راهکارهای کاهش دمای بتن در هوای گرم

راهکارهای کاهش دمای بتن در هوای گرم
173 1399/11/6

راهکارهای کاهش دمای بتن در هوای گرم

برای بتن ریزی در هوای گرم ، نیاز به لحاظ تمهیدات لازم برای کنترل دما و کاهش آن برای تامین استانداردهای لازم می باشد. در متن زیر به شرح بعضی از راهکارها برای کاهش دمای بتن پرداخته می شود.

کلینیک فنی و تخصصی بتن ایران ( شرکت تولیدی رایحه بتن سبز ) از جمله شرکت های تولید کننده معتبر و دارای استاندارد ملی در زمینه افزودنی های بتن می باشد. از جمله این افزودنی های دیرگیر کننده بتن به عنوان راهکاری کمکی برای بتن ریزی در هوای گرم می باشد. شما می توانید برای مشاوره و دریافت مشخصات فنی و دیتاشیت انواع افزودنی های بتن ، اخذ لیست قیمت و خرید افزودنی های بتن با بخش بازرگانی کلینیک فنی و تخصصی بتن ایران ( 44618462-44618379-09120916271 ) تماس حاصل فرمائید.

 

استفاده از سنگ دانه سرد شده

سنگ دانه ها، با وجود این که گرمای ویژه کمتری نسبت به آب دارند، بخش زیادی از مخلوط بتن را تشکیل می دهند، به این دلیل دمای سنگ دانه ها می تواند تاثیر قابل توجهی بر دمای آغازین بتن داشته باشد. با این حال کاهش دمای سنگ دانه ها سخت تر از کاهش دمای آب است.

 

تاثیر سرد کردن سنگ دانه ها بر دمای بتن می تواند اندکی با حل معادله بخش کنترل کارایی تخمین زده شود. برای نمونه، یک مخلوط بتن معمولی که در آن وزن سنگ دانه ها (Wa) برابر 1800 کیلوگرم (که 1200 کیلوگرم از آن درشت دانه و 600 کیلوگرم از آن ریزدانه است)، وزن سیمان (Wc) برابر 330 کیلوگرم و وزن آب (Ww) برابر با 200 کیلوگرم است، در نظر گرفته می شود. در صورتی که دمای مصالح تشکیل دهنده ی بتن 30 درجه سانتی گراد باشد، دمای آغازین بتن نیز برابر 30 درجه سانتی گراد خواهد بود، با خنک کردن درشت دانه ها و کاهش دمای آن ها به 20 درجه سانتی گراد و با استفاده از معادله بخش کنترل کارایی، دمای تخمینی بتن حدود 26 درجه سانتی گراد خواهد بود. یعنی، برای کاهش دمای بتن به اندازه ی یک درجه سانتی گراد، دمای درشت دانه باید به اندازه 2.5 درجه سانتی گراد کاهش یابد.

 

بهترین راه حل عملی برای دستیابی به سنگ دانه ی سرد، معمولا خنک نگه داشتن آن تا اندازه ای ممکن توسط احداث سایبان در برابر تابش مستقیم آفتاب بر روی محل دپوی سنگ دانه ها است. در خاورمیانه این کار بیشتر با احداث سقف های سبک با ارتفاع زیاد، به همراه شبکه های توری سایبان در کناره ها انجام می شود، به نحوی که کامیون های تحویل بتوانند سنگ دانه ها را تخلیه کرده و بیل های مکانیکی بتوانند سنگ دانه ها را برداشت کنند. دهانه ی باز این محفظه باید در جهتی باشد که کمتر از همه در معرض تابش مستقیم آفتاب قرار بگیرد؛ به طور مثال، در کشور ایران که در نیم کره ی شمالی قرار دارد، دهانه ی باز بهتر است در سمت شمال قرار بگیرد.

 

روش دیگر برای سرد کردن سنگ دانه، استفاده از آب سرد برای پاشیدن روی سنگ دانه ها یا اشباع کردن آن ها دانست. پاشش آب سرد بر روی سنگ دانه ها می تواند دمای آن ها را توسط تبخیر و سرد شدن مستقیم کاهش دهدو این روند، نیازمند مقادیر زیادی آب تمیز است که ممکن است در مناطق گرم و خشک در دسترس نباشد. گذر آب از یک برج خنک کننده با ابعاد مناسب، می تواند دمای آب را تا دمای مرطوب آن کاهش دهد. این روند در مناطقی که هوای آن ها رطوبت نسبی کمتری دارد، تاثیر بیشتری دارد. از سوی دیگر، مرطوب کردن سنگ دانه ها، باعث ایجاد تغییر در رطوبت سطحی شده و در نتیجه، کنترل اسلامپ بتن را مشکل می سازد.

 

یک روش تاثیرگذاری در کاهش دمای درشت دانه، پاشیدن آب سرد بر روی سنگ دانه ها یا غرقاب کردن آن ها است. برای استفاده از این روش، تولید کننده باید مقادیر زیادی آب تمیز و تجهیزات لازم برای سرد کردن آب را در دسترس داشته باشد. این روش زمانی بیشترین کارایی را دارد که مقادیر کافی از درشت دانه در سیلو یا انبار ها ذخیره شود، به نحوی که سرد کردن در زمان کوتاهی ممکن باشد. هنگام غرقاب کردن سنگ دانه ها باید دقت کافی به کار گرفته شود که سنگ دانه ها به طور یکسان اشباع شوند تا تغییر اسلامپ، میان نوبت های گوناگونی بتن ریزی به کمترین مقدار برسد.

 

سرد کردن سنگ دانه، همچنین می تواند با گذراندن هوا از میان سنگ دانه های مرطوب انجام شود. جریان هوا، سرد شدن بر اثر تبخیر را افزایش داده و می تواند دمای سنگ دانه را تا حدود یک درجه سانتی گراد بیشتر از دمای مرطوب برساند. موثر بودن این روش، به دمای محیط، رطوبت نسبی و سرعت جریان هوا بستگی دارد. استفاده از هوای سرد به جای هوا با دمای محیط، می تواند دمای سنگ دانه را تا 7 درجه سانتی گراد کاهش دهد. به هر صورت این روش، نیازمند هزینه ی تا اندازه ای بالا برای نصب تجهیزات است.

 

یک روش دیگر برای سرد کردن درشت دانه، استفاده از نیتروژن مایع است. در این روش سنگ دانه ها بر روی نیتروژن مایع ریخته می شود و گاز سرد به دست آمده، توسط یک فن از میان سنگ دانه ها عبور داده می شود. ادعا می شود که با این روش، دمای سنگ دانه می تواند تا 18- درجه سانتی گراد کاهش داده شود.

 

استفاده از آب سرد

از آن جایی که آب، گرمای ویژه ای در حدود چهار یا پنج برابر سیمان یا سنگ دانه ها دارد، دمای آب اختلاط به ازای واحد وزن، بیشترین تاثیر را بر دمای بتن دارد. دستیابی به آب با چنین دمایی در مناطقی مانند ایران، نیازمند استفاده از چیلر یا قرار دادن یخ در مخزن آب است. نمونه ای از سیستم خنک کننده آب برای کاهش دمای بتن که برای بتن ریزی در عسلویه که از مناطق بسیار گرم ایران می باشد، در شکل نشان داده شده است. کنترل دمای آب، ساده تر از کنترل دمای دیگر اجزای بتن است. هرچند که مقدار وزن در مقایسه با دیگر مصالح تشکیل دهنده ی بتن کمتر است. کاهش محدود دمای آب با استفاده از سایبان و استفاده از سایبان و استفاده از رنگ سفید برای مخزن آب و نیز عایق کردن شبکه ی لوله های انتقال آب نیز ممکن است.

 

دمای آغازین بتن که با استفاده از آب سرد می توان به آن دست یافت، با معادله بخش کنترل کارایی قابل تخمین است. باجای گذاری a=Wa/Wc (نسبت سنگ دانه به سیمان) و ω=Ww/Wc (نسبت آب به سیمان) در این رابطه، و با این فرض که گرمای ویژه ای اجزای جامد برابر با 0.2 است، رابطه بخش کنترل کارایی به فرم ساده شده ی زیر تبدیل می شود:

 

دمای آغازین بتن

 

در عمل، آب می تواند تا حدود دمای 5 درجه سانتی گراد سرد شود. برای مثال با در نظر گرفتن یک مخلوط معمولی با مقدار a=6 و مقدار ω=0.6، برای حالتی که دمای سیمان و سنگ دانه ها 30، 35 و 40 درجه سانتی گراد باشد، دمای تخمینی بتن به ترتیب 22.5، 26 و 29.5 درجه سانتی گراد خواهد شد. همچنین، برای کاهش دمای بتن به اندازه یک درجه سانتی گراد، دمای آب باید 3.3 درجه سانتی گراد کاهش یابد. بنابر این می توان چنین نتیجه گرفت که استفاده از آب سرد می تواند دمای بتن را تا حدود 10 درجه سانتی گراد کاهش دهد. با این وجود در عمل این اتفاق نمی افتد و بیشترین کاهش ممکن در دمای بتن با استفاده از آب سرد، نزدیک به 6 درجه سانتی گراد است.

 

مقدار آب سرد نباید از مقدار آب مورد نیاز برای اختلاط بتن، که به مقدار نسبت های اختلاط مصالح و درصد رطوبت سنگ دانه ها بستگی دارد، بیشترین شود. روی هم، کاهش دمای آب اختلاط به اندازه 4 تا 5 درجه سانتی گراد باعث کاهش حدود یک درجه سانتی گراد در دمای بتن می شود. خنک کردن آب امری هزینه بر است و بنابراین باید تا اندازه ممکن از افزایش دوباره ی دمای آن در هنگام حمل از واحد سرد کننده تا محل ساخت بتن جلوگیری شود. برای حفظ سرمای آب لازم است مخازن، لوله ها یا کامیون هایی که برای نگه داری یا حمل آب استفاده می شود، عایق کاری شده یا به رنگ سفید در آید و یا هر دو مورد ذکر شده انجام گیرد. با استفاده از برج های خنک کننده یخ، فن آوری پمپ حرارتی، یا نیتروژن مایع، آب می تواند تا دمای یک درجه سانتی گراد سرد شود. این روش به سرمایه گذاری قابل توجهی برای تجهیزات سرد سازی مکانیکی و مخزن عایق بندی شده ی آب که برای مصرف پیش بینی شده ی روزانه و هفتگی بتن سرد شده کافی باشد، نیاز دارد. سیستم های قابل استفاده شامل سیستمی با فن آوری پمپ حرارتی است که می تواند برای سرد کردن و گرم کردن بتن مورد استفاده قرار گیرد. این سیستم، جدای از هزینه ی آغازین نصب، سرد کردن را با کمترین هزینه نسبت به دیگر سیستم های قابل دسترس برای سرد کردن آب اختلاط بتن ممکن می سازد.

 

آب اختلاط می تواند با تزریق نیتروژن مایع به درون مخزن عایق بندی شده ی آب، به سرعت سرد گردد. سپس این آب به مخلوط بتن اضافه می گردد. افزون بر این، آب اختلاط می تواند با تزریق نیتروژن مایع به جریان آب ورودی به میکسر به صورت برفآبه در آید. این سیستم، کاهش دما را تا 11 درجه سانتی گراد ممکن می سازد. نسبت یخ به آب در این برفآبه، باید برای رسیدن به دمای مطلوب بتن تنظیم

 

گردد. نصب این سیستم، نیازمند مخزن آب عایق بندی شده، یک کپسول نیتروژن مایع، کنترل کننده های توزین و تجهیزات کمکی است. جدا از هزینه های نصب، هزینه های عملیاتی استفاده از نیتروژن مایع به درون بتن اختلاط متفاوت بوده و نباید با آن اشتباه گرفته شود.

 

چنین تجهیزاتی، با وجود هزینه ی زیاد، تنها می تواند باعث کاهش محدود دمای بتن، یعنی همان گونه که پیش تر ذکر شد، حداکثر نزدیک به 6 درجه سانتی گراد کاهش دما شود. در برخی مراجع حتی مقادیر کمتر از این (نزدیک به 3 تا 5 درجه سانتی گراد) ذکر شده است.

 

سرد کردن سیمان

کنترل دمای سیمان مشکل است. به دلیل دمای زیاد سیمان حین آسیاب شدن، بسیار احتمال دارد که هنگام تحویل به کارگاه سیمان، داغ باشد. این حالت برای سیمان تازه تولید شده که فرصتی برای سرد شدن پس از آسیاب مصالح تشکیل دهنده اش نداشته عادی است. سپس سیمان هنگام انبار شدن به تدریج گرمای خود را از دست می دهد. نزدیک به 10 تا 15 درصد مخلوط بتنی را سیمان تشکیل می دهد. به این ترتیب به ازای هر 8 درجه سانتی گراد افزایش دمای سیمان، دمای بتن نزدیک به یک درجه سانتی گراد افزایش می یابد. در کارگاه های ساختمانی بزرگ با توان عملیاتی قابل توجه، لازم است دو سیلو نصب شود تا زمان بین تحویل و استفاده سیمان افزایش پیدا کند. سیلوها باید به رنگ سفید باشند تا افزایش دما بر اثر تابش آفتاب به کمترین مقدار برسد.

 

استفاده از نیتروژن مایع

تزریق نیتروژن مایع به درون بتن تازه، یک راه موثر برای کاهش دمای بتن است. گزارش شده است که این راه برای کاهش دمای بتن بدون تاثیر مخرب بر خواص آن موثر است. کمترین دمای عملی بتن زمانی حاصل می شود که بتن اطراف نازل تزریق، به صورت توده های منجمد در آید. رسیدن به این حالت زمانی امکان پذیر است که دما در نظر گرفته شده برای بتن کمتر از 10 درجه سانتی گراد باشد. این روش به طور موفقیت آمیزی در شماری از بتن ریزی های بزرگ، استفاده شده است. استفاده از مقادیر زیاد نیتروژن مایع بر کارایی بتن تاثیر منفی نداشته است. هزینه ی این روش تا اندازه زیاد است، اما بر مبنای ملاحظات عملی و در نظر گرفتن تاثیر آن بر قابلیت کاربرد بتن، در مجموع می تواند توجیه پذیر باشد.

 

نصب سیستم، شامل یک کپسول نیتروژن مایع و ابزار تزریق برای میکسر های مرکزی، یا یک یا شماری ایستگاه تزریق برای تراک میکسرها می شود. این سیستم می تواند برای سرد کردن بتن در آخرین لحظه پیش از جای دهی آن، در کارگاه ساختمانی مورد استفاده قرار گیرد. این کار باعث کاهش جذب گرما توسط بتن سرد شده، حین جابجایی بین محل ساخت بتن و محل کارگاه می شود. برای اعزام تانکرهای نیتروژن مایع به ایستاه تزریق، برای جایگزینی به موقع گاز استفاده شده در عملیات سرد سازی باید هماهنگی لازم وجود داشته باشد. مقدار نیتروژن مایع مورد نیاز با توجه به طرح اختلاط بتن و اجزای آن و نیز کاهش دمای مورد نظر ممکن است متفاوت باشد. استفاده از 100 متر مکعب نیتروژن مایع، معمولا باعث یک درجه سانتی گراد کاهش دمای بتن می شود.

 

استفاده از یخ

کاهش بیشتر دمای آغازین بتن تازه می تواند با استفاده از یخ به عنوان بخشی از آب اختلاط انجام شود. یخ به صورت خرد شده، رنده شده یا تراشیده شده به مخلوط بتن اضافه می شود. یخ در هنگام اختلاط بتن، ذوب می شود و طی این فرآیند گرما را با نرخ 79.6 کیلوکالری بر کیلوگرم (335 ژول بر گرم) جذب می کند؛ بنابر این باعث کاهش دمای بتن خواهد شد. با فرض آن که دمای یخ صفر درجه سانتی گراد است، با استفاده از نمادهای معرفی شده در معادله بخش کنترل کارایی، دمای بتن را می توان با معادله زیر تخمین زد (Wi وزن یخ می باشد):

 

تخمین دمای بتن

 

با جایگذاری a = wa/wc ، ω = (Wi + Ww)/ Wc و a= Wi / (Wi + Ww) و دوباره با این فرض که گرمای ویژه ی بخش های جامد، 0.2 گرمای ویژه آب باشد، معادله بالا به فرم ساده شده ی زیر در خواهد آمد:

 

فرمول ساده شده ی محاسبه دمای بتن

 

برای ساده سازی اختلاط اجزای تشکیل دهنده ی بتن، بخشی از آب اختلاط (معمولا کمتر از 25%) به صورت آب مایع به مخلوط اضافه می شود. یعنی مقداری از آب که به صورت یخ به مخلوط اضافه می شود، معمولا نباید بیش از 75 درصد کا آب در نظر گرفته شود. با در نظر گرفتن مقدار محدود تر 50 درصد برای مخلوطی که در مثال پیش مورد بررسی قرار گرفت (با a برابر 6 و ω برابر 0.6)، با حل معادله های بالا می توان نتیجه گرفت که برای حالت های گوناگونی که دمای سنگ دانه، سیمان و آب باهم برابر بوده و مساوی 30، 35 و 40 درجه سانتی گراد باشد، دمای تخمینی بتن به ترتیب برابر با 13.5، 17.6 و 22 درجه سانتی گراد خواهد شد (شکل پایین). بنابر این در شرایط ذکر شده، استفاده از یخ می تواند دمای بتن را تا 18 درجه سانتی گراد کاهش اد. با این وجود در عمل، این مقدار بزرگ کاهش کاهش دمای بتن قابل دستیابی نبوده و حداکثر کاهش دمای قابل حصول نزدیک به 11 درجه سانتی گراد است.

 

برای تاثیر گذاری بیشتر، نباید اجازه داد که یخ پیش از ریخته شدن به داخل میکسر در تماس با دیگر مصالح ذوب شود، اما لازم است پیش از پایان اختلاط بتن، یخ به طور کامل ذوب شده باشد، یخ خرد شده باید در دمایی نگهداری شود که از تشکیل توده های یخی در اثر انجماد دوباره ی خرده های یخ جلوگیری شود. افزون بر این، تاثیر این روش با زهکشی سنگ دانه ها، به نحوی که تا حد امکان سنگ دانه های مورد استفاده در بتن خشک باشند بیشتر خواهد شد. در مناطقی با آب و هوای گرم و خشک، این کار معمولا مشکل نخواهد بود، چرا که بیشتر سنگ دانه ها به صورت خشک تحویل می شوند. شکل پایین مقدار ممکن کاهش دمای بتن را که در اثر جایگزینی مقادیر گوناگون آب اختلاط با دماهای مختلف، توسط یخ صفر درجه سانتی گراد ممکن خواهد بود، نشان می دهد.

 

استفاده از یخ، مشروط بر دسترسی به یک منبع مناسب و مطمئن یخ است. سرد کردن توسط قالب های یخ نیازمند استفاده از می واحد خرد کننده است که بتواند قالب های یخ را ریز خرد کند و به داخل میکسر بریزد. یک مانع عمده برای استفاده از یخ قالبی در بسیاری از مناطق، دسترسی نداشتن به آن است. هزینه های استفاده از یخ قالبی شامل هزینه ی تهیه ی یخ و حمل و نقل آن، یخچال برای نگهداری یخ، تجهیزات کاربرد و خرد کردن یخ، نیروی کار اضافه و در صورت نیاز ابزار توزین یخ می باشد. یک راه کار جایگزین برای استفاده از یخ قالبی، احداث یک کارخانه ی یخ سازی در نزدیکی محل ساخت بتن است. به این ترتیب یخ تولید شده، توزین و خرد می گردد و روانه ی میکسر می شود. سرمایه گذاری بزرگ است. استفاده از یخ نیز برای سرد کردن بتن یک راه کار پر هزینه بوده و تنها در شرایط ویژه ای به لحاظ اقتصادی قابل توجیه است.

 

در صورت به کار بردن همه ی اقدامات احتیاطی مطرح شده در این مقاله برای کاهش دمای مصالح بتن، باز هم کاهش بیشتر دمای بتن با توجه به جنبه های ساخت و تحوی آن ممکن خواهد بود. انرژی آزاد شده هنگام پیمانه کردن و هم خوردن کامیون حمل بتن، می تواند باعث افزایش دما شود. بنابر این موارد ذکر شده باید تا اندازه ی ممکن و متناسب با مقدار کل اختلاط مورد نیاز، به کمترین مقدار رسانده شود. در مواردی که از تراک میکسرها برای اختلاط بتن استفاده می شود، امکان پیمانه کردن مصالح به صورت خشک و سپس افزودن آب به آن در محل کارگاه وجود دارد.

 

استفاده از رنگ سفید برای بدنه ی میکسر برای کمینه کردن جذب انرژی تابشی آفتاب می تواند تا حدی مفید باشد. برای نمونه، در یک روز گرم و آفتابی بر مبنای زمان یک ساعت حمل بتن در یک میکسر به رنگ سفید در مقایسه با یک میکسر به رنگ سیاه یا قرمز، نزدیک به 1 تا 1.5 درجه سانتی گراد سردتر خواهد بود، و یا 0.3 درجه سانتی گراد سردتر نسبت به حالتی که بتن در یک میکسر کرم رنگ باشد. در صورتی که یک میکسر خالی مدت زیادی پیش از پیمانه کردن مصالح زیر آفتاب قرار بگیرد، گرمایی که در بدنه ی آن ذخیره شده باعث افزایش دمای بتن خواهد شد. اگر میکسر به رنگ سفید باشد، افزایش دمای بتن در شرایط ذکر شده، نزدیک به 0.3 تا 0.5 درجه سانتی گراد کمتر از حالتی خواهد بود که میکسر رنگ زرد یا قرمز داشته باشد. پاشیدن آب به بدنه ی میکسر پیش از پیمانه کردن یا حین تحویل بتن و یا پیچیدن گونی خیس به دور میکسر، همانند شکل زیر، به عنوان یک روش برای کاهش دمای بتن پیشنهاد شده است، اما این کار تنها می تواند تا حدی مفید باشد.

 

بیشتر شدن دما در اثر هر دو عامل شرایط محیطی و هیدراتاسیون، و افت اسلامپ با گذشت زمان افزایش می یابد. بنابر این فاصله زمان میان ساخت و تحویل بتن باید به کمترین اندازه ی ممکن رسانده شود. اعزام کامیون ها از واحد ساخت بتن باید به دقت و با سرعتی که بتن جای داده می شود هماهنگ شود تا از توقف طولانی  مدت کامیون ها در کارگاه قبل از تخلیه جلوگیری شود.