حداقل دمای بتن‌ریزی و دمای مناسب اجرا — استانداردها و توصیه‌ها

حداقل دمای بتن ریزی صرفاً یک عدد آیین نامه ای نیست؛ بلکه مرزی است که در صورت عبور از آن،فرآیند حیاتی هیدراتاسیون سیمان دچار اختلال شده و عملاً مقاومت نهایی بتن به خطر می افتد . کاهش دما، سرعت واکنش های شیمیایی سیمان با آب را به شدت کند می کند. اگر دمای بتن تازه قبل از رسیدن به مقاومت کافی (مقاومت حفاظتی) به زیر نقطه انجماد آب (صفر درجه سانتی گراد) برسد،آب موجود در منافذ یخ زده و افزایش حجم ناشی از آن،ساختار داخلی بتن را متلاشی می کند.

در پروژه های عمرانی ایران،که شاهد دامنه وسیعی از شرایط آب و هوایی در طول فصول سرد هستیم، کنترل دما در بتن ریزی یک ضرورت فنی است نه یک گزینه انتخابی. نادیده گرفتن این اصل، منجر به افت مقاومت اولیه، افزایش تخلخل و کاهش شدید دوام سازه در برابر چرخه های ذوب و انجماد خواهد شد.

 مفاهیم پایه مرتبط با دمای بتن

برای اجرای موفق در هوای سرد، لازم است مفاهیم اصلی مرتبط با حرارت بتن به درستی تعریف شوند:

دمای مخلوط بتن (Concrete Mix Temperature)

دمای بتن تازه (یا دمای مخلوط) نتیجه نهایی دمای اجزای تشکیل دهنده آن است: سیمان،آب، سنگدانه ها و افزودنی ها. در شرایط سرد،سنگدانه ها و به خصوص آب، بیشترین تأثیر را بر دمای نهایی مخلوط دارند. هدف در کنترل دما در بتن ریزی، اطمینان از این است که دمای مخلوط در هنگام ریختن،در محدوده استاندارد و ایمن باقی بماند تا زمان لازم برای رسیدن به مقاومت حفاظتی فراهم شود.

دمای محیط و قالب

دمای بتن تازه در هنگام قرارگیری در قالب، فوراً شروع به تبادل حرارتی با محیط اطراف می کند. در شرایط سرد،قالب های فلزی یا چوبی، به سرعت حرارت تولید شده توسط هیدراتاسیون را از دست می دهند. در اعضای با ضخامت کم (مانند دال ها یا دیوارهای نازک)،سطح تماس بالا با محیط سرد، اتلاف حرارت را تشدید کرده و ریسک یخ زدگی را افزایش می دهد. بنابراین،دمای قالب و محیط باید به طور مستمر پایش شده و از روش های عایق بندی مناسب استفاده شود.

یخ زدگی بتن تازه: خط قرمز اجرا

مهم ترین پیامد ناشی از کاهش شدید دما، یخ زدگی بتن تازه است. اگر آب موجود در ساختار بتن قبل از رسیدن به مقاومت حدود ۳ .۵ مگاپاسکال (۵۰۰ psi) منجمد شود،کریستال های یخ ایجاد شده باعث اعمال فشار داخلی و تخریب پیوندهای شیمیایی می شوند.

پیامدهای یخ زدگی در ساعات اولیه بتن ریزی عبارتند از:

• کاهش دائمی و شدید مقاومت نهایی (تا ۵۰ درصد).
• افزایش تخلخل و نفوذپذیری .
• کاهش شدید دوام بتن در برابر عوامل محیطی و خوردگی.
• ایجاد ترک های مویی و ساختاری .

نقش مراقبت (Curing) در کنترل دما

مراقبت (عمل آوری) در سرما، فراتر از حفظ رطوبت،به معنای حفظ حرارت بتن است. Curing در سرما شامل تأمین حرارت خارجی یا عایق بندی مؤثر برای حفظ حرارت داخلی است تا بتن بتواند فرآیند هیدراتاسیون خود را کامل کند و به مقاومت لازم برای مقاومت در برابر یخ زدگی برسد.

استانداردهای مرجع در کنترل دما (ACI, ASTM, EN)

عملیات بتن ریزی در هوای سرد نیازمند پیروی از ضوابط دقیق بین المللی است تا از پایداری و دوام سازه اطمینان حاصل شود .

ACI 306R — Cold Weather Concreting

استاندارد ACI 306R مهم ترین مرجع جهانی برای بتن ریزی در شرایط دمایی پایین است. این استاندارد شرایط «هوای سرد» را تعریف می کند:

تعریف شرایط سرد: زمانی که دمای متوسط روزانه محیط برای بیش از سه روز متوالی به کمتر از ۵ درجه سانتی گراد (۴۰ درجه فارنهایت) برسد یا دمای محیط برای کمتر از ۱۲ ساعت در هر ۲۴ ساعت،کمتر از ۱۰ درجه سانتی گراد باشد.

الزامات کلیدی ACI 306R:

1. حداقل دمای بتن ریزی: تعیین حداقل دمای بتن تازه در لحظه ریختن،بسته به ضخامت مقطع (که در بخش های بعدی به آن پرداخته خواهد شد).
2. مقاومت حفاظتی: بتن باید تا زمانی که به مقاومت فشاری ۳ .۵ مگاپاسکال (۵۰۰ psi) برسد، در برابر یخ زدگی محافظت شود . این مقاومت، نقطه حیاتی برای جلوگیری از آسیب دائمی است .
3. مدت زمان محافظت: مدت زمان مورد نیاز برای محافظت بستگی به نوع سیمان و دمای عمل آوری دارد .

ASTM C1064: روش اندازه گیری دمای بتن تازه

برای تضمین کنترل کیفیت (QC)، دمای بتن تازه باید به طور دقیق و استاندارد اندازه گیری شود . استاندارد ASTM C1064 روش صحیح برای نمونه گیری و اندازه گیری دمای مخلوط در محل پروژه را تشریح می کند . بر اساس این استاندارد،دماسنج باید حداقل ۷۵ میلی متر (۳ اینچ) در بتن فرو رود و قرائت دما باید ظرف مدت ۲ تا ۵ دقیقه انجام شود تا از تأثیرات دمای محیط بر نتایج جلوگیری شود .

استانداردهای EN (اروپا) و راهنماهای مرتبط

استانداردهای اروپایی (مانند EN 206) نیز بر لزوم مدیریت حرارت تأکید دارند . این استانداردها عموماً توصیه می کنند که دمای بتن در هنگام ریختن نباید کمتر از ۵ درجه سانتی گراد باشد و در صورت کاهش دما،باید از سیمان هایی با حرارت هیدراتاسیون سریع تر و افزودنی های مناسب استفاده شود .

جایگاه استانداردهای ملی ایران

آیین نامه ها و مقررات ملی ایران (مانند مبحث نهم مقررات ملی ساختمان) عموماً در زمینه بتن ریزی در هوای سرد،از چارچوب ها و توصیه های ACI 306R پیروی می کنند . این آیین نامه ها مهندسان را ملزم می کنند که در شرایط سرد،طرح اختلاط و روش های اجرایی را مطابق با الزامات پیشگیری از یخ زدگی و حفظ حداقل دمای بتن تازه تنظیم کنند .

حداقل دمای مجاز بتن ریزی و محدوده های عملی پیشنهادی

تعریف حداقل دما به دو بخش تقسیم می شود: دمای محیط که نیازمند اتخاذ تمهیدات خاص است، و حداقل دمای مخلوط بتن در لحظه ریختن.

تعریف وضعیت سرد و آغاز تمهیدات ویژه

عملیات بتن ریزی در هوای سرد رسماً هنگامی آغاز می شود که:

1. دمای متوسط محیط در طول ۲۴ ساعت از ۵ درجه سانتی گراد پایین تر باشد.
2. پیش بینی شود که دمای محیط در طی ۲۴ ساعت آتی به کمتر از -۱ درجه سانتی گراد کاهش یابد .

در چنین شرایطی، کلیه تمهیدات شامل گرمایش مصالح، استفاده از افزودنی ها و محافظت حرارتی الزامی است .

حداقل دمای هنگام ریختن بتن (دمای بتن تازه)

بر اساس ACI 306R، حداقل دمای بتن در هنگام ریختن (Placing) نباید از مقدار تعیین شده در جدول زیر کمتر باشد. این حداقل دما با هدف فراهم کردن گرمای لازم برای آغاز هیدراتاسیون و پیشگیری از یخ زدگی تعیین شده است .

ضخامت نازک ترین بخش سازه (میلی متر)	حداقل دمای بتن تازه در لحظه ریختن (°C)
کمتر از ۳۰۰ (عضو نازک)	۱۳
۳۰۰ تا ۹۰۰	۱۰
۹۰۰ تا ۱۸۰۰	۷
بیشتر از ۱۸۰۰ (عضو حجیم)	۵

نکته حیاتی: اگرچه در اعضای حجیم حداقل دمای ۵ درجه سانتی گراد مجاز شمرده می شود، اما برای مقاطع نازک که اتلاف حرارت بالایی دارند، دمای آغازین باید بالاتر باشد.

شرایط بتن ریزی در دمای محیط زیر صفر

بتن ریزی در دمای محیط نزدیک به صفر یا زیر صفر (°C ≤ 0) بدون استفاده از روش های گرمایشی و محافظتی شدیداً ممنوع است،مگر با رعایت موارد زیر:

• گرمایش مصالح: تمامی مصالح (آب و سنگدانه) باید تا دمای استاندارد (مثلاً آب تا ۶۰ درجه سانتی گراد) گرم شوند.
• پوشش محافظتی: استفاده از چادرهای پوششی و کوره های حرارتی (غیرمستقیم) برای حفظ دمای محیط اطراف بتن در محدوده ۱۰ تا ۲۰ درجه سانتی گراد .
• افزودنی های شتاب دهنده: استفاده از افزودنی های شتاب دهنده غیرکلریدی برای تسریع در رسیدن به مقاومت ۳ .۵ مگاپاسکال.

 دامنه دمای هدف (۵–۲۰°C)

بهترین عملکرد و سرعت هیدراتاسیون معمولاً در دمای ۱۰ تا ۲۰ درجه سانتی گراد حاصل می شود. در شرایط سرد، هدف باید رساندن دمای بتن تازه به نزدیکی این محدوده باشد، نه صرفاً رعایت حداقل ۵ درجه سانتی گراد.

اثرات دمای پایین بر خواص و رفتار بتن

کاهش دما تأثیرات چندگانه ای بر بتن می گذارد که مدیریت هر یک از آن ها برای تضمین کیفیت سازه ضروری است.

کندشدن هیدراتاسیون و کاهش مقاومت اولیه

هیدراتاسیون یک واکنش شیمیایی گرمازا است . با کاهش دما، سرعت این واکنش به شدت کاهش می یابد. در دمای ۵ درجه سانتی گراد،سرعت هیدراتاسیون ممکن است به نصف سرعت آن در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد برسد . این تأخیر به معنای کندی در کسب مقاومت اولیه و افزایش زمان مورد نیاز برای باز کردن قالب ها و بارگذاری است.

تأثیر بر مقاومت بلندمدت (Post-Freezing Effect)

برخلاف تصور رایج،اگر بتن تازه به دمای زیر صفر برسد و آسیب ببیند، مقاومت بلندمدت آن نیز کاهش می یابد. حتی اگر یخ زدگی رخ ندهد اما دمای عمل آوری بسیار پایین باشد (مثلاً ۵ درجه سانتی گراد)، مقاومت ۲۸ روزه بتن ممکن است کمتر از طرح مخلوط باشد .

افزایش زمان گیرش و کارپذیری

دمای پایین باعث طولانی تر شدن زمان گیرش اولیه و نهایی می شود . اگرچه ممکن است این تأخیر در نگاه اول مطلوب به نظر رسد (فرصت بیشتر برای جابجایی)،اما در عین حال، بتن را برای مدت طولانی تری در معرض خطر آسیب های محیطی قرار می دهد . در شرایط سرد،کنترل دمای بتن تازه و حفظ کارپذیری از طریق استفاده از فوق روان کننده ها بسیار حیاتی است .

ترک های حرارتی در اعضای حجیم

در حالی که بتن ریزی در سرما برای اعضای نازک خطر یخ زدگی را به همراه دارد، در اعضای حجیم، خطر شیب حرارتی شدید داخلی و خارجی وجود دارد. اگر مغز بتن دمای بالاتری داشته باشد و سطح بتن به دلیل تماس با محیط سرد،به سرعت خنک شود، تنش های کششی حرارتی ایجاد شده می تواند منجر به ترک های حرارتی سطحی شود.

راهکارهای عملی کنترل دما قبل، حین و بعد از بتن ریزی

یک برنامه جامع کنترل دما در بتن ریزی باید شامل سه مرحله قبل از ریختن، حین ریختن و عمل آوری پس از ریختن باشد.

پیش گرمایش مصالح (Pre-Heating)

برای تضمین حداقل دمای بتن ریزی، گرم کردن اجزای مخلوط الزامی است.

الف . گرم کردن آب: مؤثرترین روش

آب، بالاترین ظرفیت حرارتی را در بین اجزای بتن دارد و گرم کردن آن مؤثرترین راه برای افزایش دمای مخلوط است. دمای آب گرم نباید از ۶۰ تا ۸۰ درجه سانتی گراد بیشتر شود تا از گیرش سریع (Flash Set) سیمان جلوگیری گردد.

ب. گرم کردن سنگدانه ها

اگر دمای سنگدانه ها کمتر از صفر درجه سانتی گراد باشد یا حاوی یخ و برف باشند،باید گرم شوند. این کار معمولاً از طریق عبور بخار آب داغ از توده های سنگدانه انجام می شود . نباید اجازه داد که دمای سنگدانه های درشت از ۶۰ درجه سانتی گراد تجاوز کند .

کنترل دمای مخلوط و استفاده از افزودنی ها

استفاده از افزودنی های شیمیایی (شتاب دهنده ها) می تواند دمای مورد نیاز در هنگام اختلاط را کاهش دهد، زیرا این مواد سرعت هیدراتاسیون را افزایش داده و در نتیجه زمان رسیدن به مقاومت حفاظتی را کوتاه تر می کنند .

محافظت حین بتن ریزی

• قالب های عایق: استفاده از قالب های عایق بندی شده با فوم یا چوب، به جای قالب های فلزی، اتلاف حرارت را به حداقل می رساند.
• پناهگاه های موقت: ایجاد چادر یا پوشش های موقت در اطراف منطقه بتن ریزی و گرم کردن فضای زیر آن با بخاری های غیرمستقیم (هیترهای فن دار که گازهای احتراق را مستقیماً به بتن نرسانند).

مراقبت پس از بتن ریزی (Post-Placement Curing)

پس از ریختن،محافظت حرارتی باید تا زمانی که بتن به مقاومت حفاظتی ۳ .۵ مگاپاسکال برسد، ادامه یابد .

• پتوهای حرارتی و عایق ها: استفاده از پتوهای عایق حرارتی (Curing Blankets) یا پوشش های پلیمری برای جلوگیری از خروج گرمای هیدراتاسیون.
• حفظ رطوبت: در این مرحله باید مطمئن شد که رطوبت مورد نیاز برای هیدراتاسیون حفظ می شود. در این راستا، استفاده از مواد آب بندکننده های بتن در ترکیب مخلوط یا پوشش های کیورینگ می تواند به حفظ رطوبت در برابر خشک شدن سریع ناشی از گرمای خارجی کمک کند.

نظارت و کنترل کیفیت دما (QC)

پایش دما باید در فواصل زمانی منظم انجام شود.

• ثبت دمای بچ: دمای هر بچ (Batch) بتن در هنگام تحویل باید طبق ASTM C1064 ثبت و در سوابق QC نگهداری شود.
• نظارت بر دمای سطح و مغز بتن: در اعضای حجیم،ترموکوپل ها باید در نقاط مختلف نصب شوند تا از اختلاف دمای بیش از ۲۰ درجه سانتی گراد بین مرکز و سطح بتن جلوگیری شود.

افزودنی های مناسب بتن ریزی در سرما

استفاده از افزودنی های بتن در شرایط سرد است .

شتاب دهنده ها (Accelerators)

افزودنی های شتاب دهنده (معمولاً بر پایه نیتریت ها یا تری اتانول آمین) سرعت تشکیل محصولات هیدراتاسیون را افزایش می دهند. این کار باعث می شود بتن زودتر به مقاومت ۳.۵ مگاپاسکال دست یابد و از خطر یخ زدگی اولیه مصون بماند . مهم است که شتاب دهنده های فاقد کلرید (Non-Chloride Accelerators) استفاده شوند تا از خوردگی آرماتورها جلوگیری گردد.

ضدیخ بتن (Anti-Freeze Admixtures)

افزودنی های ضدیخ یا ضد انجماد، موادی هستند که نقطه انجماد آب را کاهش می دهند . با این حال،استفاده از آن ها در استانداردهایی مانند ACI اکیداً توصیه نمی شود و در صورت استفاده،باید با محاسبات و کنترل کیفی دقیق همراه باشد . بهترین راهکار برای بتن ریزی در هوای سرد، ایجاد گرما و محافظت فیزیکی است،نه تکیه صرف بر افزودنی های کاهنده نقطه انجماد.

افزودنی های بهبود دهنده کارایی (روان سازها)

در دمای پایین،احتمال نیاز به افزایش آب برای حفظ کارپذیری وجود دارد (به دلیل کندی هیدراتاسیون و کاهش دما). استفاده از فوق روان کننده های با عملکرد بالا ضروری است تا بدون افزایش نسبت آب به سیمان، کارپذیری لازم فراهم شود و از افت مقاومت جلوگیری گردد.

جدول جامع دماهای توصیه شده (ACI 306)

ردیف	نوع عملیات	دمای حداقل توصیه شده (°C)	دمای هدف عملیاتی (°C)	استاندارد مرجع
۱	دمای محیط (برای شروع تمهیدات)	≤ ۵ (متوسط روزانه)	–	ACI 306R
۲	دمای آب اختلاط (حداکثر)	۶۰	۸۰ (در شرایط بسیار سرد)	ACI 306R
۳	دمای بتن تازه در هنگام ریختن (عضو نازک < ۳۰۰ میلی متر)	۱۳	۱۵–۲۰	ACI 306R
۴	دمای بتن تازه در هنگام ریختن (عضو حجیم > ۱۸۰۰ میلی متر)	۵	۵–۱۰	ACI 306R
۵	دمای مراقبت (Curing)	باید بالاتر از ۵ بماند	۱۰–۲۰	ACI 306R
۶	دمای سطح بتن (حداکثر افت در اعضای حجیم)	نباید افت بیشتر از ۲۰°C باشد	–	ACI 306R

اشتباهات رایج در بتن ریزی در شرایط سرد

علی رغم وجود استانداردهای مشخص، برخی اشتباهات رایج می توانند پروژه را در معرض خطر قرار دهند:

1. عدم اندازه گیری دمای مخلوط: اعتماد به حس لامسه یا دمای هوای عمومی به جای استفاده از دماسنج های استاندارد (ASTM C1064).
2. استفاده از آب سرد: عدم پیش گرمایش آب،که عامل اصلی کاهش سریع دمای مخلوط است.
3. حذف پوشش محافظتی زودهنگام: برداشتن پتوهای عایق قبل از رسیدن بتن به مقاومت ۳ .۵ مگاپاسکال .
4. افزودن آب اضافی در محل پروژه: برای افزایش کارایی در دمای پایین،برخی پیمانکاران آب اضافه می کنند که نسبت آب به سیمان را افزایش داده و مقاومت نهایی را کاهش می دهد.
5. اعتماد صرف به ضدیخ: تکیه بر افزودنی های ضدیخ بدون رعایت اصول گرمایش و محافظت فیزیکی .

نمونه سناریوهای عملی (Case Study)

مدیریت دمایی در شرایط سرد باید متناسب با نوع عضو سازه ای باشد .

سناریو الف: بتن ریزی دال کف صنعتی در دمای ۰°C

دال های کف دارای ضخامت کم و نسبت سطح به حجم بالایی هستند، بنابراین به سرعت حرارت خود را از دست می دهند .

• راهکار: افزایش دمای بتن تازه تا حدود ۱۵ درجه سانتی گراد در هنگام اختلاط. استفاده از افزودنی های شتاب دهنده . پوشاندن کل سطح دال با پتوهای حرارتی یا عایق های دو لایه بلافاصله پس از پرداخت نهایی. حفظ این پوشش به مدت حداقل ۴۸ ساعت .

سناریو ب: بتن ریزی شالوده حجیم در دمای ۵°C

در اعضای حجیم، هدف اصلی جلوگیری از شیب حرارتی شدید است. در اینجا حداقل دمای بتن ریزی (۵ تا ۷ درجه سانتی گراد) می تواند پذیرفته شود، اما کنترل اختلاف دمای هسته و سطح حیاتی است .

• راهکار: استفاده از سیمان های با حرارت زایی کمتر (مانند سیمان نوع II یا پوزولانی) برای کاهش دمای هسته. پوشاندن سطوح جانبی قالب ها با عایق های با ضخامت کنترل شده برای کاهش سرعت اتلاف حرارت سطحی و در نتیجه کنترل شیب حرارتی (نباید از ۲۰ درجه سانتی گراد بیشتر شود).

جمع بندی

حداقل دمای بتن ریزی یک عامل تعیین کننده در تضمین دوام و عملکرد بلندمدت سازه در شرایط سرد است . مهندسان و پیمانکاران باید این موضوع را یک مسئولیت فنی تلقی کرده و از برنامه ریزی جامع حرارتی، پیش گرمایش مصالح و استفاده صحیح از افزودنی ها اطمینان حاصل کنند .

پیروی دقیق از الزامات ACI 306R و ASTM C1064،در کنار بهره گیری از دانش فنی و محصولات تخصصی،راهکار قطعی برای جلوگیری از پیامدهای مخرب یخ زدگی و افت مقاومت است.