بتن انعطاف پذیر (ECC) چیست؟

کامپوزیت سیمانی مهندسی (ECC)، که به آن کامپوزیت بر پایه سیمان با قابلیت سخت‌شدگی کرنشی (SHCC) یا به صورت رایج‌تر “بتن انعطاف‌پذیر” می‌گویند، کامپوزیتی بر پایه ملات است که به آسانی قالب گرفته می‌شود و با الیافی که به‌طور خاصی انتخاب شده‌اند (معمولاً الیاف پلیمری)، مسلح می‌شوند.

کامپوزیت ECC برخلاف بتن معمولی، ظرفیت کرنشی کششی در محدوده 3 تا 7 درصد دارد که در مقایسه با 0.01 درصد برای ملات سیمان پرتلند معمولی (OPC) یا بتن قابل‌توجه است؛ در نتیجه ECC بیشتر شبیه یک ماده فلزی شکل‌پذیر رفتار می‌کند تا یک ماده شیشه‌ای شکننده (رفتاری که بتن OPC دارد)، که منجر به تنوع بیشتری از کاربردها می‌شود.

توسعه

ECC، برخلاف بتن مسلح با الیافی معمولی، خانواده ای از مواد میکرومکانیکی طراحی شده است. یعنی تا زمانی که یک ماده سیمانی براساس میکرومکانیک و تئوری مکانیک شکست به گونه ای طراحی شود که شکل‌پذیری کششی بزرگی را ایجاد کند میتواند ECC اطلاق شود. پس ECC یک طراحی ثابتی از مواد نیست، بلکه دامنه وسیعی از موضوعات مورد تحقیق، توسعه و اجرا است. خانواده مواد ECC در حال گسترش است. توسعه یک طراحی مخلوط ECC به تلاش‌های خاصی برای مهندسی سیستماتیک مواد در مقیاس‌های نانو، میکرو و ماکرو نیاز دارد.

ECC شبیه به بتن سیمان پرتلند معمولی است، با این تفاوت که می‌تواند تحت کشش تغییر شکل پیدا کند و خم شود. تعدادی از گروه‌های تحقیقاتی، از جمله گروه‌هایی از دانشگاه میشیگان، دانشگاه کالیفرنیا ارواین، دانشگاه صنعتی دلفت، دانشگاه توکیو، دانشگاه صنعتی چک، دانشگاه بریتیش کلمبیا و دانشگاه استنفورد در حال توسعه دانش ECC هستند. نقص دوام و شکست تحت کرنش در بتن سنتی، که هر دو ناشی از رفتار شکننده است، به عنوان عوامل پیش‌‌برنده در توسعه ECC هستند.

مشخصات بتن انعطاف پذیر (ECC)

ECC دارای تنوعی از مشخصات منحصر به فرد از جمله مشخصات کششی بهتر از کامپوزیت‌های مسلح شده با الیاف است، همچنین سهولت فرآوری در حد سیمان معمولی، استفاده از تنها حجم کوچکی از الیاف (2 درصد)، عرض ترک کوچک، و نداشتن صفحات ضعیف ناهمسانگرد از جمله این مشخصات منحصر به فرد است. این مشخصات عمدتاً به دلیل اندرکنش بین الیاف و ماتریس سیمانی است که می‌توانند از طریق طراحی میکرومکانیک سفارشی سازی شوند. اساساً، الیاف تعداد زیادی ترک میکرو ایجاد می‌کنند به جای تعداد کمی ترک خیلی بزرگ (که در بتن‌های رایج دیده می‌شود). این به ECC امکان تغییر شکل بدون شکست تصادفی را می‌دهد.

این رفتارِ ترک‌های خیلی ریز منتج به مقاوت در برابر خوردگی بهتری می‌شود (ترک‌ها خیلی کوچک و زیاد هستند و این برای نفوذ عوامل مهاجم و تخریب فولاد تقویت‌کننده کار را سخت می‌کند) همین‌طور منجر به خود ترمیمی می‌شود. در حضور آب (مثلاً در حین یک طوفان) ذرات سیمان عمل‌نکرده به دلیل وجود ترک، هیدراته شده و تعدادی ماده نظیر هیدرات کلسیم سیلیکات، کلسیت و … را تولید می‌کنند که منبسط شده و ترک را پر می‌کنند. این مواد به شکل “زخم” های سفید ظاهر می‌شوند که ترک را پر می‌کنند. این رفتار خودترمیمی نه تنها از انتقال مایعات به داخل بتن جلوگیری می‌کند، بلکه مشخصات مکانیکی را دوباره تقویت می‌کند. این خودترمیمی در گروهی از سیمان‌‌ها و بتن‌های رایج مشاهده شده است، با این وجود برای مقدار بزرگتری از عرض ترک این رفتار خودترمیمی اثربخشی کمتری دارد. در ECC عرض‌های کوچک ترک کنترل شده هستند و اطمینان ایجاد می‌کنند که تمام ترک‌ها وقتی در معرض محیط طبیعی قرار بگیرند به طور کامل بهبود می‌یابند.

وقتی با یک ماده رساناتر ترکیب شود، تمام مواد سیمانی می‌توانند افزایش یابند و برای سنجش خسارت استفاده شوند. این اساساً براساس این واقعیت است که وقتی خسارت رخ دهد رسانایی تغییر می‌کند. منظور از اضافه کردن مواد رسانا حدی است که این تغییرات رسانایی به خوبی قابل مشاهده باشند. علیرغم این‌که خود ECC این ماده نیست ولی ECC نیمه‌رسانا برای سنجش خسارت در حال توسعه است.

انواع بتن انعطاف پذیر (ECC)

تعدادی از ECC های مختلف وجود دارند:

ECC سبک‌وزن (یا با چگالی کم) با اضافه کردن هوا، حباب شیشه‌ای، ذرات کروی پلیمری و یا با سبک‌دانه‌ها ساخته شده است. در مقایسه با سایر بتن‌های سبک‌وزن، ECC سبک، شکل‌پذیری بیشتری دارد. کاربردهای آن شامل خانه‌های شناور و قایق‌ها است.

بتن خود تراکم که به بتنی اطلاق می‌شود که می‌تواند تحت وزن خود جریان یابد. برای مثال مواد خودتراکم می‌توانند یک قالب شامل آرماتورهای از پیش جاگذاری شده را بدون نیاز به ارتعاش و ویبره پر کنند و توزیع مواد در قالب به صورت یکنواخت باشد. ECC خودتراکم از طریق استفاده از افزودنی‌های شیمیایی برای کاهش ویسکوزیته و کنترل اندرکنش ذرات با نسبت اختلاط ساخته شدند

ECC قابل پاشیدن که می‌تواند به صورت پنوماتیک (بادی) با شیلنگ پاشیده شود، با استفاده از مواد فوق روان‌ساز و افزودنی‌های کاهش دهنده ویسکوزیته ساخته شده‌اند. در مقایسه با سایر کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف قابل پاشش، این نوع ECC  علاوه‌بر مشخصات مکانیکی منحصر به فرد قابلیت پمپاژ بالایی دارد. ECC پاشیدنی برای کارهای تعمیرات و مقاوم‌سازی و پوشش تونل و فاضلاب استفاده شده است.

یک ECC با قابلیت اکسترود برای اکستروژن لوله‌ها برای اولین بار در سال 1998 استفاده شده است. این لوله‌ها هم قابلیت باربری بیشتری دارند و تغییرشکل‌پذیری بیشتری نسبت به سایر لوله‌های کامپوزیتی دارند.

کاربردهای میدانی بتن انعطاف پذیر (ECC)

کاربردهای ECC در مقیاس‌های بزرگ در ژاپن، کره، سوییس، استرالیا و امریکا دیده شده است. عبارتند از:

سد Mitaka نزدیک به هیروشیما با استفاده از ECC در سال 2003 تعمیر شده است. سطح این سد که در آن زمان 60 ساله بود به شدت خسارت دیده بود، نشانه‌هایی از ترک، پوسته پوسته شدن و نشت آب دیده می‌شد. یک لایه 20 میلیمتری از ECC با استفاده از پاشش روی سطح 600 متر مربعی اعمال شد.

همچنین در سال 2003، یک دیوار نگهدارنده در Gifu ژاپن با استفاده از ECC تعمیر شد. سیمان پرتلند معمولی نمیتوانست به دلیل  شدت ترک‌ها در سازه اصلی استفاده شود، چرا که ممکن بود منجر به ترک بازتابی شود. از ECC برای به حداقل رساندن این خطر استفاده شد، بعد از یک سال فقط ترک‌های خیلی ریز با عرض کنترل‌شده مشاهده شدند.

ساختمان بلندمرتبه Glorio Roppongi با ارتفاع 95 متر یا 312 فوت در توکیو شامل 54 عدد تیر همبند ECC (دو تا برای هر طبقه) است تا خسارت ناشی از زلزله را کاهش دهد. مشخصات ECC (تحمل خسارت بالا، جذب انرژی بالا، قابلیت شکل‌پذیری تحت برش) به آن خاصیت بهتری در مقایسه با سیمان پرتلند معمولی در کاربردهای مقاومت لرزه‌ای داد. برای سازه‌های مشابه شامل برج Nabeaure Yokohama 41  طبقه (4 تیر همبند برای هر طبقه) هم استفاده شده است.

پل 1 کیلومتری Mihara در Hokkaido ژاپن در سال 2005 گشایش یافت. بستری مسلح شده با فولاد شامل 800 متر مکعب مواد ECC است. شکل‌پذیری کششی و رفتار کنترل ترک ECC منجر به 40 درصد کاهش در مواد استفاده شده در حین ساخت شد.

به طور مشابه یک عرشه پل با ضخامت 225 میلیمتر در میشیگان در سال 2005 تکمیل شد که 30 مترمکعب از مواد در آن استفاده شد و در کامیون‌های میکسر استاندارد به سایت آورده شدند. به دلیل مشخصات مکانیکی منحصر به فرد ECC، این عرشه همچنین از مواد کمتری نسبت به عرشه ساخته شده با سیمان پرتلند معمولی استفاده کرد. هر دو دانشگاه میشیگان و دپارتمان حمل و نقل میشیگان در حال مونیتورینگ پل هستند تا برتری تئوریک دوام ECC را صحت‌سنجی کنند. بعد از 4 سال موتیتورینگ، عملکرد پل کاهش نیافته است.

از ECC، به خاطر استحکام و مقاومت اولیه بالا برای اولین بار در نوامبر 2006 به عنوان وصله تعمیری در پل خیابان Ellsworth روی خیابان US-23 استفاده کردند. مقاومت اولیه بالای ECC می‌تواند به مقاومت فشاری 1.40±23.59 مگاپاسکال یا 3422.16±203.33 psi در 4 ساعت برسد. و می‌تواند به مقاوت 2.17±55.59 مگاپاسکال یا 315.03±8062.90 psi در 28 روز برسد. که این مقاومت امکان تعمیر سریع و بازگشایی پل برای تردد را می‌دهد. ECC با مقاومت اولیه بالا، دوام درازمدت بهتری در شرایط میدانی در مقایسه با بتن معمولی از خود نشان می‌دهد.