بخشی از مقاله
بررسی خواص مکانیکی و زیست محیطی بتن های متخلخل(تراوا) بعنوان روسازی بتنی
چکیده
با توجه به رشد فزاینده استفاده از بتن متخلخل به عنوان پوشش معابر در کشورهای پیشرفته به دلیل مزایای فراوان زیست محیطی و اقتصادی ، زمان آن فرا رسیده است تا با مطالعه دقیق بر روی خواص ، ویژگی ها و نحوه ی ساخت این بتن ، شاهد رشد روز افزون استفاده از بتن متخلخل به عنوان پوشش معابر در میهن عزیزمان باشیم. بتن اسفنجی یا متخلخل((PCPC نوع خاصی از بتن سبک غیر سازه ای است که به دلیل وجود فضای خالی و تخلخل بین % 15 تا % 25 می تواند به عنوان زهکش عمل نموده و و رواناب و آب باران را از خود عبور دهد. همچنین مقاومت فشاری 7 روزه حدود Mpa 21 و نفوذ پذیری L. min /m2 130-120 این بتن را به بستری مناسب برای پوشش معابر تبدیل کرده است.در این مقاله سعی شده است که به تمامی موارد از جمله: کاربرد، ویژگی ها، خواص، محدودیت ها، مشکلات پیش رو و همچنین راه حل های موجود برای رفع این مشکلات احتمالی پرداخته شود.
واژگان کلیدی: بتن متخلخل، روسازی بتنی، تراوایی، مدیریت سیلاب، بتن اسفنجی
مقدمه
امروزه سطح کلیه شهرها پوشیده شده است از خیابانها و جاده هایی که مانع تبادل هوا و رطوبت بین خاک و اتمسفر هستند و این امر سبب دور شدن از حالت طبیعی محیط زیست است. اگر کلیه جاده ها و خیابان های روی کره زمین را در کنار هم فرض کنیم خواهیم دید که سطح بسیار وسیعی از کره زمین دارای مشکل در تبادل حرارتی و برودتی بین خاک و هواست، که این موضوع سبب بر هم خوردن نظم طبیعت در شهرهای بزرگ دنیاست. بعلاوه در روزهای بارانی و برفی به دلیل وجود آب های سطحی روی جاده امنیت ترافیک برای خودروها و عابران به مخاطره می افتد. این خاصیت منحصر به فرد (زهکش بودن)، بتن متخلخل رابه یکی از مصالح ویژه در روسازی در کشور های پیشرفته مبدل و تحولات زیادی در محوطه سازی شهرهای اروپا و آمریکا ایجادکرده است. یکی از موارد استفاده ی این نوع بتن در ساخت سنگفرش خیابان هاست، که با توجه به خواصی که برای این نوع بتن ذکر شد، می تواند جایگزین مناسبی برای دیگر مصالح مورد استفاده در ساخت آن باشد (نادر، شیواجی، (1995
بتن متخلخل، یکی از انواع روسازی متخلخل است، که در شکل (1) یک نمونه از آن نشان داده شده است. آب از طریق حفره ها وارد ساختار روسازی بتن می شود، و از سنگ های درشت دانه زهکش می شود، و یا در آن ذخیره شده تا زمانی که به زیراساس انتقال داده شود یا توسط لوله به منطقه دیگری منتقل شود. علاوه بر این، رشته های فیلتر ژئوتکستایل اغلب برای جدا کردن زیراساس از لایه سنگ مخزن استفاده می شود (هندرسون، .(2011
شکل 1 نمونه روسازی بتن متخلخل
پیشینه بحث
در سال 2004 آقای تنیس و همکاران به بررسی تاثیر آب و مواد سیمانی بر نفوذپذیری و زهکشی این بتن پرداخته و ACI2202در گزارش-R 02 222 با استفاده از این تحقیق درصد آب به سیمان 27 تا 34 را لحاظ نمود. ئرلی در سال 2005 شرکت کمریج در گزارشی به عملکرد مطلوب این بتن بر حفاظت از محیط زیست و بحث همرفتی هوا پرداخت و در سال2006 شافر و همکاران به تاثیر ریزدانه ها به طور معمول 5 تا 7 درصد بر بتن متخلخل پرداخته و در سال kevern 2008 و همکاران این بحث را ادامه و مسائل زیست محیطی این ریزدانه ها را بررسی نمودند. در سال 2007 آقای Leming و همکاران استفاده از این بتن در مورد سیلاب ها و قدرت کمک به سیل و فرسایش پرداخته و Delatte و همکاران به بررسی تعلیق گرمایی در پروژه هایی که از این بتن استفاده شده پرداخته و از نتایج بسیار خوب این بتن خبر دادند آقای obla به خواص و ویژگی های این بتن پرداختند.و در سال 2008 آقای اشلی به کاهش تولید گاز های گل خانه ای و کاهش سروصدا در پیاده روها پرداختند در سال 2009 آقای Kevern و همکاران به عمل آوری و مدت زمان نگه داری رویه های بتن متخلخل ، پرداختند. در سال ACI 2010 گزارش کاملی از خواص و ویژگی های بتن متخلخل و روند طراحی با استفاده از تحقیقات گذشته انتشار داد. در سال 2011 سلیمان و همکاران و Vancura و همکاران به رفتار سازه ای بتن متخخل، چگالی و ...
این بتن پرداختند و آقای Rodden و همکاران به سازه و هیدرولوژی طراحی روسازی پایدار بتن متخلخل پرداختند.
هدف از روسازی متخلخل
هنگامی که مناطق طبیعی گسترش یافتند، سطوح متخلخل و پوشش گیاهی با مواد غیر قابل نفوذ مانند روسازی ها و سازه ها جایگزین شده اند. علاوه بر این سطوح غیر قابل نفوذ، کنترل و توزیع رواناب ضروری است. سیستم های رواناب سنتی به طور کلی مسیریابی سریع آب به لوله های زیرزمینی است، که در آن آب را بر روی اموال مجاور، محیط های آبی رها می شود، و یا توسط یک کارخانه تصفیه آب عمل آوری می شود. این سیستم رواناب مقدار آب که وارد رودخانه ها و نهرها می شود را افزایش می دهد، در نتیجه فرسایش کناره رودخانه ها، رسوب، سیل، و آغاز ورود آلاینده به اکوسیستم طبیعی را به همراه دارد (نپتون، . (2008 سیستم رواناب غیرقابل نفوذ نیز از نفوذ آب باران به خاک و شارژ آبهای زیرزمینی جلوگیری می کند، که یک روند ضروری برای سلامت اکوسیستم است (ایدسون، ساویر، هیتکوک، .(2012 با اعلام روسازی متخلخل به عنوان یکی از بهترین روش مدیریت سیلاب، سازمان حفاظت محیط زیست امیدوار است تا آن را با برنامه های کم فشار توسعه زیرساخت های سبز ترکیب کند.
مزیت های استفاده از بتن متخلخل به عنوان پوشش معابر مزیت های زیست محیطی
-1 جلوگیری از بروز آبگرفتگی در معابر به هنگام بارندگی : این بتن رواناب و آب باران را از خود عبور می دهد و منجر به کاهش رواناب جاری بر سطح زمین می شود . همچنین در مناطق سردسیر به دلیل عبور آب از این بتن، از یخ زدگی سطح معابر و در نتیجه ایجاد خطر جلوگیری می کند.
-2 جلوگیری از آلوده شدن آب بارندگی ها : سطح وسیعی از بتن اسفنجی یا بعبارتی همان بتن متخلخل، بسیاری از آلودگی های رواناب ها را می گیرد و به صورت طبیعی تجمع میکروب ها را کاهش می دهد. مطالعات نشان داده که سیستم بتن اسفنجی می تواند تا % 65 مواد حل نشدنی و تا % 95 رسوبات رواناب ها را برطرف سازد. این در حالی است که در طی بارندگی، جریان رواناب روی سطح نفوذ ناپذیر، آلودگی هایی نظیر روغن و گریس و ... را بلند و این آلودگی ها را به سیستم جاری فاضلاب منتقل می کند.
-3 پر شدن ذخایر آب های زیرزمینی: سنگفرش متخلخل اجازه عبور رواناب از میان کف سنگفرش شده به سمت مخزن سنگی، قبل از تراوش از خاک و تغذیه آب های زیر زمینی را می دهد.
مزیت های اقتصادی
-1 کاهش یا حذف روش های پر هزینه مدیریت باران: با سنگفرش کردن خیابان ها و پیاده رو ها با بتن اسفنجی ، نیاز به ساخت و نگهداری کانال ها ، کف آبروها ، لوله های زهکش و دیگر سیستم های مدیریت آب باران را کاهش می دهد زیرا طبق تحقیقات انجام شده با اجرا و نگهداری صحیح از سنگفرش های متخلخل، حجم تراوش سالیانه بیش از % 80 رواناب کل را ممکن می سازد.
-2 هزینه کم دوره عمر: سطح بتن دارای هزینه عمر کمتری از سطح های آسفالتی می باشد. اگرچه هزینه اجرایی بتن اسفنجی ممکن است کمی بیشتر باشد، اما بتن در طول زمان با مقاومت و دوام بیشتر باعث صرفه جویی در هزینه ها می شود و نیاز کمتری به مرمت نسبت به آسفالت دارد و در عین حال عمر بیشتری دارد.
معایب استفاده از بتن اسفنجی و راهکارهای حل آن
به دلیل تخلخل و فضای خالی زیاد، مقاومت فشاری بتن اسفنجی کم و کاربرد آن محدود شده است که اخیرا با طرح های اختلاط جدیدو استفاده از مواد افزودنی این مشکل حل شده است . با این طرح های اختلاط ، مقاومت های فشاری تا حدودMpa 22تا Mpa 28قابل افزایش است که این مقاومت برای سطح سنگفرش شده با ترافیک کم، شامل بارهای محوری برای ماشین های سبک و نیمه سنگین قابل قبول است.
علل پایین بودن مقاومت بتن زهکش و راهکارهای بهبود آن
بتن زهکش یا نفوذ پذیر از یک ترکیب که دارای منافذ بسیار زیاد تشکیل شده است . قالب اصلی این نوع بتن ریز دانه ها هستند و سیمان ریز دانه ها را بهم پیوند می زند. روزنه های موجود در این بتن قطری در حدود یک میلیمتر دارند، بنابراین آب براحتی می تواند از بین این ریز دانه ها عبور کند. وقتی نمونه بتن نفوذ پذیر تحت اثر بار فشاری قرار می گیرد نیرو بین سنگدانه ها و چسب سیمان منتقل می شود . به طور کلی مقاومت سنگدانه ها بالاست، در حالیکه چسبندگی سیمان بین سنگدانه ها به دلیل نازک بودن لایه سیمان پیوند و وجود منافذ بسیار و عدم هم پوشانی کامل سنگدانه ها به دلیل کامل نبودن دانه بندی و استفاده از سنگدانه های نسبتاً هم سایز همیشه این نوع بتن از ناحیه پیوند سنگدانه ها، یعنی از بند چسب سیمان دچار خرابی می شوند. بنابراین برای افزایش مقاومت بتن نفوذ پذیر میبایست با حفظ خاصیت نفوذپذیری سعی بر زیاد کردن سطح هم پوشانی سنگدانه ها و همچنین تقویت مقاومت چسب سیمان نمود.
-1 به منظور افزایش سطح همپوشانی سنگدانه ها و در نتیجه درگیری بیشتر سنگدانه ها با هم بهترین راه حل کاهش اندازه سنگدانه هاست . با این کار می توان تعداد سنگدانه ها را در واحد حجم افزایش و در نتیجه سطح پیوند سنگدانه ها را با هم افزایش داد که می تواند منجر به اصلاح و بهبود مقاومت این نوع از بتن گردد . چسب سیمان سخت شده همیشه بسیار نازک است و به همین دلیل مقاومت بند سیمان بسیار پایین است. در چسب سیمان ترک ها و منافذ بسیار ریز میکرونی وجود دارد که بطور قابل ملاحظه ای در مقاومت بند سیمان تأثیرگذار هستند. این ترک ها و منافذ در قسمت انتقال نیرو می تواند سبب کاهش مقاوت گردد.
-2 بتن اسفنجی به دلیل حجم ملات و مقدار ماسه کم ، روانی بتن معمولی را ندارد و در نتیجه کار بتن ریزی بسیار پر زحمت و دشوار است. برای حل این مشکل ، از یک دستگاه شوت بجای دو دستگاه استفاده می شود . استفاده از یک شوت کوتاهتر از اندازه نرمال باعث بیشتر شدن زاویه و شیب و درنتیجه تخلیه بهتر بتن می شود . علی رغم استفاده از همه این روش ها باز هم اغلب تخلیه بتن اسفنجی ، به صورت دستی توسط کارگران انجام می شود که برای رفع این مشکل نیز ، در برخی از طرح های اختلاط ، با استفاده از مواد افزودنی روان کننده ، روانی بتن را بالا می برند تا برای برای تخلیه نیازی به انجام کارهای بالا نباشد.
-3 جداشدگی شایع ترین نقص سطحی در بتن متخلخل است، و می تواند با استفاده از مخلوط خوب بتن، پیمانکار با تجربه، و عمل آوری مناسب به حداقل برسد (تنیس، لمینگ .(2004 جداشدگی از مشکلات سطحی شناسایی شده توسط ذرات درشت دانه است از ترکیب مخلوط جدا شده اند، که باعث باقی ماندن شن های سست بر روی سطح روسازی می شود. یک نمونه از شن زدگی شدید در شکل (2) نشان داده شده است.
. شکل -2 جداشدگی شدید در روسازی های بتنی متخلخل
-4 گرفتگی سطح بتن متخلخل: ریختن بتن متخلخل با بتن معمولی کمی متفاوت بوده و نیاز به تکنیک های ساخت و ساز مناسبی برای حفظ کیفیت بتن دارد. بتن متخلخل را معمولا با غلتک های نواری فشرده می کنند. استفاده از غلتک ها و ابزارالات باعث پر شدن منافذ در سطحبتن و کاهش نفوذپذیری کلی روسازی می شود. شکل (3)( پر شدن منافذ بتن متخلخل را نشان می دهد که با استفاده از غلتک های مختلف فشرده شده است
شکل-3 منافذ پر شده سطح
مشخص شده است که سرعت نفوذ آب به طور کلی در سیستم های متخلخل در طول زمان کاهش می یابد. نفوذپذیری پایین در روسازی های متخلخل مسدود شده، پایداری روسازی را زیر سوال می برد (روبرت . (2009 برای حفظ روسازی متخلخل به عنوان بهترین روش مدیریت سیلاب، باید آن را به طور منظم مورد بازرسی و نگهداری قرار داد. در حال حاضر، نگهداری از بتن متخلخل متشکل شده است از: از بین بردن بقایای انباشته شده، شستشو با فشار یا جارو کردن (کورن . (2012 موثر ترین روش، ترکیب جارو کردن مکانیزه و با قدرت بالا و شستشو با فشار می باشد. جارو کشیدن به صورت سریع می تواند تا 50 ٪ از نفوذ پذیری یک روسازی مسدود شده را بازگرداند (کورن .(2012
مشخصات کلی طرح اختلاط و مصالح مورد استفاده:
در بتن متخلخل از مصالحی همانند بتن معمولی استفاده می شود. با این تفاوت که در این بتن بخش ریز دانه حذف می شود و توزیع درشت دانه نیز بطور یکنواخت و در یک اندازه نگه داشته می شود (تنیس، لمینگ (2004
