نقش بتن اسفنجی در پایداری سازه ها

نقش بتن اسفنجی در پایداری سازه ها

مقدمه

همانطور که می دانیم امروزه صنعت بتن نقش مهمی در ساخت و سازهای جوامع بشری ایفا می کند و یکی از عوامل بسیار موثر در سازه های بتنی در جهان است، البته باید به این امر مهم هم توجه داشت که مصرف بتن فقط در سازه های بتنی و امثال آن نیست.در این راستا تحقیقاتی به منظور استفاده از بتن در دیگر پروژه هاتوسط بسیاری از محققین این امر انجام شده و پس ازاین آزمایشات و تحقیقات فراوان، محققان موفق شدند به راه حل بسیار خوبی به نام بتن اسفنجی (بتن تراوا) دست یابند.

بتن اسفنجی توانست تحولات زیادی را در محوطه سازی شهرهای اروپا و آمریکا ایجاد کند، بتنی که از لحاظ وزنی بسار سبک و با تخلخل بالا می باشد.البته این نوع بتن هنوز در ایران جا نیفتاده است ‚ ولی اینجانب امیدوارم با تلاش مسئولین ادارات، مهندسین و متخصصین فن، این بتن نیز جایگاهی برای استفاده در پروژه های مختلف کشورمان داشته باشد. بعد از مطالعات، تحقیقات و آزمایشاتی که اینجانب در مورد این بتن انجام دادم به نتایج بسیار ارزنده ای رسیده ام که به بعضی از موارد مهم و اساسی آن در پایین اشاره کرده ام. مطمئنا هر چیزی معایب و مزایایی دارد ولی به حق می توان گفت که مزایای این بتن در نوع خود برای مصارف در بسیاری موارد نه تنها بهتر که مقرون به صرفه تر نیز می باشد. امید وارم نتیجه مطالعات و آزمایشات بنده که این مقاله می باشد مورد توجه انجمن مهندسین و متخصصین قرار بگیرد و به منظور تامین و تدارک زمینه هرچه بیشتر فاید این بتن از جمله حفظ بیشتر محیط زیست و مقرون به صرفه بودن مورد استفاده در پروژه های کشورمان نیز قرار بگیرد.
بتن اسفنجی چیست؟
با توجه به مقوله ها و مشکلات زیر:
1- خشکسالی که بسیاری از مناطق کشور ما گریبانگیر آن است.
2- پایین بودن سفره های آب زیرزمینی بدلیل گرمتر شدن جو زمین و استفاده نادرست از منابع آب زیر زمینی.
3- حفظ محیط زیست و توجه هر چه بیشتر به این مساله.
4- سرد تر شدن مناطق سردسیر بدلیل تلمبار شدن برف بر روی بامها، خیابانها و...
5- آلوده شدن نزولات جوی بدلیل جریان در سطوح آلوده و در نهایت آلوده کردن منابع آبهای زیر زمینی.
و هزاران دلایل دیگر و مطرح شدن این امر در مهندسی عمران به خصوص گرایش محیط زیست آن و در مقوله های مختلف اعم از بتن، باعث می شود تا فکر من و هر مهندس عمران علاقه مند به رفع این مشکلات به فکر چاره ای باشیم. نوع بتن جدیدی که بتنهای معمولی دیگر بنا به عدم تخلخل و نداشتن مقاومت بالا در برابر یخ زدگی قابل استفاده برای این راهکار نیستند. ولی بتن اسفنجی یا بتن تراوا بهترین نوع بتن برای حل این موارد صرفا از نظر مهندسی عمران و بتن مورد استفاده در محل می باشد.پس باید بدانیم بتن اسفنجی از چه موادی تشکیل شده و بهترین حالت اندازه مواد آن چه بوده و در حالت بهینه میزان موارد، چه رفتاری از خود نشان می دهد و مشخصات آن رفتار چیست، که بر اساس مشخصات و رفتارهای بتن در مقابل آزمایشهای آزمایشگاهی و صحرایی تا حد زیادی هم می توان به معایب و مزایای آن پی برد.
بتن اسفنجی یک مخلوط سنگدانه درشت(شن) سیمان ‚ آب و ماسه به میزان اندک(و گاهی اوقات بدون ماسه) است، استفاده از شن به جای ماسه در این نوع بتن دلیل تخلخل و فضای خالی مورد نیاز این بتن بنا به ضرورت مصرف می گردد.در ساختار این بتن %25-15 (از لحاظ حجم) فضای خالی وجود دارد و این امر موجب عبور آب از داخل این بتن می شود.
در بتن اسفنجی از آب نسبت به دیگر انواع بتن کمتر استفاده می شود و این مساله باعث شده تا پس از ساختن مخلوط بتن، آب آن به سرعت تبخیر شده و مخلوط در مدت یک ساعت کاملا از آب تخلیه شود.
نسبت مواد مختلف در بتن اسفنجی:
با توجه به نتایج تحقیقات بنده بهترین حالت برای میزان مواد مختلف در بتن اسفنجی عبارتند از:
نسبت مواد مقدار مواد
1- مواد دارای خواص بتن 270 تا 415 کیلوگرم بر متر مکعب
2- سنگدانه 1190 تا 1480 کیلوگرم بر متر مکعب
3- نسبت آب به سیمان (از لحاظ جرم) 0.27 تا 0.30 به ازای واحد
4- نسبت سنگدانه به سیمان (از لحاظ جرم) 4 تا 4.5 به ازای واحد
5- نسبت سنگدانه ریز (ماسه) به سنگدانه درشت (شن) 0 تا 1 به ازای واحد
رفتار بتن اسفنجی:
که با توجه به بهترین حالت برای میزان مواد در بتن، رفتار بتن و ویژگیهای آن اینگونه بروز نموده و ثبت گردید. (آزمایشاتی که بنده در آزمایشگاه دانشگاه انجام داده و گزارش گیری کردم.)
مشخصات مقدار
اسلامپ 20 میلیمتر
چگالی 1600 تا 2000 کیلوگرم بر متر مکعب
زمان گیرش 1 ساعت
تخلخل 15 تا 25 درصد
مقاومت فشاری 3.5 تا 4.2 مگا پاسکال
مقاومت خمشی 1.3 تا 3.8 مگا پاسکال
نصب بتن اسفنجی:
نصب بتن اسفنجی شامل 4 مرحله اساسی است:
1-مخلوط کردن
2-جا گذاری کردن(گماردن‚ قراردادن)
3-تراکم و فشرده سازی (کوبیدن)
4-عمل آوردن بتن
بوجود آوردن ‚ قراردادن و عمل آوردن بتن اسفنجی همه به جای اینکه در یک کارخانه زیر شرایط یکسان انجام شوند ‚ در محل کار(پای کار) انجام می شوند.
اگر چه بتن اسفنجی می تواند توسط همان تهیه کننده های بتن توپر تهیه شده و توسط همان کامیونهای بتن توپر تحویل داده شوند‚ اما این ویژگی های فیزیکی منحصر بفردش است که نیاز به یک پیمانکار با تجربه تخصصی دارد. همچنین تفاوت های ساختاری ما بین بتن اسفنجی و بتن غیر قابل نفوذ نصب متفاوت آن را نیازمند است.
به هر حال کیفیت و عملکرد بتن اسفنجی بستگی به میزان آشنایی و عملکرد نصب کننده و خاصیت ضربه های ساختاری (کمپکت) دارد.
این نوع بتن به دلیل مقاومت نسبتا پائین آن Psi 400 الیPsi 4000 اساس مشخص شده و پذیرفته شده ای برای مقاومت بالا نیست.و مساله مهمتر در موفقیت یک روسازی بتن اسفنجی مقدار پوکی (فضای خالی) آن است. البته باید بدانیم که زیر سازی این بتن و زمین زیرینش نباید کاملا غیر قابل نفوذ باشد و باید حداقل اندکی خاک و زیر سازی آن نفوذ پذیری داشته باشد.در مناطق ماسه ای هم بتن اسفنجی مستقیما بالای ماسه گذاشته می شود.
همچنین باید به این موضوع اشاره کرد که یخ زدن آب در داخل این بتن مشکلی ایجاد نمی کند زیرا آزمایش هایی صورت گرفته که در آن بتن اسفنجی را به مدت بیش از 15 سال در آب و هوای سرد گذاشته و آب باران و برف پس از ورود به داخل بتن یخ می زد.کاربرد موفق بتن اسفنجی در این مناطق این مساله را حل نموده است و مشکلی در به کاربردن این بتن در این مناطق وجود ندارد.
نقش مواد افزودنی (مواد دارای خواص سیمانی)در بتن اسفنجی
حال به برخی از آنها که نقش بسیار مهمی در ساختار بتن دارند و می توانند به جای سیمان مورد استفاده قرار گیرند (که در ایران از آنها به ندرت استفاده می شود)اشاره می کنیم.در واقع این موارد بر عملکرد زمان گیرش، میزان افزایش مقاومت، تخلخل، نفوذ پذیری و.... در بتن تاثیر می گذارند و در یک کلام کلید عملکرد بالای بتن در استفاده از موارد افزودنی (SCMS) است.
از آنجمله می خواهیم به گاز سیلیس خاکستر بادی و روباره که همگی دوام بتن را بوسیله کم کردن نفوذ پذیری و شکاف (ترک خوردگی) افزایش می دهند اشاره کنیم:
گاز سیلیس(Silica Fume):یک فراورده فرعی (محصول جانبی)از تولید سیلیکون است ‚ و از دانه های خیلی ریز و ذرات کروی شکلی تشکیل شده است و به طور موثری مقاومت و دوام بتن را افزایش می دهد.و به طور مکرربرای ارتفاعات بلند ساختمان ها به منظور افزایش مقاومت فشاری بتن (با استفاده از گاز سیلیس مقاومت فشاری بتن از Psi 20000 هم فراتر می رود.)استفاده می شود و می توان از آن %12-5 به جای سیمان در بتن استفاده کرد.
خاکستر بادی(Fly Ash): خاکستر بادی، محصول فرعی انبار زغال سنگ سوزان در نیروگاههای برق است و سالها قبل بعنوان ماده ای بی مصرف روی زمین روی زمین انباشته می شد و بدون استفاده بود. اما حالا بعنوان یک ماده مهم در صنعت سیمان سازی به کار برده می شود و می توان از آن 5 تا 65 درصد به جای سیمان در بتن استفاده کرد.
روباره (Blast Furnace Slang): روباره، محصول فرعی زباله در صنعت پولاد (فولاد) است، و سهم آن در مقاومت و دوام بتن بیشتر است و می توان از آن 20 تا 70 درصد به جای سیمان در بتن استفاده کرد.
مزایای بتن اسفنجی چیست و پیشنهادات بنده برای موارد استفاده از آن کدام است؟
بتن اسفنجی دارای مزایای اقتصادی و زیست محیطی فراوانی است، که البته مزایای زیست محیطی آن بیشتر مد نظر است. از مزایای اقتصادی آن می توان به پایین آمدن خرجهای فراوان به منظور هدایت آب باران و فاضلاب اشاره داشت. در واقع می توان گفت با وجود بتن اسفنجی نیازی به ساختن جوی های آب فراوان در سطح شهر و کنار خیابان و کوچه ها و همچنین کانالهای بزرگ آب نیست. زیرا این بتن هرگونه بارندگی را مستقیما به زمین و سفره های آب زیر زمینی منتقل می کند و در واقع یک مزیت زیست محیطی نیز محسوب می شود. از دیگر مزایای زیست محیطی آن می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- جلوگیری از بروز آب گرفتگی در معابر و مکانها به هنگام بارندگی
2- جلوگیری از آلوده شدن آب بارندگی ها (زیرا اگر زمین غیر قابل نفوذ باشد، آب باران و برف در سطح زمین که آلودگی فراوان دارد جریان می یابد و منجر به آلوده شدن آب بارندگی می شود). (پیشنهاد اینجانب)
3- پر شدن ذخایر آب زیر زمینی
4- در نقاط سرد که ماندن برف و باران روی زمین (بعد از بارش) منجر به سردتر شدن آن مناطق می شود می توان با استفاده از این بتن آب باران وبرف را به داخل زمین هدایت کرد و از سردتر شدن آن ناحیه جلوگیری کرد.
5- همچنین می توان از این نوع بتن در مکانهایی که نیاز به زمین خشک است استفاده کرد مثلا در زیر سازی چمنهای استادیوم های فوتبال. (پیشنهاد اینجانب)
6- همچنین در مناطق سردسیر، بدلیل عبور آب از این بتن از یخ زدگی سطح معابر و در نتیجه ایجاد خطر جلوگیری می کند که شهرداریها می توانند از این بتن در پیاده رو سازیها و محوطه سازی پارکها، پارکینگها ومعابری که مشکل آبگیری دارند استفاده نمود.(پیشنهاد اینجانب)
7- ایجاد مناظری زیبا به هنگام بارندگی، زیرا با وجود این بتن دیگر هنگام بارندگی آب گرفتگی وجود ندارد. (پیشنهاد اینجانب)
به امید روزی که شاهد استفاده بیشتر و بیشتر از این نوع بتن منحصر بفرد در موارد اصولی آن باشیم.

مراجع و مؤاخذ:
1- تکنولوژی بتن نویسنده: دکتر فرهاد کشاورز
2- مصالح ساختمانی نویسنده: مهندس کریم صمرقندی
3- مهندسی خاک وپی نویسنده: مهندس طاحونی
4- تکنولوژی بتن نویسنده: آلبرت دیسنی، مترجم: خانم ملیحه ذاکروند