تحقیق بتن نفوذ پذیر یا متخلخل

                 بتن نفوذ پذیر یا متخلخل

هدف این کار بررسی وضعیت دانش مربوط به روسازی‌¬های بتنی تراوا (PCPs) و تسهیل تلاش‌¬ها برای افزایش عملکرد کلی آنها و به حداکثر رساندن مزایای زیست¬ محیطی آنها است. بر اساس مرورهای اخیر، این کار خلاصه‌ای از مزایای کلیدی زیست‌محیطی PCPها را از نظر کاهش روان آب طوفان، بهبود کیفیت آب زیرزمینی، کاهش اثر جزیره گرما، کاهش صدای ترافیک و بهبود مقاومت در برابر لغزش ارائه می‌کند.

عملکرد هیدرولیکی PCP ها با طراحی مخلوط، طراحی روسازی، عمل ساخت و ساز و محیط، تعیین می‌شود. به¬ طور¬کلی، بهینه‌سازی همزمان خواص مکانیکی و دوام و عملکرد نفوذ PCPها دشوار است. برای کمک به بهبود دوام PCPها بدون افزایش قابل‌توجه نیازهای نگهداری آن یا قربانی کردن خواص نفوذ آن، باید فناوری¬‌های جدیدی توسعه یابند. آسیب انجماد/ ذوب، اثرات یخ زدا، و پدیده گرفتگی همچنان مشکلاتی را برای اجرای PCP ایجاد می‌کند. دوام PCPها در آب و هوای سرد تحت¬‌تأثیر عوامل بسیاری است و می¬‌توان در بسیاری از مراحل چرخه عمر آن پیشرفت-‌هایی حاصل کرد. چالش‌ها در خصوصیات کمی مواد بتن تراوا و ایجاد روابط کمی بین ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی و عملکرد بتن نفوذپذیر باقی می‌ماند.

انتظار می‌رود مدل‌سازی و خصوصیات پیشرفته، تا حد زیادی باعث پیشرفت فناوری PCP شود. این بررسی همچنین نگاهی به آینده ارائه می ¬دهد، به‌¬عنوان مثال، برخی از حوزه¬ های تحقیقاتی نوظهور (مانند علوم نانو و مهندسی نانو) وجود دارد که ممکن است به رفع چالش¬ های دوام یا افزایش بیشتر مزایای زیست محیطی PCPها کمک کند.

روسازی¬‌های بتنی تراوا (PCPs) به‌طور فزاینده¬ای به‌¬عنوان یک ابزار توسعه کم تاثیر (LID) مورد استفاده قرار گرفته‌¬اند که به مدیریت اثرات ساخت¬ و¬ ساز زیرساخت و عملیات بر محیط طبیعی کمک  می‌کند. به¬‌عنوان یک راه حل زیرساخت سبز، PCP می¬‌تواند برای تکمیل یا جایگزینی زیرساخت¬‌های خاکستری معمولی، به¬‌ویژه برای جاده¬‌ها و سطوح پارکینگ با سرعت کم، سبک و کم تردد کامیون استفاده شود. همچنین به¬عنوان روسازی¬‌های بتنی نفوذپذیر نیز نامیده می‌¬شود، PCPها به‌¬عنوان نوعی روسازی بتنی تعریف می‌شوند که دارای یک شبکه باز از منافذ است تا امکان نفوذ آب طوفان را از طریق روسازی به لایه های پایه/ زیر پایه ایجاد کند.

یک PCP معمولی می¬‌تواند دارای طیف وسیعی از خواص باشد، به‌عنوان مثال، حفره¬‌های هوای موثر از حدود 15 تا 30 درصد، نفوذپذیری از 20 تا 500 متر در روز، و مقاومت فشاری از 5/5 تا 20/5مگاپاسکال.

نکته¬‌ای که باید به آن اشاره شود این است که اگرچه مطالعات بسیاری از مقاومت فشاری به‌¬عنوان یکی از خواص برای ارزیابی عملکرد مکانیکی استفاده کرده‌¬اند، امّا تاکنون ASTM روش تست استانداردی را برای مقاومت فشاری بتن متخلخل به دلیل عوارض ناشی از ماهیت طبیعی متخلخل بودن آن منتشر نکرده است. در مطالعات قبلی، اکثر آزمایش‌های مقاومت فشاری بر اساس استاندارد ASTM برای بتن معمولی (ASTM C39) اعمال می‌شد. PCPها می¬‌توانند به¬‌طور قابل‌¬توجهی برای محیط زیست در محیط‌های شهری مفید باشند. آنها می¬‌توانند به کاهش مقدار روان‌آب طوفان و بهبود کیفیت آب با توجه به کل مواد جامد معلق، فسفر، نیتروژن و فلزات منجر شوند، علاوه بر این، مشکل صدای ترافیک و اثر جزیره گرمایی را می¬توان به طور همزمان کاهش داد.

در مقایسه با روسازی¬‌های بتنی معمولی یا روسازی¬‌های بتنی فشرده غلتکی، فرآیند ساخت و خواص PCPها از نظر مواد، روش‌های ساخت¬ و ساز و تجهیزات، به¬‌ویژه از دیدگاه اقتصادی و زیست¬ محیطی کاملاً متفاوت است.

همانطور که شناخته شده است، تولید سیمان یک فرآیند انرژی‌بر است که نقش قابل‌توجهی در انتشار گازهای گلخانه‌ای و CO2  دارد. نسبت به روسازی‌های بتنی معمولی، PCPها منجر به کاهش قابل‌توجهی در مصرف سیمان می‌شوند و بنابراین ردپای بار منفی زیست محیطی مرتبط را، کاهش می‌دهند.

نتایج ارزیابی چرخه عمر نشان می¬دهد که مجموع انتشار CO از بتن سنگین حدود 903 کیلوگرم معادل CO2 در هر متر است. در حالی که انتشار CO از بتن عبوری تنها حدود 19/5 کیلوگرم معادل CO در هر متر است، یعنی حدود 2 درصد از تولید بتن معمولی. در این محاسبه، مواد، حمل و نقل، تولید/ساخت بتن سنگین در هر متر معادل 886/1، 14/6 و 2/3 کیلوگرم CO2 است. با این حال، برای بتن قبلی، داده¬ها به ترتیب تنها 18/9، 0/3 و 0/3 هستند.

اگرچه PCPها می¬توانند مزایای امیدوارکننده¬ای را برای محیط¬های ساخته شده و طبیعی به ارمغان بیاورند، مسائلی که کارایی طولانی مدت PCPها را تهدید می¬کند، از جمله مشکلات دوام و گرفتگی، به عنوان موانع اصلی برای کاربرد گسترده PCPها باقیمانده است.

برخی از عوامل برجسته عبارتند از: شکست زودرس یا زوال PCPها با قرار گرفتن در معرض حملات شیمیایی و فیزیکی. گرفتگی PCPها از شن و ماسه کششی اعمال شده در طوفان¬‌های زمستانی، رسوبات موجود در آب طوفان از زمین‌¬های مجاور، یا منافذ فرو ریخته شده از ترافیک وسایل نقلیه ناشی می¬‌شود و غیره. اینها عوامل مهمی هستند که باید در طراحی، ساخت ، حفظ و نگهداری PCPهای آینده در نظر گرفته شوند.

تاریخچه بتن نفوذ پذیر

بتن نفوذ پذیر برای اولین بار در دهه 1800 در اروپا تولید و مورد استفاده قرار گرفت.این نوع بتن در آن زمان برای اهداف ساختاری مختلف از جمله ساخت دیوارهای باربر،پانل های پرکننده و روسازی سطوح استفاده شد.بتن تراوا پس از جنگ جهانی دوم به دلیل کمیاب بودن سیمان دوباره در خارج از کشور محبوب شد.

ساخت و استفاده از این نوع بتن یک نوآوری جدید نبود و نسل قبلی بتن تنها پنجاه سال پیش از این تاریخ در ایالات متحده اجرا شده بوداین مفهوم در دهه 1960 به امید کاهش سیل،افزایش سطح آب و پر کردن سفره های زیرزمینی پیشنهاد شد.درحالی که یک دهه بعد آژانس حفاظت از محیط زیست (EPA) آزمایش آن را برای تعیین هزینه و کارایی این نوع بتن آغاز کرد.این آزمایش ها در محل های مختلفی از جمله پنسیلوانیا و تگزاس انجام شد و تگزاس مهمترین مکانی بود که نظارت بر استفاده از این نوع بتن را مورد توجه جدی قرار داد.بتن تراوا در حال حاضر در نقاط مختلف جهان استفاده می شود و تعداد کاربردهای آن در ده سال گذشته به شدت افزایش یافته است.از راهروها و پیاده روها گرفته تا فضاهای تجاری و چند هکتاری را می توان با این نوع بتن روسازی کرد.

ویژگی های بتن نفوذ پذیر

خواص و ویژگی های مکانیکی و فیزیکی بتن  نفوذ پذیر را می توان شامل موارد ذیل دانست:

مقاومت فشاری بتن نفوذ پذیر 

از آنجایی که بتن نفوذ پذیر  حاوی درصد بالایی از حفره ها است،مقدار مقاومت فشاری آن به طور کلی کم است و مقاومت فشاری آن بین 3.5 مگاپاسکال و 28 مگاپاسکال متغیر می باشد.با این حال،این مقادیر کم را می توان با افزودن برخی مواد افزودنی به مخلوط بتن افزایش داد.بین مقاومت فشاری بتن عبوری یا متخلخل و نسبت فضای خالی آن رابطه معکوس وجود دارد.

حفره های این نوع بتن و وزن واحد حجم آن

بتن عبوری یا متخلخل از حفره های بزرگ به هم پیوسته با ابعاد بین 2 تا 8 میلی متر تشکیل شده است.این شکاف یا حفره ها متاثر از نسبت مخلوط مورد استفاده،نوع سنگدانه و درجه تراکم بتن هستند.به طور کلی،نسبت فضای خالی در بتن عبوری بین 15 تا 35 درصد متغیر است.تخلخل زیاد بتن عبوری به طور قابل توجهی مقاومت و وزن واحد حجمی آن را کاهش می دهد.

نفوذپذیری

مهمترین ویژگی بتن متخلخل یا نفوذپذیر توانایی آن در نشت آب از طریق حفره های خود در مدت زمان کوتاه است.این خاصیت نفوذپذیری تنها به نسبت فضای خالی ساختار بتن بستگی ندارد،بلکه به توزیع اندازه،شکل،اتصال حفره ها بهم و ته نشین شدن حفره ها نیز بستگی دارد.در منابع معتبر،مقادیر نفوذپذیری برای این نوع بتن از 0.003 تا 3.3 سانتی متر بر ثانیه ذکر شده است.مجموع فضای خالی بتن متخلخل تراوا را می توان تقریبا به سه قسمت تقسیم کرد: حفره های ماکرو به هم پیوسته،حفره های مویرگی و حفره های جداشده.اینها حفره های به هم پیوسته ای هستند که خاصیت نفوذپذیری بتن را ایجاد می کنند و محتوای خالی موثر نامیده می شوند.

مزایای بتن نفوذ پذیر 

مزیت اصلی بتن  نفوذ پذیر  این است که آب باران و بارش های طوفانی را جذب می کند.با این حال،مزایای مستقیم و غیرمستقیم متعددی را نیز به شرح زیر دارد:

1-تغذیه آب های زیرزمینی

آب باران از بتن متخلخل نفوذ می کند و از طریق زمین وارد سفره آب های زیرزمینی می شود.این اثر در نهایت باعث افزایش سطح آب های زیرزمینی می گردد.

2-کاهش رواناب سطحی

در صورت استفاده از بتن متخلخل رواناب آب باران کاهش می یابد زیرا سطح متخلخل بتن به آب اجازه می دهد از طریق آن به زمین نفوذ کند.بنابراین،رواناب سطحی کاهش می یابد.

3-کاهش فاضلاب

با توجه به کاهش رواناب سطحی ناشی از بارش،اندازه و نیاز فاضلاب ها کاهش می یابد.بنابراین،صرفه جویی در هزینه های سیستم زهکشی انجام می شود.

4-توسعه درختان و جنگل ها

آب باران که از طریق زمین نفوذ می کند،رطوبت بیشتری را در سطح خاک فراهم می آورد.علاوه بر این،حفره های بتن عبوری،هوای لازم را برای تنفس ریشه ها فراهم می کنند.در نتیجه،ارائه یک محیط سالم تر برای رشد ریشه ها به درختان و گیاهان مهیا می شود.

5-فیلتر کردن آب باران

بتن متخلخل به عنوان فیلتری برای آب باران عمل می کند.با به کارگیری این نوع بتن خاک در حفره ها به دام می افتد و از این رو فقط آب شفاف به نهر،حوض یا دریاچه ها می رسد.

معایب بتن نفوذ پذیر

در حالت کلی معایب بتن متخلخل را می توان شامل موارد زیر دانست:

-در پیاده روهایی با جریان ترافیک سنگین قابل استفاده نیست.

-نیاز به زمان پخت طولانی تری دارد.

-آزمایش های معمولی بتن مانند آزمایش اسلامپ و آزمایش ضریب تراکم در این نوع بتن قابل اجرا نیستند.

-نیاز به تمرین تخصصی ساخت و ساز دارد.

-ملاحظات طراحی خاصی برای استفاده از آن باید اجرا شود.

-برای حفظ خاصیت نفوذپذیری خود به تمیز کردن منظم نیاز دارد.

مزایای زیست ­محیطی

مطالعات متعدد مزایای زیست­ محیطی متعدد PCPها (در صورت اجرای مناسب) را نشان داده­اند، از جمله: مدیریت روان­آب آب طوفان، آب­ های زیرزمینی و هوا.