چاپ
مشاهده در قالب پی دی اف
01
بهمن

شرایط بتن ریزی در هوای سرد

نوشته شده توسط نیما امینیان on 01 بهمن 1391.

در برخی از پروژه ها مشاهده می شود ساخت بتن گرم و یا مصرف مواد زودگیر کننده (که به غلط مصطلح ضد یخ بتن نام دارند) تنها راه چاره برای اجرای بتن در هوای سرد می باشد که این از اغلاط تکنولوژی بتن می باشد.

جناب آقاي مهندس شيباني
عضو محترم انجمن بتن ايران و مديرتحقيق و توسعه شركت آپتوس ايران

    باسلام و احترام، بازگشت به پرسش جنابعالي در باره اقدامات لازم جهت بتن ريزي در هواي سرد به شماره 151-91 مورخ 20/10/91  پاسخ زير تقديم مي گردد.
1 ـ در ابتدا بايد گفت بتن ريزي در هواي سرد الزاماً به معناي وجود شرايط يخ بندان نيست و تعريف موجود در ACI306R و آئين نامه بتن ايران و مبحث نهم مقررات ملي ساختماني ايران الزاماً در برگيرنده يخ بندان نيست. وقتي دماي ميانگين روزانه سه روز متوالي كمتر از 5+ درجه سانتي گراد باشد و بيش از نصف شبانه روز دما بالاتر از 10 درجه سانتي گراد نباشد، شرايط هواي سرد برقرار خواهد بود و دراين تعريف اثري از يخبندان وجود ندارد.
2 ـ يكي از مهمترين اقدامات براي بتن ريزي در اين شرايط ساخت بتن با دماي مناسب است به نحوي كه در هنگام ريختن، دماي مطلوبي را داشته باشد و هيدراته شدن سيمان با روند مناسبي ادامه يابد. هر چند حداقل دماي بتن براي انجام هيدراته شدن سيمان برابر 5+ درجه سانتي گراد است اما براي احتياط دماي هنگام ريختن و نگهداري بتن بويژه براي قطعاتي با حداقل ضخامت كم، بيش از 5+ درجه سانتي گراد منظور شده است. در ابا و مقررات ملي به پيروي از ACI306R حداقل دماي ريختن و نگهداري، بسته به ضخامت قطعه به شرح زير داده شده است كه به دماي هواي محيط ارتباطي ندارد.

حداقل ضخامت قطعه     كمتر از 300ميلي متر     300تا900 ميلي متر     900تا1800ميلي متر    بيش از 1800 ميلي متر
حداقل دماي ريختن و نگهداري بتن C◦    13    10    7    5

اكيداً توصيه مي شود حداكثر دماي بتن در هنگام ريختن بتن بيش از 11 درجه سانتيگراد بالاتر از حداقل فوق نباشد.
3ـ براي داشتن دماي مناسب در هنگام ريختن بتن در هواي سرد حتماً بايد بتني با دماي بالاتر ساخته شود. بالاتر بودن دماي بتن در هنگام ساخت به دماي هواي مجاور و مدت حمل و نوع وسيله حمل و برخي عوامل ديگر بستگي دارد. در ACI306R حداقل دماي ساخت براي حدود يكساعت حمل با تراك ميكسر در سه محدوده دماي محيط داده شده است كه با كاهش دماهاي محيط، دماي ساخت بتن افزايش مي يابد.
در دماي بيش از 1ـ درجه سانتي گراد 2تا3 درجه سانتيگراد به حداقل دماهاي جدول فوق اضافه مي گردد.
در دماي 1ـ تا 18ـ درجه سانتيگراد 5تا6 درجه سانتيگراد به حداقل دماهاي جدول فوق اضافه مي گردد.
در دماي كمتر از 18- درجه سانتيگراد 8 تا 9 درجه سانتيگراد به حداقل دماهاي جدول فوق اضافه مي شود.
 گفته شده است كه حداكثر دماي ساخت بتن نبايد بيش از 8 درجه سانتيگراد بالاتر حداقل دماي ساخت بتن باشد.
4 ـ براي علاقمندان به داشتن اطلاعات بيشتر، لازم به ذكر است كه انجمن تحقيقات بتن سوئد رابطه اي تجربي در دهه 60 ميلادي ارائه داده شده است كه ACI306R از آن بهره گرفته است. اين رابطه را مي توان به شكل زير ارائه داد.
Δt=KD(tr-ta)
Δt افت دماي بتن، K ضريب نوع وسيله حمل ، D مدت حمل (ساخت تاريختن) برحسب ساعت tr دماي ريختن و ta دماي هواي مجاور مي باشد.
K براي وسيله چرخان (تراك ميكسر)در حدود 25/0، براي وسيله غير چرخان و روباز در حدود17/0 و براي وسيله غير چرخان و سرپوشيده 1/0 منظور مي شود.
براي مثال اگر بخواهيم بتني را با حداقل دماي 13 درجه سانتي گراد در دماي 7ـ درجه سانتي گراد بريزيم و مدت حمل آن نيم ساعت با تراك ميكسر باشد داريم:
C◦5/2=(7+13)5/0*25/0=Δt
5/15=5/2+13 =Δt +tr tm=
بنابراين حداقل دماي ساخت آن 5/15 درجه خواهد بود در حالي كه آبا و مقررات ملي حداقل دماي ساخت بتن را دراين شرايط 18 درجه سانتيگراد اعلام نموده اند.
اگر مدت حمل را يكساعت و دماي هوا را همان 7ـ درجه سانتيگراد بگيريم حداقل دماي ساخت همان 18 درجه سانتي گراد مي شود.
5 ـ پس از بتن ريزي با دماي مناسب، لازم است تدابيري اتخاذ شود تا حداقل دماي عمل آوري (نگهداري) قيد شده در جدول بند 2 تامين گردد. ايجاد گرما با وسيله اي مناسب و يا ايجاد پوشش عايق گرما در سطح بتن از جمله اقدامات مهمي است كه بايد انجام گيرد.
بديهي است اين بخش از عمليات اجرائي بعهده مجري و خريدار بتن پس از ريختن آن خواهد بود و به توليد كننده و تحويل دهنده بتن آماده ربطي ندارد.
عمل آوري بتن با حداقل دماي مورد نظر يا بيش از آن بايد دست كم آنقدر ادامه يابد كه به حداقل مقاومت Mpa 5 استوانه اي دست يابيم. اين مقاومت در ACI برابر Mpa5/3 داده شده است كه به احتمال قوي مربوط به بتن حبابدار مي باشد.
با تهيه آزمونه هاي آگاهي و نگهداري آنها در شرايط واقعي عمل آوري مي توان از دستيابي به مقاومت مورد نظر اطلاع يافت.
مقاومت فوق الذكر حداقل مقاومتي است كه اولين يخ بندان زودهنگام نتواند به بتن آسيب رساند. بديهي است براي دستيابي به مقاومت مورد نياز سازه اي يا تامين دوام لازم، نياز به عمل آوري اضافي وجود خواهد داشت.
6 ـ دستيابي به حداقل مقاومت مورد  نياز براي جلوگيري از بروز آسيب زودهنگام ناشي از يخبندان به عوامل مختلفي بستگي دارد. اين عوامل مي تواند بصورت دروني و يا بيروني باشد. نوع و جنس سيمان از نظر آهنگ هيدراته شدن، نسبت آب به سيمان، عيار سيمان، نوع مواد افزودني، دماي اوليه بتن در هنگام ريختن، دماي عمل آوري بتن و يا محيط مجاور آن از جمله عوامل مهم و تاثيرگذار بر روند كسب مقاومت بتن تلقي مي شود.
استفاده از سيمانهائي با آهنگ هيدراته شدن سريع تر مانند سيمان پرتلند 425ـ1 و بويژه سيمان پرتلند 525ـ1 و نوع 3 مي تواند بسيار موثر باشد كه در حال حاضر در ايران سيمان پرتلند نوع 3 توليد نمي شود اما سيمان پرتلند 525-1 بخوبي مي تواند جايگزين مناسبي تلقي شود و مدت عمل آوري را بشدت كاهش دهد.
افزايش عيار سيمان به ميزان Kg/m360 در ACI306R راهكاري براي كاهش مدت عمل آوري به شمار مي آيد.اما ممكن است در برخي موارد به دليل افزايش جمع شدگي و ترك خوردگي و يا افزايش دماي مغز بتن و زياد شدن گراديان حرارتي و تنش هاي حرارتي به ترك خوردگي منجر گردد. بهرحال افزايش عيار سيمان به گرمازائي بيشتر مي انجامد كه به نوبه خود به عمل آوري حرارتي بهتر منجر مي شود.
مصرف مواد زودگيركننده يا زود سخت كننده (Accelerator) از جمله راهكارهاي موثر براي كاهش مدت عمل آوري است. اين مواد در بازار مواد افزودني ايران به غلط مواد ضد يخ خوانده مي شوند. اين مواد تفاوت خاصي از نظر كاهش نقطه انجماد بتن با ساير مواد افزودني ندارند و عملاً با توجه به ميزان مصرف آنها نقطه انجماد بتن را بيش از 2 درجه سانتيگراد پائين نمي آورد مسلماً با مصرف اين مواد، نمي توان در نحوه عمل آوري تجديد نظر كرد و لازم است حداقل دماي عمل آوري بتن طبق آبا و مقررات ملي تامين شود و نمي توان بتن را در محيط سرد مجاور رها نمود.
نبايد تصور نمود كه بتن در دماي صفر يخ مي زند بلكه بتن هاي عادي عملاً در فشار عادي كنار دريا در دماي 2ـ درجه سانتيگراد يخ خواهد زد. بتن در صورتيكه حتي يخ نزند پيشرفت مقاومتي محسوسي نخواهد داشت و آسيب پذير باقي مي ماند و آئين نامه هاي معتبر دنيا چنين حالتي را مجاز نمي شمارند.
افزايش دماي عمل آوري بتن نيز عاملي جدي و تاثيرگذار بر كاهش مدت عمل آوري است و آئين نامه ها حداقل دماي خاصي را براي عمل آوري تجويز مي كنند. با استفاده از رابطه بلوغ بتن مي توان تا حدود زيادي تاثير اين عامل را مشاهده نمود.
كاهش نسبت آب به سيمان علاوه بر افزايش مقاومت، باعث افزايش آهنگ كسب مقاومت نيز مي شود. افزايش عيار سيمان در حالي كه مقدار آب ثابت بماند معناي كاهش نسبت آب به سيمان را خواهد داشت كه قبلاً در مورد آن بحث شد اما در اين جا به شگرد ديگر يعني كاهش آب براي كاهش نسب آب به سيمان نظر داريم. اينكار با مصرف روان كننده يا فوق روان كننده مي تواند عملي شود. بديهي است كه روان كننده يا فوق روان كننده ديرگير براي اين امر مناسب نمي باشد. امروزه با استفاده از پلي كربوكسيلاتها مي توان بخوبي به اين هدف دست يافت و رشد مقاومت هاي اوليه را باعث گرديد.
راهكار ديگر افزايش دماي اوليه بتن در هنگام ريختن مي باشد كه به افزايش مقاومت هاي اوليه مي انجامد اما بدلائل مختلفي، اجازه نداده نشده است كه اين دما به شدت بالا رود كه محدوديت آن قبلاً در بند 2 ذكر گرديد. ضمناً بايد گفت كه افزايش دماي ساخت و ريختن بتن در هواي سرد نيز بسيار مشكل خواهد بود و هزينه زيادي را در بر دارد و توصيه نمي شود.
7 ـ براي دستيابي به دماي مطلوب در هنگام ساخت بتن بدليل پائين بودن دماي مصالح مصرفي (سيمان، سنگدانه و آب)، لازم است اقدامات خاصي را به انجام رسانيد.
بهترين و مهمترين اقدام، پيشگيري از كاهش شديد دماي آنها (بويژه سنگدانه و آب) مي باشد كه راه حلي ساده و ارزان قيمت محسوب مي شود اما معمولاً كفايت نمي كند و تمهيدات ديگري را مي طلبد.
استفاده از مخازن آب مدفون در زمين و يا بخوبي عايق بندي شده كمك مي كند تا انرژي و وقت كمتري صرف بالا بردن دماي آن شود. گاه ممكن است آب در مخازن رو زميني يخ بزند و مشكلات جدي براي ساخت بتن بوجود آورد. چنانچه بتوان دماي آب را در زمستان در محدوده 2±15 درجه سانتيگراد در مخازن مناسب حفظ نمود كاري اساسي تلقي مي شود.
سنگدانه ها بويژه درشب هنگام مي تواند بسيار سرد شود و حتي در صورت مرطوب بودن سنگدانه ها ممكن است يخ بزند. در صورت يخ زدن سنگدانه ها، انرژي زيادي بايد صرف شود تا يخ سنگدانه آب شود و سپس انرژي ديگري لازم است تا به دماي مطلوب برسد و اين حجم انرژي زياد است كه كار را مشكل مي كند.
هر گرم آب براي اينكه يك درجه گرمتر شود يك كالري گرما نياز دارد در حالي كه يخ صفر درجه براي تبديل به اب صفردرجه نياز به 80 كالري گرما دارد كه شناخت عمق اين مشكل باعث مي شود تا نگذاريم آب سنگدانه يخ بزند و اين امر موجب مي شود تا ساخت بتن با دماي مناسب و مطلوب ساده تر شود.
ايجاد پوشش براي سنگدانه بويژه اگر پوشش عايق گرما بكار رود مطلوب است. اگر در هنگام روز دماي سنگدانه بالاتر از حد يخ زدن باشد و بتوان آن را بخوبي حفظ نمود تا يخ نزند و يا لايه نازكي بصورت يخ زده در آيد اقدامات انجام شده موفقيت آميز خواهد بود. ايجاد پوشش مي تواند از افزايش رطوبت سنگدانه ها در هنگام بارندگي نيز جلوگيري نمايد. از آنجا كه ابزار ساخت  بتن با دماي مناسب، آب گرم است. وجود رطوبت زياد در سنگدانه ها، مصرف آب را محدود مي كند بنابراين ابزار لازم از دست مي رود.
8 ـ بسياري از مهندسين مي پرسند كه چگونه مي توان دماي بتن را پيش بيني نمود و يا دماي لازم براي آب گرم جهت توليد بتن با دماي مطلوب چگونه بايد مشخص گردد.
زماني كه چند ماده مختلف با يكديگر مخلوط شوند تبادل گرمائي خواهند داشت كه جرم، ظرفيت گرمائي (گرماي ويژه) و دماي آنها در اين تبادل موثرند و به دماي تعادل خاصي منجر مي شود كه در فيزيك حرارت بدان پرداخته شده است.
اگر در اين مدت گرمائي هدر نرود و ظرف اختلاط نيز در اين مدت در تبادل شركت نكند! دماي تعادل به سهولت با رابطه مربوطه بدست مي آيد.
در مورد بتن مي توان اين رابطه را بصورت زير بصورت دقيق تر و كاملتري نسبت به ACI چنين نوشت
     = Tm

Tw.TG,Ts,Tc,Tm به ترتيب دماي تعادل بتن، دماي سيمان ، دماي ماسه، دماي شن و دماي آب مصرفي است. هم چنين WG,Ws,Wm,Gd,Sd,C به ترتيب جرم سيمان، جرم ماسه خشك، جرم شن خشك، جرم آب مصرفي ساخت بتن، جرم رطوبت موجود درماسه و رطوبت موجود در شن برحسب كيلوگرم در متر مكعب مي باشد.
در اين رابطه عدد 22/0 گرماي ويژه سيمان، ماسه و شن برحسب كيلوكالري بر گيلوگرم است و گرماي ويژه آب كه در سه جمله بعدي (در صورت و مخرج) ضرب مي شود، 1 كيلوكالري بر كيلوگرم فرض شده است. گرماي ويژه شن و ماسه ها بسته به جنس آنها مي تواند در محدوده 17/0 تا 24/0 تغيير كند اما بصورت متوسط و براي سهولت معادل گرماي ويژه سيمان يعني 22/0 منظور مي شود.
اين رابطه تا جائي صادق است كه رطوبت سنگدانه ها بصورت يخ زده نباشد. اگر رطوبت سنگدانه ها بصورت يخ زده در آيد به جاي دو عبارت Ws.Ts و WG.TG ، عبارات Wsi(0.5Ts- 80) و      WGI(0.5TG-80) جايگزين مي شود. كه در اينجا گرماي ويژه يخ  5/0 و گرماي نهان ذوب يخ   80 مي باشد.
وقتي در رابطه فوق دماي مطلوب بتن در هنگام ساخت قرار گيرد مي توان Tw يعني دماي آب گرم مصرفي را مشخص نمود.
9 ـ براي درك بهتر لازم است مثالي را دراينجا ذكر كنيم.
اقدام براي ساخت بتني جهت ريختن در يك سقف كامپوزيت يا تيرچه بلوك در زماني كه دماي هوا 3- درجه سانتيگراد مي باشد و مدت حمل بتن و معطلي ها در هنگام ريختن 5/1 ساعت است ضرورت دارد. وسيله حمل بتن تراك ميكسر مي باشد.


طرح مخلوط بتن و اطلاعات رطوبتي و دمائي مصالح مصرفي در جدول زير ارائه شده است.

مصالخ مصرفي
                                          شرايط    سيمان    آب كل    شن    ماسه
جرم Kg    350    200    800(خشك)    1000(خشك)
دما C◦    2+    5+    2-    1-
رطوبت (درصد)    ـــ    ـــ    25/1    5

فرض كنيد در حالت اول شن و ماسه يخ زده نباشد و در حالت دوم فرض كنيد كه سنگدانه ها يخ زده باشد و در اين حالات دماي آب مصرفي را براي رسيدن به دماي مطلوب در هنگام ساخت بدست آوريد.
گام اول :‌تعيين رطوبت موجود در سنگدانه ها و آب مصرفي:
        Kg50=5%*1000=آب ماسه                     kg10=125%* 800=آب شن

                                        Kg 140 = 60 - 200 = آب مصرفي                          Kg60=آب سنگدانه ها

گام دوم :‌حداقل دماي مطلوب در هنگام ريختن با توجه به ضخامت قطعه (كمتر از 300 ميلي متر) طبق ضوابط آبا و مقررات ملي ساختماني ايران برابر 13 درجه سانتي گراد است.
گام سوم : حداقل دماي مطلوب در هنگام ساخت طبق جدول آبا و مقررات ملي برابر 18 درجه سانتيگراد         مي باشد.اما طبق روابط مؤسسه تحقيقات بتن سوئد عبارت است از
               C◦ 6=(3+13)5/1 *25/0 =tΔ
               C◦ 19=6+13 =tm
بنابراين بهتر است از حداقل دماي مزبور به عنوان دماي ساخت بتن (دماي تعادل) استفاده نمود.
مسلماً اگر اولين نوبت ساخت بتن را تجربه مي كنيم بهتر است به دليل سردي ‌ديگ آنرا با ريختن آب گرم در ديگ و تخليه آب، گرم تر نمائيم و يا دماي تعادل بتن را بالاتر فرض نمائيم. روش ديگر آنست كه براي اولين نوبت ساخت، جرم ديگ، دماي ديگ و ظرفيت گرمائي آن (حدود  1/0) را در رابطه مورد نظر مانند هر مصالح ديگر وارد كنيم.
در اينجا دماي ساخت بتن را بصورت محافظه كارانه 20 درجه سانتي گراد در رابطه مورد نظر منظور مي كنيم.
  =20

در اينجا داريم                                                                                                      C◦ Tw=100    
بنابراين نمي توان با گرم كردن آب به تنهائي به نتيجه رسيد و گرم كردن سنگدانه ها نيز لازم است.
گام چهارم: در حالتي كه سنگدانه هايخ زده باشد.

  =20

در اينجا داريم :‌                                                                                                     C◦ 134  Tw=
بديهي است كار بسي مشكل مي شود و نياز به گرم كردن بيشتر سنگدانه ها به ميزان بيشتر ضرورت دارد.
لازم به ذكر است در حالت عادي نمي توان از آب بيش از 60 درجه سانتي گراد استفاده نمود زيرا به گيرش آني سيمان، افت اسلامپ شديد بتن تازه و كاهش كيفيت مقاومتي ميان مدت و دراز مدت و كاهش دوام بتن منجر مي شود. مگر اينكه در ساخت بتن ابتدا آب داغ و تمام سنگدانه (يا بخشي از آن) را مخلوط كنيم و سپس سيمان را بدانها بيفزائيم. حتي در اين حالت معمولاً در اكثر موارد نمي توانيم از آب داغي با دماي بيشتر از 85 درجه سانتي گراد استفاده كنيم.
گام پنجم : در شرايطي كه بخواهيم دماي آب را به  C◦60  محدود كنيم و بخواهيم شن را گرم نمائيم بايد دماي شن  TG  را مجهول در نظر بگيريم و Tw را معادل 60 قرار دهيم. در اين حالت براي سنگدانه يخ نزده داريم                                                                                                               C◦ TG= 6.5                     
اگر ماسه يخ زده باشد دماي شن بايد برابر باشد با                                                       C◦ TG=11.5  

لازم به ذكر است كه رساندن شن يخ زده به اين دما تا حدودي مشكل به نظر مي رسد.          

اگر بخواهيم براي حالتي كه شن و ماسه يخ نزده باشند و اقدام خاصي انجام ندهيم دماي تعادل بتن با آب 5 درصد برابر خواهد بود با                                                                                          C◦ Tm=0.5


بنابراين براي رسيدن به دماي حدود C◦ 20 تقريباً دماي آب را بايد 5 درجه سانتيگراد براي بالا بردن دماي بتن به ميزان 1 درجه سانتيگراد بالاتر ببريم و اگر مصالح يخ زده باشد در حدود 5/6 درجه سانتيگراد براي افزايش دماي بتن به مقدار 1 درجه سانتيگراد، دماي آب را افزايش دهيم.
اگر نخواهيم دماي آب را افزايش دهيم و صرفاً با افزايش دماي شن به نتيجه برسيم براي سنگدانه يخ نزده دماي شن بايد حدود 16 درجه سانتيگراد برسد. در حالت ماسه يخ زده اين دما بايد به حدود 21 درجه سانتيگراد برسد.
10 ـ‌درمثال فوق ديده شد كه چگونه جلوگيري از يخ زدن سنگدانه، مشكلات را كم مي كند و هم چنين ديده     مي شود كه اگر با عايق بندي نگذاريم دماي شن و ماسه پائين بيايد چه كمك شاياني را خواهد نمود.
نكته اي كه قبلاً بدان اشاره شد نقش رطوبت در سنگدانه ها مي باشد كه در مثال فوق بدان پرداخته نشد.
اگر در مثال فوق رطوبت شن به 25/0 درصد و رطوبت ماسه به 8/2 درصد برسد، مقدار آب مصرفي بجاي 140 كيلو، 170 كيلو خواهد بود و داريم

  =20

در اين حالت داريم                                                                                                     C◦ 82= Tw
كاهش دماي 18 درجه براي آب مصرفي عمدتاً مرهون آب مصرفي بيشتر مي باشد بنابراين خشك تر بودن سنگدانه، كار را ساده تر مي كند و جلوگيري از مرطوب تر شدن سنگدانه كاري بس مهم است.


11 ـ  در هواي سرد، اقدامات ديگري مانند استفاده از مواد حباب زا نيز مي تواند خطر خسارت ناشي از يخ بندان زودهنگام را كاهش دهد. از اقدامات احتياطي ديگري نيز مي توان نام برد كه موجب طولاني تر شدن اين مبحث مي گردد و از آنها صرفنظر مي كنيم. در پايان اميدوارم موضوعات مطروحه بتواند مفيد واقع شود.

      با احترام - محسن تدین - رئیس هیئت مدیره انجمن بتن ایران