بتن فوق توانمند: طرح اختلاط و دلایل استفاده

بتن فوق توانمند که به اختصار به آن UHPC (Ultra High Performance Concrete) هم گفته می‌شود، بتنی با مقاومت و کارایی بسیار بالا است که مقاومت فشاری آن بیشتر از 150 مگاپاسکال است. این بتن علاوه بر دوام بسیار بالا، انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری مناسبی داشته و معمولاً از ماسه ریزدانه کوارتز (ماسه سیلیسی)، فوق روان کننده، پوزولان و الیاف فلزی تولید می‌شود. اگر علاقه‌مندید بیشتر با این بتن انعطاف‌پذیر که مقاومت فشاری بالای 120 تا 130 مگاپاسکال دارد، آشنا شوید تا انتهای این مقاله همراه ما باشید.

تاریخچه بتن فوق توانمند

تاریخچه بتن فوق توانمند به سال 1950 بازمی‌گردد، یعنی زمانی که اتو گراف ایده تولید بتن 70 مگاپاسکال را مطرح کرد. در آن سال، صنعت ساختمان تمایلی به استفاده از این بتن نشان نداد. این عدم تمایل تا سال 1966، زمانی که کورت والز اثبات کرد با استفاده از روش‌های نوین می‌توان بتنی با رده مقاومتی 140 مگاپاسکال هم تولید کرد، ادامه داشت تا اینکه از سال 1980 به بعد با کشف ماده دوده سیلیسی و پی بردن به ویژگی‌های منحصر به فرد این ماده به عنوان یک سوپر پوزولان، بتن‌هایی با رده مقاومتی 100 و 150 مگاپاسکال تولید شد و تولید بتن‌های فوق توانمند آغاز شد.

طرح اختلاط و روش تولید بتن UHPC

مواد به کار رفته برای تولید بتنی با رده مقاومتی 100 تا 150 مگاپاسکال، موادی خاص و پیچیده‌ نیست و لازم است اصول ساده‌ای را مد نظر قرار دهید.

• استفاده از سنگدانه‌های ریز سیلیسی: سنگدانه مورد استفاده در بتن‌های فوق توانمند، معمولاً سنگدانه کوارتزی یا ماسه سیلیسی با Dmax (حداکثر اندازه) 2 میلی‌متر است. البته استفاده از ماسه‌های 8 میلی‌متر هم برای تولید این نوع بتن‌ امکان‌پذیر است. در این صورت خواهید دید با کاهش اندازه سنگدانه‌ها نسبت به بتن معمولی، تمرکز تنش کاهش یافته و مقاومت به مراتب افزایش می‌یابد.
• استفاده از فوق روان کننده یا ابر روان‌کننده‌های پایه پلی کربوکسیلات اتر: این گروه از انواع افزودنی‌ بتن با هدف افزایش روانی و همگنی بیشتر توده بتنی استفاده می‌شود، زیرا نسبت آب به سیمان در این نوع بتن‌ها بسیار پایین (حدود 0.2) بوده و لازم است از این مواد جهت افزایش اسلامپ در طول فرآیند بتن‌ریزی و افزایش مقاومت نهایی پس از عمل‌آوری استفاده شود.
• رعایت تئوری حداکثری چگالی انباشته (packing density): مفهوم چگالی انباشته تنها با حضور مواد پودری و ریزدانه در طرح اختلاط بتن امکان‌پذیر است. در واقع این مواد با کاهش تنش در سطح تماس بتن، باعث عدم ایجاد ترک‌های ریز و مویی در مقاومت‌های بالا شده و حتی از بتن و قسمت‌های تسلیح شده در مقابل حملات شیمیایی محافظت می‌کند.
• استفاده از الیاف فلزی: استفاده از الیاف فلزی در این بتن‌ها به منظور تضمین عملکرد شکل‌پذیری بتن پر مقاومت ضروری است. مقدار الیاف مورد استفاده در این نوع بتن‌ها، معمولاً 5% حجمی بتن است که معادل وزنی آن، عدد بسیار بالایی، حدود 170 یا 180 کیلوگرم در متر مکعب است.

دلایل استفاده از بتن فوق توانمند

در ابتدای تولید این بتن به دلیل هزینه بالای تولید، استفاده از آن بسیار محدود بود. در واقع از آن‌جا که هزینه ساخت بتن فوق توانمند حدود 4 یا 5 برابر بتن معمولی بود، بسیاری تصور می‌کردند استفاده از این بتن مقرون به صرفه نیست تا اینکه با مقایسه هزینه‌های تمام شده سازه‌های ساخته شده با بتن معمولی و بتن توانمند، این تفکر کاملاً تغییر کرد. برای مثال هزینه ساخت پل‌های ساخته شده با بتن توانمند نسبت به ساخت پل با بتن معمولی، تقریباً 10% کمتر است. از سوی دیگر استفاده از بتن فوق توانمند به طراح این امکان را می‌دهد تا از دهانه‌های بلندتر برای طراحی پل استفاده کند، در حالی که بتن معمولی فاقد این قابلیت است.

به عنوان مثال می‌توان به پل استیسی در آمستردام هلند اشاره کرد. در ساخت این پل در سال 1997 از بتنی با رده مقاومت 80 تا 90 مگاپاسکال استفاده شد. استفاده از این بتن باعث شد مهندسین و سازندگان این پل بتوانند سطح مقطع اجزای سازه‌ای که دهانه‌هایی حدود 160 متر را پوشش می‌دادند، به مقدار 30% کاهش دهند. این امر باعث شد استفاده از فولادهای پیش‌تنیده در ساخت سازه به میزان 26% کاهش یابد.

از سوی دیگر به دلیل کاهش 60% ضخامت اجزای سازه‌ای مانند تیرهای جعبه‌ای، طول قطعات پل از 3.5 متر به 5 متر افزایش یافت. همین موضوع باعث کاهش سه ماهه‌ی زمان پروژه شد. در نهایت مشخص شد استفاده از بتن فوق توانمند در ساخت پل باعث افزایش کارایی بتن، کاهش جمع‌شدگی و خزش در سازه نهایی و کاهش هزینه‌های ساخت می‌شود.

بیشتر بخوانید: بتن پارچه‌ای

نمونه‌ پروژه‌های بتن توانمند

پروژه‌های زیادی در سراسر دنیا با استفاده از بتن فوق توانمند یا بتن UHPC ساخته شده‌ است که از جمله آن می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد:

• پل عابر پیاده شربروک کانادا در سال 1997
• موزه تمدن‌های اروپا و مدیترانه در ماسی فرانسه
• استادیوم ژان بوین در پاریس
• سکوی نفتی در ژاپن
• مونوریل توکیو
• بسیاری از پل‌ها و سازه‌های جدید و متنوع سراسر دنیا

معرفی چند کتاب و آیین‌نامه

در ادامه این مقاله، به بررسی برخی از مهم‌ترین و شاخص‌ترین آیین‌نامه‌ها و کتاب‌های طراحی شده در زمینه و ساز و کار تولید این بتن می‌پردازیم.

• آیین‌نامه ACI 239R، تدوین در سال 2018.
• آیین‌نامه ژاپن، تدوین در سال 2004. البته در حال حاضر گروه TG8,6 کمیته fib در حال تکمیل آیین‌نامه طراحی بین‌المللی برای بتن‌های فوق توانمند هستند.
• کتاب بتن فوق توانمند (مفاهیم پایه، طراحی و نمونه‌های اجرایی)، تألیف دکتر رمضانیان‌پور

بتن توانمند از جمله بتن‌های خودتراکم است. این بتن علاوه بر مقاومت بالا نسبت به سایر بتن‌ها، دوام و پایایی بسیار بالایی در برابر عوامل مختلف خارجی دارد. همان‌طور که گفته شد در ابتدای ظهور این بتن، استفاده از مصالح با کیفیت – مانند سنگدانه‌های سیلیسی ریزدانه، پوزولان، ابر روان کننده بتن و… – و حضور نیروی انسانی ماهر در زمان تولید، باعث شد بسیاری تصور کنند هزینه نهایی پروژه با استفاده از این نوع بتن‌ بسیار بالاست و در نتیجه استفاده از آن جز در ساخت پروژه‌های ویژه مانند ساختمان‌های بسیار بلند، پل‌ها و سازه‌های خاص مقرون به صرفه نیست، اما پس از انجام پروژه‌هایی با این بتن و بررسی هزینه‌های تمام شده سازه مشخص شد هزینه سازه‌هایی که در آن از بتن توانمند استفاده شده، به دلیل کاهش میزان آرماتور، افزایش طول پایه‌ها و ارتفاع دهانه‌ها به میزان قابل توجهی کاهش یافته است.

در این مقاله سعی شد علاوه بر بررسی مواد و مصالح مورد نیاز برای ساخت این بتن، به معرفی نمونه پروژه‌های بتن فوق توانمند، کتاب‌ها و آیین‌نامه‌ها و همچنین دلایل استفاده از این بتن به صورت مختصر و مفید پرداخته شود. خوشحال می‌شویم با ارائه نظرات خود در پایین این صفحه، ما را در بهبود کیفیت مقالات یاری رسانید.