مقاله مروری بر روش های مختلف طرح اختلاط روسازی های بتن غلتکی

بخشی از مقاله

مروری بر روش های مختلف طرح اختلاط روسازی های بتن غلتکی

چکیده :

روشهای متعددی برای تعیین نسبت های اختلاط بتن غلتکی (RCCP) توسط سازمان ها و کمیته های بتن ارائه شده است. این روش ها عموما تجربی، نیمه تجربی و براساس روش های تئوری می باشد. اگرچه، عموما در روش های مختلف طرح نسبت اختلاط، از دو رویکرد تراکم خاک و رویکرد روانی (کارایی) استفاده می شود. این دو رویکرد به ترتیب براساس بهینه سازی چگالی خشک نمونه بواسطه رطوبت بهینه و طرح اختلاط بواسطه حجم مطلق تعریف شده اند. در این مقاله به بررسی روش های مختلف ارائه شده جهت تعیین نسبت های اختلاط بتن غلتکی پرداخته شده است که عبارتند از: روش طرح اختلاط PCA (راهنمای بتن غلتکی روسازی(1، ACI (گزارش بتن غلتکی روسازی(2، روش خمیر بهینه و روش اجسام معلق. روش تراکم خاک PCA بصورت گسترده ای برای طرح نسبت اختلاط روسازی های بتن غلتکی مورد استفاده قرار میگیرد. در این راستا، در این مقاله روش تراکم خاک PCA به عنوان روش اصلی انتخاب شده است و روشهای دیگر به جزئیات با روش PCA مقایسه شده اند.

واژگان کلیدی : بتن غلتکی - طرح اختلاط - روسازی - ACI - PCA

-1 مقدمه :

در دهه های اخیر استفاده از بتن غلتکی در صنعت سازه های بتنی بیش از پیش شده است.در حیطه سازه های مهندسی، بتن غلتکی در راستای صنعت سازه های »سد« و »روسازی راه« مورد استفاده قرار می گیرد. تعریف بتن غلتکی روسازی از نقطه نظر ACI 325.10R از قرار زیر میباشد: بتن غلتکی مخلوطی سفت از مجموعه سنگدانه ها (با حداکثر اندازه ¾ اینچ 19) میلیمتر))، مواد سیمانی و آب می باشد که با غلتک های ویبره ای متراکم می گردد و طی واکنش هیدراتاسیون تبدیل به بتن می شود .(1)

برای سازه های بتن غلتکی روش های متعددی برای طراحی نسبت اختلاط ارائه شده است. بنابراین، انتخاب یکی از این روش ها به عنوان یک روش استاندارد مشکل است :

در تمامی روش های فوق هدف از تولید طرح اختلاط بتن غلتکی، بدون توجه به روش استفاده شده این است که حجم خمیر کافی جهت پوشاندن سنگدانه ها را داشته باشد و فضای خالی بین آنها را نیز پر کند، مقاومت مکانیکی و مشخصات الاستیک مورد نظر را داشته باشد، مشخصات کارایی مورد نظر را داشته باشد تا به آسانی چگالی موردنیاز بدست آید، و پایایی کافی داشته باشد تا در شرایط زیست محیطی موجود دوام آورد .(2) بنابراین، آگاهی کامل از روش های مختلف در طراحی طرح مخلوط های روسازی بتن غلتکی از اهمیت زیادی برخوردار است.

-2 مشخصات مهندسی بتن غلتکی :

مشخصات بتن غلتکی مشابه مشخصات روسازی بتنی معمولی (Conventional Pavement) می باشد، با این تفاوت که نسبت اختلاط بتن غلتکی و روش اجرای روسازی غلتکی متفاوت میباشد. مشخصات مهندسی ذکر شده برای بتن غلتکی، از آزمایش های انجام شده بر روی نمونه های استوانهای بدست آمده از پروژههای واقعی روسازی استخراج شدهاست.

آزمایش های مورد نیاز برای تعیین مشخصات مهندسی بتن غلتکی شامل موارد زیر می باشند :

· : ASTM C1435 / C1435M استاندارد ساخت نمونه های استوانهای بتن غلتکی بوسیلهی چکش ویبره (3)

· : ASTM D1557 آزمایش تعیین مشخصات آزمایشگاهی تراکم خاک به روش اصلاح شده ft-lbf/ft3 56000) (4) (( kN/m3 2700)

· : ASTM C39 / C39M استاندارد تعیین مقاومت فشاری نمونههای استوانهای (5)
· : ASTM C42 / C42M روش استاندارد ایجاد و آزمایش هسته و تیر های بتنی (6)
· : ASTM C1170 / C1170M (آزمایش وبه) استاندارد تعیین روانی و چگالی بتن غلتکی با میز لرزه (7)
· : ASTM C78 استاندارد آزمایش تعیین مقاومت خمشی بتن (با استفاده از تیر ساده و بارگذاری 3 نقطهای) (8)

-1-2 مقاومت فشاری و خمشی :

مقاومت بتن غلتکی به عواملی چون عیار سیمان، نسبت آب به سیمان، کیفیت سنگدانهها و درجه تراکم بتن بستگی دارد. عموما، مقاومت فشاری و خمشی روسازی غلتکی می تواند در حد و حدود روسازی بتنی معمولی باشد.

-1-1-2 مقاومت فشاری :

مقاومت فشاری بتن غلتکی عموما در محدوده 4000 تا 28) psi 6000 تا (MPa 41 می باشد. در بعضی پروژهها تا مقاومت های بیشتر از (MPa 48) psi7000 نیز بدست آمده است. استفاده از دانهبندی متراکمِ سنگدانه ها در طرح اختلاط بتن غلتکی نیز در کسب مقاومت فشاری تاثیر گذار است. نسبت آب به سیمان کم در طرح اختلاط بتن غلتکی باعث ایجاد ماتریس سیمان با تخلخل کم می شود که منجر به افزایش مقاومت فشاری می گردد. هر نسبت اختلاط دارای درصد رطوبت بهینه می باشد که در این درصد رطوبت بیشینه چگالی خشک بدست می آید. در قسمت 4 مراحل تعیین نسبت اختلاط بر اساس مقاومت طراحی درج شده است .(2)

-2-1-2 مقاومت خمشی :

مقاومت خمشی رابطه مستقیمی با چگالی و مقاومت فشاری بتن دارد. در روسازی بتن غلتکی، با توجه به نسبت آب به سیمان کم، چگالی خمیر و چسبندگی آن با سنگدانهها بالاست. در نتیجه، مقاومت خمشی بتن غلتکی عموما بالاست و در محدوده 500 تا 3.5) psi 1000 تا (MPa 7 می باشد. رابطه بین مقاومت خمشی و مقاومت فشاری بتن غلتکی بصورت زیر می باشد :که،

، مقاومت خمشی (بارگذاری سه نقطهای)، (MPa) psi

، مقاومت فشاری، (MPa) psi

C، ضریب ثابت وابسته به اختلاط واقعی بتن غلتکی بین 9 تا 11 (برای (psi یا بین 0.747 تا 0.913 (برای (2) (MPa

-3 انتخاب مصالح بتن غلتکی :

انتخاب صحیح مصالح در تولید بتن غلتکی بر روی کیفیت ترکیبات بتن غلتکی بسیار تاثیرگذار است. بنابراین، مشخصات مصالح مصرفی مورد استفاده در طرح مخلوط های بتن غلتکی در ذیل آمده است.

-1-3 سنگدانهها :

سنگدانههای معدنی حدود %85 وزن بتن غلتی را تشکیل می دهند و نقش مهمی در کسب کارپذیری موردنظر، چگالی طراحی تحت تراکم ویبرهای، مقاومت خمشی و فشاری، مشخصات حرارتی، مشخصات بلند مدت و دوام ایفا می کند .(2)

سنگدانه های مصرفی در روسازی بتنی معمولی که نتایج مطلوبی به همراه داشته باشد می تواند در روسازی بتن غلتکی نیز مورد استفاده قرار گیرد. مشابه بتن معمولی، طی اجرای پروژه لازم است سنگدانه های منبع برای کیفیت و روانی مطلوب مورد ارزیابی قرار گیرند. منظور از روانیِ دانه بندی سنگدانه ها مشخصاتی از قبیل جذب آب، وزن مخصوص، شاخص خمیری، مقاومت سایشی، واکنش پذیری قلیایی-سیلیسی (ASR) و دوام می باشد .(2)

انتخاب صحیح سنگدانهها و دانهبندی سنگدانهها برای روسازی بتن غلتکی احتمال جداشدگی را کاهش می دهد و مقاومت و دوام روسازی را بهبود می بخشد. علاوهبراین، انتخاب سنگدانهها بر روی میزان آب و مواد سیمانی مورد نیاز تاثیر گذار می باشد .(2)

مخلوط سنگدانه با دانه بندی خوب و متراکم در بتن غلتکی مطلوب می باشد. در اکثر موارد ریزدانه ها و درشتدانهها بصورت مخلوط تهیه می شود که دانه بندی مطلوب را داشته باشد. شکل 1 دانه بندی مناسب برای ریزدانهها، درشتدانهها و مخلوط آنها را پیشنهاد می کند.

برای داشتن بتن غلتکی با کیفیت بالا، لازم است درشت دانه ها و ریز دانه ها محکم و مداوم باشند. لازم است برای ارزیابی کیفیت سنگدانه ها، آزمایش های لیست شده در استاندارد ASTM C33 برای ارزیابی مشخصات فیزیکی تمامی سنگدانه های مصرفی در طرح اختلاط بتن غلتکی صورت بگیرد .(9 ,2)

-1-1-3 درشت دانه ها :

برای طرح اختﻻط بتن غلتکی، درشت دانه های مطابق با استاندارد ASTM C33 پیشنهاد می گردد .(9 ,2) جهت داشتن سطحی محکم و برای جلوگیری از جداشدگی، بیشترین بعد اسمی سنگدانه ها باید از 3/4 اینچ 19) میلیمتر) کوچکتر باشد. معمولا بیشترین بعد اسمی سنگ دانه ها بین محدوده 5/8 تا 3/4 اینچ 16 ) تا 19 میلیمتر) تغییر می کند. در صورت داشتن نسبت های اختلاط مناسب (با ریز دانه های کافی)، با NMSA بیش از 3/4 اینچ 19) میلیمتر) (تا حد 1 1/2 اینچ 38) میلیمتر)) نیز می توان به سطحی با کیفیت خوب دست یافت. برای کاهش جداشدگی، افزایش چسبندگی و بهبود کیفیت رانندگی می توان از NMSA های کوچکتر از 3/4 اینچ 19) میلیمتر) ( به کوچکی 1/2 اینچ 13) میلیمتر )) استفاده نمود. اگرچه، در صورت استفاده از NMSA های کوچک، میزان مصرفی سیمان افزایش می یابد که منجر به کاهش مقاومت روسازی می شود. علاوه بر آزمایش های معمول که بر روی درشت دانه ها صورت می گیرد، لازم است آزمایش سایش لوس آنجلس (مطابق استاندارد (AASHTO T96 / ASTM C131 انجام شود .(11 ,10) در بعضی موقعیت ها انجام آزمایش های سلامت (13 ,12) (AASHTO T104 / ASTM C88)، واکنش پذیری قلیایی-سیلیسی ASTM C586) و / ASTM C1105 page13(16-14) (AASHTO T303، ضریب دوام (18 ,17) (AASHTO T103 / ASTM D3744) و ضریب انبساط حرارتی (19) (AASHTO TP60) ضروریست.

-2-1-3 ریزدانه ها :

ریزدانه ها باید الزامات مربوط به دوام ذکر شده در استاندارد ASTM C33 را داشته باشند. استفاده از سنگدانههای ریز تر از الک شماره 75) 200 میکرون)، درصورتیکه پلاستیک نباشند، برای پر کردن فضای خالی سنگ دانه ها مناسب می باشند.

بنابراین، منبع سنگ دانه های که گرد و غبار زیادی در محل دپوی آنها موجود باشد، درصورتیکه پلاستیک نباشند، برای استفاده در طرح اختلاط بتن غلتکی میتواند مفید باشد .(9 ,2)

اسکلت سنگدانه های مصرفی در بتن غلتکی که تحت تراکم تحکیم می یابند بسیار تحت تاثیر ریزدانه ها می باشند. استفاده از ریزدانه های بیشتر منجر که کاهش میزان سیمان مصرفی و خمیر مربوطه می شود که درصورتیکه با دانهبندی مناسب با درشت دانه ها مخلوط شود، یک مخلوط تراکمپذیر و با دوامی را به ارمغان میآورد. برخلاف مخلوط های آسفالتی، گوشه دار بودن ریزدانه ها در مخلوط های بتن غلتکی از اهمیت بالایی برخوردار نیست. کاملا گویاست که کارپذیری و مقاومت در برابر شیارشدگی مخلوط های آسفالتی بسیار تحت تاثیر گوشهدار بودن ریزدانه هاست. برخلاف مخلوطهای آسفالتی، استفاده از ریزدانه های طبیعی (کروی) در مخلوط های بتن غلتکی جهت ایجاد ماتریس قوی بسیار معمول می باشد.

-2-3 مواد سیمانی :

مخلوط های بتن غلتکی می تواند از هرگونه انواع سیمان های هیدرولیکی، سیمان مخلوط و یا ترکیبی از سیمانهای هیدرولیکی و پوزولان ساخته شود. اطلاعات دقیق تری در خصوص انتخاب و استفاده سیمان های هیدرولیکی و مکمل های سیمانی در گزارش ACI 225R گردآوری شده است .(20)

مشابه بتن معمولی، مصالح مورد استفاده در مخلوط های بتن غلتکی باید بگونهای انتخاب شوند که مقاومت شیمیاییِ کافی در برابر حملات سولفاته، واکنش های قلیایی و ساییدگی داشته باشد. نوع مواد سیمانی تاثیر چشمگیری در هیدراتاسیون و روند کسب مقاومت دارد که در نتیجه آن بر روی مقاومت بتن در سنین پایین اثر گذار می باشد.

در روسازی بتن غلتکی استفاده از سیمان های تیپ I و II بسیار رایج و معمول می باشد. درصورتیکه مقاومت بالا در سنین پایین مدنظر باشد می توان از سیمان تیپ III استفاده نمود. سیمان تیپ V نیز باید در مناطقی مورد استفاده قرار بگیرد که خاک موجود در آن مناطق شرایط مناسبی داشته باشد. مواد سیمانی باید الزامات ذکر شده در استاندارد های ASTM C150 و ASTM C1157 را داشته باشد .(22 ,21)

مصالح سیمانی مکمل (SCM ) نیز می تواند جهت اطمینان از تراکم کافی در مخلوط هایی که ریزدانههای با دانهبندی استاندارد دارد مورد استفاده قرار گیرد. اگرچه در ایالات متحده آمریکا استفاده از مصالح سیمانی مکمل رایج نیست. در صورت استفاده، مصالح سیمانی مکمل کارپذیری بتن را بهبود می بخشند، واکنش پذیری قلیایی سنگدانه ها و واکنش پذیری قلیایی-سیلیسی را کاهش می دهند و زمان تراکم را افزایش می دهند. در صورت استفاده از میکروسیلیس شرایط ذوب و یخ را نیز بهبود می بخشد .(2)

-3-3 آب :

در بتن غلتکی، آب مورد نیاز هیدراتاسیون شیمیایی از دو منبع تامین می شود. قسمتی از آن از طریق آب اضافی ( آب آزاد) در ریزدانه ها و درشت دانه ها تامین می شود و قسمت دیگر آن با اضافه کردن آب به میکسر تامین می شود. کیفیت آب مصرفی باید الزامات استاندارد ASTM C1602 را داشته باشد. پیش از اجرای پروژه لازم است کیفیت آب توسط مهندسان مجرب تایید شده باشد .(23)

-4 تعیین طرح اختلاط :

بطور کلی روش های تعیین طرح اختلاط بتن غلتکی بر اساس موارد زیر است :

· استفاده از روش تراکم خاک برای روسازی های بتن غلتکی معمول و رایج می باشد. بنابراین، این روش با جزئیات در ادامه توضیح داده خواهد شد.

· روش تراکم خاک بصورت گستردهای برای طرح نسبت اختلاط روسازی های بتن غلتکی مورد استفاده قرار میگیرد. طبق این روش رابطهای بین چگالی و درصد رطوبت مخلوط های بتن غلتکی ایجاد می شود به این منظور که حداکثر چگالی نمونه های متراکم شده بدست آید.

در ادامه روش های متداول در طراحی مخلوط بتن غلتکی مورد بررسی قرار میگیرد:

-1-4 روش تراکم:

روش تراکم خاک ارائه شده در PCA شامل مراحل زیر می باشد:

(0 انتخاب مقاومت طرح (1 انتخاب سنگدانه های خوب دانه بندی شده

(2 انتخاب محدوده متوسطی از مصالح سیمانی (3 رسم نمودار درصد رطوبت-چگالی

(4 آماده سازی نمونه ها برای سنجش مقاومت فشاری (5 آزمایش نمونه ها و انتخاب عیار سیمان موردنیاز (6 محاسبه نسبت های اختلاط

در ذیل مراحل فوق شرح داده خواهد شد :

-0 انتخاب مقاومت طرح

به جهت تنوع مصالح و متفاوت بودن شرایط اختلاط و اجرا، لازم است طرح اختلاط های بتن غلتکی در آزمایشگاه ساخته شوند تا مقاومت های بیش از مقاومت موردنظر بدست آید. مقاومت مورد نظر تحت عنوان نام "میانگین مقاومت موردنیاز ( )" نامیده می شود. ACI 214R-02 روش تعیین را برای بتن معمولی نشان داده است. اگرچه، برای مخلوط های بتن غلتکی استاندارد تایید شدهای برای تعیین درج نشده است. پیشنهاد می شود از دستورالعمل ذکر شده در استاندارد ACI 214R-02 (به جز قسمت تعیین ) پیروی شود .(24)

پیشنهاد می شود برای هر پروژهای، طراح، میانگین مقاومت مورد نیاز، و ضوابط تایید مقاومت را تعریف کند. میانگین مقاومت مورد نیاز ( ) برابر با مجموع مقاومت طراحی ( ) با ضریب اطمینان می باشد.

-1 انتخاب سنگدانه های خوب دانه بندی شده :

در مرحله اول لازم است سنگدانه ها از نقاط نظر دانه بندی، مقاومت در برابر جداشدگی و تراکم پذیری بهینه شود.دانه بندی سنگدانه های مخلوط باید دانه بندی حداکثر چگالی را بدست دهد. شکل اسلاید بعد دانه بندی مناسب بتن غلتکی را به همراه منحنی فولر برای حداکثر اندازه 4/3 اینچ 19) میلیمتر) را نشان می دهد. منحنی فولر روشی برای تعریف دانه بندی متراکم به منظور دستیابی به حداکثر چگالی با هر حداکثر اندازه سنگدانه میباشد.