بتن ریزی در هوای سرد

شرایط با آب و هوای سرد برای ساخت و ساز به عنوان دوره ای تعریف می شود که بیش از 3 روز متوالی است، و شرایط زیر وجود دارد:
میانگین دمای هوای روزانه کمتر از (°F40) است و دمای هوای °C10 (°F50) برای مدت 12 ساعت.
تحت این شرایط زمان گیرش و سرعت مقاومت کسب شده بتن به اندازه قابل ملاحظه ای تاخیر می یابد به علاوه، بسته به یکنواختی اختلاط، سرعت کاهنده هیدراتاسیون منجر به ورود آب کمتر به ذرات سیمان، ارتقاء آب انداختگی و جدایش می شود. زمان گیرش بتن تقریبا یک سوم برای هر °C6 است، افت دما (با فرض اینکه دمای محیط و بتن یکسان باشند) به °C4 (جدول 7-22)، افزایش می یابد. کندی گیرش پتانسیل برای یخ زدگی بتن قبل از گیرش اولیه را افزایش می دهد. وقتی که دمای بتن به °C2- سقوط می کند، آب آزاد در حفرات همانند، شروع به بلورین شدن می کنند. یخ بستن، حجم را تا %9 افزایش می بخشد که تولید تنش هایی می کند که موجب آسیب دیدگی هایی در بتن می شود. چون کندی گیرش منجر به رشد کم مقاومت می شود، تاخیری در برداشتن قالب ها، شمع ها به وجود می آید. این امر در نهایت موجب عدم توانایی برای سازگار شدن با جداول برنامه ریزی ساخت و ساز می شود.

بتن ریزی در هوای سرد

روش های سنتی استفاده شده برای بتن ریزی در هوای سرد شامل حرارت دهی به آب و سنگدانه ها، محصور کردن و حرارت دادن ناحیه ای است که در آن بتن باید بتن ریزی شود. کاربرد عایق حفاظتی، میزان سیمان بالاتر یا تیپ III بیشتر (مقاومت اولیه بالا) و کاربرد افزودنی های شیمیایی برای تسریع سرعت هیدراتاسیون، کاهش زمان گیرش و افزایش توسعه مقاومت سنین اولیه می باشد، اطمینان از توسعه مقاومت کافی برای برداشتن با امنیت قالب ها و شمع گذاری ها، کاهش پتانسیل برای ترک خوردگی حرارتی، و تامین عمل آوری و محافظت برای تضمین مقاومت و کارایی بتن برای خدمت پذیری مورد نظر سازه اتخاز می شود.
انتخاب یک گزینه یا گزینه های خاص توسط زمان گیرش مطلوب و نرخ توسعه مقاومت تعیین می شود. زمان تسریع یافته گیرش معمولا با افزایش حرارت هیدراتاسیون مخلوط بتن حاصل می شود. انتخاب افزودنی های شیمیایی مناسب تولید مخلوط های بتنی در هوای سرد را با گیرش تسریع یافته و خصوصیات توسعه مقاومت در سنین اولیه، مشابه با آنچه در مخلوط بتنی ساده در دمای محیطی معمولی بتن (°C22) ممکن می سازد. نسبت های مخلوط بتن معمولا همان هایی هستند که در طی دیگر زمان های سال استفاده می شود، با تغییراتی که عمدتا در انواع و دزهای مصرفی افزودنی های شیمیایی انجام می شود، با تغییراتی که عمدتا در انواع و دزهای مصرفی افزودنی های شیمیایی انجام می شود. بسته به نوع افزودنی مورد استفاده در هوای سرد در مخلوط های بتنی، ساخت و ساز سالانه با صرفه جویی های هزینه ای چشمگیر برای مالکان و پیمانکاران می تواند حاصل شود.

جدول 7-22- اثر دما روی زمان گیرش بتن

اگر چه به علت شرایط هوای بسیار سرد که طی زمستان مستولی می شود، فعالیت ساختمانی در کانادا، آمریکا و اسکاندیناوی به 9-8 ماه در سال محدود می شود، عدم رکورد استفاده از افزودنی های ضد یخ کاربرد آن را محدود ساخته است. کشورهایی همچون روسیه تجربه سه دهه ای در استفاده ا زاین افزودنی ها و تولید بتن در سراسر سال را دارند. افزودنی های تسریع کننده غیر کلریدی که محافظت علیه یخ زدگی در حالت شکل پذیر در دماهای محیطی پایین همچون °C7- را تامین می کنند هم اکنون جایگزینی اقتصادی برای بتن ریزی در هوای سرد در مقابل روش های حرارت دهی سنتی می باشند. در صفحات بعد، کاربرد افزودنی اختصاصی هوای سرد (CWA) در بازه دماهای فوق انجماد و زیر انجماد ارائه می گردد. بازدهی این افزودنی ها در پروژه های مذکور از کاربرد این افزودنی های تسریع کننده حمایت می نماید.
به منظور مقاومت در برابر آسیبی که تحت شرایط هوای سرد ناشی می شود، بتن باید یک مقاومت فشاری MPa5 را قبل از قرارگیری در شرایط انجماد و MPa 7/20 را پیش از قرارگیری در معرض چرخه های ذوب انجماد به دست بیاورد. بتنی که در موقع خدمت دهی در معرض چرخ ذوب انجماد است باید هوا داده گردد. درحالی که این هوا دادگی حفاظت برای بتن سخت شده را تامین می نماید، ضروری است که بتن شکل پذیر از یخ زدگی ممانعت کند. بنابراین توسعه مقاومت کافی و خصوصیات دوام تضمین می شود. در این باره، افزودنی های تسریع کننده می تواند به اندازه محسوسی سرعت هیدراتاسیون بتن با سیمان پرتلند را افزایش دهد، بنابراین نیاز برای برخی دیگر تدابیر هوای سرد را کم کند. افزودنی های مربوط به هوای سرد کنونی اغلب در دماهای یخ زدگی پایین استفاده می شود و انتظار می رود که سه نقش را برآورده کنند: نقطه انجماد آب در اختلاط را کم می کند؛ سرعت هیدراتاسیون را افزایش می دهد تا پایین آمدن واکنش هیدراتاسیون را همزمان با اینکه دمای عمل آوری به زیر °C10 می رسد را جبران کند؛ و میزان آب قابل انجماد موجود را با فراهم کردن کاهش آب مناسب کاهش می دهد، در نتیجه آسیب یخ زدگی را به حداقل می رساند. این نقش ها در قسمت زیر بررسی می شوند. 
افزودنی های اصلی تسریع کننده غیر کلریدی، غیر خورنده که در بازار در دسترس  هستند دو نوع می باشند: 1) افزودنی های تسریع کننده که هیدراتاسیون را تسریع می ک��د، اما نقطه انجماد آب را پایین نمی آورد؛ و 2) افزودنی های تسریع کننده برای استفاده در دماهای محیطی زیر انجماد که نقطه انجماد آب را پایین می آورد. مورد نخست حاوی نمک های فرمیت، نیترات ها و نیتریت ها می باشند و برای تسریع گیرش و توسعه مقاومت موثر هستند. با این وجود، بازدهی آنها وابسته به دمای محیطی در زمان بتن ریزی است. مورد دوم حاوی مولفه هایی است که نقطه انجماد آب و اجزاء تسریع کننده را پایین می آورد و متعلق به گروه افزودنی هایی است که به نام افزودنی های ضد یخ نامیده می شود. مواد شیمیایی مورد استفاده به عنوان افزودنی های ضد یخ شامل سدیم و کلسیم کلرید، پتائس، سدیم نیتریت، کلسیم نیتریت، اوره و سیستم های دوگانه همچون کلسیم نیتریت نیترات و کلسیم کلرید نیتریت نیترات می شود. با این وجود، تنها ظاهرا کلسیم نیتریت نیترات و کلسیم کلرید نیتریت نیترات به خصوص برای استفاده به عنوان افزودنی های ضد یخ تشکیل شده اند.
این مواد ساخت و ساز سالانه را تامین م یکنند و بیشتر فواید برای بتن ریزی در هوای سرد را ارائه می دهند. اگر چه کاربرد آنها در اغالب کشورهای غربی صنعتی اخیرا بیشتر شده، آنها به مدت 40 سال در روسیه در بتن حرارت ندیده در هوای محیطی یا دماهای زمینی کمتر از °C5 استفاده شده است، و در دماهای روزانه حداقل زیر °C0 و به پایین تر از °C30- هم استفاده شده است.

تسریع هیدراتاسیون و کم کردن نقطه انجماد آب اختلاط

فایده اصلی افزودنی های ضد یخ در بتن شکل پذیر، توانایی برای جلوگیری از تشکیل یخ قبل از گیرش است، در حالی که گیرش تسریع یافته و توسعه مقاومت در سنین اولیه را تامین می کند. مود فعال افزودنی های ضد یخ دو مرحله ای است: اولا، با پایین آوردن نقطه انجماد آب در بتن؛ و ثانیا، با تسریع چشمگیر هیدراتاسیون سیمان، مکانیسم تشکیل یخ در یک محلولنمک عادی می تواند برای به تصویر کشیدن چگونگی اینکه افزودنی های ضد یخ نقطه انجماد محلول را پایین می آورند، استفاده گردد. در طی سرد کردن یک محلول نمک معمولی، یخ شفافی تشکیل می شود که منجر به افزایش در غلظت محلول می شود. برای یک افزودنی ضد یخ نقطه انجماد تابعی از غلظت محلول است. هر چه غلظت محلول بالاتر باشد، نقطه انجماد پایین تر است. نقطه بحرانی همچنین وابسته به نوع افزودنی ضد یخ است؛ از همین رو است که تفاوت هایی در بازدهی داریم. جدول 7-23 خصوصیات نقطه بحرانی گزارش شده برای برخی افزودنی های ضد یخ را خلاصه وار می آورد.
به طور مشابه، در بتن شکل پذیر حضور کلسیم نامحلول، سدیم، پتاسیم و یون های سولفات اندکی نقطه انجماد آب منفذی را پایین می آورد، که همزمان با اینکه دمای بتن حدود °C2- است آغاز به بلورین شدن می کند. اضافه شدن ترکیب صحیح نمک ها همچون آنهایی که حاوی افزودنی های ضد یخ هستند می تواند دمایی که در آن تشکیل یخ آغاز می شود را بیشتر هم کاهش دهد.
یکی از تسریع کننده های غیر کلریدی پرکاربردتر از آمریکای شمالی، افزودن آب سرد چند مولفه ای با پایه سدیم تیوسیانات (CWA) می باشد که علی الظاهر در دماهای زیر، به خصوص در دماهای محیطی تا °C7- انجماد هم موثر است. داده های به دست آمده از مطالعات آزمایشگاهی حاکی از آن است که دما برای تشکیل یخ در آب منفذی مصنوعی حاوی CWA در غلظت جامد %4/47 برابر °C1/19- می باشد. محققان به این نتیجه رسیدند که برای محلول ذرات جامد %40 از CWA، تشکیل یخ می تواند به کمتر از °C7- جلوگیری گردد.

جدول 7-23- خصوصیات نقطه بحرانی برای برخی افزودنی های ضد یخ روسی

مکانیسم ثانوی که در آن مخلوط های ضد یخ عمل می کنند، عبارت از تسریع هیدراتانسیون سیمان است که از طریق آزمایش های کالری سنجی تایید شد. این داده ها (شکل 7-38) نشان می دهد که CWA زمان رسیدن به دماهای اوج را تا 10-8 ساعت تسریع کرد. همچنین گزارش شد که نسبت به سیمان ساده، پیمانه های کم و زیاد CWA مقادیر تولید شده را در دمای °C7- (°F20) به ترتیب تا 625 و %569 افزایش می دهد. این افزایش ها در حرارت ایجاد شده در مقایسه با تغییرات افزودنی بالا و پایین در °C7- به سیمان ساده در °C10 به ترتیب 132 و %120 بود.

شکل 2-38- داده هایآزمایش کالری سنجی برای سیمان اصلاح شده CWA هیدرات شده در °C6/7- و سیمان هیدرات شده در °C7-

اثر یک افزودنی تسریع کننده ی غیر کلریدی (NCAA) روی زمان اولیه گیرش در دمای محیط و بتن °C10 (°F50) در شکل 7-39 به تصویر کشیده شده است. یک مخلوط بتنی با فاکتور سیمان kg/m3250 (Ib/yd3420) که با NCAA اصلاح شده ایجاد زمان گیرش اولیه ای تقریبا مساوی با یک مخلوط بتنی ساده می کند که حاوی سیمان kg/m3310 (Ib/yd3520) باشد. 
دزهای مصرفی استفاده شده برای سدیم تیوسیانات با پایه CWA در بازه 325 تا 5860 میلی لیتر در kg100 (90 floz/cwt تا 5) قرار می گیرد. برای تسریع در هیدراتاسیون در دماهای فوق انجماد، دزهای مصرفی در بازه 325 تا ml3840 در kg100 (floz/cwt59 تا 5) توصیه می گردد. دزهای مصرفی بالاتر ml5860-3910 در kg100 (floz/cwt90- 60) برای بتن ریزی های در دماهای زیر انجماد استفاده می شوند. بنابراین محافظت در برابر یخ زدگی و تسریع هیدراتاسیون می تواند حاصل گردد. تحقیقات سابق نشان داده است که زمان گیرش بتنی که با CWA اصلاح شده، در دمای محیطی °C7- با زمان گیرش بتن ساده در دمای بتن و محیط °C7- (°F20) یخ بستند. دیگر CWA های ضد یخ مورد برسی قرار گرفته اند و آزمایشگاه مهندسی و تحقیقاتی مناطق سرد ارتش ایالات متحده آمریکا (CRREL) با دو تولید کننده افزودنی عمده در ایالات متحده برای توسعه دیگر افزودنی های ضد یخ برای کاربردهای تجاری در حال کار است.

شکل 7-39- از میزان سیمان موجود و یک افزودنی تسریع کننده ی غیر کلریدی (NCAA) روی زمان اولیه گیرش، در دماهای بتن و محیط °C10

کاهش آب قابل انجماد

مدت زمان محافظت لازم برای حفاظت بتن از آسیب یخ زدگی به تعدادی از فاکتورها بستگی خواهد داشت. یکی از فاکتورهای حیاتی درجه اشباع بتن تازه بتن ریخته شده و مدت زمان حالت اشباع است. تحت شرایط معمولی درجه اشباع هم با مصرف آب در فرآیند هیدراتاسیون، و تبخیر آب آزاد کاهش می یابد. در نتیجه، هر فاکتوری که موجب آسیب ناشی از یخ زدگی شود روی بتن ریزی در هوای سرد سودمند است. افزودنی های کاهنده آب معمولی و فوق روان کننده چنین فایده ای را دارند و این جنبه در قسمت زیر بررسی می شود.
تقریبا %70-65 آب موجود در یک اختلاط بتنی کارایی مورد نیاز برای عملیات بتن ریزی را تامین می نماید. چنین آبی معمولا در محدوده ی فیزیکی حضور دارد و آب آزاد حفرات را پر می کند. چنانچه شکل پذیری مورد نیاز با یک میزان آب خیلی کمتر هم بتواند به دست بیاید، آنگاه درجه اشباع وآسیب پذیری آن نسبت به تشکیل یخ در حالت پلاستیک و حمله یخ زدگی پایین می آید. کاهش آب %20-10 حاصل شده توسط کاهنده های آب و فوق روان کننده های سنتی به لحاظ آب منفذی چشمگیر است و در نتیجه مزیت در بتن ریزی در فصل زمستان دارد. به علت عمل خیس کنندگی، کاهنده های آب معمولی سرعتی که در آن آب با ذرات سیمان کنترل می شود را افزایش می دهد. فوق روان کننده ها مخصوصا برای نرم کنندگی بالای آنها مورد توجه هستند. در نتیجه، یک میزان مناسب از آب استفاده شده در اختلاط به سرعت به شکل فیزیکی در لایه های حول ذرات سیمان محدود می شوند و آب آزاد را به این ترتیب می کاهند. با این وجود باید توجه شود که افزودنی های کاهنده آب نوعا گیرش بتن را تسریع نخواهند کرد. در نتیجه برای کسب فایده حداکثر از آنها باید در ترکیب با یک افزودنی تسریع کننده به کاربرد یا یک افزودنی کاهنده آب یا تسریع کننده باید استفاده شود.
ترجیح بر این است که وقتی بتن در هوای سرد جای داده می شود تسریع کننده ها یا ضد یخ ها در ترکیب با عوامل هوازا و افزودنی های کاهنده آب استفاده شوند. این کار نه تنها مقدار آب قابل انجماد در اختلاط را کاهش می دهد بلکه عموما کمیت شد یخ ها و تسریع کننده های مورد نیاز برای به دست آوردن اثرات مطلوب را در قیاس با مقادیری که باید به هنگامی که از این مواد جداگانه استفاده یم شود، را می کاهد. به علاوه این ترکیبات در افزایش مقاومت بتن به مل یخ زدگی و به عوامل خورنده سودمند هستند.
مخلوط های بتنی در هوای سرد که به آنها افزودنی های تسریع کننده ضد یخ غیر کلریدی اضافه شده در تعدادی از پروژه ها به کار برده شده اند. همه مخلوط های بتنی توصیف شده در قسمت زیر با سدیم تیوسیانات با پایه CWA که پیش از این ذکر کردیم اصلاح شده بود. این پروژه ها اثر این افزودنی را روی مخلوط های بتنی معمولی حاوی خاکستر بادی کلاس C به تصویر می کشد، چون خاکستر بادی نوعا زمان گیرش را به تاخیر می اندازد و از همین رو نمی تواند گزینه ی منطقی برای بتن در هوای سرد باشد.

کف یخ زننده (فریزر)

این پروژه بتن ریزی در کف به اندازه m32/9 (yd312) برای یک یخ زننده (فریزر) در یک کارخانه تولید مواد غذایی روزانه در Arkanas, Little Rock ایالات متحده بود. اگر چه دمای محیط حدود °C25 بود. همانگونه که در جدول 7-24 نشان داده شده است، CWA د رپیمانه مصرفی Ml3910 در kg100 (floz/cwt60) استفاده شد و مقاومت طراحی در 28 روز به میزان 27 Mpa6 (Ibf/in24000) حاصل شد. این بتن تقریبا حاوی %23 وزن سیمان از خاکستر بادی کلاس C بود.

جدول 7-24- داده های عملکرد بتن: پروژه کف یخ زننده (فریزر)

جدول 7-25- داده های عملکرد بتن: پروژه پارکینگ

پارکینگ 

ساخت و سازی به مساحت m262710 و با حجم m330580 پارکینگ در Detroit، Michi-gan از ایالات متحده آمریکا است، که نیاز به تولید بتن قابل پمپاژ با کارایی بالا داشت. در سراسر سال صرف نظراز دمای محیط در مدت 4 ساعت گیرش خواهد یافت. علاوه بر این، بتن باید %75 از مقاومت مشخصه 25 روزه خود به میزان Mpa34 را در مدت سه روز توسعه ببخشد.
این الزامات با کاربرد CWA در ترکیب با نسل سوم کاهنده های آب رده بالا (HRWR) حاصل شد، چنانکه در جدول 7-25 هم نشان داده شده است. برای همخوانی با الزام 4 ساعتی گیرش، پیمانه مصرفی CWA همانطور که نشان داده شده است، تغییر داده شد.
CWAهای ضد یخ جایگزین های کارآمدی برای کارهای اجرایی سنتی در هوای سرد می باشند. کاهش در نیروی افراد و دیگر هزینه های مربوط به تدابیر بتن ریزی سرد سنتی در بخش بعدی بحث و بررسی می شوند.