روسازی راه با استفاده از بتن
طرح اختلاط و نسبت اجزا
زمانیکه کیفیت مواد اولیه مشخص و انتخاب می شوند، لازم است ضمن در نظر گرفتن شرایط اقتصادی پروژه، طرح اختلاطی که نیازهای بتن تازه و خشک شده را تامین می نماید تهیه شود. شاخصه مهم در بتن های تازه، کارایی بتن و در بتن سخت شده مقاومت و دوام بتن اهمیت می یابد. طرح اختلاط بتن های با کارایی بالا برای تولید بتن های با طول عمر زیاد متمایز می گردند. در حالت ایده آل، این طرح ها شامل مصالح با کیفیت بالا با دوام و دانه بندی مناسب می باشند. درصد هوای 6 الی 8 درصد با فاصله 0.2 میلیمتر جهت افزایش خاصیت یخ زدایی و استفاده از سرباره خاکستر بادی برای کاهش نفوذپذیری با نسبت آب به سیمان 0.4 الی 0.43 از دیگر مشخصات این طرح اختلاط می باشد.
این تولیدکنندگان مراحل زیر را دنبال می کنند:
- ترکیب نمودن اطلاعات موردنیاز شامل موارد زیر:
- اعداد مانده های روی الک برای مصالح ریز و درشت
- وزن خشک مصالح درشت
- وزن مخصوص مصالح ریز و درشت و درصد جذب آب آنها
- ضخامت اسلب (در جاییکه حداکثر سایز مصالح درشت دانه کمتر/مساوی از 3/1 حداقل ابعاد باشد)
- مقاومت موردنیاز
- شرایط محیط اطراف
- انتخاب میزان روانی – بصورت متداول 25 الی 75 میلیمتر برای روسازی (اعداد بالا برای روسازی های ثابت و کمتر برای روسازی های لغزنده)
- انتخاب حداکثر سایز مصالح (در اکثر محیط ها 19 الی 25 میلیمتر حداکثر سایز در دسترس خواهد بود)
- تخمین میزان آب اختلاط و مقدار هوای بتن. میزان آب کمتر برای بتن های روسازی مورد استفاده در بتن های ساختمانی). میزان هوای بتن نیز بر اساس حداکثر سایز مصالح در نظر گرفته می شود. ACI 211.1 جدول دانه بندی مصالح را مشخص خواهد کرد که حداکثر سایز دانه بندی 75 میلیمتر خواهد بود.
- مشخص نمودن میزان آب به سیمان بر اساس مقاومت و میزان دوام بتن مورد نیاز (هر یک کمتر باشد)
- محاسبه میزان سیمان بتن که با تقسیم میزان آب به سیمان مشخص خواهد شد. (با کاهش مقدار آب به سیمان میزان سیمان مورد نیاز نیز کاهش خواهد یافت که در این بین مقدار خاکستر بادی نیز تاثرگذار خواهد بود)
- تخمین مقدار مصالح درشت و FM (پتانسیل روانسازی) شن. مصالح درشت تر میزان استفاده از آنرا افزایش خواهد داد زیرا این مقدار بیشتر جایگزین مصالح درشت دانه کوچکتر و ظریف تر و سیمان خواهد شد. با میزان کمتر مصالح نرم و ظریف، مقدار استفاده مصالح درشت را بالا خواهد برد زیرا روانسازی و کارایی بتن میبایست تامین گردد.
- تخمین میزان مصالح ظریف بتن که در این شرایط میبایست حجم آب، سیمان، مواد سیمانی بتن و مصالح درشت مشخص شده باشند.
- تنظیم نمودن میزان رطوبت مصالح، میزان آب اختلاط با در نظر گرفتن سطح خشک مصالح اشباع (SSD) تخمین زده می شود. چنانچه مصالح رطوبت داشته باشند، این رطوبت باعث اضافه شدن آب به بتن شده و مقدار نیاز به مصالح مرطوب را افزایش می دهد. اگر مصالح خشک و فاقد رطوبت باشد، باعث کاهش میزان آب اختلاط می شود.
- بچ آزمایشی بتن می بایست آماده سازی گردد. این طرح آزمایشی در آزمایشگاه زده میشود و لذا باید مقادیر آب و هوای بتن به درستی تنظیم شده که به اسلامپ و درصد هوای مورد نظر دست پیدا کنیم.
در بتن های مخصوص روسازی، مقدار آب به سیمان با هدف کاهش جمع شدگی، میبایست به حداقل مقدار برسد. ترجیحا مقدار کل آب مصرفی باید کمتر از kg/m³ 145 و مقدار کل آب به سیمان باید کمتر از 60% باشد (Hall et al. 2005: 22). لذا این مهم نیازمند استفاده از کاهنده های آب در طرح بتن است.
کارایی بتن
کارایی بتن به سهولت اجرا، تراکم و پرداخت سطح بتن تازه بدون جداشدگی برمی گردد. هر چند گاهی این شاخص با اندازه گیری اسلامپ بتن کنترل می شود اما این تست ساده، سریع و ارزان تمامی فاکتورهای مربوط به کارایی بتن رضایت بخش را مشخص نمی نماید. برای یک بتن لغزنده روسازی، کارایی شامل شاخص های زیر می شود:
- اجتناب از جداشدگی حین حمل و اجرای بتن
- سهولت تراکم
- لبه های روسازی با فرم اصلاح شده بدون افت لبه
- عدم نیاز به پرداخت سطح بتن یا به حداقل رساندن آن (Kohn and Tayabji 2003: 57)
اسلامپ مورد نیاز در شرایطی بدست خواهد آمد که بتوان میزان آب مصرفی را بر اساس بچ آزمایشی اضافه نموده و همچنین پروسه فوق الذکر را رعایت نمود. بتن لغزنده باید به حدی سفت باشد که بتواند بدون افت لبه روی وزن خود بایستد؛ لذا اسلامپ متداول این نوع بتن ها بین 50-25 میلیمتر میباشد.
افت لبه روسازی بتنی همچنین میزان زیاد آب در بتن را نشان می دهد. گرچه میزان کارایی بتن اساسا به میزان آب بتن بر می گردد اما شاخص های زیر نیز در آن تاثرگذار خواهند بود:
- میزان آب مورد نیاز بسته به شکل، اندازه و درجه مصالح
- میزان آب مورد نیاز بسته به میزان سیمان مصرفی
- میزان خاکستر بادی مصرفی
- مقدار کل آب مورد نیاز
- میزان هوای بتن
مقاومت بتن
ACI 211.1 میزان مقاومت بتن را جهت مشخص کردن نسبت آب به سیمان طرح اختلاط، مورد نیاز می داند. بر اساس یک قانون کلی thumb، میزان مقاومت خمشی بتن می بایست 10% مقاومت فشاری آن باشد. این میزان به طور نسبی با استفاده از مصالح شکسته که چسبندگی بهتری را فراهم می نمایند افزایش یافته و با مصالح گردگوشه کاهش می یابد. تاکید زیاد بر مقاومت بتن هرچند بطور قطع به داشتن بتن روسازی با کارایی بهتر منتج نخواهد شد. در واقع بسیاری از مشکلات روسازی بتنی در زمان اضافه شدن بیش از اندازه سیمان به بتن با هدف دستیابی به مقاومت بیشتر رخ خواهد داد.
روسازی های بتنی برای پدیده خستگی طراحی می شوند. خستگی زمانی اتفاق می افتد که مقاومت مواد در اثر بار کششی بکار رفته که کمتر از تنش تسلیم مواد است تنزل یابد. پدیده خستگی بسیار نگران کننده است زیرا متریال بکار رفته برای مقاومت در برابر بارگذاری ایمن طراحی شده اند که این مشکل باعث عدم پذیرش آن می گردد. نتیجتا این مشکل باعث ایجاد شدن ترک در بتن از نقطه ای که بیشترین میزان استرس و فشار را دارد می گردد که به مرور ترک ها بیشتر می شود.
میزان عدد خستگی بر اساس عدد استرس (SR) مابین بار ترافیکی وارده به بتن و مقاومت خمشی آن مشخص می گردد.
SR = (σ/MOR)
σ میزان بار کششی وارده به بتن را نشان می دهد و MOR یا (modulus of rupture) میزان مقاومت خمشی بتن است.
دوام بتن
بتن های روسازی عمدتا در معرض محیط بیرونی و شرایط سخت می باشند. بتن با دوام در معرض محیط با شرایط ثابتی قرار داشته و تجریه نشان داده است که کمترین میزان زوال بتن در برابر سیکل های ذوب و یخبندان زمانی بدست خواهد آمد که حداقل واکنش شیمیایی بین بتن و محیط اطرافش اتفاق بیفتد. دوام بتن مهمترین جنبه کارایی بتن های با طول عمر بالاست (Taylor et al., 2007 18). سیکل های ذوب و یخبندان و همچنین میزان یون کلر، مهمترین چالش برای نشان دادن دوام بتن می باشد. علاوه بر استفاده از مصالح با دوام، کاهش میزان آب به سیمان مصرفی نیز باعث افزایش دوام بتن می شود.
مبانی طرح
روسازی بتنی اغلب بر اساس ضخامت بتن موردنیاز طراحی می شود اما عناصر دیگری نیز در این طراحی تاثرگذار خواهد بود. این عناصر شامل نوع و فضای درزها (درز عرضی و یا طولی) در تمامی انواع روسازی های بتنی می باشد.
آنالیز تئوری روسازی های بنی به طرز شکفت انگیزی وظیفه ای دلهره آور است. مشکلات ژئومتری و درزها، فاکتورهای جمع شدگی، تاثیرات محیطی بر ساختار بتن، مشخصات نامشخص مواد اولیه و مقاومت آنها، پیچیدگی های عکس العمل غیرخطی مواد، رفتار خستگی گیج کننده، جابجایی بارها و ... همگی از عوامل این دلهره خواهند بود.
تقویت روسازی
تقویت روسازی به طور کلی عدد K را بسته به نوع خاک کاهش خواهد داد. عدد K بر اساس جدول Table 5.1 با درجه بندی خاک مشخص خواهد شد. جدول های Table 5.2 الی 5.5 نیز بر اساس مصالح عمل آوری نشده یا پایه تثبیت شده این عدد را مشخص می نمایند. بصورت سنتی عدد K کم برای طراحی ضخامت استفاده می شود تا مشخص نمودن فضای فاصله درزها. در نتیجه یک لایه زیرسازی سفت تثبیت شده مانند آسفالت در این حالت استفاده شده و عدد K بالاتر برای مشخص نمودن فضای درزها استفاده می شود.
|
Table 5.1 Recommended k-value ranges for various soil types
|
|
AASHTO class
|
Description
|
ASTM/USCS class
|
Dry density, kg/m3 (lb/ft3)
|
CBR (%)
|
k-value, MPa/m (psi/in)
|
|
Coarse-grained soils
|
|
A-1-a, well graded
|
Gravel
|
GW, GP
|
2000–2240
(125–140)
|
60–80
|
81–122
(300–450)
|
|
A-1-a, poorly graded
|
1920–2080
(120–130)
|
35–60
|
81–108
(300–400)
|
|
A-1-b
|
Coarse sand
|
SW
|
1760–2080
(110–130)
|
20–40
|
54–108
(200–400)
|
|
A-3
|
Fine sand
|
SP
|
1680–1920
(105–120)
|
15–25
|
41–81
(150–300)
|
|
A-2 soils (granular material with high fines)
|
|
A-2-4, gravelly
|
Silty gravel
|
GM
|
2080–2320
(130–145)
|
40–80
|
81–136
(300–500)
|
|
A-2-5, gravelly
|
Silty sandy gravel
|
|
A-2-4, sandy
|
Silty sand
|
SM
|
1920–2160
(120–135)
|
20–40
|
81–108
(300–400)
|
|
A-2-5, sandy
|
Silty gravelly sand
|
|
A-2-6, gravelly
|
Clayey gravel
|
GC
|
1920–2240
(120–140)
|
20–40
|
54–122
(200–450)
|
|
A-2-7, gravelly
|
Clayey sandy gravel
|
|
A-2-6, sandy
|
Clayey sand
|
SC
|
1680–2080
(105–130)
|
10–20
|
41–95
(150–350)
|
|
A-2-7, sandy
|
Clayey gravelly sand
|
|
Fine-grained soilsa
|
|
A-4
|
Silt
|
ML, OL
|
1440–1680
(90–105)
|
4–8
|
7–45
(25–165)a
|
|
Silt/sand/gravel mixture
|
1600–2000
(100–125)
|
5–15
|
11–60
(40–220)a
|
|
A-5
|
Poorly graded silt
|
MH
|
1280–1600
(80–100)
|
4–8
|
7–51
(25–190)a
|
|
A-6
|
Plastic clay
|
CL
|
1600–2000
(100–125)
|
5–15
|
7–69
(25–255)a
|
|
A-7-5
|
Moderately plastic elastic clay
|
CL, OL
|
1440–2000
(90–125)
|
4–15
|
7–58
(25–215)a
|
|
A-7-6
|
Highly plastic elastic clay
|
CH, OH
|
1280–1760
(80–110)
|
3–5
|
11–60
(40–220)a
|
|
Source: Adapted from Hall, K.T. et al. 1997. LTPP Data Analysis Phase I: Validation of Guidelines for k-Value Selection and Concrete Pavement Performance Prediction, FHWA-RD-96–198, p. 80, Washington, DC: Federal Highway Administration, United States Department of Transportation; American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) 1998. Supplement to the AASHTO Guide for Design of Pavement Structures, p. 6, Washington, D.C: American Association of State Highway and Transportation Officials.
a k-value of a fine-grained soil is highly dependent on degree of saturation.
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
در اکثر پروسه های روسازی ها، ضخامت بتن روسازی به عدد K حساس نمی باشد. این ضخامت در تضاد با انعطاف یا روسازی آسفالت بوده جاییکه ضخامت بستگی به سختی خاک دارد. بنابراین جنس زیر سطح اختصاصا برای تشخص ضخامت روسازی مهم نمی باشد بلکه برای مشخص کردن قابلیت ساخت، پمپ پذیری و حساسیت به سرما اهمیت خواهد داشت.
|
Table 5.2 Effect of untreated subbases on k-values
|
|
Subgrade k-value, MPa/m (psi/in)
|
Subbase thickness mm (in)
|
|
100 mm (4 in)
|
150 mm (6 in)
|
225 mm (9 in)
|
300 mm (12 in)
|
|
13.5 (50)
|
17.5 (65)
|
20 (75)
|
23 (85)
|
30 (110)
|
|
27 (100)
|
35 (130)
|
38 (140)
|
43 (160)
|
51 (190)
|
|
54 (200)
|
60 (220)
|
62 (230)
|
73 (270)
|
87 (320)
|
|
81 (300)
|
87 (320)
|
89 (330)
|
100 (370)
|
117 (430)
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
ترافیک
سه رویکرد برای تطابق نوع بتن روسازی با ترافیک وارده بر آن وجود دارد. ساده ترین رویکرد با اختلاف زیاد، این هست که در زمان طراحی، معیار این باشد که فقط یک مدل وسیله نقلیه روی آن تردد نماید. در حالت بعدی انواع وسیله نقیله با یک طراحی محور روی سطح تردد نموده و حالت سوم شامل تمامی طراحی محورهای وسایل نقلیه می باشد.
طراحی بر اساس ترافیک تک وسیله نقلیه
در بعضی روسازی ها، خصوصا روسازی باند فرودگاه یا روسازی صنعتی، امکان اینکه بتوانیم مبنای طرح را بر روی تردد یک نوع وسیله نقلیه بر روی آن بگذاریم وجود دارد. در این روش، یک نوع وسیله نقیله بر جریان ترافیکی تسلط خواهد داشت و مابقی بارهای وارده بر روسازی بسیار سبک بوده و حداقل آسیب را به روسازی وارد می نمایند. در این شرایط بارهای سبک ذکر شده از نظر وزنی ماکزیمم 80% وزن وسیله نقلیه مورد نظر در طراحی را دارا خواهند بود.
در حالت تک وسیله نقلیه، فشار خمشی وارده برای یک روسازی خمشی آزمایشی مشخص خواهد شد. سپس برای محاسبه SR، عدد فشار خمشی بر مدول پارگی تقسیم شده و مدول خستگی عددی معادل 2/7 تا 4/7 درنظر گرفته خواهد شد. در این حالت می توان ضخامت روسازی بتنی را تنظیم و طراحی نمود تا طراحی حاصله پاسخگوی بارهای تکراری وارده به آن باشد.
طراحی بر اساس ترافیک انواع وسیله نقلیه
روسازی اکثر بزرگراه ها و فرودگاه ها بر مبنای تردد انواع وسیله نقلیه بر روی آن طراحی می شوند. این روش بر اساس تکیه بر 1984 PCA استوار است. پروسه طراحی شامل محاسبات آسیب های وارده بر روسازی بر اساس فشار ترافیکی وارده به وسیله هر نوع وسیله نقلیه ای شکل خواهد گرفت. در مرحله اول ضخامت آزمایشی روسازی فرض خواهد شد سپس آسیب حاصل شده از فشار ترافیکی هر نوع وسیله نقلیه محاسبه شده که این عدد بر مبنای تعداد تکرارپذیری بارهای وارده از هر نوع وسیله نقلیه و طول عمر روسازی تشخیص داده می شود.
میزان فشار و بار وارده بر لبه، وسط و گوشه های روسازی بر اساس فرمول های متداول محاسبه خواهند شد که در مقالات آتی به این موارد پرداخته می شود.
بطور کلی در سبد کالای آبادگران محصولات مرتبط با روسازی بتنی شامل انواع افزودنی های بتن، بعنوان کاهنده قوی آب، کیورینگ جهت عمل آوری بتن و همچنین ماستیک پلی یورتان در درزهای انبساطی مورد استفاده قرار می گیرند.
