نقش بتن اسفنجی در پایداری سازه ها

مقدمه

همانطور كه مي دانيم امروزه صنعت بتن نقش مهمي در ساخت و سازهاي جوامع بشري ايفا مي كند و يكي از عوامل بسيار موثر در سازه هاي بتني در جهان است ، البته بايد به اين امر مهم هم توجه داشت كه مصرف بتن فقط در سازه هاي بتني و امثال آن نيست .در اين راستا تحقيقاتي به منظور استفاده از بتن در ديگر پروژه هاتوسط بسياري از محققين اين امر انجام شده و پس ازاين آزمايشات و تحقيقات فراوان ، محققان موفق شدند به راه حل بسيار خوبي به نام بتن اسفنجي (بتن تراوا ) دست يابند.

بتن اسفنجي توانست تحولات زيادي را در محوطه سازي شهرهاي اروپا و آمريكا ايجاد كند، بتني كه از لحاظ وزني بسار سبك و با تخلخل بالا مي باشد .البته اين نوع بتن هنوز در ايران جا نيفتاده است ‚ ولي اينجانب اميدوارم با تلاش مسئولين ادارات ، مهندسين و متخصصين فن ، اين بتن نيز جايگاهي براي استفاده در پروژه هاي مختلف كشورمان داشته باشد . بعد از مطالعات ، تحقيقات و آزمايشاتي كه اينجانب در مورد اين بتن انجام دادم به نتايج بسيار ارزنده اي رسيده ام كه به بعضي از موارد مهم و اساسي آن در پايين اشاره كرده ام . مطمئنا هر چيزي معايب و مزايايي دارد ولي به حق مي توان گفت كه مزاياي اين بتن در نوع خود براي مصـارف در بسياري موارد نه تنها بهتر كه مقرون به صرفه تر نيز مي باشد . اميد وارم نتيجه مطالعات و آزمايشات بنده كه اين مقاله مي باشد مورد توجه انجمن مهندسين و متخصصين قرار بگيرد و به منظور تامين و تدارك زمينه هرچه بيشتر فايد اين بتن از جمله حفظ بيشتر محيط زيست و مقرون به صرفه بودن مورد استفاده در پروژه هاي كشورمان نيز قرار بگيرد.
بتن اسفنجي چيست؟
با توجه به مقوله ها و مشكلات زير:
1- خشكسالي كه بسياري از مناطق كشور ما گريبانگير آن است .
2- پايين بودن سفره هاي آب زيرزميني بدليل گرمتر شدن جو زمين و استفاده نادرست از منابع آب زير زميني .
3- حفظ محيط زيست و توجه هر چه بيشتر به اين مساله .
4- سرد تر شدن مناطق سردسير بدليل تلمبار شدن برف بر روي بامها ، خيابانها و ...
5- آلوده شدن نزولات جوي بدليل جريان در سطوح آلوده و در نهايت آلوده كردن منابع آبهاي زير زميني .
و هزاران دلايل ديگر و مطرح شدن اين امر در مهندسي عمران به خصوص گرايش محيط زيست آن و در مقوله هاي مختلف اعم از بتن ، باعث مي شود تا فكر من و هر مهندس عمران علاقه مند به رفع اين مشكلات به فكر چاره اي باشيم . نوع بتن جديدي كه بتنهاي معمولي ديگر بنا به عدم تخلخل و نداشتن مقاومت بالا در برابر يخ زدگي قابل استفاده براي اين راهكار نيستند . ولي بتن اسفنجي يا بتن تراوا بهترين نوع بتن براي حل اين موارد صرفا از نظر مهندسي عمران و بتن مورد استفاده در محل مي باشد .پس بايد بدانيم بتن اسفنجي از چه موادي تشكيل شده و بهترين حالت اندازه مواد آن چه بوده و در حالت بهينه ميزان موارد ، چه رفتاري از خود نشان مي دهد و مشخصات آن رفتار چيست ، كه بر اساس مشخصات و رفتارهاي بتن در مقابل آزمايشهاي آزمايشگاهي و صحرايي تا حد زيادي هم مي توان به معايب و مزاياي آن پي برد .
بتن اسفنجي يك مخلوط سنگدانه درشت(شن) سيمان ‚ آب و ماسه به ميزان اندك(و گاهي اوقات بدون ماسه) است، استفاده از شن به جاي ماسه در اين نوع بتن دليل تخلخل و فضاي خالي مورد نياز اين بتن بنا به ضرورت مصرف مي گردد .در ساختار اين بتن %25-15 (از لحاظ حجم) فضاي خالي وجود دارد و اين امر موجب عبور آب از داخل اين بتن مي شود.
در بتن اسفنجي از آب نسبت به ديگر انواع بتن كمتر استفاده مي شود و اين مساله باعث شده تا پس از ساختن مخلوط بتن ، آب آن به سرعت تبخير شده و مخلوط در مدت يك ساعت كاملا از آب تخليه شود.
نسبت مواد مختلف در بتن اسفنجي :
با توجه به نتايج تحقيقات بنده بهترين حالت براي ميزان مواد مختلف در بتن اسفنجي عبارتند از :
نسبت مواد مقدار مواد
1- مواد داراي خواص بتن 270 تا 415 كيلوگرم بر متر مكعب
2- سنگدانه 1190 تا 1480 كيلوگرم بر متر مكعب
3- نسبت آب به سيمان ( از لحاظ جرم ) 0.27 تا 0.30 به ازاي واحد
4- نسبت سنگدانه به سيمان ( از لحاظ جرم ) 4 تا 4.5 به ازاي واحد
5- نسبت سنگدانه ريز (ماسه ) به سنگدانه درشت (شن ) 0 تا 1 به ازاي واحد
رفتار بتن اسفنجي :
كه با توجه به بهترين حالت براي ميزان مواد در بتن ، رفتار بتن و ويژگيهاي آن اينگونه بروز نموده و ثبت گرديد . ( آزمايشاتي كه بنده در آزمايشگاه دانشگاه انجام داده و گزارش گيري كردم .)
مشخصات مقدار
اسلامپ 20 ميليمتر
چگالي 1600 تا 2000 كيلوگرم بر متر مكعب
زمان گيرش 1 ساعت
تخلخل 15 تا 25 درصد
مقاومت فشاري 3.5 تا 4.2 مگا پاسكال
مقاومت خمشي 1.3 تا 3.8 مگا پاسكال
نصب بتن اسفنجي :
نصب بتن اسفنجي شامل 4 مرحله اساسي است:
1-مخلوط كردن
2-جا گذاري كردن(گماردن‚ قراردادن)
3-تراكم و فشرده سازي (كوبيدن)
4-عمل آوردن بتن
بوجود آوردن ‚ قراردادن و عمل آوردن بتن اسفنجي همه به جاي اينكه در يك كارخانه زير شرايط يكسان انجام شوند ‚ در محل كار(پاي كار) انجام مي شوند.
اگر چه بتن اسفنجي مي تواند توسط همان تهيه كننده هاي بتن توپر تهيه شده و توسط همان كاميونهاي بتن توپر تحويل داده شوند‚ اما اين ويژگي هاي فيزيكي منحصر بفردش است كه نياز به يك پيمانكار با تجربه تخصصي دارد . همچنين تفاوت هاي ساختاري ما بين بتن اسفنجي و بتن غير قابل نفوذ نصب متفاوت آن را نيازمند است.
به هر حال كيفيت و عملكرد بتن اسفنجي بستگي به ميزان آشنايي و عملكرد نصب كننده و خاصيت ضربه هاي ساختاري (كمپكت) دارد.
اين نوع بتن به دليل مقاومت نسبتا پائين آن Psi 400 اليPsi 4000 اساس مشخص شده و پذيرفته شده اي براي مقاومت بالا نيست.و مساله مهمتر در موفقيت يك روسازي بتن اسفنجي مقدار پوكي (فضاي خالي) آن است. البته بايد بدانيم كه زير سازي اين بتن و زمين زيرينش نبايد كاملا غير قابل نفوذ باشد و بايد حداقل اندكي خاك و زير سازي آن نفوذ پذيري داشته باشد .در مناطق ماسه اي هم بتن اسفنجي مستقيما بالاي ماسه گذاشته مي شود.
همچنين بايد به اين موضوع اشاره كرد كه يخ زدن آب در داخل اين بتن مشكلي ايجاد نمي كند زيرا آزمايش هايي صورت گرفته كه در آن بتن اسفنجي را به مدت بيش از 15 سال در آب و هواي سرد گذاشته و آب باران و برف پس از ورود به داخل بتن يخ مي زد.كاربرد موفق بتن اسفنجي در اين مناطق اين مساله را حل نموده است و مشكلي در به كاربردن اين بتن در اين مناطق وجود ندارد.
نقش مواد افزودني (مواد داراي خواص سيماني )در بتن اسفنجي
حال به برخي از آنها كه نقش بسيار مهمي در ساختار بتن دارند و مي توانند به جاي سيمان مورد استفاده قرار گيرند (كه در ايران از آنها به ندرت استفاده مي شود)اشاره مي كنيم.در واقع اين موارد بر عملكرد زمان گيرش ، ميزان افزايش مقاومت ، تخلخل ، نفوذ پذيري و .... در بتن تاثير مي گذارند و در يك كلام كليد عملكرد بالاي بتن در استفاده از موارد افزودني (SCMS ) است.
از آنجمله مي خواهيم به گاز سيليس خاكستر بادي و روباره كه همگي دوام بتن را بوسيله كم كردن نفوذ پذيري و شكاف (ترك خوردگي) افزايش مي دهند اشاره كنيم:
گاز سيليس(Silica Fume) :يك فراورده فرعي (محصول جانبي )از توليد سيليكون است ‚ و از دانه هاي خيلي ريز و ذرات كروي شكلي تشكيل شده است و به طور موثري مقاومت و دوام بتن را افزايش مي دهد.و به طور مكرربراي ارتفاعات بلند ساختمان ها به منظور افزايش مقاومت فشاري بتن (با استفاده از گاز سيليس مقاومت فشاري بتن از Psi 20000 هم فراتر مي رود .)استفاده مي شود و مي توان از آن %12-5 به جاي سيمان در بتن استفاده كرد.
خاكستر بادي(Fly Ash ): خاكستر بادي ، محصول فرعي انبار زغال سنگ سوزان در نيروگاههاي برق است و سالها قبل بعنوان ماده اي بي مصرف روي زمين روي زمين انباشته مي شد و بدون استفاده بود . اما حالا بعنوان يك ماده مهم در صنعت سيمان سازي به كار برده مي شود و مي توان از آن 5 تا 65 درصد به جاي سيمان در بتن استفاده كرد .
روباره (Blast Furnace Slang ) : روباره ، محصول فرعي زباله در صنعت پولاد (فولاد ) است ، و سهم آن در مقاومت و دوام بتن بيشتر است و مي توان از آن 20 تا 70 درصد به جاي سيمان در بتن استفاده كرد .
مزاياي بتن اسفنجي چيست و پيشنهادات بنده براي موارد استفاده از آن كدام است ؟
بتن اسفنجي داراي مزاياي اقتصادي و زيست محيطي فراواني است ، كه البته مزاياي زيست محيطي آن بيشتر مد نظر است . از مزاياي اقتصادي آن مي توان به پايين آمدن خرجهاي فراوان به منظور هدايت آب باران و فاضلاب اشاره داشت . در واقع مي توان گفت با وجود بتن اسفنجي نيازي به ساختن جوي هاي آب فراوان در سطح شهر و كنار خيابان و كوچه ها و همچنين كانالهاي بزرگ آب نيست . زيرا اين بتن هرگونه بارندگي را مستقيما به زمين و سفره هاي آب زير زميني منتقل مي كند و در واقع يك مزيت زيست محيطي نيز محسوب مي شود . از ديگر مزاياي زيست محيطي آن مي توان به موارد زير اشاره كرد :
1- جلوگيري از بروز آب گرفتگي در معابر و مكانها به هنگام بارندگي
2- جلوگيري از آلوده شدن آب بارندگي ها ( زيرا اگر زمين غير قابل نفوذ باشد ، آب باران و برف در سطح زمين كه آلودگي فراوان دارد جريان مي يابد و منجر به آلوده شدن آب بارندگي مي شود ). ( پيشنهاد اينجانب )
3- پر شدن ذخاير آب زير زميني
4- در نقاط سرد كه ماندن برف و باران روي زمين ( بعد از بارش ) منجر به سردتر شدن آن مناطق مي شود مي توان با استفاده از اين بتن آب باران وبرف را به داخل زمين هدايت كرد و از سردتر شدن آن ناحيه جلوگيري كرد .
5- همچنين مي توان از اين نوع بتن در مكانهايي كه نياز به زمين خشك است استفاده كرد مثلا در زير سازي چمنهاي استاديوم هاي فوتبال . (پيشنهاد اينجانب )
6- همچنين در مناطق سردسير ، بدليل عبور آب از اين بتن از يخ زدگي سطح معابر و در نتيجه ايجاد خطر جلوگيري مي كند كه شهرداريها مي توانند از اين بتن در پياده رو سازيها و محوطه سازي پاركها ، پاركينگها ومعابري كه مشكل آبگيري دارند استفاده نمود .(پيشنهاد اينجانب )
7- ايجاد مناظري زيبا به هنگام بارندگي ، زيرا با وجود اين بتن ديگر هنگام بارندگي آب گرفتگي وجود ندارد . (پيشنهاد اينجانب )
به اميد روزي كه شاهد استفاده بيشتر و بيشتر از اين نوع بتن منحصر بفرد در موارد اصولي آن باشيم .

مراجع و مؤاخذ :
1- تكنولوژي بتن نويسنده : دكتر فرهاد كشاورز
2- مصالح ساختماني نويسنده : مهندس كريم صمرقندي
3- مهندسي خاك وپي نويسنده : مهندس طاحوني
4- تكنولوژي بتن نويسنده : آلبرت ديسني ، مترجم : خانم مليحه ذاكروند