در مقاله بتن توانمند HPC ویژگی ها و کاربردهای این بتن بررسی شد در این مقاله ، بتن با مقاومت بالا (HIGH-STRENGTH-CONCRETE) و ویژگی ها و کاربردهای آن در صنعت ساخت و سازهای عمرانی بررسی می شود.
تعریف مقاومت بالا در طول سالها با افزایش مقاومت بتن مورد استفاده تغییر می کند. این نشریه بتن با مقاومت بالا (HSC) را دارای استحکام قابل توجهی فراتر از آنچه در عمل استفاده می شود، می داند. به عنوان مثال، امروزه حدود 90 درصد بتن آماده دارای مقاومت فشاری مشخص 28 روزه است که از 20 مگاپاسکال (psi3000) تا 40 مگاپاسکال (psi6000) متغیر است، که بیشتر آن بین 28 مگاپاسکال (psi4000) تا 35 مگاپاسکال است(psi5000). بنابراین، HSC در نظر گرفته شده در اینجا دارای قدرت طراحی حداقل 70 مگاپاسکال (psi10000) است.
بیشتر کاربردهای بتن با مقاومت بالا برای مقاومت فشاری 70 مگاپاسکال (psi10000) یا بیشتر، همانطور که در جدول زیر نشان داده شده است، طراحی شده اند.
برای قدرت های 70 مگاپاسکال (psi10000) و بالاتر، به کارگیری دقیق بهترین شیوه ها مورد نیاز است. رعایت دستورالعمل ها و توصیه های آزمایشگاهی، پیش از ساخت و روش های آزمایش میدانی شرح داده شده در ACI 363.2 ضروری است. بتن با مقاومت طراحی 131 مگاپاسکال (psi19000) نیز در ساختمان ها استفاده شده است.
به طور مرسوم، مقاومت مشخص شده بتن بر اساس نتایج آزمایش 28 روزه است. اما در سازه های بتنی مرتفع، روند ساخت به گونه ای است که عناصر سازه ای در طبقات پایین برای دوره های یک ساله یا بیشتر به طور کامل بارگذاری نمی شوند. به همین دلیل، معمولا مقاومت فشاری بر اساس نتایج آزمایش 56 یا 91 روزه جهت دستیابی به صرفه جویی قابل توجه در هزینه مواد مشخص می شود. هنگامی که سنین بعدی مشخص می شود، معمولاً مواد سیمانی مکمل در مخلوط بتن گنجانده می شود. این باعث ایجاد مزایای اضافی به شکل کاهش تولید گرما در طول هیدراتاسیون می شود. با استفاده از مخلوط های کم اسلامپ یا بدون اسلامپ، بتن با مقاومت فشاری بالا به طور معمول تحت کنترل دقیق در کارخانه های بتن پیش ساخته و پیش تنیده تولید می شود. این مخلوطهای سفت به شکلهای مستحکمی قرار میگیرند و با روشهای ارتعاش یا ضربه طولانی مدت یکپارچه میشوند. با این حال، برای بتن ریختهشده در محل از قالبهای شکنندهتری استفاده میکند که به طور یکسان متراکم نمی شود، بنابراین بتنهای کارآمدتر برای دستیابی به تراکم مورد نیاز و اجتناب از جداسازی و سوراخ سوراخ شدن برای پروژه ضروری است. تولید بتن با مقاومت بالا ممکن است نیازمند خرید مواد خاصی باشد یا نباشد. تولید کننده باید عوامل موثر بر مقاومت فشاری را بشناسد و بداند که چگونه این عوامل را برای بهترین نتیجه تغییر دهد. هر متغیر باید به طور جداگانه در توسعه یک طرح ترکیبی تجزیه و تحلیل شود. هنگامی که یک نتیجه بهینه یا نزدیک به بهینه برای هر متغیر ایجاد می شود، باید آن را به عنوان متغیرهای باقیمانده مورد مطالعه قرار داد. سپس با در نظر گرفتن مزایای اقتصادی و استفاده از مواد در دسترس محلی، یک طرح ترکیبی بهینه ایجاد میشود. بسیاری از مواردی که در زیر مورد بحث قرار میگیرند برای اکثر بتنهای با کارایی بالا نیز کاربرد دارند.
سیمان:
انتخاب سیمان برای بتن پرمقاومت نباید تنها بر اساس آزمایش های ملات مکعبی باشد، بلکه باید شامل آزمایش مقاومت های بتن در روزهای 28، 56 و 91 و مقایسه بین آنها نیز باشد. سیمانی که بالاترین مقاومت فشاری بتن را در سنین طولانی (91 روز) ایجاد کند ترجیح داده می شود. برای بتن با مقاومت بالا، سیمان مورد نظر باید ملات مکعبی، حداقل مقاومت 7 روزه تقریباً 30 مگاپاسکال (psi4350) را تولید کند. مخلوط های آزمایشی با محتوای سیمان بین 400 تا 550 کیلوگرم بر متر مکعب (675 تا 930 پوند بر متر مکعب) باید برای هر سیمانی که برای پروژه در نظر گرفته می شود ساخته شود. مقدار بسته به نقاط قوت هدف متفاوت خواهد بود. به غیر از کاهش محتوای ماسه با افزایش محتوای سیمان، مخلوطهای آزمایشی باید تا حد امکان تقریباً یکسان باشند.
مواد مکمل سیمانی:
خاکستر بادی، دوده سیلیسی یا سرباره اغلب در تولید بتن با مقاومت بالا الزامی است. افزایش مقاومت به دست آمده با این مواد سیمانی مکمل را نمی توان تنها با استفاده از افزودن سیمان بدست آورد. این مواد سیمانی مکمل معمولاً با دوزهای 5 تا 20 درصد یا بیشتر بر حسب جرم مواد سیمانی اضافه می شوند. برخی مشخصات فقط استفاده از دوده سیلیسی تا 10% را مجاز میدانند، مگر اینکه شواهدی وجود داشته باشد که نشان دهد بتن تولید شده با میزان دوز بیشتر، استحکام، دوام و ثبات حجمی رضایتبخشی خواهد داشت. نسبت آب به مواد سیمانی باید طوری تنظیم شود که کارایی یکسان مبنای مقایسه بین مخلوط های آزمایشی باشد. برای هر مجموعه ای از مواد، محتوای بهینه سیمان به علاوه مواد سیمانی مکمل وجود خواهد داشت که در آن استحکام با مقادیر بیشتر افزایش نمی یابد و مخلوط بیش از حد چسبنده می شود و کارایی آن کاهش می یابد. سیمان های مخلوط حاوی خاکستر بادی، دوده سیلیسی، سرباره یا خاک رس کلسینه شده را می توان برای ساخت بتن با مقاومت بالا با یا بدون افزودن مواد سیمانی مکمل استفاده کرد.
سنگدانه ها:
در بتن با مقاومت بالا، باید به اندازه سنگدانه، شکل، بافت سطح، کانی شناسی و تمیزی توجه دقیق شود. برای هر منبع سنگدانه و سطح مقاومت بتن، سنگدانه با اندازه بهینه وجود دارد که بیشترین مقاومت فشاری را در واحد سیمان ایجاد می کند. برای یافتن اندازه بهینه، دسته های آزمایشی باید با 19 میلی متر (3/4 اینچ) و سنگدانه های درشت دانه کوچکتر و حجم سیمان متفاوت ساخته شوند. بسیاری از مطالعات نشان داده اند که سنگدانه های با حداکثر اندازه اسمی 9.5 تا 12.5 میلی متر (3/8 اینچ تا 1/2 اینچ) استحکام بهینه را ارائه می دهند. در بتن های با مقاومت بالا، استحکام خود سنگدانه و پیوستگی یا چسبندگی بین خمیر و سنگدانه عوامل مهم و تاثیرگذاری هستند. آزمایشات نشان داده است که سنگدانه های سنگ خرد شده با استفاده از سنگدانه های یکسان و مواد سیمانی یکسان، مقاومت فشاری بالاتری در بتن نسبت به سنگدانه های شن ایجاد می کنند. این احتمالاً به دلیل پیوستگی بسیار بالا سنگدانه با خمیر هنگام استفاده از مواد زبر، زاویه دار و خرد شده است. برای مقاومت های مشخص شده بتن 70 مگاپاسکال (psi10000) یا بیشتر، پتانسیل سنگدانه ها برای برآوردن الزامات طراحی، باید قبل از استفاده مشخص شود. سنگدانه های درشت مورد استفاده در بتن های پرمقاومت باید تمیز باشند، یعنی عاری از پوشش های مضر گرد و غبار و خاک رس باشند. حذف گرد و غبار از آنجایی که ممکن است بر مقدار ریزدانه ها و در نتیجه نیاز آبی مخلوط بتن تأثیر بگذارد مهم است. خاک رس ممکن است بر پیوند سنگدانه و خمیر تأثیر بگذارد. شستشوی سنگدانه های درشت ممکن است ضروری باشد. ترکیب اندازه های منفرد سنگدانه برای تولید دانه بندی مورد نیاز جهت کنترل دقیق و کاهش تنوع در بتن توصیه می شود. مقدار سنگدانه درشت در بتن با مقاومت بالا باید حداکثر مطابق با کارایی مورد نیاز باشد. به دلیل درصد بالای مواد سیمانی در بتن با مقاومت بالا، افزایش محتوای درشت دانه فراتر از مقادیر توصیه شده در استانداردها برای مخلوطهای با مقاومت معمولی ضروری و مجاز است. در ساختمان های بلند و در پل ها، سختی سازه مورد توجه طراحان سازه است.
در پروژه های خاص، حداقل مدول الاستیسیته استاتیکی به عنوان فاکتوری برای افزایش سختی یک سازه مشخص شده است. مدول الاستیسیته لزوماً متناسب با مقاومت فشاری بتن نیست. مدول الاستیسیته قابل دستیابی به طور قابل توجهی تحت تأثیر خواص سنگدانه و همچنین نسبت مخلوط است (Baalbaki and others 1991). اگر یک سنگدانه توانایی تولید مدول بالا را داشته باشد، در آن صورت مدول بهینه در بتن را می توان با استفاده از این سنگدانه تا حد عملی به دست آورد، در حالی که هنوز الزامات کارایی و انسجام را برآورده می کند. اگر درشت دانه مورد استفاده سنگ خرد شده باشد و سنگدانه ریز ساخته شده با کیفیت خوب از همان منبع موجود باشد، می توان از ترکیب این دو برای به دست آوردن بالاترین مدول ممکن استفاده کرد. با توجه به مقدار زیاد مواد سیمانی در بتن با مقاومت بالا، نقش سنگدانه های ریز (ماسه) در ایجاد کارایی و ویژگی های تکمیل خوب به اندازه مخلوط های مقاومتی متداول، چندان پراهمیت نیست. شن و ماسه با مدول نرمی (FM) حدود 3، ماسه درشت در نظر گرفته می شود و برای کارایی خوب و مقاومت فشاری بالا رضایت بخش است. برای مقاومت های مشخص شده 70 مگاپاسکال (psi10000) یا بیشتر، FM باید بین 2.8 و 3.2 باشد و بیش از 0.10 از ضریب نرمی تعیین شده در مدت پروژه تغییر نکند. شن و ماسه ریزتر، مثلاً با FM بین 2.5 تا 2.7، ممکن است مخلوط هایی با مقاومت کمتر و چسبناک ایجاد کند.
مواد افزودنی:
استفاده از افزودنی های شیمیایی مانند کاهنده آب، کندکننده، کاهنده آب با میزان بالا یا فوق روان کننده ضروری است. آنها از مقدار زیادی از مواد سیمانی در بتن با مقاومت بالا استفاده موثرتری می کنند و به دستیابی به کمترین نسبت آب به مواد سیمانی کمک می کنند. کارایی مواد افزودنی شیمیایی باید با مقایسه مقاومت های به دست آمده از آزمایش های محتلف ارزیابی شود. همچنین، سازگاری بین سیمان و مواد سیمانی مکمل، و تاثیر کاهنده آب و سایر مواد افزودنی، باید توسط نمونه های آزمایشی بررسی شود. از این دستههای آزمایشی، تعیین کارایی، زمان گیرش و میزان کاهش آب برای نرخهای دوز افزودنی و زمانهای اضافه ممکن خواهد بود.
استفاده از افزودنی های حباب ساز هوا در بتن های با مقاومت بالا که از آن در برابر شرایط جوی محافظت می کند، مانند ستون های داخلی و دیوارهای برشی ساختمان های بلند، ضروری یا مطلوب نیست. با این حال، برای پلها، شمعهای بتنی، پایهها یا سازههای پارکینگ، که در آنها دوام در محیطهای یخزده مورد نیاز است، استفاده از حباب زا الزامی است. از آنجا که حباب هوا مقاومت بتن مخلوط های غنی را کاهش می دهد، ممکن است آزمایش هایی برای تعیین حجم هوا و فاکتورهای فاصله بهینه لازم باشد. برخی از بتن های با مقاومت بالا ممکن است به اندازه بتن با مقاومت معمولی جهت مقاومت در برابر یخبندان به هوا نیاز نداشته باشند. پینتو و هاور (2001) دریافتند که بتنهای بدون حباب هوا و مقاومت بالا در نسبت آب به سیمان پرتلند 0.25 مقاومت خوبی در برابر یخ زدگی و پوسته پوسته شدن دارند. بورگ و اوست (1994) با نسبت آب به مواد سیمانی 0.22 مقاومت یخ زدگی خوبی را با بتن بدون حباب هوا حاوی دوده سیلیس پیدا کردند (مخلوط شماره 4 در جدول بالا). با این حال، این مورد در مورد سایر مخلوطها، از جمله مخلوط فقط پرتلند با نسبت آب به سیمان 0.28 صدق نمیکند.
نسبت ترکیب:
برای به دست آوردن مقاومت بالا، باید از نسبت آب به مواد سیمانی کم و محتوای سیمان پرتلند بالا استفاده کرد. مقاومت واحد بهدستآمده برای هر واحد سیمان مورد استفاده در یک متر مکعب بتن میتواند به عنوان راندمان مقاومت برای کمک به طرحهای مخلوط در نظر گرفته شود. نیاز آبی بتن با افزایش مقدار سنگدانه ریز به ازای هر اندازه معینی از سنگدانه درشت افزایش می یابد. به دلیل محتوای بالای مواد سیمانی این بتنها، میتوان حجم ریزدانهها را پایین نگه داشت. با این حال، حتی با سنگدانه های با دانه بندی خوب و نسبت مواد آب به سیمان کم ممکن است بتنی ساخته شود که به اندازه کافی کارایی لازم جهت اجرا را نداشته باشد. در این موارد استفاده از یک فوق روان کننده توصیه شده است. کاهش حدود 200 میلی متری (8 اینچ) کارایی کافی را برای اکثر کاربردها فراهم می کند. کمیته ACI 211 (1998)، Farny و Panarese (1994) و Nawy (2001) راهنمایی های بیشتری در مورد نسبت ترکیب ارائه می دهند.
مخلوط کردن:
بتن با مقاومت بالا با موفقیت در میکسرهای حمل و نقل و میکسرهای محلی مخلوط شده است. با این حال، بسیاری از این بتن ها تمایل به چسبندگی دارند و باعث ایجاد رسوب در این میکسرها می شوند. در جایی که دوده سیلیس خشک و فشرده نشده به یک مخلوط وارد شود، باعث “گلوله ای شدن” مخلوط و اختلاط ناقص می شود. در چنین مواردی، آزمایش با دنبالهای که در آن جامدات و مایعات اضافه میشوند، و درصد هر ماده اضافه شده در هر مرحله در فرآیند بچینگ ضروری است. توالی های بچینگ و اختلاط باید در طول فاز مخلوط آزمایشی بهینه شوند. در جاهایی که اختلاط کامیون اجتناب ناپذیر است، بهترین روش کاهش بارها تا 90 درصد ظرفیت نامی کامیون ها است.
در مواردی که هیچ سابقه اخیری از مخلوطهای HSC یا HPC وجود ندارد که الزامات مشخصی را برآورده کند، لازم است ابتدا مخلوطهای آزمایشی آزمایشگاهی برای ایجاد نسبتهای بهینه ایجاد شود. در این مرحله می توان ویژگی های مخلوط مانند کارایی، حجم هوا، چگالی، استحکام و مدول الاستیسیته را تعیین کرد. هنگامی که نسبت مخلوط آزمایشگاهی مشخص شد، آزمایشات میدانی با استفاده از بارهای کامل بتن ضروری است.
ریختن، پیوستگی و عمل آوری:
ارتباط نزدیک بین پیمانکار و تولید کننده بتن باعث می شود بتن پس از رسیدن به محل کار به سرعت تخلیه شود. تنظیم نهایی بتن باید توسط تکنسین های تولید کننده بتن در محل، همچنین یک آزمایشگاه بتن یا توسط یک مشاور آشنا با عملکرد و استفاده از بتن با مقاومت بالا، نظارت شود. نظارت ویژه ای باید در محل کار اعمال شود تا از هر گونه اضافه شدن آب سرد جلوگیری شود. افزایش کارایی فقط باید با افزودن یک فوق روان کننده حاصل شود. این کار باید توسط تکنسین تامین کننده انجام شود.
پیوستگی در دستیابی به مقاومت های بالقوه بتن با مقاومت بالا بسیار مهم است. بتن پس از قرار دادن در قالب ها باید در سریع ترین زمان ممکن ارتعاش داده شود. ویبره های فرکانس بالا باید به اندازه کافی کوچک باشند تا فاصله کافی بین سر ارتعاشی و فولاد تقویت کننده ایجاد شود. ارتعاش بیش از حد بتن با مقاومت معمولی قابل کار اغلب منجر به جدا شدن، از دست دادن هوای وارد شده یا هر دو می شود. از طرفی بتن با مقاومت بالا بدون فوق روان کننده، نسبتاً سفت و حاوی هوای کمی خواهد بود. در نتیجه، بازرسان باید به جای ارتعاش بیش از حد نگران لرزش کم باشند. بیشتر بتن های با مقاومت بالا، به ویژه بتن های با مقاومت بسیار بالا، در اسلامپ های 180 میلی متر تا 220 میلی متر (7 اینچ تا 9 اینچ) قرار می گیرند. حتی در این اسلامپ ها، برای اطمینان از تراکم، مقداری ارتعاش لازم است. میزان تراکم باید توسط آزمایشات در محل تعیین شود.
ساخت بتن با مقاومت بالا به دلیل ماهیت چسبندگی آن اغلب دشوار است. محتویات بالای مواد سیمانی، دوزهای زیاد مواد افزودنی، محتوای کم آب و حباب هوا، همه به دشواری تکمیل این بتنها کمک میکنند. از آنجایی که بتن به ماله ها و سایر تجهیزات تکمیلی می چسبد، فعالیت های تکمیلی باید به حداقل برسد.
عمل آوری بتن با مقاومت بالا حتی مهمتر از عمل آوری بتن با مقاومت معمولی است. ارائه رطوبت کافی و شرایط دمایی مطلوب برای یک دوره طولانی توصیه می شود، به ویژه زمانی که مقاومت بتن 56 یا 91 روز مشخص شده باشد. در مواردی که نسبت آب به سیمان بسیار پایین در کارهای مسطح (اسلب و روکش ها) استفاده می شود، و به خصوص در مواردی که از دوده سیلیس در مخلوط استفاده می شود، ضروری است که عمل آوری به روش مه پاشی یا کند کننده تبخیر بلافاصله پس از جدا شدن سطح، روی بتن اعمال شود. این برای جلوگیری از ترک خوردگی انقباض پلاستیک سطوح افقی و به حداقل رساندن پوسته پوسته شدن ضروری است. ثابت شده است که عمل آوری به روش مه پاشی و به دنبال آن 7 روز عمل آوری مرطوب بسیار موثر است.
این اجتناب ناپذیر است که برخی از سطوح عمودی، مانند ستون ها، ممکن است به طور موثر سخت شوند. در جایی که پروژهها به سرعت دنبال میشوند، ستونها اغلب در سنین پایین سخت می شوند تا امکان اجرای بتن توسط روش قالب های بالارونده فراهم شود. بنابراین گاهی اوقات در عرض یازده ساعت پس از ریختن، بتن در معرض خشک شدن زودهنگام قرار می گیرد. به دلیل دسترسی محدود، عمل آوری دشوار و غیرعملی است.
آزمایشهایی بر روی بتن ستون انجام شده تا مشخص شود که آیا قرار گرفتن در معرض اولیه و عدم عمل آوری اثرات مضری دارد یا خیر. آزمایشات نشان داد که برای مخلوط سیمان پرتلند- سرباره- دوده سیلیسی با قدرت مشخص 70 مگاپاسکال (psi10000) ، ماتریس سالم بود و درجه بسیار بالایی از نفوذ ناپذیری نسبت به آب و یون های کلرید به دست آمد (بیکلی و دیگران 1994). با این وجود، بهترین روش عمل آوری ممکن برای تمام بتن های توانمند توصیه می شود.
تاریخچه دمایی HPC بخشی جدایی ناپذیر از فرآیند عمل آوری آن است. افزایش دما و شیب هایی که در محل بتن رخ می دهد را می توان با روش هایی که داده هایی را برای این منظور ارائه می دهد پیش بینی کرد. با استفاده از این تکنیک، اقداماتی برای گرم کردن، خنک کردن یا ایزوله کردن محل بتن را می توان تعیین و اعمال کرد تا به طور قابل توجهی ترک خوردگی میکرو و ماکرو سازه را کاهش دهد و دوام را تضمین کند. استفاده روزافزون از این تکنیک ها در اکثر سازه هایی که از HPC استفاده می کنند مورد نیاز است تا اطمینان حاصل شود که بتن پوششی محافظت طولانی مدت از فولاد را فراهم می کند و منجر به عمر مفید سازه می شود.
کنترل کیفیت:
یک برنامه جامع کنترل کیفیت هم در کارخانه بتن و هم در محل مورد نیاز است تا تولید ثابت و قرار دادن بتن با مقاومت بالا را تضمین کند. بازرسی عملیات بتن ریزی از انباشت سنگدانه ها تا تکمیل عمل آوری مهم است. همچنین برای کنترل یکنواختی بتن، نمونه برداری و آزمایش معمولی از کلیه مصالح ضروری است. در حالی که آزمایشهای روی بتن باید همیشه مطابق با روشهای استاندارد انجام شود، برخی از الزامات اضافی توصیه میشود، به ویژه در مواردی که مقاومتهای مشخص شده 70 مگاپاسکال (psi10000) یا بالاتر باشد. در آزمایش بتن پرمقاومت به تغییراتی و توجه بیشتر به جزئیات نیاز است. به عنوان مثال، قالبهای استوانهای مقوایی، که میتوانند نتایج تستهای مقاومت کمتری داشته باشند، باید با قالبهای فولادی یا پلاستیکی قابل استفاده مجدد جایگزین شوند.
بتن با دوام بالا:
بیشتر توجه در دهه های 1970 و 1980 به سمت HPC با استحکام بالا معطوف شد. امروزه تمرکز بیشتر بر روی بتن های با دوام بالا در محیط های سخت و در نتیجه سازه هایی با عمر طولانی است.
مقاومت در برابر سایش:
مقاومت در برابر سایش رابطه مستقیمی با مقاومت بتن دارد. این امر HPC با استحکام بالا را برای محیط های ساینده ایده آل می کند. مقاومت در برابر سایش برای بتن های HPC حاوی دوده سیلیسی بالا است. این امر بتن سیلیسی را به ویژه برای سرریزها و حوضچه های ساکن و روسازی های بتنی یا روکش های بتنی روسازی که در معرض ترافیک سنگین یا ساینده قرار می گیرند مفید می کند. Berra، Ferrara و Tavano (1989) افزودن الیاف به ملات های بتن حاوی دوده سیلیسی را جهت بهینه سازی مقاومت در برابر سایش بررسی کردند. بهترین نتایج با مخلوطی با استفاده از سیمان سرباره، الیاف فولادی و دوده سیلیسی حاصل شد. مقاومت ملات از 75 مگاپاسکال تا 100 مگاپاسکال ( psi11000 تا psi14500) متغیر بود. علاوه بر مقاومت در برابر فرسایش بهتر، انقباض کمتر در برابر خشک شدن، مقاومت در برابر یخ زدگی، ذوب بالا و اتصال خوب به زیرلایه به دست آمد.
در نروژ استفاده از میخ های فولادی در لاستیک مجاز هست. این امر باعث سایش شدید سطوح روسازی می شود که در عرض یک تا دو سال نیاز به روکش مجدد دارد. مخلوطهای بزرگراههای مقاوم در برابر سایش معمولاً بین 320 تا 450 کیلوگرم بر متر مکعب (539 و 758 پوند در هر متر مکعب) سیمان بهعلاوه دوده سیلیسی یا خاکستر بادی و همچنین نسبت آب به مواد سیمانی 0.22 تا 0.36 و مقاومت فشاری در محدوده 85 تا 130 MPa (12000 تا 19000 psi) دارند. کاربردها شامل روسازی و روکش های جدید روی روسازی های موجود می باشد.
مقاومت در برابر انفجار:
بتن با کارایی بالا را می توان به گونه ای طراحی کرد که دارای خواص مقاومت عالی در برابر انفجار باشد. این بتن ها اغلب دارای مقاومت فشاری بیش از 120 مگاپاسکال (psi145000) و حاوی الیاف فولادی هستند. بتن های مقاوم در برابر انفجار اغلب در خزانه های بانکی و کاربردهای نظامی استفاده می شوند.
نفوذپذیری:
دوام و عمر مفید بتن در معرض آب و هوا، به نفوذپذیری پوشش بتنی که از آرماتور محافظت می کند، مرتبط است. HPC معمولاً دارای نفوذپذیری بسیار کم در برابر هوا، آب و یون های کلرید است. نفوذپذیری پایین اغلب با استفاده از یک مقدار کولن مشخص می شود، مانند حداکثر 1000 کولن. HPC اصلاح شده با لاتکس قادر به دستیابی به همان سطوح پایین نفوذپذیری در سطوح استحکام معمولی بدون استفاده از مواد سیمانی مکمل است.
انتشار یون ها:
یون های تهاجمی مانند کلرید در تماس با سطح بتن در بتن پخش می شوند تا زمانی که حالت تعادل در غلظت یون حاصل شود. اگر غلظت یون ها در سطح بالا باشد، انتشار ممکن است منجر به غلظت های القا کننده خوردگی در سطح تقویت شود. هر چه نسبت آب به مواد سیمانی کمتر باشد، ضریب انتشار برای هر مجموعه ای از مواد کمتر خواهد بود. مواد سیمانی مکمل، به ویژه دوده سیلیسی ، ضریب انتشار را بیشتر کاهش می دهد. مقادیر معمولی ضریب انتشار برای HPC به شرح زیر است:
ضریب انتشار مخلوط دوده سیلیسی، سیمان پرتلند، خاکستر بادی: 1000 x 10-15 m2/s
ضریب انتشار مخلوط سیمان پرتلند و خاکستر بادی: : 1600 x 10-15 m2/s
کربناته شدن:
HPC به دلیل نفوذپذیری کم مقاومت بسیار خوبی در برابر کربناته شدن دارد. مشخص شد که پس از 17 سال بتن در برج CN در تورنتو تا عمق متوسط 6 میلی متر (0.24 اینچ) کربناته شده است (Bickley, Sarkar, and Langlois 1992). مخلوط بتن در برج CN دارای نسبت آب به سیمان 0.42 بود. برای پوشش 35 میلی متری (1.4 اینچ)، این بتن محافظت در برابر خوردگی را برای 500 سال فراهم می کند. برای نسبتهای پایینتر ، زمانهای قابلتوجهی طولانیتر برای خوردگی با فرض ساختار بدون ترک ایجاد میشود. از نظر عملی، بتن پوششی HPC ترک نخورده، در برابر کربناتاسیون تا عمقی که باعث خوردگی شود مصون است.
کنترل دما:
کیفیت، استحکام و دوام HPC به شدت به تاریخچه دمایی آن از زمان تحویل تا اتمام عمل آوری بستگی دارد. در اصل، روشهای مناسب ساخت و قرار دادن این امکان را فراهم میکند: (1) دمای پایین در زمان تحویل. (2) کوچکترین حداکثر دمای ممکن پس از قرار دادن. (3) حداقل گرادیان دما پس از قرار دادن. و (4) کاهش تدریجی دمای محیط پس از رسیدن به حداکثر دما. دماها و گرادیان های بیش از حد بالا می تواند باعث هیدراتاسیون بیش از حد سریع و ترک خوردگی میکرو و ماکرو بتن شود.
این یک عمل در سازه های بلندمرتبه بزرگ شامل بتن هایی با مقاومت های مشخص شده 70 مگاپاسکال تا 85 مگاپاسکال ( psi10000 تا psi12000) برای تعیین حداکثر دمای تحویل 18 درجه سانتیگراد (64 درجه فارنهایت) بوده است (Ryell and Bickley 1987). در تابستان ممکن است که این محدودیت فقط با استفاده از نیتروژن مایع برای خنک کردن بتن برآورده شود. تجربه استفاده از بتن با مقاومت بسیار بالا نشان می دهد که دمای تحویل بیش از 25 درجه سانتیگراد (77 درجه فارنهایت)، مجاز نیست و ترجیحاً 20 درجه سانتیگراد (68 درجه فارنهایت) مجاز است. علاوه بر نیتروژن مایع، اقداماتی برای خنک کردن HPC در تابستان ممکن است شامل استفاده از یخ یا آب سرد به عنوان بخشی از آب مخلوط باشد.
در کاربردهای HPC مانند ساختمانهای بلند، اندازه ستونها به اندازهای بزرگ هستند که به عنوان بتن انبوه طبقهبندی شوند. به طور معمول، تولید گرمای بیش از حد در بتن انبوه با استفاده از محتوای کم سیمان کنترل می شود. هنگامی که مخلوط های HPC با محتوای سیمان بالا در این شرایط استفاده می شود، روش های دیگری برای کنترل حداکثر دمای بتن باید به کار گرفته شود. بورگ و اوست (1994) افزایش دما را برای مکعب های بتنی 1220 میلی متری (4 فوتی) ثبت کردند. حداکثر افزایش دمای 9.4 تا 11.7 درجه سانتیگراد برای هر 100 کیلوگرم سیمان در هر متر مکعب بتن (1 درجه فارنهایت تا 12.5 درجه فارنهایت برای هر 100 پوند سیمان در یارد مکعب بتن) اندازه گیری شد. بورگ و فیوراتو (1999) افزایش دما را در کیسون های بتنی با مقاومت بالا کنترل کردند. آنها تعیین کردند که استحکام در محل، تحت تأثیر افزایش دما به دلیل گرمای هیدراتاسیون قرار نمی گیرد.
مقاومت در برابر یخ زدگی:
به دلیل نسبت بسیار پایین مواد آب به سیمان (کمتر از 0.25)، باور عمومی بر این است که HPC باید در برابر پوسته پوسته شدن و تجزیه فیزیکی ناشی از انجماد و ذوب بسیار مقاوم باشد. شواهد فراوانی وجود دارد که نشان میدهد بتنهای با عملکرد بالا که به درستی ایجاد حباب هوا کرده اند، در برابر یخ زدگی، ذوب شدن و پوستهپوسته شدن بسیار مقاوم هستند. Gagne، Pigeon و Aítcin (1990) مخلوط هایی را با استفاده از سیمان و دوده سیلیس با نسبت مواد آب سیمان 0.30، 0.26، و 0.23 و طیف وسیعی از کیفیت در سیستم های حفره هوا آزمایش کردند. همه نمونهها در آزمایشهای رسوبگذاری نمک بسیار خوب عمل کردند، که دوام بتن با کارایی بالا را تأیید میکند و نشان میدهد که نیازی به حباب هوا نیست. تاچیتانا و دیگران (1990) آزمایشهای ASTM C 666 (رویه A) را بر روی بتنهای با کارایی بالا بدون حباب هوا با نسبت مواد آب به سیمان بین 0.22 و 0.31 انجام دادند. مشخص شد که همه آنها در برابر آسیب های یخ زدگی، ذوب بسیار مقاوم هستند و مجدداً پیشنهاد شد که به حباب هوا نیازی نیست.
پینتو و هاور (2001) دریافتند که بتن بدون حباب هوا با نسبت آب به سیمان پرتلند 0.25 در برابر رسوب زدایی مقاوم است بدون اینکه مواد سیمانی مکمل وجود داشته باشد. آنها دریافتند که بتن های سیمانی پرتلند با استحکام بالاتر به هوای کمتری نسبت به بتن معمولی نیاز دارند تا در برابر سرما و رسوب مقاوم باشند.
بورگ و اوست (1994) پس از آزمایش شش مخلوط با استفاده استفاده از ASTM C 666 دریافتند، تنها بتن حاوی دوده سیلیسی با نسبت آب به مواد سیمانی 0.22 در برابر سرما مقاوم است.
در حالی که تجربیات فوق دوام عالی بتن های خاص با کارایی بالا را برای یخ زدگی آسیب و رسوب نمک ثابت می کند، استفاده از حباب هوا عاقلانه تلقی می شود. هیچ آزمایش میدانی مستندی برای اثبات عدم نیاز به حباب هوا انجام نشده است. تا زمانی که چنین دادههایی در دسترس قرار نگیرد، باید از روش فعلی برای ورود هوا پیروی کرد. نشان داده شده است که نیاز اصلی یک سیستم خالی هوا برای HPC، غالب بودن حباب های هوا با اندازه 200 میکرومتر و کوچکتر است. اگر بتوان از اندازه و فاصله صحیح حباب هوا اطمینان داشت، حجم هوای متوسط، دوام را تضمین می کند و کاهش استحکام بتن را به حداقل می رساند. بهترین معیار برای اندازه گیری هوا، فاکتور فاصله است.
حملات شیمیایی:
بتن HPC از نظر مقاومت در برابر حمله شیمیایی در اکثر سازه ها، عملکرد بسیار بهبود یافته ای را ارائه می دهد. مقاومت در برابر سولفات های مختلف عمدتاً با استفاده از یک بتن متراکم و قوی با نفوذپذیری بسیار کم و نسبت آب به مواد سیمانی کم به دست می آید.
واکنش قلیایی-سیلیکا:
واکنش پذیری بین برخی از سنگدانه های سیلیسی و هیدروکسیدهای قلیایی می تواند بر عملکرد طولانی مدت بتن تأثیر بگذارد. دو ویژگی HPC که به مقابله با واکنش قلیایی-سیلیس کمک می کند عبارتند از:
- بتن های HPC در نسبت آب به سیمان بسیار پایین می توانند تا حدی خشک شوند که اجازه وقوع واکنش قلیایی سیلیسی (ASR) را ندهد (رطوبت نسبی کمتر از 80%).
- بتن های HPC می توانند از مقادیر قابل توجهی از مواد سیمانی مکمل استفاده کنند که ممکن است توانایی کنترل واکنش قلیایی-سیلیس را داشته باشند. با این حال، این باید با آزمایش نشان داده شود. بتن های HPC همچنین می توانند از افزودنی های بازدارنده ASR برای کنترل ASR استفاده کنند.
بتن های HPC در برابر واکنش قلیایی-سیلیس ایمن نیستند و باید اقدامات احتیاطی مناسب انجام شود.
مقاومت:
HPC، به ویژه آن که با دوده سیلیسی فرموله شده است، مقاومت بسیار بالایی دارد، تا 20 تا 25 برابر بتن معمولی. این باعث افزایش مقاومت در برابر جریان الکتریکی و کاهش نرخ خوردگی می شود. به خصوص اگر خشک باشد، HPC به عنوان یک دی الکتریک موثر عمل می کند. در جایی که ترک خوردگی در HPC رخ می دهد، خوردگی موضعی و جزئی است. این به دلیل مقاومت بالای بتن است که مانع توسعه یک سلول خوردگی ماکرو می شود.
نتیجه گیری:
بتن های توانمند و فوق توانمند به دلیل ویژگی هایی مانند استحکام، مقاومت، دوام بالا و نفوذپذیری کم، مصون ماندن بیشتر در برابر عوامل شمیایی و همچنین گیرایی سریعتر در صنعت ساخت و سارهای مدرن عمر انی ارجحیت خاصی نسبتبه بتن معمولی پیدا کرده اما هزینه بالای اجرای این نوع بتن ها در برخی موارد برای طراحان چالش برانگیز است. در آینده با پیشرفت های تکنولوژی ساخت و توسعه این بتن ها فراگیرتر خواهد شد و در ایران نیز تمایل بیشتری جهت ساخت این نوع بتن ها ایجاد می شود.