عمل آوری بتن

عمل آوری یا کیورینگ بتن چیست ؟

به طور کلی عمل آوری بتن یا همان کیورینگ بتن عبارت است از، پروسه‌ای که در آن فرآیند هیدراتاسیون سیمان انجام شده و به دلیل وجود مستمر رطوبت و دمای مناسب، بتن با گذشت زمان سخت می‌شود. این فرآیند در بتن‌های مختلف با سرعت‌های متفاوتی صورت می‌گیرد و به عوامل مختلفی بستگی دارد از جمله محیط طبیعی اطراف بتن و همچنین اقداماتی که برای اصلاح این محیط مانند حفظ آب، رطوبت و یا هر دوی آن‌ها صورت می‌گیرد.

دوره عمل آوری یا کیورینگ به دوره‌ای گفته می‌شود که از ابتدای بتن ریزی آغاز شده و تا زمانی که مشخصات مورد نظر برای بتن حاصل شود، ادامه می‌یابد. هدف از عمل آوری هم جلوگیری از خروج رطوبت از بتن و همچنین در مواقع لزوم، افزایش رطوبت و حفظ دمای مناسب بتن است.

عمل آوری بتن به چه عواملی بستگی دارد ؟

عملیات مربوط به عمل‌آوری شامل محافظت از شرایط دمائی و رطوبتی بتن است که این کار هم در عمق و هم در نزدیکی سطح بتن طی دوره‌های متوالی صورت می‌گیرد. این فرآیند دقیقاً بعد از بتن ریزی و پرداخت سطح آن، شروع می‌گردد.  بتن خوب عمل‌آوری شده، همواره رطوبت مورد نیاز برای هیدراسیون مداوم و رشد مقاومت، پایداری حجمی، افزایش مقاومت در برابر سیکل‌های یخ زدن و ذوب شدن، مقاومت در برابر سایش و پوسته شدن را داراست.

  ترکیب شیمیایی سیمان با آب را هیدراسیون سیمان می‌نامند.

زمان مورد نیاز برای کیورینگ بتن بستگی به عوامل زیادی دارد که عبارتند از:

1. نسبت اختلاط
2. مقاومت مشخصه
3. اندازه و شکل سنگدانه های بتن
4. شرایط آب و هوایی پیرامون بتن
5. شرایط تابش نور خورشید به بتن در آینده

جمع شدگی بتن چیست ؟

جمع شدگی بتن یا Shrinkage به تغییر حجم و شکل بتن بدون وابستگی به بارهای خارجی گفته می‌شود. علت اصلی به وقوع پیوستن پدیده جمع‌شدگی، عمل‌آوری نامناسب و همچنین اختلاف دما و رطوبت بین داخل بتن و خارج آن می‌باشد.

 

عوامل اولیه‌ای که سبب ایجاد و افزایش جمع شدگی در بتن می‌شوند عبارتند از: نسبت آب به سیمان بالا، درصد دانه‌های سنگی کمتر، سنگدانه های نامرغوب و … .

لازم به ذکر است که پس از بتن‌ریزی، فقط عمل‌آوری است که نقشی بسیار تعیین کننده در کاهش اثرات ناشی از جمع‌شدگی بتن دارد.

مقاومت پیش بینی شده برای عمل آوری بتن با سیمان‌های مختلف

آئین نامه ACI بر اساس رسیدن مقاومت بتن به 70 % مقاومت مشخصه‌اش یک مدت عمل آوری حداقل را پیشنهاد می‌دهد. معمولاً مقاومت مشخصه 7 روزه بتن عمل اوری شده با 70 % مقاومت مشخصه فشاری مطابقت دارد. البته رسیدن به 70 %  مقاومت مشخصه فشاری در زمانی زودتر از 7 روز هم میسر است؛ به عنوان مثال در صورتی که بتن در دمای بالاتر عمل آوری شود و یا اینکه در ترکیبات سیمان از مواد افزودنی خاصی استفاده شود، امکان رسیدن به مقاومت 70% در زمانی کمتر از 7 روز وجود دارد.

تعیین زمان دقیق لازم برای انجام فرآیند عمل آوری با توجه به وجود فاکتورهای تاثیرگذار مختلف، چندان ساده نمی‌باشد. به طور کلی برای بتن‌های معمولی، بتن‌های پوزولانی و یا بتن‌های همراه با افزودنی معمولاً حداقل 7 روز عمل آوری تا رسیدن به 70% مقاومت فشاری مشخصه مناسب می‌باشد. دماهای بالای بتن سبب کاهش مدت زمان 7 روزه شده و دمای پایین بتن هم این مدت را طولانی‌تر خواهد کرد. در ادامه مدت زمانی تقریبی عمل آوری با توجه به نوع سیمان مصرفی نشان داده شده است. به طور کلی عمل آوری باید تا زمان رسیدن به مقادیر زیر و همچنین تا زمان رسیدن به مقاومت فشاری مشخصه 70%، هر کدام که طولانی‌تر باشد، ادامه یابد. کمیته ACI 308 دوره‌های عمل آوری حداقل زیر را توصیه می‌کند:

• طبق ASTM C150 برای سیمان تیپ I مدت عمل آوری 7 روز است.
• طبق ASTM C150 برای سیمان تیپ II مدت عمل آوری 10 روز است.
• طبق ASTM C150 برای سیمان تیپ III مدت عمل آوری 3 روز است.
• طبق ASTM C150 برای سیمان تیپ IV و V مدت عمل آوری 14 روز است.
• طبق ASTM C595 و ASTM C845 و ASTM C1157 مدت عمل آوری برای سیمان‌ها متغیر است.

به عنوان یک نکته‌ی کلی می‌توان گفت که عموماً با کاهش نسبت آب به سیمان نیاز بتن به عمل‌آوری و حفظ رطوبت آن افزایش می‌یابد. به طور کلی برای نسبت آب به سیمان زیر 0.5 رطوبت طبیعی بتن برای رسیدن به مشخصات مطلوب بتن کافی نبوده و نیاز به عمل آوری و افزایش رطوبت بتن خواهیم داشت (Powers 1948).

تأثیر مدت زمان عمل آوری بر روی مقاومت فشاری بتن

کیورینگ بتن تأثیر به سزایی در افزایش مقاومت، کاهش نفوذپذیری، افزایش مقاومت سایشی، کاهش جمع شوندگی و افزایش مقاومت در مقابل یخ‌زدگی بتن دارد. در شکل 4 تفاوت مقاومت فشاری نمونه بتنی تحت شرایط مختلف عمل آوری مشاهده می‌شود. همانطور که در شکل سمت چپ مشخص است، برای نمونه‌ای که در تمام مدت تا 28 روز به صورت ممتد عمل آوری شده، مقاومت فشاری 28 روزه 100% مقاومت مشخصه می‌باشد، همچنین برای نمونه‌ای که به مدت 7 روز عمل آوری شده هم مقاومت 28 روزه، تقریباً معادل با 95% مقاومت مشخصه می‌باشد. نکته‌ی مهم در رابطه با اهمیت عمل آوری نمونه‌ها، زمانی مشخص می‌شود که مشاهده می‌کنیم مقاومت 28 روزه‌ی نمونه‌ای که هیچ فرآیند عمل آوری بر روی آن انجام نشده (in air entire time) در حدود 60% مقاومت مشخصه شده است.

نمودار رشد مقاومت بتن بر اساس مدت زمان عمل آوری

شکل سمت راست نشان دهنده میزان مقاومت نمونه و شکل سمت راست بر اساس درصدی از مقاومت مشخصه 28 روزه

همانطور که در شکل سمت راست هم مشاهده می‌گردد مقاومت بتن تا روز چهاردم هیچ وابستگی به وجود یا عدم وجود عمل آوری مناسب ندارد و مقاومت 14 روزه‌ی تمام نمونه‌ها یکسان می‌باشد. آنچه باعث تفاوت در کیفیت بتن می‌گردد تعداد روزهاییست که نمونه‌ها مرطوب نگه داشته می‌شوند و طولانی‌تر شدن این دوره زمانی تأثیر مستقیم بر افزایش مقاومت بتن دارد. به عنوان مثال نمونه‌ای که در تمام مدت تحت دمای محیط آزمایشگاه قرار داشته و هیچ گونه فرآیند عمل آوری برای آن انجام نشده، به حداکثر مقاومت حدود 30 مگاپاسکال رسیده، اما نمونه‌ای که به مدت 28 روز عمل آوری مناسبی بر روی آن انجام شده به مقاومتی در حدود 42 مگاپاسکال رسیده است.

تأثیر دمای کیورینگ بر روی افزایش مقاومت فشاری

بالا بودن دمای کیورینگ بتن ممکن است سبب شود که شیب افزایش مقاومت بتن در روزهای ابتدایی تندتر باشد اما این امر ممکن است سبب شود که بتن به 100% مقاومت 28 روزه‌ی خود نرسد. تأثیر دمای عمل آوری بر روی افزایش مقاومت فشاری در شکل زیر قابل مشاهده است.

نمودار رشد مقاومت بتن بر اساس دمای عمل آوری

همانطور که در شکل فوق مشاهده می‌شود کیورینگ بتن در دمای بالاتر سبب افزایش نرخ رشد مقاومت اولیه بتن می‌شود؛ اما ممکن است مقاومت 28 روزه را کاهش دهد. به عنوان مثال در صورتی که دو نمونه بتنی یکی در دمای 40 درجه‌ی سانتیگراد  و دیگری در دمای 20 درجه‌ی سانتیگراد عمل آوری شوند، مقاومت این دو نمونه در روز اول به ترتیب برابر با 16 و 10 مگاپاسکال خواهد بود،  این در حالیست که این مقاومت در روز بیست و هشتم روند کاملاً برعکس داشته و برابر با 30 و 40 مگاپاسکال خواهد شد. به عبارت دیگر نمونه‌ای که در دمای بالاتر عمل آوری شده در روزهای ابتدایی دارای مقاومت بالاتری بوده اما نهایتاً مقاومت 28 روزه برای نمونه‌ای که در دمای پایین‌تر عمل آوری شده بزرگتر خواهد بود.

روش های کیورینگ یا عمل آوری بتن

اقدامات متفاوتی در فرآیند عمل آوری قابل انجام می‌باشند که با توجه به شرایط پروژه ممکن است یک یا تعدادی از این اقدامات صورت گیرند، این اقدامات عبارتند از:

• نگهداری آب مخلوط در بتن در طول فرآیند سخت شدن اولیه بتن
• کاهش اتلاف آب مخلوط در سطح بتن
• سرعت بخشیدن به روند کسب مقاومت با استفاده از گرما و رطوبت اضافی

روش های نگهداری آب مخلوط در بتن در طول فرآیند سخت شدن اولیه بتن

روش‌های مختلفی در این رویکرد وجود دارد که در ادامه به چند مورد از مهم‌ترین آنها اشاره شده است.

غرق آب کردن:

عمدتاً برای عمل آوری سطوح صاف در کارهای با حجم کم استفاده می‌شود. دمای آب کیورینگ باید در محدوده دمای بتن باشد؛ به طوری که این آب بیش از 6 الی 7 درجه سیلسیوس از بتن خنک‌تر نباشد، تا از ترک‌های ناشی از تنش‌های حرارتی جلوگیری به عمل آورد. غوطه ور شدن معمولاً در آزمایشگاه برای کیورینگ نمونه‌های آزمایشی بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 عمل آوری بتن در آزمایشگاه

اسپری آب و مه پاشی:

اسپری آب و مه پاشی زمانی استفاده می‌شود که دما اطراف بتن به حد کافی بالای یخ زدگی و مقدار رطوبت کم است. مه پاشی می‌تواند ترک‌های انقباضی را به حداقل برساند.

انجام مه پاشی برای عمل آوری بتن

پوشش آب اشباع:

پوشش خیسِ اشباع شده با آب باید بعد از اینکه بتن به حد کافی سخت شد، مورد استفاده قرار گیرد تا از آسیب سطح جلوگیری شود. در این روش بتن باید به طور مستمر مرطوب نگه داشته شود.

عمل آوری بتن با استفاده از پوشش خیس اشباع

کاهش اتلاف آب مخلوط در سطح بتن

در این رویکرد، بیشتر سعی بر کاهش تبخیر آب بتن می‌باشد و سطح بتن به کمک آب خارجی مرطوب ‌نمی‌گردد، روش های کیورینگ یا عمل آوری بتن که در این رویکرد می توان ازآن استفاده کرد عبارتند از:

الف- پوشش بتن با صفحات پلاستیکی یا کاغذی غیر قابل نفوذ:

این صفحات می‌توانند در سراسر بتن خیس قرار گیرند. برای پهن کردن این صفحات، سطح بتن باید به حد کافی سخت شده باشد تا از به وجود آمدن خسارت سطح جلوگیری شود.

استفاده از صفحات پلاستیکی برای جلوگیری از تبخیر آب

 سطح بتن و نیز حفظ دمای عمل آوری

ب- اعمال ترکیبات عمل آوری شکل پذیر غشایی:

این نوع کیورینگ برای به تأخیر انداختن یا کاهش تبخیر رطوبت از بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مواد می‌توانند شفاف، مات و یا سفید رنگ باشند. ترکیبات سفید رنگ برای شرایط آب و هوایی آفتابی و گرم مناسب هستند که اشعه خورشید را منعکس می‌کنند. ترکیبات عمل آوری بلافاصله بعد از آخرین پرداخت باید اعمال شوند. ترکیبات عمل آوری باید الزامات ASTM C309 یا ASTM C1315 را برآورده نمایند.

پاشش ترکیبات غشایی برای جلوگیری از تابش آفتاب و بخار شدن آب

سرعت بخشیدن به روند کسب مقاومت با استفاده از گرما و رطوبت اضافی

برای حفظ گرمای بتن از این روش‌ها استفاده می‌گردد.

الف- جریان بخار:

استفاده از جریان بخار در فشار اتمسفری و همچنین بخار پرفشار در اتوکلاو دو روش عمل آوری با بخار می‌باشند. دمای بخار برای روش جریان بخار در فشار اتمسفر باید در حدود 60 درجه سیلسیوس یا کمتر نگهداری شود تا مقاومت مطلوب بتن بدست آید.

ایجاد جریان بخار برای مرطوب نگه داشتن محیط که به طور هم زمان تأمین کننده دما و رطوبت بتن است.

ب- کوئل های حرارتی:

معمولاً به مانند المان‌های مدفون در نزدیک سطح بتن قرار می‌گیرند. هدف آنها محافظت از بتن در مقابل یخ زدگی در طول سرما می‌باشد. در واقع این روش برای عمل آوری بتن در هوای سرد مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

استفاده از کوئل های حرارتی برای عمل آوری بتن در هوای سرد

پ- پدها یا ورقه‌های گرمایشی الکتریکی:

این روش یکی از روش های کیورینگ یا عمل آوری بتن است که معمولاً در پروسه ساخت بتن پیش ساخته مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پوشش بتن به وسیله پدهای گرمایشی الکتریکی

د- پتوی بتن:

پتوهای عایق بتنی برای پوشش و عایق کاری سطوحِ در معرض یخ زدگی در طول دوره‌ی عمل‌آوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این روش هم بتن باید به اندازه کافی سخت شده باشد تا از آسیب دیدگی سطح جلوگیری به عمل آید.

پتوی بتن که به راحتی بر روی بتن پهن شده و از حرارت ناشی

 از هیدارسیون در عمل‌آوری بتن استفاده می‌شود

برای المان‌های بتن سنگین (معمولاً نازک‌تر از 3 فوت) یک طرح کنترل حرارتی برای کمک به کنترل تنش‌های حرارتی مفید می‌باشد.

تخمین سرعت تبخیر آب از سطح

نرخ کاهش رطوبت بتن بستگی به حجم آبی دارد که می‌تواند با حرکت از میان بتن تازه به سطح آن رسیده و آزاد گردد. همچنین نرخ عرق کردن بتن، نرخ  جذب آب بتن و نرخ تبخیر آب از سطح مجاور با هوا ، از عوامل تاثیرگذار در کاهش رطوبت می‌باشند.

روش‌های تقریبی برای تخمین نرخ تبخیر آب از یک سطح آب‌پوش شده از قرن 18 پیشنهاد شده است (روش Brutsaert 1982، روش Viehmeyer 1964 و روش Uno 1998). هرکدام از این روش‌ها در تخمین نرخ تبخیر، دما و رطوبت هوا و یا دمای آب و سرعت باد را در نظر گرفته‌اند.

تبخیر آب بتن سبب می‌شود خطوطی به شکل شبکه آرماتور در سطح بتن به وجود آیند که این خطوط نشان دهنده ایجاد ترک‌های مویی در آن نواحی می‌باشند.

ایجاد خطوط شبیه به شبکه آرماتور در سطح بتن

معرفی نمودار نرخ تبخیر و نحوه استفاده از آن

این نمودار برای محاسبه نرخ تبخیر با هدف محاسبه ریسک ترک‌های انقباضی پلاستیک (Lerch 1957, NRMCA 1960) مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نمودار بر پایه این فرض است که خشک شدن سطح بتن زمانی شروع می‌شود که نرخ تبخیر بیشتر از نرخ عرق کردن بتن گردد. نرخ عرق کردن بتن برای مخلوط‌های مختلف بتنی از  0 تا 1 (Kg/m²/h) متغیر است که این واحد همانطور که مشخص است نشان دهنده میزان تبخیر آب (به کیلوگرم) از سطح واحد بتن (به متر مربع) در مدت زمان مشخص (یک ساعت) می‌باشد. نرخ عرق کردن با گذشت زمان بعد از بتن‌ریزی تغییر کرده و معمولاً در کارگاه اندازه گرفته نمی‌شود، به همین دلیل اغلب یک مقدار برای نرخ عرق کردن بتن فرض می‌شود. رایج‌ترین این مقدار 1.0 Kg/m²/h در نظر گرفته می‌شود که این عدد بر اساس آزمایشات گزارش شده در 1954 و 1955 (Menzel 1954, Lerch 1957) انتخاب شده است.

نمودار تخمین بیشترین احتمال سرعت تبخیر با استفاده از شرایط محیطی و خود بتن

برای استفاده از این نمودار باید اطلاعات مربوط به شرایط بتن و شرایط محیط را در اختیار داشته باشیم. اطلاعاتی از قبیل:

• دمای هوا
• رطوبت نسبی محیط
• سرعت باد
• دمای بتن

خروجی این نمودار نرخ تبخیر آب از سطح بتن براساس  Kg/m²/h خواهد بود.

نحوه استفاده از نمودار:

مطابق آنچه در شکل  بالا با خط چین قرمز مشخص شده است، ابتدا خطی عمود از محور دمای هوا به نمودار مربوط به درصد رطوبت فعلی هوا وصل می‌کنیم و سپس نقطه قطع شده را با یک خط افقی به نمودار دمای بتن وصل می‌کنیم که این مقدار توسط دماسنج بتنی اندازه گیری می‌شود. سپس با ترسیم یک خطی عمود به نمودار سرعت باد مربوط به شرایط آب‌و‌هوایی فعلی می‌رسیم. با رسم خطی افقی از این نقطه به محور عمودی به نرخ تبخیر آب مربوطه می‌رسیم. مثلاً با فرض دمای  25 درجه سانتیگراد، رطوبت 50 درصدی هوا، دمای بتن 30 درجه سانتیگراد و  سرعت باد 28 کیلومتر بر ساعت، در هر ساعت 8/1 کیلوگرم آب از روی یک مترمربع سطح بتن تبخیر می‌شود.

برای درک بهتر نمودار به مثال زیر توجه نمایید:

بتن تازه با مقدار آب  L/m³ 180، در واقع دارای 1.8 لیتر آب در هر متر مربع سطحی به ضخامت 1 cm است (لیتر بر متر مربع 1.8= 0.01×18). در صورتی که میزان تبخیر 0.6L در هر متر مربع بر ساعت (L/m²/h)، یعنی بتن مقدار آبی معادل کل آب لایه یک سانتی متری را در سه ساعت (ساعت 3 = 1.8/0.6) و لایه سه سانتی متری را در 9 ساعت از دست می‌دهد ( ساعت 9 =  0.6 / (180×0.03)).

روش های کیورینگ یا عمل آوری بتن مطابق مبحث نهم مقررات ملی ساختمان

مطابق با بند 9-7-7-2 مبحث نهم مقررات ملی ایران روش های کیورینگ یا عمل آوری بتن به دو گروه تقسیم می‌شوند:

1. روش آب رسانی: ایجاد حوضچه بر سطح افقی بتن و پوشش‌های خیس مانند چتایی
2. روش عایقی: در این روش رطوبت بتن حفظ و از تبخیر آن جلوگیری می‌شود.

پیش از شروع بحث در رابطه با عمل آوری و روش‌های آن به چند تعریف ساده می‌پردازیم:

• تعریف هوای گرم بر اساس بند 9-8-2-1 مبحث نهم مقررات ملی ایران: هر گاه دمای هوا بیشتر از 30 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی کمتر از 70 درصد باشد، شرایط محیطی گرم صادق است. این شرایط سبب کاهش کارایی، زمان گیرش، مقاومت فشاری و دوام بتن می‌شود.
• تعریف هوای سرد بر اساس بند 9-8-4-1 مبحث نهم مقررات ملی ایران: هوای سرد به وضعیتی اطلاق می‌گردد که برای سه روز متوالی، هر دوی شرایط (الف) و (ب) برقرار باشد:

الف) دمای متوسط روزانه هوا در شابه روز کمتر از 5 درجه سلسیوس باشد. منظور از دمای متوسط روزانه، میانگین حاکثر و حداقل دمای هوا در فاصله زمانی نیمه شب تا نیمه روز است.

ب) دمای هوا برای بیشتر از نصف روز از 10 درجه سلسیوس زیادتر نباشد.

روش مجاز عمل آوری با توجه به شرایطی محیطی و نوع بتن در جدول 9-7-1 آیین نامه ذکر شده‌اند.

حداقل زمان عمل آوری بتن هم با توجه به شرایط محیطی و نوع بتن تعیین می‌شود که در جدول 9-7-2 آیین نامه به آن اشاره شده است.

 

 

 

منابع

1. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1392.
2. آیین نامه‌ی ACI ویرایش سال 2008 آمریکا
3. آیین نامه ACI308R
4. کتاب راهنمای بتن سیکا، ترجمه کامبیز جانمیان