بررسی اثر سنگدانه بر خصوصیات مکانیکی بتن سنگین
امروزه در جهان و از جمله در کشور ما استفاده از تکنولوژی هسته‌ای در زمینه‌های گوناگون نیروگاهی، صنعتی، کشاورزی و پزشکی هر روز گسترش بیشتری می‌یابد. یکی از مهمترین مسائل در کاربرد فناوری هسته‌ای، حفاظت در برابر تابش‌های هسته‌ای است. بتن سنگین، بتنی است که اساساً دارای وزن مخصوص بزرگتری نسبت به بتنهای ساخته شده با سنگدانه‌های معمولی است و معمولاً با استفاده از سنگدانه‌های سنگین تهیه شده و به طور ویژه به عنوان سپر محافظ در مقابل تشعشع به کار می‌رود.
یکی از مهمترین مسائل در کاربرد فناوری هسته‌ای، حفاظت در برابر تابش‌های هسته‌ای است تا از اثرات زیان آور زیست محیطی آنها جلوگیری شود. بتن علاوه بر دارا بودن خواص سازه‌ای مناسب، با داشتن مزایایی مانند سهولت در ساخت، هزینه کم جهت ساخت و تعمیر و نگهداری، یکی از مناسب‌ترین و پرکاربردترین مصالح برای ساخت حفاظ تابش‌های هسته‌ای نوترون و گاما است. در این میان استفاده از بتن سنگین به جای بتن معمولی باعث کاهش ضخامت عضو محافظتی به میزان قابل توجه خواهد شد.
در حفاظ بتنی خواص فیزیکی و مکانیکی بتن، از جمله ضریب تضعیف پرتوها، چگالی، مقاومت فشاری، مقاومت کششی، مدول الاستی سیته، جمع شدگی، خزش، هدایت حرارتی، همچنین خواص شیمیایی شامل نوع و ترکیبات سنگدانه و سیمان و مقدار آب شیمیایی غیر قابل تبخیر در بتن اهمیت هستند. همچنین تغییر خواص بتن در اثر شارش پرتوها خصوصاً در مورد نوترون‌ها سریع، یکی از فاکتورهای تعیین عمر بتن حفاظ است و بایستی مورد توجه قرار گیرد. همچنین به منظور شناخت رفتار بتن در برابر اشعه و طراحی سازه‌ای حفاظ‌های بتنی، اطلاعات از خصوصیات فیزیکی و مکانیکی بتن سنگین امری ضروری است.
بر اساس تعریف انجمن بتن آمریکا، بتن سنگین، بتنی است که اساساً دارای وزن مخصوص بزرگتری نسبت به بتنهای ساخته شده با سنگدانه‌های معمولی است. و معمولاً با استفاده از سنگدانه‌های ساخته شده با سنگدانه‌های معمولی است. و معمولاً با استفاده از سنگدانه‌های سنگین تهیه شده و به طور ویژه به عنوان سپر محافظ در مقابل تشعشع به کار می‌رود. هر چند که سپرهای محافظ در مقابل تشعشع کاربرد اصلی بتنهای سنگین هستند، ولی در ساخت وزنه‌های تعادلی (بتنهای وزنی) یا در مواردی که نیاز به افزایش بار مرده سازه، بدون افزایش حجم وجود داشته باشد نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. هنگامی که بحث از بتن سنگین است منظور بتنی با جرم مخصوص بیش از ۲۴۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب است. که بر اساس نوع و اندازه سنگدانه مصرفی و شیوه تراکم و تخلیه می‌تواند جرم مخصوص بیش از ۶۴۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب نیز داشته باشد. استاندارد بریتانیا برای طراحی و تشریح بتن سنگین از همان تعریف بتن معمولی استفاده می‌کند، با این تفاوت که ضابطه‌ای برای چگالی مورد نیاز (هدف) اضافه کرده است. این استاندارد بیان می‌کند که چگالی بتنهای سنگین نباید کمتر از ۱۳۰ کیلوگرم بر مترمکعب با چگالی مورد نیاز تفاوت داشته باشد.
در ساخت بتن سنگین به جای شن و ماشه از خرده‌های فولاد، چدن، یا سولفات باریم استفاده می‌شود. کاربرد این گونه بتن جلوگیری از عبور تشعشع اشعه‌های x و گاما بوده و اصوصلاً برای سازه‌های مربوط به تاسیسات اتمی و یا هر جا که امکان وجود تشعشعات رادیواکتیو وجود دارد از این گونه بتن استفاده می‌شود. بتن سنگین هموراه هزینه ساخت بیشتری نسبت به بتنهای معمولی دارد. این اضافه قیمت می‌تواند ناشی از مواردی نظیر حفاری معدن، حمل مصالح، شکستن دانه بندی مصالح، اختلاط مناسب سنگدانه در خمیر سیمان، جا دادن و پرداخت سطح بتن ریخته شده باشد. با افزایش چگالی بتن، خصوصیات زیادی از بتن افزایش یافته یا دستخوش تغییر خواهد شد. یکی از مهمترین این خصوصیات، مقاومت فشاری بتن است. انتخاب سنگدانه‌های سنگین با استفاده از خصوصیات فیزیکی، در دسترس بودن و هزینه تمام شده صورت می‌پذیرد. معمولاً سعی می‌شود، سنگین‌ترین سنگدانه موجود در محل مورد استفاده قرار گیرد.
استفاده از سنگدانه هماتیتی به دلیل اینکه وزن مخصوص و جذب آب بیشتری نسبت به سایر سنگدانه‌ها داشته، باعث می‌شود در سنین اولیه که نیاز به آب جهت تکمیل فرایند هیدراتاسوین احساس می‌شود، آب جذب شده سنگدانه‌ها موجب تکمیل هیدراتاسیون شود. همچنین وزن مخصوص و سختی بالای سنگدانه‌های هماتیتی نیز در افزایش مقاومت فشاری نقش عمده‌ای دارند.
میزان افزایش مقاومت فشاری به علت استفاده از سنگدانه‌های سنگین در سنین اولیه نمود بیشتری دارد. با افزایش سن بتن از میزان تاثیر گذاری سنگدانه‌های سنگین بر افزایش مقاومت فشاری کاسته می‌شود.
با افزایش نسبت آب به سیمان مدول الاستیسیته بتن کاهش می‌یابد. همچنین مدول الاستیسیته بتنهای ساخته شده با سنگدانه‌های سنگین بیشتر از مدول الاستیسیته بتن معمولی است.
