معرفی روسازی بتنی و کاربرد انواع بتن الیافی در آن
معرفی روسازی بتنی و کاربرد انواع بتن الیافی در آن
حسین نادری- کارشناس ارشد مهندسی عمران- دانشگاه پارس
Hosseinaderi71@gmail.com
چکیده
با توجه با توسعه شبکه حمل‌ونقل کشور، نیاز به سیستم‌های حمل‌ونقل مدرن از یکسو و نیاز روزافزون به توسعه پایدار موجب گردیده، روسازی بتنی هرروزه موردتوجه بیشتری قرار گیرد. اصولاً روسازی‌ها به دودسته انعطاف‌پذیر و صلب تقسیم می‌شود که در این پژوهش به معرفی روسازی بتنی (از نوع روسازیهای صلب) می‌پردازیم. با مقایسه هزینه چرخه عمر روسازی بتنی نسبت به آسفالتی، هزینه چرخه عمر مربوط به روسازی آسفالتی درمجموع 34% بیشتر از روسازی بتنی می‌باشد. از مهم‌ترین مزایای روسازی بتنی، ارجحیت آنها نسبت به روسازی آسفالتی در نواحی با ترافیک سنگین، عمر مفید بیشتر و تحقق شاخص‌های زیست‌محیطی می‌باشد. در ادامه انواع روسازیهای بتنی و نحوه اجرای پرکاربردترین نوع آنها بررسی می‌گردد. یکی از راه‌های افزایش کیفیت روسازی بتنی و کاهش ترکها، استفاده از انواع الیاف فلزی و سینتتیکی در آنها می‌باشد که در این خصوص به معرفی انواع آنها و با مقایسه مشخصات آنها پرداختیم. با مقایسه صورت پذیرفته در تمامی نمونه‌ها با توجه به کاهش کارایی بتن نیاز به افزایش فوق روان کننده می‌باشد. مقاومت در مقابل سایش و خمش در تمامی نمونه‌ها افزایش‌یافته و الیاف دسته سینتتیکی نتایج بهتری ازلحاظ مقاومت و خوردگی از خود نشان دادند.
اجرای پروژه‌هایی شامل فناوری‌های نوین همواره همراه با ناشناخته‌های بسیار است. با توجه به حضور پژوهنده دریکی از پروژه‌های روسازی بتنی و از طرفی مواجه با دغدغه‌های اجرایی، نیاز به شناخت دقیق‌تر و پژوهش جدی‌تر در این خصوص لمس گردید ازاین‌رو در بخش ابتدایی پژوهش به معرفی مختصر رویه‌های بتنی می‌پردازیم و در بخش انتهایی از طریق مصاحبه صورت گرفته با 7 نفر از متخصصین اجرایی روسازی بتنی برخی از مهم‌ترین موانع اجرایی بتن رویه الیافی در ایران ارائه گردیده که خود زمینه‌ای برای پژوهش‌های بیشتر در این رابطه می‌باشد.
کلمات کلیدی: روسازی بتنی، بتن الیافی، توسعه پایدار
مقدمه: معرفی روسازی بتنی
روسازی آسفالتی
انعطاف پذیر
اصولا روسازی ها به دو دسته انعطاف پذیر و صلب تقسیم می شوند. روسازی های انعطاف پذیر به روسازی هایی اطلاق می شود که سطح آنها با آسفالت پوشیده شده باشد. علت استفاده از واژه ی انعطاف پذیر در این نوع روسازی، خمش و تغییر شکل سازه ی روسازی تحت بارهای ترافیکی می باشد. از سوی دیگر روسازی صلب به آن دسته از روسازی ها گفته می شود که لایه سطحی آن از بتن تشکیل شده باشد. به دلیل نحوه انتقال بار به لایه های زیرسازی این نوع روسازی در تاکسی روها، پارکینگ ها و فرودگاه ها و راه های با ترافیک سنگین مورد استفاده قرار می گیرد. نحوه توزیع بار در بستر زمین در روسازی صلب و انعطاف پذیر در شکل زیر نشان داده شده است. (مقدس‌نژاد،1393)
در گذشته روسازی بتنی مستقیماً بر روی بستر ساخته می‌شد. ولی با افزایش حجم، وزن ترافیک و به وجود آمدن پدیده پامپینگ استفاده از اساس دانه‌ای کاملاً متداول شده است. زمانی که روسازی تحت تأثیر تعداد زیادی از بار چرخ بسیار سنگین قرار می‌گیرد و لایه اساس نیز در مجاورت سطح آب زیر زمینی باشد، امکان شسته شدن مصالح دانه‌ای از طریق عملکرد آب وجود دارد. استفاده از اساس آسفالتی یا سیمانی به عنوان یک روش متداول محسوب می‌شود. اگر چه استفاده از لایه اساس مقدار تنش بحرانی را در روسازی بتنی کاهش می‌دهد. ولی به دلیل اینکه مقاومت بتن خیلی بیشتر از مقاومت لایه اساس است با کمی افزایش در ضخامت بتن می‌توان تنش بحرانی را کاهش داد. لذا استفاده از لایه اساس، تنها به منظور کاهش تنش در لایه بتن از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست. (Dam, et al., 2011) (سبحانی،1393)
1- مقایسه عمر و هزینه سرویس دهی روسازی بتنی نسبت به رویه آسفالتی
مطالعاتی بر روی چهار عدد از روسازی های انجام گرفته در داخل ایالات مختلف صورت پذیرفته است. بیش از 20 سال از عمر بهره برداری هر یک می گذرد و طول تقریبی هر یک از آن ها 160 کیلومتر می باشد و تقریبا نیمی از آن ها روسازی بتنی درزدار و نیم دیگر روسازی آسفالتی با بار ترافیکی برابر هستند. مقاطع بتنی در این مطالعه بین 1.6 الی 2.6 برابر مقاطع آسفالتی عمر خدمت دهی داشته اند، که به طور میانگین عمر خدمت دهی روسازی بتنی 2.2 برابر روسازی آسفالتی است. (سبحانی،1393)
تجزیه و تحلیل هزینه چرخه عمر نشان می دهد که روسازی آسفالتی از 14 تا 250 درصد از روسازی بتنی گرانتر است، که به طور میانگین هزینه روسازی های آسفالتی 130 درصد بیشتر از روسازی های آسفالتی 130 درصد بیشتر از روسازیهای بتنی است. در شکل زیر هزینه چرخه عمر (LCC) روسازی آسفالتی با هزینه چرخه عمر روسازی بتنی مقایسه می گردد. (مقدس‌نژاد،1393)
2- مزایای استفاده از روسازی بتنی در مقایسه با روسازی آسفالتی
- رویه‌های بتنی در نواحی با مقاومت بستر کم و ترافیک سنگین نسبت به روسازی آسفالتی ارجحیت دارد.
- هزینه‌های تعمیر و نگهداری روسازی بتنی در مقایسه با آسفالتی کمتر است.
- عمر مفید رویه‌های بتنی بیشتر از روسازیهای آسفالتی است. (40 تا 50 سال در مقایسه با 15 تا 20 سال)
- به دلیل فراهم ساختن دید بیشتر در شب برای استفاد‌ه‌کنندگان، روسازی بتنی از نظر ایمنی نسبت به آسفالتی ارجحتر است.
- ضخامت روسازی بتنی در مقایسه با روسازی آسفالتی کمتر است. و در نتیجه در نواحی که محدودیت ضخامت وجود دارد ارجحیت داشته و در عین حال در مصرف مصالح نیز صرفه جویی می‌شود.
- به دلیل صرفه جویی در به کارگیری مصالح در لایه‌های بتنی تخریب منابع طبیعی و محیط زیست کمتر صورت می‌گیرد.
- در مناطق شیب دار و کوهستانی با تعداد زیاد وسایل نقلیه سنگین که روسازی آسفالتی جوابگو نمی باشد، روسازی بتنی می‌تواند به عنوان گزینه خوبی مد نظر قرار گیرد.
- در شرایط محیطی با دمای زیاد عملکرد روسازی بتنی بهتر از آسفالتی است.
- قابلیت بازیافت در این نوع روسازی باعث گردیده از لحاظ زیست محیطی گزینه بهتری برای اجرا باشد
- کاهش پدیده گرمایش زمین با توجه به جذب کمتر انرژی خورشیدی و نیاز به نور کمتر برای روشن نمودن مسیر
- تولید بتن از نظر نیاز به منابع بهینه تر می باشد و مواد تشکیل دهنده بتن نیاز به فرآوری کمی دارند. بیشتر مواد تشکیل دهنده بتن در محل به دست آمده و ساخته می شوند و انرژی حمل و نقل را به حداقل می رسانند.
- برخلاف آسفالت که ویسکوالاستیک است و به همین دلیل به دما و بارگذاری حساس است، سطح صلب روسازی های بتنی در زیر بارگذری وسیله نقلیه سنگین تغییر شکل نمی دهد و در نتیجه دارای انحنای کمتری است در نتیجه انرژی کمتری برای پیش راندن وسایل نقلیه سنگین مورد نیاز می باشد. (Dam, et al., 2011)
3- معایب رویه بتنی در مقایسه با روسازی آسفالتی
- هزینه اولیه ساخت روسازی بتنی در مقایسه با روسازی آسفالتی بیشتر است.
- اجرای تعمیرات و عملیات ترمیم در روسازی بتنی مشکل‌تر است.
- وجود درزهای انبساط به عنوان یکی از نقاط ضعف رویه‌های بتنی محسوب می‌شود. که در تشدید خرابی‌ها و تخریب بتن نقش مهمی دارد. به نحوی که مشکل نگهداری و مرمت محل درزهای انبساط به لحاظ پکیدن بتن وجود دارد.
- بروز پدیده پامپینگ و خارج شدن مصالح ریزدانه از محل درزهای انبساط در صورت عدم استفاده از مصالح زهکش به عنوان یکی از ضعف‌های روسازی بتنی محسوب می‌شود.
- دانش فنی و تجربه ساخت روسازهای آسفالتی درمیان پیمانکاران در مقایسه با روسازیهای بتنی بسیار بیشتر است. از این رو اجرای رویه‌های بتنی به دلیل نیاز به ماشین آلات پیشرفته و جدیدتر و عدم مهارت‌‌های فنی و تجربه‌های عملی مشکل‌تر است. (سبحانی،1393) (Dam, et al., 2011)
4- انواع روسازی بتنی
روسازیهای بتنی به چهار دسته تقسیم می‌شوند. (Dam, et al., 2011) (Killingsworth, 2016)
- روسازی بتنی ساده درز دار JPCP
- روسازی بتنی مسلح درز دار JRCP
- روسازی بتنی مسلح پیوسته CRCP
- روسازی بتنی پیش تنیده PCP
4-1- روسازی بتنی ساده درز دار (JPCP)
یک روسازی بتنی غیر مسلح درز دار بایستی با درزهای انقباض با فواصل نزدیک به هم ساخته شود. داول (میلگرد اتصال) یا قفل و بست سنگدانه‌ای ممکن است برای انتقال بار در عرض درزها مورد استفاده قرار گیرد. کاربرد استفاده یا عدم استفاده از داولها با توجه به مناطق جغرافیایی مختلف با یکدیگر متفاوتند. در صورت افزایش فاصله درزها قفل و بست سنگدانه‌ای کاهش یافته و ریسک به وجود آمدن ترک افزایش می‌یابد.
4-2- روسازی بتنی مسلح درز دار (JRCP)
در این نوع روسازی آرماتورهای فولادی به کار رفته بر خلاف شبکه‌های سیمی یا میلگردهای آجدار نه به منظور افزایش مقاومت سازه‌ای روسازی بلکه به جهت افزایش فاصله درزها تعبیه می‌شوند. فواصل درزها از 9 تا 30 متر (30 تا 100 فوت) متغیر است. به دلیل افزایش طول پانل‌ها، لازم است داولها برای انتقال بار در عرض درزها قرار داده شوند. مقدار توزیع فولاد JRCP با افرایش فاصله درزها افزایش می‌یابد. در هر حال هزینه تعداد درزها و داولها با افزایش فاصله درزها کاهش می‌یابد. بر اساس هزینه‌های اره کردن، مش، داولها و پرکننده‌های درزها، تحقیقات بعمل آمده نشان داد که اقتصادی‌ترین فاصله درزها در حدود 12 متر (40 فوت) است. از آنجا که هزینه نگهداری به طور کلی با افزایش فاصله درزها افزایش می‌یابد حداکثر فاصله درز 12 متر (40 فوت) توصیه می‌شود.
4-3- روسازی بتنی پیوسته
یکی از دلایل استفاده از این روسازی حذف درزها به عنوان نقطه ضعف در روسازی است که حذف آن منجر به کاهش ضخامت مورد نیاز می‌شود. ضخامت CRCP به طور تجربی از 25 تا 50 میلیمتر (1 تا 13 اینچ) کمتر و تقریباً در حدود 70٪ تا 80٪ ضخامت روسازی معمولی است.
تشکیل ترک‌های عرضی در فواصل نزدیک به عنوان یک مشخصه بارز CRCP محسوب می‌شود. این ترکها کاملاً توسط آرماتورها کنترل شده و تا زمانیکه به صورت فواصل یکسان هستند به عنوان خطر محسوب نمی‌شوند. خرابی که به طور مکرر در CRCP اتفاق می‌افتد برش در کنار‌ه‌های روسازی است. این نوع خرابی یا بین دو ترک عرضی که به طور تصادفی موازی هم هستند یا در تقاطع‌های Y شکل اتفاق می‌افتد. (Killingsworth, 2016)
5- روش های اجرای رویه بتنی
به طور کلی دو نوع روش اجرای رویه بتنی در ابعاد وسیع مورد استفاده قرار می گیرد:
الف) اجرای رویه بتنی به روش دستی که شامل این مراحل می باشد. 1-آماده سازی بستر 2-قالب بندی 3-آماده سازی بسکت و داول گذاری 4-ایجاد کد نهایی با استفاده تراس اسکرید یا رولر اسکرید 5-عملیات عمل آوری
ب)اجرای رویه بتنی با استفاده از دستگاه قالب لغزان. 1-آماده سازی بستر 2-انتقال بتن به محل کار 3-فرآیند اجرای رویه بتنی توسط دستگاه قالب لغزان و قرار دادن داول بار و تایبار 4-کیورینگ پاشی و شیارزنی توسط دستگاه TCM 5-عملیات عمل آوری
6- کاربرد الیاف ها در رویه های بتنی
درزهای موجود در رویه های بتنی (نوع JPCP،JRCP) همواره پتانسیل خرابی و نیاز آن به ترمیم را افزایش داده اند. از همین رو محققان همواره کوشیده اند با کاهش درزها باعث کاهش احتمال ترمیم رویه های بتنی گردند. استفاده از الیف های مختلف در رویه های بتنی یکی از راه های کاهش فاصله درزها و همچنین کاهش ترک ها می باشد. در ادامه برخی از انواع الیاف های مورد استفاده در روسازی بتنی مورد بررسی قرار می گیرد. (ACPA, 2003)
6-1- الیاف های فلزی
اولین تحقیقات مرتبط با مسلح سازی بتن توسط الیاف های فلزی به دهه ی 50 و 60 میلادی بازمی گردد و برای اولین بار در سال 1972 میلادی در امریکا مورد استفاده قرار گرفت. سپس در دهه های 70 و 80 میلادی در صنایع هوایی، در بتن کف صنایع، پارکینگ ها و عرشه ی پل ها مورد استفاده قرار گرفت. طول الیاف های مورد استفاده عموما بین 12 الی 63 میلیمتر می باشد همچنین اغلب با ضخامت آن ها بین 0.45 الی 1 میلیمتر مورد استفاده قرار می گیرند. به طور میانگین استفاده از آن ها به میزان 0.25 الی 2درصد موجب افزایش مقاومت خمشی، کاهش پتانسیل ایجاد ترک در زمان خزش بتن، افزایش مقاومت نهایی تا بیش از 1.5 برابر می گردد. (Jafarifar, 2012) (Karakurt & Arslan, 2017)
6-2- الیاف های سینتتیک
این نوع از الیاف عموما از موادی مانند اکرلیک، آرامید، کربن، نایلون، پلی استر، پلی اتیلن و پلی پروپیلن تهیه می گردند. استفاده از این نوع الیاف ها در چند دهه ی اخیر افزایش چشمگیری داشته است. اولین نمونه از استفاده از این نوع الیاف به پوشش بتن بر روی یک لایه آسفالت به منظور ایجاد لایه ای کامپوزیت باز می گردد که از این میان استفاده از الیاف پلی پروپیلن بیش از سایر موارد در روسازی های بتنی سابقه داشته است. افزودن الیاف در حدود 0.1 درصد حجم بتن می تواند مشخصات فیزیکی بتن ها را بهبود بخشد. افزودن این نوع از الیاف ها مزیت های زیر را به دنبال دارد. کاهش خزش پلاستیک بتن و ترک خوردگی های ناشی از آن، کاهش نفوذ پذیری، دوام بیشتر، اصطحکاک بالاتر سطح بتن (Krayushkina, et al., 2017)
6-3- مقایسه الیاف فلزی و الیاف سنتتیکی در روسازی بتنی
کاراکورت و ارسلان در سال 2017 چند نمونه بتن تولید شده با الیاف مختلف را با یکدیگر مقایسه نموند.در ادامه چند نمونه از بتن های تولید شده با الیاف فلزی و سنتتیکی (با طرح اختلاط متفاوت) به منظور مقایسه رفتار هر یک از آنها با یکدیگر مقایسه می شوند. نمونه شماره یک: بتن با الیاف پلی استر نمونه شماره دو: بتن با الیاف پلی پرولین نمونه شماره سه: بتن با الیاف فلزی در ادامه جدولی شامل طرح اختلاط هر یک از نمونه ها ارائه شده است. (Karakurt & Arslan, 2017)
سپس با استفاده از آزمایش UPV کیفیت بتن تولید شده با الیاف مصنوعی فوق مطابق جدول زیر با یکدیگر مقایسه گشته اند. همچنین مقاومت هریک از نمونه ها در شکل شماره 4 با یکدیگر مقایسه شده اند.
با مقایسه این دو نوع از الیاف ها، نتایج زیر حاصل گشت:
الف) کارایی بتن با افزایش مقدار الیاف در تمامی نمونه ها کاهش یافت که نیاز به افزایش فوق روان کننده به منظور حل این مشکل می باشد.
ب) مقاومت در مقابل سایش و خمش در تمامی نمونه ها با افزایش الیاف رابطه مستقیم دارد.
ج) در مجموع فیبرهای دسته سنتتیکی کارایی بهتری از لحاظ مقاومت و خوردگی از خود نشان دادند.
7- موانع اجرایی بتن الیافی در روسازی بتنی
در این بخش برخی از مهم ترین موانع اجرای بتن الیافی در فاز اجرایی پس از مصاحبه با 7 نفر از معاونین و مسئولین اجرایی رویه بتنی در داخل کشور، به شرح ذیل ارائه می گردد. لازم به ذکر است هر یک از موانع سوال های پژوهشی مناسبی برای علاقه مندان به تحقیق بیشتر در این موضوع می باشد.
الف) مدت زمان مورد نیاز برای میکس الیاف در بتن موجب کاهش راندمان سرعت اجرای رویه بتنی می گردد.
ب) با افزایش الیاف به بتن ها، کارایی و ماله پذیری بتن کاهش می یابد و موجب سختی اجرای آن می گردد.
ج) عدم پخش همگن الیاف موجب کاهش کیفیت بتن در برخی موارد به خصوص نزدیکیه داول ها، قالب ها می باشد.
د) چسبندگی الیاف به ویبره در دستگاه قالب لغزان موجب احتمال خرابی بیشتر و هزینه های نگهداری بیشتر از دستگاه می گردد
ه) عدم انعطاف پذیری مناسب الیاف فلزی در بتن موجب بیرون زدگی بخشی از آن ها از سطح بتن می گردد.
منابع
ACPA, 2003. FIBER REINFORCED CONCRETE PAVEMENTS, مکان نشر نامشخص: American Concrete Pavement Association.
Dam, T. V., Taylor, P. & Fick, G., 2011. Sustainable Concrete Pavements: A Manual of Practice. Washington: Iowa State University.
Jafarifar, N., 2012. SHRINKAGE BEHAVIOUR OF STEEL-FIBRE-REINFORCED-CONCRETE PAVEMENTS.:The University of Sheffield.
Karakurt, C. & Arslan, A. T., 2017. PROPERTIES OF CONCRETE PAVEMENTS PRODUCED WITH DIFFERENT TYPE OF FIBERS. Journal of the turkish chemical society, pp. 17-24.
Killingsworth, B., 2016. Concrete Jointing and Details: Thickness is Only the Start.
Krayushkina, K., 2017. Investigation of Fiber Concrete for Road and Bridge Building., pp. 620-627.
سبحانی, ج., 1393. پتانسیل توسعه رویه های بتنی در کشور و مقایسه فنی و اقتصادی آنها. تهران, مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی.
مقدس نژاد, ف., 1393. اصول طراحی سازه ای روسازی های بتنی و مقایسه روش های متداول (مطالعه موردی: آزادراه تهران-شمال). تهران, مهندسان مشاور ایمن راه.