بتن غلطکی

 

 

 

چکیده:

دیر زمانی از شروع ساخت سد های بتن غلتکی نمی گذرد: ولی در همین مدت کوتاه به علت سرعت بالای ساخت، هزینه های اجرایی پایین و ایمنی برابر با سدهای بتنی کلاسیک ساخت این گونه سدها مقبولیتی عام یافت. در سال های اخیر ساخت سدهای بتن غلتکی در دستور کار متولیان صنعت آب کشور قرار گرفت که سد جگین به عنوان اولین سد بتن غلتکی در ایران مراحل پایانی ساخت خود را می گذراند بر آن شدیم تا با تهیه این مقاله به طراحی این نوع از سد را با مشخصات بتن غلتکی آشنا کنیم. نویسندگان این مقاله مطلب خود را عاری از اشتباه ندانسته و از انتقادهای سازنده خوانندگان استقبال می کنند.

۱ـ کلیات

مشخصات بتن غلتکی سخت شده شبیه بتن های حجیم است. تفاوت این دو نوع بتن، عمدتا به علت میزان کم آب بتن غلتکی، حجم فضاهای خالی و میزان کم سنگدانه یا سایر مشخصات مواد افزودنی است. به دلایل ذکر شده در زیر محدوده مشخصات بتن غلتکی از بتن حجیم وسیع تر است:

۱ـ کاربرد محدوده وسیعی از سنگدانه ها با کیفیت متفاوت در بتن غلتکی

۲ـ وجود میزان پایین تری از مواد سیمانی در بتن غلتکی

۳ـ مقدار قابل توجهی از مواد پر کننده معدنی (فیلر) در بتن غلتکی

اگر کیفیت مصالح یا تراکم تغییر قابل توجهی داشته باشد تنوع در مشخصات بتن غلتکی از بتن حجیم بسیار بیشتر خواهد بود. در این فصل توضیحات کاملی راجع به مشخصات بتن غلتکی سخت شده شامل: مقاومت، مشخصات الاستیک، ظرفیت کرنش کششی، خزش، تغییر حجم، مشخصات حرارتی، نفوذ پذیری، چگالی و دوام ارائه شده است.

۱ـ۱ـ آزمایش

بعضی از مشخصات بتن غلتکی با استفاده از نتایج آزمایشگاهی و برخی توسط تجربه های مهندسی تعیین می شوند. تعدادی از این مشخصات مانند مدول الاستیسیته خزش و ظرفیت کرنش کششی بدون انجام آزمایش به سختی قابل تخمین زدن هستند. زمانی که مکان انجام آزمایش به صورت کامل نیست، بهترین شیوه استفاده از نتایج آزمایش های ساده و معتبر سایر پروژه ها می باشد. مشخصاتی که از نتایج آزمایشگاهی به دست می آیند باید نشان دهنده مشخصات مصالح مخلوط بتنی باشند. در صورت امکان مشخصات مصالح باید از نمونه مغزه گیری شده تعیین شود.

اختلاف در مشخصات بتن غلتکی به علت پراکندگی اطلاعات حاصل از آزمایش تفاوت رفتار واقعی مصالح و آنچه توسط مدل های عددی پیش بینی می شود و اختلاف های مورد انتظار بین مخلوط های آزمایشگاهی و واقعی در حین ساخت است و می تواند توسط مطالعات پارامتریک که از ترکیب حد بالا و پایین مشخصات تعیین کننده در طراحی استفاده می کنند محاسبه شود. سرعت ساخت و تجربه عملی استفاده از مقاومت طراحی ۱ ساله نشان می دهد که سازه های بتن غلتکی قبل از رسیدن به مقاومت طراحی بارگذاری می شوند بنابراین باید دقت بیشتری در انتخاب مصالح بتن غلتکی لحاظ شود.

۲ـ۱ـ مقاومت و مشخصات الاستیک

مقاومت و مشخصات الاستیک بتن غلتکی مانند بتن حجم با توجه به نوع و مصالح و نسبت آنها در مخلوط تغییر می کند. کیفیت مصالح سنگی و میزان مواد سیمانی فاکتورهای اصلی تاثیر گذار بر مقاومت و مشخصات الاستیک هستند. ولی این مشخصات بیشتر بستگی به کنترل مخلوط در محل و نظارت بر عملیات بتن ریزی دارد.

 

مشخصات مورد نیاز برای آنالیز لرزه ای بتن غلتکی شامل مقاومت کششی، مقاومت برشی، مدول الاستیسیته، نسبت پواسن و چگالی است. به جز چگالی، بقیه مشخصات به تغییرات کرنش وابسته هستند. نرخ تغییر کرنشی که در هنگام زلزله ای بزرگ رخ می دهد هزاران بار بزرگتر از کرنشی است که در آزمایشگاه روی نمونه اعمال می شود.

۲ـ مقاومت

مقاومت فشاری کششی و برشی در این قسمت مورد بررسی قرار می گیرد. مقاومت کششی در این قسمت مورد بررسی قرار می گیرد مقاومت کششی در ادامه به بخش های:

  • مقاومت کششی مستقیم
  • مقاومت کششی مستقیم درزه ها
  • مقاومت کششی گسیختگی
  • مقاومت خمشی
  • مقاومت کششی دینامیکی

و مقاومت برشی به دو قسمت:

۱- مقاومت برشی بتن غلتکی

۲- مقاومت برشی درزه ها تقسیم می شود.

تعیین مقاومت بتن غلتکی همانند بتن حجیم است و تنها تفاوت در روش های تحکیم نمونه بتن غلتکی است. مقاومت بتن غلتکی بستگی زیادی به درجه تراکم نمونه کیفیت سنگدانه و میزان مواد سیمانی دارد. آزمایش مقاومت بتن غلتکی بر روی نمونه های متراکم شده یا نمونه های مغزه گیری شده از سازه اصلی یا سازه آزمایشی انجام می شود. تفاوت بتن غلتکی با بتن حجیم در سطوح افقی ضعیف بتن غلتکی است که در هنگام ساخت به وجود می آیند. در این درزه ها مقاومت کششی و برشی عموما از بدنه اصلی کمتر می باشد.

 

تراکم کافی و مناسب برای تمام قسمت های بتن غلتکی لازم است. برای یک نسبت اختلاط مشخص تراکم مناسب زمانی اتفاق می افتد که بیشتر از ۵/۱% هوا در فضاهای خالی وجود نداشته باشد. ۵% هواس محبوس به علت تراکم ناکافی باعث کاهش ۳۰ درصدی مقاومت و ۲۰% هوای محبوس در فضاهای خالی باعث کاهش ۸۰درصدی مقاومت می شود. تراکم مخلوط بتن غلتکی مشکل بوده و در اکثر موارد تراکم ناکافی رخ میدهد که این امر باعث کم شدن مقاومت از حد مطلوب می شود. در برخی موارد اضافه کردن آب به مخلوط بسیار خشک افزایش مقاومت را در بر دارد.

 

سنگدانه هایی که باعث ایجاد مقاومت بالا می شوند همیشه بهترین مواد برای بتن غلتکی با بتن حجیم نیستند. در برخی از پروژه ها استفاده از سنگدانه هایی با مقاومت طبیعی پایین تر بتن غلتکی با میزان خزش مطلوب مدول الاستیسیته پایین و ظرفیت کرنش کششی مناسب تولید می کند. هر چند استفاده از چنین سنگدانه هایی باعث کاهش مقاومت کششی و مشخصات برشی می شود که فاکتورهای مهمی برای سازه های واقع در مناطق لرزه خیز می

باشند. استفاده از سنگدانه های نامرغوب یا مصالح نا متعارف که حد مقاومت دراز مدت آن غیر قابل پیش بینی است یا به طور کلی استفاده از مقاومت بتن غلتکی در سنین پایین برای پیش بینی مقاومت دراز مدت آن باید با احتیاط صورت گیرد. استفاده از پوزولان در بتن غلتکی روند کسب مقاومت را کند می کند ولی مقاومت نهایی بالاتری را نتیجه می دهد. برخی از ترکیبات بتن غلتکی بسته به شکل دانه بندی درجه تراکم و میزان جدا شدگی ممکن است مشخصات

غیر همسانگردی نسبت به بتن حجیم از خود نشان دهند. آزمایش های انجام گرفته بر روی بتن غلتکی بیان کننده این مطلب است که معمولا نمونه های مغزه گیری شده عمودی مقاومت بیشتری نسبت به نمونه های مغزه گیری شده افقی دارند. در موارد بسیار محدودی عکس این نتیجه مشاهده شده است.

در بتن معمولی رفتار غیر همسانگرد به جمع شدن شیره بتن زیر سنگدانه ها نسبت داده می شود در بتن غلتکی رفتار غیر همسانگرد به دلیل بخش شدن و جهت گیری سنگدانه ها در نتیجه پخش شدن و تراکم لایه های افقی می باشد.

 

جهت مغزه ها تقریباً تا ۲۰% مقاومت کششی تاثیر می گذارد. اگر مقاومت کششی از دید سازه ای حائز اهمیت باشد مغزه های افقی و عمودی هر دو باید آزمایش شوند. مقاومت کششی و برشی در درزه های اجرایی متاثر از تراکم کیفیت سنگدانه ها میزان مواد سیمانی و همچنین آماده سازی و شرایط ایجاد درزه ها است. شانس دست یابی به مقاومت برشی لازم برای درزه ها در بتن غلتکی خشک که به راحتی متراکم نشده و مخلوط هایی که با حجم خمیر ناکافی طراحی می شوند کم است. درزه های اجرایی همانند مقاومت برشی با استفاده از ملات یا بتن بستر سازی و ریختن لایه های متوالی بتن غلتکی با سرعت بالا خواص بهتری پیدا می کنند. مقاومت درزه های اجرایی برای مخلوط هایی با طرح اختلاط مناسب و تراکم خوب می تواند به حدود مقاومتی درزه های اجرایی در بتن حجیم معمولی نزدیک شود.

 

مقادیر مورد نیاز برای طراحی مقاومت درزه ها از آزمایش های انجام گرفته بر روی مغزه های سازه اصلی یا سازه آزمایش تحت شرایط پیش بینی شده به دست می آید. استفاده از اعداد مقاومتی متفاوت که حاصل آزمایش روی مغزه های سازه آزمایشی و سازه اصلی است. باید با دقت زیادی صورت گیرد. تعداد نمونه ها باید به اندازه ای باشد تا نتایج آماری معنی داری به دست آید. مغزه گیری تاثیرات منفی بر سازه دارد که باید توسط مهندسان مواد مورد بررسی قرار گیرد. این تاثیرات هنگامی که نمونه ها از درزه های اجرایی استخراج می شوند نمود بیشتری پیدا می کند.

 

۱ـ۲ـ مقاومت فشاری

همانند بتن حجیم معمولی مقاومت فشاری معیار طراحی بتن غلتکی و تعیین سایر مشخصات آن مثل دوام می باشد. تعیین بارهای طراحی ارتباطی به مقاومت فشاری ندارد. در حالی که مقاومت کششی برای طراحی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. مقاومت فشاری برای بتن غلتکی از نمونه های استوانه ای ساخته شده در آزمایشگاه یا مغزه گیری شده از سازه اصلی طبق استاندارد ۴۲ASTM c دست می آید. اندازه نمونه بستگی به قطر سنگدانه ها دارد. مقاومت فشاری در طول ساخت نیز تعیین می گردد تا دست یابی مخلوط به معیار طراحی کنترل شود. مقاومت فشاری تابع میزان مواد سیمانی و نوع آنها دانه بندی، کیفیت سنگدانه و میزان تراکم است. برای مخلوط های بتن غلتکی که خوب متراکم شده اند این تاثیر ها همانند بتن حجیم می باشد. برای مخلوط های بتن غلتکی که خوب متراکم نشده اند یا فاقد خمیر کافی جهت پر کردن فضاهای خالی هستند معمولا میزان تراکم تعیین کننده مقاومت مخلوط است. مقاومت فشاری بتن غلتکی برای تعداد زیادی از پروژه های مختلف در استاندارد R 207.5 ACI آمده است. اگر در بتن غلتکی از سنگدانه هایی با کیفیت بالا استفاده شود مقاومت فشاری مخلوط مشابه بتن حجیم معمولی خواهد بود.

مخلوط های متداول بتن به مقاومت فشاری در حدود MPa6/9 تا MPa 6/27 در طی ۱ سال می رسند. بیشترین پروژه های غلتکی دارای مقاومت فشاری ۹۰ روزه تا ۱ ساله بین MPA 8/13 و Mpa 20/7 هستند. مخلوط بتن غلتکی ممکن است برای مقاومت فشاری مینیمم mpa 13/8 طراحی شود. در مناطق لرزه خیز مقاومت فشاری بالا برای دستیابی به مقاومت کششی و برشی بالاتر لازم است. رابطه مقاومت فشاری حاصل از مغزه های بتن غلتکی با نمونه های استوانه ای همانند بتن معمولی است ولی ممکن است تغییرات زیادی به سبب کارآیی مخلوط میزان تراکم روش آماده کردن نمونه های استوانه ای و سایر عوامل در آن مشاهده شود. آزمایش بر روی نمونه های استوانه ای و مغزه گیری شده هم سن در برخی از پروژه های بتن غلتکی نشان می دهد که مقاومت حاصل از مغزه ها ۷۵% مقاومت فشاری نمونه استوانه ای است.

معمولا وقتی از مخلوط هایی با کارایی پایین استفاده می شود مقاومت فشاری نمونه استوانه ای کمتر از مقاومت فشاری حاصل از مغزه گیری است که دلیل آن مشکل بودن ایجاد تراکم کافی در نمونه استوانه ای می باشد. ضریب تغییرات مقاومت فشاری نمونه در هنگام ساخت تغییر زیادی می کند و بستگی به کارآیی بیشتر است. ضریب تغییرات کاربرد بیشتری نسبت به انحراف معیار دارد زیرا مخلوط هایی با مقاومت پایین در سدها به کار می روند.

مانند بتن حجیم با بالا رفتن سن آزمایش ضریب تغییرات تمایل به کم شدن دارد. میزان این ضریب برای سدهای بتن غلتکی بین ۱۰% تا ۲۸% گزارش شده است و کمتر از ۲۰% معمولا نشان دهنده مخلوط هایی با کارآیی بیشتر است. اگر چه آزمایش های بسیار کمی بر روی بتن غلتکی در مورد بارگذاری فشار

ی سریع انجام گرفته اما دلیلی وجود ندارد که نتایج مورد نظر ما متفاوت از نتایج بتن حجیم معمولی باشد. آزمایش های مقاومت دینامیکی برای شبیه سازی زلزله با سرعت بارگذاری زیاد انجام می شوند. در هنگام وقوع زلزله کرنش مربوط به پریود اساسی سازه سد به همراه تنش ماکزیمم در یک چهارم سیکل نوسان اتفاق می افتد. برای یک سد وزنی که به عنوان مدل به کار می رود این بدان معنی است که نمونه را طوری بارگذاری کنیم تا در ۷۵ msec دچار شکست شود که البته این مسئله به پریود سازه بستگی دارد.

 

 

 

 

 

 

نتایج آزمایش روی بتن معمولی نشان می دهد که مقاومت فشاری نمونه های مرطوب تحت شرایط بارگذاری سریع تقریبا ۳۰% افزایش می یابد. استفاده از نمونه های مرطوب برای نرخ بارگذاری معمولی یا آزمایش مقاومت استاتیکی تعیین کننده است. در حالی که بهره گیری از نمونه های خشک، مقاومت فشاری استاتیکی نمونه ها را بالا می برد ولی تاثیری بر آزمایش با نرخ بارگذاری سریع نداد. نتایج این آزمایش ها مشخص کننده آن است که افزایشی در مقاومت به لحاظ نرخ بارگذاری معمولی تا سریع وجود ندارد.

 

 

 

 

 

 

 

۲ـ۲ـ مقاومت کششی

مقاومت کششی از روش های مختلفی محاسبه می شود:

۱ـ روش کشش مستقیم

۲ـ روش کشش گسیختگی

۳ـ آزمایش خمش یا روش مدول گسیختگی

تمام روش های آزمایش کششی به سن نمونه سرعت بارگذاری و میزان رطوبت حساس هستند و هر کدام نتایج متفاوتی ارائه می دهند. مقاومت کششی بتن غلتکی بستگی به میزان مواد سیمانی، مقاومت سنگدانه مشخصات خمیر درجه تراکم مخلوط و شرایط سطح بتن ریزی دارد. مقاومت کششی بیشتر از مقاومت فشاری به اندازه سنگدانه ها وابسته است. بنابراین رابطه بین تنش کششی و فشاری فقط به شیوه انجام آزمایش وابسته نیست بلکه با اندازه بزرگترین دانه و نوع آن نیز تغییر می کند. آیین نامه R207.2ACI درباره مقاومت کششی مفصل بحث کرده است. درزه های اجرایی قائم در بتن غلتکی همانند بتن حجیم از نقاط ضعیف به شمار می روند. راستای تنش کششی اصلی نزدیک وجه بالا دست سد تقریبا بر سطح درزه عمود است و از این رو معیاری برای طراحی در نظر گرفته می شود. اما در وجه پایین دست راستای تنش کششی اصلی تقریبا موازی با سطح درزه بوده و در نتیجه تنش کششی بتن بدنه سد به میزان قابل توجهی بالاتر از تنش کششی در راستای عمود بر سطح درزه است. مقاومت کششی مستقیم روش مناسبی برای بدست آوردن مقاومت کششی درزه ها است. مقاومت کششی گسیختگی نمونه های افقی برای تعیین مقاومت درزه ها به کار می رود. اما مشخص نمودن این مطلب که درزه ها دقیقا در وسط نمونه ها قرار می گیرند یا خیر، برای انجام صحیح آزمایش بسیار مشکل است پیش بینی مقاومت کششی بر پایه مقاومت فشاری معمولا قابل اطمینان نیست. نسبت مقاومت کششی به مقاومت فشاری بستگی به علاقه طراح دارد؛ مخصوصا برای سازه های کوچک که ممکن است آزمایش کشش در مورد آن ها انجام نگیرد.