مهندسی مکانیک

ژئوگريدها از خانواده ژئو سنتتيكها مي‏باشد طبق تعريف استانداردASTM   ژئوسنتيكها مصالح ساخته شده از مواد پليمريك هستند كه توسط مهندسي خاك، سنگ و زمين و يا ساير شاخه‏هاي مهندسي ژئوتكنيك در قسمتي از پروژه يا سازه مورد استفاده قرار مي‏گييرند.

 

ژئوگريدها موادي شبكه مانند هستند كه داراي سورخهاي بزرگ است و از نظر ساخت، ظاهرش و كارائي با ژئوتكتسائلها تفاوت دارد.

 

فاصله بين سوراخها در حدود 1 تا 10 سانتي متر (فاصله بين الياف طول و عرض) است.

 

انواع ژئوگريدها

 

انواع  ژئوگريدهاي موجود در دنيا عبارتند:

 

1-                               Tensarcorp

 

2-                               Tenaxcorp

 

3-                               Paragrids

 

4-                               Tiragrids

 

5-                               Fortral  

 

6-                               Maxtrex

 

7-                               Stratagrid

 

8-                               Othergrids

 

از ميان اين ژئو گريدها نوع پنج در ايران موجود مي‏باشد . اين نوع  ژئوگريدها ساخت كشور آلمان است و در دو نوع Fortrac و Hatelit ساخته مي‏شوند كه نوع اول براي مسلح كردن خاك و نوع دوم براي مسلح كردن اسفالت بكار ميرود.

 

هر دو نوع  ژئوگريد از الياف تابيده شده پلي استر سخت بافته مي‏شوند و در محل اتصال به هم وصل مي‏شوند و يك پوشش كلريد پلي و ينيل (P.V.C) يا مواد قيري در نهايت داده مي‏شود ازكاربردهاي اين نوع  ژئوگريدها در ايران مي‏توان مسلح كردن اسفالت پل فولادي نصر، كالج و صدر را نام برد كه از نوع HATELIT براي اين كارها استفاده شده است و از نوع Hatelit براي احداث ديوار حائل پارك نمايشگاه تهران استفاده شده است.

 

خواص  ژئوگريدها

 

خواص فيزيكي: اين خواص عبارتند از: نوع ساختار، نوع اتصال، اندازه سوراخ، ضخامت، خواص مربوط به جرم واحد سطح ، خواص مربوط به درصد سطح باز. همه اين خواص فيزيكي بصورت مستقيم قابل اندازه گيري هستند. اين خصوصيات فيزيكي به نحوي در سختي خمشي  ژئوگريدها تأثير دارند.

 

خواص مكانيكي

 

1-2- مقاومت تك رشته‏اي و اتصال (به تنهايي):

 

دليل مجزا گرفتن اتصال ، عدم توليد تنش نرمال در محل اتصال است. براي تعيين مقاومت تك رشته‏اي  ژئوگريد را بدون در نظر گرفتن اتصال و الياف عرضي در دستگاه مي‏كشند تا گسسته شود. اين مقاومت بيانگر مقاومت شبكه  ژئوگريد در داخل خاك نيست. تنها كاربرد اين مقاومت نسبت بسط يابنده ثابت در آزمايش كشش است.

 

براي تعيين مقاومت گره، يك گيره ثابت در 2 طرف گره بر روي الياف عرضي در نزديك گره قرار مي‏دهند . قسمت پاييني الياف طولي مجزا توسط يك گيره چنگ زده مي‏شود . بعد مقاومت اتصال بدست مي‏آيد.

 

 

 

شکل1

 

2-2- مقاومت كششي پهنه:

 

هيچ اطلاعاتي از جزئيات آزمايش ، نوع گره بكار رفته ، نسبت كرنش و . . . نداريم.

 

3-2- مقاومت برشي  ژئوگريدها:

 

از طريق آزمايش برش مستفيم مي‏توانيم مقاومت برشي  ژئوگريدها را تعيين كنيم. در هنگام آزمايش ،  ژئوگريد را با وسيله‏اي  به جعبه برش وصل مي‏كنند و بايد  ژئوگريد در برابر لغزش ناشي از اثر تنش نرمال در خاك بالايي مهار شود.

 

از شكل (b.2) حداكثر تنش برشي را در تنش نرمال ثابت بدست مي‏آوريم. بعد از تعيين اين حداكثر تنش برشي آزمايشهاي جديدي با ثابت بودن تنش برشي حداكثر و افزايش تنش نرمال اجام مي‏دهيم تا پوش گسيختگي بدست آيد.

 

براي خود خاك هم آزمايش برش مستقيم انجام مي‏دهيم و پارامترهاي C و خاك را بدست مي‏آوريم.

 

EΦ=tanδ/tanΦ *100 و Ea=ca/c 100

 

چسپندگي خاك  با خاك:C

 

چسپندگي خاك و  ژئوگريد: ca

 

زاويه مقاومت برشي خاك با خاك  : Φ

 

زاويه مقاومت برشي خاك با  ژئوگريد: d

 

در هنگام آزمايش بايد به دو نكته اهميت بدهيم . يكي اين كه از جعبه برش بزرگ استفاده كنيم تا اثر مقايسه به حد اقل برسد و ديگر اينكه اين قانون تجربي  آزمايشگاه خاك را كه بايد وسايل آزمايش بيش از ده برابر اندازه گيري ذره خاك باشد ، رعايت كنيم.

 

با توجه به گفته‏‎هاي فوق ميتوان از جعبه برش به ابعاد 30cm*30cm يا بزرگتر استفاده كرد. براي اطلاعات بيشتر ميتوان به استاندارد ASTM-DS321 رجوع كرد.

 

نتيجه تحقيقات را در مورد اثر سوراخ ژئوگريد و اندازه ذرات خاك بر روي راندمان اصطكاك مي‏توان چنين بيان داشت كه بهينه‎ترين حالت انتقال برش كه داراي راندمان بالايي باشد، زماني اتفاق ميفتد كه:

 

در اين رابطه d50 متوسط اندازه ذرات خاك يا خاكريزه و BGG حداقل عرض سوراخ ژئوگريد ميباشد. رابطه 1 پارامتر مهمي است در انتخاب نوع خاكريز كه در اطراف ژئوكريد ريخته ميشود و يا تعيين نوع ژئوگريد كه برروي بستر خاك يا خاكريز قرار مي‏گيرد.

 

 

 

 

 

شکلa2

 

 

 

شکلb2

 

4-2 – مقاومت مهاري يا بيرون كشيدگي در خاك:

 

مقاومت مهاري  ژئوگريدها بوسيله مقاومت برشي تأمين ميشود. اين رفتار مربوط به بزرگي سوراخهاي  ژئوگريد است كه به خاك اجازه ارتباط با 2 طرف  ژئوگريد را ميدهد. در ضمن ذرات خاك بايد به اندازه كافي كوچك باشند تا نفوذ كامل داشته باشند. پس ماكزيمم سايز ذرات  براي يك  ژئوگريد مخصوص با حداقل عرض بازشدگي بايد شرايط معادله 1 ارضاء نمايد.

 

مقاومت مهاري از سه مكانيزم ناشي ميشود

 

مقاومت برش در سطح بالا و پايين الياف طولي

 

مقاومت برش در سطح بالا و پايين الياف عرضي

 

مقاومتي كه از ظرفيت باربري خاك محصور شده در سوراخهاي ژئوگريد ناشي ميشود.

 

لازم به ذكر است كه بشترين سهم مقاومت كششي ژئوگريدها از مكانيزم سوم ناشي ميشود.

 

5-2- مقاومت مهاري يا بيروني كشيدگي از ديوار:

 

وقتي‏كه ژئوگريد در سازه ديوار خاك مسلح بكار برده مي‏شود ، در لبه جلويي به يك وجه ديوار پانل ( اتصال مكانيكي ) يا به وجه بلوكي پيش ساخته بطريق اتصال اصطكاكي و يا اتصال مكانيكي ، ختم ميشود. در اين مواقع ما بايد مقاومت مهاري يا بيرون كشيدگي از ديوار را بدانيم.

 

آزمايش استانداردي در اين خصوص وجود ندارد.

 

دوام

 

دوام در طول عمر مفيد سرويس دهي به عوامل زير بستگي دارد.

 

1-3- آسيب پذيري در موقع نصب:

 

همانند بسياري از ژئوسنتتيكها ، كارائي  ژئوگريدها در صحرا به درجه دقت اجرايي بستگي دارد. اغلب چنين بي دقتيهاي اجرايي در صحرا توسط كارگران و ماشينهاي سنگين اتفاق ميفتد كه سبب آسيب پذيري  ژئوگريد در موقع نصب ميشود. بعد از نصب هم خطراتي مانند افتادن اشياء ، نفوذ خاك و ساير تصادفات تا پوشاندن ،  ژئوگريد را تهديد ميكنند. در نتيجه براي لحاظ كردن اين اثرات معمولاً كاهش مقاومت %30 را بهتر ميدانند.

 

 

 

شکل3

 

2-3- خزش:

 

قسمت عمده دوام  ژئوگريدها به خزش مربوط ميشود. خزش غالباً يك  تابعي ازسطح تنش ، زمان ، درمان حرارت و تعدادي از عوامل محيطي است. براي در نظر گرفتن عوامل يك ضريب اطمينان جزئي معادل 2.5را در هنگام طراحي اعمال ميكنند.

 

3-3 – تنشهاي آسودگي:

 

آقاي گرين ود ، تنشهاي آسودگي را در  ژئوگريد HDPE ارزيابي كرده و داده هاي تجربي را به نمودار برده و منحنيهاي تنش كرنش را بدست آورده ، با مقياس اين نتايج با منحنيهاي تنش كرنش بدست آمده از خزش براي همان نوع ژئوگريد ميتوان فهميد كه اينها انطباق منطقي  با هم دارند . ميتوان چنين نتيجه گيري نمود كه در صورت نبودن مقدار واقعي ، ميتوان عكس‎العمل تنشهاي آسودگي  ژئوگريد را از روي منحنيهاي خزش بدست آورد.

 

خواص فروسايي

 

براي  ژئوگريدها  كه استفاده واقعي آنها مسلح كردن خاك است عمدتاً لازم است كه خواص فروسايي ارزيابي شود.

 

1-4- فروسايي درجه حرارت :

 

تغييرات درجه حرارت ( سرد و گرم شدن ) محيطي ، خطر جدي براي  ژئوگريدها نيست . تنها احتياطي كه بايد بشود اين است كه درجه حرارت بالا ايجاد خزش لا تنشهاي آسودگي در ژئوگريد مي‏نمايد .براي اين كار يا بايد پيش بيني درجه حرارت  ( در صورت بدست آوردن اطلاعات ) شود و يا فاكتور اطمينان بالايي را روي اطلاعات خزش اعمال شود .

 

2-4- فروسايي اكسيداسيون:

 

كه در بحث  ژئوگريدها مطرح نمي‎شود.

 

3-4- فروسايي آب كافت (هيدروليز ):

 

كه در بحث  ژئوگريدها مطرح نمي‏شود.

 

4-4- فروسايي شيميايي:

 

پلي استرو پلي اوليفين مقاومت بالايي در برابر عوامل شيميايي دارند.

 

5-4- فروسايي راديواكتيو:

 

اگر مواد راديواكتيو با شدت بالا در نزديكي  ژئوگريد قرار بگيرد. هيچ مشكلي بوجود نمي‎آيد.

 

6-4- فروسايي بيولوژيكي:

 

يك استثنايي كه در مورد  ژئوگريدهاي انعطاف پذير پوشش دار داريم، اين است كه لاستيك خام ، مواد قيري ، يا مواد پلاستيكي در P.V.C ممكن است به موجودات ريز زنده (ميكروارگانيسم ) حساسيت داشته باشند ولي هيچ مطالعه‎اي در روي  ژئوگريدهاي موجود در دسترس نيست.

 

حتي اگر چنين حملاتي در روي پوشش صورت گيرد الياف پلي استر با كريستال بالا ، احتمالاً بدون تأثير ميمانند.

 

 7-4-فروسايي نور خورشيد :

 

نور فرابنفش مي‏تواند اثر داشته باشد.

 

8-4- تركهاي تنشي يا تركهاي صحرايي:

 

پليمر با كريستال بالا اغلب به تركهاي شكننده در زير تنش حساس هستند. براي اين ارزيابي استانداردهاي ASTM-D1693,ASTM-D5397 وجود دارد.

 

اين تركها در لايه هاي ژئو ممبرين احتمالاً وجود داشته باشد و در موقع تهيه  ژئوگريد از اين ژئوممترين ها  اين تركها در خود  ژئوگريدها ظاهر مي‏شود . اين تركها شكستهاي صحرائي در كارهاي ژئوگريد ميشود.

 

ملاحظات طراحي

 

همه مطالب گفته شده براي طراحي نيروي كششي  ژئوگريدها مي‏باشد كه به صورت  زير است:

 

ضريب اطمينان جزئي در برابر آسيبهاي نصب : FSID

 

ضريب اطمينان جزئي در برابر خزش : FSCR

 

ضريب اطمينان جزئي در برابر فروسايي شيميايي : FSCD

 

ضريب اطمينان جزئي در برابر فروسايي بيولوژيكي: FSBD

 

مقاومت كشي مجاز طراحي : Tallow

 

مقاومت كششي مورد نياز : Treq

 

مقاومت كشي حداكثر : Tult

 

كاربردهاي  ژئوگريد

 

زير مصالح شن و ماسه در جاده هاي پوشش نشده

 

زير بازالت در ساختمان راه آهن

 

زير مصالح سربار يا سازههاي خاكي

 

مسلح سازي خاكريزها يا سدهاي خاكي

 

تعمير خرابي شيروانيها

 

به عنوان گابيون در ساختمان ديوارها

 

به عنوان گابيون در سازه هاي كنترل فرسايش

 

به عنوان گابيون در ج.انب پلها

 

به عنوان صفحات گيردار براي سطوح ديوار حائل

 

به عنوان آسفالت مسلح در روسازي راه

 

به عنوان مسلح كردن بتن در كارهاي گوناگون

 

براي مسلح كردن قسمتهاي سنگ ترگ دار

 

براي مسلح كردن قسمتهاي بتن ترك دار

 

براي مسلح كردن land fill جهت توسعه عمودي و جانبي

 

براي مسلح كردن پوشش land fill به‏عنوان مسلح كننده روكش

 

به عنوان لايه هاي 3 بعدي براي افزايش ظرفيت باربري  land fill.

 

به عنوان  لايه هاي 3 بعدي براي خاكريزيهاي روي خاكهاي نرم

 

براي پايداري جمع آوري كننده سنگي لجن ، به‏‎عنوان مسلح كننده

 

مسلح كردن لايه اساسي جاده ها با روكش آسفالتي

 

در جاده هاي با روكش آسفالت اگر  بخواهند ژئوگريد را در قسمت اساس استفاده نمايند ، تحقيقات نشان داده‏است كه بايد  ژئوگريد را در قسمت مياني لايه اساس قرار داد . البته گرافهايي در اين زمينه وجود دارد كه با داشتن ضخامت غير مسلح لايه خاكريز ميتوان ضخامت مسلح شده  با نوع خاص  ژئوگريد را بدست آورد. البته اين گرافها براي همه انواع  ژئوگريدها موجود نيست.

 

مسلح كردن قسمت اساسي جاده ها بدون روكش آسفالت

 

كاربرد عمده ژئوگريد در مسلح كردن خاكهاي نرم يا فشرده بستر براي جاده هاي سنگدانه‏اي بدون روكش آسفالتي است. در اين مورد نيز موفقيتهايي ديده شده است ، از جمله مسلح كردن خاك باعث افزيش مقاومت باربري خاكريز اساس ، توزيع بهتر بار در خاك  و كتنرل ترك در خاك ميشود.

 

( زمانيكه اختلاف لايه ها قبل از مسلح و بعد از مسلح كردن در مقايسه با هزينه نصب و اجراي  ژئوگريد بيشتر باشد بهتر است از  ژئوگريد استفاده شود.)

 

نحوه توزيع بار توسط  ژئوگريد در شكل (4) نشان داده شده است . توزيع بار در خاك زير اساس در اثر پخش شدن بار بدين صورت ثابت مي‎شود كه بار بصورت هرمي از لايه اساس به زير اساس انتقال مييابد. در اين شكل زاويه a0 براي حالت غير مسلح و براي حالت مسلح a    تعريف مي‏شود. چون مقدار a0 كمتر از a است در نتيجه مقدار بار حمل  شده به لايه زير اساس كاهش ميابد و ما ميتوانيم در زمينهاي با مقاومت كم هم با استفاده از  ژئوگريد را همسازي نمائيم.

 

براي طراحي ضخامت لايه خاكي جاده ، بدون روكش آسفالتي ميتوان از گراف شكل  a استفاده كرد.

 

از گراف سمت راست بر  حسب مقدار CBR و يا Cu و در ضمن بر حسب مقدار ماشين  عبوري ، مقدار h0 ( ضخامت لايه اساس بدون مسلح ) را تعيين ميكنيم. در اين نمودار مقدار عمق شياري تأثير ندارد. بعداً بر حسب  استفاده از منحنيهاي 1 و2 و 3 مقدار R تعيين ميشود. و بعد براحتي مقدار  a0  tan /  a  tan  را نيز مي‎توان بدست آورد. ( اين زاويه ها قبلاً توضيح داده شده است).

 

× منحني1: براي  ژئوگريد SS2 (B*1200 ) براي عبور وسائل بيشتر (N>1000) بكار ميرود و در ضمن آلودگي سنگدانها را بدون در نظر گرفتن  ژئوگريدها مهم تلقي ميكنيم.

 

× منحني:2 براي  ژئوگريد ,SS2(B*1200) كه براي تعداد عبور وسايل كمتر بكار ميرود واحتمال آلودگي سنگدانه ها كم است.

 

× منحني .3 براي  ژئوگريد ,SR2 ( U*1200) فرض ميشود كه تعداد عبور وسايل كمتر است واحتمال آلودگي سنگدانه كمتر است.

 

× با تعيين مقدار R و با استفاده از روابط زير مقدار h ، ارتفاع ضمانت خاكريز در حالت مسلح ،  بدست مي‏آيد. اختلاف بين h و h0 مقدار صرفه جويي در مصرف سنگدانه است.

 

h = R h0      for   r<0.15m (6in) زمانيكه الگوي ترافيك كاناليزه نشده باشد.

 

h=0.9R h0  for  r >0.15 m (6in) زمانيكه الگوي ترافيك كاناليزه شده باشد.

 

 

 

 

 

شکل4

 

نتيجه گيري

 

از همه اين مطالب ميتوان چنين نتيجه گيري كرد كه با استفاده از  ژئوگريد در كارهاي مهندسي ژئوتكنيك ميتوان خيلي از كارهاي ژئوتكنيك را با هزينه اقتصادي كمتري انجام داد. البته در صورتي كه ما خودمان توليد كننده اين محصول باشيم. از تأثير ات مهم كاربرد  ژئوگريد كه در اين مقاله به آنها اشاره شده است ميتوان كاهش ضخامت لايه خاكريز در جاده هاي بدون روكش آسفالتي و همچنين كاهش ضخامت لايه آسفالتي در جاده هاي با روكش آسفالتي را بر شمرد و در ضمن مزاياي استفاده از   ژئوگريد را  كه باعث افزايش عمر و دوام آسفالت و خاكريز در مقابل عوامل محيطي و بارگذار ي مي‏شود نيز بر شمرد. البته هنوز تحقيقات فراواني در زمينه استفاده از  ژئوگريدها براي كاري متنوع ژئوتكنيكي انجام ميگيرد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه

 

سالهاي زيادي است که از بتن بعنوان يک ماده ساختماني مهم و با تحمل فشارهاي بالا جهت ساخت و ساز انواع سازه‌ها استفاده مي‌شود. ضعف اين ماده مهم و پر مصرف ساختماني در مقابل کشش با قرار دادن آرماتور تا حد زيادي جبران شده است. در سالهاي اخير و با بررسي دوام سازه‌هاي بتني مسلح بويژه در مناطق خورنده و سخت براي بتن نظر اکثر کارشناسان و دست ‌اندرکاران کارهاي بتني به اين مسأله جلب شده است که مقاومت به تنهايي نمي‌تواند جوابگوي کليه خواص مربوط به بتن بخصوص دوام آن باشد و لازم است در طراحي بتن براي مناطق مختلف علاوه بر مسأله مقاومت و تحمل بارها در طول مدت بهره‌دهي، پايايي و دوام آن نيز مد نظر قرار گيرد. در حال حاضر با اضافه نمودن مواد مختلف بتن و تغييرات در طرح اختلاط مي‌توان به بتن‌هايي دست يافت که بدون تغيير قابل ملاحظه در مقاومت آنها از نقطه نظر دوام به بتن‌هايي با دوام بالا دست يافت. مسأله محيط زيست و آلودگي آن نيز در سالهاي اخير نظر جهانيان را بخود معطوف ساخته است. کاربرد مواد و مصالحي که در ساخت آن آلودگي کمتري به محيط منتقل گردد و همچنين برداشت مصالح طبيعي که کمتر محيط را تخريب نمايد، مورد توجه خاص قرار دارد. در اين راستا محدوديت کاربرد سنگدانه‌ها، دستيابي به مواد جديد و نيز استفاده از مواد زائد کارخانه‌ها و آلاينده‌هاي محيط زيست در بتن در رأس برنامه‌هاي تحقيقاتي پاره‌اي از کشورهاي جهان قرار گرفته است.

 

علاوه بر خود بتن و مصالح تشکيل‌ دهنده آن در سالهاي اخير بر روي آرماتور مصرفي در سازه‌هاي بتني مسلح نيز تحولاتي صورت گرفته است. بعنوان مثال و براي پرهيز از خطر خوردگي آرماتور، از فولادهاي ضد زنگ و نيز آرماتورهاي ساخته شده با الياف‌ مختلف پلاستيکي و پليمري در محيط‌هاي بسيار خورنده استفاده مي‌شود. کار بر روي عملکرد دراز مدت چنين موادي هنوز ادامه دارد.

 

در مقاله اخير به چند مورد از بتن‌هاي جديد که چند سالي است از آنها در صنعت ساخت و ساز براي سازه‌هاي بتني استفاده مي‌شود اشاره شده و مواد جديد مورد استفاده در بتن که تحقيقات روي آنها هنوز ادامه دارد، نيز بيان خواهد شد. بعنوان مثال بتن‌هاي با مقاومت زياد و بتن‌هاي توانمند و با عملکرد بالا در اين خصوص جايگاه ويژه‌اي دارند. کاربرد الياف و مواد مختلف در بتن براي افزايش نرمي آن و مقاومت در مقابل بارهاي ضربه‌اي و نيروهاي ناشي از زلزله مورد ديگري از بتن‌هاي خاص مي‌باشد. با نگرشي عميق به مسأله دوام بتن و ضمن تأمين مقاومت لازم، کاربرد بتن‌هاي با کارايي بالا که اجراي آن را نيز آسان مي‌سازد در برنامه کار مراکز بسياري قرار گرفته و برخي از اين بتن‌ها با اضافه کردن افزودنيهاي مختلف به آنها،  اينک وارد صنعت بتن شده‌اند.

 

بتن با مقاومت زياد

 

امروزه بر اساس تکنولوژي رايج بتن، ساخت بتن‌هاي با مقاومت‌هاي فشاري زياد و دور از انتظار که مي‌تواند براي طراحي سازه‌هاي اجرايي رايج مورد استفاده قرار گيرند، امکان‌پذير مي‌باشد. اگر چه اغلب آيين‌نامه‌هاي بتن هنوز مقاومت بتن مورد استفاده در سازه‌ها را به MPa 60 محدود مي‌کنند، اما آيين‌نامه‌هاي جديد اخيراً حدي بالاتر از MPa 105 را نيز در نظر گرفته‌‌اند ] 1 [. ساخت بتن‌هاي با مقاومت زياد و در حد MPa 120 و کاربرد آن در ساختمان‌هاي بلند در کشورهاي پيشرفته دنيا رواج يافته است. اين مقاومت با اضافه نمودن مواد ريز و فعال به سيمان تا حدي افزايش يافته که بتن‌هايي با مقاومت‌هاي فشاري بين MPa 200 و MPa 800 و مقاومت‌هاي کششي بين MPa 30 و MPa 150 در نمونه‌هاي آزمايشگاهي بدست آمده است. براي دستيابي به چنين مقاومت‌هايي لازم است تغييراتي در طرح اختلاط داده و از مواد و افزودني‌هاي جديدي استفاده نمود.

 

از عوامل مهم در رسيدن به چنين مقاومت‌هايي استفاده از سنگدانه‌هاي مقاوم و کاهش حداکثر اندازه سنگدانه در مخلوط بتني براي همگني بيشتر آن مي‌باشد. همچنين با استفاده از مواد بسيار ريزدانه و با اندازه‌هاي کمتر از دهم ميکرون مي‌توان مجموعه‌اي متراکم‌تر و با تخلخل بسيار کم که بالاترين وزن مخصوص را خواهد داشت، تهيه نمود. در بتن‌هاي با مقاومت زياد بايستي تا حد ممکن نسبت آب به سيمان (w/c) را کاهش داد (امروزه حتي نسبت 18/0 = w/c استفاده شده است) که در اين حالت بعضي دانه‌هاي سيمان هيدراته نشده بصورت مواد ريزدانه پرکننده، دانسيته را افزايش داده و در نتيجه سبب افزايش مقاومت مي‌شوند. بديهي است براي تأمين کارايي چنين مخلوط‌هايي با آب بسيار کم لازم است از روان‌ کننده‌ ها، فوق ‌روان‌کننده‌ ها و پخش کننده ذرات ريز در بتن استفاده نمود. براي افزايش نرمي چنين بتن‌هايي (با افزايش مقاومت شکنندگي و تردي بتن افزايش مي‌يابد) مي‌توان به آنها الياف‌هاي کوتاه اضافه نمود. در ساخت چنين بتن‌هايي (مقاومت در حد فولاد و بالاتر) از روشهاي سخت شده تحت فشار و دما براي عمل آوري بتن و تأمين مقاومت اوليه زياد استفاده مي‌گردد.

 

جدول 1- مشخصات بتن بکار رفته در يک ساختمان بلند در مونترال کانادا

 

طرح اختلاط

           

 

خواص بتن

 

نسبت آب به سيمان   25/0

           

 

اسلامپ   250 ميلي‌متر

 

آب   135 ليتر

           

 

درصد هوا    4/4 درصد

 

سيمان نوع 1، 500 کيلوگرم در متر مکعب

           

 

مقاومت فشاري 7 روزه   77 مگاپاسکال

 

دوده سيليس 30 کيلوگرم در متر مکعب

           

 

مقاومت فشاري 28 روزه 3/92 مگاپاسکال

 

شن‌با‌حداکثر اندازه10ميليمتر ‌1100‌کيلوگرم‌در مترمکعب

           

 

مقاومت فشاري 90 روزه  106 مگاپاسکال

 

ماسه طبيعي 700 کيلوگرم در متر مکعب

           

 

مقاومت فشاري يکساله  4/119 مگاپاسکال

 

ديرگير کننده 8/1 ليتر در متر مکعب

           

 

فوق روان کننده 14 ليتر در متر مکعب

           

 

بتن هاي با کارايي بسيار زياد (بتن خود متراکم)

 

امروزه در بعضي کشورهاي جهان و بويژه در ژاپن بتن جديدي با کارايي بسيار بالا که نياز به لرزاندن نداشته و خودبخود متراکم مي‌گردد ساخته شده و در برخي پروژه‌ها اجرا شده است. با داشتن کارايي بسيار زياد اين بتن در اجرا، خطر جدايي سنگدانه‌ها و خمير را نداشته و در عين حال از مقاومت زياد و دوام نسبتاً بالايي برخوردار است. در طرح اختلاط اين بتن، موارد زير در نظر گرفته شده است.

 

ميزان شن در اين بتن حدود 50 درصد حجم مواد جامد بتن بوده و در آن ماسه به ميزان 40 درصد حجم ملات استفاده شده است. نسبت آب به مواد ريزدانه و پودري بر اساس خواص مواد ريز بين9/0 تا 1 انتخاب مي‌شود. براي تعيين ميزان نسبت آب به سيمان و مقدار فوق روان کننده مخصوص مصرفي با استفاده از روش ميز رواني، مقدار بهينه با آزمون و خطا تعيين مي‌گردد ]2و3[.

 

بتن با سنگدانه بازيافتي

 

امروزه با توجه به پيشرفت جمعيت و مشکل فضا در شهرهاي بزرگ براي ساخت و ساز لازم است ساختمان‌هاي قديمي بتني تخريب و بجاي آن ساختمان‌هاي بلند جديد احداث شوند. در کشور ژاپن و چند کشور اروپايي که زمين و فضاي لازم براي ايجاد بنا ارزش ويژه‌اي دارد و همچنين براي جلوگيري از مسائل محيط‌زيستي که از تخريب ساختمانها ناشي مي‌شود و کاربرد مصالح آن در بناي جديد تحقيقات وسيعي در ساخت بتن با سنگدانه بازيافتي (خورد کردن بتن قديم و استفاده از آن بعنوان سنگدانه در بتن جديد) در حال انجام است. بعنوان مثال در کشور هلند هر سال حدود 10 ميليون تن مصالح ناشي از تخريب ساختمان‌هاي بتني که حدود 3/1 حجم بتن مورد نياز در ساخت ساختمانهاست، توليد مي‌شود. قرار است نيمي از اين مصالح در بتن‌هاي جديد استفاده شوند. در حال حاضر تحقيقات روي ميزان جمع‌شدگي و خزش و دوام اين بتن‌ها ادامه دارد تا در قرن بيست و يکم کاربرد وسيع‌تر آن را امکان‌پذير سازد.

 

بتن‌هاي با نرمي بالا

 

امروزه کاربرد بتن با نرمي بالاتر که بتواند تغيير شکل‌هاي زياد را بدون شکست تحمل نمايد، مورد توجه قرار گرفته است. تحقيقات وسيعي در خصوص تأمين نرمي لازم در بتن با الياف‌هاي مختلف و حتي حذف آرماتور در حال انجام مي‌باشد. هدف از کاربرد الياف در بتن افزايش مقاومت کششي، کنترل گسترش ترکها و افزايش طاقت (Toughness) بتن مي‌باشد تا قطعه بتني بتواند در مقابل بارهاي وارده در يک مقطع ترک خورده تغيير شکل‌هاي زيادي را پس از نقطه حداکثر تنش تحمل نمايد.

 

بتن با الياف مختلف در سالهاي اخير در سازه‌هاي عمده‌اي چون روسازي راهها و فرودگاه‌ها، بتن پي‌هاي عظيم با تغيير شکل‌هاي زياد و بويژه در پوشش بتني تونلها بکار رفته است. در ساخت پوشش تونلها بتن اليافي با پاشيدن بر جداره شکل مي‌پذيرد. اخيراً براي حذف ترکها در پوشش تونلهايي که بصورت چند تکه پيش ساخته اجرا مي‌شود از بتن بدون آرماتور و تنها الياف استفاده شده و اين نوع بتن سبب حذف ترکها در حين عمل‌آوري و حمل و نقل قطعات و نصب آنها براي کامل کردن مقطع تونلهاي مترو شده است.

 

در نوع بسيار جديد بتن اليافي که مي‌توان با آن به حداکثر نرمي در بتن رسيد از روش ريختن دوغاب روي الياف (SIFCON) استفاده مي‌شود. در اين روش ابتدا الياف ريخته شده و سپس فضاي بين آنها با ملات دوغابي پر مي‌شود. ميزان الياف در اين بتن حدود 10 درصد مي‌باشد که حدود 10 برابر ميزان الياف در بتن‌هاي اليافي متداول است. با اين مصالح لايه‌هاي محافظي بدون ترک و تقريباً غير قابل نفوذ مي‌توان ايجاد نمود. بعلت نرمي زياد اين قطعات ظرفيت تغيير شکل‌پذيري اين قطعات به ميزان ظرفيت دالهاي فولادي مي‌رسد. مقاومت فشاري اين نوع بتن حدود 110-85 مگاپاسکال و مقاومت خمشي حدود 45-35 مگاپاسکال مي‌باشد. از اين قطعات نه تنها مي‌توان بعنوان لايه‌هاي محافظ کوچک استفاده نمود، بلکه در باندهاي فرودگاه در برابر ضربات عملکرد خوبي نشان مي‌دهند. در کارهاي تعميراتي دالها مي‌توان از آنها بعنوان لايه روي بتن قديم و بدون درز و در زماني کوتاه استفاده نمود  ]4[.

 

آرماتورهاي غير فولادی در بتن

 

در سالهاي اخير استفاده محدودي از آرماتورهاي غير فلزي آغاز گشته است هر چند تحقيقات بر روي کاربرد وسيع‌تر آنها و عملکرد دراز مدت اين نوع آرماتورها ادامه دارد.   اين آرماتورها که معروف به آرماتورهاي با الياف پلاستيکي (FRP) هستند از الياف مختلفي چون الياف شيشه‌اي (GFRP)، الياف آراميدي (AFRP) و الياف کربني (CFRP) در يک رزين چسباننده تشکيل شده اند. در جدول 2 خواص مکانيکي چند آرماتور اليافي که کاربرد پيدا کرد‌ه‌اند‌، آورده شده است.

 

جدول - خواص مکانيکي الياف‌هاي مختلف

 

نوع الياف

           

 

مقاومت کششي (MPa)

           

 

کرنش نهايي (٪)

           

 

E (Gpa)

 

آراميد

           

 

3400-2700

           

 

4-5/2

           

 

165-73

 

شيشهE

           

 

3500

           

 

5-3

           

 

75

 

شيشه S

           

 

4500

           

 

5/5-5/4

           

 

87

 

کربن مدول پايين

           

 

3900-3200

           

 

6/1-1

           

 

250

 

کربن مدول بالا

           

 

2700-2300

           

 

6/0

           

 

400

 

خاصيت عمده اين آرماتوها که سبب کاربرد آنها شده است، مقاومت در برابر خوردگي آنهاست که مي‌تواند در محيط‌هاي بسيار خورنده دوام دراز مدتي داشته باشند. علاوه بر اين مقاومت بالا، مقاومت به خستگي بالا، ظرفيت بالاي تغيير شکل ارتجاعي، مقاومت الکتريکي زياد و هدايت مغناطيسي پايين و کم اين مواد از مزاياي آنها شمرده مي‌شود. البته اين مواد معايبي چون کرنش گسيختگي کم و شکننده بودن و خزش زياد و تفاوت قابل ملاحظه ضريب انبساط حرارتي آنها در مقايسه با بتن را به همراه دارند  ] 5[.

 

اخيراً از الياف مختلف شبکه‌هايي بافته شده و بصورت يک شبکه آرماتور در سطح بتن براي کنترل ترک و کم کردن عرض آن و همچنين در ديوارهاي نماي بتني از آن استفاده مي‌کنند. تحقيقات روي کاربرد صفحات اليافي بجاي صفحات فولادي براي تقويت قطعات خمشي و تيرها و دالها بويژه در پلها ادامه دارد. اين صفحات بارزين‌هاي اپوکسي به نواحي کششي از خارج اتصال داده مي‌شوند. کاربرد صفحات با الياف کربني براي اين تقويت بيشتر رايج گشته و در چندين پل در ژاپن و در بعضي کشورهاي اروپايي از آن استفاده شده است ]6[.

 

بتن‌هاي ابداعي

 

در بعضي موارد با تغيير در مواد تشکيل‌ دهنده بتن و با روش‌هاي ابداعي مي‌توان پاره‌اي از خواص نامطلوب بتن را حذف نمود. اين امر منجر به پيدايش بتن‌هاي خاص با خواص ويژه‌اي مي‌گردد. بعنوان مثال تغييراتي است که مي‌توان در ترکيب بتن‌هاي با مقاومت زياد که اين روزها کاربرد بيشتري پيدا مي‌کنند را نام برد. بتن‌هاي با مقاومت بالا معمولاً با سيمان زياد و نسبت آب به سيمان کم و اضافه و جايگزين نمودن سيمان با دوده سيليس ساخته مي‌شوند. در حين عمل هيدراسيون سيمان و سخت شدن اين بتن‌ها چون آب داخل بتن کافي نيستَ، مقداري آب از سطح خارجي به قسمت داخلي براي تکميل عمل فوق مي‌رسد. بنابراين بتن هاي با مقاومت زياد در ساعت اوليه سخت شدن دچار جمع‌شدگي ذاتي قابل ملاحظه‌اي مي‌شوند. ممکن  است اثرات منفي ديگري نظير حساسيت به ترک‌خوردگي بيشتر در اين بتن‌ها مشاهده شود. اين معايب را مي‌توان با روش ساده‌اي برطرف نمود. در يک عمل ابداعي مي‌توان حدود 25 درصد از حجم سنگدانه را با سنگدانه سبک وزن قبلاً خيس شده جايگزين نمود. اين سنگدانه‌ها باعث ايجاد ذخيره آب در بتن شده و محيطي با عمل‌آوري مرطوب فراهم مي‌سازند. نتيجه اضافه کردن سنگدانه پيش اشباع شده به بتن با مقاومت زياد، کاهش جمع‌شدگي ذاتي و کم شدن و حذف ترکهاي مويي خواهد بود. همچنين تراکم و دانسيته بالاي بتن‌هاي با مقاومت زياد سبب کاهش مقاومت در برابر آتش اين بتن‌ها مي‌شود که بعنوان يک عيب محسوب مي‌شود. در دماي بالا آب شيميايي خمير سيمان بخار شده ولي به علت متراکم بودن بتن با مقاومت زياد نمي‌تواند از آن خارج شود. در نتيجه پوشش بتني بصورت ورقه جدا شده و ظرفيت بارپذيري ستون کاهش مي‌يابد. در يک کار ابداعي مي‌توان الياف پروپيلني به بتن اضافه نمود. در دماي بالا الياف ذوب شده و کانالهايي براي فرار و خروج بخار آب از بتن فراهم مي‌سازند و از ورقه ورقه شدن بتن جلوگيري بعمل مي‌آورند ]7[.

 

نتيجه‌گيري

 

در سالهاي اخير تحول عظيمي در تکنولوژي بتن و پيدايش بتن‌هاي جديد صورت گرفته است. اين تحولات به پيدايش بتن‌هاي با مقاومت بسيار زياد، بتن‌هاي با نرمي بالا، بتن‌هاي با آرماتورهاي غيرفلزي، بتن با کارايي بسيار زياد، بتن با سنگدانه‌هاي بازيافتي و بتن‌هاي ابداعي منجر شده است. بايد اذعان نمود که نتايج تحقيقات سالهاي آخر قرن حاضر و ادامه آنها در قرن جديد مي‌تواند نگرش تازه‌اي به بتن بعنوان يک ماده ساختماني پرمصرف بدهد. اين نتايج منجر خواهد شد تا ديدگاه بتن بعنوان تنها يک ماده با مقاومت فشاري خوب به کلي دگرگون شده و خواص جديد بتن‌هاي نوين نظر اکثر دست اندرکاران پروژه‌هاي عظيم عمراني را در جهان بخود معطوف سازد.

 

فهرست مراجع

 

[1] “ Norwegian standard NS3473, concrete structures, Design rules”, Oslo, 1989.

 

[2] H. Okamura, “Self compacting high performance concrete”, Ferguson Lecture at ACI convention (New Orleans), November 1996.

 

[3] H. Okamura and K.Ozawa, “Mix design for Self compacting concrete”, Concrete library international, Japan, No. 25, Dec. 1995.

 

[4] G. Konig et. Al., “New concepts for high performance concrete with improved ductility”, proceedings of the 12th FIP congress on challenges for concrete in the next millennium, Netherlands, 1998, pp. 49-53.

 

[5] A. Nanni, “Fiber-reinforced plastic (FRP) reinforcement for concrete structures: properties and applications”, Elsevier, London, 1993.

 

[6] Taerwe, “Non-Metallic (FRP) reinforcement for concrete structures”, RILEM proceedings, No. 29, E & FN Spon, London, 1995.

 

[7] R.Breitenbucher, “High strength concrete C 105 with increased fiber resistance due to polypropylene fibers”, 4th international symposium on the utilization of high strength-high performance concrete, Paris, May 1996, pp 571-577

 

             

Banner