بلاگ

عمل آوری بتن فرآیند تحت کنترل قرار دادن رطوبت و دمای بتن است تا انجام واکنش هیدراتاسیون سیمان تسهیل گردد. فرایند عمل آوری بتن به نحوی انجام می گیرد که به بهبود دوام و خواص مکانیکی بتن در طول زمان منجر شود. رطوبت، دما و زمان نگهداری نمونه ها از فاکتورهایی هستند که در عمل آوری بتن می بایست مورد توجه قرار گیرند.

چرا عمل آوری بتن ضروری است؟

• عمل آوری بتن از خشک شدن زودرس بتن در اثر تابش خورشید و باد جلوگیری می کند و از این طریق مانع از جمع شدگی پلاستیک بتن خواهد شد.
• با تسهیل نمودن فرآیند هیدراتاسیون به حفظ دمای بتن کمک می کند زیرا فرآیند هیدراتاسیون برای وقوع و ادامه به آب نیاز دارد و یک واکنش گرمازا است.
• عمل آوری به سخت شدن بتن کمک می کند و همچنین منجر به اتصال آرماتورها به بتن می شود. این امر منجر می شود تا هنگام ارتعاش و ضربه آسیب به پیوند بین بتن و آرماتور کمتر باشد.
• عمل آوری بتن به ایجاد بتن غیر قابل نفوذ، بدون ترک و بادوام کمک می کند.

زمان مناسب عمل آوری بتن به موارد زیر بستگی دارد:

عمل آوری اولیه

هنگامی که بتن ریخته می شود و متراکم می گردد، آب انداختگی رخ می دهد و و این آب در سطح بتن جمع می شود. سرعت و مدت آب انداختگی به عوامل زیادی از جمله طرح مخلوط بتن، عمق یا ضخامت بتن، روش تراکم و … بستگی دارد.  آب ناشی از آب انداختگی از سطح شروع به تبخیر می کند. هنگامی که تمام آب از سطح ناپدید شد، خشک شدن بتن شروع می شود. سپس عمل آوری اولیه بتن برای به حداقل رساندن اتلاف رطوبت و جلوگیری از انتشار ترک های انقباض پلاستیک در بتن قبل و در حین عملیات پرداخت لازم است. عمل آوری اولیه بتن را می توان با تکنیک هایی مانند بخار یا استفاده از موادی که سرعت تبخیر را کاهش می دهند یا با تهیه آفتابگیر انجام داد.

عمل آوری میانی

عمل آوری میانی زمانی انجام می شود که عملیات پرداخت سطح بتن قبل از گیرش نهایی بتن انجام شده باشد. این زمانی اتفاق می افتد که بافت مورد نیاز سطح اعضای بتنی به سرعت شکل بگیرد یا زمانی که گیرش بتن به تاخیر می افتد.

 عمل آوری نهایی

 هنگامی که پرداخت بتن پس از گیرش نهایی بتن انجام می شود، عمل آوری نهایی باید انجام گیرد.

مدت زمان عمل آوری بتن چقدر است؟

هرچه مدت زمان عمل آوری بتن طولانی تر باشد، مقاومت و دوام اعضای سازه های بتنی افزایش می یابد.

 مدت زمان عمل آوری بتن به عوامل زیر بستگی دارد:

• دلایل عمل آوری بتن، یعنی جلوگیری از انقباض پلاستیک، کنترل دما، مقاومت و دوام بتن
• اندازه المان سازه بتنی که نیاز به عمل آوری دارد
• نوع عیار بتن و میزان سخت شدن بتن

انجمن بتن امریکا (کمیته ACI 301) توصیه می کند که حداقل دوره عمل آوری به اندازه ای باشد تا 70 درصد مقاومت فشاری مشخصه کسب شود. معمولا در عمل آوری هفت روزه، 70 درصد مقاومت فشاری مشخصه قابل دستیابی است. هنگامی که دمای عمل آوری افزایش می یابد و یا از مواد مکمل سیمانی یا افزودنی های خاصی در مخلوط بتن استفاده می شود، ممکن است 70 درصد مقاومت مشخصه در زمان زودتری توسعه یابد. همچنین، در عمل آوری در دمای پایین یا استفاده از سایر مواد افزودنی ممکن است به زمان طولانی تری برای رسیدن به این مقدار مقاومت نیاز باشد.

بعضی از روش های عمل آوری به صورت زیر است:

حوضچه و غوطه وری

در آزمایشگاه ها، به صورت معمول، برای عمل آوری نمونه های بتنی از غوطه وری استفاده می شود. در این روش، برای جلوگیری از ترک خوردگی که در اثر تنش های گرمایی ایجاد می شود، آب عمل آوری نباید بیشتر از 20 درجه فارنهایت سردتر از بتن باشد.

اسپری و مه پاشی

در محیط های با رطوبت کم و دمای بسیار بالاتر از یخبندان از اسپری و مه پاشی جهت عمل آوری بتن استفاده می شود. با روش مه پاشی می توان ترک خوردگی ناشی از جمع شدگی پلاستیک را تا رسیدن بتن به گیرش نهایی به حداقل رساند.

پوشش های مرطوب اشباع شده

برای جلوگیری نمودن از آسیب سطح بعد از سخت شدن بتن می توان از پوشش های مرطوب اشباع شده از آب استفاده نمود. این پوشش ها می بایست به صورت مداوم مرطوب نگه داشته شوند.

استفاده از ترکیبات عمل آوری غشایی ساز

برای جلوگیری از تبخیر رطوبت بتن یا کاهش سرعت آن می توان از ترکیبات عمل آوری غشایی ساز استفاده کرد. در این ترکیبات رنگدانه هایی وجود دارند که نور خورشید را منعکس می کنند. این نوع از عمل آوری می بایست مطابق با استانداردهای ASTM C3094 یا ASTM C13155 باشد.

استفاده از بخار

از دیگر روش های عمل آوری می توان به بخار در فشار اتمسفر و بخار فشار بالا در اتوکلاو اشاره کرد. دمای بخار برای بخار در فشار اتمسفر باید تا حدود 140 درجه فارنهایت (60 درجه سانتیگراد) یا کمتر حفظ شود تا مقاومت بتن مورد نظر حاصل شود.

کویل های گرمایشی

کویل های گرمایشی معمولاً به عنوان عناصر جاسازی شده نزدیک سطح عناصر بتنی استفاده می شوند. این کویل های گرمایشی برای عمل آوری بتن در هوای سرد مورد استفاده قرار می گیرند و از یخ زدگی بتن جلوگیری می کنند.

قالب ها یا پدهای گرم شده برقی

قالب ها یا پد های گرم شده برقی عمدتا توسط تولید کنندگان بتن پیش ساخته استفاده می شود.

معمولا این انتظار وجود دارد که سازه های بتنی قرار گرفته در معرض شرایط جوی سخت می بایست برای چندین سال پایدار باشند. بتن با دوام با قرار گیری در معرض اثرات مخرب محیطی می تواند فرم، کیفیت و قابلیت سرویس دهی اولیه خود را حفظ کند. دوام بتن به عنوان مقاومت آن در برابر عوامل هوازدگی، حمله شیمیایی، سایش یا هر فرآیند دیگر زوال تعریف می شود. قرارگیری در بعضی از شرایط و محیط های خاص ممکن است منجر به آسیب به بتن شود و از این رو بررسی دقیق عوامل موثر در خرابی بتن در این محیط ها ضروری است.

یون‌های کلر ممکن است از طریق ترکیبات مخلوط بتن یا منابع موجود در محیط خارجی وارد بتن شوند. وجود یون های کلر در محلول منفذی بتن تهدید قابل ‌توجهی برای میلگردها و الیاف فولادی است و یکی از دلایل اصلی شروع خوردگی در سازه‌های بتن مسلح است. بخشی از کلر نفوذ کرده به مواد سیمانی می تواند به محصولات هیدراتاسیون متصل شود و از این طریق توانایی این بخش برای انتقال از بین می رود. کلر باقیمانده که اغلب به عنوان کلرید آزاد نامیده می شود، از طریق شکاف ها و شبکه منافذ به هم پیوسته به انتشار عمیق تر در ماتریس سیمان ادامه می دهد. این یون ها می‌ توانند از طریق طیف وسیعی از مکانیسم‌های انتقال، مانند انتشار، مهاجرت، جذب مویرگی (یا همرفت) و نفوذ با آرماتورهای فولادی واکنش دهند. واکنش های پیچیده فیزیکی- شیمیایی یون های کلرید با محصولات هیدراتاسیون سیمان منجر به تخریب ریزساختار بتن می گردد. چنین واکنش هایی تأثیر مستقیمی بر مقاومت فشاری و سایر ویژگی های بتن دارد. واکنش فیزیکی شامل جذب یون ها توسط کلسیم سیلیکات هیدرات (C─S─H) است که منجر به ایجاد یک ساختار متخلخل می شود. علاوه بر این، یون‌های کلرید با مواد سیمانی واکنش شیمیایی می‌دهند که منجر به تشکیل ترکیباتی مانند نمک فریدل (Friedel’s salt) و نمک کوزل (Kuzel’s salt) می شود که می تواند ظرفیت اتصال کلرید سیمان پرتلند را افزایش دهد.

با توجه به اهمیت مکانیسم نفوذ یون کلر، تا کنون انواع مختلفی از آزمایش ها برای اندازه گیری مقاومت بتن در برابر نفوذ کلر به کار گرفته شده است. نفوذ یون کلر در بتن را می‌توان با قرار دادن بتن در معرض محلول NaCl با استفاده از آزمایش‌های غوطه‌ وری (immersion) یا آب‌ گیری (ponding) و مطابق با استاندردهای ASTM C1543 یا ASTM C1556  ارزیابی کرد. از این طریق میزان انتشار یون کلر بر اساس قانون دوم فیک (Fick’s second law) برای انتشار نیمه محدود محاسبه می شود. با این حال، چنین آزمایشاتی به طور کلی بسیار زمان بر هستند. از این رو محققان و مهندسان تلاش کرده اند تا آزمایش های تسریع یافته را توسعه دهند. یک رویکرد افزایش غلظت محلول منبع کلر است. با این حال، در این رویکرد، به دلیل اثر متقابل یونی رفتار انتشار ممکن است از قانون فیک پیروی نکند. روش دیگر اعمال میدان الکتریکی خارجی برای تسریع نفوذ کلر است. این رویکرد به صورت گسترده تری اجرا شده است زیرا اندازه گیری های الکتریکی را می توان برای تخمین ضرایب انتشار در مواد متخلخل اشباع استفاده کرد.

چندین روش آزمایش تسریع شده با استفاده از یک میدان خارجی برای بررسی مهاجرت الکتریکی کلرید وجود دارد. به عنوان مثال، تست نفوذپذیری کلرید سریع (RCPT) مقاومت در برابر نفوذ یون های کلرید را تعیین می کند. تست نفوذپذیری کلرید سریع (RCPT) یک روش ارزیابی مهم در مهندسی عمران است که به طور خاص برای تعیین نفوذپذیری بتن و سایر مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرد. این آزمایش قضاوت های ارزشمندی را در مورد دوام و کیفیت سازه های بتنی ارائه می دهد.

در روش آزمایش  RCPT، نمونه های بتنی ساخته شده یا هسته های استخراج شده از سازه های موجود تحت بار الکتریکی قرار می گیرند. این فرآیند نفوذ یون های کلرید در نمونه بتنی را تحریک می کند که یکی از دلایل رایج تخریب بتن است. با اندازه گیری مقاومت الکتریکی، نفوذپذیری بتن در برابر کلرید اندازه گیری می شود. دستگاه مورد استفاده در آزمایش RCPT شامل ابزارهای تخصصی است که برای اعمال جریان الکتریکی به نمونه بتن و اندازه گیری دقیق مقاومت الکتریکی آن طراحی شده است. این دستگاه ها با دقت مهندسی طراحی شده اند تا از نتایج تست اطمینان حاصل شود.

روش انجام آزمایش:

• نمونه در خلاء اشباع می شود تا اطمینان حاصل شود که کاملاً از آب اشباع شده است.
• نمونه بین دو مخزن قرار می گیرد. یکی از مخزن ها حاوی 3.0 درصد محلول NaCl و مخزن دیگر حاوی 0.3 مولار محلول NaOH است. نمونه مورد آزمایش می بایست دارای ضخامت 50 میلی متر و قطر 90 تا 100 میلی متر باشد.
• الکترودهای واکنش ناپذیر به دو طرف نمونه متصل می شوند.
• یک ولتاژ جریان مستقیم (DC)  به میزان 60 ولت در طول نمونه برای یک مدت زمان مشخص، معمولاً 6 ساعت، اعمال می شود.
• جریان عبوری از نمونه در طول دوره آزمایش اندازه گیری می شود.
• کل بار عبوری از نمونه محاسبه می شود.
• از بار کل و سایر پارامترها، عمق نفوذ یون کلرید تعیین می شود.
• نتایج با معیارها یا استانداردهای تعیین شده برای ارزیابی مقاومت بتن در برابر نفوذ یون کلرید مقایسه می شود. مقادیر کمتر نفوذپذیری نشان دهنده دوام بهتر است.

اهمیت انجام آزمایش:

• ارزیابی دوام: نتایج RCPT به مهندسان کمک می کند تا دوام مخلوط بتن را ارزیابی کرده و پتانسیل خوردگی آرماتور تقویت کننده را پیش بینی کنند.
• کنترل کیفیت: می توان از آن به عنوان یک معیار کنترل کیفیت در طول ساخت و ساز استفاده کرد تا اطمینان حاصل شود که بتن مورد استفاده در سازه الزامات دوام مشخص شده را برآورده می کند.
• تحقیق و توسعه: محققان همچنین از RCPT برای مطالعه اثرات مواد افزودنی مختلف و تکنیک های ساخت بر دوام بتن استفاده می کنند.

توجه به این نکته مهم است که استانداردها و پروتکل های آزمایش خاص می تواند در هر سازمان یا کشور متفاوت باشد. مهندسان و تکنسین ها می بایست به استانداردهای مربوطه (مانند ASTM C1202 ) برای روش های دقیق انجام آزمایش مراجعه کنند.

یک چالش برآورد ضریب انتشار کلر از طریق داده‌های آزمایش RCPT، اثر ژول (Joule effect) است. با عبور الکتریسیته از نمونه آزمایش، دمای محلول الکترود می تواند افزایش یابد که ممکن است منجر به مقادیر جریان عبوری بیشتر شود. یک محدودیت دیگر RCPT این است که ضریب انتشار پیش بینی شده به دمای نهایی آزمایش وابسته است. تغییر دما به میزان 10 درجه سانتی گراد می تواند منجر به دو برابر شدن ضریب انتشار شود.

در پایان، در حالی که تجهیزات RCPT اطلاعات دقیق و ارزشمندی را برای ارزیابی دوام مصالح ساختمانی ارائه می دهد، با محدودیت های خاصی از جمله هزینه بالا، پیچیدگی، محدودیت های زمانی و بعضی چالش ها همراه است. مهندسان و محققان هنگام تصمیم گیری برای استفاده از RCPT در پروژه های خود می بایست مزایا و معایب این تست را در نظر بگیرند.

پیشرفت مداوم علم مواد منجر به بهبود عملکرد سازه و نوآوری در زمینه مهندسی ساخت و ساز می شود. بتن با عملکرد فوق العاده بالا (UHPC)، به دلیل خواص مکانیکی قابل توجه آن (مانند مقاومت فشاری 28 روزه بیشتر از 120 مگاپاسکال تحت شرایط عمل آوری استاندارد) و دوام بالا (به عنوان مثال، مقاومت بسیار زیاد در برابر نفوذ یون کلر، نفوذپذیری بسیار کم آب و مقاومت در برابر سولفات) به تدریج به عنوان یک نقطه عطف در تحقیقات و کاربردهای عملی در جامعه مهندسی در حال ظهور است.  

ترکیبات  UHPC شامل مقادیر قابل توجهی از مواد سیمانی (800-1200 کیلوگرم بر متر مکعب)، ماسه ریزدانه، و الیاف فولادی با حجم بالا (بیشتر از 2 درصد) است. همچنین، در UHPC مواد افزودنی شیمیایی (مانند افزودنی های کاهنده آب با قدرت بالا، افزودنی کاهنده جمع شدگی خودگیری، عوامل منبسط ‌کننده و افزودنی‌های اصلاح‌کننده ویسکوزیته) به کار می رود. ترکیبات UHPC دارای نسبت آب به چسباننده فوق العاده پایین (0.15–0.25) و چگالی ظاهری بالا (0.825–0.855) هستند.

ترکیبات UHPC به دلیل دارا بودن از عملکرد استثنایی  به عنوان یک مصالح اساسی در ساخت و ساز زیرساخت های پیچیده مدرن، مانند پل های با دهانه بلند، سازه های بلند، سازه های دریایی، سیستم های ریل راه آهن و معماری های کاربردی به کار می روند. در نتیجه، تحقیق در مورد مواد UHPC در ایجاد زیرساخت های بادوام تر و پیشبرد توسعه پایدار صنعت ساخت و ساز اهمیت قابل توجهی دارد.

اصول طراحی UHPC بر کاهش تخلخل، اصلاح ریزساختار، افزایش یکنواختی سازه و افزایش شکل پذیری تمرکز دارد. برای به حداقل رساندن تخلخل اولیه UHPC، تئوری بسته بندی متراکم برای طراحی UHPC پیشنهاد شده است. در ابتدا، مدل های گسسته مانند مدل چگالی بسته بندی خطی و مدل بسته بندی تراکم پذیر برای طراحی مخلوط UHPC استفاده می شد. اخیراً، مدل‌های پیوسته در طراحی مخلوط UHPC مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در تلاش برای اصلاح ریزساختار UHPC [45] تحقیقاتی بر روی UHPC با مواد افزودنی معدنی تحت رژیم‌های عمل آوری مختلف انجام شده است و ارتباط معنی‌داری بین ریزساختارهای مختلف و رژیم‌های عمل آوری نشان داده شده است. علاوه بر این، ریزساختار UHPC را می توان از طریق نانو مواد، بهینه سازی استفاده از مواد سیمانی مختلف و استفاده از مواد افزودنی شیمیایی اصلاح کرد. برای افزایش همگنی و شکل‌پذیری، در انتخاب مواد برای UHPC معمولاً سنگدانه‌های درشت را به نفع ترکیب الیاف فولادی حذف می‌کنند. بدون شک، این مطالعات بنیادی کمک قابل توجهی به پیشرفت و کاربرد UHPC کرده است.

با این حال، چالش‌هایی مانند نواقص ریزساختاری پیچیده، هیدراتاسیون ناکافی، عملکرد غیرقابل پیش‌بینی در ترکیبات UHPC با کیفیت پایین، جمع شدگی خودگیری بالا، استحکام ناکافی ناشی از پخش تصادفی الیاف فولادی، هدر رفتن منابع، آلودگی زیست‌محیطی ناشی از استفاده گسترده از سیمان و هزینه‌های تولید بالا مانع از پذیرش گسترده UHPC می‌شود. بنابراین، درک جامع از استراتژی های موثر در UHPC برای غلبه بر این محدودیت‌ها و دستیابی به پیشرفت‌های بیشتر در عملکرد UHPC و کاربردهای گسترده‌تر حیاتی است.

استراتژی های موثر در UHPC به دو دسته اصلی تقسیم می شوند: فعال سازی فیزیکی و شیمیایی. استراتژی‌های فعال‌سازی فیزیکی در UHPC شامل تأمین انرژی و مواد اضافی برای مخلوط UHPC بدون درگیر شدن در واکنش‌های شیمیایی در طول فرآیند آماده‌سازی است. این امر با بهینه سازی توزیع ذرات برای دستیابی به ساختار متراکم، با استفاده از مواد جاذب متخلخل برای کاهش جمع شدگی و استفاده از ویبره برای افزایش توزیع و پراکندگی  به دست می‌آید. استراتژی‌های فعال‌سازی شیمیایی در UHPC شامل استفاده از نانومواد فعال برای تسهیل فرآیند هیدراتاسیون، بهینه‌سازی درصدهای چسباننده مخلوط های شامل چند نوع مواد سیمانی، ترکیبات کاهنده‌ جمع شدگی و/یا عوامل منبسط کننده برای مهار جمع شدگی و استفاده از مواد سیمانی فعال شده با قلیا برای دستیابی به پایداری است. مواد سیمانی فعال شده با قلیا فرآیند هیدراتاسیون را تغییر می‌دهند و در نتیجه بر ریزساختار داخلی و خواص ماکروسکوپی UHPC تاثیر می گذارند.

Xin Su, Zhigang Ren, Peipeng Li, Review on physical and chemical activation strategies for ultra-high performance concrete (UHPC), Cement and Concrete Composites,

Volume 149,2024,105519

Dehui Wang, Caijun Shi, Zemei Wu, Jianfan Xiao, Zhengyu Huang, Zhi Fang, A review on ultra high performance concrete: Part II. Hydration, microstructure and properties, Construction and Building Materials, Volume 96, 2015, Pages 368-377

Zhidong Zhou, Ruifeng Xie, Pizhong Qiao, Linjun Lu, On the modeling of tensile behavior of ultra-high performance fiber-reinforced concrete with freezing-thawing actions, Composites Part B: Engineering, Volume 174, 2019, 106983

Jiang Du, Weina Meng, Kamal H. Khayat, Yi Bao, Pengwei Guo, Zhenghua Lyu, Adi Abu-obeidah, Hani Nassif, Hao Wang, New development of ultra-high-performance concrete (UHPC), Composites Part B: Engineering, Volume 224, 2021, 109220

Raju Sharma, Jeong Gook Jang, Prem Pal Bansal,A comprehensive review on effects of mineral admixtures and fibers on engineering properties of ultra-high-performance concrete,Journal of Building Engineering,Volume 45,2022,103314,