بتن سنگین چیست؟ | ویژگی ها و خواص آن

بر اساس تعریف موسسه ACI آمریکا، بتن سنگین دارای وزن مخصوص بزرگتری نسبت به بتن‌های ساخته شده با سنگدانه‌های معمولی می‌باشد. این نوع بتن با استفاده از سنگدانه‌های سنگین تهیه شده و بطور ویژه‌ای به منظور سپر محافظ در مقابل تشعشع بکار می‌رود. هرچند که سپرهای محافظ، کاربرد اصلی بتن‌های سنگین هستند. لیکن در ساخت وزنه‌های تعادلی (بتن‌های وزنی) و در مواردی که نیاز به افزایش بار مرده سازه بدون افزایش حجم هست مورد استفاده می‌باشند.

در ساخت بتن سنگین به جای شن و ماسه از خرده‌های فولاد، چدن و یا سولفات باریم استفاده میشود. کاربرد اینگونه بتن برای جلوگیری از تشعشع اشعه ایکس و گاما و غیره است. اصولاً برای سازه‌های مربوط به تأسیسات اتمی و یا هر جا که امکان تشعشعات رادیواکتیو وجود دارد از اینگونه بتن استفاده میشود. وزن مخصوص بتن سنگین حدود ۱/۵ تا ۲/۵ برابر وزن مخصوص بتن معمولی است.

چرا بتن سنگین هزینه ساخت و حمل و نقل بیشتری نسبت به بتن‌های معمولی دارد؟

منظور از بتن سنگین، بتنی با جرم مخصوص بیش از ۲۴۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب می‌باشد. این نوع بتن بر اساس نوع و اندازه سنگدانه مصرفی و شیوه تراکم و بتن ریزی میتواند جرم مخصوصی تا ۶۴۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب داشته باشد. بتن سنگین هزینه ساخت بیشتری نسبت به بتن‌های معمولی دارد. اضافه قیمت میتواند ناشی از مواردی نظیر: حفاری معدن، شکستن، حمل مصالح، دانه بندی مصالح، اختلاط مناسب سنگدانه در خمیر سیمان، بتن ریزی و پرداخت سطح بتن ریخته شده باشد.

هزینه حمل و نقل سنگدانه‌های سنگین در مقایسه با نوع معمولی که عموماً در نزدیکی کارگاه در دسترس است، نسبتاً بالا است. اکثر تجهیزات مرتبط با مصالح سنگی نظیر دستگاه‌های دانه‌بندی و سنگ شکن‌ها بر اساس خصوصیات سنگدانه‌های معمولی ساخته و آماده می‌شوند. به همین جهت در صورت استفاده از سنگدانه‌های سنگین، سرعت استهلاک این تجهیزات افزایش می‌یابد. در نتیجه بازده این تجهیزات نسبت معکوس با چگالی سنگدانه ها دارد.

از دیدگاه اختلاط، ظرفیت تولید بتن مخلوط کن ها بر اساس حجم بتن قرار دارد. لیکن از نظر قدرت تجهیزات مکانیکی، وزن مصالح درون مخزن اختلاط تعیین کننده است. در این حالت اگر جرم مخصوص بتن معمولی حدود ۲۴۰۰ و بتن سنگین ۶۴۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب فرض شود، جهت تهیه یک مخلوط همگن و یکنواخت بدون اینکه بخواهیم فشار اضافی بر تجهیزات مکانیکی اعمال نماییم، باید از ۴۰ درصد ظرفیت اسمی دستگاه مخلوط کن استفاده شود.

کاربرد بتن سنگین

مواردی مثل تهیه، حمل، شکستن و دانه بندی سنگدانه‌ها جهت تهیه بتن سنگین پرهزینه است. همچنین اختلاط، حمل و نقل، ریختن و پرداخت بتن ساخته شده هزینه بالاتری نسبت به بتن معمولی دارد. با این حال این نوع بتن در ساخت سپر محافظ در مقابل تشعشع، نظیر دیواره نیروگاه‌ها و آزمایشگاهها ساخت وزنه های تعادلی و در مواردی که در حداقل فضا، تراکم جرم (وزن زیاد) مورد نیاز باشد کاربرد ویژه خواهد داشت.

هنگامی که طراحی براساس چگالی باشد، ضخامت دیوار یا کف ممکن است با دو برابر کردن چگالی بتن ساخته شده، به میزان ۵۰ درصد کاهش یابد. با افزایش چگالی بتن، خصوصیات مکانیکی زیادی از بتن افزایش یافته یا دستخوش تغییر خواهد شد. یکی از مهمترین این خصوصیات، مقاومت سایشی بتن است. در صورت یکسان بودن سایر شرایط، با افزایش چگالی بتن، مقاومت سایشی آن نیز افزایش می یابد.

با کاربرد برخی از مواد افزودنی پیشرفته، میتوان چگالی خمیر سیمان را افزایش داد. همچنین نسبت آب به سیمان را کاهش و کارایی بتن را نیز افزایش داد. در ضمن با کاهش نسبت آب به سیمان بالطبع، مقاومت بتن ساخته شده نیز افزایش می یابد. علاوه بر افزودنی های شیمیایی، با بکار بردن دوده سیلیسی که یک افزودنی معدنی است، میتوان نفوذ پذیری بتن را کاهش و چگالی خمیر سیمان و مقاومت بتن را افزایش داد. این افزودنی ها در آب بندی بتن و حفظ آن در برابر عوامل محیطی موثر است.

سپر محافظ در مقابل تشعشع هسته ای

استفاده از سپرهای محافظ برای حفاظت اشخاص و پرسنل نیروگاهی در مقابل ذرات و پرتوهای هسته ای نظیر نوترون، پروتون و پرتوهای ایکس و گاما ضروری است. ذرات و پرتوهای فوق الذکر در برخورد با بتن سنگین متوقف شده و یا تغییر جهت می‌دهند. در نتیجه از شدت نفوذ و اثر آنها کاسته می‌شود. بدین ترتیب با افزایش وزن مخصوص سپر محافظ که بین منبع انرژی و خدمه نیروگاه قرار دارد، از شدت اثر این پرتوها کاسته خواهد شد.

همانطوری که گفته شد بتن سنگین برای حفاظت در برابر تشعشعات بکار میرود. اما این نوع بتن برای وزنه‌های تعادل و مواردی که دانسیته بالا حائز اهمیت است نیز مورد استفاده قرار میگیرد. بتن سنگین به عنوان یک ماده محافظ، از اثرات زیان بخش اشعه ایکس، اشعه گاما و تششعات نوترونی جلوگیری می‌کند. انتخاب بتن برای حفاظت در برابر تششعات بستگی به فضای موجود، نوع و شدت تششع دارد. در مواردی که تنگناهای کمبود فضا حائز اهمیت نباشد، بتن معمولی اقتصادی ترین حفاظ را ارائه میدهد. در مواردی که فضا محدود باشد، با استفاده از بتن سنگین میتوان بی آنکه اثرات حفاظتی آن قربانی شود، ضخامت سازه، محافظ را کاهش داد.

نوع و شدت تششع

نوع و شدت تششع معمولاً تعیین کننده مقدار آب و چگالی بتن است. موثر بودن سازه محافظ در برابر اشعه گاما تقریباً با دانسیته بتن تناسب دارد. هر اندازه بتن سنگین تر باشد، حفاظت از آن موثرتر خواهد بود. از سوی دیگر، یک محافظ موثر در مقابل تششعات نوترونی علاوه بر عناصر سنگین به عناصر سبک نیز نیاز دارد. هیدروژن موجود در آب، عنصر سبک موثری در بتن های محافظ است. بعضی از مصالح دانه‌ای، به عنوان جزئی از ساختمان خود، حاوی آب کریستالیزه‌ای موسوم به آب ثابت‌اند. چنانچه لازم باشد اشعه گاما و تششعات نوترونی کاهش یابند، اغلب از دانه‌های سنگینی استفاده میشود که حاوی آب ثابت زیادی باشند.

مقاومت بتن مصرفی در محفظه‌های هسته‌ای به چه عواملی بستگی دارد؟

1. کیفیت
2. دانه بندی سنگدانه مصرفی
3. نسبت آب به سیمان

پیوستگی ضعیف بتن خمیر سیمان و سنگدانه مانع از افزایش مقاومت بتن‌های سنگین میشود. هر اندازه خمیر سیمان متراکم‌تر باشد، کیفیت بتن ساخته شده بهتر است. البته بشرطی که مقدار سیمان جهت تأمین کارایی مناسب، کافی باشد.

طبق گزارش‌ها، مقاومتی بالغ بر ۸۵ نیوتن بر میلی متر مربع با استفاده از بتن‌های سنگین قابل حصول است. البته بنا به تجربه و آزمایش، با کاربرد مواد روان ساز و فوق روان ساز که امکان کاهش نسبت آب به سیمان را فراهم می‌آورند. همچنین استفاده از دوده سیلیسی متراکم، کسب مقاومت‌های بیشتری نسبت به حالت‌های معمول را امکان پذیر می‌سازد. در نتیجه، در ساخت مخلوطهای آزمایشگاهی در درجه اول به میزان کارایی مخلوط و تراکم آن اهمیت داده می‌شود.
با تأمین شرایط فوق در حد قابل قبول، کسب مقاومتی در حدود ۷۰ تا ۱۴۰ نیوتن بر میلی متر مربع قابل حصول است.

مشخصه های سپر محافظتی

نفوذ ناپذیری، مهمترین مشخصه سپر محافظتی است. تغییرات حجمی بتن و اجتناب از هرگونه ترک خوردگی از مشخصه‌های مهم دیگر است. به همین جهت طراحی و اجرای سپرهای محافظتی بتنی به دقت عمل و فن آوری پیچیده‌تری نسبت به بتن‌های معمولی، نیاز دارد. برای حصول یک طرح مناسب، در وهله اول نوع منبع انرژی، طبیعت و شدت ذرات هسته‌ای و پرتوهایی که توقف و یا کاهش اثر آنها در یک محدوده مشخص، هدف ساخت سپر محافظتی است، باید مورد مطالعه و شناسایی قرار گیرد.

گام دوم انتخاب سنگدانه‌های مناسب جهت حصول چگالی موردنظر، انتخاب مواد افزودنی مناسب جهت حصول کارایی کافی و بالاخره مقدار سیمان و طرح اختلاط جهت رسیدن به مقاومت مورد نیاز می‌باشد. در این مورد، استفاده از سیمان پرتلند نوع I عمومیت دارد، لیکن برحسب شرایط محیطی، ممکن است استفاده از سیمان های پرتلند نوع ۲، ۴ و یا ۵ نیز مورد توجه قرار گیرد. در برخورد با سنگدانه های واکنش زا با قلیاها، استفاده از سیمان های کم قليا (با میزان قلیایی معادل کمتر از ۰/۶ درصد) در برنامه کار قرار میگیرد. در مواردی که بتن در تماس دائم با مایعاتی با خاصیت قلیایی زیاد است، استفاده از سنگدانه های واکنش زا با قلیاها، بطور کلی ممنوع می باشد، حتی اگر از سیمان کم قليا استفاده شود.

دانه های سنگین

دانه‌های سنگین با چگالی زیاد، مانند باریت، فروفسفر، گوتیت، هماتیت، ایلمنیت، لیمونیت، مانیتیت و گلوله ها و تکه های فولادی برای تولید بتن سنگین بکار میروند. در مواردی که مقدار آب ثابت بالایی مورد نظر باشد، از سرپنتین که کمی سنگین تر از سنگدانه های معمولی است یا بوکسیت میتوان استفاده کرد.

بتن های وزنی (وزنه های تعادلی)

بتن سنگین اغلب برای ساخت وزنه‌های تعادلی و یا جهت افزایش وزن مرده یک سازه بصورت اقتصادی و بدون افزایش حجم ظاهری نسبت به بتن با سنگدانه های معمولی بکار می‌رود. سنگدانه‌های مورد استفاده برای این منظور، می‌توانند مشابه سنگدانه‌های مصرفی در ساخت سپرهای محافظتی در مقابل تشعشع باشند. مگر اینکه بتن وزنی از لحاظ خورندگی در شرایط محیطی شدیدتری قرار گرفته باشد. در چنین شرایطی ممکن است ضوابط خاصی برای ساخت بتن و انتخاب سنگدانه ها مدنظر قرار گیرد.

بتن سنگین در معرض یخبندان

در صورتیکه بتن ساخته شده در معرض هوای سرد و یخبندان در محیط اشباع قرار گیرد، سنگدانه‌های مصرفی باید از نوع بادوام و پایدار در مقابل یخبندان انتخاب شوند. در ضمن بتن باید شامل درصدی حباب هوا طبق توصیه های عمومی و متناسب با حداکثر قطر سنگدانه مصرفی باشد. هرچند از لحاظ نظری استفاده از مواد حباب زا موجب کاهش وزن بتن می گردد. لیکن اثر آن معمولاً در مقابل افزایش وزن بتن ناشی از مصرف سنگدانه ناچیز است. در ضمن استفاده از مواد حباب زا در مورد بتن هایی که در محیط اشباع و در معرض یخبندان قرار می گیرند، امری کاملاً ضروری است.

بتن سنگین در معرض آب شور

در صورتیکه بتن در معرض آب شور، نمک های ضدیخ یا دیگر ترکیبات حاوی یون کلرید قرار داشته باشد (نظیر نواحی ساحلی) باید دقت ویژه‌ای در جلوگیری از خوردگی آرماتورها و یا دانه های فولادی داشت. استفاده از عیار سیمان زیاد، بازدارنده‌های آلی ضد خوردگی، نسبت آب به سیمان کم. به علاوه ۳ الی ۴ درصد حباب هوا، برای حصول به نفوذپذیری کم، برای بتن های ساخته شده با دانه های فولادی قابل توصیه است. همچنین دوده سیلیسی متراکم، باعث افزایش نفوذناپذیری مخلوط ساخته شده میشود. از مصالحی که شامل درصد زیادی از نمکهای کلردار بوده و با خاصیت خورندگی زیادی دارند، نباید استفاده نمود.

خطوط لوله زیر دریا حاوی گاز، هوا یا مایعات دیگر، اغلب توسط وزنه های بتنی در مقابل غوطه وری مهار می شوند. در ساخت این وزنه ها گاهی از بتن سنگین استفاده می شود. کف های ضد سایش سالن های صنعتی دارای جرم مخصوصی تا ۳۶۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب می باشند. از اجزای تشکیل دهنده این نوع بتن ها، سنگدانه های فلزی و فولادی است. البته استفاده از این نوع سنگدانه ها در این موارد خاص بیشتر بخاطر تأمین مقاومت زیاد سنگدانه ها در مقابل سایش می باشد، تا افزایش وزن.

ساخت بتن سنگین

هر چند فن آوری بتن سنگین مشابه بتن هایی با وزن معمولی است. ولی در هنگام استفاده باید به اثرات ناشی از اضافه وزن و فشار این نوع بتن بر روی تجهیزات، قالب ها و دیگر موارد، دقت داشت. دو روش اصلی برای اجرای بتن سنگین وجود دارد. یکی روش متعارف شامل اختلاط، حمل و نقل و ریختن. دیگری روش پیش آکنده، ریختن سنگدانه سنگین درون قالب و تزریق دوغاب سیمان به درون فضای بین مصالح سنگی درشت دانه. با استفاده از مواد روان ساز و فوق روان ساز و در نتیجه کاهش نسبت آب به سیمان و یا استفاده از دوده اسیلیسی میتوان به مقدار کمی وزن مخصوص بتن سنگین را افزایش داد.

مجموعه‌های اطلاعاتی گوناگونی در 211-1 ACT موجودند. جداول متفاوت بیانگر محدوده های گوناگون از تجربیات عملی اند که نه تنها متناقض نیستند، بلکه با یکدیگر مکمل میباشند. ضمناً باید به این نکته توجه داشت که در این جداول، مقادیر ناخالصی دانه ها متفاوت است. این موضوع، بر روی چگالی نسبی اثر گذاشته و در نتیجه چگالی بتن‌های تولید شده با این دانه ها نیز تحت تاثیر قرار می‌گیرند. گلوله ها و تکه های فولادی در مواردی بکار می روند که بتنی با چگالی بیشتر از ۴۸۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب مورد نیاز باشد.

انتخاب یک دانه با توجه به خواص فیزیکی، قابلیت دسترسی و هزینه ها تعیین می شود. دانه های سنگین باید بطور معقولی عاری از مصالح ریز، روغن و اندودهای خارجی باشند. زیرا روی چسبندگی خمیر به دانه ها یا هیدراسیون سیمان اثر میگذارند. برای رسیدن به یک کارایی خوب دانسیته حداکثر و صرفه اقتصادی، لازم است مصالح تقریباً مکعبی و گرد گوشه بوده و عاری از دانه های پولکی یا بادامی باشند.

مواد افزودنی

مواد افزودنی حاوی برن Boron مانند کلمنیت و مواد تکلیس شده، برن‌دار برای بهبود خواص حفاظت نوترونی بتن بکار می‌روند. این مواد ممکن است روی گیرش و مقاومت اولیه بتن تاثیر معکوسی داشته باشند. بنابراین مخلوطهای آزمایشی باید با این مواد افزودنی تحت شرایط کارگاهی ساخته شوند تا مناسب بودن آنها تعیین شود. مواد افزودنی مانند آهک هیدراته شده در فشار را میتوان با ماسه های درشت دانه به منظور به حداقل رسانیدن هر گونه اثر کند گیری بکار برد.

خواص بتن سنگین

خواص بتن سنگین در هر دو حالت خمیری و سخت شده را با انتخاب مناسب مصالح و تعیین نسبتهای مخلوط میتوان بگونه ای تنظیم کرد که شرایط کارگاهی و مقررات حفاظتی برآورده شوند. خواص فیزیکی بتن سنگین در همه موارد به استثنای چگالی آن مشابه با بتن معمولی است. مقاومت، تابعی از نسبت آب به سیمان است. بنابراین برای هر مجموعه خاصی از مصالح، به مقاومتهای قابل مقایسه با بتنهای معمولی میتوان دست یافت. هر حفاظ تشعشعی ضوابط و مقررات ویژه ای دارد. باید از مخلوطهای آزمایشی با مصالح کارگاهی و تحت شرایط کارگاهی ساخته شوند تا نسبتهای اختلاط مناسب تعیین شوند.
روشهای انتخاب نسبتهای مخلوط برای بتن سنگین با روشهای مورد استفاده در بتن معمولی یکسان است. اطلاعات بیشتری در مورد اختلاط و محاسبات نمونه در پیوست 1-210 ACI داده شده است.

متداول ترین روشهای اختلاط و بتن ریزی بتن سنگین

روشهای معمول

غالباً برای اختلاط و بتن ریزی روشهای معمول و متداول بکار میروند. اما دقت کنید تا از پر کردن بیش از اندازه مخلوط کن با دانه‌های سنگین مانند تکه‌های فولادی، اجتناب شود. پیمانه‌ها باید تا حدود ۵۰ درصد ظرفیت اسمی مخلوط کن کاهش یابند. از اختلاط زیاد به منظور جلوگیری از شکسته شدن دانه‌ها می‌بایست اجتناب ورزید. زیرا منجر به اثرات زیان بخشی بر روی کارایی و آب انداختن میشود.

روشهای از پیش چیده شده (پیش آکنده)

این روش را میتوان برای بتن ریزی در نواحی محبوس و اطراف عناصر اجرا شده بکار برد. از این روش به منظور به حداقل رساندن جدایی دانه‌های درشت، بویژه فولاد و  تولید بتنی با دانسیته و ترکیب یکنواخت استفاده می‌شود. دانه های درشت یا ترکیبی از چندین نوع دانه، از پیش در قالبها چیده می شوند. سپس دوغاب تهیه شده از سیمان، ماسه و آب از درون لوله ها با فشار جریان میابد. تا حفره های میان دانه ها پر شود.

روش پمپاژ

برای بتن سنگین با خطوط لوله در محلهایی که فضا محدود است، میتواند سودمند باشد. بتن های سنگین دانسیته بیشتری دارند. از این رو، در مقایسه با بتن معمولی، نمیتوان آنها را تا مسافتهای طولانی پمپ کرد.

روش غوطه وری

روشی است که در آن بیشتر از ۵۰ میلیمتر ملات در قالبها ریخته میشود. سپس با لایه ای از دانه های مربوطه پوشیده میگردد. و در اثر کوبیدن با میله یا ارتعاش داخلی، دانه ها به درون ملات هدایت می شوند. باید دقت کرد تا از توزیع یکنواخت دانه ها در سرتاسر بتن اطمینان حاصل شود.