بتن ریزی در سرما و استفاده از ضد یخ بتن
بتن، حاصل واکنش شیمیایی آب و سیمان پرتلند است. طی این واکنش ابتدا سیمان با آب، یک ترکیب ژله ای ایجاد می کند. این ترکیب، حالت سیال ویسکوزی را به وجود می آورد که سنگدانه ها در آن فضا معلق می شوند و با توسعه واکنش شیمیایی، تدریجاً این بخش ژله ای سخت شده و در این راستا سنگدانه ها را به یکدیگر چسبانده و باعث سختی بتن می گردد. این واکنش به واکنش هیدراتاسیون معروف است. سرعت این واکنش شیمیایی تاثیر بسزائی در کیفیت بتن نهائی دارد. از آنجا که محصول واکنش بتن، دارای ساختار کریستالی است، سرعت واکنش، فرم های مختلفی از ساختار کریستالی را برای بخش سخت شده ژل سیمان ایجاد می کند که در استحکام نهائی بتن، موثر می باشد. هر چه سرعت واکنش هیدراتاسیون پایین تر باشد، کریستال های بتن در بتن ریزی در هوای سرد دیرتر تشکیل می شوند ولی ساختار منظم تر و نتیجتا مستحکم تری دارند و بالعکس با افزایش سرعت واکنش هیدراتاسیون، بتن سریع سخت می گردد ولی ساختار کریستال ها بی نظم شده و به علت شکنندگی این ساختار، نتیجتا بتن نهائی دارای استحکام کمتری است.
بتن ریزی در زمستان یکی از چالش های جدی مهندسین عمران است و یکی از مشکلاتی است که ممکن است برای هر پروژه‌ی ساخت و سازی پیش بیاید. هوای سرد مشکلات زیادی را برای بتن ایجاد می کند. دمای پایین باعث می شود تا سرعت واکنش هیدراسیون در مخلوط آب و سیمان کاهش یابد و همین موضوع می تواند علاوه بر ایجاد مشکل برای مقاومت نهایی بتن، برنامه ریزی پروژه را نیز مختل کند. همچنین ممکن است که هوا به حدی سرد باشد که آب موجود در بتن دچار یخ زدگی شود و این مسئله فرایند هیدراسیون و گیرش بتن را با مشکلات جدی رو به رو می کند. بتنی که در چنین شرایطی عمل آوری شود، ویژگی هایی که برایش پیش بینی شده و برای آن طراحی شده را نخواهد داشت. اگر آب در قسمت هایی از بتن یخ بزند، واکنش هیدراسیون در آن قسمت ها به طور کلی قطع می شود و در نتیجه بتن در آن جاها دچار ضعف های جدی می شود. بنابراین مجبور هستیم تا در هنگام بتن ریزی در هوای سرد، شرایطی را برای بتن سرد فراهم آوریم که بتن بتواند به صورت طبیعی سخت شود و برای مقاومت و ویژگی های نهایی آن مشکلی به وجود نیاید.
مطابق آیین نامه بتن ایران، بتن ریزی در هوای سرد به وضعیتی گفته می شود که برای سه روز متوالی این شرایط برقرار باشد: دمای متوسط هوا در شبانه روز کمتر از ۵ درجه سانتی گراد باشد یا دمای هوا برای بیشتر از نصف روز از ۱۰ درجه سانتی گراد کمتر باشد. لازم است که بتن تازه در برابر آثار ویرانگر یخ زدگی محافظت شود. بتنی که حتی یک بار در سنین اولیه یخ زده باشد در مقایسه با بتنی که یخ نزده باشد در برابر شرایط جوی از مقاومت کمتری برخوردار است و نیز آب بند نخواهد بود.
آب پاشی بتن در فصل سرما
✔ مزایای استفاده از مواد افزودنی بتن
- از خسارت به بتن ناشی از یخ زدگی ملات سیمان در زمان های اولیه که قرار است در هوای سرد استفاده شود، جلوگیری می شود.
- از رشد قدرت و مقاومت مورد نیاز بتن جهت آن اطمینان حاصل می شود.
- از شرایط مطلوب برای بهبود استحکام بدون استفاده از گرمای اضافی در زمان آن باید، اطمینان حاصل می شود.
- تغییر دمای سریع در بتن به منظور جلوگیری از ترک خوردگی در آن زمان، کنترل می شود.
- محافظت دائمی از ساختار بتن در آن زمان فراهم می شود.
✔ استفاده از ضد یخ بتن در فصل سرما
معمولا اولین راهی که در هنگام مواجه با مشکل بتن ریزی در هوای سرد مورد استفاده قرار می گیرد، استفاده از مواد ضد یخ بتن یا مواد شتاب دهنده است. این مواد که به شکل های مختلف از جمله پودری و مایع موجود می باشند، واکنش هیدراسیون در بتن را تسریع می کنند. به دلیل آن که این واکنش گرماده است، تسریع آن باعث می شود تا در زمان کوتاه تری گرمای بیشتری تولید شود و دمای مناسب بتن ریزی به این وسیله بالا نگه داشته می شود. همچنین تسریع واکنش هیدراسیون باعث خواهد شد تا بتن زودتر سخت شود. در این ضد یخ ها معمولا از نمک های مختلفی نیز استفاده می شود. این نمک ها با حل شدن در آب، نقطه انجماد آن را نیز کاهش می دهند. بنابراین ضد یخ های بتن از دو طریق از یخ زدن بتن جلوگیری می کنند. اول با تولید گرمای بیشتر دمای بتن را بالا نگه می دارند. دوم این که نقطه انجماد آب را کاهش می دهند تا یخ زدن آب دشوارتر شود. در ضد یخ پودری از کلرید استفاده شده است، همین موضوع باعث می شود تا ضد یخ های پودری برای استفاده در بتن های مسلح مناسب نباشند. چرا که یون های کلرید می توانند باعث خوردگی آرماتورهای موجود در بتن مسلح گردند. در ضد یخ های مایع اما این مشکل وجود ندارد و از این ضد یخ ها می توان در تمامی بتن ها استفاده کرد.
دمای بتن ریزی در هوای سرد
✔ گرم نگه داشتن بتن در سرما
روش دیگری که از آن در هنگام بتن ریزی در هوای سرد استفاده می شود، گرم نگه داشتن بتن است. این کار نیز به چندین صورت می تواند انجام بپذیرد. اول این که ما می توانیم از آب داغ در مخلوط بتن استفاده کنیم. البته این روش تقریبا دیگر منسوخ شده و از آن استفاده نمی شود، چرا که انرژی زیادی در آن صرف می شود و بازده کمی نیز دارد. همچنین در مواردی در هنگام عمل آوری و کیورینگ بتن، از پوشش های مختلفی برای بالا نگه داشتن دمای بتن استفاده می شود. اولین راه حل گرم کردن مصالح و خصوصا آب مصرفی در بتن است. البته این روش تقریبا ناکارآمد بوده و صرفا نیروی زیادی را می‌طلبد.
برای دومین راه حل می توان استفاده از مواد تسریع کننده را در نظر گرفت. این مواد موجب افزایش سرعت هیدراتاسیون و بالا رفتن دمای حاصل از هیدراتاسیون می شود. مقاومت بتن در سنین اولیه نیز افزایش می‌یابد.
سومین راه حل و بهترین آن استفاده از ضد یخ بتن می باشد. زیرا یک ضد یخ بتن خوب با تسریع در روند هیدراتاسیون، سرعت گیرش اولیه بتن را بالا برده و در نتیجه میزان آب اشباع در بتن را کاهش می دهد، از طرفی نقطه انجماد آب موجود در بتن را پایین آورده و به همین علت شرایط بند 2 را نیز برآورده می کند و بهترین راه برای آن استفاده از ضد یخ بتن می باشد.
بتنی که در هوای سرد ریخته می شود تنها در صورتی دارای مقاومت و دوام لازم برای رعایت الزامات سرویس مدنظر می‌باشد، که به صورت مناسبی تولید، ریخته و محافظت شود.
با وجود اینکه آن زمان شناخته می‌شود ولی در طول 24 ساعت اولیه برای جلوگیری از یخ زدگی حفاظت در بهار و پاییز نیز لازم است. وقتی بتن یخ می زند چه اتفاقی می‌افتد؟ آب داخل منافذ در بتن در حدود 1 درجه سانتی گراد (30 درجه فارنهایت) شروع به یخ زدگی می کنند.
هنگامی که مقداری آب یخ می زند غلظت یون داخل آب یخ نزده بالا می رود علاوه بر این، نقطه انجماد نیز بالا می رود. در حدود -3 تا -4 درجه سانتی گراد (25 تا 27 درجه فارنهایت)، منافذی که به اندازه کافی داخل آن آب است یخ می زند در نتیجه هیدراتاسیون کاملا متوقف می شود و بنابراین استحکام بتن، نیروهایی که به وسیله انبساط یخ تولید می شوند (حجم یخ اشغالی حدود 9٪ بیشتر از آّب) ممکن است در یکپارچگی طولانی مدت بتن زیان آور باشد.
تعریف هوای سرد در بتن ریزی
منظور از سیمان نوع ۳ چیست؟
در بتن ریزی در هوای سرد حتی المقدور باید سعی شود تا از سیمان نوع سه استفاده شود. این سیمان سرعت گیرش بسیار بالایی دارد و برای کار در مناطق سردسیر بسیار مناسب می باشد. چرا که ما در این مناطق احتیاج داریم تا کار با سرعت بیشتری انجام شود. همچنین سرعت بالا تر در فرایند هیدراسیون، به معنای تولید گرمای بیشتر است. همین موضوع نیز باعث می شود تا دمای بتن بالا نگه داشته شود و آب موجود در آن دچار یخ زدگی نشود. یکی از بهترین نوع سیمان ایران، سیمان نوع سه می باشد.
✔ مزایای استفاده از ضد یخ بتن
- از خرابی بتن به سبب یخ زدگی در مراحل زودتر جلوگیری می کند
- مطمئن می شود که بتن استحکام لازم برای برداشت مطمئن از فرم ها را ارتقا می دهد
- شرایط بهبودی را برقرار می کند که قدرت انبساط طبیعی را بدون استفاده از دمای اضافی می پروراند
- تغییرات دمایی سریع را در داخل بتن محدود می کند تا از ترک های دمایی جلوگیری شود
- حفاظت دائمی با قابلیت استفاده مورد در خواست از ساختار را فراهم می کند
برای هر 10 درجه سانتی گراد (18 درجه فارنهایت) کاهش در دمای بتن، دفعات آن را دو برابر می شود بنابراین تعداد دفعاتی که بتن به سبب یخ زدگی مستعد آسیب پذیری و خرابی می باشد، افزایش می یابد.
✔ اهداف مصرف مواد افزودنی بتن
- جلوگیری از خسارت به بتن ناشی از یخ زدگی در زمان گیرش اولیه
- اطمینان از رشد مقاومت مورد نیاز بتن جهت آن
- نگهداری از شرایط مطلوب برای بهبود استحکام بدون استفاده از گرمای اضافی در زمان بتن ریزی
- کنترل تغییر دمای سریع در بتن به منظور جلوگیری از ترک خوردگی
- محافظت دائمی از ساختار بتن
باید توجه داشته باشید که بتن گرم قرار داده شده در بستر سرما، گرما از دست می دهد و افت دما پیدا می کند. دانستن این مسئله بسیار مهم است که اگر ساختار به دلیل کیورینگ و محافظت نامناسب دچار خرابی شده باشد رسیدن بتن به مقاومت 28 روزه مخصوص بی فایده خواهد بود.
بتنی که از یخ زدگی محافظت شده است تا وقتی که به مقاومت فشاری حداقل 3.45Mpa (500 psi) برسد به دلیل قرار گرفتن در معرض یک چرخه یخ زدگی تنها دچار خرابی نمی شود. بتنی که محافظت می‌شود و یا احتمالا عمل آوری می گردد علی‌رغم قرار گرفتن در معرض هوای سرد به مقاومت بالقوه خودش می رسد. به جز در گرما و محوطه حفاظتی، نیازی به تامین رطوبت خارجی برای عمل آوری بتن در سرما نیست و یا این نیاز کمتر می گردد.
✔ کاربرد استفاده از ضد یخ های بتن
- ضد یخ های بتن مواد شیمیایی هستند که به منظور پایین آوردن نقطه انجماد فاز مایع به آب اختلاط بتن اضافه می گردند و تا دمای °C 30- کاربرد دارند.
- استفاده از ضد یخ در بتن ریزی در شرایط آب و هوای سرد، دارای اصول فنی ساده و بسیار سودمند است که باعث صرفه جویی 20 الی50 درصدی زمان و انرژی در مقایسه با عمل آوری با بخار، گرم کردن بتن و... می باشد.
- در روسیه بیش از 40 سال تجربه بتن ریزی بدون گرم کردن بتن وجود دارد، این امر با توجه به آب و هوای بسیار سرد روسیه می باشد.
- ضد یخ ها در بتن درجا، بتن مسلح، سازه های یکپارچه پیش ساخته و... در دمای (هوا، زمین) زیر °C5 و تا کمترین دمای روزانه °C 30- مورد استفاده قرار می گیرند.
کانکریت ریزی در هوای سرد
✔ عملکرد ضد یخ بتن
عملکرد ضد یخ بتن ها به دو صورت کلی ذیل می باشد:
- دسته اول، نقطه انجماد فاز مایع بتن را پایین می آورند، همچنین زودگیرها و دیرگیرهایی ضعیف هستند که بر گیرش و سخت شدگی سیمان تاثیر می گذارند، از جمله محصولات الکترولیت مانند: ANTI FREEZ SN و ANTIFREEZ SC. محصولات الکترولیت ضعیف مانند: ANTI FREEZ AM و غیرالکترولیت مانند: ANTI FREEZ U می باشند.
- دسته دوم، افزودنی های دو یا سه سیستمی می باشند. هیدراتاسیون سیمان را تسریع کرده و همچنین خصوصیات ضد یخ را دارا می باشند.
- علاوه بر این دو گروه اصلی، مابقی خصوصیات ضعیفی از ضد یخ ها را دارا می باشند. گیرش و سخت شدن سیمان را تسریع می کنند و به صورت قابل توجهی میزان گرمای مراحل اولیه سخت شدن سیمان در بتن ریزی زمستانی را افزایش می دهند. این افزودنی های بتن در شکل گیری سریع ساختار متراکم موئینه سیمان شرکت می کنند، مانند: ANTI FREEZ FS و .ANTI FREEZ AS
✔ تاثیرات استفاده از ضد یخ بتن در سازه های بتنی
- بیشتر افزودنی های ضد یخ باعث ایجاد تاخیر در گیرش بتن می شوند. از آنجایی که میزان مصرف ضد یخ ها از افزودنی هایی که به منظور تاخیر در گیرش استفاده می شوند بسیار بیشتر می باشد، سخت شدن سیمان تسریع می شود و این مسئله گاهی اوقات بتن ریزی را مشکل می کند.
- ANTI FREEZ زمان گیرش و سخت شدن سیمان را کاهش می دهد، همچنین بر روی ساختار خمیر سیمان و مقاومت در برابر یخ زدگی بتن تاثیر قابل توجهی دارد. این محصول همراه با کندگیر کننده های بتن یا روان کننده ها مورد استفاده قرار می گیرد. میزان مصرف روان کننده بتن به نوع سیمان و میزان مصرف ضد یخ بستگی دارد.
- در بتن ریزی در هوای سرد با استفاده از افزودنی های ضد یخ می توان دیگر افزودنی های بتن مانند هوازا، روان کننده، دیرگیر کننده و فوق روان کننده را استفاده کرد. میزان مصرف هوازا باید در آزمایشگاه بتن دقیقا مشخص شود. زمانی که افزودنی های نامبرده همراه با ضد یخ استفاده می شوند، میزان مصرف بالاتری نسبت به حالت نرمال دارند.
- بیشترین میزان مصرف روان کننده بر پایه لیگنو برای مخلوط شدن با ANTI FREEZ (SN+CC)و ANTI FREEZ CCNN نباید از بیشتر10% شود.
- ضد یخ های کلینیک بتن ایران در دو حالت مایع و پودری عرضه می گردند و مشخصات آن از طریق بخش محصولات – افزودنی های بتن کلینیک بتن ایران- قابل بازیابی است.
✔ عوامل موثر در سرعت واکنش هیدراتاسیون بتن و سیمان
- غلظت بالاتر واکنشگرها (در اینجا سیمان)، ارتباط مستقیم با سرعت واکنش دارد و لذا برای بتن های با عیار سیمان بالاتر، سرعت هیدراتاسیون بیشتر می باشد. در طرح های اختلاط با نسبت آب به سیمان کمتر، این سرعت هیدراتاسیون به همین دلیل بالاتر است.
- دمای محیط واکنش، ارتباط مستقیم با سرعت هیدراتاسیون دارد. در تابستان سرعت گیرش بالاتر بوده و در زمستان سرعت پایین تر است. دمای مصالح مصرفی نیز از همین قاعده پیروی می کند. ضمنا برای مقاوم سازی سازه های بتنی که ضخامت بتن در آنها بیشتر است، گرمای حاصل از واکنش هیدراتاسیون سخت تر از ماتریس بتن خارج می شود و لذا باعث افزایش دمای درونی بتن شده و سرعت واکنش را افزایش می دهد.
- تیپ سیمان، عامل مهم دیگری است که در این واکنش نقش دارد. سرعت واکنش هیدراتاسیون با نسبت فاز تری کلسیم آلومینات و تری کلسیم سیلیکات سیمان رابطه مستقیم و با فاز دی کلسیم سیلیکات رابطه عکس دارد. علاوه بر آن سیمان هایی که دانه بندی ریزتر و نرم تری دارند نیز در ساختار شیمیایی برابر، سرعت واکنش بالاتری دارند.
- از آنجایی که ساختار کریستالی بتن، نقش مهمی در مقاومت بتن در سرما و نهایتا در دوام بتن دارد، لذا مدیریت سرعت این واکنش شیمیایی بسیار حائز اهمیت است. به منظور این کار آیین نامه های ویژه بتن ریزی در هوای گرم و بتن ریزی در هوای سرد موجود می باشد که پیمانکاران ملزم به رعایت این آیین نامه ها هستند.
- مطابق آیین نامه بتن آمریکا، هوای سرد شرایطی است که طی سه روز متوالی متوسط دمای هوا کمتر از 5 درجه سانتی گراد باشد و طی این سه روز، هیچگاه دما به طور متوالی طی 12 ساعت بالای 10 درجه سانتی گراد نباشد.
- معمولا وقتی صحبت از بتن ریزی در سرما می شود، تصور بیشتر مردم بحث یخ زدگی بتن است در صورتی که با توجه به تعریف فوق این تصور می تواند غلط باشد و باید تمرکز خود را بر روی واکنش شیمیایی هیدراتاسیون قرار دهیم. این واکنش یک واکنش گرما زا است یعنی طی پیشرفت واکنش گرما آزاد می شود. شروع واکنش نیاز به مقداری انرژی اولیه دارد که همان انرژی اکتیواسیون یا فعالسازی است. چنانچه این مقدار انرژی، به حد لازم نرسد واکنش شروع نمی شود و لذا سخت شدگی سیمان اتفاق نمی افتد. در این حالت پس از مدتی، سنگدانه ها رسوب کرده و آب به سطح بتن می آید و عملا بتن از حالت یکنواختی خارج می شود. ممکن است که حتی یخ زدگی اتفاق نیفتد ولی همین جدایش باعث می شود کیفیت بتنی که با تاخیر به سختی می رسد از حالت همگنی خارج شود. لذا زمانی که هوا به سمت سرما میل می کند، باید آیین نامه ها به دقت مطالعه گردد.
- استفاده حداقل 375 کیلوگرم سیمان در هر متر مکعب بتن، نسبت آب به سیمان حداکثر 45%، عدم استفاده از سیمان های پوزولانی و یا پوزولان ها در طرح اختلاط و استفاده از مواد افزودنی شیمیایی زودگیر کننده، موارد توصیه ای هستند که در آیین نامه ها نیز به چشم می خورند.
- در بین توصیه هائی که برای بتن ریزی در سرما وجود دارند، استفاده از مواد شیمیایی افزودنی، تحت عنوان زودگیر کننده بتن به عنوان یکی از راهکارها، مورد توجه ویژه می باشد. زودگیرها، موادی هستند که باعث افزایش سرعت واکنش هیدراتاسیون می شوند. بعضاً به غلط نام ضدیخ در خصوص این ترکیبات، در این صنعت رایج شده است. لازم به ذکر است که افزودنی های زودگیر و ضد یخ دو طبقه جدا از یکدیگر هستند و مکانیسم عمل متفاوتی دارند.
- ضد یخ ترکیبی است که باعث کاهش دمای انجماد آب بتن می شود و یخ زدگی را به تاخیر می اندازد ولی الزاماً در سرعت واکنش، تغییری ایجاد نمی کند. معمولا ضد یخ برای حفظ ملات یا بتن در دماهایی که پیش بینی می شود برای دوره معینی، حین یا بعد از بتن ریزی و قبل از گیرش بتن، به زیر صفر برسد، استفاده می گردد. بتن ریزی در آن شرایط قواعد خود را دارد که با موضوع این بحث متفاوت است ولی برای حفظ ملات های مصرفی در شرایط یخبندان، می توان از ضد یخ استفاده کرد.
- اگرچه پایه شیمیایی هر دو دسته زودگیرها و ضد یخ ها معمولا نمک های معدنی است، ولی نمک هائی که بخش کاتیونی کلسیم دارند دارای نقش زودگیری می باشند. نمک های کلسیم محلول در آب، شامل ترکیبات کلسیم نیترات، کلسیم کلرید، کلسیم فرمیات و کلسیم نیترات هستند که از بین این ترکیبات، کلسیم کلرید نقش زودگیر کنندگی بیشتری دارد ولی از آنجا که یون کلر در بتن های مسلح باعث خوردگی آرماتور می شود، میزان یون کلر این دسته از بتن ها دارای محدودیت هایی می باشد و لذا برای استفاده از این ترکیبات در بتن مسلح ممنوعیت هایی وجود دارد. اگرچه کنترل میزان کلر در حد قابل قبولی می تواند در بتن وجود داشته باشد و ایجاد مشکل نمی کند ولی اصل محافظه کاری ایجاب می کند که از ورود این ترکیب به بتن جلوگیری شود. کلسیم نیترات دیگر نمک کلسیم بوده که به عنوان زودگیر در این صنعت مصرف زیادی دارد. این ترکیب علاوه بر زودگیری در بتن، خاصیت ضدیخ را نیز داشته، محافظت خوردگی میلگردها را نیز افزایش می دهد و استحکام نهائی بتن را بهبود می دهد.
- استفاده از روان کننده ها و فوق روان کننده های زودگیر نیز در این صنعت رایج است. این مواد برای شرایط سرمای ملایم توصیه می شوند و در شرایطی که هوا سرد می شود، بهتر است که روان کننده و زودگیر به میزان لازم و تفکیک شده استفاده شود.
- میزان مصرف زودگیر وابسته به دمای هوا و ضخامت بتن است. با کاهش دما و ضخامت بتن، میزان زودگیر باید افزایش یابد. ضمنا زودگیر باید قبل از بتن ریزی به میکسر افزوده شود و به میزان لازم اختلاط صورت پذیرد و سپس بتن ریزی انجام گیرد ولی تاکید می شود که استفاده زودگیر بتن در هوای سرد به عنوان یکی از کارهایی است که باید انجام داد و موارد دیگر نیز باید مطابق با آیین نامه رعایت شود.
الزامات بتن ریزی در هوای گرم و سرد
شما می توانید برای کسب اطلاعات بیشتر از دیگر مقالات ما بازدید نمایید: