بتن حجیم توسط موسسه بتن آمریکا چنین تعریف شده است: “هر حجم بتنی که در آن ترکیبی از ابعاد عضو در حال ریخته شدن ، شرایط مرزی ، ویژگی های مخلوط بتن و شرایط محیط می تواند منجر به تنش های گرمایی نامطلوب، ترک خوردگی ، واکنش های شیمیایی مضر یا کاهش مقاومت طولانی مدت در نتیجه افزایش درجه حرارت بتن به دلیل گرمای حاصل از هیدراتاسیون شود (ACI 207.1R)”
بیست سال پیش ، بتن حجیم به سادگی به عنوان “هر عنصر بتنی با حداقل ابعاد 4 فوت” تعریف شد. اما طی سالها ، این تعریف برای در نظر گرفتن عواملی غیر از ابعاد که می تواند بر خصوصیات تولید حرارت مخلوطهای بتن تحت شرایط بتن ریزی تأثیر بگذارد ، تکامل یافته است.
امروزه ، موسسه بتن آمریکا (ACI) بتن حجیم را چنین تعریف می کند: “هر حجم بتنی با ابعادی به اندازه کافی بزرگ که نیاز به تدابیری برای مقابله با تولید گرما از هیدراتاسیون سیمان و تغییر حجم همراه داشته باشد تا ترک خوردگی به حداقل برسد.” در اینجا دو نکته مهم وجود دارد که باید هنگام کار با بتن حجیم مورد توجه قرار گیرد.
مطابق با ACI 301 ، حداکثر دما در بتن پس از ربختن بتن نباید بیش از 158 درجه فارنهایت باشد. با این حال ، اداره های حمل و نقل انتظارات مختلفی از اوج دما در بتن حجیم دارند. به عنوان مثال در کشور آمریکا ، کلرادو مشخص می کند دمای داخلی نباید بیش از 165 درجه فارنهایت باشد. فلوریدا اوج دما را به 180 درجه فارنهایت محدود می کند. و مینه سوتا ، تگزاس و ویرجینیا حداکثر دما را به 160 درجه فارنهایت محدود می کنند.
در ریختن بتن حجیم ، خطر وقوع اختلاف معنی داری در دما وجود دارد: یعنی بتن داخلی می تواند بسیار گرم شود در حالی که بتن سطح بسیار خنک تر می ماند. وقتی این اتفاق می افتد ، بتن در نزدیکی سطح می تواند به گونه ای مهار شود که منجر به ترک خوردگی شود.
ACI (ای سی آی ) 35 درجه فارنهایت را به عنوان حداکثر دیفرانسیل دما بین مرکز و سطح تعیین می کند. همانند محدودیت های حداکثر دما ، اداره های حمل و نقل نیز در محدودیت های دیفرانسیل حرارتی متفاوت هستند.
با تشخیص این واقعیت که بتن های مدرن معمولاً مقاومت کششی را به اندازه کافی سریع انجام می دهند تا در برابر ترک خوردگی حرارتی مقاومت کنند ، محدوده های حالت به طور کلی بالاتر است.
صرف نظر از این ، بسته به بلوغ بتن (به عنوان مثال ، سن و مقاومت پس از ریختن) ، اختلافات حرارتی را در هر مکانی بین 35 درجه فارنهایت و 60 درجه فارنهایت محدود می کنند.
برای انطباق با محدودیت های دیفرانسیل های حرارتی ، سیمان را می توان با مواد سیمانی تکمیلی مانند خاکستر بادی جایگزین کرد تا با هیدراته شدن بتن ، افزایش دمای زودرس را کنترل کند.
برای تهیه مخلوطهای بتونی حجیم ، برنامه های کنترل دما و نظارت بر ساخت و ساز اغلب از AET مشاوره می شود .
پس از ایجاد مخلوط مناسب برای بتن حجیم ، آزمایشات حرارتی را برای تعیین خصوصیات بتن مانند نفوذ پذیری و رسانایی گرمایی انجام می دهیم.
ما همچنین یک نمونه در مقیاس بزرگ را برای تخمین هیدراتاسیون بتن حجیم درجا کنترل می کنیم.
سپس ما درک خود را از مخلوط به مدل سازی رفتار حرارتی بتن حجیم استفاده می کنیم.
با استفاده از مدل های محاسباتی که ابعاد عنصر خاص و شرایط مرزی مورد انتظار را در زمان ریختن حساب می کنند ، ما حداکثر دمای بتن و همچنین دیفرانسیل دما را بین هسته و سطح برای هر عنصر بتن حجیم خاص تخمین می زنیم.
علاوه بر آزمایش و مدل سازی حرارتی ، ما همچنین با مشتری کار می کنیم تا دما را در عضو بتن کنترل کنیم.
در پروژه ها، ما کاوشگرهای حرارتی را درقالب ها قبل از ریختن بتن نصب کردیم. پس از ریختن ، ما پروب ها را به مدت 10 روز تحت نظر گرفتیم تا درجه حرارت از مشخصات تجاوز نکند.
درک نیازهای بتن حجیم – و انجام اقدامات مناسب برای مدیریت دما – می تواند از تعمیرات گران قیمت ، تعویض ها و تأخیرهای مربوط به پروژه بعدی شما جلوگیری کند.
بتن ، مانند مواد جامد معمول ، معمولاً با گرما منبسط می شود و با سرما منقبض می شود. تغییرات عمومی دمای اتاق فقط کمی تأثیر دارند ، اما اگر دما خیلی تغییر کند ، تأثیر جدی خواهد داشت. تغییر شکل بتن نه تنها به تغییرات دما بلکه به ضریب انبساط حرارتی نیز بستگی دارد .
وقتی تفاوت بین حجم ذرات سنگدانه و خمیر سیمان ناشی از تغییرات دما یا اختلاف بین ضرایب انبساط ذرات سنگین بسیار زیاد است ، استرس مخرب داخلی بوجود می آید. ترک و جوش خوردن در بسیاری از پروژه ها این مشکل را توضیح داده است.
ضریب انبساط دمایی بتن با انواع مختلف سنگدانه ها و نسبت های مخلوط متفاوت است ، اما زیاد نیست.
وقتی دما کاهش می یابد ، جمع شدن حجم بر روی بتن با مقاومت کششی کم تأثیر زیادی خواهد داشت . به عنوان مثال ، ضریب انبساط حرارتی مشترک بتن ( 6~ 12) × 10 – 6 / ° C است. ، اگر دما حدود 15 درجه سانتیگراد کاهش یابد ، میزان جمع شدگی 150 × 10 – 6 / ° C خواهد بود .
تغییر دما برای بتن حجیم بسیار نامطلوب است . در مرحله سخت شدن اولیه بتن ، گرمای هیدراتاسیون زیادی آزاد می شود. و اگر بتن بسیار ضخیم باشد ، اتلاف گرما به کندی انجام می شود به طوری که دمای داخلی بسیار متفاوت از دمای خارجی خواهد بود ، که منجر به اختلاف تغییر شکل داخل و خارج می شود. در این حالت ترک هایی ایجاد می شود که در اثر استرس داخلی و خارجی ایجاد می شود.
بتن حجیم معمولاً با سازه های بزرگ و بتونی ریخته شده در محل مانند سدها ، پایه های پل ، پایه های ساختمان های بسیار بلند و سایر مکان های با حجم زیاد که حداقل 1 متر عمق دارند ، همراه است.
در بسیاری از موارد ، بتن حجیم غیر مسلح است و بنابراین از نظر فشرده سازی قوی است اما از نظر کشش ضعیف است.
بتن حجیم از نظر تاریخی با سازه های بزرگی مانند سدها ، پایه های پل ، و سایر مکان های نصب بزرگ همراه بوده است.
با این حال ، با توجه به استفاده روزمره از روشهای ساخت سریع و بتنهای با کارایی بالا با محتویات سیمانی بالا ، مسائل مربوط به بتن حجیم در پلها و ساختمانهای معمولی تجربه می شود.
درک دلایل مسائل بتن حجیم (دمای داخلی بالا و ترک خوردگی مربوط به دما) کلید تولید سازه ای است که سالها خدمات ارائه می دهد.
منابع زیر اطلاعات مربوط به انتخاب مواد ، روشهای محاسبه کنترل حرارتی و روشهای ساخت و ساز برای جایگذاری بتن حجیم را فراهم می کند.
وقتی مواد سیمانی هیدراته می شوند ، گرما تولید می کنند. این مشکل هنگام کار با عناصر بتونی نازک مانند روسازی ها نیست زیرا گرما به سرعت پخش می شود.
با این وجود ، در یک بتن حجیم ، مانند مواردی که در پایه های سد و پایه های پل وجود دارد ، این افزایش گرما باعث نگرانی می شود.
به منظور کاهش ترکهای ناشی از تغییر شکل بتن حجیم ، روشهای متداول مورد استفاده اخیر به شرح زیر است:
1.از سیمان با هیدراتاسیون با حرارت کم استفاده کنید و سعی کنید مقدار سیمان را به حداقل برسانید.
2.سعی کنید مصرف آب را به حداقل برسانید و مقاومت بتن را افزایش دهید.
3.سنگدانه را با ضریب انبساط حرارتی پایین اسنفاده کنید و تغییر ات حرارت را کاهش دهید.
4.مواد اولیه را از قبل خنک کنید.
5.اتصالات و بلوک ها را به طور منطقی تقسیم کنید و محدودیت را کاهش دهید.
6.لوله های خنک کننده را در بتن دفن کنید.
7.سطح را عایق بندی کرده و میزان افت دمای سطح را تنظیم کنید.
تغییرات دمای سطح بتن با تغییرات درجه حرارت
در نتیجه ، در دوره بهره برداری از سازه عظیم بتنی ، عمق تأثیر تغییرات دمای خارجی ، حدود 8-10 متر است.
یک برنامه شگفت آور برای سنگفرش های بتونی حجیم را می توان در بمبئی ، هند یافت.
مقامات شهری در حال حاضر از بتن حجیم به عنوان گزینه روسازی استاندارد خیابان های شهر استفاده می کنند.
مهندسان شهر دریافتند که این سیستم نسبت به سیستمهای جایگزین بتن آسفالته در آب و هوای گرم از دوام بیشتری برخوردار است.
صفحات بتونی با استفاده از تکنیک هایی ساخته می شوند. اتصالات به روش معمول ، برش و مهر و موم می شوند.
گذرگاههای خدماتی با حذف صفحات بتونی در فواصل منظم انجام می شوند شکل طرح یک خیابان معمولی را نشان می دهد.
هنگام ریختن بتن حجیم ، موضوعات زیادی بوجود می آیند ، مخصوصاً به عناصر بتن مسلح در ساختمان مربوط می شود.
این عناصر که معمولاً شامل پایه های تقویت شده ، کلاهک های شمع ، پایه ها ، و عناصر انتقال هستند ، به دلیل تنش های زیاد ، مقادیر تقویت کننده فولاد و استفاده از بتن با مقاومت بالا ، از سایر سازه های تقویت شده مانند سدها و دیواره های نگهدارنده متفاوت هستند. .
بنابراین ریختن عنصر بتن حجیم در ساختمان ها چالش های منحصر به فردی را به وجود می آورد.
در ACI 301 گرچه ضخامت خاصی در نظر گرفته نشده است ، اما ضخامت عضو سه فوت اغلب به عنوان ابعاد آستانه زمانی که قرار است مراحل بتن ریزی حجیم به حرکت درآیند ، استفاده می شود.
توجه داشته باشید که ممکن است شرایطی وجود داشته باشد که اعضای با ضخامت کمتر از سه فوت خواستار روشهای بتن ریزی حجیم شوند.
تشخیص نهایی در مورد اینکه آیا مراحل بتن ریزی حجیم باید دنبال شود به تشخیص مهندس سازه است.
کمیته ACI 207 چندین گزارش برای راهنمایی در استفاده از بتن حجیم ارائه می دهد. ACI 207.1 ، راهنمای بتن حجیم، منبع اصلی برای راهنمایی در استفاده از بتن حجیم برای عناصر ساختاری است.
بیشتر داده ها و نگرانی های مربوط به استفاده از بتن حجیم از درسهایی گرفته شده است که در دوران طلایی ساخت سد در ایالات متحده آموخته شده است.
در حین ساخت این سازه های عظیم بیش از صد سال پیش بود که مسائل مربوط به ریختن بتن حجیم شروع به ظهور کرد.
در طول ساخت سد ، مقاومت بتن مورد نیاز کمتر از 5000 psi در مقایسه با نیاز به مقاومت عناصر ساختمانی فعلی ، که در آن مقاومت بتن می تواند بیش از 10،000 psi باشد ، بود. اگرچه بسیاری از توصیه های ACI 207 ممکن است برای این نوع سازه ها مفید باشد ، اما توصیه های دیگر ACI 207 برای عناصر ساختمانی کاربردی نیست.
تعریف ACI از بتن حجیم ، گرمای تولید شده در عضو را به دلیل گرمای هیدراتاسیون به عنوان یک نگرانی اصلی عنوان می کند. این گرما است ، اگر کنترل نشود ، می تواند اثرات مخربی روی عنصر بتن بگذارد. اینها می تواند شامل ترک خوردگی ، تأخیر در تشکیل اترینگیت (DEF) و سایر موارد باشد. یکی دیگر از نگرانی های اصلی در مورد بتن ریزی حجیم ، ایجاد احتمالی اتصالات سرد در عنصر است.
این مشکلی است که بیشتر در سازه های ساختمانی دیده می شود زیرا استفاده از بتن های با مقاومت بالاتر باعث سرعت بخشیدن به زمان گیرش بتن می شود.
الف) حداکثر دمای بتن نباید از 160 درجه فارنهایت 71 سلسیوس در حین عمل آوری بیشتر شود.
ب) حداکثر دیفرانسیل دما بین مرکز و سطح محل قرارگیری نباید از 35 درجه فارنهایت 1.67 سلسیوس بیشتر شود.
این محدودیت ها برای جلوگیری از تأخیر در تشکیل اترینگیت (DEF) وجود دارد که می تواند باعث ترک خوردگی و کاهش مقاومت بتن شود.
اگرچه ممکن است این محدودیت های دما قابل توجه به نظر نرسد ، اما دستیابی به آنها اغلب دشوار است ، به ویژه محدودیت در دیفرانسیل دما.
شروع ریختن بتن با دمای اولیه بتن توصیه می شود تا بتن از رسیدن به حد دمای بالا جلوگیری کند. روش های معمول برای پایین نگه داشتن دمای بتن شامل ورود یخ خرد شده به مخلوط به جای برخی از آب های مخلوط کننده و استفاده از سنگدانه از قبل سرد شده است.
برای مواقعی که دمای محیط زیاد است ، ممکن است لازم باشد بتن را از طریق سیم پیچ های خنک کننده تعبیه شده پس از خنک سازی قرار دهید. به غیر از مواردی که از عایق استفاده می شود ، استفاده از آب بر روی دال برای جلوگیری از اتلاف آب و کمک به عملیات عمل آوری ضروری است.
در یک عنصر معمولی بتن ، یک گرادیان دما بین فضای داخلی ، جایی که گرمای هیدراتاسیون به دام می افتد و سطح خارجی بتن که گرما را به جو منتقل می کند ، ایجاد می شود. در هوای سردتر ، عایق به قسمت بالای دال اضافه می شود تا شیب دمای حرارتی را حفظ کند و از سرد شدن سریع تر از هسته جلوگیری کند.
تلاش برای حفظ همان دیفرانسیل 35 درجه هنگامی که فضای داخلی بتن با چند فوت بتن در بالا و پایین آن “عایق بندی” شده باشد ، مناطقی که گرما نیز تولید می کنند ، در صورت قرار گرفتن در معرض دمای اتمسفر خارجی ، بتن سخت است ، حتی با استفاده از پتوهای عایق. توجه داشته باشید که حد 35 درجه یک توصیه کلی برای جلوگیری از خراب شدن بتن به دلیل جدا شدن لایه های بتن است.
بسیاری از تغییرات توصیه شده در مخلوط بتن برای بتن ریزی حجیم ، حرارت هیدراتاسیون را کاهش داده و یا کند می کنند تا تغییر دما محدود شود و در نتیجه میزان تشکیل ترک کاهش یابد.
کاهش مقدار سیمان در مخلوط بسیار مهم است. جایگزینی سیمان با سرباره و خاکستر بادی (و اکنون پوزولان های شیشه ای آسیاب شده) می تواند به حفظ مقاومت های لازم کمک کند. استفاده از سنگدانه های بزرگتر نیز می تواند کمک کند.
با این حال ، این ممکن است اغلب دشوار باشد زیرا آرماتوربندی و روش ریختن بتن ممکن است اندازه های سنگدانه را محدود کند. مواد افزودنی مورد استفاده برای حباب هوا ، کاهش آب ، زمان گیرش و کاهش انقباض ، مقاومت و دوام را می توان برای کاهش گرمای هیدراتاسیون تنظیم کرد.
نظارت بر دمای بتن در بتن ریزی حجیم معمولاً با استفاده از ترموکوپل حاصل می شود. این سنسورها قبل از عملیات ریختن بتن در داخل عنصر سازه ای دفن می شوند.
غالباً ، SER شبکه ای سه بعدی ایجاد می کند که به شما اجازه می دهد تا گرادیان دما در سطح مقطع عنصر رسم شود. سنسورها درجه حرارت درون عنصر را گزارش می دهند و مهندس را قادر می سازد تا بررسی کند که دما از محل قرارگیری اولیه بتن تا زمان کامل شدن عملیات عمل آوری بتن در محدوده مورد نظر باقی مانده است.
هنگامی که دما به محدوده مورد نظر نزدیک می شود ، می توان در روش های عمل آوری تغییراتی ایجاد کرد ، مانند افزودن یا حذف لایه های عایق برای متعادل سازی دما.
وقتی که بتن از قبل در داخل عنصر قرار گرفته است ، در حالی که لایه های بعدی بتن هنوز در بالای آن قرار می گیرند ، اتصال سرد ایجاد می شود.
تشکیل یک اتصال سرد ویژگی های یکپارچه را که همیشه مورد نظر است نفی می کند و بر خلاف یک اتصال ساختمانی برنامه ریزی شده و شکل گرفته ، در مکان های خود به طور معمول اتفاقی است و به صورت افقی یا شیب دار است.
صفحه خرابی ایجاد شده در عنصر سازه ای غالباً دشوار است ، زیرا این امر معمولاً در اواسط قرارگیری بتن هنگامی که بیشترین کار را انجام می دهند انجام می شود.
اجتناب از سرما به برنامه ریزی قبلی نیاز دارد . قبل از شروع عملیات بتن ریزی حجیم ، برنامه ریزی و بحث در مورد ترتیب ریختن بتن و تعداد نقاط قرارگیری مهم است.
ترتيبي كه براي ریختن بتن در نظر گرفته مي شود بايد استراتژيك باشد تا از ترك مناطق خاص براي مدت طولاني كه بتن قبل از ریختن بتن اضافي در كنار آن شروع به ترك خوردن مي كند ، اجتناب شود.
به حداکثر رساندن تعداد نقاط استقرار ، جریان بتن را تا حد ممکن حفظ می کند. به دلیل محدودیت های سایت ، تشکیل یک اتصال سرد در یک عنصر بسیار محتمل است.
ممکن است نیاز به افزودن اتصالات ساختاری قرار گرفته در استراتژیک در داخل عنصر سازه ای داشته باشد تا خطر تشکیل یک اتصال سرد را کاهش دهد.
استفاده از افزودنی عقب انداز یا افزودنی دیرگیر کننده مجموعه برای طولانی شدن دوره کارایی بتن مهم است و می تواند به کنترل دما کمک کند.
یک روش معمول این است که کامیون های اولیه بتونی را با حداکثر مقدار توصیه شده مواد افزودنی شروع کرده و سپس در هنگام ریختن بتن به آرامی مخلوط کنید.
استفاده از مخلوط در حین ریختن باعث می شود تا بتن کار کند و همچنین از قابلیت ساخت برای پیمانکار پشتیبانی می کند.
سیالیت اضافه شده بتن در اواخر زمان ریختن باعث افزایش فشار بر روی سیستم قالب می شود.
بعلاوه ، برای اکثر عناصر ، کارگران باید تا زمان تکمیل و مراحل عمل آوری در محل کار خود باقی بمانند.
اگر از مخلوط تاخیرانداز در دوز کامل خود تا پایان محل استفاده شود ، کارکنان باید ساعات بیشتری را در محل صبر کنند تا جایی که بتوانند روی بتن راه بروند و شروع به کار کنند.
مهندس ، در هماهنگی با پیمانکار ، می تواند از مشاهدات برای ایجاد تغییرات استراتژیک در توالی یابی ریختن استفاده کند.
پیمانکار می تواند با مقدار کمی بتن برگردد تا منطقه ای را که شروع به گیرش و به طور بالقوه یک اتصال سرد می کند تازه کند.
سپس ریختن می تواند ادامه یابد.
متأسفانه ، حتی با بهترین برنامه ریزی ، همه چیز ممکن است اشتباه باشد پمپ خراب می شود و تحویل بتن به تأخیر می افتد و موارد دیگر.
این بسیار مهم است که شخصی در محل ، به طور معمول بازرس یا مهندس ، محل اتصالات سرد ایجاد شده را ثبت و مستند کند.
این به مهندس اجازه می دهد تا در صورت لزوم با دقت بیشتری تأثیرات موجود در سازه را ارزیابی کرده و کارآمدترین بازسازی را انجام دهد.
ملاحظات و رویکردهای بتن ریزی حجیم
ACI 207.1
ACI 207.2 گزارش اثر تغييرات حرارتي و حجمي بر ترك خوردن بتن حجیم
ACI 207.4 سيستم هاي خنك كننده و عايق بندي بتن حجیم