بتن غلطکی(CCR)

بتن غلطکی بتنی است که در اجرای سازه های حجیم ( سدها ، شالوده های بزرگ و… ) کاربرد دارد و برای اجرای آن از ماشین آلات راهسازی و عملیات خاکی استفاده می شود. بتن غلطکی، بتنی است که اسلامپ آن صفر بوده و به منظور حمل، پخش و تراکم آن، از ماشین آلات عملیات خاکی استفاده می شود. لذا بایستی آنقدر خشک باشد که بتواند تقریبا نظیر دانه های خاک به راحتی پخش شده و بوسیله ماشین آلات متراکم کننده نظیر غلتک ، متراکم گردد. از طرفی به منظور ایجاد چسبندگی بین سنگدانه ها بایستی به مقدار کافی مرطوب باشد تا شیره بتن، پوشش لازم برای کلیه سنگدانه ها را فراهم نماید. لذا بتن غلطکی در حالت متراکم نشده تفاوت فاحشی با بتن معمولی داشته به گونه ای که در این حالت، هیچ گونه اثری از شیره بتن در مخلوط نمایان نیست و مانند مصالح خاکی عمل می نماید.

روسازی ها همواره تحت تاثیر انواع تنش های فشاری، خمشی، خستگی و کششی قرار دارند؛ اما در طراحی بتن غلتکی تمرکز بر تنش خمشی است. دلیل آنست که شروع اغلب خرابی های مهم در این رویه ها ناشی از ضعف در تحمل نیروهای خمشی می باشد .مقاومت خمشی و مقاومت در برابر خستگی از جمله مهم ترین پارامترهای موثر بر ضخامت طراحی محسوب می گردند. مقادیر تنش ها و خستگی بستگی به محل قرار گرفتن بار چرخ دارد، به طوری که هر چه به لبه نزدیک می شویم این مقادیر افزایش می یابند. با تغییر اندک ضخامت بتن غلتکی تاثیر بسیار زیادی در کاهش خرابی ها مشاهده شده است.

ملاحظات اساسی در انتخاب نسبت اختلاط مناسب بتن غلتکی عبارتند از :

  • روانی مناسب (توجه به دانه بندی و درصد آب مناسب برای تراکم)
  • مقاومت کافی (تامین خواص مکانیکی و چسبندگی درزها)
  • آب بندی (کنترل تراوش)
  • حرارت هیدراتاسیون کم (محدود نمودن پتانسیل ترک های حرارتی)

انواع بتن غلتکی

  • بتن غلتکی حجیم با عیار سیمان کم ، در ساخت سدها و سازه های حجیم مانند دیوارهای حائل ، پایه های سنگین و خاکریزها که در آن ها مقاومت زیاد مورد نیاز نیست
  • بتن غلتکی با عیار سیمان نسبتا زیاد، در اجرای سریع لایه های روسازی بزرگراه ها و پوشش های مشابه که در آنها مقاومت مکانیکی و سایشی بالایی مورد نیاز است و مزیت اصلی این نوع بتن ها ، هزینه پایین آن است .

کاربرد

از بتن غلتکی در ساخت بندها و سدهای خاکی و وزنی، لایه های اساس برای بارگذاری های سنگین، آپرون فرودگاه ها و محوطه های با تردد بالا نظیر بنادر و گمرکات استفاده می گردد.

مزایای بتن غلتکی

  • فنی و کاربردی: تامین نیازهای مقاومتی، دوام و امکان بارگذاری بیشتر روسازی، و همچنین حساسیت کمتر بتن نسبت به مواد شیمیایی مانند بنزین، گازوئیل و نیز مواد خورنده، عملکرد بهتر در شرایط محیطی با دمای بالا، نداشتن مشکلات ناشی از نشست.
  • اقتصادی: در صورت استفاده از رویه های بتنی بطور متوسط هزینه های ساخت، بهره برداری و نگهداری ۲۵ تا ٪۵۰ نسبت به رویه های آسفالتی کاهش می یابد. کاهش هزینه ها به صورت کلی به علت کاهش هزینه ساخت ناشی از قیمت کمتر مصالح مصرفی، کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری و ترمیم در دوره بهره برداری، کاهش هزینه های بهره برداری نظیر استهلاک وسایل نقلیه و تایرها، زمان صرف شده برای سفر، هزینه تصادفات به دلیل عملکرد ناقص رویه، هزینه مصرف سوخت و نیز افزایش طول عمر و کاهش هزینه تجدید رویه می باشد.
  • سرعت اجرا: روش اجرای سریع RCCP در مقایسه با بتن معمولی باعث کاهش قابل ملاحظه هزینه ها می گردد. کاهش زمان اجرا علاوه بر مسائل فنی سبب ایجاد یک مزیت اصلی بنام اقتصادی شدن طرح در تعامل با زمان می گردد.
  • زیست محیطی: یکی از اصول اساسی در ساخت بتن غلطکی بهره وری کامل از مصالح طبیعی در دسترس و منابع قرضه محلی است. به دلیل صرفه جویی در بکارگیری مصالح در لایه های بتنی آسیب کمتری به منابع طبیعی و محیط زیست وارد می گردد. استفاده از رویه های بتنی سبب کاهش برداشت از منابع نفتی و نیز جلوگیری از ورود این مواد به عنوان ضایعات به محیط زیست می گردد.

اصول طراحی ضخامت RCCP به روش PCA و طراحی ضخامت RCCP پروژه

قابلیت تحمل بار بستر و زیراساس توسط مدول عکس العمل بستر (K) بیان می شود . مقدار K توسط آزمایش صفحه که زیر بار غیر تکراری قرار می گیرد، تعیین می شود. از ضریب عکس العمل بستر به عنوان معیار مقاومت خاک استفاده می شود. هنگامی که در اثر تکرار بار، تنش وارده بیشتر از مقاومت گسیختگی مصالح باشد خستگی اتفاق می افتد. با توجه به اینکه تنش بحرانی در RCC از نوع خمشی است، لذا از خستگی ناشی از تنش خمشی برای طراحی ضخامت RCC استفاده می کنیم. در این حالت برای آنالیز عمر خستگی، از اصطلاحی به نام نسبت تنش (SR) استفاده می شود. نسبت تنش عبارت است از تنش مجاز خمشی طراحی به مقاومت خمشی بتن RCC مورد استفاده در روسازی. نسبت تنش با افزایش تعداد عبور و خستگی کاهش می یابد.

تخمین ترافیک عبوری، فاکتور مهمی در طراحی روسازی است. اطلاعات ترافیکی لازم شامل بزرگی بار چرخ، آرایش چرخ ها و فرکانس وارده از طرف سنگین ترین وسیله نقلیه عبوری از روسازی می باشد.

در صورت امکان می بایست لیستی از انواع وسایل نقلیه عبوری تهیه شود. معمولا وسیله نقلیه دارای سنگین ترین بار نقش کنترلی در طراحی می باشد، در عین حال باید سایر وسایل عبوری و تکرار عبور آنها در طراحی مد نظر قرار گیرد. ماکزیمم بار چرخ عبارت است از: نصف بار سنگین ترین محور سنگین ترین وسیله نقلیه

ضخامت روسازی به گونه ای طراحی می شود که تنش موجود در روسازی از مقدار مجاز تنش خمشی طراحی بیشتر نباشد. مقدار سختی از رابطه ۱ و مساحت تماس تایری که ماکزیمم بار را تحمل می کند با روسازی، از تقسیم بار چرخ بر فشار باد چرخ قابل تعیین است.

رابطه 1 :

که در آن: E مدول الاستیسیته بر حسب پوند بر اینچ مربع، h ضخامت روسازی بر حسب اینچ، ضریب پواسون که معمولا برای بتن بودن 0.15 در نظر گرفته می شود.

K مدول عکس العمل بستر بر حسب پوند بر اینچ مربع می باشد.

با فرض یکسان بودن رفتار آزمونه های بتن غلتکی سخت شده و بتن معمولی می توان از روابط مقاومت فشاری با مقاومت خمشی و مدول الاستیسیته (روابط 2 و3) برای بتن غلتکی استفاده نمود.

مقادیر ضرائب پشت رادیکال که در روابط مشاهده می شود، از تعداد محدودی آزمایش بدست آمده است. این ضرایب برای بتن غلتکی جای تحقیق بیشتر دارد.

رابطه 2 و 3 :

در این روابط پارامترها بر حسب مگاپاسگال (MPa) می باشند.

مثال طراحی ضخامت RCCP به روش PCA

با در نظر گرفتن موارد ذیل ضخامت رویه بتن غلتکی به روش PCA طراحی شد.

بتن غلتکی با رده مقاومتی C30 و مقاومت فشاری مشخصه در سن ۲۸ روزه MPa ۳۰ و با توجه به روابط ۲ و ۳ مدول الاستیسیته MPa ۲۵۹۲۳ و مقاومت خمشی MPa 4.1 برای بتن غلتکی پیش بینی شده است.

نوع وسیله نقلیه و تعداد عبور با توجه به اختصاصی بودن خیابان های کارخانه، ترافیک غیر حجیم ولی سنگین، با مطالعات اولیه بر اساس وسیله نقلیه کامیون سنگین، با وزن کل ۲۰ تن معادل گردید. با در نظر گرفتن فاصله زمانی ۱۵ دقیقه برای هر عبور، که برای سایر کامیونهای حمل مصالح در این محور نیز معادل سازی شد تعداد عبور طی شبانه روز ۹۶ بار تعیین شد. لذا با توجه به پیش بینی افق طرح رویه بتنی برای ۱۰ سال، ترافیک کل عبوری در افق طرح ۳۴۶۵۶۰ عبور تعیین گردید. همچنین نسبت تنش از مرجع [1] مقدار ۴۲ / ۰ = SR تعیین شد.

بنابراین تنش مجاز خمشی طراحی روسازی:

تنش مجاز خمشی طراحی = 0.42 * 4.1 = 1.72 مگاپاسکال

CBR خاک بستر برابر ۱۰ به طور محافظه کارانه در نظر گرفته شد. برای در نظر گرفتن تاثیر مثبت زیر اساس بر ضریب عکس العمل بستر، با توجه به ضخامت لایه زیر اساس میزان K قابل افزایش است. لذا به طور محافظه کارانه ضریب عکس العمل بستر بدون اثر مثبت ضخامت زیر اساس برابر با ۲۰۰ پوند بر اینچ مکعب خواهد بود.

با در نظر گرفتن کامیون سنگین با محور ساده ۱۳ تن و زوج چرخ و کامیون فوق سنگین با محور ۲۴ تن زوج چرخ به عنوان ترافیک عبوری از روسازی و با منظور نمودن فشار باد چرخ به مقدار ۱۲۰ پوند بر اینچ مربع طراحی ضخامت برای این ترافیک انجام شد. با محاسبه سختی طبق رابطه ۱، تنش ناشی از بارگذاری برای محور منفرد زوج چرخ پس از حصول F از گراف، برای ضخامت h و بار P طبق رابطه ۴ قابل محاسبه است.

رابطه 4 :

تنش مجاز و تنش ناشی از بارگذاری محور ساده زوج چرخ برای دو کامیون سنگین و فوق سنگین در جدول ۱ محاسبه شده است. مورد توجه است اگر تنش روسازی با ضخامت ۹ اینچ برای کامیون سنگین نیز محاسبه شود، مقدار MPa 0.57 حاصل شده که نشان می دهد با افزایش ۵۰ درصد ضخامت رویه (با مقایسه با ۶ اینچ)، حدود ۶۶ درصد تنش روسازی کاهش می یابد.

با توجه به اینکه اغلب روش PCA محافظه کارانه است، از ارائه و بررسی ضخامت به روش آشتو صرف نظر شده است. لذا با توجه به تجارب گذشته و مطالعات انجام شده با فرض ترافیک عبوری کامیون سنگین با وزن حداکثر محور ساده ۱۳ تن و چشم انداز ۱۰ ساله ، طراحی روسازی بتن غلتکی باضخامت ۷ اینچ و ۱۸ سانتیمتر نهایی است. حداقل و حداکثر ضخامت رویه بتن غلطکی با کاربری های و بسترهای مختلف به ترتیب ۴ تا ۹ اینچ (حدود ۱۰ الی ۲۳ سانتیمتر) توصیه شده است.