شاتکریت نسوز
اصولاً بتن با کارایی بالا در مقایسه با بتن با مقاومت معمولی در برابر آتش حساس‌تر بوده و این به علت تراکم بیشتر و وجود منافذ کمتر در این بتن است. مطمئناً شاتکریت در دسته بندی بتن‌های با کارایی بالا قرار می‌گیرد، 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 جذابیت های زیادی برای تحقیق روی این مساله پیدا شد.
پژوهشگران صنعت ساختمان عموماً اطلاعات نسبتاً خوبی در رابطه با تاثیر آتش بر بتن‌های با مقاومت متوسط در دست دارند (منظور بتن‌های با مقاومت۵۰Mpa) است. ولی در مورد بتن‌های مقاومت بالا و بتن‌های با کارایی بالا (HPC) و تاثیر آتش بر این بتن‌ها اطلاعات بسیار کمی موجود است.
به عنوان یک قانون، بتن‌های با کارایی بالا در حرارت شدید و شوک‌های حرارتی به علت ضریب تخلخل پایین و وجود منافذ کمتر و فشار نیروی بخار، حساسیت بیشتری نسبت به بتن‌های با مقاومت معمولی (NSC) دارند. وقتی فشار درون منافذ زیاد میشود تنش کششی در بتن شروع میشود. قسمتی از سطح (explosive spalling) تولید میشود و زمانی که این تنش از حد مجاز تجاوز می‌کند ترکیدن و ورقه ورقه شدن داغ بتن که شدیداً به بیرون رانده میشود، باعث میشود سطح بیشتری از بتن در معرض آتش قرار گیرد. این روند ادامه دارد تا نهایتاً باعث آشکار شدن سیستم آرماتورها و تاثیر مستقیم آتش روی آنها میشود. انبساط سریع بعضی از سنگدانه‌ها با وزن متوسط و کمتر شدن فضا باعث تشدید این پدیده و کمک به از هم پاشیدن و ترکیدن لایه‌ای بتن میشود. بی‌شک به علت نوع بتن ریزی و خواص شاتکریت این سیستم در رده بتن‌های پر مقاوت با کارایی بالا قرار می‌گیرد و در نتیجه در معرض خطر تاثیر آتش است.
شاتکریت و انواع آن
شاتکریت عبارت است از ملات یا بتنی که با فشار و سرعت بالا به سطح مورد نظر پاشیده میشود که به دو نوع شاتکریت مخلوط تر (Wet Mix shotcrete) و مخلوط خشک (Dry Mix shotcrete) شناخته شده است. در شاتکرت با مخلوط خشک مصالح شامل ماسه و سیمان بوده و توسط پمپ شاتکریت به داخل لوله انتقال هدایت شده و به قسمت پاشنده ملات (Nozzle) منتقل میشود. آب مورد نیاز در این حالت در حین خروج مصالح از سر نازل به آنها اضافه میشود که با توجه به سرعت بسیار زیاد خروج مصالح از سر نازل این عمل در کسری از ثانیه صورت می‌پذیرد که در این حالت ممکن است آب به بعضی از دانه‌های سیمان نرسیده و در نتیجه این دانه‌ها هیدراته نشوند به همین دلیل از روش DMS تنها در عملیات تثبیت قبل از اجرای لاینینگ تونل‌ها و کارهای روکش و تعمیراتی با صخامت کمتر از ۱۰ سانتیمتر استفاده می شود. اما در روش WMS (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 میشود از این روش در جاهایی می‌توان استفاده کرد که مقاومت فشاری مورد نظر است. از طرفی دیگر در این روش امکان اجرای بتنی با ضخامت ۵۰ سانتیمتر برای دیوار و ۲۰ سانتیمتر 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 سازه‌های بتنی نیازی به قالب بندی نیست و در موارد خاص نیز استفاده از یک سپر چوبی برای عملیات استقرار بتن کافی است. شاتکریت مخلوط تر همچنین این امکان را فراهم می‌آورد تا دیگر اجرای سازه‌های 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 می‌نماید. تثبیت کوه‌ها، و صخره‌ها با استفاده از پوشاندن آنها با یک شبکه مش و پاشیدن بتن بر روی آن، محافظت از لوله‌های فولادی و افزایش ضخامت لوله‌های بتنی یا پیچیدن یک شبکه مش به اطراف لوله و پاشیدن بتن و صیقلی کردن آن در محیط‌های خورنده و خطرناک در مقابل آتش سوزی، روکش کردن دیوارها، پایه پل‌ها، بدنه سدها و لاینینگ تونل‌ها، تثبیت جداره رود‌خانه‌ها و … از جمله دیگر توانایی‌های روکش WMS است.
عوامل موثر در آسیب رساندن آتش به شاتکریت
عمدتاً خصارات و آسیب‌ها به شاتکریت توجه به دو عامل مجزا، کاملاً مشخص است.
- در حالت اول رطوبت در خلل و فرج بتن از سطح داغ بتن به خارج رانده میشود و خمیر شاتکریت دی هیدراته میشود. وقتی این اتفاق رخ می‌دهد اتصال بین خمیر سیمان و سنگدانه‌ها به علت تفاوت ضریب حرارتی از بین می‌رود و شاتکریت به طور کامل توانایی سازه‌ای خود را از دست داده و لایه‌های نازک‌تر از بتن جدا می‌شوند. این نوع زوال به طور معمول برای آتش‌هایی که به آهستگی افزایش دما می‌دهند اتفاق می‌افتد. همانگونه که رطوبت در حفره‌های شاتکریت به بخار تبدیل میشود، فرصت برای خروج آن از سطح داغ بتن وجود دارد و در حقیقت انرژی که صرف تبدیل رطوبت به بخار میشود به کاهش ترکیدن و زوال لایه‌ها در آتش کمک می‌کند.
- در حالت دوم افزایش دما به سرعت صورت می‌گیرد و رطوبت زمان لازم را برای خروج از سطح داغ بتن ندارد. زمانی که تنش کششی درون حفره‌ها به حد نهایی خود برسد فشار ایجاد میشود و در نتیجه لایه‌های بتن به صورت انفجاری شدیداً کنده شده (explosibe spalling) و سطح جدیدی در مقابل آتش قرار می‌گیرد. ترکیدن و جدا شدن لایه‌ها اثر تخریبی بسیار شدید و عمیقی روی سازه شاتکریت می‌گذارد. این مطالعه راه حل‌های عملی را برای رفع این مشکل و رسیدن به یک شاتکریت نسوز ارائه می‌دهد.
تکنولوژی آلومینات کلسیم و موارد استفاده از آن در شاتکریت نسوز
در بسیاری از موارد از شاتکریت برای کارهای تعمیراتی در جاهایی استفاده میشود که محدودیت زمانی برای برگشت و سرویس‌دهی دوباره در مدت ۲۴ ساعت یا کمتر دارند. در نتیجه نیاز به شاتکریتی با خواص نسوز در جهت رسیدن به مقاومت مناسب جهت سرویس دهی در مدتی کوتاه مطرح است. راه حل دیگری که به صورت فوق العاده‌ای به خواص نسوز بتن کمک می‌کند، در روند رسیدن سریع به مقاومت مناسب یاری می‌رساند، استفاده از سیمان کلسیم آلومینات به عنوان مصالح بیندر در سیستم نسوز است. اما شناخت کمتری در مورد شاتکریت نسوز با کارایی بالا آمیخته با سنگدانه آلومینات کلسیم همراه با سیمان آلومینات کلسیم در دست است. 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 میشود و یک حمام گداخته از آلومینات کلسیم شکل می‌گیرد، یک دفعه سرد میشود. آلومینات کلسیم خام به قطعه‌های بزرگ گوشه‌دار بسیار متراکم و سخت تبدیل میشود که اگر خرد و دانه بندی شود یک سنگدانه بسیار عالی با دوام و خواص منطبق برای استفاده در شاتکریت نسوز خواهد بود. سنگدانه‌هایی که به وسیله ذوب تولید می‌شوند 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 شوک‌های حرارتی تا ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد و مقاومت سایشی بسیار خوب خواهیم داشت. در این مخلوط‌ها اتصال سنگدانه‌ها به هم به صورت مکانیکی همچون اتصال شیمیایی بین سیمان و سنگدانه به صورت بسیار خوبی باعث کمک به بالا بردن مشخصات کلی سیستم میشود. 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 بارانداز‌های زغال، چاله‌های سرباره استفاده میشود. هر کدام از موارد استفاده با توجه به توانایی مواد برای به دست آوردن مقاومت سریع، عایق و مقاومت در برابر گرما و شوک‌های حرارتی، تاب آوردن در برابر استفاده مکرر مکانیکی و سایش انتخاب می‌شوند.
بیشتر کاربرد صنعتی این مواد در جاهایی است که علاوه بر داشتن خاصیت نسوز، محدودیت زمان برای برگشت و سرویس دهی دوباره در مدت ساعت یا کمتر دارند. سیستم آلومینات کلسیم خالص این قابلیت را دارد که در کمتر از ۲۴ ساعت به مقاومت بالای ۵۱ مگاپاسکال است.
در محیط‌های مخرب که بتن‌های معمولی به سرعت از بین می‌روند با اضافه کردن مقدار مناسبی آلومینات کلسیم به شاتکریت مسلح به الیاف فولادی و میکرو پلی پروپیلین، محصولی کاملاً ضد آتش در مدت بسیار کوتاهی مقاوم و آماده سرویس دهی تولید میشود.
وقتی یک ماده شاتکریت مشخص برای استفاده و مقاصد نسوز بررسی میشود این خیلی مهم است که فقط درجه حرارت محیط درگیر در نظر گرفته نشده، بلکه فاکتورهای دیگر محیط عملیاتی که می‌تواند منجر به خرابی‌های زودرس شود نیز مد نظر قرار گرفته شود. این عوامل می‌تواند شامل شوک‌های حرارتی، سایش، سوء استعمال مکانیکی و حملات شیمیایی باشد. شاتکریت نسوز طراحی شده بر مبنای سنگدانه آلومینات کلسیم خالص و سیمان آلومینات کلسیم می‌تواند شرایط سرویس دهی طولانی را در محیط‌های سنگین صنعتی پرتکاپو و سخت فراهم کند. استفاده موفقیت آمیز، محدوده گسترده‌ای از صنایع، ماوراء فولاد و آهن را برای تقاضای استفاده از چنین تکنولوژی ترغیب کرده و بی‌شک نیاز آنها را برآورده خواهد کرد.
