بخشی از مقاله
بررسی فنی گزینه های مختلف روسازی در مناطق گرمسیر
چکیده
هدف از احداث روسازی برای یک راه تامین یک سطح صاف و هموار برای وسایل نقلیه است که امکان تردد آنها را در شرایط گوناگون جوی با ایمنی کافی فراهم سازد . علاوه برآن یک روسازی باید بتواند ضمن تحمل تنش ها و کرنش های ناشی از تکرار بارگذاری مجاز وسایل نقلیه، مقدار این تنش ها و کرنش ها را تا حد مجاز و قابل تحمل خاک بستر روسازی تقلیل داده و از دوام کافی نیز برخوردار باشد.
یکی از مهمترین مسائل موجود در طراحی و اجرای راه های کشور عدم توجه کافی به ضوابط و معیار های طراحی روسازی و یا استفاده ترکیبی از ضوابط و معیار ها با ماخذ گوناگون بوده است که موجب کاهش کیفیت و عمر مفید جاده ها در نتیجه اتلاف سرمایههای ملی شده است.
از فاکتور های خارجی تاثیرگذار بر عملکرد روسازی، ترافیک، شرایط محیطی و تاثیر متقابل آن دو است . مهمترین عامل زیست محیطی دما و درصد رطوبت می باشد. تلفیق فاکتورهای آب و هوایی در طراحی روسازی برای ایجاد یک پروسه طراحی تحلیلی - تجربی بسیار مهم است.
در این مقاله به بررسی روسازی آسفالتی، صلب و معکوس در نواحی گرمسیر پرداخته شده و از نظر فنی مورد مقایسه قرار می -
گیرند. پس از بررسی مشخص گردید نرخ آغاز ترک های خستگی بر اساس دما برای قسمت پائین لایه ی آسفالتی در سواحل
جنوبی بیشتر بوده در حالیکه روسازی صلب در منطقه کویری به دلیل گرادیان حرارتی مثبت، بیشتر در معرض ابتلا به ترک های خستگی عرضی هستند و در نواحی خلیجی احتمال بیشتری برای ترک خوردگی طولی و گوشه به علت گرادیان دمای منفی وجود دارد.
واژههای کلیدی: روسازی، آب و هوا، بررسی فنی، مناطق جنوبی
1 -مقدمه
فاکتورهای خارجی تاثیرگذار بر عملکرد روسازی، ترافیک، شرایط محیطی و تاثیر متقابل آن دو است . مهمترین عامل زیست
محیطی دما و درصد رطوبت می باشد. شرایط اقلیمی متفاوت که روسازی در معرض تاثیر مکانیزم های خرابی و عملکرد آن ها
هستند. تلفیق فاکتورهای آب و هوایی در طراحی روسازی برای ایجاد یک پروسه طراحی مکانیستیک - تجربی بسیار مهم است .
برای به حساب آوردن متغیرهای طرح روسازی، لازم است که پایگاه داده ای شامل دماهای بحرانی روسازی و بارش باران برای مناطق آب و هوایی در طول یک دوره طولانی ایجاد شود.
2 -تاثیر آب و هوا بر روسازی آسفالتی
1- 2 شیارشدگی مخلوط
دمای بالا در شیار شدگی بتن آسفالتی ضخامتهای بالاتر از 100 میلیمتری مشارکت دارد. زیرا دمای بالاتر از 30 درجه نزدیک به سطح بتن آسفالتی برای پیش بینی شیارشدگی بسیار مهم است. فاکتور بسیار مهم در کنترل کردن شیارشدگی در مخلوط طرح، خواص سنگدانهها و سختی قیر است . فاکتور دیگر تاثیرگذار بر شیار شدگی مخلوط جذب نور خورشید بتن آسفالتی است . شیار - شدگی، تابع ترافیک، پتانسیل شیار شدگی مخلوط و فراوانی وقوع دمای بالای روسازی است . بیشتر اوقات فراوانی تجربه یک دمای بالا، بتن آسفالتی را بیشتر در معرض شیار شدگی قرار میدهد. جذب بیشتر نور خورشید ممکن است منجر به دمای بالاتری شود . این متغیر میتواند بر شیارشدگی مخلوط آسفالتی تاثیر گذار باشد . تاثیر جذب تابش در دماهای بالا حائز اهمیت است . روسازی با حداکثر جذب، بیشترین دما را دارد که آن را برای شیار شدگی بیشتر تهدید می کند. نگهداریهای سطحی با جذب پایین ممکن است، خطر شیارشدگی را در مخلوطهای AC کاهش دهد.
2-2 خستگی پایین به بالا
این نوع خستگی یک ترک در بتن آسفالتی است که به سبب تکرار تنش تولید شده توسط ترافیک ایجاد می شود. ترک خستگی توسط مقاومت خمش روسازی کنترل میشود که تابعی از سختی مخلوط AC و ضخامت آن است. خستگی بتن آسفالتی میتواند در هنگام طراحی مخلوط و ضخامت کنترل شود . در دماهای متوسط معتدل تر، مخلوط AC، کرنش های کشش بیشتری را در مقایسه با دماهای پایین تجربه می کند، اما مقاومت خستگی کمتری نسبت به دماهای بالاتر دارد . کرنش کششی در لایه هایی با ضخامت بیشتر، کمتر از لایههای کم ضخامتتر است. با توجه به این مکانیزم، در روسازیهای ضخیم برای مثال با ضخامت بیش از 4 اینچ خرابی خستگی بیشتر زمانی اتفاق می افتد که لایه AC در دماهای متوسط و بالا قراردارد 15) تا 40 درجه سانتی گراد). برای روسازی با ضخامت کمتر از 4 اینچ خرابی خستگی در دماهای پایینتر نیز اتفاق میافتد. ترک خستگی پایین به بالا دارای دو مرحله بوده که بسته به دمای روسازی است . مرحله اول آغاز ترک خوردگی در پایین لایه ی آسفالتی و در ارتباط با دماهای متوسط تا بالا در پایین بتن آسفالتی است که منتج به خمش بیشتر و کرنش کششی بالاتری در پایین آسفالت می شود. مرحله دوم تکثیر ترکها است که مرتبط با دماهای پایین در میانه عمق لایه ی آسفالتی به سبب انقباض حر ارتی و سختی لایه ی آسفالتی در دماهای پایین است.
3-2 ترکهای حرارتی
ترک حرارتی به سبب انقباض سطحی آسفالت ناشی از دمای پایین ایجاد می شود. این نوع از ترک اساسا " در ارتباط با دماهای پایین (کمتر از 10درجه سانتیگراد) در سطح لایهی آسفالتی است. ترک حرارتی از طریق انتخاب قیر آسفالت برای حداقل دمای مورد انتظار روسازی کنترل میشود. جذب تابش سطحی برای ترک حرارتی یک فاکتور بسیار مهم نیست.
3 -اثرات آب و هوایی بر روسازی صلب
1- 3 خستگی
خستگی در روسازی صلب توسط نوسانات دمایی روزانه، بارگذاری ترافیکی و تاثیر متقابل این دو فاکت ور ایجاد می شود. دالهای بتنی در معرض تنش های کششی ناشی از نوسانات دمای روزانه می باشند. این نوسانات به سبب دمای غیر یکنواخت در دال است که سبب ایجاد پیچش حرارتی 1 میشود. دال بتنی تنش کششی در بالا و پایین را به ترتیب در طی شب و روز به سبب تاب افتادگی (Curling) تجربه میکند. میزان این گرادیان حرارتی مهم است زیرا افزایش این اختلاف موجب ایجاد تنش های خمشی بیشتری در دال بتنی می شود. همچنین انقباضهای2 جزئی نیز باعث تنش کششی می شود. بتن در هنگام عمل آوری منقبض میشود که موجب تنش های کششی در دال بتنی می گردد. تاب افتادگی ناشی از رطوبت، به دلیل انقباض غیر یکنواخت دال رخ میدهد. از آنجاکه لایه بالای بتن معمولا " خشکتر بوده و گیرش آن سریع تر است، افت آن بیشتر از قسمت پایین بوده و تنش پیچشی نیز توسط افت غیر یکنواخت ایجاد میگردد و همچنین تنش کششی در قسمت فوقانی بتن است.
همان طور که گرادیان حرارتی مثبت به بار لبه میانه دال افزوده میشود، اگر ترکیب تنش کششی ناشی از بار و گرادیان حرارتی در منطقه بحرانی از مقاومت کششی بتن فراتر رود ترک خوردگی اتفاق میافتد. همان طور که در جداول 1 و 2 نشان داده شده، دگت و ساکرامانتو در همه زمانها بیشینه و کمینه گرادیان حرارتی بیشتری نسبت به دیگر مناطق آب و هوایی دارد. روسازی با ضخامت کم گرادیان حرارتی مثبت و منفی بیشتری را نسبت به روسازی های با ضخامت بیشتر تحمل می کند. در طراحی دال بتنی، گرادیان حرارتی باید حتما" در نظر گرفته شود.
جدول (1) حداکثر گرادیان حرارتی در طی 30 سال
3
جدول((2 حداقل گرادیان حرارتی در طی 30 سال
تنشهای کششی ناشی از گرادیان حرارتی با افزایش ابعاد دال افزایش مییابد. از آنجا که دگت و ساکرامانتو گرادیان حرارتی زیادی در میان کالیفرنیا تجربه می کند برای کاهش احتمال ترک طول دال بتنی باید محدود شود . همانند بررسی مورد بتن آسفالتی، جذب تابش بر دمای دال بتنی نیز تاثیر گذار است . به همین خاطر مطالعه دو مقدار ضریب جذب 0.65) و (0.8 برای تعیین اثر
جذب تابش بر گردایان حرارتی مورد بررسی قرار گرفت . جدول 2-5 بیشینه و کمینه گرادیان حرارتی را در یک دوره 30 ساله بر
دال 16 اینچی بتنی با ضریب جذب 0.65 و 0.8 برای 6 منطقه آب و هوایی نشان می دهد. همان طور که در جدول 2 مشاهده
میشود، جذب تابش، اثر زیادی بر مقدار حداقل گرادیان حرارتی ندارد . اگر چه بیشینه گرادیان حرارتی روسازی با ضریب جذب 0.8 حداکثر 5 تا %15، بیشتر از بیشینه گرادیان حرارتی ضریب 0.65 است. اختلاف گرادیان حرارتی در این مناطق زمانی مهم تر میشود که دمای هوا بالاتر باشد . در تنشهای زیاد گرادیان دمایی بالاتر مثبت ممکن است زمانیکه با بارگذاری لبه ترکیب شود منجر به افزایش خطر ترک های عرضی bottom up گردد.
جدول((3 حداقل و حداکثر گرادیان حرارتی برای دال بتنی (0-16-6-6) با ضریب جذب 0.65 و 0.8
2-3 گسیختگی
گسیختگی، تفاوت ارتفاعی درزهای مقابل، در سطوح ما بین دال است (Tilting of the slobs) که منجر به کاهش باربری زیر دال میشود. این مسئله در ارتباط با روسازی بتنی درزدار بدون داول است که منتج به کاهش کیفیت رانندگی می شود. گسیختگی به وسیله فاکتورهای مرتبط با انتقال بار در میان درزها، قفل و بست سنگدانه ها در درزهای عرضی و ظرفیت باربری کافی مصالح اساس دال کنترل می شود. فاکتورهای اساسی افزایش انتقال بار، داول ها، قفل وبست سنگدانه ای و اساس غیر فرسایش اند. نظر به اینکه دمای روسازی بر قفل وبست سنگدانه ای و بارش باران بر فرسایش اساس تاثیر می گذارد، این فاکتورهای اقلیمی به طور غیر مستقیم بر انتقال بار در درزهای عرضی تاثیر گذارند. فرسایش اساس منجر به کاهش باربری دال و در نهایت ترک خوردگی آن میشود. دما اغلب بر قفل و بست سنگدانه ای تاثیرگذار بوده و با بالارفتن دما، قفل و بست سنگدانه ای افزایش مییابد که منجر به افزایش انتقال بار موثر میشود.
گرادیان حرارتی منفی سبب میشود که تنش حرارتی رو به بالا در گوشه دال ایجاد شود که منجر به تغییر شکلهای بزرگتر و کاهش انتقال بار، و گرادیان حرارتی مثبت منجر به تنش حرارتی رو به پایین در لبهها و گوشهها و در نهایت افزایش باربری از لایههای زیر، منجر به کاهش تغییر شکل میشود. گرادیان حرارتی منفی در طی بارش (افزایش منابع آبی) زمانی که بار سنگین از روی درز عبور میکند اتفاق میافتد که مصالح اساس را فرسوده میکند و منتج به کاهش باربری و کاهش انتقال موثر بار میشود. نوسانات دمایی باعث انقباض و انبساط حرارتی میشود. در دماهای پایین، دال منقبض شده و قفل و بست سنگدانهای کاهش مییابد که منجر به کاهش انتقال بار موثر میشود. فاکتور کنترل کننده بحرانی قفل وبست سنگدانهای و در نتیجه انتقال بار، تغییر دما در عمق میانه لایه بتنی است. تغییر دما فصلی بالاتر نیز منتج به انقباض بیشتر دال و در نتیجه کاهش انتقال موثر بار میگردد.
4 -اثرات آب و هوایی بر روسازی مختلط
1- 4 خستگی
روسازی مختلط مشابه روسازی انعطاف پذیر می باشد. همانند روسازی انعطاف پذیر در دمای بالا، قسمت فوقانی لایه ی آسفالت
(بالای 100 میلی متری) بیشتر در معرض شیارشدگی قرار میگیرد.
2-4 گسیختگی
اگر دال بتنی در روسازی مختلط به درستی ترک خورده و پر شود گسیختگی آن معمولا " یک خطر محسوب نشده و می توان از
آن صرف نظر کرد.
3-4 ترک انعکاسی
ترک انعکاسی یک خرابی بزرگ در روکش آسفالتی روسازی انعطاف پذیر و صلب است . این مسئله به علت انتشار ترک ها از میان روکش آسفالتی در زیر سازه ی روسازی است . مکانیزم اساسی القاء کننده انتشار ترک از زیر سازه، کرنش های کششیاند که به وسیله تغییر دما و گرادیان حرارتی ایجاد شده و به همان اندازه تنش های برشی ناشی از بار ترافیکی و اثر همزمان این دو فاکتور است. در مورد روسازی مختلط، انقباض و انبساط حرارتی فصلی و روزانه لایهی بتنی باعث به وجود آمدن کرنش کششی و القاشدن ترکها و درزها در سرتاسر لایه ی آسفالتی می شود. مکانیزم اصلی کنترل دمای القاء کننده ترک انعکاسی، نوسانات دما در فصل مشترک لایهی آسفالتی و بتنی است . از آنجا که ترک انعکاسی به وسیله تفاوت دمای روزانه و نوسانات دمای فصلی ایجاد می شود این اختلاف دما برای دوره 30 ساله مورد ارزیابی قرار گرفت . جدول 2-6 بیشینه و کمینه دمای سالیانه و تفاوت آن ها را در فصل مشترک بتن و آسفالت برای 3 نوع روسازی مختلط نشان می دهد. با توجه به جدول 2-6 ، روسازی های مختلط در آرکاتا، سانفرانسیسکو و لس آنجلس نوسانات دمای فصلی کمتری داشته در حالیکه اختلاف دمای زیادی بین فصول در رنو، دگت و ساکرامنتو مشاهده می شود. در لایه های سطح ی نازک تر اختلاف دما در فصل مشترک بتن و آسفالت بیشتر در معرض ترک انعکاسی قرار میگیرد.
جدول4 بیشینه، کمینه و اختلاف دمای میانگین روزانه را در فصل مشترک بتن و آسفالت روسازی مختلط نشان می دهد. تفاوت دمایی محاسبه شده با استفاده از دمای ساعتی دوره مورد مطالعه است. با توجه به جدول 5 اختلاف دمای بیشینه و کمینه تقریبا و همچنین میانگین تفاوت درجه حرارت ها در هر منطقه بسیار مشابه است . همچنین میتوان مشاهده کرد که افزایش در ضخامت لایه آسفالتی موجب کاهش نوسانات روزانه در فصل مشترک می شود. این مطلب نشان دهنده این است که روکشهای ضخیمتر عایق حرارتی مهمی هستند که انتظار میرود سرعت ترک خوردگی انعکاسی را کاهش دهد.
جدول((4 بیشینه و کمینه دمای سالانه در فصل مشترک بتن و آسفالت در سه نوع روسازی مختلط
جدول (5) بیشینه، کمینه و متوسط تفاوت دمای روزانه در فصل مشترک بتن و آسفالت در سه نوع
