بتن هوادار اتوکلاوشده-قسمت اول

این مقاله در مجله شماره 116 ماهنامه فناوری سیمان به چاپ رسیده است.

پیشگفتار:

یکی از مهمترین چالش های مهندسی ساختمان افزایش مقاومت مصالح بکار رفته در بنا و همزمان کاهش وزن ساختمان است. دو مولفه ای که معمولا هم جهت بوده و افزایش یکی افزایش دومی را به همراه دارد.

دیوارها بخش مهم و سنگینی از یک بنا را به خود اختصاص می دهند. تعیین نوع مصالح بکار رفته در دیوار، انتخاب بسیار مهم و تاثیرگذار بر همه ارکان مالی، کیفی و زمانی پروژه است.

این مقاله و پنج مقاله بعدی که در شماره های آتی به چاپ خواهد رسید با هدف آشنایی بیشتر خوانندگان با این محصول که یکی از فرآورده های مهم سیمان بوده، نوشته شده است و چگونگی تولید، کنترل کیفیت و محل کاربرد آن را نشان خواهد داد.

مقدمه:

بتن هوادار اتوکلاوشده برگردان فارسی عبارت انگلیسی Autoclaved Aerated Concrete بوده و با علامت اختصاری AAC شناخته می شود. مواداولیه این محصول همانند بتن از سنگدانه سیلیسی با عیار مشخص و سیمان تشکیل شده و در طول فرآیند تولید با هوادار کردن حجم آن را افزایش و جرم حجمی آن را بطور معمول تا یک هفتم بتن معمولی کاهش می دهند. سپس برای رسیدن به مقاومت فشاری مد نظر، این نوع بتن در شرایط مشخص فشار و دما اتوکلاو شده تا بتن به فرم کریستالی بلوری بنام توبوموریت درآید.

این بلور فاقد جمع شدگی بوده و محصول به محض خروج از اتوکلاو قابل استفاده است و بر خلاف بتن معمولی به عمل آوری نیاز ندارد.

معرفی

بتن هوادار اتوکلاوشده یک ماده شبه سرامیکی است اما برخلاف مواد سرامیکی که در دمای بالا تشکیل می شوند این محصول، بر اثر یک سری از واکنش های شیمیایی، در دمای پایین (حدودا 200 درجه سانتی گراد) تولید می گردد.

AAC یک محصول مدرن ساختمانی بوده که از سیمان، گچ، آهک، سیلیس و پودر آلومنیوم تشکیل شده است.

درصد مواد خام مصرفی در ترکیب تقریبا ثابت بوده اما با توجه به دانسیته مد نظر می تواند در بازه مشخصی تغییر کند.

فرآیند تشکیل AAC یک فرآیند شیمیایی بوده و این فرآیند در مرحله اول توسط یک واکنش خود به خودی (Fast Reaction) پیش رفته و در مرحله دوم در دما و فشار بالا (دمای 180 تا 200 درجه سانتی گراد و فشار 12.5 بار به مدت 12 ساعت) به ماده سخت، بلوری و سفید رنگ به نام توبرموریت (از خانواده کلسیم سیلیکات های هیدارته) تبدیل می شود.

فرآیند تولید:

تولید با تهیه دوغاب در یک آسیاب گلوله ای تر از سنگ سیلیس و سنگ گچ شروع شده و در مخازنی مجهز به همزن، برای جلوگیری از ته نشست مواد، ذخیره می گردند.

در ادامه کلیه مواد خام مصرفی پس از توزین دقیق از طریق لوله های ارتباطی به داخل میکسر منتقل می گردد.

ترتیب ورود مواد، سرعت وزمان اختلاط، موثر و کاملا دقیق و برنامه ریزی شده است.کلیه فرآیندها در خط تولید  توسط پیشرفته ترین سیستمهای ابزاردقیق کنترل می گردند.

بعد از اتمام زمان اختلاط، خروجی میکسر که بصورت دوغاب غلیظی می باشد در قالب های بزرگی به حجم ناخالص 7 مترمکعب ریخته شده (Casting) و برای عمل آوری اولیه به گرمخانه منتقل می گردد. گرمخانه بایستی شرایط دمایی و رطوبتی خاصی را دارا باشند. در گرمخانه (Rising Area ) دما معمولا در بازه 50 تا 55 درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی حدود 75 درصد می باشد.

با توجه به گیرش سیمان در گرمخانه کیک نرم حاصل براحتی از قالب خارج شده و جهت برش به ابعاد دلخواه بصورت بلوک یا پانل به خط برش انتقال داده می شود.

کیک بتن را قبل از اتوکلاو به دلیل رنگ سبز آن کیک سبز و بعد از اتوکلاو شدن به دلیل رنگ روشن آن، کیک سفید می گویند.

برش کیک سبز به ابعاد دلخواه با سیم های فلزی خاص و بوسیله رباتهای خط تولید (قبل از اتوکلاو شدن) در دقت بالا انجام می گردد. (دقت بالای این بلوک ها امکان کاربرد چسب لایه نازک با ضخامت حداکثر 3 میلیمتر را در زمان دیوارچینی فراهم می آورد).

مراحل تولید بتن هوادار اتوکلاو شده

شماتیک یک کارخانه با خط تولید اروپایی (کارخانه پرین بتن تحت لیسانس  HESSآلمان)

تنوع شکلی و وزنی محصولات تولیدی:

بتن هوادار اتوکلاو شده به دو صورت بلوک برای دیوارهای غیر باربر و پانلهای مسلح باربر برای سقف، کف، دیوار و نعل درگاه برای درب و پنجره (Lintel) تولید می گردد.

ابعاد بلوک ها بشرح جدول زیر می باشد و پانل ها به شکل سفارشی در ابعاد و اندازه های مختلف تولید می گردد.

AAC با دانسیته خشک 275 تا 400 کیلوگرم بر متر مکعب برای عایق کاری و با دانسیته 450-750 کیلوگرم بر متر مکعب برای دیوارچینی به کار می رود.

در محدوده دانسیته های تولیدی، برای دیوار چینی از بلوک AAC با محدوده جرم حجمی 450 تا 550 کیلوگرم بیشتر استفاده می گردد.

مقایسه بتن هوادار اتوکلاو شده ( AAC ) با بتن معمولی

بتن معمولی ساختاری غیر همگن داشته که از یک بخش سیمان و 4 بخش سنگ دانه سیلیسی یا آهکی ( 3 بخش ریز دانه+ 1  بخش ذرات درشت دانه ) تشکیل شده است.

آب به اندازه واکنش هیدراتاسیون سیمان که کارایی مناسب به بتن بدهد و آن را برای قالب ریزی مناسب کند به بتن اضافه می شود. تنها جز فعال در بتن معمولی سیمان بوده و تنها واکنش شیمیایی، فرآیند هیدراتاسیون سیمان می باشد.

AAC  برعکس بتن، ساختاری کاملا همگن داشته و فراتر از واکنش های هیدراتاسیون سیمان، هوادار شدن و سخت شدن در دما و فشار بالا را نیز دارد.

خیلی ساده می توان بتن معمولی را یک بتن فیزیکی و بتن هوادار اتوکلاو شده را یک بتن شیمیایی دانست.

ساختار ظاهری بتن هوادار اتوکلاو شده

AAC در حالت کلی به دسته ای از مواد جامد ، به نام جامدات سلولی یا متخلخل تعلق دارد.

جامدات سلولی را، مجموعه ای از سلول ها با لبه ها یا وجوه جامد متراکم شده تعریف می کنند. چوب و اسفنج مثال هایی از جامدات سلولی می باشند.

اگر می خواهید تصوری مبتنی بر واقعیت از ساختار AAC داشته باشید برجی را در نظر بگیرید که دارای تعداد زیادی اتاق بوده که لزوما تمام اتاق ها هم اندازه نیستند. اتاق ها نسبتا کوچک و با دیوار از هم جدا شده اند. در واقع اتاق ها به یکدیگر راه نداشته و استحکام دیوارها تعیین کننده استحکام برج می باشد.

این برج بخشی از AAC با بزرگ نمایی چند صد میلیارد را نشان می دهد که اتاق ها، حفرات هوا و دیوارها، بخش جامد AAC را نشان می دهد.

AAC از دو فاز گازی و فاز ماتریکس تشکیل شده است.

• فاز گازی ( شامل حفرات با سایز نانو و حفرات با سایز میکرومتر می باشد)
• فاز ماتریکس (یک کلسیم سیلیکات هیدراته است که حاصل واکنش حل شدن و سپس رسوب مواد است).

ویژگیهای فیزیکی بتن هوادار اتوکلاو شده :

• سبکی
• مقاومت فشاری بالا
• عایق حرارت و صوت
• مقاومت در برابر حریق به مدت حداقل 4 ساعت برای کمترین ضخامت (10 سانتیمتر)

راز سبکی

ساختار منحصر بفرد و تخلخل بالای این نوع بتن منجر به خواص منحصر بفردی در AAC شده که سبکی یکی از آنهاست.

بسته به جرم حجمی، میزان حفرات در بتن هواداراتوکلاوشده در محدوده 65 تا 90 درصد حجمی متغیر می باشد.

انواع تخلخل در بتن هوادار اتوکلاوشده به شرح زیر می باشد:

1-حفرات بزرگ هوا (large air pores)، که در مقیاس ماکروسکوپی هستند،

2-حفرات موئینه (capillary pores) و

3-حفرات نانو (nano pores)، که به ساختار میکروی ماتریکس جامد متصل شده و اثرات عملکردی خاصی دارند.

مشهود ترین حفرات در بتن هوادار اتوکلاوشده حفرات هوای مصنوعی ایجادی هستند که دارای اندازه ی میلیمتری می باشند.

شکل 1: ساختار حفرات هوا در یک نمونه بتن هوادار اتوکلاوشده

شکل حفرات هوا در اغلب موارد تقریبا کروی است. از آنجایی که بتن هوادار اتوکلاوشده در محدوده گسترده ای از رده های جرم حجمی خشک (270 تا 750 کیلوگرم بر مترمکعب ) تولید می شوند، این تغییرات بوسیله تغییرِ تعداد حفره های مصنوعی ایجاد می شود. فاصله حفره های هوا در بتن هوادار اتوکلاوشده معمولا در محدوده ی صفر تا یک میلیمتر بوده که فاصله صفر به معنای اتصال حفره ها به هم و یکی شدن آنهاست.

اندازه حفرات هوا در بتن هوادار اتوکلاوشده معمولا در اندازه های میلیمتری قرار داشته و اغلب آن ها قطری بین 0.5 تا 0.3 میلیمتر دارند. توزیع حفرات هوا در بتن هوادار اتوکلاوشده عموما از یک مدل واحد و کم دامنه تبعیت می کنند و سهمی بین 25 تا 70 درصد حجم کل حفرات را تشکیل می دهند.

مثالهای از کاربرد های AAC در دنیا:

بتن هوادار اتوکلاو شده در همه دنیا شناخته شده است و به دو صورت پانل و بلوک بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.

محل مصرف بلوک و یا پانل بعنوان دیوار های داخلی وخارجی ، کف و سقف می باشد. در ادامه توجه شما را به برخی از کاربردهای آن جلب می نمایم.

بصورت پانل های دیوار برای دیوارهای سوله های صنعتی	با توجه به کارپذیری بالای آن و مقاومت در برابر حریق بعنوان شومینه
جهت عایق نمودن کانال ها و تاسیسات	استفاده بعنوان دیوار حائل صوت در حاشیه بزرگ راه ها
عایق کاری سقف و دیوار ها	ساختمانهای مسکونی

کاربردهای AAC در ایران:

صنعتی سازی ساختمان به معنای افزایش کیفیت ساخت و کاهش تواَمان زمان ساخت است.

افزایش کیفیت در ساختمان سازی به معنای استفاده از مصالح مرغوب در ساختمان، به منظور افزایش طول عمر بنا،ارتقا امنیت و کاهش میزان مصرف انرژی و عایق بودن ساختمان است.

با توجه به مزایای بارز سیستمهای بتن هوادار اتوکلاو شده استفاده از این محصول نوین در ساختمانهای با کاربری های مختلف رو به افزایش است و تقریبا در حال حاضر تمامی پروژه های بزرگ و برج های بلند مرتبه در ایران از این محصول استفاده می نمایند.

درادامه بصورت تصویری به برخی از پروژه های بزرگ کشور با کاربری های گوناگون اشاره می گردد.

شرکت داروی آوه سینا-استفاده از بلوک و چسب بلوک پرین بصورت نمایان (Expose)	برج های آترین-استفاده از بلوک و چسب
هتل بزرگ آراز-استفاده از بلوک و چسب بلوک پرین برای دیوارهای داخلی و خارجی	همه ساختمانهای شهرک سینمایی نور-استفاده از بلوک و چسب بلوک پرین بصورت نمایان (Expose)

مراجع:

1-بتن سبک AAC و کاربرد آن در صنعت ساختمان/ علی مسعود انواری/ نشر کتاب دانشگاهی/ 1389.

2-Autoclaved Aerated Concrete,Properties, Testing and Design,Rilem/ S.Aroni, G.J.de Groot, M.J.Robinson, G.Svanholm and F.H.Wittman/Taylor & Francis e­Library/2004.

3-Celluar Ceramics, structure, manufacturing, properties and applications/ Michael Scheffler, Paolo Colombo/ Wiley-VCH/2004.

4-Autoclaved aerated concrete (AAC)– the story of a low-weight material/Bo G. Hellers, Bo R. Schmidt/aac conference 2011.

5-Cellular Solids, structure and properties/ Lorna J. Gibson, Michael F.Ashby/Cambridge/1997.

6-Ceramic Manufacturing Industry/European Commission/August 2007.

7-Hebel Design Analysis Program/ A Thesis Presented to the Faculty of  the school of architecture university of southern California  In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree master of  building science/ Ghosson Al-Khaled/2002.

8-method of manufacturing porous material from Portland cement/Johan Axel Eriksson/ US 1,819,018/1931.