نحوه مقاوم سازی سازه بتنی

تیرها، عرشه ها، ستون ها و دیوارها می توانند با قرار دادن میلگردهای مسلح کننده طولی و رکاب ها یا بستن دور اعضاء و سپس پوشاندن عضو به وسیله بتن پاشی یا بتن ریزی درجا در محل مقاوم سازی شوند. بتن چسبندگی بین میلگردهای جدید و عضو موجود را میسر می کند، بتن پاشی اضافه شده اندازه عضو را افزایش می دهد. اضافه شدن بار عضو ناشی از این قبیل موارد باید کنترل شود.

دیوارهای بتنی مسلح و بنایی با اضافه کردن لایه های سطحی میلگردهای مسلح کننده یا الیاف سیمی جوش داده شده و اعمال بتن پاشی، مقاوم سازی می شوند. بتن پاشی اتصال (چسبندگی) بین مسلح کننده های جدید و دیوار را نیز مهیا می کند. اغلب داول ها در سوراخ های دریل شده محیط (پیرامون) ستون ها و تیرها برای اتصال بین اعضای قاب و مقاوم سازی دیوار بتن پاشی شده قرار می گیرند.

تیرها، ستون ها و مقاطع دیوارها اخیراً با الیاف کربنی، CFRP، الیاف شیشه ای، GFRP یا مواد مرکب مشابه کهچسباننده های رزینی اجرا می شود، مقاوم سازی می شوند. آزمایشات آزمایشگاهی به وسیله کارخانه های تولیدی انجام می شود که معیارهای طراحی را برای استفاده سیستم های مواد خود مهیا می کنند. ارزیابی مقاومت دراز مدت در شرایط کارگاهی موارد اشاره شده هنوز در امریکا مدون نشده است، اما این روش چندین سال است که در اروپا استفاده می شود. چسباندن و مقاو سازی با کربن یا ورقه های شیشه ای و یا ورقه های باریک و مواد مرکب مشابه روش های مقاوم سازی کم هزینه ای است که برای ارتقای اعضای سازه ای که به طراحی با آیین نامه های لرزه ای به روز شده ای نیاز دارند، استفاده می شود. این روش برای استفاده در جایی که بارها در طول بهره برداری افزایش می یابد و شکل پذیری دراز مدت مدنظر است با تدارک صحیح برای ضدآتش و ضدآب کردن آن، مناسب است.

 محدودیت ها

زمانی که از صفحه های بتنی استفاده می شود، سختی در اکثر اعضای ترمیم شده افزایش می یابد، بنابراین توزیع بار در سازه تغییر می یابد و باید تحلیل شود. تنش های زیادی ممکن است ناشی از انتقال بین مقاطع مقاوم سازی شده و غیرمقاوم سازی شده ایجاد شود. اعضای مقاوم سازی شده و ترمیم شده شامل فونداسیون، باید برای شرایط با بهره برداری بررسی شوند. مقاوم سازی با مواد مرکب ممکن است برای مقاوم کردن ضروری باشد، اما به علت رفتار کشسانFRPها، رفتار نهایی مسلح کننده های FRP باید به دقت ارزیابی شود.

مسلح کننده های بیرونی همواره فضاهایی که قبل از ترمیم برای دیگر استفاده ها موجود است را اشغال

می کنند.

اگر چسبندگی برای عمل مرکب مورد نظر باشد، آماده سازی سطح فولاد و بتن بسیار بحرانی است. در فصل سوم روش های تخصصی آماده سازی سطح تشریح شد.

زمانی که از چسبنده های سازه ای، به ویژه اپوکسی، استفاده می شود باید دقت کافی بشود، زیرا نرم شدگی و کاهش مقاومت بر اثر افزایش دما در نزدیک و بالای دما انتقال شیشه است که می تواند در حدود 50 درجه سانتی گراد باشد. زمانی که در برابر آتش مهیا شود محافظت ویژه ای نیاز است. جزئیات صحیح و محافظت ویژه وقتی مواد مرکب برایمقاوم سازی استفاده می شود بحرانی و تعیین کننده است، زیرا آنها به طور کلی تابع لایه های زیرین با اپوکسی ها هستند. اغلب چسبنده های حساس به آب وقتی به سطوح مرکب و نمناک اعمال می شوند، چسبندگی مناسبی نخواهند داشت.

مثال ها

مقاومت برشی تیرهای بتنی مسلح با اجرای بست های فولادی در اطراف تیرها افزایش یافت. بست های مشابهی با عرض mm50 و ضخامت mm3/1 استفاده شد. گوشه های تیر با صفحه های فولادی خم شده ای به ضخامت mm5/1 محافظت شد.

مقاومت برشی تیرهای بتنی سقف و عرشه پارکینگ با استفاده از اضافه کردن رکاب های پوشانده شده با بتن پاشیافزایش یافت. روند ترمیم مطابق زیر صورت گرفته شود :

1- کناره ها و پایین تیرها برای به دست آمدن سطوحی تمیز، ماسه پاشی شد.

2- جفت های رکاب های جدید و U شکل با هم پوشانی در دور تیر قرار داده شد. در مقطع های افقی میله های U شکلی نیز در حفره ها و شیارهای بریده شده در بالای تیرها قرار گرفت.

3- این رکاب ها و ضفحات با بتن پاششی پوشیده شدند.

4. بتن پاششی فشاهایی که نچسبیده را پوشاند. در بعضی موارد بخش هایی که هنوز نچسبیده بودن برداشته و مجدداً بتن پاشی شد.

پوشش ها و بست ها

تشریح

پوشش دهی (Jacketing) روندی است که مقطع عضو سازه ای موجود به مقدار ابعاد اصلی برگردد، یا با توجه به پوشش دادن به وسیله مواد و مصالح مختلف (متفاوت) افزایش یابد. شبکه مسلح کننده فولادی یا پوشاندن با مواد مرکب می تواند در حول مقاطع آسیب دیده اجرا شود و بر روی آنها با بتن پاشی یا بتن ریزی درجا در محل پوشش داده شود.

بست ها و ژاکت ها پوشش هایی هستند که برخلاف روش پیش تنیده کردن بیرونی تنها بخشی از ستون یا پایه را احاطه می کنند و معمولاً به منظور افزایش حمایت دال یا تیر در قسمت بالای ستون استفاده می شود 

  شکل پوشش معمولاً موقتی یا دائمی و شامل چوب، فلز جمع شده، بتن پیش ساخته، لاستیک، پشم شیشه یا الیاف مخصوص است و نسبت به هدف و شرایط محیطی از آنها استفاده می شود. این نوع پوشش در دور مقطعی که احتیاج به ترمیم دارد قرار می گیرد و فضای حلقه مانند خالی بین پوشش و سطح عضو موجود ایجاد می کند. پوشش باید با جدا کننده هایی، برای اطمینان از تراز و یکسان بودن بین پوشش و عضو، آماده شود.

معمولاً از مواد مختلفی از جمله بتن معمولی و ملات، ملات اپوکسی، گروت و ملات و بتن لاتکسی اصلاح شده به عنوان مواد اندود و پوششی استفاده می شود. روش های پر کردن فضاهای خالی شامل پمپ کردن، لوله ترمی یا بتن با سنگدانههای پیش آکنده است.

مزیت ها و موارد استفاده

این نوع پوشش بخصوص در ترمیم خرابی ستون ها، پایه و تیرکوبی یا پایه های تیر، در جایی که نیاز است همه یا بخشی از مقطع زیر آب باشد، کاربرد دارد. این روش برای حفاظت از بتن، فولاد و مقاطع چوبی در برابر خرابی های بیشتر و برایمقاوم سازی کردن آنها اعمال می شود. پوشش های دائمی در محیط های دریایی و برای اضافه شدن محافظت در برابر فرسایش، سایش و آلودگی های شیمیایی دارای مزیت و مورد نظر هستند. بست ها در تهیه سر ستون های جدید روی ستون های موجود برای حمایت از دال کف ها موثر هستند. بست ها ظرفیت برشی دال ها را افزایش و طول موثر ستون را کاهش می دهد. بست ها ممکن است کمک مفیدی برای زیبایی و معماری بهتر باشد.

 محدودیت ها

در ژاکت ها و بست ها ضروری است که کل بتن خراب شده برداشته، ترک ها ترمیم و مسلح کننده های موجود تمیز و سطوح آماده سازی شود. در این آماده سازی مواد جایدهی شده جدید باید به سازه موجود بچسبد. به علت اینکه آماده سازی ژاکت ها اغلب در زیر آب صورت می گیرد، بنابراین گران و مشکل است. با این همه، در موارد خاص ژاکت ها و بست ها به طور گسترده و با هزینه مناسب، به عنوان راهکاری برای حمایت سازه ای عضو خراب شده به کار می روند. در شرایط زیر آب صفحات پلاستیکی اعمال می شود تا به حداقل کردن سایش کمک کند.

ژاکت ها و بست ها فضاهایی را که برای استفاده های دیگر قبل از ترمیم موجود بوده است، اشغال می کنند.

جزئیات اجرا (نصب)

روش های قالب بندی و تصمیم گیری برای استفاده از قالب های موقتی یا دائمی از جرئیات مهم در ژاکت کردن است. قالب های چوبی یا مقوایی می تواند به عنوان قالب های موقتی یا حتی دائمی استفاده شود. سوار کردن قالب های فلزی جمع شده، آسان است و قاب های موقت یا دائم قابل قبولی هستند. قالب های دائمی پشم شیشه (فایبر گلاس)، پلاستیکی و الیافی (پارچه ای) تا حد زیادی پذیرفته شده اند و مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از آنها حتی بعد از کامل شدن ترمیم، مقاومت در برابر حمله شیمیایی نشان می دهند.

اعضای تکمیلی (مکمل)

 تشریح

اعضای مکمل ستون ها، تیرها، شمع (گیره)‌یا دیوارهای پرشده جدیدی هستند که برای حمایت اعضای سازه ای آسیب دیده اجرا شده اند. این مورد در  تشریح شده است. اعضای مکمل معمولاً در زیر نواحی گسیخته شده یا تغییر شکل یافته برای پایداری قاب سازه ای قرار می گیرند.

مزایا  و موارد استفاده

این روش ترمیم در حالتی که هیچکدام از روش های تخصصی مقاوم سازی مناسب نباشد مورد استفاده قرار می گیرد و اگر پیکر بندی سازه ای از دیگر روش های تخصصی جلوگیری می کند به کار می رود. اعضای مکمل سریع نصب می شوند و بنابراین راه حل های ترمیم اضطراری موقت مناسبی محسوب می شوند. معمولاً اعضای جدید برای حمایت جدی از ترک خوردگی و منحرف شدن مارپیچ اعضا نصب می شوند. معمولاً استفاده از اعضای مکمل مقرون به صرفه است.

محدودیت ها

ایجاد ستون یا تیرهای جدید فضای داخل ستون ترمیم شده را محدود می کند. ستون های جدید عبور را مسدود می کند. تیرهای جدید ارتفاع اتاق را کاهش می دهد. از نظر زیبایی، تیر یا ستون های جدید بازدارنده اند. پشت بندهای ضربدری، دیوارهای پر شده یا دیگر مواردی که مقاومت در برابر بارهای بیرونی را مهیا می کنند، اگر سازه اصلی نتواند مقاومت مورد نظر را مهیا کند، ضروری است. علاوه بر این پشت بندها فضاهای بهره برداری داخلی بیشتری محصور می کنند. بارها و تنش ها در سازه موجود ممکن است تحمل نشوند، مگر اینکه روند ویژه ای مد نظر باشد.

اعضای مکمل ممکن است باعث تقسیم بارها و نیروهایی بالاتر از تنش طراحی شده در عضو مجاور، فونداسیون یا هر دو آنها شوند.

 جزئیات اجرا

اعضای مکمل جدید ممکن است، چوب، فولاد، بتن یا مصالح بنایی باشد. اعضای جدید در محل باید محکم، جوش یا انکر شوند که بتوانند بارها را به عضوهای جدید انتقال دهند. لازم است که از بلند شدگی اعضای سازه ای موجود، به دلیل توزیع بار و تنش های بالاتر از میزان طراحی تیرها یا اعضاء حمایت کننده مجاور، جلوگیری شود.

 (الف) حمایت کننده های جدید به کمک تیرهای با ظرفیت خمشی ضعیف آمده است. عضو جدید به فوندانسیون کافی نیاز دارد. یک دهانه با بخش های خمشی منفی و مثبت که ممکن است بخش های مثبت و منفی آن معکوس شود در نظر گرفته می شود. اگر ترک خوردگی اتفاق بیفتد در ناحیه لنگر منفی جدید، موارد قابل قبول باید کنترل شود.

(ب) تشریح می کند که چگونه ستون اضافه شده مقاومت برشی را اصلاح می کند و دهانه موثر تیر موجود کاهش می یابد. معمولاً چنین ستون های اضافه شده ای در مجاورت ستون موجود نسبت به بست ها اقتصادی تر است. ستون ها ممکن است در جای غیرمعمولی برروی فوندانسیون موجودی که در  تحلیل شده است به منظور افزایش اندازه یا مقاومت مورد نیاز انتخاب شوند.

در اجرا و جایدهی ستون، ممکن است به جک های دائمی و گوه ها نیاز باشد. مشاور باید موثر بودن جک زدن در توزیع بارهای مرده را مورد توجه قرار دهد.

مثالی از مقاوم سازی بتن و تحلیل

دال پل بتنی مسلح نشان داده شده  با ترک های کششی قطری در بسیاری از دال های اصلی (عرشه) است. محاسبات و برنامه های ابتدایی نشان می دهد که قابلیت باربرداری پل می تواند به طور چشمگیری با اضافه شدن میلگردهای برشی در سوراخ های دریل شده قطری و مورب بهبود یابد. این فرایند نه تنها برای ترک های موجود نیاز است بلکه برای اضافه شدن مقاومت کششی مورب عضو نیز مفید است.

این روند بیشترین تاثیر و استفاده را داشت :

1- ترک های مورب روی سطح عرشه ها با ژل سیلیکون عایق شود.

2- حفره های با قطر mm25 تقریباً با طولی برابر با mm350 با زاویه 45 درجه در امتداد یک خط مرکزی در هر عرشه با کار دریل مکش دار از بالا.

3- اپوکسی با فشار به داخل حفره برای پر کردن ترک های مورب و حفره ها، تزریق می شود.

4- میله با قطر mm19 به داخل حفره گذاشته می شود. این میله باید تقریباً mm75 کوچکتر از کل عمق سوراخ باشد. بالای میله نباید به قسمت بیرونی سوراخ برده شود.

در این روش مسلح کردن، پیوند بین میلگردهای فولادی و بتن با چسبندگی اپوکسی در میله و اطراف بتن بعد از اولینترمیم بتن با استفاده از تزریق اپوکسی مهیا می شود.

در جایی که 800 تیر بتنی در سقف دارای ظرفیت برشی غیر کافی بودند، روش های ترمیم مشابهی نیز در پروژه های دیگر استفاده شده است. سازه زیر زمین بود و با خاکریزی پوشش داده شده بود و دارای عضو ضد آب الاستومری وبتن محافظت دال در روی ناحیه دال سقف بود. دریل کردن از بالا راحت در این سازه میسر نبود، بنابراین :

1- ترک ها به وسیله اپوکسی چسبنده تزریق می شود.

2- حفره ها از پایین تیر رو به بالا در زاویه 45 درجه دریل می شود.

3- بعد از تمیز کردن، رزین دو جزئی با گیرش سریع محفظه ای از پیش اندازه گیری شده، در داخل سوراخ قرار می گیرد.

4- میلگردهای مسلح کننده به گونه خاصی طراحی می شوند که به وسیله دریل وارد شده به حفره بچرخد. چرخیدن میله باعث شکستن بخشی از محفظه تزریق و مخلوط شدن رزین دو جزئی می شود. طراحتی اتصال ویژه ای انجام می شود تا از بیرون ریختن رزین جلوگیری کند و میله را در محل خود تا سخت شدن رزین، در چند دقیقه نگه دارد.

5- محفظه تزریق برداشته می شود و باقیمانده حفره باریک ، وصله می شود.

 مسلح کننده بیرونی بتن

تشریح

مسلح کننده های بیرونی ممکن است شامل بست فلزی، صفحه های فلزی، بتن های مسلح پنهان شده و مواد مرکب از قبیل CFRP, GFRP یا مواد معادلی که از بیرون اعضای بتنی موجود جایدهی می شود، باشد. مسلح کننده های جدید ممکن است با بتن، شاتکریت، ملات و گچ، مواد ضد آب، ضد آتش یا دیگر محصولات یا با پوشش دادن، از خوردگی محافظت شود. مسلح کننده ممکن است میله های تغییر شکل داده شده، الیاف سمی جوش داده شده، صفحه فولادی، مقاطع فولادی غلتک خورده، فولاد بسته شده، مواد مرکب یا بست هایی که به طور ویژه ساخته شده است، باشند. برای اعضای آسیب دیده به وسیله بار اضافه، تحت سایش، فرسایش، یا حمله شیمیایی، بدتر شدن یا ترک خوردگی، بتنبرداشته می شود و مسلح کننده های جدید اطراف و کنار بتن باقیمانده، نصب می شوند. مسلح کننده ها جدید به طور معمول با جایدهی بتن و یا شاتکریت پوشش داده می شوند. در جایی که بتن موجود شرایط خوبی دارد، مسلح کننده جدید ممکن است به طور مستقیم به سطح بتن موجود بعد از آماده سازی اولیه سطح که در فصل سوم تشریح داده شده است، متصل شود. اپوکسی و دیگر مواد چسباننده شیمیایی و بتن سیمان پرتلندی برای اتصال مسلح کننده های جدید به لایه زیرین استفاده و یا به طور مکانیکی به بتن موجود بسته می شوند.

 استفاده های معمول و مزایا

جایدهی مسلح کننده های بیرونی ممکن است بی زحمت ترین روش ترمیم و مقاوم سازی در جایی که ممانعت و دسترسی محدود تجهیزات مورد نیاز برای جایدهی مسلح کننده های داخلی وجود دارد، باشد. اگر ترمیم و جایدهی سطح با ملات اپوکسی، گچ کاری یا شاتکریت مورد نیاز باشد برای بهینه سازی بتن و جایدهی مسلح کننده بیرونی به منظور مقاوم سازی به مهارت مشابهی نیاز است.

خمش بیرونی، برش و پیچش مسلح کننده ها در تیرها و عرشه ها ممکن است به وسیله پیوند میلگردهای تغییر شکل یافته یا صفحه های سطح عرشه بتنی با شاتکریت، بتن پیش ساخته، یا اپوکسی و بتن پلیمری ایجاد شود. مهارها برای اجرای ترمیم مطمئن با عمل ترکیب نیاز است. صفحه های فلزی عرشه ها و تیرهای موجود با بولت ها متصل می شود. این مورد در شکل 8-5 نشان داده شده است. برای بهره گیری از چسباندن سازه ای، آماده سازی کافی سطح فولاد وبتن و انتخاب چسبانده ای مناسب برای پیوند بتن و فولاد نیاز است. ماسه پاشی صفحه فولادی و سطح بتنی بهترین روش آماده سازی است، اما سطحی تمیز و ابزار مکانیکی با فشار بالای آب برای بسیاری از حالت ها نیاز است.

اتصال و چسبندگی بین عرشه ها و ستون ها با تسمه فلزی نشان داده شده در شکل 8-5 در افزایش مقاومت برشیتاثیر می گذارد. تسمه های فلزی بسته بندی شده با عرض mm13 تا 50 که به عضو چسبیده نمی شود، اما چسبندگی موثری با انکرهای هر تسمه ایجاد می کند. همچنین گیره فولادی بولت شده در دور عضو بتنی مسلح نیز می تواند تاثیر گذار باشد.

کنکاشی پیرامون تراورسهای بتنی

تراورسهای بتنی یکی دیگر از انواع تراورسهای مصنوعی است که بیشتر مرورد آزمایش و پذیرش راه آهن قرار گرفته است.

تاریخچه تراورس بتنی

تراورسهای بتنی، در حدود سال 1893 بطور آزمایش در ایالات متحده آمریکا در شهر ریدینگ به تعداد دویست عدد نصب گردید.

بزرگترین رقم نصب آن در طی 35 سال، در حدود 25 هزار تراورس بتنی بود که در ایالات پنسلوانیا نصب گردید.

اکثر این تراورسها به دلیل زنگ زدن اتصالات، ترک خوردگی بتن و همچنین فرسودگی ونشست در محدوده اتصالات، کنار گذاشته شدند. در اروپا، راه آهن ایتالیا بین سالهای 1906 تا 1908 دویست هزار تراورس بتنی نصب کرد. در سال 1920 شرکت گریت نوردن انگلیسی بطور آزمایش از تراورسهای بتنی استفاده کرد. در همان هنگامتراورسهای بلوکی بتنی که در زیر ریل به وسیله تسمه فلزی به هم وصل می شوند و یا بر روی تیر آهن Tشکل ریخته می شوند، خدامات ارزنده بیشتری را درخطوط پاریس- لیون مارسل، ارائه کردند.

استفاده از تراورسهای تیری شکل اولیه، چه در آمریکا و چه خارج از آمریکا به دلایل شل شدن چفت و بست، خرد شدن در اثر ضربه و خرد شدن در زیر ریل، ناکام ماند. همچنین به دلیل سنگینی وزن (که حدود 7/90 تا 4/181 کیلو گرم بودند)، با هزینه های بالای حمل و نقل، نصب و نگهداری مواجه بود.

چندی بس از جنگ جهانی دوم چوب کمیاب شد و تراورس پیش تنیده بتنی، در اروپا و بریتانیا، مورد استفاده گسترده ای قرار گرفت اکنون چندین میلیون تراورس بتنیدر آلمان غربی، بریتانیا، روسیه و مکزیک مورد استفاده قرار می گیرند، اما استفاده از طرح پیشرفته تراورس بلوکی و تراورس مرکب (RS) در راه آهن فرانسه و کشورهایی که از تکنولوژی فرانسوی استفاده می نمایند، استاندارد می باشد. (SNCF)

در اواخر دهه پنجاه AAR تحت نظارت و راهنمایی آقای روبل، مهندس تحقیقات و آقای مگی، دستیار تحقیق و به همراهی شرکتهای پیش تنیده فلوریدا و سیمان پرتلنداقدام به طراحی و توسعه تراورس مناسب برای بار سنگین چرخها و شرایط جوی آمریکا شمالی، نمود اولین نصب آزمایشی آن در سال 1960 در سی بردایرلاین و آنتلانتیک کت لاین (که اکنون به نام (سی برد کتلاین) معروف می باشد) انجام شد.

مقدمه:

مقدمه: برای محاسبه تراورسهای بتنی فرضیات اساسی زیر بعمل می آید.

 در تراورس بتنی مقاطع قبل و بعد از خمش بصورت صفحه باقی می مانند این مطلب برای اثبات تئوری الاستیسیته در مورد تراورسها لازم می باشد. زیرا ضخامت تراورس در مقایسه با طول آن کوچک می باشد.

 مدول الاستیسیته فولاد و بتن تا حد تنش الاستیک ثابت می باشد. این فرض برای فولاد نرمه (StL.III) تا نقطه ارتجاعی (تسلیم) درست می باشد. در تراورس تغییرات تنش در فولاد بعلت بارهای دینامیکی زیاد بوده و این امر باعث تغییراتی در مدول الاستیسیته می شود. تحت اثر تنشهای زیاد تغییرات مدول الاستیسیته در بتن نیز زیاد می باشد. چون بتن با مرغوبیت بالا ماده ای کاملا الاستیک نیست دیاگرام تنش- تغییر طول نسبی آن غیر خطی می باشد. در مورد تراورسها علیرغم دارا بودن بتن با مرغوبیت بالا، مع الوصف تنش ها در حد الاستیک درنظر گرفته می شوند.

 چسبندگی کامل بین فولاد و بتن اطراف آن وجود دارد. و بهمین جهت در هر فاصله ای از محور خنثی (Neutral Axis) تغییر طول نسبتی دو ماده یکی می باشد.

 بر روی سطح مقطع آرماتورها یا میله های بیش تنیدگی توزیع تنش یکنواخت در نظر گرفته می شود این مطلب کاملا هم صحیح نمی باشد چون مقدار تنش با فاصله از محور خنثی تغییر می کند قطر میلگردها در مقایسه با فاصله آنها ازمحورخنثی کم می باشد توزیع تنش یکنواخت بوده و فقط در موردیکه میله ها دارای قطر زیاد هستند و از محور خنثی نیز فاصله زیادی ندارند این مساله نمی تواند صحیح باشد.

 در محاسبات بتن آرمه تنش کششی بتن در نظر گرفته نمی شود ولی در بتن پیش تنیده نقش بتن در کشش تحت بارهای وارده منظور می گردد. نتیجه اینکه منحنی تنش- تغییر طول نسبی برای بتن در برابر فشار و کشش یکسان می باشد. بعبارت دیگر مقدار مدول الاستیسیته در هر دو حالت یکی است. اگر چه آزمایشات نشان داده اند که مدول الاستیسیته در کشش معمولا 10/1- 85/0 برابر مدول الاستیسیته در فشار می باشد.

تراورس بتن آرمه:

مقدمه: در صورتیکه فولاد تحت تنش الاستیک باشد و قبل از اینکه به تنش مجاز خود برسد می بایست بتن ترک بخورد گر چه با توزیع مناسب میلگردها می توان از افزایش ترکها جلوگیری نمود تجزیه تنشها در اثر پیچش در بتن آرمه پیچیده بوده و لذا طراحی به فرمولها و دستور العملهائی که بر اساس آزمایشات عملی مشخص شده اند محدود می گردد.

معایب بتن آرمه:

 از آنجایئکه بتن قادر نیست خود را با تغییر طول نسبی (strain) عادی فولاد تطبیق دهد، تحت بارهای وارده در قسمتی که تنش کششی وجود دارد ترک می خورد.

ابعاد تراورس بتن آرمه توسط برش تعیین می گردند. اگر نیروی برشی زیاد گردد سطح مقطع بزرگ می شود که در نتیجه بار مرده آن زیاد می گردد.

 بتن مکمل است در اثر انقباض (Shrinkage) ترک بخورد.

 در تراورس بتنی از بتن با مقاومت بالا استفاده کامل نمی شود یعنی اگر اندازه عضو از حد معینی کمتر گردد مقدار میلگردهای لازم، عضو را غیر اقتصادی خواهد ساخت. می توان با استفاده از فولاد سخت با مقاومت ارتجاعی بالاتر مقدار فولاد مصرفی را تا کاهش داد. این راه حل صحیح نمی باشد، زیرا تغییر طول نسبی فولاد با مقاومت بالا حدود 6 برابر تغییر طول نسبی فولاد نرم می باشد این امر باعث ترکهای پهنی تحت بارهای وارده در بتن می شود.

در بتن آرمه فولاد نقش مفعولی (Passive) را دارد و بتن را در مقابل اثرات مخرب بار گذاری حفاظت نمی کند.

 تحت اثر نیروی برشی، در بتن آرمه تنشهای کششی که از نیروی برشی منتج می گردند بیشتر می باشند.

وزن فولاد مصرفی در بتن آرمه زیاد می باشد.

درمساله خستگی (Fatique) بتن و فولاد مصرفی در بتن آرمه در مقابل شکستهای تدریجی یا پیش رونده رفتار خوبی را از خود نشان نمی دهند که این مساله با تکرار بارگذاری نیز بیشتر می شود.

2-3- رفتار بتن آرمه تحت اثر خستگی (Fatique):

اغضاء بتن آرمه بیشتر بعلت پاره شدن میلگردها از بین می روند بنظر می رسد که پاره شدن با ترک خوردن مرتبط می باشد و تمرکز تنش و سایش (سائیگی) نیز با این ترکها مربوط هستند. آرماتورهای طولی در تیرها مقاومتی حدود 70-60 درصد مقاومت نهائی استاتیکی برای یک میلیون سیکل را دارند.

 وقتیکه ترکهای عرضی در تیری در اثر بار استاتیکی نسبت به ظرفیت تحمل خمشی بیشینه استاتیکی زیاد باشند عموما تیر بعلت خستگی (Fatrique) آرماتورها گسیخته می شود. تکرار شدن بار بیشینه باعث ترکهای عرضی در مدت بار گذاری نمی شود.

 قبل از اینکه آرماتورها گسیخته شوند، تکرار بارهای بیشینه باعث شکست فشاری - بری نمی شود و این مساله در تیری است که بعلت خمشی ممکن است گسیخته شود (خستگی آرماتورها) و در آن- ترکهای عرضی افزایش یافته اند.

اگر در ابتدا، در اثر ابر گذاری یک ترک عرضی بزرگ در تیر بوجود آید و اگر عمر خستگی در حالت فشاری- برشی از عمر خستگی آرماتور ها تحت این درصد بخصوص از تکرار بار کمتر باشد، یک تیر در حالت فشاری- برشی گسیخته می شود.

 قبل از اینکه آرماتورها گسیخته شوند، اگر تکررار بار گذاری بطور همزمان باعث تراز عرضی و شکست فشاری- برشی شود، گسیخته شدن تیر بصورت ترک خوردگی عرضی خواهد بود.

تحت اثر بار گذاری خستگی، یک تیر عموما “فقط در نقاطی که ترکها و شکستها وجود دارند خسارت می بیند و در قسمتهای باقیمانده دیگر صدمه نمی بیند.

 در حدود تغییرات بارهای عادی وارده، تکرار بار منجر به ترک می شود و فقط افزایش کمی در فلش (Deflection) کل تیر بوجود می آید افزایش در اندازه ترکها مهم نیست.

 بتن در تراورس بتن آرمه مقاومت فشاری و کششی کمتری نسبت به تراورس بتنی پیش تنیده دارد. مزایایی پیش تنیدگی در مورد تراورس بتن آرمه وجود ندارد بواسطه مدول الاستیک کمتر بتن.

 ترکی که در اثر ضربه خروج چرخ از خط در بتن تراورس بتن آرمه بوجود آمده احتمالا باقی می ماند، مگر اینکه ترک ریز باشد که توسط خاصیت جوش خوردگی در سالهای اولیه عمر تراوس خود بخود ترمیم یابد.

2-3-10 امکان خسارت در اثر از خط خارج شدگی عامل مهمی در استفاده از تراورسهای بتنی است. هیچ تراورس بتنی به هر صورت که طراحی شده باشد، در مقابل ضربات خروج چرخ از خط نمی تواند مقاومت کند. تراورسهای بتنی به شرطی می توانند در برابر این ضربه مقابله کننده که بهبود سریعی در وضعیت ترافیک و استفاده از تراورسهای اصلاح شده و یا تعویض اعضاء صدمه دیده، صورت گیرد.

تئوری پیش تنیدگی

پیش تنیدن باعث کاهش وزن و افزایش مقاومت در برابر گسیختگی حاصل از گشتاور خمشی می گردد. گشتاور های خمشی باعث می شوند زمانی که لایه های تحتانی یک عضو خمشی تحت تاثیر کشش واقع می گیرد، در آن ایجاد گسیختگی شود. در یک تراورس پیش تنیده میلگردهای فلزی زیادی به فاصله کمی از سطح تحتانی و در نقطه میانی تراورس یعنی محلی که بیشترین تنش و یا کش را دارا است قرار می گیرند، پس از سخت شدن بتن، میله ها در قسمت انتهایی تراورس محکم شده و تمایل به انقباض پیدا می کنند. این عمل باعث جلوگیری از میل به ترک خوردن می شود در صورت تشکیل این ترکها پیش تنیده شدن میله ها آنها را بطور محکم نگه می دارد.

طراحی اولیه AAR

جهت ارزیابی ایده اصلاح شده، دانستن ایده های طراحی اولین تراورسها در آمریکا مفید است. در اواخر دهه شصت افزایش بهای چوب، احتمال کمبود آن و موفقیت درتراورسهای پیش تنیده در اروپا باعث شده که AAR، طراحی ساخت واستفاده از آنها را به تثبیت برساند. بعدها شرکت سیمان پرتلند، انجمن آمریکایی بتن، ناسیونال کانادایی و کمیته متخصص تراورسهای بتنی AREA در این کوشش، شرکت نموده اند.

از چندین طرح اولیه، نوع E جهت آزمایش درخط آهن انتخاب شد. این طرح به لنگر خمشی در محور بار، بستگی داشت. سطح مقطع از یک منشور ناقص که در بالا 32/20 سانتیمتر و در پایین 5/30 سانتیمتر بود، تشکیل شده است. فشار بالاست در فواصل 2/76 سانتیمتر برابر kg/cm2 6/4 می باشد که با فشار وارده بر تراورس چوبی به فواصل 8/50 سانتیمتر برابر است.

قسمتهای تحتانی که در زیر ریل قرار داد، تا اندازه ای مقعر می باشد و وسط آن حالت خمیدگی دارد که برای مقاومت در برابر خمش بوده و مساوی با قدرت خمش ریل است. این تصور که این عمل باعث کاهش چسبندگی در مرکز تراورس می شود، نادرست است چهار رشته سیم به قطر 11/1 سانتیمتر تحت تاثیر kg 29056 نیروی تنش قرار گرفته اند.

ریل مستقیما به سطح یا بالشتک دارای یک شانه و زاویه خارجی 1:40 که در بتن تثبیت شده، متصل می گردد. (در اتصالات غیر مستقیم صفحه تراورس و بالشتک به تراورس پیچ و مهره می شوند، تیرکها یا گیره ها به صفحه متصل شده و ریل را نگه می دارند). پیچهایی که گیره های فلزی را نگه می دارند. در روی پلاک مخصوص مدور که درتراورس قرار دارند پیچانده می شود. واشرهای فنری برای جلوگیری از شل شدن پیچها که در اثر فشرده شدن بالشتکهای تراروس زیر ریلها ایجاد می شود استفاده می گردند.

سیستم طراحی E آن به علل وجود بتن مشبک، خرد شدن در زیر ریل، جدا شدن انتهای تراورسها به دلیل استفاده غلط از پیچ و اینسرت آن، شکستن بیرون آمدن پیچ و اینسرت آن از تراورس و برخی از عوامل دیگر با شکست روبرو شده است. ناکامی در بستن ترکهای حاصل از نیروی وارد شده از چرخها نشانگر ناکافی بودن قدرت چسبندگی بین بتن و عضو پیش تنیده می باشد.

تراورس ها تکرار باری معادل دو میلیون سیکل را که کنگره 2300 کیلو گرم متری ایجاد می کند تحمل می کند در حالی که وزن هر تراورس حدود kg 5/281 است.

انجام اصلاحات در خصوصیات

همانطور که نیاز به دقت کافی در ساخت، نشان داده شده، دانستن برخی خصوصیات جهت مقابله با عوامل شکست لازم است، موسسات مختلف تدریجا مجموعه ای از خصوصیات بازبینی شده را که اکنون در دستور العمل AREA موجود است گرد آوری کرده اند.

جهت کسب اطمینان از اینکه چسبندگی بهتری بین بتن و تارهای مسلح کننده برقرار است رها کردن تدریجی و آرام کشش، پیشنهاد می شود. پیش تنیدن نیز به اندازه 25% از 29056 کیلوگرم به 37046 کیلوگرم افزایش می یابد.در رشته های مسلح کننده، متوسط طول لازمه جهت انتقال چسبندگی حدود 6/40 تا 47 سانتیمتر می باشد. در رشته های تغییر شکل یافته و یا آنهاییکه تحت تاثیر مواد شیمیایی قرار گرفته اند هنگامی که بارهای آرام وجود داشته باشند، طول مهاری لازم جهت چسبندگی بین 32/20 تا 7/45 سانتیمتر می باشد. به هنگام کمبود مواد قابل ارتجاع، سیم زنگ زده می تواند مفید باشد. در این حالت عامل موثر از 50 تا 150 درصد افزوده می شوند. توزیع بار یک چرخ بر روی ریل، با فرض اینکه چرخ صاف باشد شصت درصد است.با کارگذاشتن ادوات تثبیت در عمق بیشتر، مقاومت در برابر کشش خاری از 4540 کیلوگرم به 5448 کیلوگرم افزایش می یابد. همچنین در مرکز تراوترس ممان منفی به 3459 کیلوگرم –متر می رسد.

چفت و بندها (ادوات تثبیت )

چفت و بندها همیشه نقطه ضعف در تراورسهای بتنی می باشد. در گذشته کشش تارها به سمت خارج و شکستگی و آسیب پذیری تراورس، باعث عدم موفقیت در کار بوده اند. طراحی اولیه تراورس با استفاده از بلوکهای چوبی که دز بتن زیر ریل فرو رفته و صفحه و ریل به وسیله به آنها پرچ متصل می شدند. در روش امروزی از عنصری در فونداسیون و یا از وسیله اینسرت (اینسرت وسیله ایی است که در بتن دفن می گردد و بیشتر برای بلند کردن قطعه استفاده می گردد (قلاب) در بتن استفاده می شود. گیره ها، پیچها و طرحهای مختلف گیره های فنری در بتن نگهداری شده و یا به وسیله اینسرت به داخل بتن وصل می شود و از طرف دیگر به کف ریل متصل می گردد.

بدین ترتیب ریل در محل مربوط مهار می شود. قابل توجه است که خصوصیات AREA ملزم می کند که حداقل طولی که اینسرت باید در بتن باشند 7 سانتیمتر و نیروی مقاوم 5448 کیلوگرم در برابر کشش خارجی است.

این روش متداول بین ریل و تراورس اتصالی صلب برقرار می سازد. بطوری که آنها یکپارچه عمل می کنند. استفاده از چفت و بست ثابت ایده جدیدی است که در طراحی ریل در آمریکا معرفی شده، و در آن اتصال تراورس به ریل به طور ثابت می باشد. در صورتی که در سیستم چوبی که از شکاف و بر آمدگی استفاده می گردد ریل آزادانه از روی تراورس بلند شده و در جهت مخالف تراورس اتصالی، خم می شود. در زیر بار محوری سنگین در تراورسهای بتنی این امکان وجود دارد که ریل تحت اثر امواج کافی پیش از چرخ و پشت سر از چرخ بلند شوند. که به این عمل پمپاژ گویند. این موضوع که وزن تراورس بتنی جهت جلوگیری از پمپاژ کافی است یاخیر مورد بحث قرار دارد. برای جلوگیری از پمپاژ احتمالی و تضمین آزادی حرکت عمومی ریل می توان از چفت و بندهای آزاد ریل استفاده نمود. این چفت و بندها پیچ هایی هستند که فاصله بین بالای ریل و سطح زیرین پیچ 32/0 تا 48/0 سانتیمتر می باشد.

گیره های قابل ارتجاع که دارای واشرهای پلاستیکی هستند قادرند کمی آزادی به ریل در جهت حرکت عمومی دهند. چفت و بندهای آزاد ریل نیز احتیاج به مهار دارد. عایق بندی در محل اتصالات به وسیله قرار دادن ریل بر روی یک صفحه سخت پلاستیکی و یا لاستیکی و پوشاندن چفت و بند به بوسیله ماده ای از فایبر گلاس صورت می گیرد. چفت و بند ایده آل برای نگهداری ریلها، چفت و بند ساده می باشد.

چفت و بندهای مستقیم به ندرت دارای این سادگی هستند. معمولا از دو سه قطعه مختلف تشکیل یافته اند، یک چفت و بند خوب، باید علاوه بر سادگی، ریل را در مقابل حرکت افقی و نیز واژگون آن محافظت نماید. در صورت عدم وجود مهار کنندگان، یک چفت و بند باید بتواند در هر تراورس و در هر ریل در مقابل نیروی 10896 کیلوگرم در امتداد طولی مقاومت نماید.

همچنین باید تناسبی بین جهش ریل و بالشتک تراورس وجود داشته باشند.

به نظر می رسد که رابطه ای بین سختی مهار کننده و سختی بالشتک تراورس وجود داشته باشد یک بالشتک نرم در ترکیب با یک چفت و بند ثابت، در اثر بار، فشرده شده و باعث ایجاد نیروی مهار کننده در چفت وبند می گردد. در اینجا استفاه از بالشتک ثابت مطلوب می باشد. بالشتکهای نرم و گیرههای قابل ارتجاع در تحمل بارهای متوسط موفق بوده اند ولی در برابر بارهای سنگین، حرکت جانبی و نیز فرسایش بیش از حد از خود نشان می دهند. بالشتکهای سخت به همراه گیره های ارتجاعی تحت تاثیر بارهای سنگین ترافیک، بیشترین فشار را به تراورسها و زیر سازی وارد کرده و نیز از حرکات و واژگونی ریلها جلوگیری می نماید. شکستگی و یا بیرون آمدن اینسرتهای فرو رفته در بتن، یکی دیگر از اشکالات مهار کنندگان می باشد که باعث صدمه دیدن تراورسها شده و اگر با چرخها تماس حاصل نمایند باعث کاهش قابلیت ارتجاعی اینسرتها، در بتن می شود. این اینسوتها اگر ظاهرا آسیب ندیده باشند، باید مرمت شده ویا حداقل مورد بازرسی دقیق قرار گیرند. در محل اتصال اینسرت و بتن ممکن است ترکهایی مشاهده شود،

تجربیات اخیر

مدلهای مختلف تراورس بتنی که خصوصیات AREA را دارا می باشند، در محلهای مختلف مورد آزمایش قرار می گیرند. این امر هم در مورد طرحهای داخلی وهم در مورد طرحهای خارجی صدق می کند که استفاده از ژل میکروسیلیس برای مقاومت بالاتر و پایداری بتن باید استفاده نمود چون در آن الیاف پروپیلن و همچنین فوق روان کنندهو پودر میکروسیلیس که باعث آب بندی بتن و بالابردن مقاومت بتن نهایی می گردد.

یکی ازمدل های TR-7 ساخت امریکا، کاستین CC244 C کانادایی و دیگر مدلها در خط آهن آلاسکا سانتافی، چسی و نورفلک و ستون و همچنین در دات فاست و پوئبلووکلرادو، آزمایش می شود. بنابراین، این تراورسها در شرایط جوی و ترافیکی مورد استفاده و آزمایش قرار می گیرند. چندین شرکت راه آهن مانند فلوریدا ایست کوست، بلک مسا، لیک پاول، و کاتراس سیتی ساترن، صد در صد و یا اندکی کمتر، از تراورس بتونی استفاده می کنند. آمتراک اخیرا تصمیم به نصب 6/643 کیلومتر تراورس بتنی در کریدور شمال شرقی بین نیویورک و بستون گرفت و این تصمیم قابل بحث و تبادل نظر می باشد.

تجربیات، در آزمایش طرحهای اخیر نشان داده که در اکثر موارد هنگامی که بار کمی وارد می شود، آزمایش با موفقیت روبرو بوده است در این کار با ایجاد تجمع وزنهای چند تنی در قسمتهای مورد آزمایش، طرح جدید رضایت بخش بوده است در این آزمایش مشاهده شد که حتی اگر بالشتکها خرد شده و حرکت کننده سطح ریل همچنان سالم وقابل استفاده باقی می ماند.

شرکت CM دریافته است که استفاده از تراورسهای بتنی در کاهش چین خوردگی سطح ریل و در نتیجه افزایش عمر آن، در زیر بارها قطار در کوهستان موثر است. ریل را می توان بدون هیچگونه مزاحمتی تعویض نمود. در تمام قسهای بالاتر از چهار درجه از تراورسهای بتنی استفاده می شود طول عمر ریل نیز دو تا چهار سال افزایش می یابد. از آنجایی که ریل بر روی تراورسهای چوبی باید غالبا تعویض گردد، تعویض میخها در هر 2 یا 3 سال باعث از بین رفتن چسبندگی بین میخها و تراورس شده و باعث از بین رفتن تراورسها و صفحات می شود. تجربه و تئوری هر دو نشان می دهند که برای مقاومت در برابر حرکت تراورسها و جذب کشش، به یک سطح زیرین قوی، برای زیر سازی نیاز است.

علی الخصوص زمانی که در تراورس از بالشتک سخت استفاده شده باشد. فواصل تراورسها معمولا بین 96/60 تا 6/68 سانتی متر می باشد که در مسیر قوسی شکل، از فواصل 96/60 استفاده می شود فاصله گذاری تابعی است از طول تراورس، و مقاومت تراورس و مقاومت خمشی تراورس بستگی دارد.

تجربه نشان داده است که برای تراورسهایی که نیاز به فواصل 2/76 استفاده می شود، فاصله گذاری 96/60 سانتیمتری لازم الاجراء باشد. این موضوع تحت بررسی و بازدید قرار دارد

تراورسهای بتنی که تا 363 کیلوگرم وزن دارند در تعادل موثر می باشند اما غالبا از یک شانه 48/30 سانتیمتری بالاست، علی الخصوص در قوسها و سیستم CWR استفاده می گردد تراورسهای بتنی نیز ظرفیت سختی آنرا افزایش می دهند.

در یک خط آهن که از تراورسهای چوبی استفاده شده است ظرفیتش 1135 کیلو گرم متر بر متر می باشد که در حالت استفاده از تراورسهای بتنی می تواند ضرب سختی 3175 کیلوگرم تا 6810 متر بر متر داشته باشد.

نصب و مرمت

در خطوط جدید اشکالات اندک در نصب تراروسها و یا در بازسازی ریلها بوجود می آید این اشکالات فنی ممکن است تنها در قسمتی از ریل بروز کنند. شرکت (سی برد کاست) از ترکیبی از تراورسهای بتنی و چوبی استفاده نموده که موفقیت آمیز هم بوده است قبلا شرکت (کان زاس سیتی سادرن) دو تراورس بتنی را جایگزین سه تراورس چوبی نموده و سپس در تاریخ دیگری، فواصل را تنظیم می کرد تنها مسئله این بود که تراورسهای بتنی در ریل، سختی بیشتری نسبت به تراورسهای چوبی ایجاد می کردند، قابلیت ارتجاعی تراورسهای چوبی می تواند باعث ایجاد شتابهای عمودی در تراورسهای بتنی مجاور شود که مقدار زیادی از بار را متحمل شده و بیش از اندازه کشش پیدا می کنند، برای حل این مشکل می توان تراورس بتنی را در یک بخش و تراورس چوبی سالم را به قسمت دیگر منتقل کرده در بخش مجزا استفاده نماییم.

استفاده در خطوط سریع السیر

تراورسهای بتنی پیش تنیده عملکرد خوبی در خطوط سریع السیر داشته اند و به مراقبت کمی نیاز دارند، بار چرخها معمولا کمتر از 6/453 کیلو گرم است. بنابراین تراورس از تراورسهای خطوط باری سبکتر باشد. انجمن APTA گروهی از خصوصیات را جمع آوری کرده است. از 15 سیستم در حال عمل 9 تای آنها، ایده استاندارد کردن عبور و مرور سریع را تایید نموده اند.

تراورسهایی که با خصوصیات ابتدایی طراحی شده اند، مورد استفاده و آزمایش قرار گرفته اند خطوط CTA شیکاگو و سیستم (بارت) در سانفرانسیسک و خطوط MBTA در بستون تراورسهای بتنی را با موفقیت مورد استفاده قرار دادند سیستم MARTA در آتلانتا با استفاده از تراورسهای بتنی در حال ساخت می باشد. تراورسهای MARTA که 259 سانتیمتر طول دارند، به فواصل 2/76 سانتیمتر قرار گرفته و ریلها توسط مهار کنندگان پاندرال، مهار می شوند. پایه هایی که به اینسرتهای تراورس در فواصل پنج در میان پیچ شده اند، مهار کنندگان را در قبال 18/68 کیلو گرم وزن ریل مقاوم می سازنند. تخمین زده می شود که در ده سال آینده در عبور سریع السیر، 155000 واحد از این تراورسها نیاز باشد.

توجه اقتصادی تراورسهای بتنی

حال می توان مقایسه ای بین تراورسهای بتنی و دیگر انواع تراورسها نموده، قیمت تراورس با نوع ساخت، روش نصب و تورم اقتصادی متغییر است، در کلیه ارزیابیها باید نمای هزینه ها در نظر گرفته شود اخیرا قیمت خرید یک تراورس بتنی 35000 ریال ذکر شده است. هزینه نصب ممکن است در محدوده 3000 تا 10000 ریال باشد. هزینه حمله و نگهداری و عوامل فروش به آنها افزوده خواهد شد اثر اقتصادی کامل یک تراورس بستگی به عمر مفید آن داشته و نیاز به مرور زمان برای اثبات این موضوع دارد بر خلاف روش متداول آمریکایی که شامل نوسازی قطعات و یا نوسازی نقطه ای می باشد. امتراک از روش مرمت کلی استفاده می کند.

نحوه انتخاب افزودنی ها ی بتن برای هر پروژه

 نحوه انتخاب افزودنی های بتن برای هر پروژه

برای انتخاب افزودنی مناسب در یک پروژه ابتدا بر اساس عملکرد مورد نیاز نوع ماده افزودنی انتخاب شود .  استفاده از افزودنی های روان کننده برای تولید بتن با مقاومت یا روانی بیشتر ،  افزودنی های  فوق روان کننده برای تولید بتن های روان خود تراکم و پر مقاومت در سازه های پر آماتور استفاده از افزودنی های حباب ساز در تولید بلوک های بتنی که عمدتاً در معرض محیط و یخبندان هستند ، تسریع کننده   در بتن  در بتن ریزی در هوای سرد برای تسریع زمان گیرش و ایجاد امکان گردش سریع تر قالب ها ،  افزودنی های کند گیر کنندهگیرش در بتن ریزی در هوای گرم  و به منظور  جلوگیری از دست رفتن کارایی بتن نمونه های محدود از این کاربردها هستند انتخاب نوع افزودنی باید تولید کننده افزودنی مورد نظر انتخاب گردد به این منظور می توان 2 تا 3 شرکت از تولیدکنندگان افزودنی های شیمیایی را در نظر  قرار داد تا محصول تولیدی آنها مورد آزمایش قرار گرفته تا بتوان بهترین گزینه ممکن که پاسخگوی نیازهای پروژه می باشد را انتخاب نمود .  انتخاب تولیدکنندگان یا از روی آشنایی قبلی با آنها در  تجارت گذشته کاری صورت گرفته و در صورت عدم آشنایی با تولیدکنندگان ، مراجعه به  مدارک فنی که این شرکت ها به منظور معرفی محصولات خود تدوین می کنند برای انتخاب گزینه مناسب مفید می باشد . 

در مرحله بعد برای کنترل نحوه عملکرد افزودنی و تاثیرات آن بر بتن تازه و سخت شده طرح اختلاط های آزمایشی  ساخته می شود . به طور کلی  علل استفاده از مواد افزودنی را در سه بخش مهم  می توان مورد توجه قرار داد اول کارائی و سایر مشخصات بتن تازه 2 مشخصات مکانیکی و نهایتن دوام بتن با توجه به شرایط محیطی که بهتون در طول عمر خود در آن قرار خواهد داشت .  از این رو آزمایش های انجام شده باید در جهت کنترل نیازهای پروژه و با در نظر گرفتن این موارد انجام پذیرد. 

طرح های ساخته شده باید به گونه ای باشد که امکان مقایسه بین افزودنی ها را فراهم کنند پس از انجام آزمایش های مورد نظر از قبیل درصد هوای بتن ،  اسلامپ ، مقاومت و پارامترهای مربوط به دوام (بسته به شرایط و نیازها) با در نظر گرفتن تمامی عوامل موثر در انتخاب افزود نیز هم از موارد فنی و اقتصادی مناسب ترین گزینه با بهینه ترین عملکرد انتخاب می گردد . گاه افزودنی مناسب  برای استفاده در یک پروژه در پروژه دیگر نتایج مناسبی را به همراه ندارد. میزان سازگاری افزودنی ها با مصالح مورد استفاده در ساخت بتنمسئله مهمی است که باید در نظر گرفته شود .  با توجه به این مطلب انتخاب افزودنی مناسب در هر پروژه باید بر اساس مصالح مصرفی در همان پروژه صورت بگیرد در مواردی که انتخاب نوع افزودنی با پیچیدگی هایی همراه است یا ابزار و اطلاعات لازم برای انتخاب افزودنی بهینه توسط کارفرما یا پیمانکار وجود ندارد مشورت با موسسه ها و شرکت های مشاوره ای استفاده از آزمایشگاه های تخصصی یا ارتباط با واحد فنی کلینیک بتن ایران توصیه می گردد.

طرح اختلاط های بتن خودتراکم

بنا به درخواست های فراوان جهت این نوع طرح اختلاط واحد فنی کلینیک بتن ایران، این متن را آماده و تدوین کرده که در اختیار مهندسین عزیز قرار می دهد.

الوین (Lwin) نمونه‌هایی از طرح اختلاط‌های SCC مورد استفاده در آمریکا را به شرح جدول زیر ارائه کرده است. وی مقدار جریان اسلامپ برای بتن SCC را بین 25 تا 27 اینچ (64 تا 69 میلیمتر) ذکر می‌کند.

جدول چند طرح اختلاط بتن خود تراکم رایج در آمریکا

اجرا
اختلاط 1
اختلاط 2
اختلاط 3
آب lb
293
303
260
سیمان پرتلند lb
686
600
700
خاکستر lb.fly ash
76
0
0
دانه های گرانول شده سرباره lb
0
200
0
ریز دانه lb
1768
1575
1709
درشت دانه lb
1036
1150
1500
نسبت آب به سیمان
28/0
28/0
37/0
افزودنی HRWR، cwt/02
75/5
9
10
افزودنی اصلاح کننده لزجت، oz/cwt
0
0
2
اسلامپ، قطر پخش، in
28
26
24
 

برای دستیابی به خاصیت خود تراکمی لازم است تا خمیر یا ملات دارای قابلیت تغییر شکل بالا بوده، به علاوه در هنگام جریان بتن از یک محفظه بسته یا بین میلگردهای تقویت، مقاومت مناسب در برابر جداشدگی سنگدانه های درشت و ملات وجودداشته باشد. خود تراکمی می تواند به طور وسیعی تحت تاثیر مشخصات مصالح و طرح اختلاط قرار گیرد. بنابراین یک طرح اختلاط منطقی و مناسب با استفاده از مصالح گوناگون مورد نیاز است.

ملات یا خمیر مورد استفاده در بتن خودتراکم نیاز به لزجت بالا و نیز قابلیت تغییر شکل بالا دارد. برای افزایش قابلیت تغییر شکل خمیر، باید نسبت آب به پودر را بالا برد یا از فوق روان کننده‌ها استفاده کرد. برای به دست آوردن لزجت بالا، باید نسبت آب به پودر را کاهش داد یا از افزونی‌های اصلاح لزجت استفاده کرد. قابلیت تغییر شکل به این معنا است که انرژی در داخل بتن یا در مرزها به علت اصطکاک کمتر استفاده می‌شود. در مقابل لزجت بیشتر به معنای افزایش انرژی لازم برای تغییر شکل است. بنابراین باید یک تعادل مناسب بین دو نیاز برقرار نمود. چنانچه برای افزایش لزجت، از کاهش نسبت آب به پودر استفاده شود، برای بالا بردن قابلیت تغییر شکل چاره ای جز بهره‌گیری از فوق روان کننده‌ها نیست. در صورتی که بتوان تعادل بین لزجت و قابلیت تغییر شکل را در محدوده ای که منجر به خود تراکمی شود، به دست آورد. نیازی به مواد اصلاح کننده لزجت نخواهد بود خوشبختانه مواد فوق روان کننده‌ ای یافت شده اند که در عین بهبود قابل توجه قابلیت تغییر شکل، لزجت را به مقدار اندکی کاهش می‌دهند.

اوکامورا و اوزاوا، پارامترهای نسبت آب به پودر و مقدار فوق روان کننده  را برای تنظیم طرح اختلاط خود مورد اشارده قرار می دهند، مشخصات پودر و فوق روان کننده‌ به طور وسیعی بر روی خواص ملات تاثیر می‌گذارد، به نحوی که مقادیر مناسب نسبت آب به پودر و فوق روان کننده‌ را نمی‌توان بدون اختلاط آزمایشی، ثابت در نظر گرفت، بنابراین بلافاصله پس از تعیین نسبت اختلاط، باید خودتراکمی را به وسیله آزمون های جریان U، جریان اسلامپ و قیف ارزیابی کرد. روش‌هایی برای قضاوت این که با توجه به نتایج آزمون آیا نسبت آب- پودر یا مقدار روان کننده کمتر یا بیشتر از حد نیاز است، و روشهایی برای تخمین مقادیر مناسب مورد نیاز است. روابط بین خواص ملات دربتن خود تراکم و نسبت اختلاط مورد تحقیق قرار گرفته و فرموله شده است. این فرمولها می‌توانند برای تعیین یک روش منطقی برای تنظیم نسبت آب به پودر و مقدار فوق روان کننده، به منظور به دست آوردن لزجت و قابلیت تغیر شکل مناسب، استفاده شوند. اوکامورا تاکید می‌کند که اگر چه میزان خود تراکمی بسته به پروژه متفاوت است، اما چون حفظ خاصیت خود تراکمی دشوار بوده و رواداری هایی در ان وجود دارد، بهتر است که میزان خود تراکمی در بالاترین حد (یا بالاتر از حد نیاز) تنظیم شود.

یکی از مشخصات مهم پودرها این است که مقادیر بالایی آب را در خود نگاه می‌دارند. آزمایشها نشان داده است که یک رابطه خطی بین مساحت نسبی جریان و نسبت آب به پودر وجود دارد. بنابراین با استفاده از این رابطه می توان مقدار نسبت آب به پودر را که در آن تغییر شکل خمیر متوقف می شود (برابر با صفر می شود)، برون‌یابی نمود. این حد را می توان مقدار آبی در نظر گرفت که توسط پودر محبوس می‌شود و همیشه بین 7/0 تا 0/1 قرار می گیرد که بستگی به پودر، شکل هندسی ذرات و دانه‌بندی آنها دارد. به عبارت دیگر، طبق نظر اوکامورا ، پودر تقریباً هم حجم خود، آب را محبوس می‌نماید.

سنگدانه ها جزء با دوام و مقاوم بتن‌ها به شمار می‌روند. معمولاً از نسبت 2:1:1 سیمان: سنگدانه ریز: سنگدانه درشت به عنوان نسبتی مناسب برای رسیدن به مقاومت حداکثر یاد می‌شود. اوکامورا نتایج مهمی را در خصوص سنگدانه های ریز ارائه کرده است. براساس کارهای وی، مقدار اب نگهداشته شده به وسیله سنگدانه های ریز، در صورتی  که مقدار این سنگدانه‌ها در یک محدوده مشخص قرار داشته باشد، تقریباً متناسب با حجم آن است. این مقدار تقریباً 20درصد و حدود یک پنجم پودرها است. وی دریافت که سنگدانه های ریزتر از 90 میکرون را باید پودر در نظر گرفت (و نه سنگدانه‌). به غیر از تفاوت در میزان نگهداشتن آب بین پودر وسنگدانه ریز، یک تفاوت دیگر نیز وجود دارد: نسبت آب نگه داشته شده توسط سنگدانه ریز، وقتی که مقدار آن از یک حد مشخص فراتر رود، به شکل قابل توجهی افزایش می‌یابد.

نهایتاً اوکامورا و اوزاوا یک سیستم طرح اختلاط برای استفاده واحدهای بتن آماده، به شکل زیر ارائه کرده‌اند:

1- مقدار سنگدانه درشت در بتن به مقدار 50% حجم مواد جامد ثابت در نظر گرفته می شود. این مقدار، از برخورد سنگدانه‌های درشت و بسته شدن مسیر در قسمت های تنگ بین موانع جلوگیری می‌کند.

2- مقدار سنگدانه  ریز به مقدار 40% حجم ملات در نظر گرفته می‌شود. اگر از تخمیر مناسبی استفاده شود و مقدار محدود شود. برخورد چندانی بین سنگدانه های ریزرخ نخواهد داد. در عین حال لازم است تا دانه های ریزتر از 90 میکرون به عنوان پودر محاسبه شوند.

3- نسبت حجمی آب به پودر بین 9/0 تا 0/1، بسته به خواص پودر، در نظر گرفته می‌شود.

4-مقدار فوق روان کننده و نسبت نهایی آب به پودر به گونه‌ای تنظیم می‌شود که خود تراکمی تضمین شود.

با محدود کردن حجم سنگدانه‌های درشت، از برخورد سنگدانه ها در نزدیکی موانع جلوگیری شده، در حالی که همزمان نسبت آب به پودر برای دستیابی به لزجتمناسب، در حدود مقدار یک کنترل می‌شود. در طرح اختلاط بتن‌های معمولی، ابتدا نسبت آب به سیمان ثابت گرفته می‌شود تا مقاومت کافی به دست آید. اما در بتن های خود تراکم، با توجه به حساسیت و وابستگی شدید خود تراکمی به نسبت آب به پودر، این نسبت باید با توجه به هدف دستیابی به خود تراکمی تنظمم شود. برای این نوع بتن، در اکثر اوقات مقاومت مورد نیاز، تعیین کننده نسبت آب به پودر نیست. زیرا نسبت آب به پودر جهت دستیابی به مقاومت لازم برای اکثر سازه ها، به اندازه کافی کم است (مگر اینکه بیشتر مواد پودری استفاده شده، از نوع غیر واکنش زا باشند). در واقع در روش و همکارانشف آنها با ثابت نگهداشتن مقدار سنگدانه های درشتدر حداکثر 50 درصد حجم مواد جامد و سنگدانه های ریز در حداکثر 40 درصد حجم ملات و با تنظیم نسبت آب به سیمان و با افزودن مقدار بیشتری فوق روان ساز، توانستند به خاصیت خود تراکمی بتن دست یابند.

تحلیل نسبت‌های طرح اختلاط، اصول عمومی به دست آوردن ترکیب لازم خواص مخلوط‌های SCC را به دست می دهد. دامون این تحلیل را بر روی اطلاعات 68 پروژه بتن های خود تراکم انجام داده و به نتایج زیر رسیده است:

محتوای سنگدانه‌های درشت باید به اندازه کافی پایین باشد بطوریکه سنگدانه های مجزا به وسیله یک لایه از خمیر ریز دانه/ ملات لیز شده، به این وسیله قابلیت جریان یافتن افزایش یافته و خطر پل شدن سنگدانه‌ها و مسدود شدن بتن در هنگام عبور از سطوح باریک یا تنگ کاهش یابد. به عبارت دیگر به این ترتیب قابلیت عبور بهبود می یابد.

قابلیت جریان یافتن ولزجت مناسب ملات با محدود کردن درصد سنگدانه های ریز و نسبت آب به پودر، اضافه شدن فوق روان کننده و در صورت تمایل استفاده از یکعامل بهبود دهنده لزجت (VMA) به دست آمده، از این طریق ترکیبی از دو خاصیت مطلوب قابلیت پر کردن و مقاومت به جداشدگی به دست می آید.

این موارد باعث به دست آمدن مخلوطی می‌ شود که در مقایسه با بتن معمولی، حاوی مشخصات زیر است:

درصد کمتر درشت دانه

درصد بیشتر خمیر

درصد بالای پودر (مواد زیر 125 میکرون)

نسبت های کم آب/ پودر

مقادیر بالای فوق روان کننده

وجود یک عامل بهبود دهنده لزجت (گاهی اوقات)

با توجه به موارد فوق، دامون  اجزای کلیدی شامل درصد حجمی درشت دانه‌ها، درصد حجمی خمیر، درصد وزنی پودر، نسبت وزنی آب/ پودر و حجم ریزدانه‌ها/ حجم ملات را برای تحلیل طرح اختلاط‌های مختلف انتخاب و بررسی آنها را انجام داده است.

در اکثر پروژه های بررسی شده روش تشخیص درشت دانه از ریزدانه، برحسب محل کار، اندازه 4 یا 5 میلیمتر بوده است. در برخی موارد نادر، اندازه های دیگری مانند 2 یا 8 میلیمتر به عنوان معیار به کار گرفته است، که دامون برای این موارد نیز برای یکدست بودن تحلیل‌ها، مقادیر تقسیم 4 میلیمتر را مبنای محاسبات قرار داده است.

به استثنای دو مورد، محتوای پودر در محدوده 625-425 کیلوگرم بر متر مکعب، با 80% در محدود (605-445) کیلوگرم بر متر مکعب بوده است. نسبت‌های آب/ پودر در محدوده 26/0 تا 48/0 بوده است که 80% آن در محدوده (42/0-28/0) قرار می گیرد. نسبت آب به پودر دارای اثرات قابل توجهی بر روی خواص بتن تازه و سخت شده است. اما در بتن  خود تراکم، بیشتر این خواص بتن تازه است که محدود کننده مقدار آن در طرح اختلاط می‌باشد. برخلاف آن، ترکیب پودر اثر مهمتری روی فرایند هیدراسیون (و در نتیجه گرمای ازاد شده، مقاومت و غیره) دارد و به همین دلیل برای کنترل این خواص به کار می‌رود. ترکیب ملات بر حسب درصد حجمی ریزدانه‌ها بین 38/0 تا 54/0 متغیر است، که 80 درصد از آن در محدوده 41 تا 52 درصد قرار می گیرد.

نان سو در 2001 یک روش جدید برای طرح اختلاط بتن خود تراکم پیشنهاد داد. در این روش، ابتدا مقدار سنگدانه مورد نیاز تعیین و سپس خمیر چسباننده داخل حفره های سنگدانه ها پر می‌شود تا از خواص جریان‌پذیری، توانایی خود تراکمی و سایر خواص SCC اطمینان حاصل شود. انگیزه وی ارائه روشی اصلاح شده و ساده تر نسبت به روش‌های قبلی، از جمله روش اوکامورا، بوده است.

نکته اساسی طرح اختلاط سو، این است که خمیر چسباننده به داخل قالبی ریخته شود که سنگدانه ها در آن به صورت غیر فشرده ریخته شده‌اند. سو ذکر می‌کند که طبق روش 29ASTM C انتظار می‌رود که فضای خالی میان سنگدانه ها بین 42 تا 48 درصد حجمی باشد (یعنی نسبت حجمی سنگدانه بین 52 تا 58 درصد مقاومت فشاری SCC به وسیله چسباندن سنگدانه ها به وسیله خمیر در حالت سخت شده تامین می‌شود، در حالیکه کارآیی SCC باید بوسیله خمیر چسباننده در حالت تازه بدست آید. سو برای بدست اوردن مناسب خاصیت خود تراکمی از راهنمای ارائه شده توسط انجمن مهندسان عمران ژاپن استفاده می‌کند، که ویژگی های آن در جدول آمده است.

جدول ویژگی های بتن خود تراکم، پیشنهاد شده توسط انجم مهندس عمران ژاپن

کلاس قابلیت پر شدن بتن
1
2
3
شرایط ساخت حداقل فاصله بین تقویت‌کننده‌ها (mm)
60-30
200-60
200 ≤
مقدار تقویت کننده ها (kg/m3)
350 ≤
350-100
100 ≥
ارتفاع پر شدن آزمون جعبه (mm) U
 
 
 
حجم مطلق سنگدانه های درشت به ازای حجم (m3/m3)SCC
3/0-28/0
33/0-30/0
36/0-30/0
جریان پذیری: جریان اسلامپ (mm)
750-650
700-600
650-500
مقاومت به جداشدگی سنگدانه:

زمان لازم برای جریان از قیف (s) V

زمان لازم برای رسیدن جریان اسلامپ به mm 500 (s)
20-10

25-5
20-7

15-3
20-7

15-3
 

در روش سو ابتدا با استفاده از مفهوم درجه تراکم، مقادیر سنگدانه‌‌های ریز و درشت محاسبه می‌شود. انجمن معماران ژاپن سه گروه 15، 20 و 25 میلیمتر را برای حداکثر اندازه سنگدانه مشخص می کند، که اندازه 20 میلیمتر از همه رایج‌تر است. همچنین پیشنهاد شده است که مقدار سنگدانه‌های درشت حدود 50 درصد حجمی متراکم شده در حالت خشک (طبق روش 29ASTM C) باشد. مقدار هوای لازم بستگی به دما دارد. سپس مقدار سیمان باید محاسبه شود. برای تضمین جریان پذیری و مقاومت خوب به جداشدگی، مقدار پودرها نباید کم باشد. براساس راهنمای انجمن مهندسان عمران ژاپن، حداقل مقدار سیمان که برای بتن های معمولی و دوام بالا باید استفاده شود، به ترتیب 270 و 290 کیلوگرم بر متر مکعب است. مقدار زیادی مصالح پودری باید اضافه شود تا جریان پذیری و خود تراکمی افزایش یابد. چنانچه به این منظور فقط از سمیان استفاده شود، مقدار اضافی سیمان باعث افزایش هزینه‌ها و جمع شدگی ناشی از خشک شدن خواهد شد. بعلاوه افت اسلامپ افزایش یافته ومقاومت فشاری نیز بیشتر از مقدار لازم طرح خواهد شد. بنابراین در یک طرح اختلاط مناسب برای بتن خود تراکم، باید مقدار  مناسب سیمان و نسبت آب به سیمان را برای رسیدن به مقاومت لازم تنظیم و در کنار آن برای رسیدن به خود تراکمی و مقاومت در برابر جداشدگی از مواد پودری دیگر (غیر از سیمان) استفاده کرد. مقادیر فوق روان کننده و آب در مرحله بعدی تعیین و مخلوط‌های تجربی برای رسیدن به خواص مورد نظر خود تراکمی و مقاومت ساخته می شود.

ونگالا[1] با آزمایش های مختلف، روش ساده‌ای را برای طرح اختلاط بتن خود تراکم ارائه کرده است. در این روش، ابتدا یک اختلاط معمولی با استفاده از طرح اختلاط ACI (یا هر روش پذیرفته شده دیگر) با اسلامپ 100 میلیمتری بدون استفاده از فوق روان کننده تهیه می‌شود. سپس با افزودن  فوق روان کننده به طرح اختلاط فوق، یک اسلامپ 160 تا 180 میلیمتر به دست می آید. در صورت مشاهده هرگونه جداشدگی یا آب انداختگی ظاهری، قسمتی از سنگدانه های درشت به وسیله سنگدانه ریزجایگزین شود. درصد جایگزینی اندک و حدود 5% در نظر گرفته می شود. برای رسیدن به بتن  خود تراکم، سنگدانه درشت با یک پودر ریز جایگزین می‌شود. برای این کار از افرایش های 5 درصدی استفاده شود تا یک جریان اسلامپ 500 تا 700 میلیمتر به دست آید. برای ارزیابی قابلیت عبور باید از آزمون‌های قیف V و جعبه L استفاده شود. آزمون‌ها و شاخص‌های مورد نیاز برای این ارزیابی بحث شده است. در صورت نیاز، افزودنی VMA نیز به مخلوط افزوده شود.

روش های اختلاط دیگری نیز توسط پژوهشگران بررسی و ارائه شده است. برخی از این طرح‌ها برای بررسی امکان استفاده از مصالح ارزان محلی ارائه شده و برخی دیگر نیز مانند طرح اوزبای[2] حاوی مطالعات عمیق‌تر با بررسی چندین معیار مختلف است.

[1]- vengala
[2]- ozbay