بهینه سازی بتن با ويبراسيون
بهینه سازی بتن با ويبراسيون
فركانس ویبراتور، كلیدی است كه ما را قادر می نماید بتن تازه را به بتنی یكپارچه تبدیل نمائیم. در صورتیكه فركانس ویبراتور خیلی كم باشد، ویبراتور به درستی نمی تواند بتن را یكدست و یكپارچه نماید و چنانچه فركانس ویبراتور خیلی زیاد باشد، به علت ازدیاد هوای داخل بتن، مقاومت آن در برابر خرابیهای ناشی از سیكلهای انجماد و ذوب شدن قابل ملاحظه ای پیدا می كند. اپراتورها و كارگران نیز تحت تأثیر فركانس ویبراتور قرار می گیرند، چرا كه كاهش فركانس، مدت زمانی كه اپراتور بایستی ویبراتور را در بتن تازه به منظور دست یابی به بتنی یكپارچه و یكدست قرار دهد، افزایش می یابد. به دلایل فوق الذكر، تصمیم بر آن شد كه یك بازنگری دقیق در ارزیابی فركانس ویبراتور در عملكرد قالبهای خود ویبره، ویبراتورهای دستی و ویبراتورهای نصب شده بر روی قالبهای رونده مخصوص ساخت پیاده روها و كف خیابانهای بتنی (Slip Form Pavers) صورت پذیرد.
چرا ما به دنبال فركانسهای بالاتر هستیم؟
مقـدار انـرژی مورد نیـازی كه بایستی بـه منظـور یكپـارچه سازی بتن بـه كار گرفته شود. بـرأی كسی كه بـه صورت دستی اقدام بـه متـراكم سازی بتن تـازه نموده، معلوم و مشخص می باشد. نیرو و عملكرد ویبراتورها به مراتب از سایـر وسایل دستی متراكم سازی بتن، مؤثـر می باشد. زیـرا در مدت زمان كوتـاهتری بـه كمك ویبراتورها، انرژی بیشتری به بتن منتقل می شود. مقدار انرژی منتقل شده به وسیله ویبراتور، با توان سوم فركانس ویبراتور (f3) نسبت مستقیم دارد. در صورتی كه تمام پارامترهای مربوط به ویبراتور و بتن را ثابت نگه داریم، با افزایش فركانس ویبراتور از 6000 لرزه در دقیقه (vpm ) به، مقدار انرژی انتقالی به بتن در مدت زمان معین، دو برابر خواهد شد. مقدار انرژی خروجی از vpm 7500 به vpm 9500 نیز دو برابر می گردد
یك انتخاب صحیح در فركانس بالاتر ویبراتور، می تواند به یكپارچه سازی هرچه مؤثرتر بتن و كاهش مدت زمان ویبره بیانجامد و البته انتخاب نادرست نیز، نتایج معكوس را به دنبال خواهدداشت؛ به تعبیر دیگری، انتخاب نادرست فركانس پایین ویبراتور، منجر به یكپارچه سازی ناقص و معین بتن شده و یا مدت زمان بیشتری را برأی ویبره نمودن طلب می كند. در صورتی كه ولتاژ وروردی كم باشد، نیروی خروجی نیز كم خواهد بود و این به معنای تراكم ناقص و نامناسب بتن می باشد. كاهش فركانس از vpm 8000 به vpm 6500 (حدود 20 درصد كاهش) انرژی خروجی را نصف می نماید. این كاهش انرژی خروجی ویبراتور را می توان با افزایش مدت زمان ویبره به دو برابر مدت زمان اولیه و كم كردن فواصل جاگذاری شلنگ ویبره در بتن جبران نمود. در حال حاضر ویبراتورهایی كه با فركانس حدود vpm 17000 در دسترس می باشند كه امكان یكپارچه سازی هرچه سریعتر و بهتر بتن را در مدت زمان معین فراهم می آورند. فركانس ویبراتور بر اساس لرزش آن در هوا تعیین می گردد؛ اما فركانس كه هنگام ادخال ویبره در بتن و در تماس با بتن اندازه گیری می گردد، معیار سنجش می باشد و این فركانس به طور قابل ملاحظه ای از فركانس اندازه گیری شده در هوا كمتر بوده و مقدار این افت به مشخصات مخلوط بتنی و حجم آن بستگی دارد. كاهش 20 درصدی فركانس ویبره از هوا به داخل بتن دور از انتظار و غیر معمول نبوده و به روشنی افت فركانس ویبراتور در هنگام ادخال ویبره به بتن به وسیله اپراتور ملموس و شنیدنی است. آیا مرز و محدودیتی برأی ویبره های با فركانس زیاد وجود دارد؟ ویبراتورهای فركانس بالا، به طور مؤثری می توانند هوا را از بتن خارج نمایند و این موضوع به تراكم هرچه بهتر بتن می انجامد، لیكن ممكن است به كاهش مقاومت بتن در برابر خرابیهای ناشی از سیكلهای متوالی انجماد و ذوب نیز بیانجامد. ویبراتورها به دو طریق هوا را از بتن خارج می نمایند؛ و اندازه حبابهای هوا و حجم هوای خارج شونده از بتن تازه به پارامترهایی از جمله فركانس ویبراتور وابسته می باشد. در وهله اول، ویبره با فركانس مناسب، منجر به روانی بتن پلاستیك شده اجازه حركت حبابهای هوا در كلیه اندازه ها را به سمت سطح بتن فراهم می سازد. از آنجائیكه حبابهای بزرگتر سریعتر از حبابهای كوچكتر خود را به سطح بتن می رسانند، لذا حجم بزرگتری از هوای محبوس در همان مدت كوتاه اولیه ویبره، از بتن خارج می گردد. در مرحله دوم، ویبراتور در بتن تازه، متناوباً بتن محصور را فشرده و غیرفشرده (Compress & Decompress) نموده و كلیهحبابهای هوا نیز بر اثر فركانس و لرزش ویبراتور منقبض و منبسط می شوند. لازم به ذكراست بر اثر پدیده های فوق الذكر ساختارهای ترد و لاستیك مانند حبابهای هوا دچار گسیختگی و انفجار می شوند. این گسیختگی در صورتی اتفاق می افتد كه فركانس نیروهای انقباضی و انبساطی وارده بر حبابها، با فركانس طبیعی آنها (حبابها) برابر شده و پدیده رزونانسی (تشدید) به وقوع بپیوندد. جای توجه دارد كه حبابهای بزرگتر، فركانس طبیعی پایین تری داشته، از این حبابهای مذكور تردتر و شكننده تر بوده و در طی فرآیند ویبراسیون دچار از هم پاشیدگی می شوند. فركانس روزنانسی حبابها در آب با اندازه آنها نسبت معكوس دارد. بر اساس تجربیات سالیان متمادی با ویبراتورهای به فركانس vpm 3000 تا vpm 6000، انتظار می رود در این محدوده فركانسی تنها حبابهای بزرگتر و مبحوس (Entrapped) از بتن خارج شده و حبابهای كوچكتر بدون تحریك شدید، سالم در بتن باقی بماند. با بالا رفتن فركانس ویبراتورها، عملكرد آنها در خارج كردن حبابهای كوچكتر از بتن نیز به مراتب بهتر و مؤثرتر می گردد.
فركانس بالاتر در ویبراتورها، منجر به كاهش مقدار هوای موجود در بتن و همچنین كاهش مقاومت بتن در برابر خرابیهای ناشی از سیكلهای انجماد و ذوب می گردد. اندازه حبابهای هوا درارتباط با مقاومت بتن در برابر سیكلهای انجماد و ذوب به همان اندازه از اهمیت برخوردار است كه مقدار هوای موجود در بتن مهم می باشد. بنابراین در صورت ابقاء حبابهای كوچك در بتن، كاهش در حجم هوای موجود در بتن لزوماً منجر به كاهش دوام بتن نمی گردد.
چنانچه تراكم بتن بدون هوا مدنظر بوده و حفاظت در برابر سیكلهای انجماد و ذوب حائز اهمیت نباشد، خارج نمودن كلیه حبابهای هوا در تمام اندازه ها از بتن منجر به افزایش مقاومت بتن سخت شده و بالا رفتن دانسیته آن می گردد، اما در صورتی كه تراكم بتن هوادار مد نظر باشد، فقدان حباب هوا، خصوصاً حبابهای كوچكتر در بتن، مقاومت در برابر سیكلهای انجماد و ذوب را شدیداً كاهش می دهد.
فركانس بهینه ویبراتورها پس از بحث های صورت گرفته در قسمتهای قبل، حال جای این سؤال است كه فركانس بهینه ویبراتور به منظور تراكم سازی حداكثر بتن و رسیدن به بیشترین مقاومت در برابر خرابیهای ناشی از سیكلهای انجماد و ذوب چه مقدار است؟ پاسخ سؤال مذكور منوط به موارد مندرج در ذیل می باشد: نخست، این سؤال از جانب چه كسی مطرح گریده است؟ دوم، تجهیزات ویبره بتن دارای چه مشخصاتی است و تركیب مخلوط بتنی چگونه است؟ سوم، مشخصات فنی بتن را چه كسی تهیه نموده است؟ برخی، در جدول مشخصات فنی، فركانس را به vpm 5000 تا vpm 8000 محدود نموده اند، برخی دیگر نیز فركانس را به vpm 8000 تا vpm 10000 منحصر كرده اند. اما آنچه كه بایستی در صورت عدم وجود فركانس معین در مشخصات فنی در نظر داشت این است كه انرژی خروجی در فركانس vpm 10000 دو برابر انرژی خروجی در vpm 8000 بوده و نیروی خروجی در vpm 8000 چهار برابر نیروی خروجی در vpm 5000 می باشد. مقادیر فوق الذكر مشروط به ثابت بودن كلیه پارامترها و فاكتورها به غیر از فركانس (متغیر مستقل) ویبراتور است.
پر واضح است كه مخلوط های مختلف بتنی، عكس العملها و بازتابهای متفاوتی در برابر ویبراسیون از خود نشان می دهند، نسبتهای اختلاط و دانه بندی سنگدانه های مصرفی در بتن، بیشترین تأثیر را در مقایسه با خمیر سیمان و یا مقدار آب بر روی ویبراسیون بتن و فركانس مورد نیاز دارند. پایداری حبابهای هوا نیز خودشان به فاكتورهایی از قبیل شیمی سیمان و آب، نوعمخلوط و میزان آب و سیمان مصرفی در ساختار بتن، دانه بندی سنگدانه ها و دمای بتنوابسته هستند؛ مخلوط های بتنی با حبایهای ریز (Fine 0 air – void) در مقایسه با مخلوط های بتنی با حبابهای درشت (Coarse – air – void) به فركانسهای بالاتری جهت ویبراسیون احتیاج دارند. نوع، اندازه، وزن دامنه نوسان و مدت زمان ویبره یك دستگاه ویبراتور همگی در تعیین فركانس بهینه برأی مخلوط بتنی در یك سایت خاص به همراه ماشین آلات ویژه مصرفی در آن سایت، تأثیرگذار می باشند. اما آنچه كه حائز اهمیت است، این است كه نتیجه بحث یك پاسخ عمومی و یا یك فركانس معین نمی باشد، بلكه احتیاج واقعی این است كه یك مخلوط معین بتنی در مقابل تجهیزات خاص به كار گرفته شده در ارتباط با آن، چه عكس العملی نشان داده و یا به عبارت دیگر با چگونه تركیبی از تجهیزات و مواد می توان به مقاومت، دانسیته و دوام مورد نیاز بتن دست یافت.
در حال حاضر، اطلاعات مربوط به تأثیرات فركانس ویبراتور بر روی عملكرد بتن تا حدودی پراكنده می باشد. بیشترین این آمارها و داده ها، نتیجه حل مسائل و مشكلات كارگاههای مختلف بوده است؛ لیكن از هم اكنون، توجه خاصی به ثبت و درج مشخصات آماری فركانس ویبراتورها و جمع آوری اطلاعات مربوط به اینگونه تجهیزات معطوف گردیده است. در ضمن همه ما می توانیم با گوش دادن به صدای ویبراتور در پروژه های كوچك و بزرگ، احساسی از عملكرد آنرا تجربه كرده و با بكارگیری مجدد این تجربیات اطلاعات مورد نیاز درباره ویبراتورها و بتنها را ارزیابی و تجزیه و تحلیل نمائیم.
گوشهای خود را به كار اندازید! محدود فركانسی vpm 6000 تا vpm 15000 كه در مورد ویبراتورها مورد بحث قرار می گیرد، در حوزه شنوایی انسان می باشد؛ بنابراین به راحتی می توان از حس شنوایی آدمی به عنوان ابزاری برأی تشخیص فركانس ویبراتور و همچنین افت فركانس دستگاه ورود شلنگ ویبراتور به درون بتن و نیز آمیز دادن افزایش فركانس ویبراتور درمواقع روان شدن بتن پلاستیك بهره جهت قالبهای مخصوص بتن اغلب صدای (Tone) ویبراتور را تشدید می نمایند، لذا با داشتن تجربه كارگاهی كسی می توان صدای صحیح ناشی از عملكرد درست ویبراتور را تشخیص دادن بخصوص هنگامیكه در كارگاه صدایی غیر از صدای ویبراتور شنیده نشده و آهنگ ویبراتور با صدای ماشین آلات دیگر مخدوش نگردد.
دستگاه كالیبره و كوك گیتار، و میله ای ساده و ارزان قیمت به منظور تخمین فركانس ویبراتور پیشنهاد می گردد. این وسیله به قیمت 6 دلار، از شش سیم با محدوده فركانس vpm 4900 تاتشكیل شده است كه اتفاقاً محدوده فركانس مورد نیاز در مورد ویبراتورها را نیز پوشش می دهد. سیم A با فركانسی برابر vpm 6600، فركانس معمول ادخال شلنگ ویبراتور در بتن بوده و در چنین فركانس پائینی، مشكلات بسیار محدودی گزارش گردیده است. با سیمهای D و G می توان از vpm 8800 تا vpm 11800 را تجربه نمود. این محدوده، منطقه انتقالی از ویبراتورهای فركانس پائین به ویبراتورهای فركانس بالاست، و با سیم B نیز می توان به فركانس vpm 14800 دست یافت. چنین فركانسی (vpm 14800) مربوط به عملكرد ویبراتورهای فركانس بالا در هوا می باشد. (یك مثال كاملاً آشكار مربوط به انتقال فركانسی از B به G مربوط است به فروبردن شلنگ ویبراتور با فركانس هوایی vpm 14800 به فركانس درون بتنی vpm 11800 كه عملاً 20% افت فركانسی را نشان می دهد). سیم E نیز فركانس vpm 20000/1 تداعی می سازد كه شبیه صدای آژیر حمله هوایی است. چنانچه در كارگاه ویبراتوری این صدا شنیده شد، بهتر است شلوغ كاری را كنار گذاشته و با خاموش كردن ویبراتور، به فكر پوشاندن سطح بتن باشید.
