بتن غلتکی
هدف از مطالعه و تعیین طرح اختلاط بتن غلتکی، انتخاب مقادیر هر یک از اجزای متشکله مخلوط بتن است به گونهای که با حداقل هزینه، دستیابی به مخلوطی با کمترین مقدار سیمان و حداکثر مقدار سنگ دانه و در عین حال با ارضای الزامات بتن در وضعیت تازه و سخت شده، میسر شود. ویژگیها و الزامات بتنهای معمولی با توجه به روش اجرای آنها، شامل کارایی و روانی در حالت تازه، و کسب مقاومت و دوام لازم در حالت سخت شده با توجه به نیازهای طراحی سازه و شرایط محیطی پروژه است.
هر چند در بتنهای غلتکی نیز الزاماتی کم و بیش مشابه موارد فوق مد نظر هستند، لیکن با توجه به روش اجرای خاص این نوع بتنها، رواداریها و حدود الزاماتی نظیر روانی و کارایی در بتن غلتکی کاملاً متفاوت با بتنهای معمولی بوده و علاوه بر موارد فوق رعایت الزامات دیگری نیز در مرحله تعیین طرح اختلاط بتن غلتکی ضرورت مییابد. از جمله مهمترین این الزامات، قابلیت تراکم پذیری، کنترل پدیده جداشدگی سنگ دانهها و حفظ انسجام مخلوط در بتن تازه، و محدود کردن نفوذپذیری بتن و دستیابی به اتصال مناسب بین لایهها در بتن سخت شده هستند.
طرح اختلاط بتن غلتکی
مبانی طرح اختلاط بتن غلتکی ارتباط تنگاتنگی با رویکرد مورد نظر در طراحی سد بتن غلتکی دارد. در صورتی که در طراحی سد، بتن غلتکی به عنوان عامل اصلی ایجاد آب بندی در نظر گرفته شده باشد (رویکرد طراحی همسان بدنه سد)، دستیابی به حد نفوذناپذیری قابل قبول در جسم بتن غلتکی یک الزام و ضرورت بوده و همچنین مخلوط بتن باید به نحوی طراحی شود که در فرایند اجرای بدنه سد، امکان اتصال مناسب بین لایهها و کاهش نفوذپذیری درزهای اجرایی افقیبتن ریزی به نحو مطلوب فراهم شود. لیکن در صورتی که رویکرد طراحی سد بر پایه تامین آب بندی بدنه سد از طریق ایجاد یک غشاء (یا لایه) نفوذناپذیر در رویه بالادست سد باشد (رویکرد طراحی ناهمسان بدنه سد)، الزاماتی نظیر میزان نفوذپذیری جسم بتن غلتکی و یا تمهیدات لازم برای درزهای اجرایی افقی بتن ریزی تا حد زیادی تقلیل خواهد یافت. به طور کلی الزامات و پارامترهای مد نظر در مطالعه طرح اختلاط بتنهای غلتکی به شرح زیر هستند.
کارایی بتن تازه
مخلوط تازه بتن غلتکی باید با توجه به روش و امکانات اجرایی، دارای کارایی کافی برای دستیابی به تراکم مورد نظر باشد. همچنین کارایی مخلوط تازه بتن باید به گونهای باشد که در سطوحی از بتن غلتکی که در مجاورت قالب اجرا میشوند، کیفیت و ظاهر بتن قابل قبول باشد. کارایی مخلوط تازه بتن غلتکی کاملاً متاثر از میزان بخش خمیری (Paste) در مخلوط بتن غلتکی است که متشکل از سیمان، مواد پوزولانی، آب، مواد بسیار ریز موجود در سنگ دانهها یا پودر سنگ اضافه شده به مخلوط بتن و حبابهای هوا است.
کنترل پدیده جداشدگی سنگدانهها و خمیر بتن
با توجه به روش اجرای مخلوطهای بتن غلتکی، یکی از ویژگیهای متفاوت این نوع بتن در مقایسه با بتنهای معمولی، کاهش قابل توجه میزان بخش خمیری در بتن غلتکی است به گونهای که امکان حمل، پخش و تراکم بتن با ماشین آلات خاکی فراهم شود. در این شرایط ریسک وقوع پدیده جداشدگی سنگدانهها و بخش خمیری بتن در فرایند حمل، ریختن و متراکم کردن مخلوطهای بتن غلتکی افزایش یافته و لذا یکی از اهداف و الزامات مهم و تعیین کننده در مطالعه طرح اختلاط بتن غلتکی، دستیابی به یک مخلوط همگن و منسجم با حداقل تمایل به وقوع پدیده جداشدگی است. عدم توجه به کنترل این پدیده میتواند کیفیت و خواص به دست آمده برای یک مخلوط بتن غلتکی مشخص در مطالعات آزمایشگاهی را در زمان اجرا کاملاً تغییر دهد. کاهش حداکثر ابعاد سنگ دانهها، کاربرد سنگدانههای بادانه بندی مناسب، و قدری افزایش در درصد ماسه (نسبت به بتنهای معمولی با اندازه حداکثر سنگ دانه مشابه) میتواند در کنترل پدیده جداشدگی سنگدانهها در بتن موثر باشد.
چگالی بتن سخت شده
چگالی بتن غلتکی عمدتاً متاثر از چگالی سنگدانههای مصرفی در بتن و میزان فضاهای خالی محبوس در بتن است. میزان فضاهای خالی محبوس در سدهای بتنهای غلتکی اجرا شده در حدود ۰/۵ تا ۵ درصد متغیر بوده است. جهت به حداقل رساندن فضاهای خالی بین سنگدانهها، طرح اختلاط بتن غلتکی باید به نحوی تعیین شود که بخش خمیری بتن فضای خالی بین ذرات ماسه را پر کرده و بخش ملات بتن (شامل ماسه و خمیر) بتواند به نحو مطلوبی فضاهای خالی بین مصالح سنگی درشت دانه را پر نماید.
مقاومت بتن سخت شده
در سدهای وزنی بتن غلتکی نیز مشابه با سدهای بتنی وزنی متعارف، پارامترهای مقاومتی ویژهای برای بتن نظیر مقاومت فشاری، مقاومت کششی، مقاومت برشی، و دوام بتن سخت شده با توجه به نیازهای طراحی و شرایط محیطی مدنظر هستند. مهمترین تفاوت در سدهای بتن غلتکی، رفتار و مقاومت مکانیکی کمتر درزهای اجرایی افقی بتن ریزی در مقایسه با جسم بتن غلتکی است که با توجه به تعداد زیاد این درزهای اجرایی در سدهای بتن غلتکی، معمولاً نیازهای سازهای (به خصوص مقاومت کششی و برشی) لازم برای درزهای اجرایی بتن ریزی به صورت جداگانه تعیین میشود. از آنجا که اکثر پارامترهای مقاومتی بتن را میتوان با توجه به روابط و تناسبات تجربی موجود بر مبنای مقدار مقاومت فشاری بتن تخمین یا تعیین نمود، و نیز با توجه به سهولت بیشتر آزمایشهای تعیین مقاومت فشاری، معمولاً پارامتر مقاومت فشاری بتن به عنوان یک الزام در مطالعه طرح اختلاط بتنهای غلتکی مد نظر قرار میگیرد.
پارامترهای مقاومتی بتن غلتکی به عواملی نظیر نسبتهای سیمان، پوزولان و آب، درصد تراکم، و کیفیت و دانه بندی سنگدانهها بستگی دارد. برای مخلوطهای بتن غلتکی با مواد سیمانی متوسط تا زیاد، همانند بتنهای معمولی، مقاومت فشاری بتن تابعی از نسبت آب به کل مواد سیمانی است. برای مخلوطهای خشک بتن غلتکی (بتن غلتکی با مواد سیمانی کم) که حجم خمیر بتن در آنها برای پرکردن فضاهای خالی بین سنگ دانهها کافی نیست، مقاومت بتن غلتکی، مشابه ضوابط مربوط به سدهای خاکی، به روابط چگالی رطوبت مخلوط بتن بستگی دارد.
معمولاً بارگذاری های اصلی در سدهای وزنی با یک فاصله زمانی قابل توجه (چند ماه) پس از بتن ریزی بخشهای مختلف بدنه سد محقق میشود. بر همین اساس انتخاب سن بتن برای تامین نیازهای سازهای (مقاومت بتن) در سدهای وزنی بتن غلتکی بستگی به نوع مخلوط (روند افزایش مقاومت مخلوط بتن طی زمان)، طول دوره اجرا، نحوه اعمال بارگذاری، و … دارد، لیکن با توجه به شرایط غالب سدهای وزنی بتن غلتکی، سن بتن برای تامین نیازهای سازهای عموماً حدود ۳ یا ۶ ماه در نظر گرفته میشود.
نفوذپذیری بتن غلتکی و درزهای اجرایی بتن ریزی
با توجه به نیازها و رویکرد طراحی بدنه سد، نفوذپذیری بتن غلتکی (و همچنین نفوذپذیری درزهای اجرایی افقی بتن ریزی) یکی از مهمترین الزاماتی است که در مطالعه طرح اختلاط مخلوطهای بتن غلتکی باید در نظر گرفته شود. در صورتی که مخلوط مناسبی برای تحقق و تامین این الزام تعیین نشود، نفوذپذیری بدنه سد، خصوصاً در درزهای اجرایی بتن ریزی به دلیل عدم چسبندگی مناسب بین لایهها، به نحو قابل توجهی افزایش یافته و ایمنی، کارایی، دوام، و شرایط ظاهری سد را کاملا متاثر و نامطلوب میسازد.
حرارت زایی مخلوط بتن تازه
در مطالعه و انتخاب مقادیر اجزای مخلوطهای بتن غلتکی برای سازههای حجیم نظیر سدها، پارامتر حرارت زایی مواد سیمانی نیز باید به عنوان یک الزام مد نظر قرار گیرد. برای به حداقل رساندن نرخ حرارت زایی بتن غلتکی لازم است نوع و مقدار سیمان و مواد پوزولانی از نقطه نظر حرارت زایی مورد ارزیابی قرار گرفته و مقدار مصرف مواد سیمانی در بتن به حداقل لازم برای دستیابی به مقاومت یا دوام مورد نیاز محدود شود. همچنین از طریق انتخاب دانه بندی و حداکثر ابعاد مناسب برای سنگدانههای مصرفی در بتن میتوان مقدار مواد سیمانی لازم و در نتیجه حرارت زایی مخلوط بتن تازه را تا اندازهای کاهش داد.
شرایط ساخت
تجهیزات ساخت و شرایط و امکانات دسترسی و محیطی ساختگاه از دیگر پارامترهایی هستند که در مطالعه و تعیین طرح اختلاط بتن باید مد نظر قرار گیرند. به عنوان مثال کیفیت منابع تامین سیمان و منابع قرضه سنگ دانه مختلف دردسترس، شرایط محیطی و آب و هوایی منطقه پروژه، کیفیت و موقعیت استقرار تجهیزات سنگ شکن و بچینگ، و … از جمله پارامترهایی هستند که در فرایند تهیه مصالح، و تولید و اجرای بتن موثر بوده و باید در نظر گرفته شوند.
تاثیر رویکرد طراحی در مبانی طرح اختلاط بتن
رویکرد طراحی سدهای وزنی بتن غلتکی تا حد زیادی متاثر از شرایط و نحوه اجرای سد است. با توجه به روش اجرای سدهای وزنی بتن غلتکی، تعداد زیادی درز اجرایی افقی بین لایههای نسبتاً نازک بتن ریزی در بدنه سد ایجاد میشوند. تعداد این درزها و نحوه آماده سازی و کنترل کیفی آنها تاثیر تعیین کنندهای در نفوذپذیری آنها و ایجاد و توسعه فشار برکنش در بدنه سد و همچنین مقاومت کششی و برشی (چسبندگی) درزهای اجرایی مذکور داشته و بر این اساس نحوه رفتار و پایداری کلی (و ابعاد لازم برای مقطع) بدنه سد تا حد زیادی متاثر از کیفیت و نحوه اجرای درزهای اجرایی افقی خواهد بود. بر اساس رویکردها و روشهای اجرایی مختلف سدهای وزنی بتن غلتکی که عموماً متاثر از روشهای اجرایی سدهای خاکی و سدهای بتنی وزنی متعارف هستند. روشها و مبانی طراحی سدهای وزنی بتن غلتکی را به طور کلی در غالب دو رویکرد مختلف زیر میتوان دسته بندی نمود.
رویکرد مبتنی بر طراحی همسان بدنه سد
در این رویکرد طراحی، کیفیت اجرا و طرح اختلاط بتن غلتکی و تمهیدات اجرایی و کنترل کیفی درزهای اجرایی افقی به نحوی در نظر گرفته میشود که جسم سد به طور یکپارچه نفوذناپذیر شود.
رویکرد مبتنی بر طراحی ناهمسان بدنه سد
در این رویکرد طراحی، مشابه با تکنیک طراحی سدهای خاکی با رویه بتنی، یک المان آب بند در رویه بالادست سد برای تامین آب بندی بدنه سد طراحی شده و ضوابط و تمهیدات طراحی و اجرایی بسیار ساده تری برای کیفیت اجرای بتن غلتکی (از بعد تراکم و نفوذپذیری) و تمهیدات آماده سازی درزهای اجرایی افقی لحاظ میشود. در این روش طراحی، عملاً جسم بدنه سد به صورت ناهمسان طراحی و اجرا میشود. حالت حدی این رویکرد طراحی منجر به طرح ایده طراحی سدهای خاک سیمان یا (Cemented Sand and Gravel) و سدهای (Face Symmetrical Hardfill Dam) گشته است.