بتن و بهينه سازي

بتن سبک (فوم بتن)

فوم بتن پوششی است جدید جهت مصارف مختلف در ساختمان كه به علت خواص فیزیكی منحصر به فرد خود بتنی سبك و عایق با مقاومت لازم و كیفیت مطلوب نسبت به نوع استفاده از آن ارایه میدهد. این پوشش از تركیب سیمان، ماسه بادی (ماسه نرم)، آب و فوم ( ماده شیمیایی تولید كننده كف ) تشكیل می شود.
ماده كف زا در ضمن اختلاط با آب در دستگاه مخصوص , با سرعت زیادی، حباب های هوا را تولید و تثبیت نموده و كف حاصل كه كاملا پایدار می باشد در ضمن اختلاط با ملات سیمان و ماسه بادی در دستگاه مخلوط كن ویژه، خمیری روان تشکیل می دهد كه به صورت درجا با در قالب های فلزی یا پلاستیكی قابل استفاده می باشد. این خمیر پس از خشك شدن با توجه به درصد سیمان و ماسه بادی دارای وزن فضایی از 300 الی 1600 كیلو گرم در متر مربع خواهد بود.

ویژگی های عمده فوم بتن

۱- عامل اقتصادی : سبكی وزن با مقاومت مطلوب فوم بتن یا توجه به نوع كاربرد آن , بطور كلی به لحاظ اقتصادی مخارج ساختمان را میزان قابل ملاحظه ای كاهش می دهد چون در نتیجه استفاده از آن , وزن اسكلت فلزی و دیوار ها و سقف كاهش یافته و ضمناً باعث كاهش مخارج فونداسیون و پی در ساختمان می گردد كه با توجه به خواص فوق، با سبك تر بودن ساختمان، نیروی زلزله خسارات كمتری را در صورت وقوع متوجه آن می سازد.
۲- سهولت در حمل و نقل و نصب قطعات پیش ساخته : حمل و نقل قطعات پیش ساخته : حمل و نقل قطعات پیش ساخته با فوم بتن هزینه كمتری را نسبت به قطعات بتنی دربرداشته و نصب قطعات بعلت سبكی آنها. بسیار آسان می باشد، هر گونه نازك كاری به راحتی روی پوشش فوم بتن قابل اجراست و ضمناً چسبندگی قابل توجهی با سیمان و گچ دارد.
۳- خواص فوق العاده عایق بودن در مقابل گرما , سرما و صدا : فوم بتن به علت پایین بودن وزن مخصوص آن یك عایق موثر در مقابل گرما , سرما و صداست. ضریب انتقال حرارتی فوم بتن ( طبق جدول شماره 3 ) بین 65 0/0 تا 435/0می باشد ( ضریب هدایت حرارتی یتن معمولی بین 3/1 تا 7/1 می باشد ) استفاده از فوم بتن بعنوان عایق باعث صرفه جویی در استفاده از وسایل گرمازا و سرمازا می گردد. فوم بتن عایق مناسبی جهت صدا با ضریب زیاد جذب آکوستیك به سمار می رود كه در نتیجه بعنوان یك فاكتور رفاهی در جهت جلوگیری از ورود صداهای اضافی اخیرا مورد توجه طراحان قرا كرفته است.
۴- خصوصیات عالی در مقابل یخ زدگی و فرسایش ناشی از آن و مقاومت در برابر نفوذ رطوبت و آب : نظر به اینكه فوم بتن در قشرهای سطحی دارای تخلخل فراوان می باشد در نتیجه شكاف های مویین و و درزهای كمتری در سطح ایجاد می شود و اگر پوشش فوم بتن با ضخامت كافی مورد استفاده قرار گیرد در مقابل خطر نفوذ باران و رطوبت مقاومت مطلوبی خواهد داشت.
۵- مقاومت فوق العاده در مقابل آتش : مقاومت فوم بتن در مقابل آتش فوق العاده می باشد.
به طور مثال قطعه ای از نوع فوم بتن با وزن فضایی 700 الی 800 كیلو گرم در متر مكعب كه حداقل 8 سانتی متر ضخامت داشته با شد به راحتی تا 1270 درجه سانتی گراد را تحمل می نماید و اصولا در وزن های پایین غیر قابل احتراق است.
۶- قابل برش بودن : به دلیل قابل برش بودن با اره نجاری و میخ پذیر بودن آن. كارهای سیم كشی و نصب لوازم برقی و تاسیسات خیلی سریع و به راحتی قابل عمل خواهد بود.

كاربرد فوم بتن در ساختمان

۱- شیب بندی پشت بام : فوم بتن با صرفه ترین و محكم ترین مصالح سبكی است كه می توان از آن برای پوشش شیب بندی استفاده نمود . نظر به اینكه با دستگاه مخصوص به صورت بتن یكپارچه در محل قابل تهیه و استفاده است می توان مستقیماً روی آن را عایق بندی یا ایزولاسیون نمود.
۲- كف بندی طبقات : به دلیل سبكی وزن فوم بتن و آسان بودن تهیه آن. می توان تمامی كف طبقات. محوطه و بالكن ساختمان را بعد از اتمام كارهای تاسیساتی با آن پوشانده و بلافاصله عملیات بعدی را مستقیماً روی آن انجام داد.
۳- بلوك های غیر بار بر سبك : با بلوك های تو پر به ابعاد دلخواه می توان تمامی كار تیغه بندی قسمت های جدا كننده ساختمان را با استفاده از ملات یا چسب بتن انجام داد. با این نوع بلوك ها علاوه بر اینكه از سنگین كردن ساختمان جلوگیری می شود عملیات حمل و نصب خیلی سریع انجام می گیرد و دست مزد كمتری هزینه می شود. پس از اجرای دیوار می توان مستقیما روی آن را گچ نمود. این بلوك ها دارای وزن فضایی بین 800 الی 1100 كیلو گرم می باشند.
۴- پانل های جدا كننده یكپارچه و نرده های حصاری جهت محوطه و كاربری در موارد خاص : جهت ساخت دیوارهای سردخانه ها. گرم خانه ها و سالن های ضد صدا می توان در محل با قالب بندی. فوم بتن را به صورت یك پارچه عمودی ریخت. به دلیل ویژگی عمده عایق بودن این نوع بتن. جهت عیق بندی سردخانه ها. گرم خانه ها. پوشش لوله های حرارتی و برودتی و...... كاربرد مهمی دارد. ضمنا به دلیل اینكه عایق صدا می باشد برای موتورخانه ها و اتاق های آكوستیك مورد استفاده وسیع قرار می گیرد.

بهینه‌سازی اختلاط بتن با استفاده از روش‌های طراحی آماری

به زبانی ساده بتن مخلوطی از آب، سیمان پرتلند، مصالح سنگی ریزدانه و درشت‌دانه می‌باشد. اجزاء اضافی مانند ترکیب شیمیائی (مواد هوازا، فوق‌روان‌کننده‌ها و...) و ترکیبات معدنی (ماسه بادی، گردسیلیس، سرباره و...) ممکن است برای بهبود خواص مشخصی از بتن تازه یا سخت‌شده به مخلوط اصلی اضافه شوند. به‌تنهائی با کارائی بالا که ممکن است چندین معیار کارائی را هم‌زمان ایجاب نمایند (مانند مقاومت فشاری، مدول الاستیسیته، دوام و...) نوعاً شامل حداقل شش جزء می‌باشند.
برای بتن‌های متعارف، مؤسسه بتن آمریکا (ACI)، در راهنمائی که برای نسبت‌های اختلاط منتشر نموده تنها روشی را برای تهیه یک مخلوط ارائه کرده و روندی برای پیداکردن نسبت‌هائی که هم‌زمان تعدادی از معیارهای کارائی را ایجاب نمایند عرضه ننموده. راهنمای اخیر ACI برای تهیه بتن با مقاومت بالا شامل ماسه بادی نیز روشی را برای بهینه‌کردن مخلوط‌ها ارائه نمی‌ دهد.

بهينه سازي بتن با ويبراسيون

فركانس ويبراتور، كليدي است كه ما را قادر مي نمايد بتن تازه را به بتني يكپارچه تبديل نمائيم. در صورتيكه فركانس ويبراتور خيلي كم باشد، ويبراتور به درستي نمي تواند بتن را يكدست و يكپارچه نمايد و چنانچه فركانس ويبراتور خيلي زياد باشد، به علت ازدياد هواي داخل بتن، مقاومت آن در برابر خرابيهاي ناشي از سيكلهاي انجماد و ذوب شدن قابل ملاحظه اي پيدا مي كند. اپراتورها و كارگران نيز تحت تأثير فركانس ويبراتور قرار مي گيرند، چرا كه كاهش فركانس، مدت زماني كه اپراتور بايستي ويبراتور را در بتن تازه به منظور دست يابي به بتني يكپارچه و يكدست قرار دهد، افزايش پيدامي يابد. به دلايل فوق الذكر، تصميم بر آن شد كه يك بازنگري دقيق در ارزيابي فركانس ويبراتور در عملكرد قالبهاي خود ويبره، ويبراتورهاي دستي و ويبراتورهاي نصب شده بر روي قالبهاي رونده مخصوص ساخت پياده روها و كف خيابانهاي بتني (slip form pavers) صورت پذيرد.
چرا ما به دنبال فركانسهاي بالاتر هستيم؟ مقـدار انـرژي مورد نيـازي كه بايستي بـه منظـور يكپـارچه سازي بتن بـه كار گرفته شود. بـرأي كسي كه بـه صورت دستي اقدام بـه متـراكم سازي بتن تـازه نموده، معلوم و مشخص مي باشد. نيرو و عملكرد ويبراتورها به مراتب از سايـر وسايل دستي متراكم سازي بتن، مؤثـر مي باشد. زيـرا در مدت زمان كوتـاهتري بـه كمك ويبراتورها، انرژي بيشتري به بتن منتقل مي شود. مقدار انرژي منتقل شده به وسيله ويبراتور، با توان سوم فركانس ويبراتور (f3) نسبت مستقيم دارد. در صورتي كه تمام پارامترهاي مربوط به ويبراتور و بتن را ثابت نگه داريم، با افزايش فركانس ويبراتور از 6000 لرزه در دقيقه (vpm ) به vpm 7500، مقدار انرژي انتقالي به بتن در مدت زمان معين، دو برابر خواهد شد. مقدار انرژي خروجي از vpm 7500 به vpm 9500 نيز دو برابر مي گردد
يك انتخاب صحيح در فركانس بالاتر ويبراتور، مي تواند به يكپارچه سازي هرچه مؤثرتر بتن و كاهش مدت زمان ويبره بيانجامد و البته انتخاب نادرست نيز، نتايج معكوس را به دنبال خواهد داشت؛ به تعبير ديگري، انتخاب نادرست فركانس پايين ويبراتور، منجر به يكپارچه سازي ناقص و معين بتن شده و يا مدت زمان بيشتري را برأي ويبره نمودن طلب مي كند. در صورتي كه ولتاژ وروردي كم باشد، نيروي خروجي نيز كم خواهد بود و اين به معناي تراكم ناقص و نامناسب بتن مي باشد. كاهش فركانس از vpm 8000 به vpm 6500 (حدود 20 درصد كاهش) انرژي خروجي را نصف مي نمايد. اين كاهش انرژي خروجي ويبراتور را مي توان با افزايش مدت زمان ويبره به دو برابر مدت زمان اوليه و كم كردن فواصل جاگذاري شلنگ ويبره در بتن جبران نمود. در حال حاضر ويبراتورهايي كه با فركانس حدود vpm 17000 در دسترس مي باشند كه امكان يكپارچه سازي هرچه سريعتر و بهتر بتن را در مدت زمان معين فراهم مي آورند. فركانس ويبراتور بر اساس لرزش آن در هوا تعيين مي گردد؛ اما فركانس كه هنگام ادخال ويبره در بتن و در تماس با بتن اندازه گيري مي گردد، معيار سنجش مي باشد و اين فركانس به طور قابل ملاحظه اي از فركانس اندازه گيري شده در هوا كمتر بوده و مقدار اين افت به مشخصات مخلوط بتني و حجم آن بستگي دارد. كاهش 20 درصدي فركانس ويبره از هوا به داخل بتن دور از انتظار و غير معمول نبوده و به روشني افت فركانس ويبراتور در هنگام ادخال ويبره به بتن به وسيله اپراتور ملموس و شنيدني است. آيا مرز و محدوديتي برأي ويبره هاي با فركانس زياد وجود دارد؟ ويبراتورهاي فركانس بالا، به طور مؤثري مي توانند هوا را از بتن خارج نمايند و اين موضوع به تراكم هرچه بهتر بتن مي انجامد، ليكن ممكن است به كاهش مقاومت بتن در برابر خرابيهاي ناشي از سيكلهاي متوالي انجماد و ذوب نيز بيانجامد. ويبراتورها به دو طريق هوا را از بتن خارج مي نمايند؛ و اندازه حبابهاي هوا و حجم هواي خارج شونده از بتن تازه به پارامترهايي از جمله فركانس ويبراتور وابسته مي باشد. در وهله اول، ويبره با فركانس مناسب، منجر به رواني بتن پلاستيك شده اجازه حركت حبابهاي هوا در كليه اندازه ها را به سمت سطح بتن فراهم مي سازد. از آنجائيكه حبابهاي بزرگتر سريعتر از حبابهاي كوچكتر خود را به سطح بتن مي رسانند، لذا حجم بزرگتري از هواي محبوس در همان مدت كوتاه اوليه ويبره، از بتن خارج مي گردد. در مرحله دوم، ويبراتور در بتن تازه، متناوباً بتن محصور را فشرده و غيرفشرده (compress & decompress) نموده و كليه حبابهاي هوا نيز بر اثر فركانس و لرزش ويبراتور منقبض و منبسط مي شوند. لازم به ذكر است بر اثر پديده هاي فوق الذكر ساختارهاي ترد و لاستيك مانند حبابهاي هوا دچار گسيختگي و انفجار مي شوند. اين گسيختگي در صورتي اتفاق مي افتد كه فركانس نيروهاي انقباضي و انبساطي وارده بر حبابها، با فركانس طبيعي آنها (حبابها) برابر شده و پديده رزونانسي (تشديد) به وقوع بپيوندد. جاي توجه دارد كه حبابهاي بزرگتر، فركانس طبيعي پايين تري داشته، از اين حبابهاي مذكور تردتر و شكننده تر بوده و در طي فرآيند ويبراسيون دچار از هم پاشيدگي مي شوند. فركانس روزنانسي حبابها در آب با اندازه آنها نسبت معكوس دارد. بر اساس تجربيات ساليان متمادي با ويبراتورهاي به فركانس vpm 3000 تا vpm 6000، انتظار مي رود در اين محدوده فركانسي تنها حبابهاي بزرگتر و مبحوس (entrapped) از بتن خارج شده و حبابهاي كوچكتر بدون تحريك شديد، سالم در بتن باقي بماند. با بالا رفتن فركانس ويبراتورها، عملكرد آنها در خارج كردن حبابهاي كوچكتر از بتن نيز به مراتب بهتر و مؤثرتر مي گردد.
فركانس بالاتر در ويبراتورها، منجر به كاهش مقدار هواي موجود در بتن و همچنين كاهش مقاومت بتن در برابر خرابيهاي ناشي از سيكلهاي انجماد و ذوب مي گردد. اندازه حبابهاي هوا در ارتباط با مقاومت بتن در برابر سيكلهاي انجماد و ذوب به همان اندازه از اهميت برخوردار است كه مقدار هواي موجود در بتن مهم مي باشد. بنابراين در صورت ابقاء حبابهاي كوچك در بتن، كاهش در حجم هواي موجود در بتن لزوماً منجر به كاهش دوام بتن نمي گردد.
چنانچه تراكم بتن بدون هوا مدنظر بوده و حفاظت در برابر سيكلهاي انجماد و ذوب حائز اهميت نباشد، خارج نمودن كليه حبابهاي هوا در تمام اندازه ها از بتن منجر به افزايش مقاومت بتن سخت شده و بالا رفتن دانسيته آن مي گردد، اما در صورتي كه تراكم بتن هوادار مد نظر باشد، فقدان حباب هوا، خصوصاً حبابهاي كوچكتر در بتن، مقاومت در برابر سيكلهاي انجماد و ذوب را شديداً كاهش مي دهد.
فركانس بهينه ويبراتورها پس از بحث هاي صورت گرفته در قسمتهاي قبل، حال جاي اين سؤال است كه فركانس بهينه ويبراتور به منظور تراكم سازي حداكثر بتن و رسيدن به بيشترين مقاومت در برابر خرابيهاي ناشي از سيكلهاي انجماد و ذوب چه مقدار است؟ پاسخ سؤال مذكور منوط به موارد مندرج در ذيل مي باشد: نخست، اين سؤال از جانب چه كسي مطرح گريده است؟ دوم، تجهيزات ويبره بتن داراي چه مشخصاتي است و تركيب مخلوط بتني چگونه است؟ سوم، مشخصات فني بتن را چه كسي تهيه نموده است؟ برخي، در جدول مشخصات فني، فركانس را به vpm 5000 تا vpm 8000 محدود نموده اند، برخي ديگر نيز فركانس را به vpm 8000 تا vpm 10000 منحصر كرده اند. اما آنچه كه بايستي در صورت عدم وجود فركانس معين در مشخصات فني در نظر داشت اين است كه انرژي خروجي در فركانس vpm 10000 دو برابر انرژي خروجي در vpm 8000 بوده و نيروي خروجي در vpm 8000 چهار برابر نيروي خروجي در vpm 5000 مي باشد. مقادير فوق الذكر مشروط به ثابت بودن كليه پارامترها و فاكتورها به غير از فركانس (متغير مستقل) ويبراتور است.
پر واضح است كه مخلوط هاي مختلف بتني، عكس العملها و بازتابهاي متفاوتي در برابر ويبراسيون از خود نشان مي دهند، نسبتهاي اختلاط و دانه بندي سنگدانه هاي مصرفي در بتن، بيشترين تأثير را در مقايسه با خمير سيمان و يا مقدار آب بر روي ويبراسيون بتن و فركانس مورد نياز دارند. پايداري حبابهاي هوا نيز خودشان به فاكتورهايي از قبيل شيمي سيمان و آب، نوع مخلوط و ميزان آب و سيمان مصرفي در ساختار بتن، دانه بندي سنگدانه ها و دماي بتن وابسته هستند؛ مخلوط هاي بتني با حبايهاي ريز (fine 0 air – void) در مقايسه با مخلوط هاي بتني با حبابهاي درشت (coarse – air – void) به فركانسهاي بالاتري جهت ويبراسيون احتياج دارند. نوع، اندازه، وزن دامنه نوسان و مدت زمان ويبره يك دستگاه ويبراتور همگي در تعيين فركانس بهينه برأي مخلوط بتني در يك سايت خاص به همراه ماشين آلات ويژه مصرفي در آن سايت، تأثيرگذار مي باشند. اما آنچه كه حائز اهميت است، اين است كه نتيجه بحث يك پاسخ عمومي و يا يك فركانس معين نمي باشد، بلكه احتياج واقعي اين است كه يك مخلوط معين بتني در مقابل تجهيزات خاص به كار گرفته شده در ارتباط با آن، چه عكس العملي نشان داده و يا به عبارت ديگر با چگونه تركيبي از تجهيزات و مواد مي توان به مقاومت، دانسيته و دوام مورد نياز بتن دست يافت.
در حال حاضر، اطلاعات مربوط به تأثيرات فركانس ويبراتور بر روي عملكرد بتن تا حدودي پراكنده مي باشد. بيشترين اين آمارها و داده ها، نتيجه حل مسائل و مشكلات كارگاههاي مختلف بوده است؛ ليكن از هم اكنون، توجه خاصي به ثبت و درج مشخصات آماري فركانس ويبراتورها و جمع آوري اطلاعات مربوط به اينگونه تجهيزات معطوف گرديده است. در ضمن همه ما مي توانيم با گوش دادن به صداي ويبراتور در پروژه هاي كوچك و بزرگ، احساسي از عملكرد آنرا تجربه كرده و با بكارگيري مجدد اين تجربيات اطلاعات مورد نياز درباره ويبراتورها و بتنها را ارزيابي و تجزيه و تحليل نمائيم.
گوشهاي خود را به كار اندازيد! محدود فركانسي vpm 6000 تا vpm 15000 كه در مورد ويبراتورها مورد بحث قرار مي گيرد، در حوزه شنوايي انسان مي باشد؛ بنابراين به راحتي مي توان از حس شنوايي آدمي به عنوان ابزاري برأي تشخيص فركانس ويبراتور و همچنين افت فركانس دستگاه ورود شلنگ ويبراتور به درون بتن و نيز آميز دادن افزايش فركانس ويبراتور در مواقع روان شدن بتن پلاستيك بهره جهت قالبهاي مخصوص بتن اغلب صدای (tone) ويبراتور را تشديد مي نمايند، لذا با داشتن تجربه كارگاهي كسي مي توان صداي صحيح ناشي از عملكرد درست ويبراتور را تشخيص دادن بخصوص هنگاميكه در كارگاه صدايي غير از صداي ويبراتور شنيده نشده و آهنگ ويبراتور با صداي ماشين آلات ديگر مخدوش نگردد.
دستگاه كاليبره و كوك گيتار، و ميله اي ساده و ارزان قيمت به منظور تخمين فركانس ويبراتور پيشنهاد مي گردد. اين وسيله به قيمت 6 دلار، از شش سيم با محدوده فركانس vpm 4900 تا vpm 19000 تشكيل شده است كه اتفاقاً محدوده فركانس مورد نياز در مورد ويبراتورها را نيز پوشش مي دهد. سيم a با فركانسي برابر vpm 6600، فركانس معمول ادخال شلنگ ويبراتور در بتن بوده و در چنين فركانس پائيني، مشكلات بسيار محدودي گزارش گرديده است. با سيمهاي d و g مي توان از vpm 8800 تا vpm 11800 را تجربه نمود. اين محدوده، منطقه انتقالي از ويبراتورهاي فركانس پائين به ويبراتورهاي فركانس بالاست، و با سيم b نيز مي توان به فركانس vpm 14800 دست يافت. چنين فركانسي (vpm 14800) مربوط به عملكرد ويبراتورهاي فركانس بالا در هوا مي باشد. (يك مثال كاملاً آشكار مربوط به انتقال فركانسي از b به g مربوط است به فروبردن شلنگ ويبراتور با فركانس هوايي vpm 14800 به فركانس درون بتني vpm 11800 كه عملاً 20% افت فركانسي را نشان مي دهد). سيم e نيز فركانس vpm 20000/1 تداعي مي سازد كه شبيه صداي آژير حمله هوايي است. چنانچه در كارگاه ويبراتوري اين صدا شنيده شد، بهتر است شلوغ كاري را كنار گذاشته و با خاموش كردن ويبراتور، به فكر پوشاندن سطح بتن باشيد.
منابع:
1-ایران بتن
2-http://www.articles.ir
3-http://www.aryateams.com
4- http://khakzad.com
/خ