بتن فوق توانمند یا UHPC در اصل نوعی بتن پیشرفته می باشد که با مقاومت بسیار بالا و دوام زیادش توجه بسیاری از متخصصان ساخت و ساز را به خود جلب نموده و به واسطه ی ویژگی های فنی خاصش در سال های اخیر جایگاه مهمی در پروژه های عمرانی و ساختمانی پیدا کرده است.
شاید این پرسش برایتان پیش آمده باشد که چه چیز سبب شده بتن UHPC این قدر مقاوم و ماندگار باشد؟ یا اینکه چطور می‌توان از این بتن برای ساخت سازه‌هایی با عمر بیشتر و عملکرد بهتر استفاده کرد؟ برای پاسخ به این پرسش‌ها، لازم است با اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها و نحوه به کارگیری این نوع بتن بیشتر آشنا بشوید.
در این مطلب به طور کامل بتن UHPC را معرفی می‌کنیم و درباره مزایا و معایب آن، موارد مصرف و نکات اجرایی اش اطلاعات ارزشمندی را در اختیارتان قرار می‌دهیم. همچنین به ترکیب ویژه این بتن و نکاتی که در تولید و اجرای آن باید رعایت شود، می‌پردازیم.
بتن UHPC چیست؟
بتن uhpc چیست؟ بتن فوق توانمند یا UHPC با استفاده از ترکیبی دقیق از سیمان، ماسه بسیار ریز، الیاف مقاوم و مواد افزودنی خاصی ساخته می‌شود. این محصول برخلاف بتن‌های معمولی، ساختاری بسیار فشرده، یکنواخت و مقاوم دارد که این ساختار آن را در برابر فشار زیاد، ضربه، فرسایش و شرایط سخت آب و هوای بسیار مقاوم ساخته است.
مواد تشکیل دهنده بتن UHPC
بتن UHPC از مواد مختلفی تشکیل شده که در جدول پایین می‌توانید انواع این مواد و مقدارشان را بر حسب کیلوگرم مشاهده کنید.
| مواد | مقدار بر حسب کیلوگرم |
| سیمان پرتلند | 630-900 |
| میکروسیلیس | 200-250 |
| پودر کوارتز | 180-250 |
| ماسه سیلیسی | 800-1100 |
| الیاف فولاد | 150-200 |
| فوق روان کننده | 25-30 |
| آب | 150-180 |
| نسبت آب به سیمان | 0.18-0.25 |
سیمان
سیمان به عنوان ماده اصلی و پایه‌ای در ترکیب بتن فوق توانمند، نقش بسیار اساسی دارد و میزان مصرف آن نسبت به بتن‌های معمولی به مراتب بیشتر است. در مراحل اولیه تحقیقات، استفاده از سیمان‌هایی که فاقد ترکیبات C4A بودند مرسوم بود، اما امروزه سیمان‌هایی که حاوی ترکیبات C4A و C3S هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ چون این مواد علاوه بر تقویت مقاومت اولیه بتن، سبب کاهش میزان بلین شده و این کاهش، به نوبه خود به کاهش مصرف آب در فرایند اختلاط منجر می‌شود.
میکروسیلیس
میکروسیلیس به عنوان یک ماده افزودنی بسیار مهم در بتن UHPC، تأثیرات چند جانبه‌ای بر روی ساختار و کیفیت ملات دارد. ذرات ریز و کروی شکل میکروسیلیس باعث فشرده‌تر شدن ذرات سیمان و بهبود روانی ملات می‌شود.
علاوه بر آن، این ماده به عنوان یک پوزولان فعال، در فرایند هیدراسیون سیمان شرکت کرده و به تولید بلورهای سیلیکات کلسیوم مقاوم کمک می‌کند. میکروسیلیس همچنین با واکنش با بلورهای ضعیف هیدروکسید کلسیم، ترکیبات پایدار و مستحکمی ایجاد می‌نماید که دوام و مقاومت بتن را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد.
سنگدانه‌ها
سنگدانه‌هایی که در ساخت بتن فوق توانمند به کار می‌روند، شامل ماسه سیلیسی با اندازه متوسط 0.6 میلی‌متر و پودر کوارتز با اندازه بسیار ریز حدود 10 میکرون هستند. انتخاب این سایزهای مشخص سنگدانه‌ها، به افزایش تراکم و چگالی بتن کمک می‌نماید و نقش مهمی در بهبود خواص رئولوژیکی بتن ایفا می‌کند.
ذرات ریز پودر کوارتز در فضای خالی میان ماسه‌ها قرار می‌گیرند و این پر کردن فضاهای خالی سبب افزایش فشردگی و انسجام بتن می‌شود. پژوهش‌ها نشان داده اند که افزایش درصد پودر کوارتز تا حدود 30 درصد می‌تواند تراکم بتن را تا 54 درصد بالا ببرد؛ ولی فراتر رفتن از این میزان موجب کاهش یکپارچگی و تراکم بتن خواهد شد و این موضوع اثرات منفی بر عملکرد نهایی دارد.
الیاف بتن فوق توانمند
بتن به طور طبیعی ماده‌ای شکننده است و برای بهبود مقاومت و شکل پذیری آن، استفاده از الیاف فولادی در ترکیب UHPC به شدت توصیه می‌شود. این الیاف باید دارای مدول الاستیسیته‌ای حداقل برابر 4500 نیوتن بر میلی‌متر مربع باشند تا بتوانند تراکم مناسب و خواص مکانیکی مورد نظر را تامین کنند.
معمولاً درصد حجمی الیاف به میزان 2 تا 5 درصد از حجم کل بتن افزوده می‌شود که معادل وزنی حدود 100 تا 180 کیلوگرم در هر مترمکعب است.
افزودن این الیاف در اصل مقاومت خمشی، کششی و برشی بتن را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد، در حالی که تاثیر چندانی بر مقاومت فشاری ندارد. به همین خاطر الیاف نقش کلیدی در افزایش دوام و ایمنی سازه‌های ساخته شده با بتن فوق توانمند دارند.
فوق روان کننده‌ها
در بتن UHPC که نسبت آب به سیمان بسیار پایین است، حفظ روانی و قابلیت کارپذیری بتن حین عملیات بتن‌ریزی چالشی مهم محسوب می‌شود. برای حل این مشکل، استفاده از فوق روان کننده‌های بر پایه پلی‌کربوکسیلات اتر متداول است. این مواد با کاهش کشش سطحی و بهبود توزیع ذرات، روانی و کارایی بتن را به میزان چشمگیری افزایش می‌دهند.
استفاده از فوق روان کننده‌ها نه تنها موجب سهولت در پمپاژ و قالب‌ریزی بتن می‌شود، بلکه به علت بهبود واکنش‌های هیدراسیونی، مقاومت نهایی بتن را نیز ارتقا می‌دهد. از این رو این ترکیبات نقش اساسی در دستیابی به بتن UHPC با ویژگی‌های عالی دارند.
تاریخچه بتن UHPC
در سال 1988 بیشترین مقاومت فشاری بتن حدود 55 مگاپاسکال بود، اما محققان با تلاش‌های مداوم توانستند این مقاومت را افزایش دهند. طی سال‌ها، مقاومت بتن به بیش از 115 مگاپاسکال رسید و در نهایت، بتن‌هایی با مقاومت بین 400 تا 1000 مگاپاسکال ساخته شدند که به آن‌ها بتن UHPC گفته می‌شود. این بتن‌ها خواص بسیار بهتری از نظر مقاومت و دوام نسبت به بتن‌های معمولی دارند.
یکی از مشکلات اولیه در توسعه این بتن‌ها، ضعف اتصال بین خمیر سیمان و سنگدانه‌ها بود که موجب ایجاد ترک‌های ریز می‌شد. برای رفع این مشکل، در دهه 80 میلادی دانه بندی ریزتر و ملات یکنواختری به کار رفت که مقاومت و دوام بتن را به طور چشمگیری افزایش داد. اولین استفاده‌های صنعتی از بتن UHPC در صنایع دفاعی دانمارک بود و از سال 1985 وارد پروژه‌های ساختمانی شد.
پس از آن، این بتن در ساخت پل‌ها و سازه‌های مهمی در کشورهای مختلف مانند فرانسه، استرالیا، کانادا و کره جنوبی به کار گرفته شد و توانایی آن در تحمل بارهای سنگین و شرایط سخت ثابت شد.
مزایای بتن UHPC
مزایای بتن UHPC عبارتند از:
- مقاومت فشاری بسیار بالا: بتن فوق توانمند توانایی تحمل فشارهای بسیار شدید را دارد که موجب می‌شود در پروژه‌های بزرگ و سازه‌های باربر سنگین به خوبی عمل کند. این مقاومت بالا سبب افزایش ایمنی کلی سازه می‌شود و نگرانی‌ها در زمینه تحمل بار را کاهش می‌دهد.
- مقاومت قابل توجه در برابر خمش: انعطاف‌پذیری و مقاومت خمشی این بتن به اندازه‌ای است که سازه‌ها در برابر نیروهای خمشی مقاوم تر شده و امکان طراحی بهینه‌تری فراهم می‌آید. این خاصیت به حفظ یکپارچگی سازه در برابر تغییر شکل‌های ناگهانی کمک می‌کند.
- دوام و مقاومت در برابر خوردگی: بتن UHPC در مقابل عوامل فرسایشی و خورنده مانند رطوبت، کلریدها و گازهای خورنده مقاومت بسیار بالایی دارد.
- کاهش نیاز به تعمیرات و نگهداری: به علت دارا بودن ویژگی‌های مقاومتی عالی و دوام بالا، این بتن نیاز به تعمیرات مکرر را کاهش داده و هزینه‌های جاری نگهداری را به میزان چشمگیری پایین می‌آورد. این موضوع در پروژه‌های بزرگ مزیتی اقتصادی مهم محسوب می‌شود.
- ظاهری زیبا و مدرن: ترکیب مواد خاص در UHPC این امکان را فراهم می‌کند تا سازه‌ها ظاهری صاف، یکدست و مدرن داشته باشند. این موضوع از نظر زیبایی شناسی بسیار جذاب است و طراحان را در به وجود آوردن طرح‌های متنوع و خلاقانه یاری می رساند.
- انعطاف پذیری در طراحی و اجرا: بتن فوق توانمند به دلیل برخورداری از خاصیت شکل پذیری بالا، اجازه می‌دهد قطعات پیچیده و با اشکال مختلف به سادگی ساخته شوند. این ویژگی محدودیت‌های طراحی را به حداقل رسانده و اجرای پروژه‌ها را تسهیل می‌کند.
- کاهش حجم و وزن سازه: به خاطر مقاومت بالایی که این بتن دارد، کاهش ابعاد تیرها و ستون‌ها وجود ممکن است. این موضوع هم وزن کلی سازه را کم می کند و در نتیجه باعث کاهش بار مرده و هزینه‌های ساخت می‌شود.
- سرعت بالای ساخت و اجرای پروژه: این نوع بتن به سبب مقاومت اولیه ی بالایش خیلی زود سفت می‌شود و می‌توان بارگذاری سازه را سریع‌ژتر آغاز کرد. در نتیجه زمان کلی اجرای پروژه کاهش یافته و روند ساخت و ساز هم با سرعت بیشتری پیش می‌رود.
معایب بتن UHPC
این بتن چالش‌ها و محدودیت‌هایی را هم دارد به طوری که از جمله معایب بتن uhpc می‌توان به موارد زیر اشاره داشت:
- مواد اولیه ی بتن UHPC بسیار گران قیمت هستند.
- برای ساخت این بتن، ترکیب دقیق مواد ضروری است.
- تولید UHPC به دستگاه های میکسر خاص و قدرتمند نیاز دارد.
- اجرای صحیح UHPC نیازمند تخصص و تجربه‌ی بالایی است.
- عمل آوری این بتن فقط در شرایط خاص محیطی امکان پذیر می باشد.
- ترمیم و اصلاح UHPC به دلیل ساختار فشرده اش، بسیار سخت و دشوار است.
- آیین نامه‌های مشخص و بومی برای استفاده از UHPC وجود ندارد.
کاربرد های بتن UHPC
به خاطر ویژگی‌های برجسته و استثنایی که بتن فوق توانمند (UHPC) دارد از آن می‌توان در ساخت، تقویت و نوسازی بخش‌های گوناگون سازه‌ها و تاسیسات صنعتی بهره گرفت. در این بخش با برخی از کاربردهای اصلی و مهم این بتن آشنا خواهید شد.
- تیرهای پیش تنیده: این بتن در ساخت تیرهای بتنی با دهانه‌های بلند استفاده می‌شود که نیاز به مقاومت کششی بالا و دوام طولانی دارند.
- پانل‌های پیش‌ساخته عرشه پل: پانل‌های وافل UHPC در پل‌های جدید یا تقویت سازه‌های قدیمی به کار می‌روند و وزن کم، ضخامت کمتر و مقاومت بیشتر را به ارمغان می‌آورند.
- پرکننده درز برای پل‌های پیش ساخته: در محل‌های اتصال قطعات پیش ساخته پل‌ها، این بتن نقش پرکننده ای قوی، بادوام و انعطاف پذیر را ایفا می‌کند.
- شمع‌های پیش ساخته: در پروژه‌هایی که شرایط خاک نامناسب است یا به مقاومت بالایی نیاز دارند، از شمع‌های پیش ساخته‌ای استفاده می‌شود که با بتن فوق توانمند (UHPC) تولید شده اند.
- مقاوم سازی لرزه‌ای: این بتن برای تقویت و مقاوم‌سازی سازه‌های موجود در برابر زلزله، کاربرد بالایی دارد. زیرا از خواص مکانیکی برتر و شکل پذیری مناسبی برخوردار می‌باشد.
- روکش‌های نازک برای عرشه پل: برای کاهش وزن و افزایش دوام، UHPC به عنوان لایه‌ای محافظ و باربر در سطح پل‌ها به کار گرفته می‌شود.
- سازه‌های امنیتی: در ساختمان‌های حساسی مثل مراکز نظامی، نیروگاه‌ها یا تاسیسات صنعتی که احتمال ضربه یا انفجار وجود دارد، از UHPC به خاطر مقاومت بالایش در برابر انفجار استفاده می‌شود.
طرح اختلاط بتن UHPC
در طرح اختلاط بتن uhpc تلاش می‌شود ترکیبی تولید گردد که تا حد امکان متراکم و بدون فضای خالی باشد. این نوع بتن، به گونه‌ای طراحی می‌شود که تحمل زیادی در برابر کشش داشته باشد و از همین رو، در سازه‌هایی به کار می‌رود که نیاز به استحکام بالایی دارند.
به دلیل ترکیب خاص این بتن، مقدار مصالحی که در ساخت آن استفاده می‌شود کمتر است، اما مقاومت و دوام سازه بیشتر از بتن‌های معمولی خواهد بود. نبود حفره‌های ریز در این بتن سبب می‌شود آب و هوا به سختی وارد آن گردند و در نتیجه، خوردگی در آن بسیار کم می‌شود. این ویژگی باعث شده تا UHPC به عنوان پوششی مناسب برای سطح پل‌ها استفاده شود؛ چرا که در برابر نمک‌های یخ‌زدا، مواد قلیایی و کلر مقاوم است.
همچنین، استفاده از پودرهای ریز و مواد نرم در ترکیب بتن، از ایجاد ترک‌های سطحی جلوگیری می‌کند و بخش‌های تقویت شده سازه را در برابر مواد شیمیایی محافظت می‌نماید.
روش‌های بتن ریزی و کیورینگ بتن UHPC
فرآیند بتن ریزی برای بتن فوق توانمند (UHPC)، تفاوت‌هایی اساسی با بتن‌های معمولی دارد و نیازمند دقت بسیار بالایی در هر مرحله ای از اجرای آن باشد. به دلیل وجود الیاف فلزی یا پلیمری در ترکیب این بتن، عملیات ریختن باید به شکلی برنامه‌ریزی گردد که جدایش این الیاف از ملات رخ ندهد. برای دستیابی به نتیجه‌ای بهینه، توصیه می‌شود بتن‌ریزی در یک مرحله و با حداقل تغییر محل، از یک نقطه آغاز شود تا از ایجاد درزهای سرد در سازه جلوگیری به عمل آید.
کاهش ارتعاشات مکانیکی در حین اجرا نیز بسیار مهم است، زیرا لرزش بیش از حد می‌تواند موجب عدم یکنواختی در توزیع الیاف و کاهش کیفیت نهایی بتن گردد. در روزهای ابتدایی پس از بتن‌ریزی، سطح بتن UHPC به سرعت رطوبت خود را از دست می‌دهد و همین موضوع ممکن هست که موجب ایجاد ترک‌های سطحی ناشی از جمع شدگی پلاستیکی شود. برای جلوگیری از این مسئله، لازم است بلافاصله پس از ریختن، سطح بتن پرداخت شده و به درستی پوشش داده شود.
یکی از موثرترین روش‌های عمل‌آوری در این زمینه، استفاده از بخار گرم است؛ این تکنیک نه تنها به تسریع روند کسب مقاومت اولیه کمک می‌کند، بلکه اثرات ناشی از خزش و جمع شدگی حجمی را نیز به حداقل می‌رساند. در اجرای بتن UHPC به خصوص در محیط‌های زیر آب، بسته به شرایط محل و ویژگی‌های سازه‌ای، می‌توان از چند روش مختلف زیر بهره گرفت:
- روش bag work (کیسه‌گذاری): در این شیوه سنتی، بتن روان داخل کیسه‌های کنفی نیمه پر ریخته می‌شود تا انعطاف لازم را داشته باشند. پس از چیدمان کیسه ها در محل مورد نظر، با استفاده از میلگرد آن‌ها را مسلح می‌کنند. این روش بیشتر برای ترمیم‌های موضعی و مقطعی مناسب می باشد.
- روش پشته سازی پیش رونده: در این روش، با توجه به شیب طبیعی زمین یا بستر دریا، از ناحیه‌ای که سطح آن از آب بیرون است شروع به بتن‌ریزی می شود و لایه‌های جدید بتن، لایه‌های پیشین را به سمت داخل آب می‌رانند. این فرایند تا رسیدن به حجم مورد نظر ادامه می‌یابد و در مناطقی با عمق کم و جریان آرام کاربرد دارد.
- روش پیش‌آکنده: در این روش ابتدا سنگدانه های درشت در قالب‌های ثابت ریخته می‌شود و سپس دوغاب ماسه سیمان از پایین قالب به داخل آن تزریق می‌گردد. این جریان دوغاب سبب خروج آب میان ذرات و جایگزینی آن با ملات می گردد. این تکنیک یکی از بهترین روش ها برای بتن ریزی زیر آب به شمار می‌رود.
- استفاده از جام های زیرآبی: در این روش بتن درون مخازنی با دهانه بسته ریخته می‌شود. مخزن به عمق مورد نظر انتقال یافته و سپس تخلیه می گردد. با اینکه اجرای این روش زمان‌بر است، در حجم‌های کم می‌تواند کاربردی باشد.
- روش قیف و لوله ترمی: ابتدا در پایین ترین نقطه قالب مقداری بتن ریخته می‌شود. سپس لوله‌ای به نام ترمی داخل بتن قرار می‌گیرد و در حین ریختن بتن جدید، لوله به آرامی بالا کشیده می‌شود تا ملات به شکل پیوسته و یکنواخت توزیع گردد. این روش برای جلوگیری از شسته شدن سیمان و پخش نشدن بتن در آب، کارایی زیادی دارد.
- پمپاژ بتن: در این شیوه، مخلوط بتن از طریق لوله‌هایی به نقاط مختلف قالب پمپاژ می‌شود و آب اضافی توسط سیستم تهویه خارج می گردد. در صورتی که عمق بتن‌ریزی زیاد بود، بایستی از سقوط آزاد بتن جلوگیری کرد چون می‌تواند باعث جداشدگی اجزای مخلوط گردد.
سخن پایانی
با در نظر گرفتن ویژگی‌های منحصر به فرد بتن فوق توانمند (UHPC)، می‌توان این ماده را یکی از دستاوردهای برجسته ی مهندسی مصالح در چند دهه ی اخیر دانست. مقاومت فشاری بسیار زیاد، دوام کم نظیر، و داشتن انعطاف پذیری در طراحی اش موجب شده تا UHPC به گزینه ی قابل اعتماد و خیلی خوبی برای پروژه‌های عمرانی پیشرفته و سازه‌های خاص تبدیل گردد. ترکیب دقیق مواد و فناوری به کاررفته در تولید این بتن، نه تنها عملکرد سازه را بهبود می‌بخشد، بلکه عمر مفید آن را نیز به طور چشمگیری افزایش می‌دهد. با توجه به ویژگی‌های خاص و مزایای اقتصادی و زیباشناختی بتن UHPC استفاده از آن در آینده ی صنعت ساخت و ساز نقش بسزایی خواهد داشت.
سوالات متداول
آیا بتن UHPC قابلیت بازیافت دارد؟
بله، بتن UHPC پس از تخریب سازه، قابلیت خرد شدن و استفاده مجدد به عنوان مصالح بازیافتی را دارد، هرچند فرآیند آن پیچیده تر از بتن معمولی است.
آیا می‌توان از بتن UHPC در مناطق زلزله خیز استفاده کرد؟
بله، خاصیت شکل پذیری و مقاومت بالای این محصول در برابر خمش باعث می‌شود که برای سازه‌های مقاوم در برابر زلزله گزینه خوب و مناسبی باشد.
زمان گیرش بتن UHPC چقدر است؟
زمان گیرش اولیه بتن UHPC بیشتر از بتن‌های معمولی است و بسته به ترکیب مواد، معمولاً بین ۶ تا ۱۲ ساعت طول می کشد.
آیا بتن UHPC عایق حرارتی و صوتی خوبی است؟
به طور معمول بتن UHPC عایق صوتی متوسطی دارد، ولی برای عایق حرارتی مناسب تر نیاز به افزودن مواد مکملی دارد.
هزینه ساخت با بتن UHPC نسبت به بتن معمولی چقدر بیشتر است؟
به طور کلی هزینه تولید UHPC حدود ۳ تا ۵ برابر بیشتر از بتن معمولی است، ولی در پروژه‌هایی با نیاز به دوام و طول عمر بالا، به صرفه تر خواهد بود.
آیا می توان بتن UHPC را در قالب‌های پیچیده استفاده کرد؟
بله، خاصیت روانی و شکل‌پذیری بالای این بتن امکان قالب‌گیری آن را در اشکال خاص و پیچیده فراهم می سازد.
