مشخصات تولید بتن با دوام در محیط های سرد

مشخصات بتن و سنگدانه

نمونه مشخصات بتن مقاوم در برابر یخ زدن- ذوب شدن در آیین نامه اروپا که کلیات آن در مستندات مشخصات اولیه مربوط به بتن و سنگدانه ها ذکر شده، 1-206EN و 12620EN، ارائه گردیده است. در این آیین نامه، ساختار جامعی برای یکپارچه نمودن جنبه های ویژه یک روش پیشنهادی برای دوام، مشخص شده است. این جنبه ها شامل ضوابط کاربردی مربوط به مقاومت یخ زدن- ذوب شدن می باشد. مستندات مشخصات اولیه، در جایی که باید ضوابط ویژه ای در مشخصات سنگدانه های مقاوم در برابر یخ زدگی لحاظ گردد، راهنمایی هایی را در اختیار طراحان قرار می دهد.

آیین نامه ها در استاندارد 1-206EN

روش توصیه شده برای دوام در 1-206EN، اصل رده دوام مربوط به دیاکون و دوار را ارائه می نماید که توصیه های موجود در استانداردهای طراحی بتن مانند موارد منتشر شده در انگلستان ار دهه 1980 را تایید و پشتیبانی می نماید. این روش براساس این اصل استوار می باشد که رابطه مشخصی بین انتظار دوام و حداقل درجه بتن، حداقل میزان چسباننده و حداکثر نسبت آب به سیمان وجود دارد. رده بندی های شرایط محیطی براساس محدوده ای از مکانیزم های تخریبی استفاده می شوند و این رده بندی ها دارای تقسیمات کوچک تری نیز می باشند تا درجات متغیر شدت در هر رده اصلی، قابل جایدهی بوده و پوشش داده شوند.
زیررده های مربوط به حمله یخ زدن- ذوب شدن در جدول 8-3 ارائه شده اند. مقادیر محدود کننده توصیه شده برای ترکیبات و خصوصیات بتن در جدول F.1 استاندارد، ارائه شده اند که عموما در پیوست های ملی که به صورت محلی تعیین شده اند، موجود می باشد.

جدول 8-3- طبقه بندی رده ها و زیر رده های محیطی یخ زدن/ذوب شدن براساس EN 206-1

مقادیر محدود کننده توصیه شده براساس فرضیات زیر استوار می باشند:

• عمر کاری هدف 50 سال
  
• بتن ساخته شده با سیمان نوع CEMI
  
• حداکثر اندازه اسمی سنگدانه در محدوده mm20 تا mm23
  
• پوشش روی آرماتورها مطابق با حداقل الزامات استاندارد طراحی اروپا 1: 2004-1-1992EN

تحقیقات در زمینه نرخ تخریب بتن در بسیاری از موسسات در حال انجام می باشد تا الزامات بهتری برای عمر بهره برداری بیش از 50 سال ارائه گردد. اما در خصوص مقاومت یخ زدن- ذوب شدن، هایز و همکاران اظهار داشته اند که مقادیر محدود کننده برای عمر 100 سال باید مشابه عمر 50 سال باشد. ااین امر ناشی از وابستگی رویدادی این فرآیند و نیز این حقیقت می باشد که بتن مقاوم در برابر پدیده های یخ زدن- ذوب شدن در یک روند پیوسته، صرف نظر از سن آن باید با دوام باشد.
بخش 4 آیین نامه اروپا مربوط به دوام و پوشش روی آرماتورها می باشد. این آیین نامه از نظر رده های شرایط محیطی با 1-206EN دارای هماهنگی می باشد. با وجودی که جدول مقایسه ای مشخصی میان پوشش و مقاومت مشاهده نمی شود، ویژگی موجود در آیین نامه های قبلی، اما مفهوم در قالب مقادیر مختلف برای «رده های سازه ای» متفاوت، حفظ شده است. رده سازه ای پیشنهاد شده (عمر کاری طراحی 50 سال) عبارت است از «رده سازه ای S4» اما این جنبه در ارتباط با پدیده یخ زدن- ذوب شدن چندان دارای اهمیت نخواهد بود، چرا که مربوط به کیفیت ساختار حفره ای بتن می باشد که دوام در اقلیم های سرد را تعیین می نماید.
مجموعه چهار زیررده شرایط محیطی که در ارتباط با حمله یخ زدن- ذوب شدن متمایز شده اند، با نشانه های XF1، XF2، XF3 و XF4، براساس خمیری با دو درجه اشباع («متوسط» و «بالا») و حضور یا عدم حضور مواد یخ زدا یا آب دریا قرار دارد. هریسون تشریح نمود که منظور CEN از عبارات «اشباع متوسط» و «اشباع بالا» به ترتیب خطر آسیب متوسط و بالا می باشد. اما هابز و همکاران اظهار داشته است که تمایز موجود کاملا واضح نبوده و می تواند برمبنای تعداد کمتری از چرخه های یخ زدن- ذوب شدن سالیانه یا یک احتمال کمتر پدیده های یخ زدن- ذوب شدن در حالت اشباع، هنگام تفکیک رده های محیطی XF1 و XF2 از XF3 و XF4 قرار داشته باشد. کنترل توزیع حفرات و نفوذپذیری بتن به دو روش امکان پذیر می باشد. یک روش شامل پایین نگه داشتن مقدار آب آزاد است، به گونه ای که میزان انبساط خطر آفرین نشود. این کار از طریق به حداقل رساندن نفوذپذیری و حفرات بتن صورت می گیرد. روش دوم شامل افزایش حفرات بتن به صورتی کنترل شده از طریق مواد هوازا می باشد، به گونه ای که حفرات بتوانند به صورت دریچه های اطمینان عمل نموده و فضای لازم برای انبساط آب در حال یخ زدن را بدون ایجاد تنش در بتن، فراهم نمایند. در هر دو حالت، مقدار آب آزاد در بتن از طریق تعیین نسبت آب به سیمان نسبتا پایین، به حداقل می رسد. این شرایط، از وجود مقادیر اضافی آب اختلاط جلوگیری نموده و ورود آب از منابع خارجی در مدت بهره برداری را کاهش می دهد.
در رده بندی شرایط محیطی در 1-206EN، درجه اشباع و ��ضور منابع خارجی نمک حاصل از مواد یخ زدا و آب دریا/ف در نظر گرفته شده است ، حضور نمک، خطر آسیب ناشی از اثر زیان آور گرادیان غلظت مواد محلول را افزایش می دهد.
پیوست موجود در 1-206EN حدود شاخص برای حداکثر نسبت آب به سیمان، حداقل مقدار سیمان، حداقل رده مقاومتی، حداقل مقدار هوا (بجز برای رده XF1) و یک الزام برای سنگدانه های مقاوم در برابر یخ زدن- ذوب شدن برای هر یک از شرایط محیطی را مطابق جدول 8-4 ارائه می نماید. بیش از این نیاز به تاکید نیست که این مقدار تنها مقادیر مفید و کمکی براساس مقادیر متوسط دستورالعمل اروپا بوده و طراحان باید توصیه های مناسب مربوط به مقادیر محدودکننده در پیوست های ملی یا استانداردهای تکمیلی معتبر در محل استفاده از بتن را مورد توجه قرار دهند. مثلا پیوست تکمیلی 1-206EN الزامی را برای سنگدانه های مقاوم در برابر یخ زدن- ذوب شدن با توجه به توصیه های استاندارد سنگدانه هماهنگ، نشان می دهد. اتفاق نظر بر روی این الزام در پیوست های ملی و استانداردهای تکمیلی در ارتباط با رده شرایط محیطی XF1 به صورت آشکار وجود ندارد.

جدول 8-4- محدودیت های ترکیب- نمونه مفید گرفته شده از EN 206-1 

توجه: تعیین کنندگان باید به جدول ('xxx') F.1 در پیوست های ملی EN 206-1 رجوع کنند که 'xxx' نشان دهنده کد شناسایی ملی ثبت وسیله نقلیه برای محل استفاده بتن می باشد.

رده شرایط محیطی XF1 موارد بتن در معرض حمله شدید چرخه های یخ زدن- ذوب شدن در شرایط مرطوب و «اشباع متوسط با آب» را پوشش می دهد. نمونه هایی از این موارد عبارتند از سطوح قائم اعضای قرار گرفته در معرض باران و یخ زدگی.
رده شرایط محیطی XF2 بتن در معرض حمله شدید چرخه های یخ زدن- ذوب شدن در شرایط مرطوب و «اشباع متوسط با آب» در حضور مواد یخ زدا را پوشش می دهد. بنابراین نمونه های آن عبارتند از سطوح سازه های جاده ای قرار گرفته در معرض یخ زدگی و مواد یخ زدای جابجا شده توسط هوا. مقادیر رده XF2 در جدول موجود در پیوست F از 1-206EN، الزامات معمولی را که مشابه XF1 می باشد، شامل می شوند، با این تفاوت که شامل حداقل هوای 4 درصد می باشند و درنتیجه رده حداقل مقاومت پایین تر خواهد بود. رده حداقل مقاومت بالاتر همچنین می تواند معرف بتن دارای مواد هوازا باشد که از طریق آزمون عملکرد مشخص می گردد. تجربیات به دست آمده در برخی کشورها نشان می دهد که استفاده از مخلوط های بدون مواد هوازا با رده حداقل مقاومت 50/40C می تواند مقاومت کافی را فراهم نماید.
رده شرایط محیطی XF3، بتن در معرض حمله شدید چرخه های یخ زدن- ذوب شدن در شرایط مرطوب و «اشباع بالا با آب» را پوشش می دهد. نمونه هایی از بتن در این محیط عبارتند از سطوح افقی اعضای قرار گرفته در معرض باران و یخ زدگی.
رده شرایط محیطی XF4 موارد بتن در معرض حمله شدید چرخه های یخ زدن- ذوب شدن در شرایط مرطوب و «اشباع بالا با آب» در حضور مواد یخ زدا و آب دریا را پوشش می دهد. نمونه هایی از بتن پوشش داده شده توسط رده XF4 عبارتند از عرشه های پل، سطوح در معرض پاشش مایعات حاوی مواد یخ زدا، و سطوحی از سازه های دریایی که در ناحیه افت و خیز آب قرار دارند. برخی مشکلات ممکن است در رده بندی شرایط محیطی یک ضو در سازه های بزرگراه ها به عنوان رده XF2 یا XF4 پیش بیاید. اگر پیامدهای گسیختگی عمده باشد، از نظر امکان تعمیر یا تهدید ترافیک عبوری، شاید محافظه کارانه آن باشد که رده XF4 که شدیدترین رده است، انتخاب گردد.

آیین نامه ها در استاندارد 12620EN

تاریخچه رضایت بخش استفاده از یک نوع سنگدانه در شرایطی مشابه شرایط پیشنهادی، اغلب می تواند قابل قبول بودن استفاده ز آن سنگدانه را تایید نماید. در صورت عدم وجود این شرایط، استاندارد 12620EN شامل یک پیوست کمکی است که راهنمایی هایی را در خصوص بررسی و کنترل مقاومت در برابر یخ زدن- ذوب شدن یک نوع سنگدانه، شامل می شود. این استاندارد همچنین نمونه های احتمالی مصالح آسیب پذیر را معرفی می نماید که شامل موارد زیر می باشند: بازالت متخلخل تغییر یافته، گچ، مارل، شسیست میکا، فیلیت، سنگ چخماق متخلخل، شیست و ذرات سیمانی شده به صورت سست توسط کانی های رس. بررسی سنگ شناسی می تواند موارد نیازمند تحقیقات بیشتر توسط آزمایشات فیزیکی را مشخص نماید.
برخی راهنمایی ها درباره مقدار جذب آب به عنوان شاخصی از مقاومت در برابر یخ زدن- ذوب شدن ارائه شده است. باید توجه نمود که سنگدانه های با جذب آب کمتر از یک درصد، که مطابق استاندارد 6-1097EN تعیین می شوند، عموما مقاوم در نظر گرفته می شوند. در استاندارد مشخص شده است که برخی کانی ها با مقادیر جذب آب بالا نیز مقاوم می باشند.

جدول 8-5- راهنمای درجه مقاومت سنگدانه در برابر یخ زدن- ذوب شدن برای استفاده در آب و هوای خاص و استفاده های نهایی، گرفته شده از EN 12620

دوام احتمالی یک نوع سنگدانه در برابر یخ زدن- ذوب شدن می تواند توسط تولید کننده از طریق بیان مقدار سولفات منیزیم یا یخ زدن- ذوب شدن، MS یا F، مشخص گردد. راهنمایی کمکی درباره انتخاب یک نوع سنگدانه، در استاندارد 12620EN برای یک شرایط آب و هوایی به خصوص و استفاده نهایی از توصیه های جدول 8-5 ارائه شده است.

پیشرفت ها در مدل سازی دوام

دستیابی به بتن دوام در آینده ممکن است تا حد زیادی به استفاده از مدل های طراحی دوام و مشخصات عملکردی وابسته باشد. این مدل ها، مقاومت سازه، R(t)، را به «بار» مکانیزم تخریب، S(t)، مربوط می سازد. قیدهای طراحی می تواند به چند طریق مشخص گردد مانند «روش ضریب اطمینان طول عمر»، «طراحی دوره بهره برداری هدف» و «روش طراحی طول عمر» مثلا مسئله می تواند به صورت احتمالی مطرح شود:

(8-1)                                                     T=t_mean

P{R(t) – S(t) < 0}_T ≤ P_fmax

که این حالت منجر به عمر بهره برداری هدف (tg) می گردد که زمانی است که در آن احتمال قابل قبول گسیختگی (Pfmax) اتفاق می افتد.
خصوصیات مورد نیاز مصالح جهت دستیابی به این دوام با عملکرد قابل قبول، به عمر بهره برداری متوسط پیش بینی شده (tmean) بستگی دارد که عمر بهره برداری طراحی (td) خواهد بود. این پارامتر، مفهوم «ضریب اطمینان طول عمر» را معرفی می نماید که توسط رابطه زیر تعریف می شود:
(8-2)                                                                                                                td = yttg
راه حل های ریاضی مسئله طراحی دوام چندان آسان نیستند، زیرا اثر تعداد زیادی از متغیرهای موجود و توزیع های آماری آنها باید در نظر گرفته شود. مدلسازی ریاضی رفتار یخ زدن- ذوب شدن هنوز به طور کامل انجام نشده است. بنابراین، طراحی دوام برای بتن مقاوم در برابر یخ زدن- ذوب شدن از طریق استفاده از مدل های ریاضی در پیش بینی عمر بهره برداری در حال حاضر امکان پذیر نمی باشد. با این وجود، سه آزمایش مقایسه ای برای عملکرد یخ زدن- ذوب شدن که در 9-12390 CEN/TS ارائه شده است، مسیر را برای معرفی روش های طراحی براساس ملکرد با توجه به دوام، هموار نموده است.
فرمول بندی مدل های ریاضی صحیح برای پدیده یخ زدن- ذوب شدن به دلیل الکوی غیرقابل پیش بینی چرخه های صدمه زننده و نیز دشواری بررسی اثر مشخص پارامترهای مخلوط در آزمایشات آزمایشگاهی با تجربه عمر بهره برداری سازه های در حال بهره برداری، پیچیده می باشد. کاهش دوام مربوط به یخ زدن- ذوب شدن، همانگونه که در شکل 8-15 نشان داده شده است، وابسته به مورد بوده و از یک الگوی وابسته به زمان قابل پیش بینی پیروی نمی کند.

شکل 8-15- نمونه ای از تاریخچه های بهره برداری ممکن برای بتن در آب و هوای سرد

میزان آسیب در هر چرخه می تواند بسیار متغیر باشد، نرخ آسیب بسته به شرایط آب و هوایی از سالی به سال دیگر تغییر خواهد نمود و دوره استراحت بین سری چرخه ها می تواند تا حد زیادی تغییر نماید. روش های آزمایش آزمایشگاهی عموما با چرخه های روزانه در محدوده C°20+ تا C°20- انجام می شوند، اما عملکرد در این آزمایشات به سادگی قابل انتقال به تجربه میدانی نخواهد بود که علت آن تاثیر دما و درجه اشباع می باشد. با این وجود، فاگرلاند طرح کلی روش های ممکن برای طراحی دوام براساس درجه اشباع را ارائه نموده است. اساس این مدل ها برشکست بتن در یک درجه اشباع بحرانی استوار می باشد.

ضریب فاصله بحرانی

درجه اشباع بحرانی تابعی از ماهیت مصالح بوده و در نتیجه تابعی است از فاصله میان یک محل در حال یخ زدن و نزدیک ترین فضای پرشده از هوا. در مدت یخ زدن، فشارهای انبساطی و تنش های صدمه زننده در خمیر بتن، با افزایش فاصله میان محل در حال یخ زدن و نزدیک ترین فضای پرشده از هوا، افزایش می یابند. بنابراین می توان فرض نمود که یک فاصله بحرانی، DCR، در آسیب ناشی از یخ زدن- ذوب شدن، وجود درد. از نظر علمی ،این فاصله معادل است با ضخیم ترین ناحیه ممکن خمیر سیمان اشباع از آب به دور یک حفره پرشده از هوا، این فاصله معادل است با ضخیم ترین ناحیه ممکن خمیر سیمان اشباع از آب به دور یک حفره پرشده از هوا، مانند یک کره، که می تواند پیش از آغاز ایجاد ریزترک های مخرب، وجود داشته باشد. این موضوع منجر به شکل گیری مفهوم ضریب فاصله بحرانی می گردد که با LCR نشان داده می شود. این دو پارامتر از طریق معادله زیر به یکدیگر مربوط می شوند:
(8-3)

D_CR = 2L_CR [〖2aL〗__CR/9+1] 

که a عبارت است از سطح مخصوص حفره بسته پر از هوا

پاورز این پدیده را مورد بررسی قرار داد و رابطه ای را برای ضریب فاصله (شکل 8-6 را نیز ملاحظه نمایید) با توجه به قانون دارسی برای جریان آب در میان اجسان متخلخل، ارائه نمود:
(8-4)

  KT/UR = (3L³_CR)/2 +(L³_CR)/r_b 

که

LCR= ضخامت ناحیه بحرانی به دور حفره هوا
rb= شعاع حفره هوا
K= ضریب نفوذپذیری خمیر سیمان
T= مقاومت کششی خمیر ملات سیمان
U= مقدار آبی که به ازای افت واحد دما یخ می زند
R= نرخ یخ زدن

ضریب فاصله، L، برای سیستمی از حفرات کروی در خمیر یک ماده می تواند از معادله پاورز تعیین گردد که به صورت زیر بیان می شود:

(8-5)

[^1.3 (V_p/a+1)^1.4-1] L = 3/a

و بنابراین

(8-6)

a = V_p/(0.364〖 [(L ∝)/3+1 ]〗^3-1 )

که

a= سطح مخصوص بخش مورد نظر از سیستم حفرات هوا
a= حجم این بخش از سیستم حفرات هوا
Vp= حجم مصالح بدون حجم حفرات

معادله فوق با در نظر گرفتن این موضوع که حفرات هوا کاملا خشک نیستند، تغییر می نماید. بنابراین، مقدار هوای مورد نیاز (a0) به صورت زیر می باشد:

(8-7)

  a__b + a__CR + a_w  = a₀

که

aw= حجم حفره هوای پرشده از آب
aCR= حجم حفره هوای لازم برای جلوگیری از بیشتر شدن LCR هنگامی که aw به اندازه کافی رسیده است.
ab= حاشیه اطمینان.

بنابراین، حداقل مقدار هوای لازم برابر است با:

(8-8)

 a_CR + a_w  =  (a_0min )

که مقدار aw می تواند از فرمول زیر تعیین گردد:

(8-9)

 (a_0min )a_w  = S_a 

که Sa درجه پر شدن سیستم حفرات هوا از آب می باشد و

(8-10)

a_CR  = v_P/(0.364 [(L__CR 〖^aD〗_CR  )/3+1 ]^3-1 ) 

سپس حاشیه اطمینان ab می تواند در سطحی که مشخص کننده عمر بهره برداری مورد نیاز باشد، افزوده گردد.
به صورت آزمایشگاهی مشخص شده است که ضخامت بحرانی متوسط (DCR) برای یخ زدن- ذوب شدن در آب خالص برابر mm2/1 و در محلول NaCl 3% برابر mm8/1 می باشد. این مقادیر بافرض یک سطح مخصوص (a) برابر mm-115، ضرایب فاصله بحرانی (LCR) را به ترتیب برابر mm40/0 و mm54/0 به دست می دهند. مقادیر بیان شده برای نسبت های آب به سیمان بیشتر از 45/0 معتبر می باشند.

بتن توانمند

حد اشباع بحرانی

روشی به عنوان جایگزین روش توصیف شده در زیر مقالات قبلی وجود دارد که می تواند برای تعیین عمر بهره برداری احتمالی براساس یک مدل درجه اشباع موئینه به صورت تابعی از زمان مکش، مورد استفاده قرار گیرد. عمر بهره برداری همچنین تابعی است از رطوبت و محیط. صعود آب موئینه و جذب آب بلندمدت در سیستم حفرات هوا، موضوعات قابل توجهی بوده و توسط یک رابطه زمانی مدلسازی می شوند.
عمر بهره برداری (tp) توسط حد اشباع بحرانی (SCR) توصیف می شود که خود با درجه اشباع موئینه (SCAP) مرتبط می باشد. بنابراین:

(8-11)

S_CR = S_CAP(t_p)

و

(8-12)

=S_CAP(t) = (δt)^E a_0 + 〖Ca〗_0^D [ε_0  [1/4] 

که

𝜀= تخلخل کل
 ε_0= تخلخل صرفا مربوط به حفرات هوا
C, D, E= ثابت ها
a0= سطح مخصوص سیستم حفرات هوا
a0= مقدار هوای کل
δ= انتشار هوای محلول

این روابط که می توانند برای بررسی عمر بهره برداری احتمالی در وضعیت های بخصوصی استفاده شوند، اساس مدل های قدرتمندی را تشکیل می دهند که می توانند در طراحی دوام و تعیین مشخصات براساس عملکرد، مورد استفاده قرار گیرند. در صورت لزوم، متغیرهای دیگری نیز می توانند جهت در نظر گرفتن اندرکنش ها، افزوده شوند. پس از آن، داده های آماری را می توان برای بهبود مدل ها استفاده نموده و درک عمیق تری از آثار این پدیده دوام در دوره ای از تغییرات آب و هوایی کلی را به دست آورد.

پرطرفدارترین مطالب کلینیک بتن ایران را از دست ندهید!
اسپیسر بتن چیست
روش های نوین آب بندی بتن و اعضای بتنی
استفاده از فوم بتن ( concrete foamed ) چه مزایایی دارد ؟

نکات

دوام بتن در معرض شرایط محیطی که نسبت به چرخه های یخ زدن- ذوب شدن آسیب پذیر می باشد، یک مسئله چندوجهی است. اقلیم های خشن در بسیاری از مناطق جهان یافت می شوند و دستورالعمل های محلی و روش های آزمایش براساس تجربیات بسیاری از این پدیده قرار دارند. این موضوع دوام به طور فعال در حال تحقیق و بررسی بوده و آموزه های به دست آمده از تاریخچه های عمر بهره برداری، چه خوب و چه بد، در حال مستندسازی می باشد.
تحقیقات بیشتری درباره مدلسازی ریاضی این پدیده و نیز درباره موضوعات مربوط به مصالح مانند اندرکنش افزودنی های هوازا و مصالح سیمانی ثانویه، مورد نیاز می باشد. شاغلین اغلب می توانند به کار پیجن و پلو با عنوان «دوام بتن در اب و هوای سرد» مراجعه نموده و مقالات ارائه شده توسط کمیته تخصصی RILEM، TC117، که توسط مارچند و همکاران تدوین شده است، می تواند الهام بخش تلاش های محققین در این زمینه باشد.