بتن متخلخل ( اسفنجی )

بتن متخلخل چیست

بتن متخلخل یک واژه است و طبق تعریف، ماده ای است با اسلامپ صفر که اجازه می دهد آب از آن عبور کند منابع آب زیرزمینی را تغذیه کند و مواد تشکیل دهنده آن سیمان پرتلند، سنگدانه درشت، مقدار کم یا فاقد ریزدانه،آب و مواد افزودنی می باشد. این عناصر در نهایت بتن سخت شده با حفرات مرتبط را تولید می کنند. طول عمر خدمت دهی روسازی متخلخل حاوی سنگدانه های درشت، حدودا 50-30 % بیش تر از روسازی معمولی است . دانه بندی و اندازه سنگدانه های درشت، نسبت آب به مواد سیمانی و میزان تراکم، بر اندازه حفرات اثر میگذارند و معمولا 8-2 میلیمتر هستند. معمولا برای ساخت بتن متخلخل از درشت دانه های با اندازه یکسان استفاده می شود که میتوان به راحتی به درصد حفرات بیش از 15 %رسید. این طرح های اختلاط عمدتا دارای نفوذپذیری بالا و مقاومت ناکافی می باشند. اندازه سنگدانه، دانه بندی و مقدار سنگدانه مصرفی در مخلوط بتن متخلخل، همگی از عوامل تاثیر گذار بر مقاومت فشاری بدست آمده می باشند. افزایش مقدار خمیر سیمان به معنای افزایش مقاومت کلی مخلوط بتن متخلخل می باشد. افزایش در سطح خمیر سیمان، می تواند به راحتی از طریق استفاده از سنگدانه ریز بدست آید. با استفاده از سنگدانه ریز، سطح مخصوص سنگدانه ها بیش تر شده و خمیر سیمان سطح گسترده تری از سنگدانه ها را پوشش می دهد. نتایج نشان داد که نسبت آب به سیمان بهینه 0.32 تا 0.34 می باشد. مشخصات خمیر سیمان در بتن متخلخل تنوع گسترده ای نسبت به بتن معمولی دارد. خمیر سیمان استفاده شده در بتن متخلخل باید چسبندگی و عدم روانی بالایی داشته باشد.

کاربرد بتن متخلخل

روسازی بتن متخلخل . نقش اساسی در کنترل کیفیت آب و مدیریت رواناب حاصل از بارندگی ایفا می کند. محققان دریافته اند که رواناب اثرات بالقوه ای بر منابع آبهای سطحی و زیرزمینی دارد. همراه با توسعه شهرنشینی، سطوح نفوذناپذیر افزایش پیدا می کند و در نتیجه ی آن حجم رواناب افزایش پیدا می کند و منجر به تشکیل سیلاب و فرسایش لبه ی معابر می گردد. روسازی بتن متخلخل علاوه بر کاهش اثرات ناشی از گسترش سطوح نفوذ ناپذیر از طریق کاهش میزان رواناب، به حفظ منابع آبی موجود کمک می کند مهمتر از همه، از دیدگاه مهندسان راه و حمل و نقل، کاهش میزان رواناب می تواند سطح ایمنی معابر را افزایش دهد علاوه بر این، روسازی بتن متخلخل دارای چندی ویژگی سودمند دیگر نظیر کاهش آلودگی صوتی، کاهش گرما، حفظ اکوسیستم محلی، تقویت ذخایر آب زیرزمینی و حفظ رشد درختان می باشد. همچنین نفوذپذیری مناسب روسازی متخلخل می تواند نیاز به سیستم های پر هزینه مدیریت رواناب را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. از سویی روسازی بتن متخلخل می تواند پتانسیل بروز برخی مشکلات قانونی برای یک مالک یا سازنده، را با کاهش نیاز به حوضچه رواناب و ایمنی متعاقب آن، نظیر غرق شدن و غیره، کاهش دهد. امروزه، بسیاری از مکان های سرتاسر دنیا، بارندگی و در نتیجه شکل گیری حوض های آب را تجربه کرده اند. این ناشی از اثر توامان افزایش نرخ بارندگی و کاهش نفوذپذیری سطوح نواحی شهری می باشد. برای حل این مشکل،باید مشکلات مهم زیست محیطی رخ داده پیرامون مناطق مسکونی کاهش پیدا کند. با بکارگیری رویکردهای متفاوت، می توان به استانداردهای جدیدی از آژانس حمایت از محیط زیست دست پیدا کرد. پدیده شهری سازی، به دلیل افزایش نفوذ ناپذیری، میزان رواناب را افزایش می دهد و به طور خاص، تغذیه ی ذخایر آب زیرزمینی را تحت تاثیر قرار می دهد. به منظور حفظ اندازه و کیفیت تغذیه ی ذخایر آب، سطوح نفوذ ناپذیر باید کنترل شوند. روسازی متخلخل می تواند نرخ طبیعی نفوذپذیری هیدرولوژیکی را در زمین های توسعه یافته حفظ کند. این یک تکنولوژی پایدار و دوستدار محیط زیست می باشد و برای معابر با حجم ترافیک کم قابل استفاده است (نظیر پارکینگ بدون سقف، خیابان با ترافیک سبک و پیاده رو ها). 

اهمیت و لزوم مقاوم سازی لرزه ای سازه های بتنی

اصول مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله به معنی اصلاح سازه موجود جهت افزایش توان باربری آن در برابر انواع بارهای وارده می باشد. مقاوم سازی لرزه ای به معنی افزایش مقاوم سازی ساختمان نسبت به حرکت زمین، شتاب و نیروی وارده به سازه و گسیختگی خاک به علت زلزله می باشد. پیش از دهه ۴۰ شمسی (۱۹۶۰ میلادی) به علت عدم وجود آیین نامه های مناسب، سازه های ساخته شده در ایالات متحده دارای جزییات لرزه ای و لذا کفایت کافی جهت باربری بار جانبی زلزله نبوده اند. پس از سالیان متمادی تلاش، تحقیق و آزمایش، آیین نامه های مختلفی جهت مقاوم سازی سازه های موجود ارائه شده اند که می توان یکی از معتبرترین و مهم ترین آنها را ASCE-SEI 41 دانست.

اهمیت و لزوم مقاوم سازی لرزه ای سازه ها

با شناخت بهتر عملکرد سازه ها و اصول مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله و بررسی ضعف و کاستی آنها بر اساس زلزله های اخیر در نزدیکی مناطق شهری، نیاز به مقاوم سازی بیش از پیش ملموس شده است. به عنوان مثال زلزله سال ۱۳۷۳ شمسی در نورتریج ( ۱۹۹۴ Northridge earthquake ) ناکارآمدی ) تردی یا brittleness ( برخی از انواع اتصالات فولادی را روشن ساخت.

لذا از آن پس استفاده از چنان اتصال هایی دارای محدودیت شده است. بنابراین با توجه به اصلاح و ارتقای استانداردهای لرزه ای، تطبیق شرایط ساخت ساختمانهای موجود با آیین نامه های جدید امری ضروری بوده و نیاز به مقاوم سازی لرزه ای را مبرم می سازد.

به علاوه، عواملی همچون کیفیت ساخت پایین، مشکلات و نواقص اجرایی، ضعف طراحی اولیه، آسیب های وارده به سازه، تغییر کاربری سازه، افزایش طبقات، تغییر معماری و… می توانند تهدیدی برای باربری لرزه ای سازه محسوب شده و لزوم مقاوم سازی را بر حسب شرایط ایجاب نمایند.

اصول مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله اصول مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله

اصول مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله

پس از بررسی سازه و تعیین میزان و نوع آسیب پذیری، انتخاب شیوه ی مقاوم سازی از فنی ترین و تخصصی ترین فرآیند های مقاوم سازی لرزه ای سازه های موجود میباشد.

ازبین روش ها و متدهای مختلف، می توان موارد زیر را نام برد:

۱ـ  اضافه نمودن عضو جدید به سازه های بتنی :

اضافه نمودن ستون یا تیر، دیوار برشی، قاب خمشی جدید (new moment frame) و یا قاب مهاربندی (Braced frame) جدید، می تواند تأثیر بسزایی در کاهش آسیب پذیری سازه موجود در بحث مقاومت و سختی داشته باشد.

همچنین اعضای جدید می توانند به کاهش دهانه دیافراگم ها (Diaphragms) کمک نمایند. در صورت عملکرد این اعضا به عنوان Collector، امکان مرتفع شدن مشکلات مربوط به Load Path در سازه نیز میسر خواهد شد.

۲ـ  تقویت اعضای موجود :

علاوه بر دید کلی نسبت سازه و روش های مختلف بهینه سازی کلی، می توان با نگرشی جزئی تر و با استفاده از مقاوم سازی اعضا، بر نواقص و آسیب پذیری لرزه ای سازه های موجود فائق آمد.

البته توجه به این نکته که برخی انواع تسلیم (Yield) نسبت به یکدیگر مقدم هستند ( به عنوان مثال تسلیم تیرها پیش از ستون ها، تسلیم مهاربندها پیش از اتصالات و یا تسلیم خمشی نسبت به تسلیم برشی ترجیح داده می شوند)، درنظرگیری عملکرد کلی سازه پس از ایجاد تغییر در یک عضو امری ضروری بوده و نیاز به تخصص و تجربه کافی در این زمینه دارد.

تقویت اعضای موجود می تواند با استفاده از ورق های تقویتی، افزایش سطح مقطع ( با استفاده از کاشت میلگرد در سازه های بتنی ) و یا با استفاده از کامپوزیت رزین – الیاف صورت پذیرد.
کامپوزیت رزین الیاف یا همان Fiber Reinforced Polymer ) Frp یا اف آر پی ) از شیوه های نوین مقاوم سازی محسوب می شود. ( اطلاعات بیشتر در مقاوم سازی با استفاده از اف آر پی )

۳ـ  تقویت اتصالات اعضا :

عمدتاً نواقص مربوط به Load Path بیش از آنکه به اعضای Collector مرتبط باشند به اتصالات ضعیف بر می گردند.

۴ـ  کاهش نیاز سازه (Reduce Demand) :

برای ساختمانهایی که دارای سیستم باربر جانبی کامل ولی ضعیف جهت باربری در شرایط زلزله مورد نظر هستند، اصلاح عملکرد دینامیکی سازه می تواند راه حلی مناسب جهت مقاوم سازی باشد. رایج ترین شیوه اجرایی در این مقوله Seismic Isolation (جداگرهای لرزه ای) و یا استفاده از Damper (یا میراگر) می باشد.

۵ـ حذف برخی المان های سازه ای بتنی:

در برخی موارد عدم وجود برخی المانهای باربر بهتر از وجود آنهاست. به عنوان مثال ممکن است وجود دیوار برشی بدون تقارن در پلان باعث ایجاد نامنظمی شدید شده و عملاً حذف باربری جانبی این دیوارها نوعی مقاوم سازی محسوب خواهد شد.

همچنین دیوارهای تیغه نیز می توانند در باربری لرزه ای همانند یک Strut عمل کرده و باعث بوجود آمدن پدیده ستون کوتاه شوند. بنابراین چون در طراحی از سختی جانبی این دیوارها صرف نظر می شود، برای عدم بوجود آمدن مشکل مذکور ایجاد فاصله مابین دیوار مصالح بنایی و قاب اصلی امری ضروری است.

6-استفاده از مواد های شیمیایی ساختمان در سازه های بتنی:

شاید نکته ای که بعد از سالها محققان به آن رسیدن در حین ساخت است که استفاده از مواد شیمیایی ساختمان جهت مقاومت دیوارها و سقف ها و سازه های بتنی استفاده از افزودنی های بتن که شامل روان کننده ها و الیاف های پروپیلن و یا در کنار خط ساحلی استفاده از ژل میکروسیلیس (پودر میکروسیلیس،ژل سیلیکافیوم) و سایر مواد افزودنی به مانند :روان ساز ها و ابر روان کننده های بتن کربوکسیلاتی و نفتالینی می تواند جهت تراکم در بتن نسبت به سازه طراحی شده مناسب باشند و در کنار مشکلات سازه ای بتوانند همپوشان خوبی برای سازه بتنی باشند.

مشکلات ترمیم سازه بتنی

زلزله موجب گردیده است تا مشکلات سازه بتنی و بهسازی آن در سالهای اخیر از روشهای نوین و مصالحی جدید بهره گیرد که در پیشینه طولانی ساخت و ساز سابقه نداشته است در میان این نوآوری ها FRP (مواد کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف) از جایگاه ویژه برخوردار میباشد تا آنجا که به نظر برخی از متخصصان FRP را باید مصالح ساختمانی هزاره سوم نامید. که در مقاوم سازی سازه های بتنی مؤثر میباشد.

مشکلات سازه بتنی و بهسازی آن : 

کامپوزیت FRP که ابتدا در صنایع هوا و فضا بکار برده شد با داشتن ویژگی های ممتاز چون نسبت بالای مقاومت به وزن، به وزن، دوام در برابر خوردگی، سرعت و سهولت در حمل و نصب، دریچه ای نو پیش روی مهندسین عمران گشوده است به گونه ای که امروز سازه های متعددی در سرتاسر دنیا با استفاده از این مواد تقویت شدند استفاده از مصالح کامپوزیت به طور قابل توجهی در صنعت ساختمان یک بازار تکان دهنده و با سرعت در حال توسعه می باشد. اولین تحقیقات انجام شده در این زمینه از اوایل دهه ۱۹۸۰ آغاز شده است، زلزله ۱۹۹۰ کالیفرنیا و ۱۹۹۵ کوبه ژاپن نیز از جمله عوامل مؤثرتری برای بررسی کاربرد کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف FRP جهت تقویت و مقاوم سازی سازه های بتنی و بنایی در مناطق زلزله خیز گردید.

کاربرد کامپوزیت FRP در مقاوم سازی سازه های بتن مسلح : 

امروزه نگهداری از سازه ها به دلیل هزینه ساخت و تعمیر بسیار حائز اهمیت می باشد با مطالعه رفتار و مشکلات سازه بتنی و بهسازی آن مشخص می شود عوامل متعددی مانند: اشتباهات طراحی و محاسبه، عدم اجرای مناسب تغییر کاربری سازه ها، آسیب دیدگی ناشی از وارد شدن بارهای تصادفی، خوردگی بتن و فولاد و شرایط محیطی از دوام آنها می کاهد ضمناً تغییر آیین نامه های ساختمانی (باعث تغییر در بارگذاری و ضرایب اطمینان می شود) نیز سبب ارزیابی و بازنگری مجدد طرح و سازه می گردد تا در صورت لزوم ترمیم سازه های بتنی و تقویت شود. سیستمهای الیاف مسلح شده پلیمری FRP برای تقویت سازه های بتنی پدیدار شده و به عنوان یک جانشین برای روش های سنتی از قبیل چسباندن صفحات فولادی، افزایش سطح مقطع با بتن ریزی مجدد و پیش تنیدگی خارجی می باشد.

معایب و مشکلات سازه بتنی و ترمیم آن: 

با توجه به معایب این روشها مانند بازدهی کم و یا نیاز به امکانات و فن آوری خاص امروزه روش های مقاوم سازی با استفاده از کامپوزیت توسعه روز افزون دارد. محدودیت استفاده و کاربرد کامپوزیت در مهندسی ساختمان به قیمت بالای آنها برمی گردد البته هزینه و قیمت آنها به تدریج رو به کاهش میباشد به این ترتیب استفاده از آنها بیشتر و بیشتر خواهد شد. استفاده از FRP در زمینه مقاوم سازی، هر چند که هزینه بالایی در بردارد، اما با توجه به هزینه اجرای کم و نیز سایر مزایای FRP ، در کل به صرفه ترین و مؤثرترین راه مقاوم سازی سازه های بتنی امروزه به شمار می رود.
در این حین، جهت استفاده صحیح و مناسب از این ماده و طراحی مقاوم سازی سازه های بتنی، آیین نامه ها، راهنماها و گزارشهایی در سراسر جهان منتشر گردید با توجه به شروع رشد و استفاده از مواد FRP ، در ایران تدوین راهنمایی برای طراحی مقاوم سازی به کمک این مواد، بسیار ضروری است.می توانید به عنوان مثال فصل چهارم نشریه 345 (بهسازی لرزه ای سازه ها) و ACI  2800 را مطالعه کنید .می توان جهت کلیت ترمیم این سازه ها(بتنی) موادی که مورد استفاده هستند عبارتند از: ترمیم کننده های بتن به عنوان مثال MTOSIVE1020 و به عنوان مثالی دیگر جهت ترمیم مشکلات سازه ای از ترمیم کننده اپوکسی یاگروت های اپوکسی MTOFLOW650  جهت زیر سازی کار استفاده نمود و سپس از لمینت های اف آرپی نسبت به طراحی به صورت یکطرفه یا 2 طرفه در جهت تیر یا ستون استفاده کرد.شایان ذکر است جهت آزمایش و تست پول آف اف آرپی باید مدت زمان 6 روز از استفاده رزین و لمینت گذشته باشد.

بتن مسلح به الیاف علف فیل

بتن مسلح به الیاف علف فیل

علف فیل عموماً در نزدیکی آبها یافت می شود و معمولاً در شرایط خاک ماسه ای رشد می کند. علف فیل ممکن است تا ارتفاع 3 متر ( 10  فوت) هم رشد کند هر چند بیشترین ارتفاع علف فیل در حدود 7 فوت ( 2.1 متر ) می باشد. ساقه های علف فیل با الیافی موازی هم که با لیگنین به هم چسبیده اند، دورگیری شده است. به دلیل سختی و نوک تیز بودن الیاف، استخراج دستی آنها تقریباً غیر ممکن است.

الیاف علف فیل معمولاً پر دوام تر از اغلب الیاف طبیعی است. الیاف علف فیل مقاومت پوسیدگی خوبی دارد و در مقابل قلیاها هم مقاوم است و به هنگام قرار گرفتن در شرایط تغییر رطوبت، پایداری ابعاد قابل قبولی دارد.

ساخت بتن مسلح به الیاف علف فیل

گزارش شده است که الیاف علف فیل به خوبی با ماتریس سیمان مخلوط می شوند. هنگامی که الیاف به ماتریس خشک سیمان افزوده می شوند، نبود چسبندگی مانع از اختلاط یکنواخت آنها می شود. البته بعد از افزودن آب الیاف کاملاً مخلوط می شوند به هم زدن مخلوط به توزیع الیاف درون ماتریس سیمانی کمک می کند.

خصوصیات بتن مسلح به الیاف علف فیل

نتایج آزمایش های انجام شده بر روی ترکیبات با پایه سیمانی بتن مسلح به الیاف علف فیل نشان داده است که مقاومت خمشی و مقاومت ضربه ای ترکیب به دلیل افزودن الیاف، افزایش یافته است بیرون کشیدگی الیاف مد غالب گسیختگی در تمام آزمایش ها بود. البته پیوستگی میان الیاف و ماتریس سیمان آنقدر مقاوم بوده است که ماتریس در مقابل تنش هایی بیش از تنش ترک خوردگی، مقاومت می کند.

بتن مسلح به الیاف خیزران

خیزران به خانواده علف ها تعلق دارد و به طور طبیعی در مناطق گرمسیر و نواحی نیمه گرمسیری رشد می کند. خیزران با قطری حدود 1 تا 4 اینچ( 25 تا 100 میلیمتر ) تا ارتفاعی نزدیک به 50 فوت(15 متر)  رشد می کند. بررسی ها نشان داده اند که استفاده از خیزران به شکل میله های پیوسته و یا به شکل الیاف کوتاه مجزا، در تقویت بتن موفقیت آمیز بوده است.

الیاف خیزران از رشته های بزرگ خیزران به دست می آید. الیاف معمولاً در امتداد محور طولی رشته بریده می شوند. به طوری که گزارش شده حفظ کردن یک مقطع عرضی یکنواخت در طی فرایند استخراج، اگر غیر ممکن نباشد بسیار مشکل است.

الیاف خیزران به نحو قابل قبولی در کشش مقاوم هستند. مدول الاستیسیته الیاف تقریباً مانند بتن است. همچنین این الیاف به تغییرات حجم که ناشی از تغییر میزان رطوبت درون الیاف است، بسیار حساسند. تغییرات حجمی الیاف توام با تغییرات میزان رطوبت آنها به شدت بر مقاومت پیوستگی بین الیاف و ماتریس سیمانی تاثیر می گذارد.

ساخت بتن مسلح به الیاف خیزران

اطلاعات مربوط به روش های ساخت بتن مسلح به الیاف خیزران محدود می باشد. یکی از محققان خاطر نشان می کند که الیاف خیزران باید حداقل به مدت یک ساعت پیش از قرارگیری در بتن در داخل آب خیسانده شوند. این کار به این دلیل توصیه شده که مقدار آب اختلاط جذب شده توسط الیاف کاهش یافته و آبرفتگی خشک الیاف به حداقل برسد.

خصوصیات بتن مسلح به الیاف خیزران

ناگاراجا، خصوصیات مکانیکی ترکیبات با پایه سیمانی مسلح به درصدهای حجمی متفاوت از الیاف خیزران را بررسی کرده است. نتایج ین بررسی ها نشان داده است که با تقویت بتن با خیزران، افزایش های عمده ای در مقاومت کششی نهایی UTS و مدول گسیختگی MOR نسبت به بتن معمولی حاصل می شود. با این حال معلوم شده است که استفاده از الیاف خیزران در درصدهای حجمی بیش از 2 درصد منجر به کاهش مقاومت ترکیب می شود.