for Selecting Proportions for Normal Heavyweight, and Mass Concrete", ACI 211.1

12- Building Research Establishment, "Design of Normal Concrete Mixes", second edition

دپارتمان تحقیق و توسعهکلینیک  بتن ایران.((مشاور و تولید کننده محصولات افزودنی وارائه دهنده خدمات فنی و مهندسی بتن))