مقاله در مورد تاثير الياف پروپيلن بر روي خواص بتن هاي با قدرت زياد

« تاثير الياف پروپيلن بر روي خواص بتن هاي با قدرت زياد »
خلاصه:
علاوه بر خصوصيات خوب بتن بااستحكام بالا بعضي از خواص عملكرد ضعيف در مورد چكش خواري و مقاومت به آتش را دارد. اخيراً كاربرد الياف پلي پروپيلن براي برطرف كردن اين ضعف ها بوده است و ناشي از خواص عالي آنها و قيمت كم آنها مي باشد. استفاده از يك مقدار معين الياف در مخلوط بتن، 2/0 درصد حجم بر روي خواص مكانيكي اصلي بتن هاي با استحكام بالا تاثير نمي گذارد هم در بتن تازه و سخت شده ولي به شكست لاكتيل بتن ترد نيز منجر گرديد.
1ـ مقدمه:
بتن با استحكام بالا مزاياي بسياري را در بهره برداري ناشي از خواص مكانيكي خوب و نفوذ پذيري كم و مقاومت بالاتر در برابر حملات مكانيكي يا شيميايي به ساختار بتن نشان مي دهد. با چنين خصوصياتي شخص اين ماده را استفاده مي كند بويژه براي سازه هايي كه تحت تاثير شرايط محيط مي‌باشند مثلاً سازه هاي دريايي و پل هاي بزرگ تا ظرفيت حمل بار ساختاري را افزايش دهد درحالي كه دوام كافي براي سازه ها تضمين مي‌شود. اگرچه بتن با استحكام بالا مزاياي بسياري را دربارة خواص مكانيكي بتن و جنبه هاي
اقتصادي ساختمان پيشنهاد مي كند، رفتار ترد ماده براي كاربردهاي زلزله باقي مي ماند. چون استحكام و چكش خواري آنها نسبت معكوس دارند، بتن هاي با استحكام بالا تردتر از بتن هاي با استحكام معمولي مي باشند. بخش الاستيك خطي در مرحلة قبل از اوج منحني تنش ـ كرنش يك بتن مسلح با استحكام بالا بسيار افزايش مي يابد. تقريباً 95% بار اوج. پس از حصول بار اوج منحني تنش ـ كرنش به سرعت افت مي كند كه براي يك ماده ترد نمونه مي باشد. انرژي جذب شده در طي فاز الاستيك به نسبت يكنواخت در آغاز ترك و انتشار آن در فرايند شكست، پراكنده نمي‌شود طوري كه يك رشد ترك پايدار تا شكست بتن، حاصل نمي شود. اين امر يك شكست شديد بتن را سبب مي شود و سطوح شكست زبر مي باشد ودرهم قفل شدن سطوح ترك اساساً كاهش مي يابد. بعلاوه، نفوذ پذيري بسيار كم بتن با استحكام زياد باعث مشكلات بعدي مي گردد. يكي از آنها مقاومت به آتش است. در آتش دماي بتن بسرعت افزايش مي يابد. بنابراين بدليل مقدار خيلي كمي از سوراخ هاي موئينه. آب كه هنوز هيدراته نمي شود، مي تواند خودش را در بخش داخلي بتن حبس نمايد. در نتيجه، فشار بخار آب در حال توسعه نمي تواند بر روي تخلخل هاي موئينه ريلاكس شود كه تا حدي به تنش هاي كشش داخلي منجر مي شود. در اين حالت، آب پيوند يافته شيميايي توسط فرايند هيدراسيون نيز مي تواند تبخير شود. براي غلبه بر چنين مشكلاتي، الياف پروپيلن اغلب در حال حاضراستفاده
مي شوند كه ناشي از بهاي سودمند و خواص مفيد آنها است. الياف پروپيلن اساساً باعث مي شود كه رفتار چكش خواري زياد شود و از طرف ديگر براي بهبود مقاومت به آتش بتن با استحكام بالا بكار مي رود. چون الياف در 160 درجه سانتي گراد ذوب مي شوند. آنها مجراهاي انبساطي زيادي در حالت آتش سوزي توليد مي‌كنند و انتقال مايع و بخار براي رها شدن فشارهاي داخلي امكان پذير مي‌شود. ، اين امر مي تواند مانع از پوسته پوسته شدن سطح بتن گردد، زيرا يك تخلخل اضافي در ساختار بتن وجود دارد كه در آن حجم آن براي مقدار الياف در مخلوط بتن تنظيم مي گردد. اگر حركات گاز در بخش داخل ساختمان بتن حبس گردد، آتش با 300 درجه سانتي گراد مي تواند منجر به تنش هاي كششي داخلي حدود شود كه خودشان را دو برابر بيشتر در طي يك گرم كردن بعدي تا 350 درجه سانتي گراد افزايش طول مي‌دهد. بنابراين اين تنش ها در استحكام تنش بتن به يك بتن در حدود بالغ مي گردد. پلي پروپيلن هيدروفوبيك مي باشند كه آب جذب نمي كنند و خورنده نمي باشند. بعلاوه، الياف پلي پروپيلن داراي مقاومت خوب در برابر مواد قليايي، شيميايي و كلريد مي باشد و داراي هدايت حرارت كم است، با اين مشخصات الياف پلي پروپيلن تاثير چنداني بر روي تقاضاي آب بتن تازه ندارد. آنها هيدراسيون سيمان را مانع نمي شوند و تاثيرات تمام اجزاي سازنده
در مخلوط هاي بتن را تاثير نمي گذارند. الياف در روش كشش سيم با مقطع دايره يا توسط الكترود كردن فيلم پلاستيك با مقطع مستطيلي توليد مي شوند. آنها بصورت الياف تك يا دسته ظاهر مي شوند. الياف پلي‌پروپيلن با انبساط يك فيلم پلاستيك توليد مي شود كه به صورت نوارهايي جدا مي شود و بدان وسيله دسته هاي الياف شكل مي گيرند. كه مقطع مستطيلي دارند. اين دسته هاي الياف به طول هاي مشخص بريده مي شوند. الياف در 5/6 تا 5/63 ميلي متر طول دارند.
2ـ اختلاط طراحي و آزمايش:
1ـ2ـ طراحي مخلوط: براي بررسي تاثيرات الياف پلي پروپيلن بر روي
خواص بتن هاي با استحكام زياد آزمايشات بسياري دربارة استحكام فشاري و مدول/الاستيسيته بر روي نمونه هاي بتن انجام شدند. انواع ذرات بازالت،دياباز،گرانوليت، سنگ آهك، كواتزريت، سپرنتين و استيتت در دو مخلوط مختلف قرار داشتند:
1ـ بتن هاي معمولي و استحكام بالا 2ـ بتن هاي استحكام بالا با استفاده از سيليس در دوغاب سوسپانسيون
شن ماسه از نواحي مختلف آلان جمع آوري شدند: باواريا، ساكسوني، تورنيجيا و رسه سيمان و سيمان براي مخلوط ها بكار برده
شدند. ذرات درشت سنگ خرد شده با اندازة حداكثر اسمي 16 ميلي متر و ذرات ريز، ماسة طبيعي معمولي از ( ساكسوني) بود. توزيع اندازه دانه مطابق با منحني هاي بين A و B براي بود. الياف پلي‌پروپيلن در حجمي بتن آميخته شدند كه معادل با بود. طراحي مخلوط براي اين برنامه تحقيق انتخاب گرديد. نسبت سيمان ـ آب از تا ، براي بتن هاي معمولي با استحكام بالا متغير بود و از تا براي بتن هاي استحكام بالا بود.
طراحي هاي مخلوط با درصد حجمي الياف پلي پروپيلن بود يا اليافي نداشت. مخلوط هاي داراي الياف پلي پروپيلن با تعريف شدند. نسبت هاي سيمان ـ آب شديداً به خصوصيات شن و ذرات ماسه بستگي داشت. بويژه دانسيته، جذب آب، و تخلخل و تميز بودن. همان نسبت حجم بين شن و ماسه در تمام طراحي هاي مخلوط استفاده گرديد طوري كه تاثير دانسيته متفاوت ذرات روي نسبت آب ـ سيمان مي توانست به حداقل برسد. براي ثابت نگه داشتن اين نسبت حجم، دانسيتة بزرگتر ذرات بطور متناسب براي مقدار ماسه توزيع گرديد. هر دانسيتة ذرات بزرگتر باشد. مقدار ماسه در بتن بيشتر است.
2ـ2ـ آزمايش: نمونه هاي مكعب 100 ميلي متر از لحاظ استحكام فشاري و استوانه ها يا يك قطر 100 ميلي متر و ارتفاع 200 ميلي متر براي مدول
الاستيسيته بتن آزمايش شدند. براي حصول منحني تنش ـ كرنش كلي نمونه هاي بتن تحت تنش هاي فشاري تك محوري مركزي، استوانه ها با يك نسبت قطر به ارتفاع 1 به 2 انتخاب شدند تا از تاثيرات انبساط تنش جانبي در لبه نمونه هاي بالايي و پاييني، پرهيز گردد. بنابراين. ابعاد با يك قطر 100 ميلي متر و ارتفاع 300 ميلي متر ثابت حفظ شدند، اين نمونه هاي استوانه أي امتحان شدند و از ماشين آزمايش هيدروليك سروو تهيه شده توسط Schenck استفاده گرديد. ماشين آزمايش داراي يك سختي‌ و حداكثر بار بود. اين وسيله قادر بود كه تاثيرات رفتار تغيير شكل، بتن هاي با استحكام بالا را با اندازه گيري كرنش طولي و كرنش محيطي، ثبت كنند و اين سيگنال ها را درتركيب براي كنترل كردن فشار تنظيم كرد. در نتيجه، از خرابي بسياري از نمونه ها مي توان پرهيز كرد كه منجر به يك انشعاب از منحني تنش ـ كرنش گردد.
3ـ نتايج:
1ـ3ـ تاثيرات الياف پلي پروپيلن بر روي خواص بتن تازه
قابليت توليد بتن با استحكام بالا و تازه توسط مقدار بالاتر چسب و نسبت آب ـ سيمان پايين تر آن، ضعيف مي شود. أين امر مي تواند با استفاده از مقدار صحيح سوپر پلاستيسايزر به حداقل رسانده شود. پارامتر اصلي كه اغلب براي
تعيين كارايي بتن تازه استفاده مي شود، آزمايش slump است. مقدار slump بستگي به جذب آب و تخلخل ذرات. مقدار آب در مخلوط. مقدار شن و ماسه و مواد ريز در مخلوط، شكل شن و ماشه و ويژگي هاي سطح مواد سازنده در مخلوط دارد. مقادير Slump بطور چشمگيري با افزودن الياف پلي پروپيلن كاهش مي يابند. مخلوط بتن باعث افزايش چسبندگي و پيوستگي بتن تازه مي شود. در طي اختلاط حركت ذرات، الياف فيبريلاته جدا مي شوند، طوري كه آنها در داخل يك شبكه از رشته هاي الياف مرتبط و الياف مجزا، باز مي شوند. اين الياف بطور مكانيكي به خمير بتن قلاب مي شوند كه بدليل سطح مخصوص ويژه بزرگ آنها است. بدون فشرده كردن، الياف با خمير سيمان ممكن است در مخلوط رخ دهد. در نتيجه، جدايش بدليل غلظت و تمركز غير يكنواخت اجزاي سازنده در مخلوط رخ داد. تمام اين موارد منجر به كاهش slump مي شود. اگر ريزش رخ دهد. يك لاية آب بر روي سطح بتن تازه و مجراهاي آب مي تواند توسعه داده شود، كه توسط آن تراوش آب مي تواند خمير سيمان ورودي را به سطح برساند. سپس يك لاية حاوي خمير سيمان رقيق شده تشكيل گرديد كه منجر به تشكيل ترك هاي ريز اوليه مي شود. با اين حال، مخلوط بتن، با الياف پلي پروپيلن منجر به سرعت ريزش و جدايش كمتر گرديد و آنها بطور آهسته تر در بتن ساده رخ داد. الياف نگاهداري، ذرات بتن را با يكديگر نگاهداري كرد و نشست ذرات را آهسته كرد. با استفاده از فشردگي سطح به مقدار كافي، بتن
تازه بايد مجدداً با رضايت، جريان يابد و الياف پلي پروپيلن بطور يكنواخت در مخلوط پراكنده مي شود. الياف نبايد براي سطح شناور شوند و به كف بتن تازه انقباضي پلاستيك زود هنگام را با افزايش ظرفيت كشش بتن تازه كاهش دهند تا تنش هاي كششي ايجاد شده توسط تغييرات حجم نمونه را مقاومت نمايند. الياف توانستند اين تنش هاي كششي را بطور يكنواخت تري در سراسر بتن پراكنده و توزيع نمايند. استحكام كششي بتن تازه درمراحل اوليه خيلي آهسته است. استحكام كششي بتن معمولي در طي 4 ساعت اول تا‌ است. در همان هنگام، الياف تصادفي مي‌توانند تنش هاي الياف را عرضه كنند و استحكام كشش الياف برابر با است تمام تنش هاي ترك خوردن توسط الياف تحمل مي شوند، وقتي انقباض پلاستيك ترك خوردن كم مي شود، تعداد ترك ها در بتن هاي با استحكام زياد تحت بارگذاري مي تواند كاهش يابد كه ناشي از كاهش ترك هاي منتشرة از ترك هاي انقباضي موجود مي باشد، اگر ترك هاي انقباضي هنوز شكل بگيرند، الياف اين ترك ها را پل مي زنند و طول و عرض آنها كاهش مي يابد. بعلاوه با نسبت سيمان ـ آب ثابت، مقادير مخلوط هاي بتن حاوي الياف پلي پروپيلن تحت تاثير انواع شن و ماسه نبودند. آنها در يك محدودة كوچك نوسان كردند. اين امر ابتدا توسط چسبندگي خوب در بتن تازه ايجاد گرديد كه توسط الياف پلي‌پروپيلن ايجاد شد. برعكس، انواع شن و ماسه بر روي مقادير مخلوط هاي
بتن ساده تاثير گذاشتند. قدرت جذب آب و تخلخل شن و ماسه و شكل آن به ارش بتن كمك مي نمايد، علاوه بر اين، ارزش مخلوط هاي بتن با قدرت بالا و با الياف پلي پروپيلن يا بدون آن كم شد، (درمقايسه با مخلوط هاي بتن معمولي با ستحكام بالا)، علت آن افزايش مواد ريز، ناشي از استفاده از سيليس و كاهش نسبت سيمان ـ آب در مقايسه با مخلوط بدون آن بود.
2ـ3ـ تاثيرات الياف روي خواص بتن سخت شده
خواص بتن سخت شده در اين برنامه تحقيق از نوع استحكام فشاري تك محوري و مدول الاستيسيته است، توليد بتن هاي با استحكام زياد با استحكام به افزودن Silica نياز دارد. در مخلوط هاي بتن B ، كلاس استحكام در تمام انواع شن و ماسه بدست آمد، در حاليكه اين امر براي تمام انواع ذرات در مخلوط هاي بتن‌ A قابل حصول نبود. با استفاده از انواع شن و ماسه، افزودن الياف پلي پروپيلن در بتن بر روي استحكام فشاري و مدول الاستيسيته بتن با استحكام زياد تاثير چشمگيري نداشت. افزايش ميانيگين براي استحكام فشاري 7 روزة بتن با انواع شن و ماسه گوناگون و از طرف ديگر كاهش متوسط بود. براي استحكام فشاري 28 روزه. افزايش متوسط برابر با و كاهش متوسط‌ بود. بعلاوه، افزايش متوسط مدول الاستيسيته بتن با شن ماسه هاي مختلف حاوي الياف پلي‌پروپيلن
و كاهش ميانيگين بالغ بر بود. يعني كه كاربرد الياف پلي‌پروپيلن به تنهايي منجر به تاثير كم بر روي استحكام فشاري و مدول الاستيسيتة بتن بجاي تاثير گذاري بر روي ساير اجزاي سازندة بتن مي‌گردد. تاثيرات مثبت الياف پلي پروپيلن كه به افزايش خواص مكانيكي بتن با استحكام بالا كمك مي نمايند چنين است:
الياف بصورت عامل تقويت ميكروسكوپي در بتن عمل مي كند. اين امر منجر به لنگر كردن مكانيكي بهتر الياف به بتن مي شود.
الياف به صورت دستگير كننده هاي ترك عمل مي نمايند. اين امر ناشي از استحكام كشش بالاي آنها و استحكام مي باشد. الياف مانع از انتشار ترك ها توسط نگهداري زمينة سيمان با يكديگر و پل زدن ترك ها مي شود. بنابراين، ترك نمي‌توانند طولاني تر و پهن تر رشد كنند و به تدريج منتشر مي شوند.
كرنش نهايي الياف، بتن را قادر به محدود كردن تغيير شكل هاي زياد بدون خرد شدن مي نمايد.
الياف ممكن است ترك خوردن انقباضي پلاستيك زود هنگام را كاهش دهد. طوري كه تعداد ترك هاي تحت بارگذاري بدليل انتشار اين ترك هاي موجود، كاهش مي يابد.
الياف ممكن است از تشكيل نوار برش واحد جلوگيري نمايد كه براي شكست بتن با استحكام بالا و ساده، نمونه مي باشد كه توسط شبكه‌اي كردن ترك هاي ميكروسكوپي، اين امر صورت مي گيرد كه دركل مش بتن پراكنده مي شود.
برعكس، تاثيرات منفي الياف پلي پروپيلن كه ممكن است منجر به كاهش خواص بتن با استحكام بالا شود، به شرح زير خلاصه مي گردد:
الياف مانند آغازگر ترك ميكروسكوپي عمل مي كنند كه بدليل مدول الاستيسيتة پايين آنها است( در مقايسه با زمينه سيمان)، پيوند مكانيكي تشكيل شده با زمينة سيمان اكنون پايين است. از طرف ديگر، تشكيل زود هنگام ترك ميكروسكوپي نشان داده شده در شاخة صعودي منحني كرنش ـ تنش ممكن است انرژي پتانسيل الاستيك را پراكنده كند و سپس آنها را براي ايجاد سطح ترك جديد، جذب نمايد. نتيجه، بجاي افزايش استحكام حداكثرـ عبارت اند از: رفتار تغيير شكل و ترك خوردن بهبود يافته مي باشد.
الياف باعث افزايش حجم تخلخل بتن با ايجاد عيوبات ميكروسكوپي در زمينة سيمان مي گردد.
3ـ3ـ تاثيرات الياف پلي پروپيلن روي خواص بتن با استحكام بالا:
در مقايسه با تاثيرات الياف پلي پروپيلن بر روي خواص بتن تازه و بتن سخت شده. خواص شكست بتن هاي با استحكام بالا بطور چشمگيري تحت تاثير الياف پلي پروپيلن بودند. رفتار شكست بتن هاي با استحكام بالا بطور موثر توسط كاربرد الياف اصلاح گرديد. گسيختگي نوار برش نمونه، ناشي از وضعيت كرنش مي تواند پرهيز شود
بجاي اين امر، تعداد زيادي از ترك طولي كه بطور اساسي در جهت
موازي با تنش هاي فشار خارجي قرار داشت در نمونه هاي بتن كلي تشكيل گرديد.
با عنايت به توسعة ترك خوردن، الياف پلي پروپيلن رفتار تغيير شكل بتن هاي با استحكام زياد را در ناحية پس از اوج بهبود بخشيد. تغيير شكل آن الستيك بالاتر در شاخه صعودي منحني تنش ـ كرنش توانايي خوب الياف را براي ايجاد ترك خوردن ميكروسكوپي در پيوند ماتريس سيمان ـ الياف نشان داد قبل از اينكه به بار اوج برسد. تعيين مقدار . درناحية پس از اوج، بتن هاي حاوي الياف پلي پروپيلن استحكام باقيمانده و نرم كردن كرنش بزرگتر از بتن هاي ساده را نشان داد. اين امر مي تواند از شاخه نزولي منحني تنش ـ كرنش مشاهده شودنرم كردن كرنش بزرگتر به فرايند انتشار ترك ايجاد شده توسط الياف نسبت داه شد. از طرف ديگر، استحكام باقيمانده بالاتر نشان داد كه ظرفيت انتقال تنش بتن بتدريج كاهش يافت كه ناشي از پل
زدن ترك و فرايند قفل كردن ماده ايجاد شده توسط الياف و همچنين ناشي از فرايند Pullont خود الياف است. بنابراين، الياف مي‌توانند تنش ها را بر روي ترك هاي ماكروسكوپي منتقل كنند كه با كاهش بار همراه است. اين امر منجر به فرايند شكست پايدار مي شود و بنابراين انرژي شكست بالاتر خواهد بود.
منحني تنش ـ كرنش بتن هاي با استحكام بالا حاوي الياف پلي پروپيلن رفتار چكش خواري بهتر از بتن هاي ساده به سبب افزايش تغيير شكل تحت نيروهاي فشاري در بار پس از اوج و قبل از اوج را نشان مي دهد. اين امر بدست آمده اگرچه حداكثر استحكام هاي فشاري كمي بيشتر يا كمتر از بتن هاي سادة آنها بود. درنتيجه، انرژي شكست بتن هاي با استحكام بالا حاوي الياف پروپيلن شديداً بهبود يافت . الياف به پراكندگي انرژي الاستيك جذب شده توسط آغاز تشكيل ترك ريز در ناحية پيش از اوج، با ايجاد ترك هاي جديد و همچنين پل زدن ترك ها در ناجيه پس از اوج كمك كرد. انرژي شكست نمونه هاي بتن در معرفي فشردگي تك محوري توسط بكاربردن مدل (CDZ) از Markeset محاسبه گرديد كه قبلاً شرح داده شد.
4ـ نتيجه گيري
با توجه به خواص جالب آنها و قيمت مناسب، استفاده از الياف پلي پروپيلن اغلب براي افزايش عملكرد بتن با استحكام زياد توصيه مي شود (‌بويژه رفتار
چكش خواري و مقاومت به آتش ضعيف آن). علاوه برآن، بعضي خواص مكانيكي بتن با استحكام بالا نيز مي تواند با استفاده از الياف پلي پروپيلن بهبود يابد. بدليل استحكام كشش زياد و استحكام . الياف مي توانند ترك خوردن انقباض پلاستيك زودهنگام را با افزايش ظرفيت كشش بتن كاهش دهند تا تغييرات حجم را مقاومت نمايند. الياف مي‌توانند بصورت دستگير كننده هاي ترك عمل نمايند و انتشار ترك يا پل زدن ترك ها را جلوگيري نمايند. وقتي الياف پلي پروپيلن به مخلوط بتن اضافه شدند، آنها كاهش بتن تازه را پيش بيني كردند. الياف بطور مكانيكي به خمير سيمان لنگر شدند كه بدليل ناحية خاص آنها بود و سپس بتن را باهم نگاه مي دارند. با استفاده از انواع شن و ماسة گوناگون، تاثيرات الياف بر روي استحكام فشاري و مدول الاستيسيته نسبتاً كم اهميت بودند. استحكام فشاري و مدول الاستيسيته بتن هاي حاوي الياف كمي بالاتر يا كمتر از بتن هاي سادة آنها بودند . اين بدان معني است كه استفاده از الياف پلي پروپيلن به تنهايي به تاثيرات كم بر روي خواص بتن كمك مي كند بجاي اينكه تاثيرات توسط ساير سازنده هاي بتن افزايش يابد. برعكس، خواص شكست بتن با استحكام زياد تحت تاثير الياف پلي پروپيلن است. الياف رفتار ترك خوردن بتن را درناحية پس از اوج و پيش از آن در نمودار كرنش ـ تنش بهبود بخشيد. تغيير شكل آن الاستيك بالاتر در مرحلة پيش از اوج و هچنين نرم كردن
كرنش بزرگتر و استحكام پس ماند بالاتر در مرحلة پس از اوج از منحني كرنش ـ تنش بتن هاي حاوي الياف بدست آمدند. انرژي شكست بتن به شدت بهبود يافت كه نهايتاً منجر به رفتار بتن هاي با استحكام بالا گرديد.
لايه‌بندي اپوكسي در الياف كربن و بسته به مقدار الياف در تماس با زرين اپوكسي است. در عكس REM نحوة پوشش اپوكسي الياف كربن ديده مي‌شود. در اينجا آزمايشات با انواع مختلف الياف و مخلوط‌هاي شده و رفتار تحت عمل حرارتي ارائه مي‌شوند.
2- آزمايشات PWlLOWT .
قبل از توسعه يك مش تقويت الياف كربن، رفتار پيوند بين الياف و بتن بايد تعيين شود. بنابراين آزمايشات مختلفي انجام شدند. در اين بررسي‌ها قطرهاي الياف با استحكام‌هاي بتن مختلف تركيب شدند. نمونه‌هاي آزمايش در جايي بكار رفتند كه آزمايش قبلاَ شرح داده شده است. آزمايشات پيوند در موخ‌شوله فور تكنيك، ويرت شافت‌اوند، كولتور(HTWK) لايپزيك انجام شدند. براي نعيين استحكام بتن نمونه‌ها 3 مكعب10/10/10cm3 براي هر مخلوط بتن توليد شد و پس از 28 روز قبل از آزمايشات، آماده گرديدند. در مرحله اول الياف با ضخامت مختلف در تركيب با استحكام‌هاي بتن بررسي شدند. جدول زير آزمايشات انجام شده را نشان مي‌دهد.
تمام نمونه‌ها داراي طول پيوند40 تا 50mm بودند.
براي حصول رابطه بين استحكام بتن و رفتار پيوند، آزمايشات شمارة 5 و 10 مقايسه مي‌شوند. شكل‌هاي 2 و 3 نشان مي‌دهند كه استحكام پيوند در بتن با چهار برابر استحكام فشاري بالاتر، دو برابر مي‌شود. منحني‌هاي پيوند در نمودار‌هاي زير ديده مي‌شوند. X آزمايشات شماره 6 تا 15 منجر به شكست پيوند نشدند بلكه منجر به شكست كششي الياف شدند.
نيروهاي مربوط به استحكام كشش نظري الياف بودند. از مقايسة 1 و3 مشاهده مي‌شود كه تاثير يك زرين اپوكسي برروي رفتار پيوند مي‌تواند بطور تجربي نشان داده شود. نيروي PWLLOWT در آزمايش 3 با استحكام بتن يكسان، دو برابر مي‌شود. تاثير انواع مختلف هندسة بكار رفته براي مش نمي‌توانست اندازه‌گيري شود. از اين آزمايشات مشاهده مي‌شود كه يك استحكام پيوند كوچك كمتر از 50mm براي نيروي كششي الياف در بتن با استحكام بالا چقدر است.
3- بررسي تاثيرات حرارتي روي رفتار پيوند الياف لايه‌اي بطور مكانيكي:
3.1- علائم مقدماتي
توجه به بارهاي حرارتي انجام گرفت زيرا ضريب انبساط حرارتي سيم‌هايCFK با بتن تفاوت دارد. در جهت شعاعي، ضريب‌ حرارتي بيشتر است ولي در جهت طولي سيم كمتر است. يعني در دماي بالاتر سيم CFK باعث تنش‌هاي كششي شعاعي در بتن و تنش‌هاي برشي در منطقه پيوند مي‌شود. اگر دما پايين آيد، سيم بيشتر منقبض مي‌شود و از بتن جدا مي‌شود. دماي گرفتن بتن مي‌تواند بيش از 60° باشد كه بستگي به شرايط مرزي دارد.Setino اگر اعضاي بسياري موجود باشد و سيمهاي CFK با دماي گرفتن بالا تماس داشته باشد پيوند از بين مي‌رود قبل از اينكه بار‌گذاري عضو صورت گيرد چون ابعاد نمونه‌هاي آزمايش خيلي كوچك هستند گرما خيلي سريع مي‌تواند خارج شود بنابران اين موضوع در آزمايشات واقعي رخ نداد.
3.2 – آزمايشات مقدماتي:
3.2.1.- بررسي مقدماتي آزمايش
تضمين رسيدن دماي محيط به منطقه تماس سيمهاي CFK مهم است يعني
شيب حرارت در داخل مونه بايد صفر باشد لذا نمونه تهيه شده با همان ابعاد نمونة Pnllout بررسي گرديد. پروپهاي دما در محور وجود داشت و در
نقطه‌اي بروي سطح سيلندر( استوانه) و 2 پروپ در حالت دهنده براي اندازه‌گيري دماي محيط وجود داشت. هدف تعيين حداقل اقامت نمونه در دماي محيط ثابت بود كه در آن توزيع ثابت دما در نمونه رخ مي‌دهد شكل 4 منحنيهاي دماي نقاط اندازه‌گيري را در محدودة 0-36 ساعت و 0-4 ساعت نشان مي‌دهد.در زوم(zoom) مي‌توان مشاهداه كرد كه تقريباَ هيچ تفاوتي بين نقطه مركزي و كواتر يك چهارم وجود نداردو دماي داخلي براي دماي سطح در مدت 2ساعت مي‌باشد. پس از 3/5 ساعت يك تفاوت ثابت k3/5 وجود دارد اين تفاوت از اين جقيقت ناشي مي‌ِود كه پرو پ زير نمونه قرار گرفت و به عنصر گرم كردن نزديك بود و يك شيب حرارتي در هواي حالت‌دهنده( تهويه) وجود داشت. در اين نتايج يك اقامت 4:25 ساعت در سطح دماي ثابت براي نمونه‌هاي آزمايش pull out انتخاب شد.
3.2.2- بررسي نظري:
مسئله انتقال حرارت مي‌تواند بطور رياضي توسط يك معادله ديفرانسيل
جزئي داده شود. چون دماي يك و مطلق فقطط براي زمان بدست مي‌آيد يك حد معيني بايد تعيين شود. انتقال حرارت در اجسام صلب مي‌تواند در مختصات كلي توسط عبارت‌هاي زير شرح داده شود:
معادله به شكل مختصات استوانه‌اي نوشته شده است ( شكل 5)
در معدلات اوليه و شرايط مرزي rباr جايگزين مي‌شود. راه حل توسط بسط سريها ممكن است ضرايب و متغيرها بويژه معادلات حاوي توابع Bessel بستگي دارد. براي كار برد عملي نموگرام‌هايي وجود دارد كه دما برروي سطح ر انشان مي‌دهد، در محورذ مركزي استوانه و دماي ميانگين براي حصول يك دماي ثابت در نمونه بكار مي‌رود:
تعيين مقدار واقعي ضريب انتقال حرات مشكل است كه هيچ ثابت فيزيكي ندارد ولي به هشرايط مرزي مختلف بستگي دارد مقدار براي با تأثير معكوس انتخاب مي‌شود كه دورة گرم كردن را شرح مي‌دهد. براي دوره سرد كردن مقدار نتايج كمتر است زيرا به هدايت حرارتي يك بعدي را در نظر بگيريد كه منجر به نتايج زير مي‌شود:
براي تفاوت دما تا محور مياني
براي تفاوت دماي ميانگين كالريمتريك
براي حالت دو بعدي هدايت حرارت (V/Q) ، اقامت كاهش مي‌يابد براي تفوت دماي ميانگين كالريمتريك:
نتايج تابع دو بعدي با يافته‌هاي تجربي منطبق نمي‌باشد. يك تفاوت اقامت 10 دقيقه وجود دارد كه توسط تعيين معين مي‌شود.براي برآورد تأثير اقامت براي محاسبه شد.
در اين حالي نتايج براي تفاو دماي متوسط كالريمتريك حاصل گرديد كه با نتايج آزمايش منطبق است. بدليل اينكه يك فرض محافظه‌كارانه است يك اقامت براي كاربرد عملي در آزمايشات pull out بكار رفت.
3.3- آزمايشات تحت عمل حرارتي:
3.2.1- نتايج
د سري آزمايش براي بررسي رفتار پيوند تحت شرايط حرارتي متفاوت بررسي گرديد براي ابعاد و شكل نمونه‌هاي را ملاحظه كنيد.
شش نمونه با سيكلهاي حرارت 61 قبل از آزمايش تماس گرفتند تا مدت 73 روز بدون هر نوع بارگذاري مكانيكي (شكل8 ). سپس يكسري آزمايش در °c با استفاده از عايقكاري انجام شده ساير سريهاي در دماي اتاق بررسي گرديد.
شكل6 تأثير دما بر روي رفتار پيوند را نشان مي‌دهد نيروي پيوند نمونة توزيع شده 85% كاهش مي‌يابد. اگر تحت دماي اتاق آزمايش گردد در مقايسه با اين كاهش مقادير پيوند فقط 50 % است. اگر با دماي نمونه ° c آزمايش شود دما توسط كريستالهاي كوچك يخ كه سيم را با بتن پيوند مي‌دهد مي‌توانيم اين موضوع را بررسي كنيم.
3.2.2- پارامترهاي ماده:
مواد مركب مثل CFRD آن ايزوتروپيك هستند ولي الياف ارتوتروپيك مي‌باشند. ماتريسها معمولاَ همگن و ايزوتروپيك هستند بنابراين خواص مكانيكي استحكام، مدول اليستيسه، انبساط حرارتي، ضريب انبساط رطوبت و ساير مواد توسط اندركنش ماتريسها و الياف تعيين مي‌شوند. پارامترهاي بالا از برداشت مي‌شوند، نسبت حجم الياف بر اساس D/N 53568 تعيين مي‌گردد و از مقادير سيمهاي CFK بالاتر است و به فرآيند توليد بستگي دارد. در آينده بهبود اين نسبت براي مقدار طرح ريزي مي‌شود. با استفاده از اين پارامترها، ضريب انبساط حرارتي مي‌تواند توسط كاربرد اصطلاحات زير محاسبه شود.
با تغيير دادن نسبت الياف – حجم پارامترهاي زير براي CFK بدست مي‌آيند.
باري حالت دو بعدي هدايت حرارت (V/Q) / اقامت كاهش مي‌يابد.
با تغير دادن نسبت الياف – حجم پارامترهاي زير براي CFK بدست مي‌آيند.
3.4- ساختار مكانيكي تحت عمل حرارتي:
براي حصول نتايج واقعي، ماتريس اپوكسي تحت بار حرارت بررسي شدند با استفاده از TMA ضريب انبساط حرارتي رزين اپوكسي در محدودة °
° تعيين گرديد. ساختار انبساط حرارتي خالصي تقريباَ خطي است لذا مقدار ثابت براي كاربردهاي مهندسي عمران كافي مي‌باشد. مقدار ميانگين مي‌باشد . با دانستيه مقدار نسبت حجم و نسبت وزن رزين به سيم CFK ، ضريب انبساط حرارتي مي‌توانند توسط معادلات 3,2 محاسب شوند. اين ضريب محاسبه شده يك تقريب براي مقدار حقيقي است زيرا بستگي يه ميزان پيوند عرضي رزين اپوكسي، نسبت تركنندگي ابياف توزيع همگن رزين در سيمهاي CFK دارد و فقط به رطوبت مربوط نمي‌شود. با اين ضريب ، توزيع تنش در جهت شعاع و مماس مي‌تواند با فرض حلقة انبساط يافتة بارگيري شده توسط تنش‌هاي شعاعي ثابت در حلقة داخلي با استفاده از معادله(4) ، محاسبه شود.
توزيع تنش در بتن تحت فرض يك تفاوت دماي 20k و پارامترهاي ماده مطابق با جدول 1 مي‌باشد دردماي مماسي تنش‌هاي كششي مي‌تواند به 3/22 براي و براي
برسد تنشهاي كششي شعاعي در بتن به در ناحيه تماس بتن و سيم CFK مي‌رسد و بطور نمايي كم مي‌شود حداكثر تنش ماكزيمم در بتن كمتر از استحكام كششي آن است و مساحت ناحيه تنش‌هاي كششي خيلي كوچك است كه ناشي از نتايج نمايي است. بعضي تأثيرات بيشتر باعث كاهش پيوند مي‌شود و يك سيم دايره‌اي ايده‌آل صحيح نيست ، بع شكل واقعي

فایل : 23 صفحه

فرمت : Word