بخشی از مقاله
بررسـی اسـتانداردهای سـاخت نمونه های آزمایشـگاهی روسـازی بتن غلتکی با
اسـتفاده از میز وی بی (Vebe)
چکیده
در کشور ما سالیانه صدها میلیارد تومان برای تامین روکش آسفالت خیابان ها هزینه می شود و این روسازیغالباًپس از گذشت یک تا پنج سال نیاز به بهسازی خواهد داشت. پس از گران شدن قیر و افزایش تولید سیمان در کشور حرکت به سمت تولید روسازی بتنی ملموس می باشد. از این میان، روسازی بتن غلتکی((RCCP به دلیل مزایایی همچون امکان به کارگیری مصالح با کیفیت پایین تر، عدم نیاز به تجهیزات خاص، قابلیت استفاده از ماشین آلات عمومی راهسازی، اجرای سریعتر و مزایای اقتصادی از جایگاه ویژه ای برخوردار است. بتن غلتکی به دلیل کارایی بسیار پایین آن بسیار خشک می باشد، لذا روش های معمول تعیین روانی و کارآیی نظیر آزمایش اسلامپ و همچنین روش های متعارف ساخت نمونه های آزمایشگاهی برای این نوع بتن قابل کاربرد نیست. روشی که برای اندازه گیری کارایی بتن غلتکی توسعه یافته است روش تعیین روانی با آزمایش وی بی اصلاح شده بر اساس استانداردهای USBR و USACE و جزئیات آن در ASTM می باشد. در این پژوهش ضمن بررسی ضوابط انتخاب مصالح سنگی با استفاده از آیین نامه های ACI ، SCDOT و نشریه 345 معاونت برنامه ریزی و نظارت راهبردی، به ارزیابی استانداردهای تعیین قوام و چگالی و ساخت نمونه های بتن غلتکی در قالب های استوانه ای براساس استانداردهای ASTM پرداخته می شود.
واژگان کلیدی: روسازی بتن غلتکی، میز وی بی، ساخت نمونه های آزمایشگاهی، قوام و چگالی
-1 مقدمه
بطور کلی سه نوع روسازی اصلی با عنوان روسازی انعطاف پذیر)1آسفالتی)، روسازی صلب2 (بتنی) و روسازی مرکب3 موجود می باشد. روسازی بتنی از بتن حاوی سیمان پرتلند ساخته می شود. اولین روسازی بتنی در دیترویت میشیگان4 در آمریکا در سال 1908ساخته شد.
برای طراحی روسازی بتنی به جای تئوری لایه ها که در طراحی روسازی انعطاف پذیر استفاده می شود از تئوری صفحات استفاده می گردد. تئوری صفحه در واقع همان حالت ساده شده تئوری لایه ها است که فرض می کند دال بتنی یک صفحه
تقریباً ضخیم است که قبل از خمش وارده به آن مسطح بوده و پس از خمش نیز به حالت مسطح باقی خواهد ماند.
اگر چنانچه بارگذاری ناشی از بارهای چرخ فقط در قسمت میانی یک دال اعمال گردد هم تئوری لایه ها و هم تئوری صفحه می تواند مورد استفاده قرار گیرد و بایستی هر دو منجر به مقادیر مشابهی کرنش یا تنش خمشی گردند. وجود درزها نیز در روسازی بتنی استفاده از تئوری لایه ها را غیر ممکن می سازد. شکل زیر تیپ یک روسازی بتنی را در حالت کلی نشان می دهد، همان طور که در شکل دیده میشود در زیر دال بتنی، اساس و یا زیر اساس ممکن است قرار گیرد و یا اینکه دال بتنی مستقیماً برروی سابگرید قرار داده شود.
شکل (1 تیپ عمومی روسازی بتنی
درگذشته روسازی بتنی مستقیما برروی بستر ساخته می شد ولی با افزایش حجم و وزن ترافیک و بوجود آمدن پدیده پامپینگ استفاده از اساس دانه ای املاک ً متداول شده است. مهمترین دلایل استفاده از اساس در روسازی بتنی به قرار زیر می باشد.
✓ کنترل پدیده پامپینگ (پامپینگ عبارت است از خروج آب وخاک بستر از میان درزها، ترک ها و در طول کناره های روسازی که در اثر حرکت دال بتنی به سمت پایین به موجب بارهای محوری سنگین رخ می دهد.
✓ کنترل یخ زدگی
✓ بهبود زهکشی
✓ کنترل انقباض و تورم
✓ سهولت و تسریع در عملیات ساخت
اولین کاربرد روسازی بتن غلتکی به عنوان روسازی کامل و بدون نیاز به لایه روکش در ساخت محوطه ای برای کارخانجات چوب و الوار با بارگذاری سنگین در ونکوور در سال1970 میلادی بود. نتایج موفقیت آمیز این پروژه باعث شد که از آن زمان روسازی بتن غلتکی برای ساخت روسازی محوطه های صنعتی کاربرد وسیعی در کانادا داشته باشد.1]و[3
شکل (2 پدیده پامپینگ در روسازی صلب
-2 مصالح مصرفی
1-2 کلیات
مقاومت طراحی، نیازهای پایایی و نحوه بهره برداری رویه بر انتخاب مصالح مصرفی تاثیرگذار می باشد. مواد اصلی ساخت روسازی بتن غلتکی شامل آب، مواد سیمانی( سیمان و خاکستر بادی) و مصالح ریزدانه و درشت دانه می باشد. عموماً قیمت مصالح مصرفی در ساخت این روسازی در حدود مصالح مصرفی در بتن معمولی می باشد. اگرچه می توان به دلیل کمتر
بودن مواد سیمانی در روسازی بتن غلتکی نسبت به روسازی بتن معمولی، مقداری از هزینه ها را صرفه جویی کرد.
2-2 مصالح سنگی
مصالح سنگی در حدود 75 تا 85 درصد حجم روسازی بتن غلتکی را تشکیل می دهند و در نتیجه تاثیر بسزایی بر خواص بتن تازه و سخت شده می گذارند. انتخاب درست و مناسب سنگدانه ها می تواند موجب بهره اقتصادی بیشتر در ساخت
و افزایش عمر بهره برداری این روسازی گردد. در مخلوط بتن غلتکی تازه، خواص مصالح سنگی بر کارپذیری مخلوط و تمایل آن به جداشدگی و نیز کیفیت تراکم توسط غلتک های لرزه ای تاثیرگذار می باشد.مقاومت، مدول الاستیسیته، خواص حرارتی
و پایایی بتن سخت شده نیز موثر از خواص مصالح سنگی می باشند.
مصالح سنگی مورد استفاده در روسازی بتن غلتکی شامل ریزدانه ها (رد شده از الک 4/75 میلیمتر) و درشت دانه می باشد. همچنین می توان در پروژه های بزرگ، مخلوط سنگدانه ها را در یک محل انباشته نمود. درشت دانه ها معمولا دارای سنگدانه های شکسته نشده و یا خرد نشده، سنگ های شکسته شده و یا ترکیبی از هر دو می باشند. ریزدانه نیز می تواند شامل ماسه طبیعی، ماسه شکسته و یا ترکیبی از هر دو باشد.
برای تولید روسازی بتن غلتکی با کیفیت خوب، سنگدانه ها باید شامل ذرات سخت و پایا بوده و کیفیت هر ذره باید بر اساس استاندارد ASTM C33 آزمایش گردد. اگر کیفیت خیلی خوب از روسازی مورد نیاز نباشد، می توان تا زمانی که نیازهای طراحی ارضا می گردند، از سنگدانه اهی ضعیفتر و حتی آنهایی که از استاندارد مذکور مردود می باشند، استفاده نمود.
رویه بتن غلتکی شامل شن غیرشکسته، معمولاً نیاز به آب کمتری برای رسیدن به روانی مناسب نسبت به شن و یا سنگ شکسته دارد. رویه بتن غلتکی حاوی شن یا سنگ شکسته ممکن است نیازمند انرژی تراکم بیشتر ولی احتمال جداشدگی کمتری باشد، همچنین در زمان تراکم پایدارتر بوده و مقاومت خمشی بیشتری نیز دارد.
بتن غلتکی تازه، چسبندگی بتن های معمولی را ندارد و در نتیجه جداشدگی سنگدانه ها موضوع مهمی می باشد. شاید با افزایش حداکثر اندازه سنگدانه ها صرفه اقتصادی پروژه بیشتر گردد. افزایش حداکثر اندازه سنگدانه ها موجب کاهش فضای خالی بین سنگدانه ها شده و در نتیجه نیاز به ملات کمتر می شود. با این وجود، برای به حداقل رساندن احتمال جداشدگی
سنگدانه ها در طول زمان جابه جایی، ریختن بتن غلتکی و همچنین رسیدن به سطح نسبتاً هموار، حداکثر اندازه سنگدانه ها نباید از 19 میلیمتر بیشتر گردد.
اگر سنگدانه ها (ریزدانه و درشت دانه) قبلاً با همدیگر مخلوط شده و مخلوط آن ها در محلی از پروژه نگهداری می گردد، احتمال جداشدن سنگدانه ها وجود دارد و باید تمهیدات خاصی را نسبت به نگهداری و حمل مخلوط سنگدانه در نظر گرفت. دانه بندی سنگدانه های مصرفی در روسازی بتن غلتکی شامل سنگدانه ای دانه بندی شده مورد استفاده در بتن معمولی و یا مصالح سنگی خام دانه بندی نشده، می باشد اگر در پروژه ای، هموار بودن و صافی راه در هر دو جهت طولی و عرضی جاده مهم و مورد نیاز باشد، استفاده از مصالح خوب دانه بندی شده که حداکثر چگالی را داشته باشند، توصیه می گردند.
محدوده دانه بندی مناسب مورد استفاده در تولید رویه بتن غلتکی قابل قبول بر طبق نشریه شماره 354 برنامه بودجه در(شکل(3 ارائه شده است. استفاده از ریزدانه غیرپلاستیک رد شده از الک شماره 75) 200 میکرون) می تواند برای کاهش فضای خالی بین سنگدانه، استفاده گردد. اگرچه باید تاثیر آن بر خواص بتن تازه و سخت شده در زمان تعیین نسبت های اختلاط در آزمایشگاه مورد بررسی قرار گیرد.
شکل(3 محدوده منحنی دانه بندی متداول برای بتن غلتکی بر طبق نشریه [1] 354
انجمن بتن امریکا نیز با ارائه گزارشی در مورد روش های طرح روسازی بتن غلتکی محدوه ای را برای دانه بندی مصالح سنگی ارائه داده است که در (شکل)4 نشان داده شده است. این محدوده دانه بندی کاملاً منطبق بر محدوده دانه بندی ارائه شده توسط نشریه 354 می باشد. همچنین اداره حمل و نقل کارولینای جنوبی نیز در سال 2001 در پیش نویسی مربوط به مشخصات روسازی بتن غلتکی محدوده دانه بندی به صورت مصالح خوب دانه بندی شده ای را ارائه داده است که در (شکل(5 ارائه شده است.
شکل(4 محدوده متداول دانه بندی RCC بر طبق([4] (ACI 325.10R
شکل(5 محدوده دانه بندی RCC بر طبق([5] (SCDOT, 2001
با توجه به بررسی های صورت گرفته در محدوده های دانه بندی، در صورتی که از حد پایین آیین نامه بتن امریکا و نشریه 345 بهره برده شود می توان مصالحی در رنج حدودی دانه بندی طبق کارولینای جنوبی را داشته که منجر به ارضا نمودن الزامات دانه بندی طبق آیین نامه های مذکور خواهد شد. (جدول(1 و (شکل(6 محدوده متداول دانه بندی بتن غلتکی بر طبق ACI و SCDOT را در مقایسه با یکدیگر نشان می دهد.
جدول(1 محدوده دانه بندی توصیه شده توسط ACI و 4] SCDOTو[5
درصد تجمعی عبوری از الک
شکل(6 مقایسه حد بالا و پایین دانه بندی متداول برای بتن غلتکی بر طبق ACI و SCDOT
3-2 مواد سیمانی
مواد سیمانی مورد استفاده در بتن غلتکی شامل سیمان پرتلند و یا سیمان آمیخته و همچنین پوزولان ها و یا سرباره می باشد. انتخاب نوع سیمان مصرفی باید براساس مقاومت فشاری مورد نظر و نیز زمان و سن رسیدن به این مقاومت باشد. همچنین در خصوص پایایی رویه ها باید مطابق استانداردها، محدودیت های موجود برای آنالیز شیمیایی سیمان ها رعایت گردد.
در اکثر پروژه های اجرا شده تا کنون، از سیمان پرتلند نوع یک و یا دو و نیز خاکستر بادی کلاس F و یا C استفاده شده است. استفاده از خاکستر بادی در این روسازی موجب افزایش ریزدانه برای بهبود تراکم خصوصاً در بتن هایی که از دانه بندی بتن معمولی استفاده کرده اند، می گردد. خاکستر بادی عموماً بین 15 تا 20 درصد حجمی مواد سیمانی را تشکیل می دهد.
انتخاب و استفاده از هر گونه پوزولان در مخلوط بتن غلتکی باید براساس استانداردهای مربوطه، عملکرد آن در بتن و در دسترس بودن برای محل پروژه باشد . نحوه و دستورالعمل استفاده از پوزولان ها و سایر مصالح ریزدانه معدنی در بتن در گزارش ACI 226R توضیح داده شده است.
-3 طرح اختلاط
طرح اختلاط بتن غلتکی به دلیل کم بودن روانی و قوام5 بتن تازه و متفاوت بودن دانه بندی با بتن معمولی و متداول متفاوت است. از تفاوت های اولیه بین نسبت های اختلاط در بتن غلتکی و بتن معمولی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. معمولاً بتن غلتکی دارای هوای محبوس شده نمی باشد
2. مقدار آب در بتن غلتکی روسازی کمتر است.
3. مقدار ملات در آن کمتر است.
4. عموماً در آن نیاز به مقدار بیشتری ریزدانه می باشد. این موضوع به دلیل رسیدن به دانه بندی مناسب برای عملیات تراکم توسط غلتک لرزه ای می باشد.
5. حداکثر اندازه سنگدانه در بتن غلتکی راه معمولاً کوچکتر از 19 میلی متر می باشد. دلیل این امر، به حداقل رساندن
جداشدگی و رسیدن به سطح نسبتاً هموار و صاف می باشد.
مقدارسبتاًن زیاد مواد سیمانی و مصالح با کیفیت، وجه تمایز بتن غلتکی و خاک های تثبیت شده با سیمان می باشد. برای تراکم کافی و مناسب بتن غلتکی، مخلوط بتن باید به اندازه ای خشک باشد که بتواند وزن غلتک ها را تحمل کند و همچنین به قدری مرطوب باشد که اجازهی پخش شدن ملات را در حجم مصالح در زمان عملیات تراکم بدهد. ظاهر اولیه بتن پیش از تراکم که مناسب تراکم توسط غلتک های لرزه ای باشد، بسیار متفاوت از ظاهر بتن معمولی و متداول است.در بتن غلتکی پیش از تراکم، مقدار کمی ملات مشاهده می گردد.
روش های مختلفی برای تعیین نسبت های اختلاط بتن غلتکی وجود دارد. این روش ها را می توان به دوگروه کلی طبقه بندی کرد:4] و[1
1. طرح اختلاط براساس آزمایش های قوام بتن
2. طرح اختلاط براساس آزمایش های تراکم خاک
5 Consistency
1-3 طرح اختلاط براساس آزمایش های قوام بتن (استاندارد )ASTM C1170-06
این روش براساس رسیدن به کارایی6 بهینه و با توجه به مقاومت هدف بتن غلتکی و با استفاده از دستگاه وی بی انجام می گیرد. دستگاه وی توسط گروه مهندسین ارتش امریکا و سازمان آبادانی برای استفاده در بتن غلتکی مورد استفاده در راهسازی اصلاح گردیده است.
زمان وی بی اصلاح شده وابسته به مقدار آب، حداکثر اندازه سنگدانه، مقدار ریزدانه و مقدار ذرات رد شده از الک شماره 200 می باشد. استفاده از روش وی بی اصلاح شده برای مخلوط های حاوی بیش از 5 درصد ذرات رد شده از الک شماره 200، می تواند سخت بوده و نتایج دقیقی ندهد زیرا نمایان شدن ملات سیمانی در سطح نمونه ها در زیر بار سربار در این مخلوط ها، کاری دشوار است.
تعیین نسبت های اختلاط بوسیله آزمایش های قوام، معمولاً نیازمند ثابت نگه داشتن پارامترهای اختلاط مانند مقدار آب، مقدار مواد سیمانی و یا مقدار مصالح سنگی و سپس تغییر دادن یک پارامتر برای رسیدن به مقدار قوام مورد نیاز می باشد. در این روش، هر یک از پارامترها برای رسیدن به طرح اختلاط مورد نظر، بهینه می گردند.
-4 ابزار آزمایش
1-4 دستگاه وی بی
این دستگاه شامل یک میز لرزه با فرکانس و دامنه مشخص و یک محفظه فلزی با حجم محدود 9/4 لیتری که به میز لرزه متصل است، می باشد. نمونه بتن غلتکی داخل محفظه ریخته شده و سرباری به وزن 13/3 یا 22/7 کیلوگرم روی آن قرار می گیرد. قوام بتن با توجه به زمان وی بی لازم (به ثانیه) برای تراکم مناسب بتن سنجیده می شود. اگرچه زمان وی بی اصلاح شده برای بتن غلتکی مورد استفاده در سدسازی با با حداکثر اندازه سنگدانه 38 تا 76 میلیمتر، بین 20 تا 30 ثانیه گزارش شده است، ولی این محدوده زمانی برای بتن غلتکی روسازی کم بوده و این بتن برای عملیات تراکم رویه، مرطوب می باشد.
مطالعات محدود انجام شده روی وی بی اصلاح شده با سربار 22/7 کیلوگرم نشان داد که زمان وی بی 30 تا 40 ثانیه زمان مناسب تری در رویه بتن غلتکی روسازی می باشد. در عمل باید زمان وی بی اندازه گیری شده در آزمایشگاه با نتایج تراکم روی روسازی بتن غلتکی متراکم شده با غلتک های لرزه ای متناسب گردد تا در صورت نیاز، اصلاحات لازم روی طرح اختلاط انجام گیرد.[8] در شکل تجهیزات اندازه گیری زمان وی بی اصلاح شده به صورت شماتیک ارائه شده است.
میز وی بی یک میز لرزه با عرشه فولادی به ضخامت 19 میلیمتر و ابعاد تقریبی 381 میلیمتر طول، 254 میلیمتر عرض و 305 میلیمتر ارتفاع. میز لرزه باید طوری ساخته شده باشد که از خم شدن میز در حین کار جلوگیری شود. عرشه میز باید با استفاده از یک لرزاننده الکترومکانیکی فعال گردد. میز باید در حالی که سربار 27/2 1/1 کیلوگرم به مرکز میز پیچ شده است یک حرکت لرزشی سینوسی با فرکانس حداقل 3600 100 لرزه در دقیقه (60 1/6 Hz) و دامنه دوبل لرزش 0/43 0/08 میلیمتر داشته باشد.
مجموع جرم میز و لرزاننده باید حداقل 91 کیلوگرم باشد. میز باید تراز بوده و به یک کف بتنی یا یک دال زیرین گیردار شده که دارای جرم کافی برای جلوگیری از جابه جایی دستگاه در حین انجام آزمایش باشد.
شکل(7 شماتیک میز لرزه آزمون قوام[10]
2-4 قالب استوانه ای
قالب استوانه ای باید از جنس فولاد یا دیگر مصالح مقاوم در برابر خوردگی ناشی از خمیر سیمان ساخته شده و دارای قطر داخلی241 2 میلیمتر، ارتفاع 197 2 میلیمتر وضخامت دیواره 6 2 میلیمتر باشد. قالب باید مجهز به دستک های فلزی شیاردار که بطور دائم به قالب متصل شده اند باشد تا بتواند قالب را بطور محکم به میز لرزه گیردار نماید. لبه بالایی قالب باید صاف، مسطح و موازی کف قالب بوده و باید هنگامی که یک صفحه پلاستیکی یا شیشه ای روی لبه بالایی قالب قرار داده می شود، قادر به هوابندی یا آب بندی باشد.
3-4 بازوی گردان(اتصال لولایی)7و غلاف راهنما8
یک غلاف فلزی راهنما با گیره متصل به آن یا دیگر وسایل مناسب نگهدارنده که روی یک بازوی گردان سوار شده است. وضعیت غلاف راهنما و اتصال لولایی در شکل نشان داده شده است. اتصال لولایی و غلاف راهنما باید قادر به نگهداشتن محور فلزی متصل به جرم استوانه ای 22/7 کیلوگرم یا جرم استوانه ای 12/5 کیلوگرم در وضعیت عمود نسبت به سطح لرزش باشد و اجازه دهد که محور در زمان آزاد کردن گیره، بطور آزادانه بلغزد.
قطر داخلی غلاف باید 3/2 1/6 میلیمتر بزرگتر از قطر محور فلزی سربار باشد. بازوی گردان باید قادر به ثابت نگهداشتن غلاف راهنما دقیقاً بر روی مرکز آزمونه ای که لرزانده می شود، باشد. همچنین بازوی گردان باید قادر به چرخش از مرکز میز لرزه باشد.
4 -4 سربار
یک جرم استوانه ای فلزی با یک صفحه پلاستیکی مدور متصل به پایه اش و یک محور فلزی با طول حداقل 457 میلیمتر و قطر 16 1/6 میلیمتر که به صورت عمودی به سربار چسبیده و در مرکز آن مدفون شده است. میله باید بدون هیچ قیدی درون غلاف راهنما بلغزد.
صفحه پلاستیکی باید دارای ضخامت تقریبی 13 میلیمتر بوده و قطر 229 3 میلیمتر داشته باشد. مجموعه سربار شامل صفحه پلاستیکی و محور فلزی باید دارای یکی از جرم های زیر باشد: [6]
.1 روش کار A با سربار 0/5 22/7 کیلوگرم
.2 روش کار B با سربار 0/5 12/5 کیلوگرم
5-4 باسکول یا ترازو
باسکول یا ترازو باید دارای ظرفیت کافی برای تعیین جرم کل آزمونه بتن وقالب باشد. ترازو یا باسکول باید با تقریب 5 گرم قابل قرائت باشد.
6-4 صفحه صاف کننده9
یک صفحه فلزی مسطح مربعی شکل با ضخامت حداقل 6 میلیمتر یا یک صفحه شیشه ای یا پلاستیکی شفاف با ضخامت 13 میلیمتر و قطر حداقل 50 میلیمتر بزرگتر از قطر قالب استوانه ای می باشد.
7-4 الک
یک الک 50 میلیمتر و مطابق با مشخصات استاندارد ASTM E11 می باشد.
8-4 ابزار کوچک
از جمله آن ها می توان به بیلچه با انتهای مربعی و سرتاس های دسته دار، آچار فرانسه، کوبه و چراغ قوه در صورت نیاز، اشاره کرد.
-5 نمونه برداری
آزمونه های بتن تازه باید مطابق دستورالعمل ASTM C172 بدست آیند. نمونه های بتن باید دارای حداکثر اندازه اسمی سنگدانه 50 میلیمتر یا کمتر باشند. اگر بتن دارای سنگدانه های بززرگتر از 50 میلیمتر باشد، نمونه ها باید بوسیله الک کردن
