افزایش تقاضا برای کاهش زمان ساخت، بهرهبرداری سریع از سازهها و کاهش هزینههای غیرمستقیم پروژهها، منجر به توسعه بتنهایی با مقاومت اولیه بالا شده است. مقاومت سریع بتن بهطور معمول به مقاومت فشاری قابلتوجه در بازه زمانی ۶ تا ۷۲ ساعت پس از اختلاط اطلاق میشود. این ویژگی به کمک تغییر در طرح اختلاط و استفاده هدفمند از افزودنیها به دست میآید.
با وجود مزایای متعدد، تجربههای اجرایی و مطالعات آزمایشگاهی نشان دادهاند که افزایش مقاومت اولیه همواره به معنای بهبود عملکرد کلی بتن نیست. بسیاری از بتنهای زودمقاومت در صورت طراحی نامناسب، در سنین بالاتر دچار افت مقاومت، افزایش جمعشدگی و کاهش دوام میشوند. از این رو، بررسی علمی حد مطلوب استفاده از افزودنیها و تأثیر آنها بر خواص مکانیکی و رئولوژیکی بتن ضروری است.
افزودنیهای مؤثر در کسب مقاومت سریع بتن
افزودنیهای شتابدهنده هیدراتاسیون
شتابدهندهها با افزایش نرخ واکنش بین فازهای کلینکری سیمان بهویژه C₃S و آب، موجب تسریع تشکیل محصولات هیدراتاسیون میشوند. ترکیباتی نظیر:
- کلسیم فرمات
- کلسیم نیترات
- ترکیبات قلیایی اصلاحشده بدون کلر
در مطالعات پس از ۲۰۲۰ نشان دادهاند که میتوانند مقاومت فشاری بتن را در ۲۴ ساعت اول تا ۳۰–۶۰٪ افزایش دهند. با این حال، افزایش بیش از حد سرعت هیدراتاسیون میتواند منجر به ساختار ناهمگن و تمرکز تنش در ماتریس سیمانی شود.
افزودنیهای فوقروانکننده
فوقروانکنندههای نسل جدید، بهویژه پلیکربوکسیلات اترها (PCE)، با پراکندهسازی ذرات سیمان و کاهش آب اختلاط، نقش دوگانهای در افزایش مقاومت اولیه و نهایی ایفا میکنند. کاهش نسبت آب به سیمان مهمترین عامل افزایش مقاومت بدون آسیب به دوام بتن است.
مطالعات جدید نشان میدهند که استفاده صحیح از PCE میتواند بدون تسریع بیش از حد هیدراتاسیون، مقاومت اولیه را افزایش داده و همزمان خواص رئولوژیکی بتن تازه را بهبود بخشد.
افزودنیهای معدنی و نانو مواد
میکروسیلیس و نانو سیلیکا
ذرات بسیار ریز میکروسیلیس و نانو سیلیکا با اثر پرکنندگی (Filler Effect) و واکنش پوزولانی سریع، موجب تراکم ساختار ITZ و افزایش مقاومت اولیه میشوند.
دانههای C-S-H
یکی از نوآوریهای مهم پس از ۲۰۲۰، استفاده از دانههای پیشساخته C-S-H بهعنوان هستههای هیدراتاسیون است. این افزودنیها با تسریع رشد شبکه C-S-H، مقاومت بتن را در سنین بسیار پایین (کمتر از ۲۴ ساعت) بهطور قابلتوجهی افزایش میدهند، بدون آنکه الزاماً مقاومت نهایی کاهش یابد.
رئولوژی بتن و نقش آن در بتنهای زودمقاومت
تعریف رئولوژی بتن
رئولوژی بتن به مطالعه رفتار جریان، تغییرشکل و تنش–کرنش بتن تازه تحت اعمال نیرو اطلاق میشود. پارامترهای اصلی رئولوژیکی بتن شامل:
- تنش تسلیم (Yield Stress)
- ویسکوزیته پلاستیک (Plastic Viscosity)
هستند که رفتار بتن در حین اختلاط، حمل، پمپاژ و بتنریزی را تعیین میکنند.
تأثیر افزودنیها بر رفتار رئولوژیکی
در بتنهای زودمقاومت، استفاده از افزودنیها معمولاً منجر به:
- افزایش نرخ هیدراتاسیون
- افزایش تنش تسلیم در زمان کوتاه
- کاهش زمان کارایی (Workability Retention)
میشود. بهویژه شتابدهندهها و نانو مواد، در صورت عدم کنترل، میتوانند باعث سفتشدن سریع و افت شدید کارایی بتن شوند.
فوقروانکنندههای PCE با اصلاح ساختار رئولوژیکی، امکان دستیابی همزمان به روانی مناسب و مقاومت سریع را فراهم میکنند و نقش کلیدی در تعادل بین کارایی و عملکرد مکانیکی دارند.
روش شناسی آزمایشگاهی
طرح اختلاط
- نسبت آب به سیمان: ۰٫۳۰–۰٫۴۰
- افزودنی شتابدهنده (زود گیر کننده بتن): ۰٫۵–۲٪ وزن سیمان
- فوقروانکننده PCE: ۰٫۸–۱٫۵٪ وزن سیمان
- میکروسیلیس یا نانو سیلیکا: ۵–۱۰٪ جایگزینی سیمان
آزمایشهای مکانیکی
- مقاومت فشاری در سنین ۳، ۷ و14 و ۲۸ روز
- مقاومت خمشی در ۳ و ۲۸ روز
- مدول الاستیسیته در ۷ و ۲۸ روز
آزمایشهای رئولوژیکی
- آزمایش اسلامپ و اسلامپفلو
- اندازهگیری تنش تسلیم و ویسکوزیته با رئومتر بتن
- بررسی افت کارایی یا اسلمپ در زمان (۰، ۳۰، ۶۰ دقیقه)
تحلیل نتایج و نمودارهای پیشنهادی
۵.۱ نمودار زمان–مقاومت
- محور افقی: زمان (ساعت / روز)
- محور عمودی: مقاومت فشاری (MPa)
- مقایسه بتن مرجع با بتنهای حاوی افزودنی
محدودیتها و حد مطلوب استفاده از افزودنیها
مطالعات پس از ۲۰۲۰ نشان میدهند که:
- افزایش مقاومت اولیه بیش از ۶۰٪ معمولاً با افزایش تردی همراه است
- دوز بالای شتابدهنده میتواند مقاومت بلندمدت را تا ۱۰–۱۵٪ کاهش دهد
- ترکیب شتابدهنده + PCE + پوزولان بهترین تعادل عملکردی را ایجاد میکند
بنابراین، حد مطلوب استفاده از افزودنیها تا جایی است که افزایش مقاومت اولیه بدون افت محسوس مقاومت ۲۸ روزه و بدون تخریب رفتار رئولوژیکی حاصل شود.
نتیجهگیری
افزودنیهای بتن ابزار قدرتمندی برای دستیابی به مقاومت سریع بتن هستند، اما استفاده بهینه از آنها مستلزم شناخت دقیق مکانیسمهای هیدراتاسیون، رفتار رئولوژیکی و تعامل بین اجزای مخلوط است. بر اساس مطالعات جدید، راهکارهای ترکیبی و کنترلشده میتوانند هم مقاومت اولیه بالا و هم خواص مکانیکی و دوام مطلوب را تضمین کنند.