بتن به دلیل در دسترس بودن و دوام، یک مصالح ساختمانی پرکاربرد است. امروزه، گستره تحقیقاتی در زمینه تکنولوژی بتن افزایش پیدا کرده است و با اصلاح مؤلفه‌های سنتی آن، عملکرد بتن بهبود یافته است. در این مقاله، بتن پودری واکنش‌پذیر مورد بحث قرار گرفته شده است.
بتن پودری واکنش‌پذیر یا RPC-Reactive Powder Concrete، با ماسه کوارتز به‌عنوان سنگدانه اصلی آن، همراه با دوده سیلیس به‌عنوان یکی از اجزا حیاتی، ساخته می‌شود. پیر ریچارد بتن پودری واکنش‌پذیر را آزمایش کرد و طبق آزمایشات انجام شده مقاومت فشاری آن بین 200 مگاپاسکال تا 800 مگاپاسکال بود.
RPC یک ماده بر پایه سیمان پرتلند با مقاومت بسیار بالا و شکل‌پذیری بالا است و یک فناوری نوظهور است که بُعد جدیدی به “بتن با کارایی بالا” می‌دهد. به‌دلیل خواص مکانیکی و دوام بالا در مقایسه با بتن معمولی با کارایی بالا، پتانسیل بسیار زیادی در ساخت و ساز دارد. بتن پودری واکنش‌پذیر به‌دلیل استحکام خود حتی می‌تواند در برخی کاربردها جایگزین فولاد شود. دانشمندان مختلف مطالعات متعددی انجام داده‌اند و دریافته‌اند که بتن پودری واکنش‌پذیر مقاومت فشاری و خمشی بسیار خوبی دارد. بنابراین به‌طور کلی به دو گرید RPC200 و RPC800 دسته‌بندی می‌شود.
شکل 1: ریزساختار بتن پودری واکنش‌پذیر
چه کسی بتن پودری واکنش‌پذیر را اختراع کرد؟
مطابق با ‘R. Selvaraj و R. Priyanka’ (منتشر شده در International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT)) ، M. Cheyrezy و P. Richard برای اولین بار بتن پودری واکنش‌پذیر را توسعه دادند. اولین بار در اوایل دهه 1900 توسط بخش فنی Bouygues، S.A. فرانسه تولید شد.
موارد زیر مزایای RPC هستند :
کاربردهای بتن پودری واکنشپذیربا توجه به خواص بتن پودری واکنش‌پذیر، برای کاربردهایی که به وزن سازه‌ای کمتر و دهانه سازه‌ای زیاد نیاز دارند، انتخابی عالی است. کاربردهای متعددی برای بتن پودری واکنش‌پذیر وجود دارد، مانند:
بنابراین، طیف گسترده‌ای از کاربردهای بتن پودری واکنش‌پذیر وجود دارد که گسترش بازار بتن پودری واکنش‌پذیر را نشان می‌دهد.
علاوه بر مزایا و کاربردهای گسترده بتن پودری واکنش‌پذیر باید به این نکته توجه کرد که در صورت استفاده از بتن پودری واکنش‌پذیر محدودیت‌هایی نیز وجود دارد.
موارد زیر محدودیت‌های بتن پودری واکنش‌پذیر است:
RPC در مقایسه با بتن با کارایی بالا، مقاومت فشاری بیشتری دارد، حداکثر مقاومت فشاری آن تقریباً 200 مگاپاسکال است. مقاومت فشاری یکی از عوامل مهمی است که بر مقاومت بتن تأثیر می‌گذارد. با انجام آزمایش مکعب بتن، می‌توان مقاومت فشاری بتن را بررسی کرد.
به‌منظور اندازه‌گیری کارایی RPC، آزمایش اسلامپ انجام می‌شود. این آزمایش با پرکردن قالب با بتن پودری واکنش‌پذیر و اندازه‌گیری قطر پخش RPC در دو جهت به‌صورت متعامد (عمود برهم) پس از بلند کردن قالب به سمت بالا، به‌صورت عمودی انجام می‌شود. در نهایت مقدار متوسط کارایی بتن به‌صورت پخش بتن بیان می‌شود. در حالی که آب‌انداختگی و جداشدگی را می‌توان به‌صورت بصری بررسی کرد.
کارایی RPC اندازه‌گیری شده در محدوده 120 میلی‌متر تا 140 میلی‌متر به این معنی است که کارایی بالایی دارد که منجر به خود متراکمی بتن می‌شود.
بتن پودری واکنش‌پذیر ساده در مقایسه با بتن معمولی، مقاومت خمشی نسبتاً بالایی دارد. افزودن الیاف فولادی، مقاومت بتن پودری واکنش‌پذیر را افزایش می‌دهد. با این‌حال، قطر و طول الیاف فولادی تاثیر قابل‌توجهی بر مقاومت خمشی مخلوط دارد.
جذب آب RPC با افزایش سن کاهش می‌یابد. اگرچه درصد جذب آب آن در مقایسه با بتن با کارایی بالا کمتر است امّا این ویژگی خاص یکی از مطلوب‌ترین خواص مواد مورد استفاده برای مهار ضایعات هسته‌ای است. به‌طور مشابه، نفوذپذیری آب بتن پودری واکنش‌پذیر با افزایش سن کاهش می‌یابد.
سطح مقاومت RPC در برابر یخبندان، با نرخ تلفات جرم پایین یعنی زیر 1٪، بالا است. بنابراین مقاومت زیادی در برابر شرایط یخبندان شدید دارد.
سیمان پرتلند معمولی، ماسه کوارتز و دوده سیلیس اجزای اصلی تولید بتن پودری واکنش‌پذیر هستند. اجزای دیگر شامل الیاف فولادی، سنگدانه‌ها، ماسه رودخانه و روان کننده‌ها می‌باشد. استفاده از روان کننده‌ها می‌تواند نسبت آب به سیمان را تقریباً 0/23 کاهش دهد که در نهایت بتن کارآمدتری را به‌همراه دارد و همچنین مقاومت آن را بهبود می‌بخشد.
مشخصات اجزای RPC به‌شرح زیر است:
سیمان مورد استفاده باید سیمان پرتلند معمولی (OPC) با عیار 53 با اندازه ذرات از 1 میکرومتر تا 100 میکرومتر باشد. سیمان پرتلند معمولی به‌عنوان یک ماده اتصال‌دهنده (بایندر) عمل می‌کند.
شن و ماسهاندازه ذرات باید بین 150 میکرومتر تا 600 میکرومتر باشد. ماسه به مخلوط استحکام می‌بخشد.
اندازه دوده سیلیس باید 22 m2/g (ریزی/نرمی) باشد. قطر دوده سیلیس باید کمتر از 1 میکرومتر و اندازه متوسط آن حدود 1/5 میکرومتر باشد. عملکرد اصلی دوده سیلیس پر کردن فضاهای خالی است. همچنین در تولید هیدرات‌های ثانویه، رئولوژی را افزایش می‌دهد.
پودر کوارتزاندازه ذرات پودر کوارتز باید از 5 میکرومتر تا 25 میکرومتر باشد. پودر کوارتز حداکثر واکنش‌پذیری را در طول عملیات حرارتی مخلوط ایجاد می‌کند. pH آن خنثی است و از 99/9٪ SiO2 تشکیل شده است و دارای وزن مخصوص 2/6 تا 2/7 است.
الیاف فولادیابعاد الیاف فولادی توصیه شده عبارتند از: طول13 تا 25 میلی‌متر و قطر 0/15 تا 0/5 میلی‌متر. الیاف فولادی، شکل‌پذیری بتن پودری واکنش‌پذیر را بهبود می‌بخشد.
مقاله مرتبط: بتن تقویت شده با الیاف فولادی
فوق روان کننده مورد استفاده پلی‌کربوکسیلات است که دارای pH حداقل 6 و جرم حجمی تا 1/09 کیلوگرم در لیتر در دمای 20 درجه سانتی‌گراد است. هدف اصلی یک فوق روان کننده در بتن پودری واکنش‌پذیر کاهش نسبت آب به سیمان است.
بر اساس تحقیقات “Sarika S & Dr Elson John” (منتشر شده در مجله بین‌المللی تحقیقات و فناوری مهندسی (IJERT))، موارد زیر نسبت‌های مخلوط برای طرح مخلوط بتن پودری واکنش‌پذیر هستند. با این طرح اختلاط، آنها پس از 28 روز عمل‌آوری با میزان آب استاندارد، قدرت 130 مگاپاسکال را دریافت کردند. جدول زیر نسبت مخلوط را برای طرح مخلوط بتن پودری واکنش‌پذیر نشان می‌دهد.
| نسبت اختلاط بتن پودری واکنش‌پذیر | |
| نسبت اختلاط (kg/m3) | مواد |
| 1000 | سیمان |
| 225 | دوده سلیس |
| 252 | پودر کوارتز |
| 0/2 | w/b – آب / بایندر |
| 245 | آب |
| 30/6 | الیاف فولادی |
| 49 | فوق روان کننده |
| 700 | سنگدانه (2/36 میلی‌متر – 1/18 میلی‌متر) |
| 150 | سنگدانه (1/18 میلی‌متر – 600 میکرو) |
| 100 | سنگدانه (600 میکرو – 0) |
اختلاط بتن اولین فرآیند است. در مرحله اوّل باید تمام مواد خشک حدود 2 دقیقه مخلوط شوند. هنگامی که مواد خشک به‌درستی مخلوط شدند، 80 درصد آب را به مخلوط اضافه کرده و مجدد حدود 3 دقیقه مخلوط می‌شود. پس از آن 70 درصد فوق روان کننده‌ها و 15 درصد باقیمانده آب را اضافه کرده و با کمک دستگاه همزن مخلوط می‌شوند. سپس 30 درصد باقیمانده فوق روان کننده و 5 درصد آب به مخلوط اضافه شده و به مدت تقریباً 4 دقیقه با دقت مخلوط می‌شوند. در نهایت الیاف فولادی به مخلوط اضافه شده و حدود 1 دقیقه مخلوط می‌شوند تا توزیع یکنواختی حاصل شود. قالب‌های مکعب به ابعاد 100 میلی‌متر در 100 میلی‌متر بتن‌ریزی می‌شود و حدود 28 روز برای عمل‌آوری باقی می‌مانند.
عمل‌آوری بتن برای استحکام بتن بسیار مهم است. عمل‌آوری بتن پودری واکنش‌پذیر با استفاده از سه روش مختلف عمل‌آوری: عمل‌آوری طبیعی داخلی، عمل‌آوری استاندارد و عمل‌آوری مرکب انجام می‌شود. هر یک از فرآیندها به‌طور خلاصه در زیر ذکر شده است:
شرایط مختلف عمل‌آوری به‌طور قابل‌توجهی بر خواص مکانیکی RPC برای 7 تا 28 روز تأثیر می‌گذارد. در زمان عمل‌آوری ترکیبی با آب گرم، مقاومت بتن پودری واکنش‌پذیر به‌طور ناگهانی در 7 روز افزایش یافت. این نتیجه خاص تقریباً مشابه نتیجه 28 روز و بالاتر از نتیجه 7 روز در 28 روز تحت شرایط پخت استاندارد و طبیعی باقی ماند. علاوه بر این، نتیجه به‌دست آمده همچنین تأیید کرد که مقدار مناسبی از الیاف فولادی در مخلوط می‌تواند به‌طور موثر ساختار داخلی ماتریس را بهبود بخشد و عملکرد RPC را تثبیت کند. انتخاب دمای مناسب برای عملیات حرارتی و زمان برای بهبود مقاومت بتن پودری واکنش‌پذیر بسیار مهم است. این رویکرد خاص می‌تواند هزینه یک سازه پیش‌ساخته را کاهش دهد و روند ساخت و ساز را تسریع کند.
شکل 2: مطالعه موردی- ساخت راه آهن چینگهای تبت
با بتن پودری واکنش‌پذیر
راه‌آهن چینگهای تبت، در منطقه غربی چین و در ارتفاعی که تقریباً بیش از 4000 متر است، واقع شده است. روی زمین یخ‌زده راه‌آهنی به طول 576 کیلومتر ساخته شده است. آب و هوای بد همراه با طوفان‌های شن منطقه تاندرا، بتنی برای ساخت پل می‌طلبد که دارای خواص مکانیکی و دوام بالا باشد.
استفاده از بتن پودری واکنش‌پذیر که متشکل از سیمان پرتلند، دوده سیلیس، خاکستر بادی (فلای اش) بسیار ریز و فوق روان کننده‌ها در سیستم‌های پیاده‌رو پل با مقاومت فشاری تقریبی 160 مگاپاسکال، ارجحیت دارند.
با استفاده از بتن معمولی اختلالات و مشکلات متعددی مانند زنگ‌زدگی میله‌های فولادی تقویت کننده، خوردگی و گسیختگی دال بتنی وجود دارد. این مشکلات منجر به نگهداری سالانه سیستم پیاده‌رو بتنی معمولی می‌شود. همچنین، باید به این نکته توجه شود که وزن مرده سیستم پیاده‌رو سنتی بسیار بیشتر از سیستم پیاده‌رو RPC است. علاوه بر این، سیستم پیاده‌رو ساخته شده از بتن پودری واکنش‌پذیر دارای مزایای مختلفی همچون بار مرده کمتر، دوام بالا، حداقل هزینه تعمیر و نگهداری می‌باشد. بنابراین، RPC انتخاب مناسبی برای ساخت سیستم پیاده‌رو راه‌آهن چینگهای تبت، در مقایسه با بتن معمولی بود.
نتیجه
RPC استحکام و دوام بالایی دارد و عمل‌آوری در دمای بهتر می‌تواند خواص مکانیکی آن را بهبود بخشد. استفاده از RPC در پل‌ها می‌تواند جایگزین استفاده از میله‌های فولادی برای تقویت بتن شود. بنابراین، کل روند ساخت و ساز را ساده می‌کند. همچنین خواص عالی RPC مانند استحکام و دوام آن، می‌تواند طول عمر پل را افزایش دهد.
بتن پودری واکنش‌پذیر یک فناوری نوظهور است که دیدگاه جدیدی را به اصطلاح “بتن با کارایی بالا” ایجاد می‌کند. به‌دلیل دوام و سایر خواص مکانیکی آن در مقایسه با بتن معمولی با کارایی بالا، پتانسیل بسیار زیادی در زمینه ساخت و ساز دارد. بنابراین، این نوع بتن می‌تواند انتخاب بهینه برای تاسیسات ذخیره‌سازی ضایعات صنعتی و هسته‌ای باشد.
منبع
M.Gh.
