بتن سنگین چیست؟ ویژگی ها و کاربرد آن کدام است؟

بتن سنگین (Heavy Weight Concrete) بتنی است که در آن به جای شن و ماسه از خرده های فولاد ، چدن و یا سولفات باریم استفاده می شود افزودن فولاد به بتن، مقاومت کششی و دیگر خواص آن را به طرز فوق العاده ای افزایش می دهد. منظور از بتن سنگین چگالی و وزن آن است و بزرگ بودن قطعه بتن صرفاً بنا بر سنگین وزن بودن آن نیست.
وزن مخصوص بتن سنگین حدود ۱.۵ تا ۲.۵ برابر وزن مخصوص بتن معمولی می باشد. مطابق مبحث ۹ مقررات ملی ساختمان «چگالی بتن سنگین تابع نوع سنگدانه مصرفی است اما چگالی آن بیشتر از 3200kg/m^۲ می باشد.» همچنین این نوع بتن می تواند جرم مخصوصی تا ۶۴۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب داشته باشد.

ویژگی ها

بتن سنگین دارای تراکم بالا می باشد با توجه به تراکم و مقاومت زیادی که دارد می تواند به عنوان سپر محافظ استفاده شود. همچنین به دلیل وجود سنگدانه های موجود در آن دارای مقاومت کششی بالایی است. این بتن همچنین دارای کاربرد بسیار گسترده ای است.

کاربردهای بتن سنگین

این نوع بتن عموما برای سپر بیولوژیکی در نیروگاه های برق اتمی، واحد های پزشکی و در تاسیسات تحقیقاتی اتمی استفاده می شود. در محل هایی که پرتو های X و گاما وجود دارند و یا تشعشعات نترون ها دخالت دارند،  بایستی از بتن چگال به عنوان مصالح اقتصادی و عدم نیاز به بازسازی استفاده شود.(مقررات ملی ساختمان ۹-۹-۶-۱)

استفاده از سپر محافظ برای اشخاصی که در معرض پرتوهای ایکس و گاما قرار دارند ضروری است؛ بتن سنگین یک سپر محافظتی محسوب می شود زیرا ذرات و پرتوهای ایکس و گاما در برخورد با آن متوقف می شوند یا تغییر جهت می دهند. از جمله مواردی که بتن سنگین استفاده می شود عبارتند از:

• ساخت آزمایشگاه های دانشگاه، رادیواکتیو و…
• مراکز پرتو درمانی و رادیواکتیو
• تقویت سازه های مهم و آسیب پذیر در برابر زلزله
• استفاده در لنگر دستگاه های موج و جزر و مد
• ساخت تونل های زیر زمینی
• ساخت پل های عظیم با دهانه ی بزرگ
• استفاده در خطوط انتقال نفت
• ساخت وزنه های تعادلی
• زمانی که نیاز به افزایش بار مرده بدون افزایش حجم وجود دارد

معایب

• هزینه بالا: سنگدانه مصرفی در این بتن در معادن خاصی یافت می شود، بنابراین هزینه استخراج، حمل و نقل و آماده سازی آنها برای استفاده در بتن بسیار بالاست.
• وزن بالا: وزن بالا نیز از معایب این بتن می باشد زیرا اگر وزن مخلوط بتنی، بیش از میزان تحمل قالب باشد، پروژه با مشکل روبه‌رو می‌شود.
• احتمال در سایش و پاره شدن لوله پمپ‌ها و میکسرها زیاد است.
• امکان بروز مشکلات به هنگام نقل و انتقال وجود دارد.
• میزان سیمان مصرفی نسبت به سایر بتن ها زیاد می باشد.
• احتمال جداشدگی ذرات وجود دارد.

مصالح بتن سنگین

انواع سیمان های پرتلند، مواد افزودنی معدنی و شیمیایی، مشابه آنچه برای بتن معمولی استفاده می شود، در ساخت بتن های سنگین مجاز می باشد. بعضی از مواد افزودنی معدنی و شیمیایی مانند پوزولان ها و افزودنی هواساز ممکن است سبب کاهش چگالی بتن شوند، بنابراین در انتخاب این مواد باید اثر آنها در چگالی بتن مورد بررسی قرار گیرد.

نکات زیر را در ارتباط با سنگدانه های بتن سنگین باید در نظر گرفت:

1. برای بتن با چگالی بیش از 40KN/m^۲ بایستی از ساچمه های فولادی به عنوان سنگدانه استفاده نمود.
2. برای ساخت بتن سنگین با چگالی 32KN/m^۲ تا 40KN/m^۲ باید از سنگدانه های سنگین مانند  لیمونیت، باریت، هاتیت، ژئوتیت و مگنتیت استفاده شود.
3. انتخاب سنگدانه های سنگین و چگالی بتن باید بر اساس نوع و شدت تشعشعات و بر مبنای مستندات و یا آزمایش های مربوط انجام شود.

هر چند در محصولات هیدارتاسیون سیمان در بتن عناصر سبک مانند هیدروژن برای مهار اشعه های گاما و نترون ها وجود دارد، اما در صورت نیاز به مهار بیشتر تشعشعات می توان از سنگ ها با مقدار بیشتر آب در ساختار شیمیایی (مانند ژئوتیت) استفاده کرد، هر چند این سنگدانه ها دارای چگالی کم می باشند.

طرح مخلوط بتن سنگین

تعیین نسبت های این نوع بتن مشابه بتن معمولی می باشد، اما نکات زیر باید در نظر گرفته شود.

1. به دلیل خشن بودن مخلوط بتن سنگین بایستی از ماسه با مدول نرمی کمتر استفاده شود و یا نسبت های ماسه به شن افزایش یابد.
2. حداقل مقدار سیمان باید 350KN/m^۲ باشد تا مقدار آب پیوند یافته در ساختار خمیر سیمان به خاصیت سپری بودن در مقابل تشعشعات کمک کند.
3. انتخاب نوع سنگدانه و تعیین مقادیر سیمان و آب مخلوط باید بر اساس خواص مورد نظر بتن تازه و سخت شده بر مبنای شرایط خاص ساختمان مانند چرخه های حرارتی انجام پذیرد.
4. خواص بتن مانند کارایی، جمع شدگی، خزش، خاصیت سپری، انبساط حرارتی در طرح مخلوط در نظر گرفته شوند و قبل از طرح مخلوط، اطلاعات و دانش در خصوص کاربرد ساختمان و اثر هر یک از اجزای بتن در خواص مورد نظر کسب شوند.
5. سنگدانه ها (باریت، سنگ آهن، فلزات سنگین، سیلیکون، گرانول و یا گلوله فولادی) از جمله مواد اصلی تشکیل دهنده ی بتن سنگین محسوب می شوند و باید از استاندارد های ذکر شده در ASTM C33 پیروی کنند. سنگدانه ها باید تقریباً شکلی مکعبی داشته و ذرات پولکی یا دراز زیادی در آن نباشد. همچنین این سنگدانه ها نباید دارای روغن و مواد خارجی موثر بر پیوستگی بتن باشد.

مقاومت فشاری

مطابق مبحث ۹ مقررات ملی ساختمان (۹-۹-۶-۳-۳) برای بتن های سازه ای، مقاومت فشاری بین ۲۰ تا ۳۵ مگاپاسکال کفایت می کند.برای دیوارهای حجیم، مقاومت فشاری بیشتر از ۱۵ مگاپاسکال ضرورت ندارد. مقاومت فشاری کمتر یا بیشتر از محدوده های مذکور وقتی مجاز می باشد که ضرورت آن و تاثیر مقاومت فشاری بر دیگر خواص بتن مورد بررسی قرار گرفته باشند.

اجرای بتن سنگین

فشار مخلوط بتن سنگین بر روی قالب های عمودی بیشتر از مخلوط بتن معمولی است، بنابراین طراحی و ساخت قالب بتن بایستی بر اساس چگالی مخلوط بتن انجام گیرد، به دلیل سنگین بودن مخلوط، توصیه می شود که در هنگام اجرا و استفاده از تجهیزات مانند دستگاه توزین، مخلوط کن و وسایل انتقال، به چگالی مخلوط بتن توجه شود تا منجر به آسیب تجهیزات نگردد.

برای اجرا و بتن ریزی بتن سنگین چند روش وجود دارد:

روش معمول

در این روش باید 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. همچنین از اختلاط زیاد جلوگیری شود تا منجر به شکستگی دانه ها نشوند و اثرات مخرب روی کارایی بتن نداشته باشد.

روش پیش آکنده

در این روش ابتدا سنگدانه های درشت (بیش از ۶ میلی متر) داخل قالب ریخته می شود، سپس ملاتی شامل ماسه، سیمان، آب داخل قالب پمپ می شود تا فضای خالی پر شود. این روش از جداشدگی ذرات جین اجرا جلوگیری می کند.

روش پمپاژ

روش پمپاژ در مواردی که با محدودیت فضا مواجه اند بسیار مفید است. البته دوغاب بتن سنگین را نمی توان به اندازه بتن معمولی پمپاژ کزد. توصیه می شود که فاصله پمپاژ مخلوط نسبت به مخلوط بتن معمولی کاهش و حدود ۱۰ درصد از مقدار شن کاسته شود تا نسبت ملات به سنگدانه درشت افزایش یابد.

روش غوطه وری(میل کوبی)

در این روش لایه ای از ملات شامل سیمان و ریزدانه ها به ضخامت ۵۰ میلی متر داخل قالب ریخته می شود سپس درشت دانه ها اضافه می شوند و به وسیله ی میل کوبی یا ارتعاش داخلی دانه ها به درون ملات هدایت می شوند. در این روش باید از توزیع یکنواخت دانه ها در سراسر بتن اطمینان حاصل شود.