شاتکریت نسوز

شاتکریت نسوز

خلاصه
اثرات آتش بر روی سازه های بتنی با مقاومت متوسط NSC کمتر از 50Mpa از دهه 1950 مشخص می باشد. اما تا به حال از تاثیر آتش روی بتن با مقاومت بالا HCS و بتن با کارائی بالا HPC اطلاعات ناچیزی وجود داشته. اصولا بتن با کارایی بالا در مقایسه با بتن با مقاومت معمولی در برابر آتش حساس تر می باشد و این به علت تراکم بیشتر و وجود منافذ کمتر در این بتن است. مطمئنا شاتکریت در دسته بندی بتن های با کارایی بالا قرار می گیرد، پس شاتکریت همیشه در خطر اثرات آتش است. تا به حال تحقیقات بسیار کمی در رابطه با تاثیر آتش روی شاتکریت انجام شده بود. اما به علت آتش سوزی های فاجعه آمیز در تونل ها اهمیت های زیادی برای تحقیق روی این مساله پیدا شد. در این مقاله استفاده از تکنولوژی آلومینات کلسیم و انواعی از الیاف برای جلوگیری از ترکیدن و تخریب بتن در برابر آتش و تهیه مخلوط شاتکریتی که در برابر حرارت شدید و شوک های گرمایی مقاوم باشد، با آزمایشات متعدد مورد بررسی قرار گرفته.

مقدمه
برای کسانی که در صنعت بتن فعالیت می کنند حوادث ناگوار سال های اخیر باعث ایجاد توجه زیادی روی تاثیر آتش روی سازه های بتنی گردیده است. پژوهشگران صنعت ساختمان و مهندسان عمران عموما اطلاعات نسبتا خوبی در رابطه با تاثیر آتش بر بتن های با مقاومت متوسط در دست دارند (منظور بتن های با مقاومت تا 50Mpa می باشد). ولی در مورد بتن های مقاومت بالا و بتن های با کارایی بالا HPC و تاثیر آتش بر این بتن ها اطلاعات بسیار کمی موجود می باشد. به عنوان یک قانون، بتن های با کارایی بالا در حرارت شدید و شوک های حرارتی به علت ضریب تخلخل پایین و وجود منافذ کمتر و فشار نیروی بخار حساسیت بیشتری نسبت به بتن های با مقاومت معمولی NSC دارند. وقتی فشار درون منافذ زیاد می شود تنش کششی در بتن تولید می شود و زمانی که این تنش از حد مجاز تجاوز می کند ترکیدن و ورقه ورقه شدن بتن explosive spalling شروع می شود. قسمتی از سطح داغ بتن که شدیدا به بیرون رانده می شود، باعث می گردد سطح بیشتری از بتن در معرض آتش قرار گیرد. این روند ادامه دارد تا نهایتا باعث آشکار شدن سیستم آرماتورها و تاثیر مستقیم آتش روی آنها می شود. انبساط سریع بعضی از سنگدانه ها با وزن متوسط و کمتر شدن فضا باعث تشدید این پدیده و کمک به از هم پاشیدن و ترکیدن لایه ای بتن می گردد. بی شک به علت نوع بتن ریزی و خواص شاتکریت این سیستم در رده بتن های پر مقاوت با کارایی بالا قرار می گیرد و در نتیجه در معرض خطر تاثیر آتش می باشد. در این مقاله استفاده از تکنولوژی پیشرفته آلومینات کلسیم همراه با الیاف فولادی ضد زنگ و الیاف مصنوعی میکرو پلی پروپیلن در جهت مقاوم سازی و اصلاح خواص شاتکریت در جهت استفاده در شوک های حرارتی و صنایع سنگین با درجه حرارت بالا بحث می شود.

شاتکریت و انواع آن
شاتکریت عبارت است از ملات و یا بتنی که با فشار و سرعت بالا به سطح مورد نظر پاشیده می شود که به دو نوع شاتکریت مخلوط تر (Wet Mix shotcrete) و مخلوط خشک (Dry Mix shotcrete) شناخته شده است. در شاتکرت با مخلوط خشک DMS مصالح شامل : ماسه و سیمان توسط پمپ شاتکریت بداخل لوله انتقال هدایت شده و به قسمت پاشنده ملات (Nozzel) منتقل می گردد. آب مورد نیاز در این حالت در حین خروج مصالح از سر نازل به آنها اضافه می گردد که با توجه به سرعت بسیار زیاد خروج مصالح از سر نازل این عمل در کسری از ثانیه صورت می پذیرد که در این حالت ممکن است آب به بعضی از دانه های سیمان نرسیده و در نتیجه این دانه ها هیدراته نشوند بهمین دلیل از روش DMS تنها در عملیات تثبیت قبل از اجرای لاینینگ تونل ها و کارهای روکش و تعمیراتی با صخامت کمتر از 10cm استفاده می گردد. اما در روش WMS (مخلوط تر) شاتکریت با مخلوط تر بتن آماده به داخل پمپ شاتکریت ریخته شده و پس از عبور از لوله انتقال به سر نازل رسیده و از آنجا به کمک فشار باد کمپرسور به سطح زیر کار پاشیده می شود از این روش در جاهایی می توان استفاده کرد که مقاومت فشاری مورد نظر است. از طرفی دیگر در این روش امکان اجرای بتنی با ضخامت 50cm برای دیوار و 20cm برای سقف در یک مرحله به راحتی امکان پذیر است.

مزیت اجرایی شاتکریت تر به خشک
در روش شاتکریت تر در اغلب موارد برای احداث سازه های بتنی نیازی به قالب بندی نیست و در موارد خاص نیز استفاده از یک سپر چوبی برای عملیات استقرار بتن کافی می باشد. شاتکریت مخلوط تر همچنین این امکان را فراهم می آورد تا دیگر اجرای سازه های بتنی با اشکال منحنی ، مدور و غیر منظم مانعی بر سر راه طراحان و مجریان نباشد.
شاتکریت مخلوط تر با حداقل هزینه و سرعتی بسیار بالا که از خصوصیات این روش است در عین . بالا بودن کیفیت مشکل را حل می نماید.

تثبیت کوهها ، و صخره ها با استفاده از پوشاندن آنها با یک شبکه مش و پاشیدن بتن بر روی آن ، محافظت از لوله های فولادی و افزایش ضخامت لوله های بتنی یا پیچیدن یک شبکه مش به اطراف لوله و پاشیدن بتن و صیقلی کردن آن در محیط های خورنده و خطرناک در مقابل آتش سوزی ، روکش کردن دیوارها ، پایه پلها ، بدنه سدها و لاینینگ تونلها ، تثبیت جداره رود خانه ها و … از جمله دیگر توانایی های روکش WMS است.

لزوم مطالعه
اخیرا تحقیقات کمی بر تاثیر آتش روی شاتکریت انجام شده است. به هر حال وسعت استفاده از این سیستم به ویژه به عنوان ماده نسوز و آتش سوزی های فاجعه آمیز در تونل ها در سراسر امریکا و اروپا جذابیت های جدیدی را برای تحقیق روی شاتکریت در مواجهه با حرارت بالا و شوک های حرارتی ایجاد کرده است. با بررسی بیش از 23 آتش سوزی ایجاد شده توسط سوخت های هیدروکربن ، دیزلی و چربی های حیوانی در تونل ها برای شبیه سازی اثر آتش روی شاتکریت نمودار تغییرات درجه حرارت با زمان سپری شده (RWS) تولید شد (شکل 1). با توجه به نمودار درجه حرارت آتش در هر دقیقه 200 درجه سانتیگراد افزایش یافته تا به 1100 درجه سانتیگراد برسد. یعنی در 5 دقیقه دما از 200C به 1100C می رسد .درجه حرارت نهایی در می رسد .درجه حرارت نهایی در 1350C است که 2 ساعت تا رسیدن به این دما طول می کشد. یعنی در مدت کوتاهی افزایش دمای شدیدی را داریم که این نشانگر وجود یک شوک حرارتی است.
عوامل موثر در آسیب رساندن آتش به شاتکریت
عمدتا خسارات و آسیب ها به شاتکریت با توجه به 2 عامل مجزا، کاملا مشخص است.
1- در حالت اول رطوبت در خلل و فرج بتن (کپیلاری ها) از سطح داغ بتن به خارج رانده می شود و خمیر شاتکریت دی هیدراته می شود. وقتی این اتفاق رخ می دهد اتصال بین خمیر سیمان و سنگدانه ها به علت تفاوت ضریب حرارتی از بین می رود و شاتکریت به طور کامل توانایی سازه ای خود را از دست داده و لایه های نازک تر از بتن جدا می شوند. این نوع زوال به طور معمول برای آتش هایی که به آهستگی افزایش دما می دهند همچون حالتی که در ASTM E119 توضیح داده شده اتفاق می افتد. همانگونه که رطوبت در حفره های شاتکریت به بخار تبدیل می شود، فرصت برای خروج آن از سطح داغ بتن وجود دارد و در حقیقت انرژی که صرف تبدیل رطوبت به بخار می شود به کاهش ترکیدن و زوال لایه ها در آتش کمک می کند.

2- در حالت دوم افزایش دما به سرعت صورت می گیرد و رطوبت زمان لازم را برای خروج از سطح داغ بتن ندارد. زمانی که تنش کششی درون حفره ها به حد نهایی خود برسد فشار ایجاد می شود و در نتیجه لایه های بتن به صورت انفجاری شدیدا کنده شده (explosibe spalling) و سطح جدیدی در مقابل آتش قرار می گیرد. ترکیدن و جدا شدن لایه ها اثر تخریبی بسیار شدید و عمیقی روی سازه شاتکریت می گذارد. این مطالعه راه حل های عملی را برای رفع این مشکل و رسیدن به یک شاتکریت نسوز ارائه می دهد.


تکنولوژی آلومینات کلسیم و موارد استفاده از آن در شاتکریت نسوز
در بسیاری از موارد از شاتکریت برای کارهای تعمیراتی در جاهایی استفاده می شود که محدودیت زمانی برای برگشت و سرویس دهی دوباره در مدت 24 ساعت و یا کمتر دارند. در نتیجه ما به شاتکریتی با خواص نسوز و در عین حال رسیدن به مقاومت مناسب جهت سرویس دهی در مدتی کوتاه داریم. راه حل مکمل دیگری که در عین حال که به صورت فوق العاده ای به خواص نسوز بتن کمک می کند، در روند رسیدن سریع به مقاومت مناسب نیز به ما یاری می رساند استفاده از سیمان کلسیم آلومینات به عنوان مصالح بیندر در سیستم نسوز می باشد، اما شناخت کمتری در مورد شاتکریت نسوز با کارایی بالا آمیخته با سنگدانه آلومینات کلسیم همراه با سیمان آلومینات کلسیم در دست می باشد. اضافه کردن این سنگدانه فوق العاده باعث بالا رفتن خواص شاتکریت برای تحمل و دوام در محیط های صنعتی می شود. این پدیده ذوب است که می تواند برای تولید سنگدانه آلومینات کلسیم به کار گرفته شود. در پروسه ذوب جایی که کوره ارتعاشی بزرگی با مقدار بسیار دقیقی از مواد خام اولیه، هیدروکسید آلومینیم بوکسیت و سنگ آهک تغذیه می شود و یک حمام گداخته از آلومینات کلسیم شکل می گیرد، یکدفعه سرد می شود. آلومینات کلسیم خام به قطعه های بزرگ گوشه دار بسیار متراکم و سخت تبدیل می شود که اگر خرد و دانه بندی شود یک سنگدانه بسیار عالی با دوام و خواص منطبق برای استفاده در شاتکریت نسوز خواهد بود. سنگدانه هایی که به وسیله ذوب تولید می شوند شهرت خاصی به خاطر مقاومت بالا و ضریب تخلخل بسیار پایین دارند.


وقتی به نسبت مناسب در شاتکریت مسلح به الیاف فولادی و Micro PP، مخلوط سیمان کلسیم آلومینات و سنگدانه کلسیم آلومینات و یا سیستم کلسیم آلومینات خالص اضافه شد باعث به وجود آمدن بتنی زودگیر با مقاومت بالا، بتنی با مقاومت نهایی سریع، مقاوم و عایق عالی در برابر شوک های حرارتی تا 1100 درجه سانتیگراد و مقاومت سایشی بسیار خوب خواهیم داشت. در این مخلوط ها اتصال سنگدانه ها به هم به صورت مکانیکی همچون اتصال شیمیایی بین سیمان و سنگدانه به صورت بسیار خوبی باعث کمک به بالا بردن مشخصات کلی سیستم می شود. در صنایع سنتی با درجه حرارت بالا ( آهن، فولاد و آلومینیم ) شاتکریت نسوز الیاف فولادی و میکرو پلی پروپیلن پایه ریزی شده بر مبنای سیستم آلومینات کلسیم خالص جهت تعمیر و محافظت از بارانداز های زغال، چاله های سرباره و روکش ناوه های نورد استفاده می شود. هر کدام از موارد استفاده با توجه به توانایی مواد برای به دست آوردن مقاومت سریع، عایق و مقاومت در برابر گرما و شوک های حرارتی، تاب آوردن در برابر استفاده مکرر مکانیکی و سایش انتخاب می شوند.


بیشتر موارد استفاده صنعتی این مواد در جاهایی است که علاوه بر داشتن خاصیت نسوز، محدودیت زمان برای برگشت و سرویس دهی دوباره در مدت ساعت و یا کمتر دارند. سیستم آلومینات کلسیم خالص این قابلیت را دارد که در کمتر از 24 ساعت به مقاومت بالای 51Mpa دست پیدا کند.
نتیجه گیری
از آزمایش ذکر شده و یافته های دیگر می توان دریافت که استفاده از هر دو نوع الیاف فولادی و میکرو پلی پروپیلن نازک در سازه های پیش ساخته و لاینیگ تونل ها توصیه می شود.

قابلیت بالای بتن های پرمقاومت با کارایی بالا برای ترکیدن و کنده شدن لایه ای (Explosive Spalling) در آتش می تواند با استفاده درست و به موقع از الیاف میکرو پلی پروپیلن تسکین یابد.

الیاف فولادی ماکرو و ماکرو پلی پروپیلن روی ترکیدن انفجاری لایه های بتن (Explosive Spalling) در نومدار آتش RWS تاثیری ندارد. این احتمالا بیشتر به علت تفاوت در تعداد الیاف در ماتریس بتن است. بیشتر از 114 میلیون الیاف در هر کیلوگرم از الیاف Micro PP در مقابل 20000 تا 30000 الیاف در هر کیلوگرم از الیاف Micro PP استفاده شده است و این تفاوت زیادی است.

در محیط های مخرب که بتن های معمولی به سرعت از بین می روند با اضافه کردن مقدار مناسبی آلومینات کلسیم به شاتکریت مسلح به الیاف فولادی + میکرو پلی پروپیلین در عین حال که محصولی کاملا ضد آتش خواهیم داشت، در مدت بسیار کوتاهی مقاوم و آماده سرویس دهی می شود.

ترکیب شاتکریت مسلح به الیاف فولادی و میکرو پلی پروپیلن و آلومینات کلسیم به صورت موفقیت آمیزی با متدهای کار شاتکریت تطبیق داده شده و مزایای خود را در بسیاری مراجع صنعتی به اثبات رسانده. وقتی یک ماده شاتکریت مشخص برای استفاده و مقاصد نسوز بررسی می شود این خیلی مهم است که فقط درجه حرارت محیط درگیر در نظر گرفته نشده ، بلکه فاکتورهای دیگر محیط عملیاتی که می تواند منجر به خرابی های زودرس شود نیز مد نظر قرار گرفته شود. این عوامل می تواند شامل شوک های حرارتی ، سایش ، سوء استعمال مکانیکی و حملات شیمیایی باشد. شاتکریت نسوز طراحی شده بر مبنای سنگدانه آلومینات کلسیم خالص و سیمان آلومینات کلسیم می تواند شرایط سرویس دهی طولانی را در محیط های سنگین صنعتی پرتکاپو و سخت فراهم کند. استفاده موفقیت آمیز محدوده گسترده ای از صنایع، ماوراء فولاد و آهن را برای تقاضای استفاده از چنین تکنولوژی ترغیب کرده و بی شک نیاز آنها را برآورده خواهد کرد.

اینکار بیمه خیلی ارزانی است که می تواند زندگی کسانی را که سعی دارند از آتش فرار کنند و کسانی را که با آتش مقابله می کنند تضمین کند. برای جلوگیری از متلاشی شدن فاجعه آمیز ساختمان ها و همچنین کاهش هزینه های فوق العاده تعمیرات و نجات جان انسان ها و به هم ریختگی اقتصاد از این امکانات استفاده کنید.

مراجع
1. Tatnall . P , “Shotcrete in fires : Effect of fibers on explosive spalling” shotcrete Magazine Fall 2002.
2. Malhotra, H.L. , “Effect of temperature on the compressive strength of concrete” Magazine of concerete research, V.8, No.23, 1956pp. 85-94
3. مهمدی کرتلایی ، سیامک ، روش جا گذاری بتن بدون قالب بندی ، برشور فنی وندشیمی ، زمستان 1380 ، صفح? 6
4. Wu, B.; Su, X.; Li, H.; and Yuan, J., “Effect of High Temperature on Residual Mechanical Properties of Confined and Unconfined High-Strength Concrete,” ACI Materials Journal, V. 99, No. 4, July-Aug., 2002, pp.
399-407.
5. Fitzgerala . M , and Tlley .J ,and Alt.C “calcium Aluminate technology and its application in refractory shotcrete” shotcrete Magazine Summer 2002.
6. تکنسین پایه بتن 1 بتن کارگاهی ACI صفحات 25 تا 27 .
7. نویل، آدام ، چالشی برای کسانی که با بتن سر و کار دارند ، مجله تکنولوژی بتن ، سال اول ، شماره 1 ، صفحه 7 تا 8