بتن پلاستیکی (بتن بنتونیتی)
بتن پلاستیک بتنی با مقاومت بسیار کمتر از بتن معمولی، شکل پذیری زیاد و نفوذپذیری پایین است. در زمینهای آبرفتی با خاک ضعیف که لازم است دیوار آب بند انعطاف پذیر باشد و نیز مقاومت کافی جهت تحمل تنشهای ناشی از بارگذاری سد را داشته و همچنین تراوش از زیر پی سد را کنترل کند بتن پلاستیک مصالح مناسبی است. بتن پلاستیک به منظور افزایش شکل پذیری، کاهش نفوذپذیری و عدم نیاز به مقاومت بالا از اختلاط آب، سیمان، شن و ماسه و بنتونیت به دست میآید.
بنتونیت
بنتونیت نوعی رس است که خمیری بودن و نفوذ ناپذیر بودن بتن پلاستیک را تضمین میکند. به عنوان عامل ایجاد کننده شکل پذیری مناسب، پایدار کننده بتن پلاستیک تازه، از جهت چسبندگی در مقابله با جداشدگی دانههای سنگی در بتن به کار میرود.
خصوصیات بنتونیت
- با استفاده از بنتونیت مناسب دوغاب بنتونیت تهیه میشود. نقش این ماده در بتن پلاستیک معلق نگهداشتن ذرات سیمان، شن و ماسه در هنگام اجرای عملیات و همچنین افزایش شکل پذیری و پایین نگهداشتن میزان نفوذ پذیری است.
- برای تأمین قابلیت انعطاف پذیری بالا در بتن پلاستیک از آب بیشتری در طرح اختلاط استفاده میشود. این مسئله باعث غیر پایداری بتن تازه (جداشدگی سنگدانهها از سیمان) میشود.
- بنتونیت (یک عامل پایدار ساز) اضافه میشود تا ضمن یکنواخت کردن بتن تازه، شکل پذیری نهایی آن را افزایش داده و نفوذ پذیری بتن را در حد مطلوبی نگهداری کند تا بتوان از آن در دیوارهای آب بند استفاده نمود.
- بنتونیت باعث جدا شدن اجزاء تشکیل دهنده بتن پلاشتیک شده و در نتیجه دانههای ذرات پس از جداشدن از هم بهتر آب جذب می نمایند. علاوه بر آن مخلوط یک دست تر و عمل آوری آن مناسبتر میشود.
- لازم بذکر است در صورت استفاده از بنتونیت با کیفیت بالا از دوغاب ۲ تا ۱۲درصد و در صورت استفاده از بنتونیت با کیفیت پایین باید از دوغابهای ۱۲ تا ۲۵ درصد استفاده شود.
کاربرد بتن پلاستیک
- کنترل تراوش در زیر سد
- ایجاد دیوار آب بند حول یک ساختگاه و تخلیه آب از محل گود برداری برای ساخت سازه مورد نظر
- جلوگیری از پخش شدن مواد آلوده (فاضلابهای صنعتی، هرزه آب ها و …) در آبهای زیر زمینی
- در پیرامون ساختگاه، به عنوان یک عامل مناسب میراکننده ارتعاشات مکانیکی یک پروژه
- استفاده به عنوان قسمتی از دیواره حفاظت گود
- استفاده در سازههای زیرزمینی موقت که قرار است بعداً تخریب شود، مثلاً محل ورودی تونل به داخل ایستگاه مترو
طرح اختلاط بتن پلاستیک
در طرح اختلاط بتن پلاستیک بدلیل وجود بنتونیت هر گونه تغییر در اندازه بکارگیری آن باعث تحت تأثیر قرار دادن مقاومت فشاری، شکل پذیری و نفوذپذیری بتن پلاستیک خواهد شد. از این رو در طرح اختلاط بتن پلاستیک باید دقت بیشتری نسبت به بتن سازهای بعمل آورد.
باید به این نکته نیز توجه کرد که انتخاب مصالح لازم جهت بتن پلاستیک به عوامل دیگری مثل میزان نفوذ پذیری و شرایط ساختگاه و در دسترس بودن مصالح در محل و همچنین جنبههای اقتصادی طرح بستگی دارد که همواره در بدست آوردن یک طرح اختلاط مناسب باید لحاظ شده و مورد توجه قرار بگیرند.
بتن پلاستیک از مواد زیر ساخته میشوند.
دوغاب بنتونیت
نقش این ماده معلق نگهداشتن ذرات سیمان، شن و ماسه به هنگام اجرای عملیات، افزایش شکل پذیری و پایین نگهداشتن میزان نفو ذپذیری است. برای تأمین قابلیت انعطاف پذیری بالا در بتن پلاستیک از آب بیشتری در طرح اختلاط استفاده میکنند. این مسأله باعث غیر پایداری بتن تازه (جداشدگی سنگدانهها از سیمان) میشود. بنتونیت بعنوان یک عامل پایدار ساز اضافه میشود تا ضمن یکنواخت کردن بتن تازه، شکل پذیری نهایی آنرا افزایش داده و نفوذ پذیری بتن را در حد مطلوبی نگهدارد تا بتوان از آن استفاده نمود. بنتونیت سبب جداسازی اجزای تشکیل دهنده بتن پلاستیک شده و در نتیجه دانهها و ذرات پس از جداشدن بهتر آب جذب مینمایند. علاوه بر آن مخلوط یک دست تر و عمل آوری مناسبتری دارد. در صورت بالا بودن کیفیت بنتونیت از دوغابهای ۲ تا ۱۲ درصد و در صورت پایین بودن کیفیت آن از دوغاب های ۱۲ تا ۲۵ درصد استفاده میشود.
سیمان
سیمان عامل پیوند دهنده اجزاء بتن پلاستیک است. در صورتی که مقدار بنتونیت استفاده شده در طرح اختلاط کم باشد مقداری از سیمان ته نشین میشود و در صورتیکه بنتونیت مصرفی زیاد باشد باعث غیر اقتصادی شدن طرح شده و کارکردن با بتن را نیز مشکل میکند بنابراین در یک طرح اختلاط مناسب مقدار سیمان کم در نظر گرفته میشود تا هیچگونه ته نشینی بوجود نیاید. در نسبتهای کم، با توجه به نوع سیمان چسبندگی و مقاومت مکانیکی بتن پلاستیک تضمین میشود. افزودن مقدار سیمان باعث افزایش مقاومت فشاری، گرادیان هیدرولیکی بحرانی و کاهش نفوذپذیری بتن پلاستیک میشود.
سنگدانهها
حدود ۵۰ % از حجم نهایی بتن را تشکیل میدهند. این میزان حجم شن و ماسه مانع به هم چسبیدن پیوسته ذرات و در نتیجه باعث کاهش تغییر شکل پذیری آن میشود. هر چه سنگدانهها درشتتر و سختی آنها بیشتر باشد، مقاومت بتن پلاستیک بالا میرود. حداکثر اندازه درشت دانه معمولاً به ۲۰ میلیمتر محدود میشود. منحنی دانه بندی باید پیوسته بوده و درصد مواد ریزدانه نباید زیاد باشد. چنانچه مواد ریزدانه کلوئیدی زیاد باشد در آن صورت مقدار بنتونیت را باید کاهش داد.
مواد افزودنی
مواد افزودنی عامل کارایی و عمل آوری بهتر هنگام ساخت و اجرا هستند. مواد افزودنی به جهت کاهش زمان گیرش، تأخیر در زمان گیرش و همچنین در مواردی جهت کاهش ترک خوردگی مورد استفاده قرار میگیرند.
خصوصیات بتن پلاستیکی
کارایی بتن پلاستیکی
بتن پلاستیک باید کارایی و روانی بالایی داشته باشد تا بتن تازهای که از طریق لوله تر میوارد ترانشه حفاری میشود براحتی بتواند در داخل بتنی که قبلاً ریخته شده است جریان پیدا کرده و آنرا توسط فشار و حرکت خود به بالا براند. کارایی بالا از مهمترین ویژگیهای یک بتن پلاستیک خوب است ولی از طرف دیگر این بتن نباید تحت جدا شدگی دانهها قرار گیرد. با محدود کردن ماکزیمم اندازه سنگدانه، استفاده از مصالح گرد گرشه و ایجاد حبابهای هوا میتوان کارایی بتن را بالا برد. معیار ساده جهت کنترل کارایی بتن پلاستیک اندازه گیری اسلامپ آن است که باید بین ۱۰ تا ۲۰ سانتیمتر باشد.
تغییر شکل پذیری
تغییر شکلهای عمدهای که بر دیوار آب بند وارد میشود شامل موارد زیر است.
- تغییر شکلهای ناشی از نشست سد تحت اثر وزن خودش.
- تغیر شکلهای ناشی از نشست و خیز بستر پی سد.
- تغییر شکلهای قائم و افقی بخاطر بارهای اعمالی هنگام اجرا (بسته به روش ساخت) و بارهای اعمالی در طول زمان بهره برداری (بارهای ناشی از اولین آبگیری مخزن و سپس بارهای متناوب مربوط به استفاده از مخزن)
- تغییر شکلهای قائم و افقی ناشی از بارهای زلزله، انفجار و بارهای وارده از خاک پیرامون دیوار آب بند.
با توجه به تغییر شکلهای تحمیلی فوق دیوار آب بند باید قادر باشد بدون برداشتن ترک، بازشدگی درزههای بین پانلها و یا به هر طریق کاهش آب بندی تغییر شکلهای وارده را تحمل کند.
برای این منظور مصالحی لازم است که بتواند تغییر شکل های وارده را بدون شکست تحمل کند. بهترین راه حل انتخاب مصالحی است که خصوصیات شکل پذیری آن بسیار مشابه خاک اطراف باشد.
نفوذپذیری
هدف اصلی از ساخت دیوار آب بند کاهش تراوش در یک ساختگاه سد است. نفوذ پذیری کلی یک دیوار آب بند به خصوصیات ذاتی مصالح تشکیل دهنده (بتن معمولی، بتن پلاستیک و … )، ناپیوستگیها (ترک، بازشدن درزها) و نحوه اتصال به لایه با نفوذپذیری پایین (یا سنگ کف) بستگی دارد.
عوامل مؤثر بر نفوذپذیری بتن پلاستیک
- نسبت سیمان به آب (C/W) : با افزایش نسبت سیمان به آب نفوذپذیری کاهش مییابد.
- میزان عامل کلوییدی : برای نسبت سیمان به آب ثابت یک افزایش در نسبت بنتونیت ضریب نفوذپذیری را حداقل ۱۰ برابر افزایش میدهد.
- تاثیر نسبت مواد مضاف : افزایش نسبت مواد مضاف همیشه منجر به کاهش نفوذپذیری میشود.
- سنگدانهها : در عمل اضافه کردن سنگدانهها تاثیری بر نفوذپذیری ندارد.
- خشک شدن : از دست دادن آب باعث تغلیظ بنتونیت و سیمان شده و نفوذپذیری کاهش مییابد.
مقاومت سایشی
بتن پلاستیک باید در مقابل سایش مقاوم باشد. مقاومت سایشی با مقاومت فشاری رابطه مستقیم دارد. هر چه مقاومت فشاری بیشتر باشد، مقاومت سایشی نیز بیشتر میشود.
دوام
دوام بتن پلاستیک به دو عامل مقاومت و آببندی بستگی دارد. مقاومت بتن پلاستیک مانند بتن معمولی با زمان افزایش پیدا میکند. نفوذپذیری با گذشت زمان تمایل به کم شدن دارد. این پدیده احتمالاً به علت گرفتن منافذ توسط مواد ریزدانه خاک است.
ویژگیها و کاربرد بتن پلاستیک در سدها (بتن بنتونتی)
فرار آب ذخیره شده در پشت سدهای خاکی از طریق پی سد در صورتی که کنترل مناسب وجود نداشته باشد میتواند باعث بروز مشکلات جدی برای سد شود. بیشترین مشکل ناشی از افزایش گرادیان خروجی آب بوده است که سبب شناوری ذرات خاک در پاشنه سد و در نتیجه آغاز حرکت ذرات خاک میشود. برای کنترل تراوش از پی سد روشهایی برای کاهش تراوش آب به کار میبرند. یکی از روشهای کاهش تراوش از پی حفر ترانشه در پی سد و پر کردن آن با مصالح بتن پلاستیک است.
بتن پلاستیک مصالحی است با مقاومت پایین (کمتر از بتن معمولی) و دارای شکل پذیری بیشتر از بتن معمولی است. معمولاً در بتن پلاستیک از نسبتهای سیمان به آب پایین استفاده میشود. بتن پلاستیک علاوه بر تغییر شکل پذیری بالا و نفوذ پذیری کم از مقاومت برشی متناسب با فشار اعمالی برخوردار است.
کنترل تراوش از زیر پی سدها به روشهای مختلفی صورت میگیرد. جنس لایههای زمین در محل پی سد ، میزان اهمیت سد و تکنولوژی اجرایی قابل دسترسی از جمله عوامل مؤثر در انتخاب روش کنترل تراوش هستند. پرده تزریق، آب بند سپری، پوشش بالادست و دیوار آب بند از روشهای اصلی و متداول کنترل تراوش از پی سدها هستند. دیوارهای آب بند دارای خصوصیات انعطاف پذیری بالا، نفوذپذیری کم و مقاومت فشاری متناسب با فشار اعمالی بوده و از این رو در مناطقی که پی سست، ضعیف و نفو ذپذیری بالایی دارند بکار میروند.
مراحل ساخت دیوارهای آب بند شامل احداث دیوار راهنما و سکوی کار، حفاری ترانشه، اضافه کردن گل حفاری جهت پایداری دیوارهها و در نهایت پرکردن آن با مصالح مناسب است. این مصالح پر کننده میتواند سنگدانههای مخلوط شده با گل بنتونیت، مخلوط سیمان و بنتونیت به صورت گل روان و یا بتن پلاستیک باشد.
نحوه ساخت بتن پلاستیک
آزمایشات نشان دادهاند که نحوه تولید بتن پلاستیک در خصوصیات آن تاثیر زیادی دارد. ساخت بتن پلاستیک در بچینگ ویژهای صورت میگیرد. بچینگ مورد نظر شامل تجهیزات زیر است.
- سیلوهای ذخیره جداگانه سیمان و بنتونیت
- میکسر مخلوط کننده پودر بنتونیت و آب
- حوضچه ذخیره دوغاب بنتونیت
- سیستمهای پیمانه کردن، وزن کردن، مخلوط کردن، پمپها، لولهها و …
برای تولید بتن پلاستیک، ابتدا بنتونیت به آب در حال دوران سریع در میکسر اضافه شده و مخلوط بین ۳ الی ۵ دقیقه با سرعت بهم زده میشود. آنگاه مخلوط بدست آمده به مدت حداقل ۲۴ ساعت در مخزن ذخیره دوغاب نگهداری میشود تا جذب آب و تورم بنتونیت بخوبی صورت گیرد. در این مدت نیز مخلوط مرتباً هم زده میشود. سپس سیمان به دوغاب بنتونیت اضافه شده و در نهایت سنگدانهها به مخلوط اضافه میشوند.
کنترل کیفیت بتن پلاستیک
کیفیت بتن پلاستیک ساخته شده به خاطر نقشی که این مصالح ایفا میکنند از اهمیت ویژهای برخوردار است. به این دلیل خصوصیات مصالح مورد نیاز برای ساخت بتن، ویژگیهای بتن پلاستیک تازه و در نهایت بتن پلاستیک سخت شده باید دقیقاً مورد کنترل قرار گیرد.