بتن سنگین و تمامی جزئیات آن زیر ذره‌بین در یک مقاله

تا به حال در مورد بتن سنگین شنیده‌اید؟! یکی از بتنهای ویژه در صنعت عمران است که جهت جلوگیری از تشعشعات کاربرد دارد. در این مقاله تمامی نکاتی که باید در رابطه با بتن سنگین بدانید توضیح داده‌ایم. همچنین مصالح بتن سنگین، ترکیبات و انواع روش های اجرای بتن سنگین را به طور کامل با فیلم شرح داده‌ایم. پس این مقاله جامع و کامل را از دست ندهید!

فیلم معرفی بتن سنگین

برای اینکه این مقاله را با دید بهتری بخوانید، ابتدا فیلم زیر را مشاهده کنید.

بتن سنگین چیست ؟

بتن سنگین با سنگدانه‌های سنگین ویژه‌ای تولید می‌شود که دانسیته آن‌ها به حدود ۶۴۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب می‌رسد.

بتن سنگین به طور کلی جهت حفاظت در مقابل تشعشعات استفاده می‌شود.

انتخاب نوع مخلوط بتنی برای حفاظت در برابر تشعشعات بستگی به فضای موجود، نوع و شدت تشعشع دارد:

در مواردی که تنگناهای کمبود فضا دارای اهمیت نباشد، بتنهای معمولی مقرون به صرفه‌ترین حفاظ را ارائه می‌دهند.

در مواردی که فضا محدود باشد، با استفاده از بتن سنگین می‌توان بدون آنکه اثرات حفاظی آن قربانی شود، ضخامت سازه محافظ را کاهش داد.

نوع و شدت تشعشع به طور معمول تعیین کننده میزان آب و دانسیته مقرر بتنها است. مؤثر بودن سازه محافظ در برابر اشعه گاما تقریباً با دانسیته آن تناسب دارد.

از طرفی دیگر، یک محافظ مؤثر در برابر تشعشعات نوترونی علاوه بر اجزای سنگین به اجزای سبک نیز نیاز دارد. هیدروژن موجود در آب، عنصر سبک مؤثری را در بتنهای محافظ فراهم می‌کند.

برخی از مصالح دانه‌ای، به عنوان جزئی از ساختمان خود، دارای آب کریستالیزه‌ای موسوم به آب ثابت هستند.

به این خاطر، اگر لازم باشد که هم اشعه گاما و هم تشعشعات نوترونی کاهش یابند، اغلب از دانه‌های سنگینی استفاده می‌شود که دارای آب ثابت زیادی هستند.

مصالح بتن سنگین

همان طور که می‌دانید اساسی‌ترین مصالح جهت ساخت هر نوع مخلوط بتنی، سیمان، آب و سنگدانه است. در ادامه به بررسی هر کدام از این مصالح در بتن سنگین می‌پردازیم.

سیمان

انواع سیمان‌های پرتلند، مواد افزودنی معدنی و شیمیایی شبیه آنچه که برای بتنهای معمولی استفاده می‌شود، در ساخت بتن سنگین‌ مجاز است.

برخی از مواد افزودنی معدنی و شیمیایی همانند پوزولان‌ها و افزودنی هواساز ممکن است باعث کاهش چگالی بتنها شوند، پس در انتخاب این مواد باید میزان اثر آن‌ها بر روی چگالی نیز، بررسی شود.

برای آگاهی از تمامی نکات سیمان پرتلند، مقاله “ انواع سیمان هیدرولیکی و پرتلند همراه با تمام جزئیات! “ را مطالعه کنید.

سنگدانه بتن سنگین

سنگدانه‌ بتن سنگین ، عمدتاً دارای چگالی بین ۳۲ تا ۴۰ کیلو نیوتن بر متر مکعب است. برخی از سنگدانه‌هایی که این ویژگی را دارند، عبارتند از:

لیمونیت

باریت

هماتیت       

ایلمنیت

ژئوتیت

فروفسفر

گوئتیت                

مانیتیت

مگنتیت

گلوله و تکه‌های فولادی

یکی دیگر از موضوعات مهم در سنگدانه بتن سنگین، انتخاب نوع آن است.

نوع سنگدانه و چگالی بتنها باید بر اساس نوع تشعشعات و شدت آن انتخاب شود. هر چند، در محصولات هیدراتاسیون سیمان در مخلوط بتنی، عناصر سبک مانند هیدروژن برای مهار اشعه‌های گاما و نوترون‌ها وجود دارد؛ اما در صورت نیاز به مهار بیشتر تشعشعات، می‌توان از سنگ‌ها با مقدار بیشتر آب در ساختار شیمایی مانند ژئوتیت استفاده کرد. هرچند میزان چگالی این نوع از سنگدانه کم است.

پس انتخاب سنگدانه‌های سنگین و چگالی مخلوط بتنی باید بر اساس نوع، شدت تشعشات و بر اساس مستندات یا آزمایش‌های مربوط انجام شود.

جدول زیر نمونه‌هایی از مقادیر دانسیته ظاهری، چگالی، و درصد آب ثابت را برای برخی از این نوع مصالح ارائه می‌دهد. این مقادیر، جمع آوری اطلاعات حاصل از مقدار زیادی آزمایش‌های گوناگون یا پروژه‌های گزارش شده در ادبیات فنی است.

** نتایج آزمایش در دسترس نیست.

دانه‌ها ممکن است با لیمونیت ترکیب شوند تا تولید آب ثابتی بنمایند که مقادیر آن از حدود ۰٫۵ درصد تا ۵ درصد تغییر می‌کند.

جداول متفاوت بیانگر محدوده‌های گوناگون از تجربیات عملی هستند که نه تنها متناقض نیستند، بلکه با هم مکمل‌اند.

باید به این نکته توجه کنید که در این جداول، میزان ناخالصی دانه‌ها با یکدیگر متفاوت است. این مسئله بر دانسیته نسبی اثرگذار بوده و در نتیجه دانسیته بتنهای تولید شده با این دانه‌ها نیز تحت تأثیر قرار می‌گیرد.

به طور کلی انتخاب یک دانه با توجه به خواص فیزیکی، قابلیت دسترسی و هزینه‌ها تعیین می‌شود.

سنگدانه بتنهای سنگین باید به طور معقولی بدون مصالح ریز، روغن و اندودهای خارجی باشد، چرا که بر روی چسبندگی خمیر به دانه‌ها یا هیدراسیون سیمان اثر می‌گذارند.

جهت رسیدن به میزان کارایی خوب، دانسیته حداکثر و صرفه اقتصادی لازم است که مصالح تقریباً مکعبی بوده و عاری از دانه‌های پولکی یا سوزنی باشند.

مواد اضافی

مواد اضافی حاوی برن مانند کلمنیت، مواد تکلیس شده برن دار و بروکلسیت برخی اوقات جهت بهبود خواص حفاظت نوترونی مخلوط بتنی استفاده می‌شود.

این مواد ممکن است روی گیرش و مقاومت اولیه بتنها تأثیر عکس داشته باشند.

پس مخلوط‌های آزمایشی باید با این مواد اضافی تحت شرایط کارگاهی ساخته شوند تا مناسب بودن آن‌ها تعیین شود.

مواد افزودنی مانند آهک هیدراته شده در فشار را می‌توان با ماسه‌های درشت دانه به جهت حداقل رساندن هرگونه اثر کندگیری استفاده کرد.

خواص بتن سنگین

خصوصیات بتن سنگین در هر دو حالت خمیری و سخت شده را با انتخاب مناسب مصالح و تعیین نسبت‌های مخلوط می‌توان به صورتی تنظیم کرد که شرایط کارگاهی و مقررات حفاظتی برآورده شوند.

خواص فیزیکی این بتنها به طور کلی در همه موارد به استثنای دانسیته، همانند بتنهای معمولی هستند. مقاومت بتن سنگین ، تابعی از نسبت آب به سیمان است.

پس برای هر مجموعه خاصی از مصالح، به مقاومت‌های قابل مقایسه با بتنهای معمولی می‌توان دست یافت. دانسیته‌های نوعی از بتنهای ساخته شده با دانه‌های متداولی که دارای دانسیته بالایی هستند، در جدول قبلی نشان داده شده است.

با توجه به اینکه هر حفاظ تشعشعی ضوابط و مقررات خاصی دارد، باید مخلوط‌های آزمایشی با مصالح کارگاهی و تحت شرایط کارگاهی ساخته شوند تا نسبت‌های اختلاط مناسب تعیین شوند.

چگالی بتن سنگین

یکی از مهم‌ترین مشخصات بتن سنگین ، چگالی آن است.

چگالی این نوع بتنها بر اساس سنگدانه‌های مورد استفاده تعیین می‌شود. اما چگالی آن اکثر مواقع بیشتر از ۳۲۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است.

طرح اختلاط بتن سنگین

طرح اختلاط بتن سنگین دارای نکاتی است که به صورت موارد زیر در ادامه توضیح داده‌ایم:

مورد اول

تعیین نسبت اختلاط بتن سنگین همانند بتنهای معمولی است. اما چون این مخلوط بتنی خشن‌تر از سایر انواع دیگر بتنها است، باید یکی از راه‌های زیر را انجام داد:

استفاده از ماسه‌ای با مدول نرمی کمتر

افزایش نسبت ماسه به شن

مورد دوم

انتخاب نوع سنگدانه و تعیین میزان سیمان و آب مخلوط باید بر اساس خواص دل‌خواه در مخلوط‌های بتنی تازه و سخت شده بر اساس شرایط خاص ساختمان مانند چرخه‌های حرارتی انجام شود.

پس به خواص بتنها باید در طرح اختلاط توجه شود و پیش از طرح اختلاط، اطلاعاتی در رابطه با کاربرد ساختمان و اثر هر کدام از اجزا در خواص موردنظر کسب شود.

منظور از خواص بتنها موارد زیر است:

کارایی

برای آگاهی از کارایی و آزمایش کارایی مخلوط بتنی به مقالات “ کارایی چیست؟ کارایی و روانی چه تفاوتی دارند؟ “ و ” نکات مهمی که در مورد آزمایش اسلامپ باید بدانید! “ مراجعه کنید.

جمع شدگی

خزش

خاصیت سپری

انبساط حرارتی

مورد سوم

جهت اجرای دیوارهای حجیم، مقاومت فشاری بیشتر از ۱۵ مگاپاسکال نیازی نیست و برای بتنهای سازه‌ای، مقاومت فشاری مخلوط بتنی ۲۰ تا ۳۵ مگاپاسکال کافی است.

مقاومت فشاری کمتر یا بیشتر از محدوده‌های گفته شده زمانی مجاز است که لازمه آن و تأثیر مقاومت فشاری بر سایر خواص بتنها بررسی شده باشد.

برای اینکه در مورد طرح اختلاط مخلوط بتنی بیشتر بدانید به مقاله “صفر تا صد طرح اختلاط + حل گام به گام + نمونه“ سر بزنید.

اجرای بتن سنگین

در اجرای بتن سنگین روش‌های مختلفی وجود دارد که در صورت انجام، کارتان بسیار راحت‌تر و سریع‌تر جلو خواهد رفت:

روش پیش آکنده یا از پیش چیده شده

یکی از مسائلی که اکثراً در بتن سنگین اتفاق می‌افتد، جداشدگی ذرات است. پس برای رفع این مشکل دو راه حل وجود دارد:

استفاده از ماسه با میزان چگالی بالا

استفاده از روش پیش آکنده یا از پیش چیده شده

در این روش ابتدا باید سنگدانه‌هایی که از ۶ میلی‌متر بزرگ‌تر هستند در قالب متراکم شوند و پس از آن دوغاب تهیه شده سیمان، ماسه و آب به درون منافذ بین سنگدانه‌ها از درون لوله‌ها با فشار، جریان یابد تا حفره‌های میان دانه‌ها پر شود.

به عبارتی روش‌های از پیش چیده شده را می‌توان جهت بتن‌ ریزی در مناطق محبوس و اطراف اقلام کارگذاری شده به جهت حداقل رساندن جدایی دانه‌های درشت، خصوصاً فولاد و همچنین برای تولید بتنی با دانسیته و ترکیب یکنواخت استفاده کرد.

روش پمپاژ

برای بتن‌ ریزی مخلوط بتن سنگین استفاده از پمپ نیز مجاز است. اما پیشنهاد می‌شود که فاصله پمپ کردن مخلوط نسبت به مخلوط بتنهای معمولی کاهش یابد و حدود ۱۰ درصد از مقدار شن کاسته شود و نسبت ملات به سنگدانه درشت افزایش یابد.

روش پمپاژ برای بتنهای سنگین با خطوط لوله در محل‌هایی که فضا محدود است، به دلیل دانسیته بیشتری که بتنهای سنگین دارند، انتخاب خوبی است.

برای مطالعه بیشتر در مورد پمپ مخلوط بتنی و انواع آن به مقاله “هر آنچه که باید از پمپ مخلوط بتنی و انواع آن بدانیم!“ سر بزنید.

روش متداول و معمول

همان طور که گفتیم، روش‌های معمول و متداول به طور کلی برای اختلاط و بتن‌ ریزی استفاده می‌شود. اما باید دقت کرد تا از پر کردن بیش از اندازه مخلوط کن، خصوصاً با دانه‌های بسیار سنگین مانند تکه‌های فولادی، خودداری کرد.

پیمانه‌ها باید تا حدود ۵۰ درصد ظرفیت اسمی مخلوط کن کاهش یابند، تا از اختلاط زیاد به دلیل جلوگیری از شکسته شدن دانه‌ها که منجر به اثرات زیان بخشی بر روی کارایی و آب انداختن می‌شود، خودداری شود.

مخلوط حاصله چون دارای وزن زیادی است، پیشنهاد می‌شود هنگام استفاده از تجهیزات مانند دستگاه مخلوط کن، وسایل حمل و نقل و دستگاه توزین به چگالی مخلوط بتنی توجه شود تا به تجهیزات آسیبی وارد نشود.

برای اینکه در مورد انواع مخلوط کن بتن و وسایل حمل آن بیشتر بدانید به مقالات “انواع مخلوط کن بتن یا میکسر زیر ذره بین“ و “هر آنچه که باید از انواع وسایل حمل بدانیم!“ سر بزنید.

روش غوطه وری

روشی است که بیشتر از ۵۰ میلی‌متر ملات در قالب‌ها ریخته می‌شود و سپس با لایه‌ای از دانه‌های مربوطه پوشیده می‌شود.

در اثر کوبیدن با میله یا ارتعاش داخلی، دانه‌ها به درون ملات هدایت می‌شوند.

برای اینکه در مورد انواع ویبراتور مخلوط بتنی بیشتر بدانید به مقاله “صفر تا صد جزئیات ویبره زدن مخلوط بتنی“ سر بزنید.

باید از توزیع یکنواخت دانه‌ها در سرتاسر مخلوط بتنی مطمئن شد.

کاربرد بتن سنگین

موارد استفاده بتن سنگین تنها به عنوان سپر بیولوژیکی در نیروگاه‌های برق اتمی، واحد‌های پزشکی و تأسیسات تحقیقاتی اتمی نبوده و کاربردهای دیگری نیز دارد:

مکان‌هایی که پرتو X ،گاما یا تشعشعات نوترون‌ها وجود دارد.

ساخت آزمایشگاه‌های دانشگاه، رادیواکتیو و غیره

مراکز پرتودرمانی و فیزیوتراپی

افزایش بار مرده ساختمان

تولید سپر و دیوار محافظ

تقویت سازه در برابر زلزله 

معایب بتن سنگین

بتن سنگین دارای معایب متعددی است که در ادامه به برخی از موارد مهم اشاره کرده‌ایم:

هزینه بالای سنگدانه‌های مصرفی

وزن بالا (اگر وزن مخلوط بتنی، بیش از میزان تحمل قالب باشد، پروژه با مشکل روبه‌رو می‌شود.)

افزایش احتمال سایش و پاره شدن لوله پمپ‌ها و میکسرها

امکان بروز مشکلات به هنگام نقل و انتقال

افزایش میزان سیمان مصرفی نسبت به سایر بتنها