بخشی از مقاله
بتن فروسیمانی و کاربرد آن در سازه ها
چکیده :
امروزه با پیشرفت روزافزون تکنولوژی و ایجاد نیازهای جدید بشری و همچنین اهمیت ویژه مسائل اقتصادی و معماری ، استفاده از مصالح و فناوری های نوین ، اجتناب ناپذیر می نماید . در این راستا فناوری بتن فروسیمانی با خواص منحصر بفرد خود ، بسیار جذاب و پرکاربرد می باشد . خواصی همچون مقاومت در برابر ترک خوردگی و همچنین مقاومت کششی بیشتر نسبت به جرم در مقایسه با بتن مسلح معمولی و نیز سازگاری با محیط زیست ، مقاومت برابر آتش ، عایق بودن در برابر آب و صرفه جویی در زمان و هزینه ساخت و ایضا توانایی ایجاد فرم های هندسی پیچیده ، این فناوری را ممتاز ساخته و باعث کاربرد فراوان آن در ساخت مخازن ، ترمیم سازه ها ، سازه های با فرم پیچیده معماری ،پانل های فروسیمانی و پوشش نما ، واحد های مسکونی ، سقف های پوسته ای، گنبد، سیلوها ،استخر های شنا و قایق های ماهیگیری گردیده است. در این مقاله سعی گردیده است ،ضمن معرفی ساختار و خواص بتن فرو سیمانی، به موارد کاربرد آن پرداخته شود.
کلمات کلیدی : بتن فرو سیمانی ، مقاومت برابر ترک خوردگی ، مخازن بتنی ، مش فلزی
-1 مقدمه :
در حال حاضر سازه های بسیاری در دنیا از فرو سیمان ساخته شده ا ند مانند : سقف های پوسته ای، گنبد ها ، مخازن هوایی و زیر زمینی آب ، سیلوها ، استخر های شنا ، قایق های ماهیگیری. همچنین در بعضی از سازه ها به علت فرم خاص معماری و پیچیدگی آن از فرو سیمان ها استفاده می گردد. همچنین باتوجه به اینکه اکثر کشورهای در حال توسعه با مشکلاتی نظیر کمبود مصالح و منابع و همچنین کمبود مسکن مواجه هستند، فروسیمان به عنوان یک فناوری کم هزینه و سازگار با محیط زیست می تواند در این زمینه کاربرد فراوانی داشته باشد. یکی دیگر از کاربرد های به روز این سیستم استفاده در پانل های فرو سیمانی و پوشش نما می باشد. ضمن اینکه در بحث ترمیم و مقاوم سازی نیز نظیر مقاوم سازی تیرها ، ستونها ، دالها و ابنیه قدیمی با مصالح بنایی بسیار کاربرد موثری دارند. کاربرد فروسیمان بویژه در سازه ها و یا عناصر سازه ای که برای آن نیاز به مهارت ویژه ای نیست ، بسیار متکثر است .
زیر ساخت ساخت فکر دستیابی به فرو سیمان را می توان درک صحیح از مفهوم سطح مخصوص در بتن مسلح دانست ، بدین مفهوم که در عمل محققین دریافتند که مقاومت سازه رابطه مستقیمی با سطح فولادی که با بتن درگیر است ، خواهد داشت . لذا هر چه میزان این سطح مخصوص بیشتر باشد ، مقاومت آن در برابر اعمال بارها بویژه مقاومت کششی و خمشی و مقاومت در برابر ترک خوردگی افزایش پیدا می کند و بالطبع کمک شایانی برای جلوگیری و کنترل ترک نیز خواهد بود . از این رو اندیشه استفاده از تعداد زیادتر تسلیحات قوت یافت و بدلیل محدود بودن حجم سازه ، بکارگرفتن تعداد بیشتر تسلیحات هنگامی عملی می گردد که فولاد ها از قطر کمتری برخوردار باشند . به عبارت دیگر مسلح سازی با فولاد هایی با قطر بسیار کوچک صورت می پذیرد و طبیعتا سطح مخصوص با این شیوه افزایش خواهد یافت . از طرف دیگر یکسان عمل نمودن سازه و یا المان فرو سیمانی در مقابل بارگذاری از جهات مختلف ، مستلزم وجود تسلیحات در دو جهت خواهد بود که نتیجه این عمل ، المانی را حاصل می نماید که در دو جهت فولاد هایی با قطر کوچک در بر دارند و چون در عمل چنین فولادگذاری ( با توجه به قطر کوچک آن) ، مستلزم صرف وقت زیاد و بسیار خسته کننده می باشد ، الزاما به یک شبکه فلزی که سیم های آن به یکدیگر بافته شده و یا جوش داده شده باشند ، دست می یابیم که به آن شبکه های فلزی ، مش می گوییم.
-2 تعریف فرو سیمان:
فروسیمان یک المان نازک کامپوزیتی است که از مش های فلزی مسلح کننده و سیمان و آب و مصالح سنگی ریز دانه به همراه مواد افزودنی مانند میکرو سیلیس و خاکستر بادی تشکیل شده است و بعلت ساختار منحصر بفرد خود ، دارای مقاومت در برابر ترک خوردگی بیشتر و همچنین مقاومت کششی بیشتر نسبت به جرم ، در مقایسه با بتن مسلح معمولی می باشد. ضمن اینکه خواص ویژه ای مانند سازگاری با محیط زیست ، مقاومت برابر آتش ، عایق بودن در برابر آب و صرفه جویی درهزینه و زمان ساخت آنرا به یک تکنولوژی خاص ، تبدیل کرده است .
شکل - 1 اجزای بتن فرو سیمانی
-3 اجزا تشکیل دهنده فرو سیمان :
-1-3 مصالح سنگی:
در فرو سیمان ها باید از مصالح ریزدانه با قطر کمتر از 2,36 میلیمتر استفاده شود و باید دارای دانه بندی مناسبی باشد. ضمن اینکه سنگدانه ها باید از نمک عاری باشند و ترجیحا از مصالح رودخانه ای و عاری از مواد مضر و آلی باشد .و همچنین طبق آیین نامه بتن آمریکا
( ACI 549R ) ، استفاده از سنگدانه طبیعی با قطر حداکثر معادل یک سوم چشمه شبکه مش ما را نسبت به حصول تراکم مناسب مطمئن می سازد . میزان رطوبت مورد نیاز دانه ها نیز باید در محاسبه میزان آب مورد نیاز لحاظ گردد .
-2-3 مش های فلزی مسلح کننده :
مش های فلزی بصورت متعدد و یکپارچه هستند و باعث می شوند تا توزیع نیرو بصورت یکنواخت و پیوسته در سازه اتفاق بیافتد و از ترد و شکننده شدن مقطع جلو گیری گردد و همچنین باعث می گردند تا در مقایسه با بتن مسلح معمولی مشابه ، مقاومت بیشتری حاصل گردد .
مش های فلزی به دو دسته سیمی و گسترده تقسیم می گردند:
-1-2-3 مش های سیمی :
مش های سیمی در دو دسته مربعی و شش ضلعی موجودند . مش های شش ضلعی به اندازه مش های مربعی کاربرد ندارند اما با این حال بسیار شکل پذیرند و می توانند حتی در اعضای دو قوسی کاربرد داشته باشند .
مش های مربعی نیز در دو نوع جوشی و بافته شده موجودند . مش های سیمی جوشی ، از سیم های مستقیم طولی و عرضی که به هم جوش شده اند ساخته شده اند و به همین علت ضخامت آنها دو برابر قطر سیم می باشد . مش های سیمی بافته شده از سیم های مستقیم طولی و عرضی که به هم بافته شده اند ، ساخته شده است . بر اساس نحوه بافته شدن سیم ها به یکدیگر ممکن است حتی دارای ضخامتی بیش از سه برابر قطر سیم هم باشند .
مش های سیمی جوشی ، سختی بیشتری نسبت به مش های بافته شده دارند و به همین خاطر سازه های فرو سیمانی ساخته شده از آنها ترکهای ریزتری خواهند داشت . با این وجود مش های بافته شده ، انعطاف پذیرترند و استفاده از آنها راحت تر می باشد .
مش های سه بعدی هم موجودند . در این نوع مش ، سیم ها به گونه هی به یکدیگر متصل می شوند که ضخامت مش به پنج برابر ضخامت سیم هم می رسد . این مش ها به اندازه ای ضخامت دارند که در بسیاری از موارد تنها یک لایه از آنها نیز کافی است . استاندارد دقیقی در رابطه با مشخصات مکانیکی مش های فولادی در دسترس نیست با این وجود جدول 1 که از آیین نامه ACI 598 استخراج شده است پیشنهاد می گردد .
جدول 1 مشخصات مکانیکی مش ها
3
-2-2-3 مش های گسترده :
مش های گسترده معمولا از پهن کردن ورقه های فولادی و سوراخ کردن آنها بدست می آید . مش های گسترده گزینه مناسبی برای استفاده در سیلوها و مخازن فرو سیمانی هستند .مش های گسترده مقاومتی به اندازه مش های سیمی جوش شده از خود نشان می دهند و عملکرد بسیار خوبی در کنترل ترک دارند . با این وجود برای بعضی کاربردها مانند قوس های تند و یا شکستگی در هندسه سازه مناسب نیستند . مشخصات مکانیکی آنها نیز در جدول 1 آمده است .
-3-3 مواد افزودنی :
در بسیاری از کشور های جهان از میکرو سیلیس و خاکستر بادی بعنوان افزودنی های سیمان استفاده می شود . یکی از عمده ترین دلایل استفاده از آنها کاهش مصرف سیمان می باشد . اما علاوه بر آن خصوصیات مثبت دیگری از جمله افزایش مقاومت و افزایش پایایی و همچنین کاهش سرعت و حرارت هیدراتاسیون ، عوامل دیگر استفاده از آنها می باشند. البته در استفاده از میکرو سیلیس باید توجه داشت که بعلت زبری دانه های آن و، نیاز به آب افزایش می یابد و باعث کاهش اسلامپ و کارایی بتن می گردد و پیرو آن استفاده از فوق روان کننده ها ضروری می نماید .
-4-3 سیمان :
در فرو سیمان معمولا از سیمان پرتلند استفاده می شود . اما باید در نظر داشت که با توجه به شرایط محیطی سازه باید از تیپ مرتبط و مناسب استفاده شود . (تیپ 1 الی ( 5
-5-3 آب :
طبق استاندارد( (ACI 549 آب مورد استفاده باید تازه و تمیز باشد و دارای PH مساوی و یا بیشتر از 7 باشد. ضمنا آب مصرفی باید عاری از نمک ، روغن ، شکر و مواد اسیدی باشد .
-4 ویژگی های اجرایی فروسیمان ها : -1-4 نیاز به فضای کم جهت انبارداری :
در مقایسه با سازه های بتن مسلح معمولی ، فرو سیمان به فضای انبارداری کمتری نیاز دارد . که این نیاز کمتر به دلیل حجم کمتر سازه و بالطبع نیاز کمتر به مصالح مصرفی از جمله سنگدانه و سیمان و آب و آرماتور و همچنین عدم نیاز به قالب های سنگین و متعدد ، می باشد.
-2-4 عدم نیاز به نیروی کار خیلی ماهر :
با توجه به جزئیات اجرایی فرو سیمان ها و عدم پیچیدگی آن ، استفاده از نیروی کار خیلی ماهر ضرورت پیدا نمی کند .
-3-4 نحوه قرارگیری شبکه های مش :
بر مبنای نیازهای مشخص شده در طراحی سازه ، نحوه قرارگیری یک یا چند لایه شبکه مش و نحوه برش و خم و نیز اتصال آنها بسیار با اهمیت می باشد و مورد توجه جدی باید قرار گیرد .
-4-4 طراحی و اجرای ماتریس ملات سیمان :
ملات ترکیبی از سیمان و ماسه طبیعی و آب و احتمالا مواد افزودنی می باشد که در آن نسبت سنگدانه به سیمان و آب به سیمان از پارامترهای مهم حاکم بر آن می باشد . ماتریس ملات جهت مقاومت مناسب و حداکثر دوام و نفوذ ناپذیری و حداقل رساندن حفره ها و همچنین جلوگیری از ترک خوردگی ، طراحی می گردد. در این سیستم ، پوشش شبکه مش به میزان حداقل 3 میلیمتر (به علت نازک بودن اعضاء) و میزان
4
نفوذ ملات به داخل شبکه مش ، نقش حیاتی ایفا می کند و این پوشش از طریق شاتکریت کردن ملات و یا از طریق دستی حاصل می گردد که در جلو گیری از خوردگی شبکه مش و دوام آن نقش اساسی دارد .
-5-4 مراقبت و نگهداری :
همانند بتن مسلح معمولی در این سیستم نیز بحث مراقبت و نگهداری بسیار با اهمیت می باشد . مدت زمان نگهداری معمول توصیه شده 28 روز می باشد که میزان حداقل آن به مدت دو هفته پس از گذشت 24 ساعت از ملات پاشی اولیه می باشد که به جهت جلوگیری از ایجاد ترکهای انقباضی ، الزامی می باشد .
-5 تفاوت فرو سیمان و بتن مسلح معمولی :
الف) ضخامت فرو سیمان بسیار کمتر از بتن معمولی می باشد.
ب) در فرو سیمان از شبکه مش در دو جهت صفحه استفاده می شود که باعث بهبود بسیاری از خواص آن می گردد.
ج) در فروسیمان از مصالح ریزدانه بجای سنگدانه های درشت دانه در ماتریس ملات استفاده می شود ، و استفاده از مصالح با کیفیت بالاتر و ترجیحا افزودنی های مناسب توصیه می شود .
-6 قابلیت جایگزینی فرو سیمان با بتن مسلح معمولی :
به علت خواص و مزایای ذیل فروسیمان می تواند جایگزین مناسبی جهت بتن های مسلح معمولی درساخت و ساز های آینده باشد :
- عناصر فرو سیمان قابلیت شکل پذیری و سفتی زیاد و مقاومت زیاد در برابر ضربه و ترک خوردگی دارند .
- با توجه به ساختار باریک و سبک فروسیمان نسبت به بتن مسلح معمولی ،کاهش قابل توجه وزن ساختمان و صرفه جویی در مصرف مصالح و منابع طبیعی و کمک شایان به حفظ منابع طبیعی را در بر خواهد داشت .
- امکان ساخت به اشکال مختلف و ترکیبات مختلف وجود دارد و همچنین پیش ساختگی برای اعضای نازک فروسیمانی مناسب می باشد
و پروسه تولید انبوه ، در کارخانه می تواند صورت پذیرد .
- با توجه به امکان حذف قسمتی از قالب ، صرفه جویی قابل توجهی در هزینه قالب بندی مخصوصا در سازه های پیچیده و ویژه صورت خواهد پذیرفت .
- با توجه به حجم کمتر مصالح مصرفی و قالب ها در این سیستم در مقایسه با بتن مسلح معمولی ، فضای انبار داری کمتری مورد نیاز
می باشد .
- فرو سیمان به علت خاصیت نفوذ ناپذیری برای مخازن آب بسیار مناسب می باشد .
- سازه فرو سیمانی به راحتی نگهداری می شود و در صورت آسیب ساختاری ، بدون مشکل خاصی ترمیم می شود .
-7 کاربرد فرو سیمان :
-1-7 ترمیم و بازسازی و مقاوم سازی سازه ها :
در سالهای اخیر استفاده از فرو سیمان در ترمیم و مقاوم سازی رواج یافته است . در مقاطع مختلف سازه ای نظیر ستون ، تیر ، دال و دیوار برشی و همچنین برای مقاوم سازی سازه های بنایی از این تکنولوژی می توان استفاده نمود .
-1-1-7 استفاده از ژاکت فروسیمانی در مقاوم سازی ستون ها :
در هنگام وقوع زلزله تشکیل مفاصل پلاستیک در ستونها دور از انتظار نیست ؛ خصوصا در طبقات پایین قابهای چند طبقه و یا پلها که به علت مقاومت ستونها در برابر نیروهای نسبتا بزرگ لرزه ای ، دچار آسیب دیدگی می شوند .یک روش موثر برای جبران این صدمات محصور کردن سطوح خارجی این ستونها بوسیله ژاکت های فرو سیمان می باشد .
-2-1-7 مقاوم سازی سازه های بنایی :
با توجه به اهمیت حفظ آثار باستانی و فرهنگی و جلوگیری از تخریب کلی سازه روش فروسیمان در این زمینه به شدت کارا می نماید .
-3-1-7 مقاوم سازی تیر ها و دالها و دیوارهای برشی :
سیستم فرو سیمان به علت ساختار آن و همچنین قابل انعطاف بودن در مقاوم سازی و ترمیم تمام مقاطع سازه ای دارای کاربرد می باشد.
-2-7 ساخت مخازن :
تا کنون روشهای گوناگونی جهت ساخت مخازن آب پیشنهاد گردیده است ؛ بسیاری از آنها به علت مشکلات اجرایی و هزینه های سنگین مورد استقبال قرار نگرفته اند ، اما مخازن جدار نازک فرو سیمانی به دلیل اجرای فوق العاده سریع و آسان و سریع و همچنین عملکرد مناسب در طول دوره بهره برداری مورد اقبال عمومی قرار گرفته اند . تراکم زیاد و فرم مش های مسلح کننده در این سیستم باعث رفتار شکل پذیرتر آنها به نسبت سازه های بتن مسلح معمولی گردیده است . در مورد رفتار سازه های فروسیمانی و اثر مش های مسلح کننده بر آن تحقیقات مناسبی صورت گرفته است . از جمله موارد اثبات شده ، نسبت معکوس افزایش فاصله سیم های مش به مقاومت ترک خوردگی می باشد .
-3-7 اجرای سازه های خاص با معماری های پیچیده :
یکی دیگر از موارد کاربرد فرو سیمان ها در سازهای به فرم خاص و پیچیده معماری می باشد که به علت انعطاف پذیر بودن فرو سیمانها و ساختار خاص آن امکان پذیر می باشد.
