بلوغ بتن، شاخص پیشرفت عمل آوری بتن

بلوغ بتن شاخصی است که نشان دهنده پیشرفت عمل آوری بتن است. این مهم بر اساس معادله‌ای تعیین می‌شود که دما، زمان و افزایش مقاومت فشاری بتن را در نظر می‌گیرد. بلوغ بتن روشی دقیق برای تعیین مقادیر مقاومت بتن در محل پروژه ساختمانی است. با اندازه گیری بلوغ بتن می‌توان به اثرات این ماده کامپوزیت در زمان برابری و بررسی میزان بهره برداری از بتن استفاده بسیار کرد. برای درک بهتر این مفهوم با ما همراه باشید.

تعریف بلوغ بتن

به بیان ساده، بلوغ بتن (Concrete Maturity) یک رویکرد سریع و در لحظه برای تخمین مقاومت فشاری بتن در محل و ارتباط آن با اثرات دما و زمان است. این فرآیند برای اندازه گیری پیشرفت فرآیند عمل آوری استفاده می‌شود. بلوغ بتن یک روش شاخص و دقیق برای تعیین مقاومت بتن است.

در بلوغ بتن، آزمایش مقاومت به روشی غیر مخرب انجام می‌شود که باعث شده است تا استفاده توسط سازندگان، تامین کنندگان و پیمانکاران فرعی ایده آل باشد. این آزمایش بهترین راه برای انجام ارزیابی‌های سریع برای تعیین لحظه دقیقی است که بتن به مقاومت مورد نیاز خود می‌رسد. از آنجایی که بلوغ ارتباط مستقیمی با مقاومت و دوام بتن دارد، روش غیر مخرب بهترین راه برای اندازه گیری بلوغ بدون وابستگی به آزمایشات دیگر است. این مهم می‌تواند عملاً استفاده از آزمایش شکست استوانه بتنی را حذف کند.

اهمیت بلوغ بتن

برآورد اولیه، سریع و دقیق در محل برای مقاومت فشاری بتن، یکی از چالش‌های اصلی صنعت بتن است. یک راه حل عملی برای چنین چالش‌هایی می‌تواند از میلیون‌ها تومان هزینه اضافی سالانه برای صنعت ساخت و ساز و صاحبان سازه‌های عمرانی جلوگیری کند. روش بلوغ، روشی مناسب برای پیش‌بینی افزایش مقاومت بتن در سنین پایین است.

با استفاده از این اصل که مقاومت بتن مستقیماً با تاریخچه دمای هیدراتاسیون خمیر سیمانی مرتبط می‌باشد، می‌تواند به مدیران پروژه در تعیین مقاومت فشاری کمک زیادی کند. مفهوم بلوغ برای تخمین افزایش مقاومت بتن در ASTM C1074 که روش استاندارد برای تخمین مقاومت بتن با روش بلوغ است، به خوبی توضیح داده شده است. این روش به طور بالقوه می‌تواند بسیاری از چالش‌های فوری پیش روی صنعت بتن را برطرف کند.

این چالش‌ها می‌توانند مانند پیش ‌بینی زمان مناسب برای قالب ‌بندی و پس ‌کشیدگی آرماتورها، به‌ ویژه در دماهای پایین باشد. عدم برآورد دقیق مقاومت در سنین اولیه بتن ممکن است باعث ایجاد مشکل شود. پیمانکاران برای اقدام بعدی (مثلاً قالب بندی) که به دلیل تاخیر در تکمیل پروژه پرهزینه شده است، مدت زیادی منتظر می‌مانند یا اینکه زودتر از موعد اقدام می‌کنند که این مهم می‌تواند باعث شده تا سازه بتنی دچار مشکل شود. ترک خوردن بخشی از این مشکلات است که دوام و عملکرد اعضای بتنی را دستخوش تغییرات قرار می‌دهد و ممکن است حتی فروپاشی ساختاری را نتیجه دهد.

مزایای بلوغ بتن

روش بلوغ امکان ارزیابی مقاومت بتن را در یک زمان خاص فراهم می‌کند. بلوغ روشی دقیق و حساس به زمان برای اندازه گیری مقاومت بتن است. بلوغ بتن منجر به کنترل و تضمین کیفیت بهتر می‌شود زیرا حداقل اتکا به آماده سازی و آزمایش سیلندرهای بتنی وجود دارد. مراقبت و جابجایی مناسب از سیلندرهای بتنی برای دقت نتایج تست مقاومت بسیار مهم هستند. متأسفانه، این جنبه از آزمایش بتن گاهی نادیده گرفته می‌شود.

کاربردهای بلوغ بتن

در زیر تنها تعدادی از حوزه‌های مختلف کاربرد که از روش بلوغ سود می‌برند، فهرست شده‌اند:

ساختمان‌های بلند

پارکینگ‌های طبقاتی

حذف زود هنگام قالب

ساخت بتن دستی در محل کارگاه

پل‌ها

پیاده روها

بتن انبوه

بتن ریزی در هوای سرد و گرم

دودکش‌ها و برج‌های خنک کننده

مهندسی ارزش

نحوه اندازه گیری بلوغ بتن

روش استاندارد برای اندازه گیری بلوغ بتن توسط ASTMC1074 تعیین شده است. این روش به عنوان تکنیکی برای تخمین مقاومت فشاری بتن محسوب می‌شود. این آزمایش بر این فرض استوار است که نمونه‌های یک مخلوط بتن آماده در صورتی که به مقادیر مساوی از شاخص بلوغ برسند، به مقاومت‌های برابری خواهند رسید. هنگامی که بتن عمل آوری می‌شود، انرژی گرمایی تولید می‌کند که با سرعت عمل آوری رابطه مستقیمی دارد.

از طریق روش بلوغ، افزایش بعدی دما را می‌توان ثبت کرد و در گزارش گنجاند. از آنجایی که مخلوط‌های بتن دارای رابطه مقاومت و بلوغ متفاوتی هستند، می‌توان از روش بلوغ برای تعیین مقاومت نوع خاصی از مخلوط استفاده کرد. مقدار شاخص نیاز به کالیبراسیون مخلوط دارد تا اجرا شود. نقش این کالیبراسیون تعیین رابطه دقیق بین مقاومت و بلوغ بتن است.

به عنوان بخشی از این فرآیند، جمع آوری داده‌ها توسط حسگرهای بی‌سیم انجام می‌شود. این سنسورها دمای بتن عمل آوری را اندازه گیری می‌کنند و آنها را با کالیبراسیون‌های قبلی برای اندازه گیری مقاومت مقایسه می‌کنند. به عنوان یک مزیت اضافی، این سنسورها را می‌توان به هر دستگاه هوشمندی متصل کرد و داده‌ها را فوراً ارزیابی کرد.

انجام آزمایش‌های شکست

در اکثر کارگاه‌های ساختمانی، نمونه‌های بتن عمل ‌شده در کارخانه در طول هفته اول پس از بتن ریزی، در سنین مختلفی آزمایش می‌شوند تا در مورد حذف قالب‌ها تصمیم‌ گیری شود. معمولاً اگر بتن به ۷۵ درصد مقاومت طراحی شده خود برسد، مهندسان سازه اجازه خط کشی قالب‌ها را می‌دهند؛ اما مشکل این است که فقط یک نمونه برای تخمین مقاومت خرد می‌شود که این لزوماً نتایج دقیقی را به همراه ندارد.

علاوه بر این، مدیران پروژه و کارگران معمولاً در محل کار حضور دارند و منتظر شنیدن نتیجه مقاومت فشاری از آزمایشگاه هستند. این امر به هزینه ساخت میفزاید و عدم قطعیت آن باعث کاهش راندمان در ساخت و ساز می‌شود. اگرچه روش‌های جایگزینی مانند بلوغ بتن نیز وجود دارند اما بسیاری از پروژه‌ها همچنان به ارسال نمونه به آزمایشگاه مبادرت می‌ورزند.

به جز پروژه‌های خاص، صنعت بتن به آزمایش مقاومت فشاری در ازمایشگاه علاقه نشان می‌دهد. این مهم عمدتاً به دلیل هزینه اولیه کالیبراسیون مخلوط بتن برای منحنی‌های بلوغ و عدم تخصص برای نصب سنسورهای دمای بتن، جمع آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها است. چنین رویکردهایی برای ارزیابی مقاومت فشاری ممکن است باعث شوند که پیمانکاران بتن تصمیمات محافظه‌ کارانه‌ای بگیرند، با مشکلات فنی پیچیده‌‌تری مانند تأخیر در قالب‌ بندی مواجه شوند و منابع مالی بیشتری را صرف کنند.

به عنوان یک آزمایش غیر مخرب، روش بلوغ بتن ممکن است گزینه معقولی برای پر کردن این شکاف باشد. در مقایسه با اکثر فناوری‌های غیرمخرب در محل مانند چکش اشمیت یا سرعت پالس اولتراسونیک، امتیازی که روش بلوغ بر آن استوار است، این بوده که پس از ایجاد منحنی بلوغ، روش تخمین مقاومت فشاری عینی (قابل مشاهده) و کیفی (قابل بررسی از نظر کیفیت) خواهد بود.

اصل روش بلوغ بتن

روش بلوغ یک رویکرد نسبتاً ساده برای تخمین مقاومت فشاری بتن در محل، به ویژه در سنین اولیه کمتر از ۱۴ روز است. هنگامی که منحنی بلوغ در آزمایشگاه برای یک پروژه خاص ایجاد شد، می‌توان از آن برای برآورد مقاومت فشاری بتن در محل استفاده کرد.

روش بلوغ با این فرض اساسی کنترل می‌شود که یک طرح مخلوط بتن تازه که در طول یک پروژه خاص در قالب ریخته شده است، زمانی که دارای همان شاخص بلوغ باشد، مقاومت فشاری یکسانی دارد. به این معنی که یک مخلوط بتنی تازه، ممکن است پس از ۷ روز عمل آوری در دمای ۱۰ درجه سانتیگراد هنگامی که به مدت ۳ روز در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد عمل می‌کند، به همان مقاومت فشاری برسد.

روش بلوغ بر اساس ASTM C1074 رایج‌ترین روشی است که برای تخمین مقاومت بتن در محل استفاده می‌شود. ASTM C1074 دو تابع بلوغ را فراهم می‌کند:

۱- Nurse-Saul function

۲- Arrhenius function

بر اساس روش Nurse-Saul یک رابطه خطی بین بلوغ و دما در لحظه وجود دارد. فرض اساسی این است که توسعه مقاومت در بتن تابعی خطی از دمای هیدراتاسیون است. معادله ۱ رابطه بین بلوغ و تاریخچه دمای هیدراسیون را نشان می‌دهد:

M(t)=∑[(Ta-T0)x∆t]

جایی که M(t) شاخص بلوغ در سن t است. Ta میانگین دما در بازه زمانی ∆t می‌باشد. T0 دمای مبنا است. ASTM C1074  یک روش استاندارد برای یافتن دمای مبنا برای یک طرح مخلوط خاص ارائه می‌دهد. با این حال، اکثر مطالعات قبلی تخمین عملی دمای مبنا را پیشنهاد می‌کنند که بین صفر تا ۱۰- درجه سانتی‌گراد است.

در واقع، این دمایی است که در آن هیدراتاسیون خمیر سیمان متوقف می‌شود. بنابراین توسعه مقاومت بتن متوقف خواهد شد. نتایج نشان می‌دهند که این دما در بازه‌ای بین صفر تا ۵- درجه سانتی‌گراد بسته به طرح مخلوط بتن قرار دارد.

رویکرد دوم Arrhenius function است که فرض می‌کند یک رابطه نمایی بین مقاومت فشاری و دمای هیدراتاسیون وجود دارد. شاخص بلوغ به صورت یک سن معادل در دمای مرجع تعریف می‌شود. این بدان معناست که سن واقعی باید به دمای مرجع نرمال شده تا مقاومت فشاری تخمین زده شود. این تابع به مقداری از انرژی فعال سازی نیاز دارد که بتوان آن را مطابق روشی که در ASTM C1074 شرح داده شده است، تعیین کرد. علی رغم این واقعیت که Arrhenius function از نظر علمی دقیق‌تر است، تابع Nurse-Saul به دلایل زیر بیشترین کاربرد را در صنعت بتن دارد:

دقت عملکرد Nurse-Saul برای اکثر کاربردهای میدانی کافی است.

عملکرد Nurse-Saul در مقایسه با عملکرد Arrhenius نسبتاً ساده‌تر است.

منحنی بلوغ – مقاومت از طریق عملکرد Nurse-Saul

همانطور که در ASTM C1074 توضیح داده شده است، یک راهنمای گام به گام برای توسعه منحنی بلوغ و برای تخمین مقاومت فشاری وجود دارد که به شرح زیر است.

منحنی بلوغ – مقاومت نشان دهنده رابطه بین شاخص بلوغ و مقاومت فشاری برای یک طرح مخلوط بتن تازه است که در آزمایشگاه اتخاذ می‌شود. برای انجام این کار، نمونه‌های استوانه‌ای بتنی باید در شرایط نیمه آدیاباتیک برای عمل آوری نگهداری شوند. تعداد معینی از سیلندرهای بتنی (یعنی حداقل دو نمونه بتن) باید توسط سنسورهای دمایی تعبیه شده برای ثبت تاریخچه دمای هیدراتاسیون مجهز شوند.

مقاومت فشاری بتن در سنین ۱، ۳، ۷، ۱۴ و ۲۸ روزه اندازه گیری می‌شود.

شاخص بلوغ در زمان‌های تست قدرت با استفاده از معادله ۱ محاسبه می‌شود. سپس بهترین منحنی برای داده‌های قدرت در مقابل داده‌های شاخص بلوغ برازش خواهد شد. لازم به ذکر است که آزمایش طرح اختلاط بتن که همان طرحی بوده که در پروژه ساخت و ساز استفاده می‌شود، بسیار مهم است. هر گونه انحراف از طرح مخلوط اولیه (مانند نسبت آب به سیمان، محتوای سیمان و سایر)، دقت روش بلوغ را برای تخمین مقاومت فشاری کاهش می‌دهد.

هنگامی که منحنی بلوغ – مقاومت ایجاد شد، می‌توان از آن برای تخمین مقاومت بتن در محل با استفاده از تاریخچه دمای هیدراتاسیون استفاده کرد. برای انجام این کار، تاریخچه دمایی عناصر بتنی باید پس از ریختن با استفاده از حسگرهای تعبیه شده در مکان‌هایی که عموماً از نظر شرایط عمل آوری و نیاز ساختاری حیاتی هستند، ثبت شود.

برای اطمینان از صحت منحنی بلوغ – مقاومت، باید آزمایش‌های معمول کنترل کیفیت انجام شوند. این کنترل‌ها هرگونه خطا در برآورد مقاومت در محل را به دلیل محدودیت‌های ذاتی روش بلوغ به حداقل می‌رسانند.

برخی از محدودیت‌های مهم این روش به شرح زیر هستند:

بتن در محل نماینده بتن مورد استفاده برای توسعه کالیبراسیون در آزمایشگاه نیست. این مهم می‌تواند به دلیل تغییرات در مواد، نسبت آب به سیمان، محتوای هوا، روش بچینگ و سایر موارد باشد.

بتن در محل به درستی ریخته نمی‌شود، تحکیم، عمل آوری، و سایر به خوبی صورت نمی‌گیرند.

دمای بسیار بالا در سنین پایین می‌تواند منجر به تخمین نادرست مقاومت فشاری در سنین بعدی شود.

استفاده از دمای مبنا (برای عملکرد Nurse-Saul) که نماینده مخلوط بتن نیست، می‌تواند منجر به تخمین نادرست مقاومت شود.

فرآیند کالیبراسیون در بلوغ بتن

استاندارد ASTM C1074 توصیه می‌کند این مراحل را برای دستیابی به ترکیب کالیبره دنبال کنید:

تعداد سیلندرهایی که استفاده می‌کنید باید حداقل ۱۷ عدد باشد. ۲ سیلندر برای نظارت بر دما، در حالی که بقیه برای شکست در استحکام فشاری مورد استفاده قرار می‌گیرند. عمل آوری همه این سیلندرها باید به طور همزمان انجام می‌شود، ترجیحاً در یک منطقه کنترل شده دما برای اطمینان از رطوبت مناسب (ASTM C511).

حداقل ۵ زمان مختلف را برای شکستن تصمیم بگیرید. ۱، ۴، ۷، ۱۵ و ۲۸ روز، برای تعیین مقاومت فشاری دو سیلندر برای هر روز کافی است. سیلندر سوم تنها در صورتی باید شکسته شود که انحراف نتیجه نهایی بیش از ۱۰ درصد از مقدار میانگین باشد. حتما به زمان‌های استراحت دقت کنید.

در هنگام شکستن، مقادیر بلوغ دو سیلندر اولیه مورد استفاده برای نظارت بر دما را محاسبه کنید.

در حال حاضر، شما باید حداقل ۵ مقدار عددی با نقاط قوت خاص مرتبط با سطوح بلوغ خاصی داشته باشید. سپس این داده‌ها را می‌توان در یک نمودار رسم کرد تا منحنی مورد نظر را به دست آورد.

منحنی کالیبراسیون به دست آمده را می‌توان با افزودن چند سیلندر دیگر اعتبار بخشید. هنگام مقایسه استحکامی که از داده‌های دریافتی از آزمایشگاه محاسبه می‌شود و استحکام به دست آمده از بلوغ، این اختلاف حداکثر تا ۱۰ درصد مجاز است.

کلام آخر

روش بلوغ بتن برای ارزیابی مقاومت بتن تازه در محل با مرتبط کردن اندازه گیری‌های زمان و دما به مقادیر مقاومت واقعی انجام می‌شود. برای تسریع زمان‌بندی، افزایش ایمنی و بهبود روش‌های ساخت و ساز، تیم‌های ساختمانی می‌خواهند مقاومت بتن تازه را در محل کار اندازه گیری کنند. از آنجایی که بلوغ با مقاومت بتن مرتبط است، روش بلوغ راهی برای انجام این امر بدون تکیه بر نمونه‌های آزمایش استاندارد و تست‌های آزمایشگاهی است.

بلوغ با ردیابی تغییرات دمای بتن تازه در طول زمان محاسبه می‌شود. از آنجایی که هر مخلوط بتنی رابطه مقاومت و بلوغ خاص خود را دارد، می‌توانیم از بلوغ برای تخمین مقاومت آن مخلوط در لحظه حال و بتن ریزی استفاده کنیم. وقتی بلوغ بتن را بدانیم، می‌توانیم از رابطه مقاومت و بلوغ برای تخمین قابلیت اطمینان مقاومت فشاری بتن استفاده کنیم.