تأثیر بهینه‌سازی طرح اختلاط و میزان آب به سیمان در بتن‌های ناتراوا

وحید آقابالایی ، پولاد پوریکتا، مجتبی الماسی  و مرتضی حیدری

1- دانشجوی کارشناسی ارشد عمران-آبفا، دانشگاه صنعت آب و برق شهید عباسپور

2- دانشجوی کارشناسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی-واحد کرج

3- دانشجوی کارشناسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی-واحد کرج

4- دانشجوی کارشناسی ارشد عمران، شرکت آب و فاضلاب غرب استان تهران

 

چکیده مقاله

امروزه به‌کارگیری بتن‌های ناتراوا به منظور افزایش دوام و بهبود مشخصات فنی بتن‌های مورد استفاده در مخازن آبی از اهمیت زیادی برخوردار است. از طرفی با توجه به اجرای دشوار و عدم توجیه اقتصادی برخی فناوری‌های جدید مانند مواد پوششی، مطمئن‌ترین راه ناتراوا کردن بتن، بهینه‌سازی طرح اختلاط از طریق کاهش نسبت آب به مواد سیمانی و به‌کارگیری ژل میکروسیلیس تا حد رسیدن به کارایی مناسب، می‌باشد.

سوالات تحقیق:

در این مطالعه اثرات کاهش نسبت آب به مواد سیمانی و استفاده از ژل میکروسیلیس در مخلوط بتن به منظور بهینه‌سازی طرح اختلاط و در نهایت دستیابی به فاکتور‌های مطلوب دوام مورد بررسی قرار گرفته است.

روش تحقیق:

 در این راستا آزمایش‌های اسلامپ، مقاومت فشاری، جذب آب نیم ساعته و یک ساعته و بلند مدت و نیز تعیین مقاومت ویژه الکتریکی(با توجه به استانداردهای مربوطه) بر روی نمونه‌های مکعبی ساخته ‌شده از مخلوط‌های کنترل و آزمایشی صورت پذیرفت.

نتیجه گیری:

مقایسه‌ی نتایج نشان می‌دهد که بهترین و مطمئن‌ترین راه برای بالا بردن مقاومت فشاری، مقاومت ویژه الکتریکی و کاهش جذب آب و در نتیجه بهبود  ناتراوایی بتن، کاهش نسبت آب به سیمان از طریق به‌کارگیری ژل میکروسیلیس (به عنوان یک افزودنی چند منظوره) با در نظر گرفتن محدودیت‌های آیین‌ نامه‌ای می‌باشد.

کلمات کلیدی:  جذب آب، ژل میکروسیلیس، نسبت آب به مواد سیمانی، نفوذ ناپذیری، مقاومت ویژه الکتریکی.

 

1. مقدمه

در گذشته مقاومت فشاري تنها فاکتور تعيين‌ کننده خصوصيات بتن در نظرگرفته مي‌شد. همان‌طور که در مراجع گذشته نيز بدان اشاره شده است در مورد بتن سخت شده، عموماً مقاومت فشاری به عنوان معیار پذیرش در نظر گرفته می‌شود. تعیین مقاومت فشاری به عنوان یک مشخصه به این علت است که اندازه‌گیری آن نسبتاً آسان‌ است و تنها کیفیت آن را نشان می‌دهد. بنابراین مقاومت، تنها راه ساده‌ای است که برای ارزیابی و همسازی بتن با مشخصات در نظر گرفته می‌شود. علت دیگر انتخاب مقاومت فشاری این است که بسیاری از خواص دیگر بتن به مقاومت آن ارتباط پیدا می‌کند. به‌عنوان مثال وزن مخصوص، نفوذپذیری، تاحدی دوام، مقاومت در برابر فرسایش، مقاومت در برابر ضربه، مقاومت کششی، مقاومت در برابر سولفات‌ها و بعضی خواص دیگر با مقاومت ارتباط دارند. لیکن جمع‌شدگی، افت و تاحدی خزش این‌طور نیستند. البته نباید گفت که این خواص بتن صد در صد تابع مقاومت فشاری هستند. به‌عنوان مثال باید دقت شود که دوام بتن نه تنها با مقاومت که با پارامترهای دیگری نظیر نسبت آب به سیمان و مقدار سیمان در مخلوط نیز مربوط است. اما نکته اینجاست که عموماً بتن با مقاومت بالا خیلی از خواص بتن مطلوب را دارا می‌باشد. مطالعه در جزئیات این موارد از مباحثی است که تکنولوژی بتن به آن می‌پردازد.

در دو دهه گذشته خرابي‌هاي وسيعي در سازه‌هاي بتني در اثر مسائل دوام شيوع پيدا کرده است. برآورد خسارت اقتصادي در اثر چنين خرابي‌هايي به چندين ميليارد دلار رسيده است. امروزه با پيشرفت صنعت بتن، استانداردها و آيين‌نامه‌هاي معتبر بين‌المللي و داخلي براي ارزيابي خصوصيات مختلف بتن در شرايط محيطي متفاوت آزمايشات معيني را ارائه مي‌دهند. با توجه به الزامات آيين‌نامه‌اي، مانند نشريه 123(طراحي مخازن بتني نگهدارنده آب)، نشريه 428 ض مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن و همچنين آیين‌نامه‌هاي بتن ايران(آبا)، استاندارد کانادا(CSA) و آيين‌نامه بتن آمريکا(ACI)، حداکثر نسبت آب به سيمان در برخي منابع 4/0 و در برخي ديگر 45/0 مي‌باشد که بتن ساخته شده با اين نسبت آب به سيمان از کارايي و رواني مناسب برخوردار نبوده و در حين اجرا با کاهش مقاومت و دوام همراه مي‌شود.پيشرفت علم بتن، نقش مهم و اساسي استفاده از مواد پوزولاني و کاهنده آب در بهبود طرح اختلاط را ثابت کرده است.

پوزولان‌ها در طرح مخلوط بتن از طریق واکنش با هیدروکسیدکلسیم و آب خصوصیات سیمانی را بهبود مي‌بخشند. همچنین برخی از پوزولان‌ها از انبساط ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه و نیز حملات سولفات‌ها و کلریدها جلوگیری می‌کنند. براي بهبود در کارايي لزوماً نيازي به افزايش اسلامپ يا ضريب تراکم نمي‌باشد، در حقیقت افزودن پوزولان‌ها علي‌رغم بالابردن آب اختلاط در رواني برابر، موجب ساخت بتني با چسبندگي بيشتر و نياز به تلاش کمتر براي تراکم مي‌باشد. به‌طور عمومی استفاده از پوزولان‌ها در افزایش کارایی مخلوط‌های خشن و کم‌سیمان مؤثر می‌باشد.

لذا در صنعت بتن به ‌ويژه در ساخت بتن ناتروا استفاده از مواد پوزولاني کارآمد نظیر ميکروسيليس، زئوليت، خاکستر بادي کم‌کلسیم و پرکلسیم، روباره آهنگدازي، نانوذرات و... در جهت نفوذناپذيرکردن بتن و افزايش فاکتورهاي مقاومت ویژه الکتريکي، جذب آب و مقاومت فشاري بتن ضروری می‌باشد که افزایش این عوامل، بهبود دوام بتن را نتیجه می‌دهد.

همچنين محصولات جانبی صنایع نظیرخاکستر لجن کاغذ، تفاله و کاه نیشکر خاکستر کاه گندم، خاکستر پوسته برنج، آجر شکسته، ضایعات پودر شیشه و خاکستر لجن فاضلاب به صورت بالقوه می‌تواند به عنوان مواد پوزولانی مورد استفاده قرار گيرد.

هدف از اين مقاله بررسي راه‌هاي ناتراوا کردن بتن با استفاده از ميکروسيليس(به عنوان يکي از توانمندترين مواد پوزولاني با بيش از 90% سیلیس آمورف)، مواد کاهنده آب و بهبود طرح اختلاط مي‌باشد که در اين راستا از نتایج آزمایشات جذب آب، مقاومت ویژه الکتريکي و مقاومت فشاري بتن استفاده شده است.

نکته بسیار مهم در استفاده از میکروسیلیس این است که قبل از استفاده باید کاملاً به صورت دوغاب درآید. دوغاب بایستی کاملاً روان و عاری از ذرات به‌هم چسبیده دوده سیلیسی باشد، زیرا چسبیدن این مواد به یکدیگر با توجه به ریزی بسیار زیادی که دارد به عنوان سیلیس فعال در واکنش با قلیایی‌ها عمل کرده و باعث خرابی ناشی از واکنش سیلیسی-قلیایی می‌گردد، لذا بهتر است دوده سیلیسی را با مقداری از آب و روان‌کننده و یا فوق‌روان‌کننده مصرفی به صورت دوغاب درآورد. با توجه به مطالب ذکر شده در این پژوهش از ژل‌میکروسیلیس استفاده گردیده که موجب کاهش مشکلات اجرایی، محیط‌زیستی و... می‌گردد.

2. آزمايشات

يکي از ملاحظات مهم طراحي مخازن ذخيره زميني، کنترل خوردگي مي‌باشد. حذف کل جامدات محلول از آب، نمک زدايي ناميده مي‌شود. شوري آب خام بسته به منبع آب متغير است. ميزان شوري بر حسب ميلي‌گرم در ليتر کل جامدات محلول(TDS)، يون کلر(Cl ) يا نمک معمولي (NaCl) بيان مي‌شود.

مخازن ذخیره آب می‌تواند آبی با TDS بالا را در خود ذخیره کند و سپس با استفاده از فرآیندهای غشایی مانند RO، می توانیمTDS  آب را کاهش دهیم، لذا از این لحاظ نیز ناتراوا کردن بتن در این مخازن امری ضروری می‌باشد. با توجه به این‌که TDS، میزان یون‌های کلر، سولفات و... در آب را نشان می‌دهد، می‌بایست همانند سواحل خلیج فارس و دریای عمان علاوه بر ناتراوا کردن بتن سایر مشخصه‌های دوام را نیز لحاظ گردد، که در این راستا به‌کارگیری آزمون مقاومت ویژه الکتریکی به‌عنوان یکی از پارامترهای تعیین کننده دوام مورد بررسی قرار گرفته است.

1.2. استانداردها و روش‌های آزمون به‌کار برده شده

نمونه‌برداري از بتن تازه طبق استاندارد BS EN12350-1:2000، آزمايش اسلامپ طبق استاندارد BS EN12350-2:2000، ساخت و عمل‌آوري نمونه‌ها براي آزمايش‌هاي مقاومت طبق استاندارد BS EN12390-2:2000، آزمايش مقاومت فشاري بتن طبق استاندارد BS EN 12390-3:2002، آزمايش جذب آب کوتاه مدت و بلند مدت بتن طبق استاندارد BS1881-122:1983 (در آزمايش جذب آب بلند مدت نيز نمونه‌ها به مدت 72 ساعت داخل آب قرار گرفتند)، لازم به‌ذکر است در توصیه‌های CIRIA برای مناطق عربی و حاشیه‌ی خلیج فارس و دریای سرخ و ...، حداکثر جذب آب کوتاه مدت طبق استاندارد فوق، 2% مطرح شده است. آزمايش مقاومت ویژه الکتريکي بتن که این آزمایش بر اساس جسمي به حجم واحد و مقطع ثابت در برابر جرياني که به طور يکنواخت و پيوسته از آن عبور مي‌کند تعريف مي‌شود. مقاومت ویژه الکتريکي از رابطه 1 به‌دست مي‌آيد. برطبق آیین نامه ACI 222-05 رابطه بين مقاومت ویژه الکتريکي بتن و سرعت خوردگي در جدول 1 آمده است.             که در آن R مقاومت اندازه‌گيري شده از آزمايش بر حسب اهم، A سطح مقطع عبوري جريان بر حسب مترمربع و L طول نمونه بر حسب متر مي‌باشد.

 

سرعت خوردگي	مقاومت ویژه الکتريکي (Ω.m)
خيلي زياد	کمتر از 50
زياد	بين 50 تا 100
متوسط تا کم	بين 100 تا 200
کم	بيش از 200

جدول 1- رابطه بين مقاومت ویژه الکتريکي بتن و سرعت خوردگي

 

2.2. مصالح مورد استفاده

در آزمايش‌هاي صورت گرفته از شن بادامي طبيعي با حداکثر سايز 25 ميلي‌متر، شن نخودي طبيعي با حداکثر سايز 5/12 ميلي‌متر، ماسه طبيعي 7-0 ميلي‌متر با مدول نرمي 95/3، سيمان پرتلند تيپ‌2، ژل‌ميکروسيلس نوع A و B و آب شرب شهری استفاده شده است.

3.2. طرح اختلاط

با توجه به ضوابط آيين‌نامه‌ها و محدوديت آب به مواد سيماني و طرح شماره VMPM01 که از کارايي مناسب برخوردار نبود و توجه به این موضوع که به دليل اجراي نامناسب، افت کيفيت بتن حاصل مي‌شود لذا استفاده از یک افزودنی در بتن برای بهبود کارایی(با حفظ نسبت آب به سیمان در محدوده مجاز) در بتن های ناتراوا امری ضروری و اجتناب ناپذیر است. اجرای نامناسب و ضعیف بتن به‌ویژه در ارتباط با ریختن، تراکم و عمل‌آوری آن می‌تواند مزایای طراحی خوب و انتخاب مصالح مناسب را بی‌اثر سازد و دوام موردنظر به هیچ‌ وجه تأمین نگردد]17[. اطلاعات برگرفته از اسناد بيمه نشان مي‌دهد صدمات حين ساخت و طراحي ضعيف، مقادير بالايي از هزينه تعمير(88%) را به خود اختصاص داده است]2[. بنابراين استفاده از مواد کاهنده آب براي رسيدن به کارايي مناسب و همچنين رعايت نمودن ضوابط آيين‌نامه‌اي در خصوص نسبت آب به مواد سيماني ضروري مي‌باشد.

با مقايسه نتايج طرح‌هاي اختلاط VMPM02 و VMPM03 ژل ميکروسيليس نوع B به دليل ايجاد کارايي مناسب‌تر انتخاب شده و سپس با کاهش نسبت آب به سیمان در طرح اختلاط VMPM04 سعي بر بهبود کيفيت بتن از لحاظ خصوصيات دوام و مقاومت فشاري نسبت به طرح VMPM03 گرديد و براي مقايسه تأثير نسبت آب به سيمان بر دوام و مقاومت فشاري بتن، در رواني برابر، طرح VMPM05 ساخته شد تا با طرحVMPM04 مقايسه گردد. شايان ذکر است که از هر کدام از طرح‌هاي اختلاط هفت نمونه بتني 15 12أ—"> 15 قالب‌گیری شده و مورد آزمايش قرارگرفت. شرح طرح اختلاط‌هاي بتن در جدول 2 آورده شده است.

 

 

نام طرح	شن بادامي (SSD) (Kg/m3)	شن نخودی (SSD) (Kg/m3)	ماسه (SSD) (Kg/m3)	سيمان (Kg/m3)	نوع افزودني	درصد افزودني (نسبت به وزن سیمان)	اسلامپ (cm)	نسبت آب به سيمان
VMPM01	553	199	1060	400	-	-	بدون اسلامپ	4/0
VMPM02	535	193	1027	400	A	7%	9	4/0
VMPM03	536	193	1028	400	B	7%	19	4/0
VMPM04	549	198	1053	400	B	7%	10	36/0
VMPM05	527	190	1011	400	-	-	9	48/0

جدول 2- طرح‌هاي اختلاط بتن

3.نتایج

نتايج آزمايشات جذب آب کوتاه مدت نيم ساعته، يک ساعته و بلند مدت نمونه‌هاي بتني با جزئيات در جدول 3 آورده شده است. همچنين با توجه به اين امر که استفاده از مواد پوزولاني جايگزين سيمان عمداً موجب تأخير در روند کسب مقاومت بتن مي‌گردد(در مقايسه با بتن‌هاي فاقد مواد پوزولاني‌) لذا مقاومت‌هاي فشاري دو نوع بتن حاوي و فاقد مواد پوزولاني به ترتيب در سنين 45 الي90 روزه و 28 روزه با يکديگر مقايسه مي‌گردد. لذا آزمايشات مقاومت فشاري در سنين 11 و 45 روزه صورت گرفته و نتایج آن درجدول 4 شرح داده شده است.

 

نام طرح	VMPM01	VMPM02	VMPM03	VMPM04	VMPM05
سن نمونه (days)	45	45	45	45	45
وزن خشک نمونه (gr)	7975	7950	7935	7910	7850
وزن نمونه‌ها بعد از نيم ساعت قرار دادن در آب (gr)	8075	8035	8075	7995	8020
وزن نمونه‌ها بعد از يک ساعت قرار دادن در آب (gr)	8095	8050	8115	8015	8075
وزن نمونه‌ها بعد از سه روز قرار دادن در آب (بلند مدت) (gr)	8200	8187	8195	8115	8150
وزن آب جذب شده نيم ساعته (gr)	100	85	141	85	170
وزن آب جذب شده يک ساعته (gr)	120	100	180	105	225
وزن آب جذب شده بلند مدت (gr)	225	228	260	205	300
درصد جذب آب نيم ساعته	25/1	07/1	76/1	07/1	17/2
درصد جذب آب یک ساعته	50/1	26/1	27/2	33/1	87/2
درصد جذب آب بلند مدت	82/2	87/2	28/3	59/2	82/3

جدول 3- نتايج جذب آب کوتاه مدت نيم ساعته، يک ساعته و بلند مدت

 

نام طرح	اسلامپ (cm)	سن نمونه (days)	وزن مخصوص نمونه (gr/cm3)	متوسط نیروی وارده (kg)	متوسط مقاومت فشاری نمونه‌های مکعبی 15 12أ—"> 15 (kg/cm2)
VMPM01	-	11	39/2	75000	329
		45	39/2	97000	425
VMPM02	9	11	38/2	84000	368
		45	39/2	110000	476
VMPM03	19	11	38/2	81000	360
		45	38/2	102000	453
VMPM04	10	11	40/2	112000	491
		45	41/2	132000	583
VMPM05	9	11	34/2	62000	272
		42	34/2	85000	375

جدول 4- نتايج مقاومت فشاری

 

آزمایش مقاومت ویژه الکتریکی نمونه‌ها در سن 45 روزه انجام گرفت و نتایج حاصل به شرح، در جدول 5 آورده شده است.

 

نام طرح	شماره نمونه	مقاومت اندازه‌گیری شده (Ω)	سطح مقطع عبور جریان (cm2)	طول نمونه (cm)	مقاومت ویژه الکتریکی(Ω.m)	سرعت خوردگی
VMPM01	1	881	5/226	1/15	1/132	متوسط تا کم
	2	687	228	15	4/104	متوسط تا کم
VMPM02	1	1400	228	1/15	2/211	کم
	2	1400	225	15	0/210	کم
VMPM03	1	685	5/226	9/14	1/104	متوسط تا کم
	2	754	5/229	15	4/115	متوسط تا کم
VMPM04	1	1400	228	9/14	2/214	کم
	2	1500	228	15	0/228	کم
VMPM05	1	624	5/229	15	5/95	زیاد
	2	481	5/226	15	6/72	زیاد

جدول 5- نتايج مقاومت ویژه الکتريکي

 

4.تحلیل و بررسی نتايج

در یک نسبت آب به سیمان در روانی برابر و حد ماکزیمم آیین‌نامه 4/0W/C= و استفاده از 2 نوع افزودنی ژل‌میکروسیلیس با میزان مصرف یکسان از دو کارخانه متفاوت، طرحVMPM02  علی‌رغم برخورداری از جذب آب کمتر و مقاومت ویژه الکتریکی بیشتر نسبت به طرحVMPM03 ، از کارایی مناسبی برخوردار نبوده و کارایی مورد نیاز برای اجرای آسان تأمین نگردیده و با توجه به اینکه کارایی بهتر با بالا بردن میزان مصرف ماده افزودنی تأمین گردیده که این موضوع از نظر اقتصادی مناسب نمی‌باشد، بنابراین در ادامه کار از ژل‌میکروسیلیس B استفاده شده است.

طرح VMPM04 جهت مقایسه با طرح VMPM03 با تغییر در نسبت آب به سیمان از مقدار 4/0 به 36/0 ساخته شد که نتیجه آن تغییر اسلامپ از 19 سانتیمتر به 10 سانتیمتر(همان اسلامپ حدود طرح VMPM02) بوده که این کاهش در نسبت آب به سیمان بهبود مقاومت فشاری، مقاومت ویژه الکتریکی و جذب آب را به همراه داشت. 

مقایسه دو طرح VMPM01 وVMPM05  نشان می‌دهد که با افزایش 8 درصدی در نسبت آب به سیمان، مقاومت فشاری حدود 8/11 و مقاومت ویژه الکتریکی 9/28 درصد کاهش یافته و درصد جذب آب بلند مدت 5/35 درصد افزایش یافته است. بر طبق نتايج آزمايشات، طرح شماره VMPM05 با توجه به توصیه CIRIA در خصوص محدودیت جذب آب کوتاه مدت و مقاومت ویژه الکتريکي طبق آیین‌نامه ACI 222-05 در محدوده خيلي ضعيف(سرعت خوردگي آرماتور زياد) قرار مي‌گيرد.

دو طرحVMPM04  وVMPM05  نشان می‌دهد که در یک روانی برابر، مقاومت فشاری و مقاومت ویژه الکتریکی بتن حاوی ژل‌میکروسیلیس(به میزان 7 درصد وزنی سیمان) با نسبت آب به سیمان 36/0 در مقایسه با بتن فاقد ماده افزودنی و با نسبت آب به سیمان 48/0 به ترتیب حدود 5/55 و1/163 درصد افزایش یافته و نیز جذب آب بلند مدت 2/32 درصد کاهش یافته است.

با توجه به خط برازش شده و ضريب همبستگي 75/0 از شکل‌های 1 و 2 نتيجه مي‌گيريم رابطه معناداري بين مقاومت فشاري و مقاومت ویژه الکتريکي وجود دارد و با افزايش قابل توجه مقاومت فشاري در طرح شماره VMPM04 نسبت به VMPM02 مقاومت ویژه الکتريکی نیز هر چند ناچیز، افزایش پیدا کرده است.

 

شکل 1- رابطه بين مقاومت ویژه الکتريکي و مقاومت فشاري 11 روزه

 

شکل 2- رابطه بين مقاومت ویژه الکتريکي و مقاومت فشاري 45 روزه

 

با توجه به خط برازش شده از شکل‌هاي 3، 4 و 5 می‌توان نتيجه گرفت جذب آب نمونه‌هاي بتني نیز رابطه معني‌داري با مقاومت الکتريکي دارد به طوري که هرچه جذب آب و نفوذپذيري بتن کاهش مي‌يابد مقاومت ویژه الکتريکي افزايش مي‌يابد که اين موضوع در جذب آب نیم ساعته به صورت مشهودي نمايان است.

 

شکل 3- رابطه بين مقاومت ویژه الکتريکي و جذب آب نيم ساعته

 

شکل 4- رابطه بين مقاومت ویژه الکتريکي و جذب آب یک ساعته

 

نمودار 5–رابطه بين مقاومت ویژه الکتريکي و جذب آب بلند مدت

 

5. نتيجه گيري

نتايج آزمايشات صورت گرفته نشان مي‌دهد برای بهبود دوام مخازن بتني ذخيره آب، کاهش نسبت آب به سيمان و استفاده از ميکروسيليس به عنوان يک پوزولان کارآمد(از طریق استفاده از ژل ميکروسيليس به عنوان یک افزودنی چند منظوره) در ساخت بتن ناتراوا بسيار مفيد و ضروري مي‌باشد. طبق ضوابط آيين‌نامه‌اي و خصوصاً محدوديت نسبت آب به سيمان استفاده از کاهنده‌هاي قوي آب اجتناب ناپذير مي‌باشد. نتايج(به ويژه طرح VMPM05) نشان مي‌دهدکه با خارج شدن نسبت آب به سيمان از محدوده آيين‌نامه، نتايج مقاومت فشاري، مقاومت ویژه الکتريکي، جذب آب کوتاه مدت و بلند مدت بتن از محدوده استانداردها خارج مي‌گردد و در صورتي که اين نسبت با استفاده از ژل ميکروسيليس کمتر از 4/0 برسد پارامترهاي فوق بهبود مي‌يابد.