بتن ژئو بید (Geo-bead) چیست؟(شهریور ۱۴۰۴)

این مطلب چکیده ی مقاله ی این لینک می باشد:مقاله زبان اصلی (geo-bead)

لینک ارجاع سایت رسمی : e3s-conferences (geo-bead)

---

خاکریز سبک با دانه‌های پلیمری؛ راه حلی برای پایداری سازه‌ها روی خاک‌های نرم (Geo-bead)

---

چکیده

خاک‌های نرم، به دلیل ظرفیت باربری پایین و نشست‌پذیری بالا، همواره یکی از چالش‌های بزرگ در ساخت زیربناهای حمل‌ونقل مانند جاده‌ها و راه‌آهن بوده‌اند. برای جلوگیری از شکست و فرونشست خاکریزها روی این نوع خاک‌ها، استفاده از مصالح سبک یک راهکار هوشمندانه است. در این پژوهش، ما یک ماده پرکننده سبک و دوستدار محیط‌زیست به نام بتن ژئو بید (GB) را معرفی و بررسی کرده‌ایم. این ماده از ترکیب دانه‌های پلی‌استایرن منبسط‌شده (EPS)، سیمان و ماسه ساخته می‌شود.

در این مقاله نمونه‌هایی با درصدهای مختلف ژئو بید (۲۰٪، ۳۰٪ و ۴۰٪) ساخته شده است و آزمایش‌های مختلفی مثل سنجش چگالی، مقاومت برشی، مقاومت فشاری و تحلیل ریزساختاری (SEM) روی آن‌ها انجام شده است. نتایج نشان داد که این ماده کامپوزیتی به طور قابل‌توجهی از ماسه معمولی سبک‌تر است. جالب اینکه رفتار شکست آن از حالت شکننده به حالت شکل‌پذیر (داکتیل) تغییر می‌کند، یعنی قبل از فروریختن، تغییر شکل می‌دهد و ایمنی بیشتری دارد. همچنین، نسبت باربری کالیفرنیا (CBR) این ماده، استانداردهای لازم برای لایه‌های خاکریز را تأمین می‌کند. در نهایت، شبیه‌سازی عددی (FEM) تأیید کرد که استفاده از این پرکننده سبک، نشست خاک نرم را به‌شدت کاهش داده و از شکست سازه جلوگیری می‌کند.

1. مقدمه: مشکل بزرگ خاک‌های نرم(geo-bead)

بارها شاهد بوده‌ایم که سازه‌ها به دلیل ساخته‌شدن روی خاک‌های نرم، دچار ترک و فروریزش شده‌اند. این اتفاق معمولاً به دلیل شناخت ناکافی از رفتارِ خاکِ زیرِ پی رخ می‌دهد. ترک‌ها از پایین ساختمان شروع شده و به سمت بالا حرکت می‌کنند که این مسئله ایمنی ساکنان را به خطر می‌اندازد. در جاده‌ها نیز این پدیده باعث ایجاد فاصله‌های بزرگ بین قطعات بتنی روسازی می‌شود. دلیل اصلی این مشکلات، ظرفیت باربری بسیار پایین خاک‌های نرم و نشست مداوم آن‌ها در اثر فرایند تحکیم است.

خاک‌های نرم که عمدتاً رس‌های جوان (با عمر کمتر از ده‌هزار سال) هستند، در دشت‌های ساحلی، اطراف رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و باتلاق‌ها یافت می‌شوند. در کشورهایی مانند اندونزی، این نوع خاک‌ها گستره وسیعی را پوشش می‌دهند.

برای ساخت خاکریز روی چنین زمین‌هایی، چندین راهکار وجود دارد:

• استفاده از زهکش‌های عمودی برای خروج سریع‌تر آب و تسریع فرایند نشست.
• بهسازی خاک با افزودنی‌های شیمیایی برای بهبود خواص آن.
• کاهش وزن خاکریز با استفاده از مصالح سبک.

استفاده از پلی‌استایرن منبسط‌شده (EPS) یا همان یونولیت، یک راه‌حل شناخته‌شده و کارآمد در مهندسی عمران است. بلوک‌های EPS بسیار سبک هستند، مقاومت فشاری بالایی دارند و کار با آن‌ها آسان است. این بلوک‌ها با کاهش بار وارده به خاک زیرین، از نشست بیش از حد جلوگیری کرده و بارهای جانبی را نیز کاهش می‌دهند. با این‌حال، معایبی مانند خزش (تغییر شکل درازمدت) و آسیب‌پذیری در برابر تغییر شکل پلاستیک دارند.

اخیراً، رویکرد جدیدی مطرح شده است: ترکیب دانه‌های ریز EPS که ژئو بید ((geo-bead)) نامیده می‌شوند، با ماسه و سیمان برای ساخت یک پرکننده سبک و یکپارچه. تحقیقات نشان داده که مقدار ژئو بید، بیشترین تأثیر را بر مقاومت فشاری این بتن سبک دارد. این ماده نه‌تنها سبک است، بلکه می‌تواند عملکرد خوبی در برابر بارهای دینامیکی و لرزه‌ای نیز داشته باشد. هدف ما در این تحقیق، رسیدن به یک طرح اختلاط بهینه برای این ماده و ارزیابی عملکرد آن به‌عنوان یک جایگزین ایده آل برای خاکریزهای معمولی است.

۲.  روش تحقیق و آزمایش‌ها

برای ارزیابی کامل این ماده جدید، مجموعه‌ای از آزمایش‌های استاندارد آزمایشگاهی و شبیه‌سازی عددی طراحی شده است.

۲.۱. مواد اولیه

• خاک: خاکی که به‌عنوان مبنا استفاده شد، ماسه‌ای با طبقه‌بندی A-3، وزن مخصوص ۲.۸، چسبندگی ۳ کیلو پاسکال و زاویه اصطکاک داخلی ۳۲ درجه بود.
• سیمان: از سیمان پرتلند تیپ I استفاده شد. مقدار سیمان ۸ درصد وزن خشک ماسه در نظر گرفته شد.
• ژئو بید(geo-bead): دانه‌های پلی‌استایرن با قطر ۲ تا ۴ میلی‌متر و چگالی توده‌ای بسیار پایین (حدود ۱۰ کیلوگرم بر مترمکعب) بودند.

۲.۲. آزمایش‌های انجام شده

آزمایش‌های فیزیکی و مکانیکی مختلفی برای درک رفتار این ماده کامپوزیتی انجام شد:

مقدار	پارامترها
A-3	طبقه بندی خاک
۲.۸	وزن مخصوص (Gs)
۳ kPa	چسبندگی (c)
۳۲ درجه	زاویه اصطکاک

جدول ۱مشخصات خاک

• آزمایش برش مستقیم: برای اندازه‌گیری مقاومت برشی در سطح تماس بین ژئو بید و مواد دیگر (مثل رس، ماسه و ماسه سیمانی).
• آزمایش فشار تک‌محوری: برای تعیین مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته (سفتی) ماده.
• آزمایش CBR: برای ارزیابی ظرفیت باربری ماده به‌عنوان لایه‌ای از روسازی جاده.
• تحلیل ریزساختاری (SEM): برای مشاهده نحوه اتصال ذرات سیمان، ماسه و ژئو بید در مقیاس میکروسکوپی.
• شبیه‌سازی عددی (FEM) : یک مدل دوبعدی از یک پروژه واقعی Gempol–Pasuruan (بزرگراهی در اندونزی) ساخته شد تا رفتار خاکریز با پرکننده سبک روی لایه‌ای از خاک نرم شبیه‌سازی شود.

 *نمونه‌ها با درصدهای حجمی مختلف ژئو بید نسبت به ماسه (۰٪، ۲۰٪، ۳۰٪ و ۴۰٪) تهیه شدند تا تأثیر مقدار این دانه‌های سبک به‌دقت بررسی شود.

مقدار	پارامترها
بین ۲ تا ۴ میلیمتر	اندازه قطر
۱۰.۰۸ kg/m۳	وزن مخصوص

جدول ۲مشخصات ژئو بید

۲.۳ تحلیل المان محدود (Finite Element Analysis)

ما یک پروژه بزرگراهی در اندونزی به نام “Gempol–Pasuruan” داشتیم که یک مشکل اساسی داشت: زمین آن در یک منطقه خاص (در کیلومتر ۳۱) به شدت نرم و باتلاقی بود. شما نمی‌توانید یک جاده سنگین را مستقیماً روی چنین زمینی بسازید، چون به سادگی در زمین فرو می‌رود و نشست می‌کند.

برای اینکه بفهمیم بهترین راه حل چیست، قبل از شروع هر کاری، یک شبیه‌سازی کامپیوتری دقیق از کل پروژه ساختیم. به این کار در دنیای مهندسی “تحلیل المان محدود” می‌گوییم. در واقع، ما کل پروژه را به صورت مجازی در کامپیوتر ساختیم تا ببینیم در دنیای واقعی چه اتفاقی می‌افتد.

اطلاعات مربوط به خاک آن منطقه را از آزمایش‌های قبلی که انجام شده بود، وارد مدل کردیم. به جای استفاده از خاک و مصالح سنگین معمولی برای ساخت جاده، ما یک ایده جدید را تست کردیم: استفاده از یک ماده پرکننده بسیار سبک که با یک افزودنی خاص (geo-bead) تقویت شده بود. ایده این بود که اگر جاده سبک‌تر باشد، فشار کمتری به زمین نرم زیرش وارد می‌کند.

در این مدل کامپیوتری، ما یک جاده به ارتفاع بیش از ۱۰ متر ساختیم و حتی سطح بالای آب زیرزمینی را هم در نظر گرفتیم. بعد، سنگین‌ترین بخش ماجرا را شبیه‌سازی کردیم: فشار دائمی ناشی از عبور و مرور ماشین‌ها و کامیون‌ها.

هدف اصلی ما این بود که دو چیز را با دقت بررسی کنیم:

 ۱. میزان نشست زمین چقدر است؟ یعنی جاده و خاک زیر آن چقدر در زمین فرو می‌روند.

 ۲. فشار آبگیر افتاده در خاک چطور تغییر می‌کند؟ وقتی روی خاک نرم و خیس فشار وارد می‌کنید، آب داخل آن فشرده می‌شود و فشارش بالا می‌رود. اگر این فشار بیش از حد شود، خاک مقاومتش را از دست می‌دهد و همه چیز ناپایدار می‌شود.

ما این موارد را در سه‌نقطه کلیدی (سطح، وسط و پایین لایه خاک نرم) زیر نظر گرفتیم تا یک تصویر کامل از رفتار زمین به دست آوریم. در واقع، این شبیه‌سازی به ما اجازه داد تا قبل از خرج‌کردن هزینه‌های هنگفت و شروع ساخت‌وساز، از پایداری و ایمنی طرح خود مطمئن شویم.

۳. نتایج و تحلیل آن‌ها

• الف.نفوذپذیری و چگالی

مخلوط‌های حاوی ژئو بید پس از ۲۸ روز عمل‌آوری، عملاً نفوذناپذیر شدند و ضریب نفوذپذیری بسیار پایینی از خود نشان دادند. همان‌طور که انتظار می‌رفت، با افزایش درصد ژئو بید، چگالی ماده به‌شدت کاهش یافت. برای مثال، افزودن ۴۰٪ ژئو بید، چگالی خشک را حدود ۲۲ درصد کم کرد  که این کاهش وزن، هدف اصلی استفاده از این ماده است.

 

• ب.مقاومت برشی

نتایج نشان داد که سطح تماس ژئو بید با ماسه سیمانی بیشترین مقاومت برشی را دارد. این یعنی پیوند بین ژئو بید و ماتریس سیمانی از پیوند آن با ماسه یا رس خالص قوی‌تر است. با این‌حال، زاویه اصطکاک داخلی کلی نمونه‌ها با تغییر درصد ژئو بید تغییر چندانی نکرد، زیرا این پارامتر بیشتر به نسبت ثابت سیمان بستگی داشت.

• پ.مقاومت فشاری و رفتار شکست

با افزایش درصد ژئو بید، مقاومت فشاری و سفتی (مدول الاستیسیته) نمونه‌ها کاهش یافت. اما نکته بسیار مهم، تغییر

الگوی شکست بود. نمونه بدون ژئو بید (GB0) رفتاری کاملاً شکننده داشت و به طور ناگهانی متلاشی شد. در مقابل، نمونه‌های حاوی ژئو بید، به‌خصوص GB30 و GB40، رفتاری شکل‌پذیر (داکتیل) از خود نشان دادند؛ یعنی قبل از شکست کامل، تغییر شکل قابل‌توجهی را تحمل کردند. این ویژگی در سازه‌ها یک مزیت بزرگ ایمنی محسوب می‌شود.

تصاویر میکروسکوپی (SEM) نیز این پدیده را تأیید کرد. در نمونه بدون ژئو بید، ذرات ماسه به‌خوبی در خمیر سیمان محصور شده بودند. اما با افزودن ژئو بید، فضاهای خالی و پیوندهای ضعیف‌تری بین دانه‌های ژئو بید و خمیر سیمان ایجاد شد که همین امر باعث رفتار شکل‌پذیرتر ماده می‌شود.

• ت.نسبت باربری کالیفرنیا (CBR)

اگرچه افزودن ژئو بید مقدار CBR را کاهش می‌دهد، اما نتایج همچنان برای کاربردهای راه‌سازی قابل‌قبول بودند. نمونه GB30 برای استفاده در لایه زیراساس) با نیاز CBR حدود ۳۵٪ ( و نمونه GB20 برای لایه اساس (با نیاز CBR حدود ۹۰٪) در شرایط خاص مناسب تشخیص داده شدند. جالب اینکه با گذشت زمان و ادامه فرایند هیدراتاسیون سیمان، مقاومت و CBR نمونه‌ها افزایش می‌یافت.

• ث.نشست و پایداری خاکریز

شبیه‌سازی عددی، برگ برنده این تحقیق بود. نتایج نشان داد که استفاده از خاکریز ماسه‌ای معمولی روی خاک نرم، نشستی معادل ۱.۹ متر ایجاد می‌کند. اما با جایگزین‌کردن آن با پرکننده سبک حاوی ۴۰٪ ژئو بید، این نشست به ۱.۷۴ متر کاهش یافت یعنی حدود ۱۶ سانتی‌متر بهبود که در پروژه‌های بزرگ عدد قابلِ‌توجهی است.

علاوه بر این، پایداری شیب خاکریز نیز بهبود یافت. یک خاکریز سبک‌تر، فشار کمتری به خاک زیرین وارد می‌کند و در نتیجه می‌توان شیب‌های تندتری ساخت بدون آنکه نگران پایداری آن باشیم. برای مثال، در یک شیب تند (۱:۱)، ضریب ایمنی برای خاکریز با ۴۰٪ ژئو بید ۱.۵۶۷ بود، درحالی‌که برای خاکریز ماسه‌ای این عدد به ۱.۳۲۷ (مقدار کمتر ایمن) کاهش می‌یافت.

۴. نتیجه‌گیری نهایی

این تحقیق نشان داد که ترکیب دانه‌های سبک ژئو بید با ماسه و سیمان، یک راهکار بسیار مؤثر برای ساخت خاکریز روی خاک‌های نرم است. یافته‌های کلیدی ما عبارت‌اند از:

• کاهش چشمگیر چگالی: با افزودن ژئو بید، می‌توان وزن خاکریز را به میزان قابل‌توجهی کاهش داد.
• تغییر رفتار به شکل‌پذیر: این ماده به‌جای شکست ناگهانی و شکننده، رفتاری داکتیل و ایمن‌تر از خود نشان می‌دهد.
• کاهش نشست: استفاده از این پرکننده سبک، میزان نشست نهایی در خاک‌های نرم را کاهش می‌دهد.
• افزایش پایداری: خاکریزهای ساخته شده با این ماده، پایداری بیشتری دارند و امکان طراحی شیب‌های تندتر را فراهم می‌کنند.

در کنار تمام این مزایای فنی، استفاده از ژئو بید که می‌تواند از مواد پلاستیکی بازیافتی نیز تولید شود، یک گام مثبت در راستای توسعه پایدار و استفاده بهینه از ضایعات است. این فناوری می‌تواند آینده ساخت‌وساز در مناطق با خاک‌های مسئله‌دار را متحول کند. 

در انتهای این مقاله اشاره می کنم به اینکه آزمابتن ۷روز هفته به صورت شبانه روزی در حال خدمت رسانی و تحویل بار به شما مشتریان عزیز کلیه مناطق شرق، جنوب شرقی، شمال و شمال شرقی تهران، لواسانات و … می‌باشد.

سوالات متداول : Faq