بتن ریزی زیر آب | روش‌ها، طرح اختلاط و نکات اجرایی

اگر بتن معمولی را همین‌طور داخل آب بریزید، تا به کف برسد بخش زیادی از سیمانش شسته شده و چیزی که ته قالب می‌نشیند بیشتر شن و ماسه است تا بتن. بتن ریزی زیر آب برای حل همین مشکل شکل گرفته است: بتن باید طوری به محل برسد که در مسیر با آب قاطی نشود. این کار هم بتن مخصوص می‌خواهد و هم روش اجرای مخصوص. در این مقاله می‌بینید بتنِ مناسب این کار چه ویژگی‌هایی دارد، شش روش رایج اجرا چه فرقی با هم دارند، قالب‌بندی زیر آب چه ملاحظاتی دارد و کدام اشتباه‌ها بیشتر از بقیه کار را خراب می‌کنند.

بتن ریزی زیر آب چیست و کجا کاربرد دارد؟

این نوع بتن‌ریزی یکی از پیچیده‌ترین و حساس‌ترین کارهای اجرایی در سازه‌های دریایی است. پایه‌های خطوط انتقال انرژی، بخش زیرین بسیاری از سکوها و پلتفرم‌های دریایی و پایه پل‌ها از جمله جاهایی هستند که قالب‌بندی و بتن‌ریزی باید زیر سطح آب انجام شود. بستر دریا معمولاً ماسه‌ای است و اجرای فونداسیون روی چنین بستری روش‌های خاص خودش را دارد؛ به همین دلیل این پروژه‌ها از همان مرحله طراحی سازه بتنی در مشهد یا هر شهر دیگر، با ملاحظات جداگانه‌ای دیده می‌شوند.

یک راه این است که اصلاً زیر آب بتن نریزید و محیط کار را خشک کنید. برای این منظور کیسون را می‌کوبند تا به عمق مناسب در بستر دریا نفوذ کند و بعد آب داخل آن را با پمپ‌های قوی بیرون می‌کشند. کیسون سازه‌ای نگه‌دارنده و ضد آب است که اجازه می‌دهد آب به بیرون پمپاژ شود و محیط کار خشک بماند. اما هر جا که ساخت کیسون یا سد موقت بیش از حد گران یا نشدنی باشد، بتن‌ریزی به‌طور مستقیم در آب انجام می‌شود.

ویژگی‌های بتن مناسب برای بتن ریزی زیر آب

مهم‌ترین نگرانی در این کار، آب‌شستگی است؛ یعنی جدا شدن خمیر سیمان از سنگدانه‌ها هنگام عبور از آب. پس طرح اختلاط باید طوری تنظیم شود که بتن هنگام فرو رفتن در آب هم یکنواخت و همگن بماند. برای این کار از بتن با کارایی بالا استفاده می‌شود که چسبنده و در عین حال روان است.

مشخصات بتن در دو روش ترمی و پمپاژ

برای بالا رفتن کارایی بهتر است سنگدانه‌ها بدون گوشه یا گردگوشه باشند. اگر سنگدانه‌ها ریزدانه کافی نداشته باشند، با اضافه کردن مواد ریز می‌شود چسبندگی لازم را در بتن ایجاد کرد؛ پودر میکرو سیلیس بتن یکی از موادی است که در طرح‌های بتن ضد آب‌شستگی به همین منظور به کار می‌رود.

روانی بتن را هم نباید با آب بیشتر تأمین کرد، چون نسبت آب به سیمان از حد مجاز بالاتر می‌رود. راه درست استفاده از افزودنی است و شناختن انواع روان کننده بتن به انتخاب افزودنی مناسب کمک می‌کند. یک قاعده هم همیشه برقرار است: به‌جز وقتی که از افزودنی‌های ویژه استفاده می‌شود، باید از سقوط آزاد بتن در آب جلوگیری کرد تا ذرات آن از هم جدا نشوند. خلاصه اینکه بتنِ مناسب این کار سه ویژگی دارد: سیمان زیاد، آب کم و روانی بالا.

روش‌های بتن ریزی زیر آب

همه این روش‌ها یک هدف دارند: بتن با کمترین تماس با آب به محل نهایی برسد. تفاوتشان در این است که این کار را چطور انجام می‌دهند و برای چه حجمی از کار مناسب‌اند.

بتن ریزی زیر آب به روش ترمی (قیف و لوله)

روش ترمی رایج‌ترین روش در کارهای حجیم است. در این روش یک لوله آب‌بند به کار می‌رود که سر بالایی آن بیرون از آب به قیف وصل است و بتن از قیف وارد لوله و از آنجا راهی قالب می‌شود. قطر لوله معمولاً حدود ۲۵ سانتی‌متر است و باید دست‌کم هشت برابر بزرگ‌ترین اندازه سنگدانه مصرفی باشد. قیف و لوله باید کاملاً ضد آب و بدون درز باشند و در تمام مدت کار پر از بتن بمانند.

نکته اصلی این روش، فرو بودن سر لوله در بتن است. انتهای لوله باید همیشه ۱ تا ۱٫۵ متر داخل بتن ریخته‌شده بماند و همزمان با بالا آمدن سطح بتن، آرام بالا کشیده شود. اگر سر لوله از بتن بیرون بیاید، آب وارد لوله می‌شود و بتن آن قسمت ضعیف خواهد شد. لایه‌های اول بتن چسبنده و پرسیمان هستند و آهسته وارد قالب می‌شوند تا لایه سطحی ضعیف شکل نگیرد. لوله را هم نباید داخل بتن تازه به پهلو کشید؛ برای سطح‌های بزرگ چند لوله با فاصله ۳٫۵ تا ۵ متر کنار هم کار می‌کنند.

روش پمپاژ بتن در آب

در روش پمپاژ، بتن با فشار پمپ و از راه خط لوله به محل می‌رسد و این روش برای حجم‌های خیلی زیاد به کار می‌رود. بتنی که پمپ می‌شود باید تا حد ممکن روان باشد تا لوله‌ها را نبندد، اما این روانی نباید با بالا بردن نسبت آب به سیمان به دست بیاید و باید از روان‌کننده یا فوق‌روان‌کننده کمک گرفت. طرح اختلاط باید کمترین نسبت آب به سیمان ممکن را داشته باشد و این نسبت از ۰٫۶ بیشتر نشود. مقدار سیمان هم نسبتاً زیاد، بین ۳۵۰ تا ۴۰۰ کیلوگرم در مترمکعب، انتخاب می‌شود تا بتن چسبندگی کافی داشته باشد. اگر افزودنی ویژه به کار نرفته باشد، اینجا هم نباید بتن در آب سقوط آزاد کند.

بتن‌ریزی با جام زیرآبی

در روش جام، بتن با یک جام دریچه‌دار به کف قالب می‌رسد. جام پر از بتن را آرام تا کف قالب پایین می‌برند، دریچه زیر آن آهسته باز می‌شود و بتن بدون ایجاد تلاطم در آب تخلیه می‌شود. جام بعدی بلافاصله پشت سر جام قبلی پایین می‌رود. اگر جام را تند پایین ببرند، درپوش آن جابه‌جا می‌شود و بتن آسیب می‌بیند. بتن مناسب این روش ۳۰۰ تا ۴۰۰ کیلوگرم در مترمکعب سیمان و اسلامپ ۱۵ سانتی‌متر دارد. بزرگ‌ترین اندازه دانه‌های آن ۴۰ تا ۵۰ میلی‌متر است و نسبت وزن ماسه به کل سنگدانه‌ها ۴۰ درصد یا بیشتر گرفته می‌شود. این روش از ترمی کندتر است، ولی برای لایه‌های نازک و حجم‌های محدود عملی‌تر است.

روش سنگدانه‌های پیش آکنده

روش پیش‌آکنده بیشتر برای ترمیم سازه‌های بتنی به کار می‌رود. ابتدا سنگدانه‌های درشت و دانه‌بندی‌شده را داخل قالب می‌ریزند و بعد ملات سیمانی را از پایین قالب تزریق می‌کنند تا آب را بیرون براند و سنگدانه‌ها را به یک توده یکپارچه و سخت تبدیل کند. این ملات ماسه ریز دارد و به کمک روان‌کننده آن‌قدر روان می‌شود که به‌راحتی بین سنگدانه‌ها نفوذ کند. بتنی که به این روش ساخته می‌شود جداشدگی ندارد و در نتیجه متراکم، بادوام و آب‌بند است. به دلیل روانی بالای ملات، ویبراتور داخلی هم لازم نیست.

روش کار با کیسه (bag work)

کار با کیسه (bag work) قدیمی‌ترین و ساده‌ترین روش ریختن بتن در آب است و انعطاف زیادی دارد. کیسه‌های کنفی را تا حدود نیمه از بتن پر می‌کنند و مثل آجر روی هم می‌چینند؛ اندازه کیسه طوری است که یک کارگر بتواند آن را حمل کند. بزرگ‌ترین اندازه دانه در این بتن حدود ۱۲ میلی‌متر است. از این روش برای ساخت المان‌های موقت و ترمیم‌های کوچک و فوری استفاده می‌شود. در کارهای حجیم امروزی کارایی چندانی ندارد، ولی برای پروژه‌های موقت و کوتاه‌مدت هنوز انتخاب مناسبی است.

بتن ضد آب‌شستگی (NDC)

در این روش، کار با بتنی انجام می‌شود که خودش در برابر شسته شدن مقاوم است. بتن NDC (Non Dispersible Concrete) افزودنی ضد آب‌شستگی دارد که گرانروی آن را بالا می‌برد. این بتن روان و خودتراز است، تقریباً آب نمی‌اندازد و هنگام عبور از آب کمتر جدا می‌شود. با این حال ریختنش هم حد دارد: دستورالعمل انجمن مهندسان عمران ژاپن ارتفاع سقوط در آب را کمتر از ۵۰ سانتی‌متر و مسافت جاری شدن زیر آب را تا ۵ متر مبنا قرار داده است. رایج‌ترین راه ریختن این بتن پمپ است، هرچند به دلیل چسبندگی بالا، سرعت پمپاژ آن به نصف تا یک‌سوم بتن معمولی می‌رسد.

در آب آرام و کم‌عمق کنار ساحل روش دیگری هم به نام «پشته پیشرو» وجود دارد که در آن بتن را روی شیب ساحل می‌ریزند تا سطحش از آب بالاتر بیاید و بتن تازه، بتن قبلی را به سمت آب براند. جدول زیر شش روش اصلی را کنار هم می‌گذارد.

مقایسه روش‌های بتن ریزی زیر آب

تهیه و انتقال بتن برای بتن ریزی زیر آب

در این پروژه‌ها، رساندن بتن به محل کار به اندازه خود بتن‌ریزی برنامه می‌خواهد، چون کارگاه روی آب است و هر توقفی کیفیت کار را به خطر می‌اندازد.

1. تهیه بتن زیر آب به انتقال مقدار زیادی مصالح به روی آب نیاز دارد.
2. استقرار یک واحد ساخت در نزدیک‌ترین نقطه خشکی برای برنامه‌ریزی پروژه الزامی است.
3. فاصله زمانی بین تولید و اجرای بتن باید تا حد ممکن کم باشد.
4. یک واحد شناور باید همیشه برای انبار کردن و جابه‌جایی مصالح در دسترس باشد.
5. تأمین مصالح و نگهداری و تعمیر تجهیزات برنامه‌ریزی دقیق می‌خواهد.
6. بتن‌ریزی پیوسته زیر آب به آماده بودن همه تجهیزات از قبل نیاز دارد.
7. برای حفظ روانی بتن باید از افزودنی‌های دیرگیرکننده استفاده شود.

راه دیگر این است که بتن با کامیون میکسر تا ساحل برسد و از آنجا با خط لوله حفاظت‌شده به محل پروژه برود. در این حالت حساس‌ترین موضوع، زمان اختلاط لازم و آهنگ مناسب بتن‌ریزی است که بیشترین ظرفیت تولید را مشخص می‌کند.

قالب بندی برای بتن ریزی زیر آب

قالب‌بندی زیر آب همان ملاحظات قالب معمولی را دارد، با یک تفاوت مهم: وزن بتن زیر آب، طبق قانون ارشمیدس، به اندازه وزن آب جابه‌جاشده کم می‌شود و فشار روی قالب هم متفاوت است. به همین دلیل محاسبه این قالب‌ها کار تیم طراحی و محاسبات سازه در مشهد یا هر دفتر محاسباتی است که با سازه‌های آبی آشناست.

قالب‌های زیرآبی را باید تا حد ممکن به شکل قطعات بزرگ بالای سطح آب ساخت و بعد در جای خود زیر آب نشاند. قالب‌ها باید محکم به هم کلاف شوند و طوری کنار بخش‌های ساخته‌شده قبلی قرار بگیرند که دوغاب و ملاتِ زیر فشار از درزها بیرون نزند. سطح آب داخل و بیرون قالب هم باید در یک تراز باشد تا اختلاف فشار هیدرولیکی از بین برود. در پایان کار، لایه بالایی بتن که با آب و مواد بیرونی مخلوط شده است، جمع‌آوری و برداشته می‌شود تا به بتن سالم برسید.

کنترل کیفیت در بتن ریزی زیر آب

کنترل کیفیت زیر آب سخت‌تر از خشکی است، چون بتن ریخته‌شده را نمی‌بینید. به همین دلیل کنترل بیشتر روی بتن تازه و آزمونه‌ها متمرکز است. در بتن ضد آب‌شستگی، مقاومت ۲۸ روزه آزمونه‌هایی که زیر آب ساخته شده‌اند مبنا قرار می‌گیرد و نسبت مقاومت نمونه زیر آب به نمونه ساخته‌شده در هوا معمولاً باید از ۰٫۷ بیشتر باشد. در برخی مشخصات فنی، میزان آب‌شستگی بتن هم حد دارد؛ برای نمونه حداکثر ۸ درصد.

اسلامپ هر محموله پیش از ریختن اندازه‌گیری می‌شود و رعایت روش های نمونه گیری بتن در اینجا اهمیت دوچندان دارد، چون تنها مدرک شما از کیفیت بتن همین آزمونه‌هاست. شکستن آزمونه‌ها و آزمایش‌های تکمیلی هم باید به یک آزمایشگاه بتن در مشهد یا شهر محل پروژه سپرده شود که تجهیزات کالیبره دارد.

اشتباهات رایج در بتن ریزی زیر آب

بیشتر خرابی‌ها از چند اشتباه تکراری می‌آیند که همه قابل پیشگیری هستند.

• ریختن مستقیم بتن معمولی در آب: سیمان شسته می‌شود و بتنِ کف قالب مقاومت لازم را ندارد.
• بیرون آمدن سر لوله ترمی از بتن: آب وارد لوله می‌شود و بتن آن ناحیه ضعیف خواهد شد.
• کشیدن لوله به پهلو در بتن تازه: بتن با آب مخلوط می‌شود. لوله را باید بالا کشید و در نقطه جدید دوباره شروع کرد.
• روان کردن بتن با آب اضافه: نسبت آب به سیمان بالا می‌رود. روانی را باید با افزودنی تأمین کرد.
• سیمان بیش از اندازه: سیمان اضافه شسته‌شدن را جبران می‌کند، ولی زیاده‌روی در آن لایه ضعیف سطحی را بیشتر می‌کند.
• وقفه در بتن‌ریزی: کار باید پیوسته باشد تا بین لایه‌ها سطح جداکننده افقی شکل نگیرد.

جمع‌بندی

بتن ریزی زیر آب روی دو پایه می‌ایستد: بتنی چسبنده و روان با سیمان کافی و آب کم، و روشی که نگذارد این بتن در مسیر با آب قاطی شود. برای کارهای حجیم معمولاً ترمی یا پمپ انتخاب می‌شود، برای ترمیم روش پیش‌آکنده و برای کارهای کوچک و موقت جام یا کیسه. هر روشی را انتخاب کنید، سقوط آزاد بتن در آب، وقفه در کار و بیرون آمدن لوله از بتن سه چیزی هستند که باید از آن‌ها دوری کرد. اگر پروژه‌ای با بتن‌ریزی در آب یا زیر تراز آب زیرزمینی دارید، پیش از شروع کار با کارشناسان آتی‌شهر مشورت کنید تا روش اجرا و طرح اختلاط مناسب پروژه شما مشخص شود.