بتن ریزی و عمل آوری بتن در هوای سرد چگونه است؟

تعریف هوای سرد

قبل از بررسی بتن‌ریزی و عمل‌آوری بتن در هوای سرد، لازم است یک تعریف دقیق از «هوای سرد» ارائه شود. مطابق مبحث ۹ مقررات ملی ساختمان، هوای سرد به وضعیتی اطلاق می‌شود که شرایط زیر به مدت حداقل سه روز متوالی برقرار باشد:

• دمای متوسط روزانه هوا در طول شبانه‌روز کمتر از ۵ درجه سلسیوس باشد. منظور از دمای متوسط روزانه، میانگین حداکثر و حداقل دمای هوا در فاصله زمانی نیمه‌شب تا نیمه‌روز است.
• دمای هوا برای بیش از نصف روز، بیشتر از ۱۰ درجه سلسیوس نباشد.

در چنین شرایطی، انجام اقدامات خاصی در فرآیند بتن‌ریزی و عمل‌آوری (کیورینگ) بتن الزامی است. این تدابیر باعث جلوگیری از یخ‌زدگی بتن و فراهم کردن شرایط مناسب برای کسب مقاومت مطلوب می‌شوند.

بتن در چه دمایی یخ میزند؟

مطابق تحقیقات و آیین‌نامه‌ها، نقطه یخ‌زدگی بتن تازه تقریباً در محدوده ۰ تا ۲ درجه سلسیوس اتفاق می‌افتد و در دماهای پایین‌تر، سرعت یخ‌زدگی بیشتر می‌شود. این نقطه به عواملی مانند نسبت آب به سیمان، نوع سیمان، و وجود افزودنی‌های ضد یخ در مخلوط بستگی دارد.

زمانی که دمای بتن کمتر از ۱۰ درجه سلسیوس شود، تمهیدات لازم برای بتن‌ریزی در هوای سرد باید اعمال گردد. این اقدامات شامل کنترل دما و استفاده از روش‌های محافظتی است. اگر دما به ۵ درجه سلسیوس یا کمتر برسد، واکنش‌های مرتبط با گیرش و سخت شدن بتن در حد قابل توجهی کند می‌شود بنابراین رعایت این تمهیدات الزامی خواهد بود.

اثر دمای پایین بر مقاومت و گیرش بتن

بتن یک ماده متخلخل و ترکیبی از سیمان، آب، سنگدانه و برخی افزودنی‌هاست. آب موجود در بتن نقش کلیدی در فرآیند هیدراسیون سیمان دارد. اگر دمای محیط یا دمای داخل بتن به اندازه‌ای کاهش یابد که آب موجود در آن یخ بزند، واکنش هیدراسیون متوقف شده و ساختار بتن آسیب می‌بیند.

بتن دارای منافذی است که ممکن است با آب یا هوا پر شده باشد. نسبت آب موجود در منافذ به حجم کل منافذ را درجه اشباع می‌گویند. وقتی دمای محیط کاهش می‌یابد، آب موجود در بتن یخ می‌زند و حجم آن حدود ۹ درصد بیشتر می‌شود. هنگامی که درجه اشباع بتن ۸۰ درصد یا بیشتر باشد، یخ‌زدگی باعث آسیب به ساختار بتن می‌شود؛ زیرا منافذ کافی برای انبساط آب وجود ندارد. این فشار داخلی باعث ترک‌خوردگی و تخریب بتن می‌شود.

در بتن تازه، فرآیند هیدراتاسیون (ترکیب آب و سیمان) هنوز کامل نشده و منافذ زیادی با آب پر هستند، بنابراین خطرات ناشی از یخ‌زدگی بسیار بالاست. زمانی که مقاومت فشاری بتن به حدود ۵ مگاپاسکال برسد، درجه اشباع زیر سطح بحرانی می‌رود و بتن در برابر یخ‌زدگی مقاوم‌تر می‌شود.

کاهش دما علاوه بر ایجاد خطر یخ‌زدگی، باعث کاهش مقاومت بتن و تغییر خواص مصالح می‌شود. همچنین هوای سرد سرعت گیرش سیمان را کاهش داده و زمان سفت شدن بتن را به تأخیر می‌اندازد، که این امر می‌تواند به افزایش فشار وارده بر قالب بتن و هزینه‌ها منجر شود.

اگر سنگدانه‌ها دارای رطوبت باشند، آب موجود در آن‌ها نیز یخ می‌زند. یخ‌زدن آب داخل سنگدانه یا داخل بتن، باعث افزایش حجم و ایجاد ترک‌های سطحی، کاهش مقاومت و فرسایش زودهنگام، کاهش کارایی و طول عمر بتن می‌شود. یخ‌زدگی همچنین موجب کاهش چسبندگی بتن و میلگرد شده و در صورتی که بتن در سنین اولیه دچار یخ‌زدگی شود، هرگز به مقاومت نهایی مورد انتظار دست نمی‌یابد.

حداقل دمای بتن ریزی در زمستان

دمای بتن در طول مراحل مختلف از جمله اختلاط، انتقال، بتن‌ریزی و عمل‌آوری باید به طور منظم ثبت شود تا اطمینان حاصل گردد که در محدوده دمای مجاز قرار دارد. مطابق مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، دمای مجاز بتن در هنگام اختلاط، ریختن و نگهداری به دمای محیط و ابعاد عضو بتنی بستگی دارد. همچنین بر اساس آیین‌نامه بتن ایران (آبا) و مقررات ملی ساختمان، حداقل دمای مجاز بتن هنگام اختلاط، ریختن، نگهداری و نیز حداکثر مجاز افت تدریجی دما در 24 ساعت اولیه پس از خاتمه دوره عمل آوری بتن مطابق جدول زیر می باشد:

جدول فوق، حداقل دمای بتن ریزی و توضیحات زیر، دمای مناسب و مجاز بتن ریزی را مطابق مقررات ملی ساختمان ارائه می‌دهد.

• دمای بتن هنگام اختلاط نباید بیش از ۸ درجه سلسیوس بیشتر از مقادیر جدول فوق باشد؛ زیرا موجب اتلاف انرژی بیشتر، افت شدید اسلامپ و در نهایت کاهش کیفیت بتن می‌گردد. در صورت تأمین کارایی لازم، رعایت این بند الزامی نیست.
• دمای بتن هنگام ریختن نباید بیش از ۱۱ درجه سلسیوس بیشتر از مقادیر جدول فوق باشد؛ در غیر این صورت، موجب کاهش کیفیت بتن خواهد شد. در صورت تأمین کارایی لازم در محل کار و در لحظه بتن‌ریزی، رعایت این بند الزامی نیست.
• چنانچه تدابیر ویژه‌ای برای اختلاط و بتن‌ریزی فراهم نشود، انجام بتن‌ریزی در دمای ۲۰- درجه سلسیوس و کمتر ممنوع است.

ضوابط و دستور کار بتن ریزی در زمستان

در شرایط آب‌و‌هوایی سرد، بتن باید در برابر یخ‌زدگی محافظت شود و دمای آن در محدوده‌ی مناسب و پایدار حفظ گردد. همچنین ضروری است تمهیدات لازم برای نگهداری حرارت و رطوبت بتن به‌درستی اجرا شود تا فرآیند هیدراسیون سیمان بدون اختلال ادامه یابد.

به‌طور کلی توصیه می‌شود در صورت امکان، عملیات بتن‌ریزی تا زمان بهبود شرایط دمایی محیط به تعویق انداخته شود؛ اما در صورتی که انجام بتن‌ریزی اجتناب‌ناپذیر باشد، باید ضوابط و دستورالعمل‌های فنی مربوط به مراحل قبل، حین و بعد از بتن‌ریزی و عمل‌آوری به‌طور کامل رعایت گردد تا از کاهش مقاومت و دوام بتن جلوگیری شود. در این بخش، به بررسی مهم‌ترین ضوابط و دستور کار بتن‌ریزی در هوای سرد پرداخته می‌شود.

جلوگیری از یخ زدن بتن در هوای سرد

اقدامات قبل، حین و بعد از بتن ریزی و عمل اوری در هوای سرد برای جلوگیری از یخ زدن بتن به شرح زیر می‌باشد:

• قبل از آغاز عملیات بتن‌ریزی، لازم است با برنامه‌ریزی دقیق و آمادگی کامل، تمامی تجهیزات و مصالح مورد نیاز آماده شوند. تجهیزات ضروری مانند دماسنج، وسایل گرمایش، پوشش‌ها و عایق‌های حرارتی باید از پیش تهیه و در دسترس باشند.
• کلیه اجزایی که بتن با آن‌ها در تماس خواهد بود (از جمله قالب‌ها، میلگردها و بستر زمین) باید بررسی و از وجود برف، یخ یا رطوبت منجمد پاک شوند. دمای تمام سطوح فلزی در تماس با بتن نباید کمتر از ۰ درجه سلسیوس باشد. برای گرم‌کردن قالب‌ها و تجهیزات می‌توان از اسپری آب یا بخار آب گرم استفاده کرد.
• در صورت لزوم، برای کاهش خطر یخ‌زدگی آب اختلاط، می‌توان از افزودنی‌های ضدیخ بتن استفاده نمود. البته باید توجه داشت که افزودنی‌های ضدیخ حاوی کلر در بتن مسلح ممنوع هستند، زیرا موجب خوردگی میلگردها می‌شوند.
• در مناطقی که بتن در معرض یخ‌زدگی و ذوب‌های متوالی قرار دارد، استفاده از مواد حباب‌زا توصیه می‌شود تا با ایجاد حباب‌های ریز در بتن، فضای کافی برای انبساط آب در زمان یخ‌زدگی فراهم گردد و از ترک‌خوردگی جلوگیری شود
• در تمام مراحل بتن‌ریزی و عمل‌آوری، دمای بتن باید به‌صورت مداوم کنترل شود تا از یخ‌نزدن بتن تازه اطمینان حاصل گردد. حفظ دمای بتن در محدوده مجاز نقش اساسی در تداوم واکنش هیدراسیون و کسب مقاومت فشاری مطلوب دارد.
• همچنین می‌توان از پوشش‌های عایق حرارتی برای جلوگیری از یخ‌زدگی بتن و وسایل گرمایشی مناسب برای گرم‌کردن تدریجی بتن و محیط اطراف استفاده کرد تا شرایط عمل‌آوری مطلوب فراهم شود.
• زمان باز کردن قالب بتن باید پس از اطمینان از دستیابی بتن به مقاومت کافی برای تحمل بارهای وارد بر آن انجام شود. در هوای سرد، به دلیل کاهش سرعت گیرش و سخت شدن بتن، مدت زمان قالب‌برداری باید طولانی‌تر از شرایط معمول در نظر گرفته شود.

آیین نامه بتن ایران و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، ضوابط و دستورالعمل‌هایی ویژه برای بتن‌ریزی در شرایط هوای سرد ارائه کرده‌اند. رعایت این دستورالعمل‌ها در پروژه‌های عمرانی الزامی است تا کیفیت بتن حفظ شده و خطرات ناشی از یخ‌زدگی کاهش یابد. در ادامه، مهم‌ترین بندها و ضوابط ذکر شده در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان در خصوص بتن‌ریزی در هوای سرد ارائه می‌گردد تا چارچوب اجرایی لازم پیش از آغاز عملیات فراهم شود.

تدابیر احتیاطی برای بتن‌ریزی در هوای سرد

مبحث 9 مقررات ملی ساختمان در خصوص بتن ریزی در هوای سرد، موارد زیر را توصیه کرده است:

• در هنگام بتن‌ریزی در هوای سرد، باید دقت کامل در انتخاب مصالح مصرفی، طرح اختلاط بتن، شرایط اختلاط، حمل، ریختن و عمل‌آوری آن صورت گیرد. هدف از این اقدامات، جلوگیری از یخ‌زدگی بتن تازه و اطمینان از دستیابی بتن سخت‌شده به کیفیت و مقاومت مطلوب است.
• دمای بتن باید حداقل دو بار در شبانه‌روز و در نقاط مختلف سازه ثبت شود تا از وضعیت عمل‌آوری و نگهداری آن اطمینان حاصل گردد.
• گوشه‌ها و لبه‌های بتن [به دلیل شرایط خاص حرارتی و تماس بیشتر با محیط] نسبت به یخ‌زدگی آسیب‌پذیرتر هستند؛ بنابراین این نقاط باید با دقت بیشتری کنترل شوند.

مصالح مصرفی برای بتن‌ریزی در هوای سرد

• مقررات ملی ساختمان در خصوص مصالح مصرفی برای بتن‌ریزی در هوای سرد به شرح زیر توصیه کرده است:
• می‌توان از سیمان زودسخت‌شونده (پرتلند نوع ۳) به جای سیمان معمولی برای اطمینان از سرعت بیشتر کسب مقاومت بتن استفاده نمود.
• استفاده از سیمان آمیخته، به ویژه سیمان پوزولانی، در بتن‌ریزی در هوای سرد توصیه نمی‌شود.
• می‌توان از آب گرم برای رساندن بتن به دمای مطلوب استفاده کرد؛ در این حالت باید از تماس مستقیم آب گرم در دمای بیش از ۴۰ درجه سانتی‌گراد با سیمان جلوگیری شود و این موضوع در نحوه ریختن مصالح در مخلوط‌کن رعایت گردد.
• سنگدانه‌ها در هنگام مصرف نباید آغشته به برف و یخ باشند. معمولاً ماسه مرطوب‌تر از شن است و احتمال وجود یخ در آن بیشتر می‌باشد، بنابراین اغلب گرم کردن ماسه ضرورت پیدا می‌کند. (لازم است دمای سنگدانه‌ها نیز پیش از اختلاط کنترل شود تا از یخ‌زدگی و افت کیفیت بتن جلوگیری شود.)

طرح مخلوط بتن در هوای سرد

الزامات طرح مخلوط بتن مطابق مقررات ملی ساختمان برای بتن‌ریزی در هوای سرد به شرح زیر است:

• نسبت آب به سیمان باید با توجه به روند کسب مقاومت بتن در محیط انتخاب گردد. نسبت آب به سیمان نباید از ۵۰ درصد بیشتر باشد. بنابراین لازم است قبل از شروع بتن‌ریزی تدابیر لازم برای کسب مقاومت بتن اتخاذ گردد.
• برای کاهش میزان آب قابل یخ‌زدن در بتن و همچنین کاهش میزان آب انداختن بتن تازه، مقدار آب اختلاط باید به حداقل ممکن کاهش یابد و برای تأمین کارایی می‌توان از مواد افزودنی خمیری‌کننده و روان‌کننده استفاده کرد.
• در صورتی که از مواد افزودنی روان‌کننده استفاده نشود، اسلامپ بتن نباید بیشتر از ۵۰ میلی‌متر انتخاب گردد.(همچنین توصیه می‌شود طرح مخلوط پیش از بتن‌ریزی با نمونه‌گیری آزمایشگاهی کنترل شود تا مقاومت و کارایی بتن در شرایط هوای سرد تضمین گردد.)

عمل آوری بتن

مدت زمان عمل‌آوری بتن به دوره‌ای گفته می‌شود که در آن بتن تحت شرایط کنترل‌شده دما و رطوبت قرار می‌گیرد تا فرآیند هیدراتاسیون به‌خوبی انجام شده و بتن مقاومت لازم را کسب کند. عمل‌آوری بتن در هوای سرد شامل مراحل محافظتی و مراقبتی ویژه‌ای است، زیرا حفاظت از بتن در این شرایط دشوارتر بوده و نیاز به تدابیر بیشتری دارد. در عمل‌آوری بتن در هوای سرد باید موارد زیر رعایت شود:

• حفظ دمای بتن در طول دوره عمل‌آوری و اندازه‌گیری و ثبت مداوم آن.
• تأمین و حفظ رطوبت مناسب بتن به‌منظور تکمیل فرآیند هیدراتاسیون.
• تنظیم مدت زمان عمل‌آوری با توجه به دما و شرایط محیطی.

برای عمل‌آوری بتن در هوای سرد و حفاظت از آن، روش‌های خاصی وجود دارد که در ادامه آنها را بررسی می‌کنیم.

روش های عمل آوری بتن در زمستان

در عملیات کیورینگ و عمل‌آوری بتن، یکی از نکات بسیار مهم، جلوگیری از یخ‌زدگی آب بتن است تا مقاومت مورد نظر بتن حفظ شود. برای نگه داشتن دمای بتن در محدوده مناسب، روش‌های زیر قابل استفاده‌اند:

• عایق‌بندی
• استفاده از بخار آب
• استفاده از بخاری
• دوربند

در ادامه، هر یک از این روش‌ها به‌طور جداگانه بررسی خواهند شد.

کیورینگ بتن با استفاده از عایق‌بندی

عایق‌بندی یکی از روش‌های متداول عمل‌آوری (کیورینگ) بتن برای جلوگیری از هدررفت حرارت و حفظ رطوبت است. در شرایط هوای سرد، سطح بتن باید با استفاده از مواد عایق پوشانده شود تا از تماس مستقیم با هوای آزاد جلوگیری شود و انتقال حرارت بین بتن و محیط کاهش یابد. این کار باعث حفظ دمای مناسب برای ادامه فرآیند هیدراسیون سیمان و جلوگیری از یخ‌زدگی می‌شود.

مواد معمول مورد استفاده برای عایق‌بندی شامل پشم شیشه، پشم سنگ، پلی‌استایرن، فوم وینیل، لاستیک اسفنجی، الیاف سلولوزی و پوشش‌های پلاستیکی مانند نایلون با ضخامت مناسب است. این روش، ساده و اقتصادی بوده و به ویژه در دماهای نه‌چندان پایین کاربرد گسترده دارد.

روش اجرا به این صورت است که ابتدا روی سطح بتن با استفاده از نایلون، برزنت یا گونی خیس پوشانده می‌شود تا رطوبت سطح بتن حفظ شود. سپس لایه عایق مناسب بر روی آن قرار می‌گیرد. برای جلوگیری از جابجایی لایه عایق بر اثر باد یا جابجایی، لازم است آن را با مصالحی مانند آجر، چوب یا ابزارهای مهاری مناسب محکم کرد.

عمل‌آوری بتن در هوای سرد با استفاده از بخاری

یکی دیگر از روش‌های عمل‌آوری بتن در زمستان، استفاده از حرارت مستقیم است که در دماهای پایین‌تر کاربرد دارد. در گذشته این کار با روشن کردن آتش انجام می‌شد و امروزه عمدتاً از بخاری‌ها برای تامین حرارت استفاده می‌شود. این روش در حفظ دمای بتن مؤثر است، اما می‌تواند موجب کاهش رطوبت بتن و خشک شدن سطح آن شود. همچنین لازم است گازهای آلاینده ناشی از سوخت بخاری وارد فضای بسته یا تماس مستقیم با سطح بتن نشوند، زیرا این امر می‌تواند باعث کربناته شدن سطح بتن و کاهش مقاومت آن گردد. برای استفاده صحیح از بخاری‌ها باید نکات زیر رعایت شود:

• سیستم بخاری باید به گونه‌ای طراحی و نصب شود که جریان هوای گرم به طور یکنواخت در فضای محصور اطراف بتن گردش کند.
• از تماس مستقیم شعله یا حرارت متمرکز با سطح بتن جلوگیری شود تا از خشک شدن سطح بتن جلوگیری گردد.
• مواد قابل اشتعال و خطرناک باید از محیط اطراف بخاری دور نگه داشته شوند و تمامی احتیاط‌های ایمنی رعایت شود تا از بروز خسارات جانی و مالی جلوگیری گردد.

به دلیل مشکلات و محدودیت‌های عمل‌آوری بتن با بخاری، یکی از بهترین سیستم‌های گرمایشی برای این منظور استفاده از رادیاتورها یا سیستم گرمایش غیرمستقیم است. در این روش، لوله‌های آب گرم در نزدیکی یا بر روی سطح بتن نصب می‌شوند تا با استفاده از انتقال حرارت همرفتی، سطح بتن را گرم کنند. این روش باعث حفظ دمای بتن بدون خشک شدن سطح آن می‌شود و شرایط مطلوب‌تری برای فرآیند هیدراسیون فراهم می‌آورد.

عمل‌آوری بتن با استفاده از بخار آب

این روش یکی از مؤثرترین روش‌های کیورینگ بتن در هوای سرد است که با تأمین گرما و رطوبت لازم از طریق بخار آب، باعث تسریع فرایند گیرش و افزایش مقاومت اولیه بتن می‌شود. این روش معمولاً برای کیورینگ بتن در محیط‌های سربسته به کار می‌رود، به‌گونه‌ای که بخار آب با فشار بالا و دمای مناسب در محیط محبوس می‌شود. در اجرای این روش باید به نکات زیر توجه داشت:

• افزایش دما باید به‌صورت تدریجی انجام گیرد تا از ایجاد تنش‌های حرارتی و ترک‌های سطحی جلوگیری شود.
• دمای سطح بتن نباید از ۶۵ درجه سانتی‌گراد تجاوز کند، زیرا این امر موجب آسیب به سطح بتن خواهد شد.
• حفظ فشار و دمای بخار در طول دوره عمل‌آوری برای تضمین کیفیت بتن ضروری است.

این روش به دلیل تأمین همزمان رطوبت و حرارت، یکی از راهکارهای مناسب برای عمل‌آوری بتن در شرایط آب‌وهوایی سرد و پروژه‌های بزرگ محسوب می‌شود.

کیورینگ بتن با دوربند

این روش یکی از ساده‌ترین روش‌های عمل‌آوری بتن در هوای سرد است و بیشتر در ساختمان‌های بلندمرتبه استفاده می‌شود. دوربند مانند یک چادر عمل می‌کند و تا حدی از نفوذ هوای سرد به داخل ساختمان جلوگیری می‌کند. در این روش، اطراف ساختمان با پوشش‌هایی از جنس برزنت، نایلون صنعتی، پلی‌اتیلن و سایر مواد مشابه محصور می‌شود تا محیطی گرم‌ و محافظت‌شده برای بتن فراهم گردد. این کار باعث کاهش تبادل حرارت با محیط سرد بیرون و حفظ دمای مناسب بتن در طول دوره عمل‌آوری می‌شود. با این حال، در شرایطی که دمای هوا بسیار پایین باشد، استفاده از دوربند به تنهایی برای عمل‌آوری بتن کافی نیست و باید همراه با روش‌های گرمایشی دیگر مانند بخاری یا بخار آب به‌کار گرفته شود.

روش‌های مجاز عمل‌آوری بتن مطابق مبحث ۹ مقررات ملی ساختمان

مبحث ۹ مقررات ملی ساختمان، دو روش اصلی برای عمل‌آوری بتن را معرفی کرده است: روش آب‌رسانی و روش عایقی. روش‌های مجاز عمل‌آوری بتن با توجه به نوع بتن و نسبت آب به سیمان، مطابق جدول زیر ارائه شده‌اند. بر اساس این جدول عمل آوری بتن، در شرایط محیطی با دمای پایین (هوای سرد)، روش عایقی به عنوان روش مناسب و توصیه‌شده انتخاب می‌شود.

روش عایقی برای بتن‌هایی با نسبت آب به سیمان کمتر از 0.43 به دلیل جلوگیری از خشک‌شدگی و جمع‌شدگی خودبه‌خود بتن، مجاز نمی‌باشد.

مدت زمان عمل آوری بتن در هوای سرد

مدت زمان عمل‌آوری نهایی یا مراقبت از بتن به عوامل متعددی از جمله نوع سیمان، آهنگ کسب مقاومت، دمای سطح بتن و هوای مجاور، شرایط محیطی پس از پایان دوره عمل‌آوری و اهمیت سازه از نظر دوام بستگی دارد. همچنین نسبت آب به سیمان، مقدار سیمان و رده مقاومت مورد نظر بتن از دیگر عوامل مؤثر بر مدت زمان کیورینگ بتن هستند.

مطابق مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، مدت زمان عمل‌آوری در هوای سرد معمولاً بین ۱۰ تا ۱۴ روز در نظر گرفته می‌شود. با این حال، بسته به شرایط محیطی و عوامل مؤثر، این بازه زمانی می‌تواند تغییر کند. حداقل مدت عمل‌آوری در شرایط عادی (بدون تسریع) باید طبق جدول زیر (جدول ۶-۷ آیین‌نامه بتن ایران) تعیین شود. در مواردی که دمای سطح بتن در این مدت کمتر از ۵ درجه سلسیوس باشد، معادل آن را باید به مدت عمل‌ آوری افزود.

جدول فوق، حداقل زمان عمل آوری بتن را شرح می‌دهد. رده عمل‌آوری بتن مطابق جدول زیر و بر اساس شرایط محیطی تعیین می‌شود.