بخشی از مقاله
چکیده
مناطق کلردار شرایط نامساعدی را برای تخریب ستونهای بتنی مسلح را دارند. در حال حاضر در مناطق کلردار پروژه های عمرانی زیادی در دست اجرا است و مقادیر بسیار زیادی بتن برای ساخت انواع مختلفی از ساختمانها، تاسیسات و ابنیه صنعتی بکار رفته و خواهد رفت. با توجه به رواج مواد سیمانی مکمل در بتن مانند دوده سیلیسی، سرباره و خاکستر بادی، تاثیر این مواد در دوام و افزایش عمر مفید ستونهای بتنی ساخته شده در مناطق کلردار مورد مطالعه قرار گرفته است. دراین تحقیق با تعریف یک ستون بتنآرمه فرضی با 30 طرح اختلاط مختلف و درصدهای متغیر مکملهای سیمانی، مقایسهایی بین آنها در افزایش دوام و عمر مفید شده است.
در این پژوهش از مدل Life-365 که یک مدل احتمالاتی معروف آمریکایی برای نفوذ یون کلرید بوده و مبتنی بر ACI-365 است برای تخمین غلظت کلر در هر زمان و مکان اطراف ستون بتنی استفاده شده است. این مدل برمبنای قانون دوم فیک ارائه شده است. با بررسی نتایج مدل نرمافزاری، در یکی از طرحهای اختلاط ، عمر ستون بتنی با افزودن 15 درصد دوده سیلیس از 12 سال به 56 سال افزایش پیدا کرد. همچنین، تاثیر سرباره و خاکستربادی بر افزایش عمر مفید نزدیک به یکدیگر است. در طرح اختلاط دیگری حاوی 70 درصد سرباره عمر ستون بتنی از 12 سال به 38 سال افزایش یافت .
مشابه همین نتیجه برای طرحی که حاوی 50 درصد خاکستر بادی بود بدست آمد. در مجموع برای نمونههای تعریف شده در این تحقیق میتوان گفت که تاثیر دوده سیلیس بیش از سرباره و خاکستر بادی است. همچنین تاثیر سرباره و خاکستربادی بر افزایش دوام و عمر مفید نزدیک به یکدیگر است. تحلیلهای اقتصادی نشان داد استفاده از دوده سیلیس هزینه دوره بهربرداری را که شامل هزینه نگهداری و تعمیر است کاهش چشمگیری میدهد. محاسبات تحقیق حاضر نشان میدهد که در آیین نامه بتن ایران حداکثر نسبت آب به سیمان پیشنهادی برای شرایط فوقالعاده شدید پاششی کلردار که 0/4 است، احتمالا برای عمر مفید 12 سال در نظر گرفته شده است.
کلمات کلیدی: کلراید، دوده سیلیس، سرباره، خاکستر بادی، ستون بتنی دریایی
.1 مقدمه
بتن ماده شناخته شدهایی برای مهندسین عمران است. ارزان بودن و شکل پذیر بودن هندسی آن و سادگی ساخت آن نقاط مثبت این نوع از مصالح ساختمانی است. با این وجود لازم است دقت زیادی در ساخت بتن، بتنریزی و عملآوری آن اعمال شود. در صورت عدم دقت در مراحل نامبرده تعمیر بتن اجتناب ناپذیر است. پس از گذشت چندین سال از سرویسدهی بتن بهعلت طراحی ضعیف و مصالح مصرفی نامناسب و یا عدم درنظرگیری بارهای محتمل محیطی در طراحی سازهایی، بتن آسیب دیده و نیازمند تعمیر میشود. این مساله بخصوص در نواحی خورنده دریایی از اهمیت بالایی برخوردار بوده و یکی از چالشهای مهندسی عمران در دهههای اخیر بوده است.
در این زمینه، اولین استاندارد برای تخمین عمر مفید سازههای بتنی در کمیته 365 انجمن بتن آمریکا تهیه شد. [1] پس از انتشار این استاندارد موضوعاتی چون تخمین زمان شروع اولین ترک در بتن ناشی از خوردگی آرماتورها[2] و طراحی دوام بر اساس عملکرد سازههای بتنی مطرح شد. [3] در این راستا چهار پارامتر ضریب پخش کلر، آستانه غلظت کلر قابل تحمل میلگرد، پوشش بتن و وضعیت کلر در سطح بتن بر شروع خوردگی میلگرد در بتن شناسایی گردید.[3] همچنین مشخص شد که در یک محیط کلردار، اولاً افزایش ضخامت پوشش بتنی میلگرد بسیار موثرتر از انتخاب میلگرد مقاوم در برابر خوردگی است. ثانیاً در چنین محیطهایی لازم است از بتن با عملکرد بالا و فولاد مقاوم در برابرخوردگی استفاده شود. ثالثا ضریب پخش کلر در بتن تاثیر زیادی در پوشش مورد نیاز میلگردها دارد. [3]
پس از شناسایی عوامل موثر در دوام بتن، برای بررسی میزان تاثیر این عوامل و نیز تاثیر نوسانات رطوبت و دمای محیط در عمر سرویسدهی سازههای بتن مسلح مدلهای عددی بکارگرفته شدند. [4 ] در ادامه تحقیقات، برای کاهش خوردگی و افزایش دوام بتن مسلح در محیط کلردار، نقش افزودنیهای معدنی مورد مطالعه قرار گرفت. [5] از تحقیقات انجام شده در داخل کشور نیز میتوان به بررسی موج شکنهای بتنی ساحل خلیج فارس در شرایط مختلف محیطی اشاره نمود که در این تحقیقات، تاثیر قابل ملاحظه ضریب پخش کلر در زمان شروع خوردگی بتن موج شکن ها شناسایی شد.[6] بهطور کلی بهدلیل عدم قطعیت پارامترهای نفوذ کلر در بتن، استفاده از الگوریتمهای قابلیت اعتماد جهت تخمین عمر مفید سازههای بتنی از طرف برخی محققین پیشنهاد شده است. [7 ]
.2 مدلهای تجربی نفوذ کلر در بتن
مدلهای ریاضی پیش بینی عمر مفید سازههای بتنی عمدتا مبتنی بر شبیهسازی فرآیندهای خوردگی شیمیایی و استفاده از مبانی آمار و احتمال است. البته بعلت عدم قطعیتهایی که در جنس مصالح و شرایط محیطی وجودارد خطاهایی در چنین مدلهایی وجود دارد. تاکنون چندین مدل برای پیشبینی عمر مفید سازههای بتنی مبتنی بر فرآیندهای خوردگی مانند حمله سولفات ها، سایش و خرابی ناشی از یخ زدن و آب شدن ارائه شده است. در مورد بتنهای مجاور کلریدها مدلهایی جهت شبیه سازی نفوذ و پخش کلر در بتن ارائه شده است و در بسیاری از این روابط عامل تاثیرگذار در نفوذ کلر ضریب پخش کلر است. لذا روابط مختلفی برای این ضریب پیشنهاد شده است.
مدلسازی رفتار بتن در برابر انتقال یون کلرید به درون بتن با روابط ریاضی از دیرباز مورد توجه محققین بوده و از ارائه اولین مدل در این زمینه توسط کولهپاردی حدود 40 سال میگذرد و در طی این مدت، مدلها از لحاظ ساختار، فرضیات و روش حل، تغییرات بسیاری نمودهاند .[8]علیرغم تحقیقات گسترده در این زمینه کماکان مجهولات بسیار زیادی در این زمینه وجود داشته و تنها با سادهسازیهای بسیار میتوان در مورد فرآیند انتقال یون کلرید به درون بتن اظهار نظر نمود، بدین سبب میتوان ادعا نمود، هنوز هیچ رابطه ریاضی که بتواند این فرآیند را به صورت کامل و دقیق شبیه-سازی نماید، وجود نداشته و کلیه مدلها با فرضیات سادهساز همراه هستند.
در راستای کاربردی نمودن مدلها و مدلسازی بهتر و دقیقتر انتقال یون کلرید به درون بتن، عموماً سعی میشود که مدلها با آزمونههای قرار گرفته در شرایط محیطی واقعی دریایی کالیبره شوند و هرچه فرضیات سادهساز در مدلسازی بیشتر باشد، وابستگی مدلها به شرایط محیطی که در آن کالیبره شده است، بیشتر شده و امکان ناتوانی مدلها در ارائه نتایج قابل قبول در شرایط محیطی دیگر بیشتر میگردد .[8] بنابراین برای استفاده از مدلها در راستای اهداف طراحی، مدیریت و نگهداری پس از ساخت، باید ابتدا از صحت نتایج مدلها در شرایط محیطی مدنظر اطمینان حاصل گردد. هدف این فصل بررسی و ارزیابی مدلهای تخمین عمر مفید بتن مسلح به کمک آزمایشهای صورت گرفته بر روی سازه بتنی در شرایط واقعی میباشد.
بدین منظور سازههای بتن مسلحی در جنوب کشور انتخاب شده و آزمایشهایی در این خصوص بر روی آنها صورت گرفته است و آزمونههایی مشابه طرح اختلاط بتن سازه در آزمایشگاه ساخته و آزمایش شده است. مدلها عبارتند از مدل fib یک مدل احتمالاتی معروف اروپایی،[9] 2006، مدل Life-365 یک مدل احتمالاتی معروف آمریکایی[10]، و دو مدل داخلی که توسط مرکز تحقیقات تکنولوژی و دوام بتن دانشگاه صنعتی امیرکبیر [11] و انستیتوی مصالح ساختمانی دانشگاه تهران [12] ارائه شده است. سازههای بتنی مورد نظر در مجتمع بندری امام خمینی - ره - واقع شده است و در دوره های مختلف زمانی ساخته شدهاند. آزمایشهایی روی سازه در دو شرایط قرارگیری جزر و مدی و اتمسفری انجام شده است.
.3 انتخاب مکملهای سیمانی و تعریف شرایط محیطی فوقالعاده شدید پاششی
در این تحقیق اثر سه نوع ماده افزودنی بر عمر مفید سازههای بتنی مورد مطالعه قرارگرفته است. این مواد افزودنیهای معدنی هستند که عبارتند از دوده سیلیس یا میکروسیلیس1، خاکستر بادی2 و سرباره3 که هرکدام با مقدار مشخصی میتوانند جایگزین درصدی از مواد سیمانی در بتن شوند. بههمین دلیل در اینگونه موارد بهجای اصطلاح نسبت آب به سیمان از عبارت نسبت آب به مواد سیمانی استفاده میشود.طبق دستهبندی شرایط محیطی در ویرایش چهارم مبحث نهم، ساختمانهای دریایی که دارای قسمتهایی در ناحیه جذر و مدی و ناحیه پاشش هستند جزو محیطهای فوقالعاده شدید پاششی با نام دسته E هستند. نوع آسیبدیدگی، شدت و میزان حمله به سازه بتنی که در معرض آب دریا قرار دارد بستگی به شرایط قرار گیری قسمتی از سازه دارد که در معرض آب دریا است.
آن قسمت از سازه که در معرض اتمسفر و بالاتر از سطح آب در هنگام مد قرار می-گیرد، به دلیل وجود یونهای معلق نمک در هوا و یا احتمالا پدیده کربناتاسیون ممکن است مورد آسیب دیدگی قرار گیرد. در ناحیه جذر و مد، سازه تحت سیکلهای تر وخشک شدن متناوب است و امکان خوردگی کلروی با شدت زیاد وجود دارد و در ناحیهایی که سازه کاملا به صورت مغروق در آب دریا است، احتمال خوردگی میلگرد به علت کمبود اکسیژن بسیار ناچیز است.
.4 تحلیل نرم افزاری
در این قسمت به تخمین عمر یک ستون بتنی در شرایط محیطی فوقالعاده شدید پاششی پرداخته میشود. بدین منظور ترکیبات مختلفی از اجزای بتن و مواد افزودنی در محدوده ضوابط استاندار تعریف شده و به هر نمونه یک شماره تخصیص داده میشود. سپس با مدلهای ریاضی پخش کلر در بتن، سن هر نمونه محاسبه شده و هزینه ساخت و تعمیر آن تعیین میگردد. در نهایت نتایج نمونهها با یکدیگر مقایسه میگردند. از برنامه لایف365 که بر مبنای آیین نامه ACI365 تهیه شده استفاده میشود. برای مقایسه تاثیر مواد افزودنی بر عمر سرویسدهی و هزینهها در شرایط مختلف محیطی یک ستون بتنی با مقطع مربع و ابعاد 50 سانتیمتر و پوشش روی آرماتور 6 سانتیمتر مطابق شکل 1 در شرایط فوق العاده شدید پاششیE در نظر گرفته شده است.
در این تحقیق برای ساخت کلیه نمونههای بتنی، طبق بند 1-6-9 مبحث نهم، از سیمان پرتلند نوع دو استفاده شده است. همچنین فرض میشود آب مصرفی برای ساخت بتن، از نوع آشامیدنی است. در کلیه نمونهها عیار سیمان350 و ثابت نگه داشته شده و نسبت آب به سیمان و درصد مواد سیمانی مانند دوده سیلیس، سرباره و خاکستر بادی متغیر در نظر گرفته شده است. مطابق شکل1 حدود 10 سال طول میکشد تا غلظت سطحی کلر به حداکثر خود برسد.
• تاثیر نسبت آب به مواد سیمانی
برای بررسی تاثیر متغیرهای طرح اختلاط طبق جدول 1 شش نسبت آب به سیمان متفاوت در نظر گرفته شده است. در این وضعیت از مکملهای سیمانی استفاده نشده است. در شکل 2 تاثیر آب به سیمان در شرایط فوق العاده شدید پاششی نشان داده شده است. حداکثر نسبت آب به سیمان پیشنهادی برای چنین محیطی در آیین نامه بتن ایران برابر 0/4 است. با این نسبت آب به سیمان، حداقل عمر بتن 12سال بدست میآید.
