بتن فوق توانمند و با کارایی بالا (UHPC) چیست؟ کاربردها و مزایای و خواص UHPC

نوع جدیدی از بتن که در سال‌های اخیر استفاده از آن با استقبال فراوانی روبه‌رو شده است، Ultra High Performance Concrete یا بتن فوق توانمند می‌باشد. این نوع از بتن به علت ویژگی‌های خاص و منحصر به فردی که دارد در سازه‌های مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرید. می‌توان گفت تولید این نوع از بتن دنیای جدیدی در ساخت سازه‌های بتنی و بهبود عمکرد آنها ایجاد کرد.

در این مقاله از تسا سنگ قصد دارم شما را با بتن فوق توانمند بیشتر آشنا کنیم. ابتدا برای شما از تاریخچه ظهور این نوع بتن در ساخت سازه‌های بتنی خواهیم گفت. در ادامه مطلب خواص و ویژگی‌های منحصر به فرد این بتن قدرتمند را بیان می‌کنیم و به شما می‌گوییم در چه مکان‌ها و سازه‌هایی از این بتن استفاده می‌کنند.

تاریخچه بتن فوق توانمند (بتن هوشمند یا ابر مقاوم UHPC)

در سال 1988 میلادی مقاومت فشاری بتن طبق آیین نامه DIN1045 حداکثر 55 مگا پاسکال ثبت شده بود. پژوهشگران در تمام این سال‌ها سعی در بالابردن مقاومت فشاری بتن داشتند و با آزمایش‌های متعدد، در ویرایش جدید آیین نامه DIN206/DIN1045 بتن‌هایی با مقاومت‌های فشاری 55 تا 67 و 100 تا 115 مگا پاسکال ثبت شد که آنها را به عنوان بتن‌های توانمند می‌شناسیم.

در 25 سال گذشته محققان با انجام آزمایشات متععد سعی در بهبود بتن‌های توانمند کردند و توانستند آنها را ارتقا دهند و در حال حاضر بتن‌هایی با مقاومت فشاری 400 تا 1000 مگا پیکسل را بتن‌های توانمند می‌نامند. بتن‌های فوق توانمد که امروزه در مقیاس تجاری تولید می‌شود مقاومت فشاری بسیار بالایی دارند.

تحقیقات محققان نشان می‌داد که سست ترین ناحیه بتن محل تماس خمیر سیمان به سنگدانه می‌باشد و ترک‌های ریز در ناحیه انتقال باعث از هم گسیختگی بتن می‌شود. در دهه 80 میلادی دانه بندی بسیار ریز و یک مایع همگن سیمانی این ضعف را تا حد ممکن برطرف نمود. جدول زیر مقایسه مقاومت فشاری بتن فوق توانمند با بتن معمولی و توانمند می‌باشد:

اولین کاربرد صنعتی این بتن در صنایع دفاعی دانمارک برای پروژه‌های خاص بود. در سال 1985 وارد پروژه‌های ساختمان سازی شد و در سال 1990 این بتن با نام‌های تجاری متفاوتی در اروپا مورد استفاده قرار گرفت که مهمترین آنها BSI و Ductal بودند. اولین سازه ساخته شده با بتن هوشمند یا ابر مقاوم (UHPC) دو پل ترافیکی در فرانسه و استرالیا بود.

اولین سازه با بتن فوق توانمند در کبک کانادا یک پل عابرپیاده با دهانه 60 متر بود که به صورت خرپای فضایی ساخته شده بود. در سال 97 تیرهای فلزی برج‌های خنک کننده نیروگاه cattenome فرانسه با تیرهای ساخته شده از بتن کارپذیر تعویض شد. محیط بسیار خورنده بود و کارشناسان معتقد بودند که بتن فوق توانمند استحکام بیشتری خواهد داشت و هزینه‌های تعمیر و نگهداری آن کمتر خواهد بود. سه سال بعد یک تیم متخصص تیرها را بازبینی کردند و اثری از خرابی بر روی آنها دیده نشد.

مهمترین پروژه‌هایی که در سال‌های اول تولد بتن فوق توانمند الیافی ساخته شد عبارتند از:

• پل صلح در کره با دهانه 120 متر و ارتفاع 15 متر
• پل cartnerplatz در آلمان در سال 2008
• پل Bourg les valence برای عبور وسایل ترافیکی با عرض دهانه 44 متر
• ساخت سقف سیلوی کلینکر در آمریکا
• …

همچنین بخوانید: بتن پلیمری چیست؟ انواع بتن پلیمری، کاربردها، مزایا و معایب آن

علت استفاده از بتن فوق توانمند (UHPC)

در اولین سال‌های عرضه بتن فوق توانمند هزینه‌های تولید بسیار بالا بود و همین امر سبب محدودیت در استفاده از آن می‌شد. هزینه تولید این نوع بتن در حدود 5 برابر بتن معمولی بود و همین امر این تصور را ایجاد می‌کرد که استفاده از آن مقرون به صرفه نیست اما این تصور درستی نبود.

در ساخت پل استیسی در هلند از بتن با مقاومت بالا استفاده شد. دهانه پل حدود 160 متر بود چون اجزای سازه حدود 30 درصد کاهش یافت در ساخت آن به میزان 26% صرفه جویی در مصرف فولاد پیش تنیده شد. از طرف دیگر چون ضخامت اجزای سازه مانند تیرهای جعبه‌ای 60 درصد کاهش داشت طول قطعات پل از 3.5 به 5 متر افزایش یافت و پروژه سه ماه زودتر به پایان رسید.

می‌توان گفت هزینه ساخت پل‌ها حدود 10% کاهش پیدا می‌کند و قابلیت بتن توانمند این امکان را به مهندسان می‌دهد تا پل‌ها را با دهانه بلندتری طراحی کنند. استفاده از این نوع بتن در ساخت پل‌ها باعث کارایی بالاتر، کاهش خزش و جمع شدگی در سازه و نهایتا کاهش هزینه‌ها خواهد شد.

نقش بتن فوق توانمند در سازه‌های‌ نوین

در سال‌های اخیر بتن (UHPC) نقش موثری در سازه‌های نوین داشته است. پروژه‌هایی مهم که به علت استفاده از این محصول سازه‌ نهایی ظاهری جذاب‌تر و باطنی مقاوم‌تر داشته است:

• فرانسه: موزه تمدن‌های اروپا و مدیترانه و استادیوم ژان بوین
• ژاپن: سکوی نفتی و مونوریل
• و بسیاری از پل‌ها و سازه‌های جدید و متنوع سراسر دنیا

همچنین بخوانید: کاربرد بتن اکسپوز در معماری مدرن

مزایای بتن فوق توانمند

• در برابر لرزه مقاومت بالایی دارد.
• استفاده از این بتن باعث بهبود دوام و استحکام سازه می‌شود.
• هزینه‌های تعمیر و نگهداری را به شدت کاهش می‌دهد.
• چون حداقل میزان از هم گسیختگی را دارد، میزان خرابی را کمتر می‌کند.
• پیچیدگی و اندازه هر عنصر از سازه را کاهش می‌دهد.
• خاصیت ارتجاعی سازه را بهبود می‌بخشد.
• چون مقاومت فشاری آن بالاست اندازه تیرها و ستون‌ها در سازه را کاهش می‌دهد.
• به علت خاصیت انعطاف‌پذیری بالایی که دارد ساخت و ساز با آن بسیار راحت‌تر است.
• به علت کاهش مواد مصرفی سرعت ساخت سازه افزایش چشمگیری دارد.
• چون بتن زود مقاوم می‌شود زمان نگهداری و سایش آن کاهش می‌یابد.
• درست است که هنوز صد سال از ساخت اولین سازه بتنی فوق توانمند نگذشته است اما مهندسان سازه طول عمر آن حدود 100 سال تخمین زده‌اند.

 طرح اختلاط بتن فوق توانمند UHPC

برای ساخت بتن پرمقاومت طرح اختلات خاص و پبچیده‌ای استفاده نمی‌شود، فقط باید اصول آن را مطابق استاندارد تعیین شده رعایت نمایید. مواد استفاده شده در این بتن عبارتند از: سیمان پرتلند، ماسه ریز، آب، فوم سیلیس، الیاف فولاد و افزودنی‌های خاص. برای افزایش سرعت واکنش از سیمان‌های با درجه بالا استفاده می‌شود که این امر باعث افزایش خواص بتن UHPVC خواهد شد.

خواص و ویژگی های بتن فوق توانمند UHPC

بتن با مقاومت بالا سه خصوصیت اصلی و مهم دارد:

1. به دلیل استفاده از ریزدانه‌ها ملات نهایی بسیار همگن است.
2. چون دانه‌بندی آن اصلاح شده است، دانسیته آن ارتقا یافته است.
3. اضافه کردن الیاف به ملات بتن باعث بهبود شکل پذیری آن می‌شود.

این خصوصیا باعث شده است که بتن فوق توانمند ویژگی‌های منحصر به فردی داشته باشد که به بعضی از آنها اشاره می‌کنیم:

• بهبود مقاومت مکانیکی به دلیل استفاده از الیاف و کم کردن نسبت آب به سیمان
• استحکام و دوام بالای بتن پرمقاومت به علت متراکم شدن ماتریس بتن
• مقاومت بسیار بالا در برابر گازها، مایعات خورنده، حملات کلریدی و عبور بخار
• مقاومت بسیار مطلوب در برابر چرخه‌های ذوب و یخبندان
• افزایش مقاومت در برابر آتش با اضافه کردن الیاف خاص
• مقاومت دو برابری در مقابل سایش نسبت به بتن‌های معمولی

کاربردهای بتن فوق توانمند (UHPC)

از بتن‌های با تراکم بالا برای ساخت پل‌های خاصی که نیاز به دهانه بزرگی هستند استفاده می‌شود. این کار باعث کاهش ضخامت عرشه و افزایش دوام سازه می‌شود. از دیگر مواردی که می‌توان برای ساخت آن روی بتن (UHPC) حساب کرد، پل‌های پیاده‌رو بدون پایه و دهانه طولانی است.

در سازه‌هایی که قبلا با بتن معمولی ساخته شده‌اند می‌توان از این محصول برای بهسازی لرزه‌ای سازه استفاده کرد. این نوع از بتن چون دارای خواص ویژه و مکانیکی بالایی است برای تولید شمع ‌های پیش ساخته و پیش تنیده قابل استفاده می‌باشد. در سازه‌هایی که احتمال انفجار در آنها وجود دارد مانند راکتورهای هسته‌ای از این محصول استفاده می‌شود چون در برابر ضربه مقاوم هستند و خاصیت انعطاف‌پذیری بالایی دارند.

برای ساخت مخازن نگهداری مواد بهتر است از بتن فوق توانمند استفاده کنید زیرا در برابر خورندگی بسیار مقاوم است. علاوه بر مواردی که ذکر کردیم کاربردهای دیگری نیز در صنایع مختلف دارد که به آنها اشاره می‌کنیم:

• ساخت تیرهای پیش تنیده
• پانل های وافل پیش ساخته برای عرشه پل
• برای مقاوم سازی لرزه ای پل ها
• ساخت روکش های نازک عرشه پل
• استفاده در برنامه های امنیتی و کاهش انفجار
• ساخت تایل بتن UHPC

کلام آخر

تلاش مهندسان سازه در دهه 90 میلادی به ثمر نشست و آنها توانستند بتنی تولید کنند که به علت تراکم بالا خواص و ویژگی‌های منحصر به فردی داشته باشد. مقاومت فشاری آن حدود 10 برابر بتن معمولی بود و طول عمر آن را 100 سال تخمین زدند. به علت انعطاف‌پذیری و استحکام بالا مهندسان سازه توانستند با آن پل‌های با دهانه‌های بسیار بزرگ را به راحتی طراحی کنند مانند پل استیسی در آمستردام هلند با دهانه 160 متر.

نقش بتن فوق توانمند در معماری و سازه‌های‌ نوین غیرقابل انکار است. استفاده از آنها به ساخت مونوریل و پل‌های بزرگ و جذاب ختم نمی‌شود، از این بتن در ساختمان ها و قطعات خاص، نیروگاه‌ها و راکتورهای هسته‌ای استفاده می‌کنند چون نسبت به ضربه و انفجار مقاومت بهتری دارند. شما می‌توانید سوالات خود در زمینه انواع بتن و قطعات پیش ساخته را با ما در میان بگذارید، با صبر و از روی اشتیاق پاسخ‌گوی شما خواهیم بود.