طراحي بر اساس دوام سازه‌هاي بتني در سواحل جنوبي كشور

طراحي سازه‌هاي بتني مسلح، بدون در نظرگيري مسئله دوام و عملكرد آن، در درازمدت بويژه در مناطق با خورندگي شديد و شرايط محيطي مهاجم، خرابيهاي عظيمي را به بار آورده است. بيشتر روشهاي طراحي براساس مقاومت بتن به عنوان مشخصه اصلي پايه‌گذاري شده و بدون در نظر گرفتن شرايط محيطي كه بتن در آن قرار خواهد گرفت، طرحهاي نسبتاً يكساني ارائه شده است.

توجه به مسئله دوام بتن، در سالهاي اخير منجر به ارائه دستورالعملها و آيين‌نامه‌هايي شده است كه اغلب آنها به صورت توصيه‌اي با اعمال پاره‌اي محدوديتها مي‌باشد. در اكثر اين مشخصات و دستورالعملها مواردي چون محدوديتهاي كاربرد نسبت آب به سيمان در مخلوط بتن، در نظرگيري نوع و ميزان سيمان، ضخامت هاي پوشش بتن روي ميلگرد و غيره آورده شده و حتي به كيفيت بتن پوشش نيز اشاره‌اي نشده است. مسئله مهمتر اندازه‌گيري و كنترل اين مشخصات در عمل و اجراست كه جز در موارد خاص، مشكلاتي به همراه داشته و گاه توصيه‌هاي دوام را غيرمؤثر ساخته است.

در سالهاي اخير، روشهاي گوناگون طراحي بر اساس دوام كه مبتني بر بررسيهاي آماري و روشهاي حدي است، در دستور كار دست اندركاران بتن بوده و نتايجي نيز حاصل شده است. موارد مهمي كه در اين روشها در نظر گرفته مي‌شود، شامل مسائل محيطي و آثار محيط هاي خورنده، سازوكار و مدلهاي خرابي در سازه‌هاي بتني و بالاخره خواص مواد ومصالح در سازه ساخته شده است.

 

6-1- عوامل مؤثر بر دوام سازه‌هاي بتني در محيط دريايي

 

خرابي سازه‌هاي بتني مسلح در محيط‌هاي دريايي ، غالباً بر اثر نفوذ يونهاي كلريد از خارج به داخل بتن و رسيدن آن به ميزان لازم در سطح ميلگردها ، خوردگي آنها و ترك و ريختن بتن صورت مي‌پذيرد. با توجه به اينكه دوام بتن مسلح وابستگي به پوشش بتني روي ميلگرد به عنوان محافظ اصلي ميلگردها دارد، لذا مي‌توان عوامل تأثيرگذار بر دوام را مشخص‌تر نمود. اين عوامل عمدتاً شامل نوع بتن، ضخامت پوشش بتن روي ميلگرد، اجراي بتن و شدت عوامل محيطي است. نوع بتني كه براي حفاظت ميلگردها بكار مي‌رود، تأثير عمده‌اي بر دوام دارد، زيرا اين مصالح تشكيل دهنده است كه سرعت نفوذ يونهاي مخرب از پوشش بتني را كنترل مي‌‌كند. اغلب دستورالعملها و مشخصات، تاكنون، پديده نفوذ را يك پديده فيزيكي انگاشته و با كنترل نمودن مقاومت و رده بتن و گاه نفوذپذيري، دوام را در نظر گرفته‌اند، در حالي كه اين پديده توأم نفوذ و تركيب و انجام واكنشها را در مخلوطهاي مختلف بتني نشان مي‌دهد و پاره‌اي از مخلوطها و مواد داخل بتن نظير پوزولانها قدرت پيوند بيشتر با يونهاي كلريد را داشته و مقاومت به نفوذ آنها از سيمانهاي معمولي بيشتر است.

پوشش بتني مناسب و كافي و تأمين آن در عمل نيز از عوامل مهمي است كه مي‌تواند سبب افزايش دوام بتن در محيطهاي خورنده شود. براي ايجاد حفاظت كافي ميلگردها در محيط‌هاي دريايي و خورنده، ضخامت پوششهاي  50 تا 75  ميليمتر در اغلب آيين نامه‌ها توصيه شده است. ضخامت‌هاي كم پوشش حتي با بتن هاي با كيفيت مناسب مي‌تواند غير مطمئن بوده و درجه خطر پذيري را افزايش دهد، زيرا ايجاد ترك مي‌تواند راه عبور يونهاي مخرب را هموار سازد. همچنين تأمين ضخامت پوشش بيش از 75 ميليمتر بويژه در قطعات خمشي مي‌تواند سبب ايجاد و افزايش عرض تركها گردد و اغلب تأمين آن نيز عملي نيست.

اجراي نامناسب و ضعيف بتن بويژه در ارتباط با ريختن، تراكم و عمل آوري آن مي‌تواند مزاياي طراحي خوب و انتخاب مصالح مناسب را بي اثر سازد و دوام مورد نظر به هيچوجه تأمين نگردد.  نتايج عملي اجراي خوب و عمل‌آوري مناسب در بهبود خواص بتن پوشش و دوام سازه‌هاي بتني به اثبات رسيده است. البته پيشنهادهايي در مشخصات فني و بعضي آيين نامه‌ها براي كنترل مسائل اجرايي فوق در كارگاهها ارائه شده است، ولي هنوز سيستم نظارت كافي حين ساخت و روشهاي مناسب كنترل و تطبيق با مشخصات اعمال نمي‌گردد. عدم توانايي در كنترل و تأمين كيفيت مناسب بتن به طور مستمر، در عمل، دليل بارز ادامه روند خراببها در سازه‌هاي بتني و كاهش دوام آنها مي‌باشد.

از مسائل مهمي كه در طراحي بر اساس دوام يك سازه بتني بايد در نظر گرفته شود، شرايط محيطي است كه سازه در آن قرار مي گيرد. به علت تغييرات اين شرايط حتي در مقياس كوچك و به صورت موضعي خرابي مي‌تواند در بعضي از عناصر سازه بتني با سرعت بيشتري آغاز گردد. جهت قرارگيري و موقعيت سازه‌ و آثار رطوبتي و دما و نيز يونهاي مخرب موجود در جو، همگي در خرابي تأثير دارند. يك عضو سازه‌اي در مناطق ساحلي دريا مي‌تواند در حالتهاي كاملاً مغروق، تروخشك، پاشش و محيط خشك كنار ساحل در فواصل مختلف قرار گيرد و در نتيجه قسمتهاي مختلف عضو در مقابل خورندگي آب و محيط دريايي واكنشهاي مختلف نشان دهند.

در خصوص آثار محيطي، سالهاست كه در كشورهاي مختلف براي تعيين عوامل مؤثر در خرابي و تقسيم بندي نواحي و محيط تحقيقاتي صورت گرفته و در حال حاضر در پاره‌اي از دستورالعملها و آيين نامه‌ها تقسيم بندي فوق بر اساس شدت مسئله زوال و خوردگي در بتن و فولاد انجام گرفته است. در استاندارد اخير اروپا، بر اساس مكانيزم خرابي و شدت آن در بتن و فولاد موجود در بتن، طبقه بندي محيطي صورت گرفته و بر پايه خوردگي بر اثر يون كلريد به عنوان مهمترين نوع اثر محيطي و خرابي بتن بر اثر پديده‌هاي ديگر همچون حملات شيميايي، تقسيمات انجام شده است. با توجه به گستردگي و تغييرات شرايط محيطي دريايي هنوز يك سيستم تقسيم بندي محيطي جامع و منطقي كه بيانگر شدت عوامل محيطي و تأثير آن بر خوردگي است، لازم است تدوين گردد.

 

 

 

6-2- آزمايشهاي تعيين دوام

 

از آنجا كه نفوذ يونها و گازها و مايعات از سطح بتن به داخل آن مهمترين مشخصه تعيين دوام سازه‌هاي بتني در شرايط مختلف از جمله محيط هاي دريايي مي‌باشد، آزمايشها و روشهاي مختلفي براي اندازه‌گيري اين  انتقال ونفوذ در بتن ارائه شده است. پيچيدگي آزمايشها، وسائل و دستگاه‌هاي پيچيده و مدرن، اندازه گيريهاي مختلف و طولاني بودن آزمايشها، از مشكلات عمده اين روشها براي مدل كردن سازوكار نفوذ بوده است. با همه اطلاعات مفيدي كه از بعضي از اين روشها در آزمايشگاه و در تحقيقات به دست آمده است، در عمل، به علت محدوديتهاي نحوه آزمايش، هنوز اكثر آنها جايي باز نكرده‌اند.

دراندازه‌گيري نفوذپذيري و تعيين نشانه و ضريب دوام بايد آزمايش و يا آزمايشهاي پيشنهادي، نظير آزمايش تعيين مقاومت فشاري بتن، ساده و قابل اجرا در آزمايشگاه و گاه در محل ‌باشد. از خصوصيات ديگر اين روشهاي آزمايش مي‌توان به خواصي چون مربوط بودن آزمايش به مسائل نفوذ يونها و مايعات با پايه تئوريكي منطقي، سريع و ساده بودن و عدم نياز به مهارت‌هاي خاص، تكرارپذيري و انحراف معيار كم نتايج، آماده سازي حداقل آزمونه‌ها قبل از آزمايش و سادگي آن و بالاخره انجام شدن آن در سنين اوليه اشاره نمود.

از آزمايشهاي پيشنهادي تعيين نفوذ و نفوذپذيري، گروهي به جذب آب [1] و نفوذ آب تحت فشار[2] ، گروهي به نفوذ گازها و اكسيژن [3] و گروهي به نفوذ يا هدايت يون كلريد [4] در حالتهاي معمول و تسريع شده اختصاص يافته است. در همه اين آزمايشها مشخصه‌هاي فيزيكي و پارامترهاي لازم ، اغلب در كوتاه مدت براي اعمال مسئله دوام تعيين مي‌گردد. آزمايشهاي مستقيم دوام با روشهاي تسريع شده و درازمدت قدم بعدي است كه مي‌تواند به عنوان معيارها و نشانه‌هايي براي تخمين دوام و طراحي بر اساس دوام صورت پذيرد. به علت طولاني بودن زمان خرابيها در بتن، آزمايشهاي تسريع شده لازم مي‌باشد. معهذا از آنجا كه ممكن است سازوكار خرابي در آزمايشهاي تسريع شده و دراز مدت در شرايط واقعي تفاوتهايي داشته باشند، آزمايشهاي دراز مدت نيز ضروري است. با تجزيه و تحليل نتايج آزمايشهاي كوتاه مدت و آزمايشهاي دراز مدت مي‌توان ارتباط بين آنها را براي حالتهاي مختلف تعيين نمود و در طراحيهاي بعدي با آزمايشهاي كوتاه مدت، معيار دوام را در نظر گرفت.

 

6-3- دستورالعمل اعمال پارامتر دوام در طراحي سازه‌هاي بتني مسلح در كوتاه مدت

با توجه به ساخت و سازهاي روزافزون در مناطق جنوبي و حاشيه درياي عمان و خليج فارس و لزوم درنظرگيري دوام بتن، معيارهاي زير در كوتاه مدت لازم‌الاجراست. اين معيارها بر اساس در نظر گرفتن پارامتر مهم نفوذپذيري بتن در مقابل مايعات و يونهاي مخرب بويژه يون كلريد عنوان شده است. از آنجا كه پديده حاكم در اين مناطق، نفوذ يون كلريد و خوردگي ميلگرد است، اعمال اين معيارها مي‌تواند افزايش دوام سازه‌هاي بتني را به همراه داشته باشد. اساس انتخاب اين روشها و معيارهاي مربوطه كارهاي انجام شده در مناطق جنوبي كشور و نيز پيشنهادهاي ارائه شده در مشخصات فني و دستورالعمل هاي كشورهايي با شرايط مشابه و نزديك آب و هوايي منطقه مي‌باشد.

بايد خاطرنشان ساخت كه توصيه‌ها و معيارهاي عنوان شده در بخش اول آيين نامه بتن ايران (آبا) و بويژه در قسمت مربوط به “ بتن‌ريزي در مناطق ساحلي حاشيه خليج فارس و درياي عمان “  مورد استفاده بوده و توصيه و معيارهاي پيشنهادي در اين روش بدان اضافه ميگردد.

آزمايشهاي در نظر گرفته شده در اين روش، نسبتاً ساده و در زمان نسبتاً كوتاهي انجام مي‌شود. اين آزمايشها شامل آزمايش جذب آب بر اساس استاندارد (BS1881part122,1983) ، آزمايش نفوذ آب بر اساس استاندارد   (DIN 1048 part 5, 1991)  يا )‌(BS EN 12390-8: 2000  و آزمايش نفوذ سريع يون كلريد بر اساس استاندارد     (ASTMC1202, 1994) است. محدوديت‌هاي لازم كه لازم است به عنوان مشخصات بتن فوق از نظر نفوذپذيري اعمال گردد، در جدول زير آمده است.

 

 

 

 

جدول 6-1- مقادير مجاز آزمايش‌هاي نفوذپذيري بتن مسلح براي اعمال دوام در شرايط محيطي منطقه( طبق جدول3-1 )

 

محدوده مجاز آزمايش
شرايط D,E,F شرايط C,B شرايط A
 

حداكثر 2 درصد

 

 

 

حداكثر 10 ميليمتر

 

 

 

حداكثر 2000 كلمب

 

حداكثر 3 درصد

 

 

 

حداكثر 30 ميليمتر

 

 

 

حداكثر 3000 كلمب

 

حداكثر 4 درصد

 

 

 

حداكثر 50 ميليمتر

 

 

 

حداكثر 3000 كلمب

1 – جذب آب  نيم‌ساعته (در سن 28 روز)

Water absorption test

BS 1881,part122,1983

 

2- نفوذ آب (در سن 28 روز)

Depth of Penetration of water under pressure

BS EN 12390-8: 2000

DIN 1048 , Part 5, 1991

 

3-نفوذ كلريد (در سن 28 روز)

Rapid chloride penetration test

ASTM C 1202, 1994

 

  • آزمايشهاي فوق در بمنظور ارزيابي در كوتاه‌مدت بكار مي‌رود. مسلماً انجام آزمايش‌هاي فوق در درازمدت قابليت اعتماد بيشتري دارد.
  • انجام آزمايشهاي شماره 1 و 2 (جذب آب و نفوذ آب) براي كليه پروژه‌هاي حاشيه خليج فارس و درياي عمان الزامي مي‌باشد..
  • آزمايش شمارة 3  (نفوذ كلريد) براي تمام سازه‌هاي دريايي كه در معرض مستقيم آب دريا  ساير و سازه‌هايي كه تا فاصلة 500 متر  از حاشية ساحل قرار دارند، اكيداًُ توصيه مي‌گردد.

 

6-4- توصيه طراحي بر اساس دوام در بلند مدت

 

براي طراحي بر اساس دوام سازه‌هاي بتني مسلح در مناطق خورنده بويژه سواحل جنوبي كشور، بايد مقاومت در مقابل نفوذ يون كلريد براي پوشش بتني روي ميلگرد به صورت كمي تعيين گردد. اين نفوذ عمدتاً در مقابل يون كلريد خواهد بود و آغاز خوردگي زماني است كه يون كلريد به ميزان آستانه خوردگي در سطح ميلگرد رسيده باشد. در پاره‌اي از طراحي‌ها، زمان ثانويه‌اي كه به ميزان خوردگي ميلگرد و پيشرفت آن تا ترك خوردگي و جدايي بتن از ميلگرد، اطلاق مي‌شود در نظر گرفته شده است. عمر مفيد مي‌تواند به زمان اوليه آغاز خوردگي و يا مجموع زمان اوليه و ثانويه ارتباط داده شود.

براي پيش بيني و تعيين نفوذ يون كلريد و مشخص كردن ميزان آن از قانون دوم فيك استفاده مي‌شود :

در اين رابطه Cx ميزان يون كلريد در عمق x در زمان t، Cs ميزان يون كلريد درسطح بتن، Dc ضريب نفوذ، x عمق از سطح ، t زمان و erf  تابع خطاست.

با توجه به تغييرات ضريب نفوذ Dc در كوتاه‌مدت و بلند‌مدت، لازم است در كاربرد آن مسئله زمان را در نظر گرفت. با اعمال ضريب كاهشي Dc مؤثر درمعادله فوق مي‌توان اثر زمان در تغييرات Dc را در نظر گرفت. براي اعمال روش فوق و تعيين آغاز زمان خوردگي، لازم است مراحل زير انجام گردد.

 

الف طبقه بندي شرايط محيطي

ارزيابي دقيق شرايط محيطي و شدت عوامل مؤثر امري حياتي است تا بتوان مواد و مصالح و بتن با دوام كافي براي شرايط فوق را مشخص نمود. در دستورالعملهاي مختلف شرايط محيطي دريايي از ديدگاه اثر بر سازه‌هاي بتني به صور مختلف تعريف و مشخص شده است. در يكي از اين دسته‌بنديها، ناحيه جزرومدي و پاشش و ناحيه‌اي كه كلريد مي‌تواند به سطح بتن در منطقه ساحلي برسد، از يكديگر جدا شده و ناحيه دريايي به چهار بخش ملايم، شديد، خيلي شديد و فوق‌العاده شديد تقسيم‌بندي شده است. براي كمي كردن شرايط محيطي و در معرض بودن سازه‌ مي‌توان از تجربيات گذشته و سازه‌هاي موجود و نيز قضاوت مهندسي بهره جست.

 

ب- ملزومات حين بهره برداري

قبل از آغاز طراحي، نيازهاي بهره‌‌برداري و سازه‌اي بايستي مشخص گردند. نياز‌هاي بهره‌برداري و سازه‌اي مي‌تواند شامل عمر مفيد لازم براي سازه و احتمال تعمير و شيوه تعمير باشد. ملاحظات سازه‌اي نيز شامل نوع و حداقل رده بتن، ضخامت پوشش و محدوديت عرض ترك و پايداري ابعادي نظير پتانسيل جمع‌شدگي و خزش و خطر ترك‌خوردگي در بلند مدت مي‌شود.

 

ج- انتخاب مواد و مصالح بتن

براي انتخاب مواد و مصالح و ساخت بتن و تعيين مشخصه آن مي‌توان با آزمايش‌هايي كوتاه‌مدت مقاومت پوشش بتني در مقابل نفوذ يونهاي مهاجم را به دست آورد. اين آزمايشها مي‌تواند شامل آزمايشهاي جذب آب، نفوذ آب و نفوذ و هدايت يون كلريد باشد. نتايج آزمايشهاي نفوذ و هدايت يون كلريد مي‌تواند به منظور مقايسه بتن‌ها و يا پيش‌بيني ضرايب نفوذ بلندمدت بتن، در محيط‌هاي خورنده به كار رود. با بررسي ضرايب نفوذ در شرايط واقعي و بر‌روي سازه‌هاي موجود مي‌توان ارتباط بين نتايج آزمايشهاي كوتاه مدت و 28 روزه را با نتايج آزمايشهاي بلند مدت، تعيين و بدين ترتيب از ضرايب به دست آمده در بلند مدت، در طراحي‌ها استفاده نمود.

 

د- پيش‌بيني ميزان يون كلريد در سطح

براي تعيين ميزان يون كلريد در عمق‌هاي مختلف بتن، از معادله نفوذ لازم است ميزان كلريد در سطح تعيين شود. مقدار كلريد در سطح نيز بستگي به نوع بتن و شرايط محيطي و محل قرارگيري سازه در مجاورت دريا دارد. همچنين ميزان كلريد سطحي با زمان داراي تغييراتي است. مقدار كلريد سطحي را مي‌توان از روي نمونه‌هاي آزمايشي در محل و نيز سازه‌هاي موجود به دست آورد و پس از اصلاحات لازم براي بتن‌هاي مختلف در منطقه فوق به كار برد. با مشخص شدن ميزان كلريد در سطح Cs  و ضريب نفوذ Dc  مي‌توان ميزان كلريد در عمق هاي مختلف بتن (Cx) را بدست آورد.

 

ه- تخمين زمان آغاز خوردگي

با تعيين ميزان يون كلريد در سطح ميلگردها و رسيدن آن به ميزان آستانه خوردگي يا مقدار بحراني، خوردگي آغاز مي‌شود. اين ميزان براي كليه بتن‌ها و شرايط محيطي، عدد واحدي نبوده و به عوامل متعددي نظير نوع و مقدار سيمان و مواد مكمل سيمان، تخلخل و ريز ساختار بتن، دما و رطوبت بتن، سطح فولاد و قليائيت آب حفره‌اي بستگي دارد. به طور متوسط،  فعاليت و آغاز خوردگي در مقادير حدود 4/0 درصد كلريد محلول در آب نسبت به وزن سيمان گزارش شده است و ميزان خوردگي بيشتر در مقادير كلريد بالاتر نيز به دست آمده است.

روش فوق به عنوان مدل پيش‌بيني عمر مفيد سازه‌هاي بتني مسلح درمعرض يون كلريد در كشورهاي  مختلف در حال بررسي و يا كاربرد مي‌باشد كه از جمله روش پيشنهادي تحت نام (Life 365)  در آمريكا و كانادا و روش مبتني بر احتمالات و قابليت اعتماد در اروپا را مي‌توان نام برد. در كشور ما نيز گامهاي اوليه براي ارائه چنين مدل‌هايي براساس يكسري آزمايشهاي واقعي برداشته شده است.

براي معتبر نمودن مدلهاي فوق و كاربرد آن در طراحي، لازم است علاوه بر نتايج آزمايشهاي آزمايشگاهي در كوتاه‌مدت، آزمايش روي آزمونه‌هاي در محل در دراز مدت و نيز آزمايش و بررسي سازه‌هاي بتني موجود در محل انجام گيرد و نتايج، مقايسه و تجزيه و تحليل شوند.

در حال حاضر، با آغاز تحقيقات بلند‌مدت در اين زمينه و جمع‌آوري داده‌ها مي‌توان مدلهاي تقريبي ابتدايي را در محيط‌هاي مشخص كار شده،  ارائه نمود و به طور موقت در پروژه‌هاي خاص مورد استفاده قرار داد.