مقاله کامل ارزیابی تأثیر دما و الیاف بر خواص مکانیکی بتن خودمتراکم سبک

چکیده 1

1 -مقدمه. 1

2 -مواد و روش اختلاط. 2

2 -1 مصالح. 3

2-2 -طرح اختلاط بتن مصرفی. 4

2-3 -روش اختلاط بتن مصرفی. 4

3 -برنامه آزمایشگاهی. 5

3-1 -آماده سازی نمونه‌ها 5

3-2 -روش انجام آزمایش.. 5

4 -بحث و بررسی نتایج. 5

4-1 -نتایج آزمایش‌های بتن تازه 5

4-2 -نتایج آزمایش مقاومت فشاری.. 7

4-3 -نتایج آزمایش مقاومت کششی. 9

4-4 -نتایج آزمایش مقاومت خمشی. 10

4-5 -نتایج مقدار انرژی شکست.. 12

4 -6 نتایج عکس های SEM… 14

5 –نتیجه گیری.. 14

مراجع. 16

چکیده
مزایای بتن خودمتراکم سبک باعث استفاده روزافزون آن در صنعت ساختوساز شده است. استفاده از الیاف مختلف در این نوع بتن سبب مشکلاتی نظیر کاهش کارایی و حساسیت به دما میشود که نوع و نحوه استفاده از الیاف را به چالش میکشد. ازاینرو در این تحقیق، اثرات دما و الیاف شیشه و بازالت بر روی خصوصیات بتن خودمتراکم سبک موردبررسی قرارگرفته است. در همین راستا 12 طرح اختلاط از این نوع‌ بتن شامل طرح‌های اختلاط تکی حاوی 25/%، % 5/0، % 75/0% و 1% حجمی هرکدام از الیاف‌ها و نمونه‌های ترکیبی شامل 25/0% الیاف بازالت و‌ 75/0% الیاف شیشه، 5/0% الیاف بازالت به همراه 5/0% الیاف شیشه، و 75/0% الیاف بازالت با 25/0% الیاف شیشه ساختهشده است. خواص‌ خودمتراکمی در این بتن توسط آزمایش‌های جریان ‌اسلامپ، T500، قیفV و حلقهJ سنجیده شده است. آزمایش‌های مقاومت فشاری، کششی و خمشی جهت تعیین ویژگی‌های مکانیکی بتن دردمای 20 درجه سلسیوس، همچنین دماهای 100و300 درجه سلسیوس انجام گرفتند. درنهایت نتایج آزمایش‌های بتن تازه نشان دادند که بتن خودمتراکم سبک حاضر قابلیت‌های گذرندگی، پرشوندگی و مقاومت در برابر جداشدگی را‌ پوشش دادهاند. همچنین مشخص شد افزایش الیاف موجب کاهش مقاومت فشاری و افزایش مقاومت‌های کششی، خمشی و همچنین انرژی‌ شکست میشود. ‌علاوه بر این استفاده از الیاف بهصورت ترکیبی در مقایسه با الیاف ‌به‌صورت تکی خواص مکانیکی بتن را بهبود بیشتری‌ بخشیدهاند. بهترین طرح اختلاط حاوی ترکیبی از 75/0% الیاف شیشه و 25/0% الیاف بازالت بوده است که خواص قابل قبولی از بتن تازه و‌ سخت شده و همچنین مقاومت در دماهای بالا را ارائه کرده است.
1 -مقدمه
بتن به عنوان یک ماده محبوب، بیشترین استفاده را در ساخت سازه‌های مختلف دارا میباشد. لذا تحقیقات زیادی در زمینه بهینهسازی، همگامسازی بتن با شرایط محیط و بهبود مقاومت آن توسط دانشمندان انجامگرفته است. به دلیل قرارگیری کشور ایران‌ در منطقه زلزله خیز و نیاز به کاهش بار مرده ساختمان، تولید بتن سبک موردتوجه محققین قرارگرفته است. همچنین حل مشکلات‌ مختلف در بتن سبک مانند رو زدن سنگدانه‌ها، هزینه ویبره کردن و آلودگی صوتی ناشی از آن منجر به تولید بتن سبک خودمتراکم شده است. بنابراین بتن سبک خودمتراکم نیاز به توجه بیشتر محققان جهت گسترش ویژگی‌های مفید خود دارد. در سال‌های اخیر، اثرات خاص افزودنی‌های مختلف روی ویژگی‌های بتن سبک خودمتراکم مطالعه شده است.بر روی بتن‌های سبک خودمتراکم دارای سنگدانه‌های لیکا و پلیاستایرن Madandoust و همکاران بامطالعه تاثیر نانوسیلیس به این نتیجه رسیدند که نانوسیلیس تاثیر مثبتی در کاهش جداشدگی سنگدانه‌ها داشته است. همچنین برای
نمونه‌هایی با مقدار کمتر پلیاستایرن، باعث افزایش مقاومت فشاری آنها شده است. از طرفی اضافه کردن نانوسیلیس میتواند تاثیرات منفی ناشی از‌ کاهش مقدار آب به سیمان را کم کند.
بسیاری از دانشمندان بر روی اثرات الیاف در بتن تمرکز کرده‌اند، آنها گزارش داده‌اند که ویژگی‌های مکانیکی بتن سبک‌خودمتراکم با اضافه شدن الیاف به آن بهبود مییابد که این مسئله این نوع بتن را جهت استفاده در سازه‌های مختلف جذابتر ساخته است. الیاف به جهت بهبود ویژگی‌های مکانیکی به خمیر سیمان اضافه میشوند. مطالعات نشان میدهند که الیاف ویژگی‌های‌ بتن ازجمله مقاومت کششی، مقاومت خمشی، مقاومت در برابر ضربه، مقاومت در برابر سایش، قدرت تحمل بار بعد از ترک خوردن، چقرمگی و خستگی را بهبود میبخشد.
qianH.و همکاران گزارش داده‌اند که بهمنظور بهینه کردن طول و میزان الیاف پلیپروپیلن مشخصی از ذرات ریز همانند میکروسیلیس برای پراکندگی بهتر و یکنواختتر الیاف الزم است.
S. Iqbal و همکاران نشان داده‌اند که الیاف فوالدی کوتاه میتوانند در بتن‌های سبک خودمتراکم عملکرد مطلوبی داشته‌ باشند. آنها گزارش دادند حساسیت کارایی بتن سبک خودمتراکم نسبت به این نوع الیاف در مقادیر حجمی پایینتر از 75/0% کمتر‌ از حساسیت آن در نسبت‌های حجمی بالای 1% میباشد. آنها همچنین نشان دادند، اضافه کردن الیاف بهطور مطلوبی میتواند مقاومت‌های کششی و خمشی را بالا ببرد.
Mazaheripour. Hو همکاران گزارش داده‌اند که افزایش الیاف پلیپروپیلن تاثیری بر مقاومت فشاری و مدول الاستیتهبتن سبک خودمتراکم ندارند. آنها همچنین گزارش داده‌اند که با افزایش مقدار پلیپروپیلن تا 3/0% حجمی، مقاومت کششی تا‌ 2/14% و مقاومت خمشی تا 7/10% میتوانند رشد داشته باشند.
Grabois. T.Mهمکاران نشان دادند که الیاف فوالدی در بتن سبک خود متراکم میتوانند گسترش ترکها را محدود‌ کند. از طرفی آنها گزارش داده‌اند که ظرفیت جذب انرژی بیشتری را با افزودن 1% حجمی الیاف شاهد بودند.‌‌
بر خصوصیات بتن انجام داده‌اند. آنها گزارش داده‌اند که‌ در سال‌های گذشته دانشمندان تحقیقات زیادی در رابطه با تاثیر دما بر خصوصیات بتن انجام داده اند. آن ها گزارش داده اند دما میتواند تاثیرات منفی بر روی مقاومت بتن داشته باشد. مظلوم و همکاران گزارش داده‌اند که بیشترین اثر دمای بالادر بتن بر روی مقاومت خمشی آن ظاهرشده است؛ اما تحقیقات درزمینه تاثیر دما بر روی بتن سبک خودمتراکم حاوی الیاف محدود‌ میباشد.
Aslani و همکاران گزارش دادند در بتن خود متراکم سبک حاوی دانه سبک اسکوریا و الیاف پلیپروپیلن و الیاف فوالدی‌ در دما‌های 100، 300، 600 و 900 درجه سلسیوس بهینهترین درصد
الیاف مورداستفاده، 25/0% الیاف پلیپروپیلن و 75/0% الیاف‌ فوالدی بودهاست. در بحث استفاده از الیاف، تحقیقات صورت گرفته در بتن خود متراکم سبک محدود به الیاف خاصی مانند پلی‌ پروپیلن بوده است. الیاف پلی پروپیلن دارای نقطه ذوب 160 درجه سلسیوس می باشد، لذا این نوع الیاف در دما‌هایبالاعملا ذوب‌ شده و کارایی خود را از دست میدهد.ازاینرو استفاده از الیاف بازالت و شیشه که نقطه ذوب بالاتری دارند توصیه می‌ شود. در تحقیق حاضر ‌علاوه بر سنجش تاثیر الیاف بر مقاومت این نوع بتن، تاثیر دما‌های 20، 100 و 300 درجه نیز بررسیشده است.‌
از طرفی تحقیقاتی که بر روی تاثیر الیاف کوتاه شیشه و بازالت بر روی بتن سبک خودمتراکم انجامشده باشد محدود است. از میان الیاف‌های مورد مصرف در بتن استفاده از الیاف بازالت رشد چشمگیری داشته است. این الیاف طبیعی و دوستدار محیطزیست از ذوب کردن سنگ بازالت به دست میآید و در فرآیند تولید آن مواد افزودنی دیگری استفاده نمیشود که خود به عنوان عاملی جهت کاهش هزینه‌ها محسوب میشود. همچنین الیاف شیشه نیز از افزودنی‌های پرکاربرد در بتن میباشد. آنها الیاف انعطافپذیری هستند که از شیشه مذاب بهصورت تار‌های نخی رشتهرشته میشوند. الیاف شیشه دارای مقاومت کششی بالایی هستند و در مقابل‌ حرارت مقاومت بسیار خوبی دارند.
2 -مواد و روش اختلاط
در این بخش به معرفی ویژگی‌های مصالح، طرح اختلاط و نحوه اختلاط مصالح پرداخته شده است.
2 -1 مصالح
در این تحقیق از سیمان تهران نوع 1 -425 و چگالی
𝑔
𝑐𝑚
3
15/3 همچنین میکرو سیلیس با چگالی
𝑔
𝑐𝑚
3
5/2 استفاده شده است که ترکیبات شیمیایی و ویژگی‌های فیزیکی آنها در جدول 1 آوردهشده است. سنگدانه‌ها نیز به ترتیب از سبکدانه رس منبسطشده (لیکا) با اندازه اسمی 4 -8 میلی متر به عنوان درشت دانه با چگالی
𝑔
𝑐𝑚
3
21/1 و از ماسه شسته رودخانه ای با چگالی
𝑔
𝑐𝑚
3
45/2 ریزدانه ‌استفاده شده است که دانهبندی آن در جدول 2 آورده شده است. همچنین برای افزایش کارایی و عدم بروز آب انداختگی و‌اصلاح بخش ریزدانه ماسه از پودر سنگ با چگالی
𝑔
𝑐𝑚
3
2/7 ‌استفاده شده است.‌
جهت کاهش نسبت آب به سیمان از فوق روان کننده بر پایه پلی کربوکسیلات استفاده شده است. الیاف بازالت مورد استفاده دارای طول 10 میلیمتر و قطر 11 میکرومتر همچنین الیاف شیشه دارای طول 10 میلیمتر و قطر 20 میکرومتر میباشد. مشخصات و‌ شکل الیاف مصرفی به ترتیب در جدول 3 و شکل 1 آورده شده است.
جدول 1: ترکیبات شیمیایی و ویژگیهای فیزیکی سیمان و میکروسیلیس
جدول 2: دانهبندی مصالح ریزدانه
جدول 3: ویژگی الیافها
/
شکل 1: الیاف شیشه و بازالت
2-2 -طرح اختلاط بتن مصرفی
مطابق جدول 4 نسبت آب به وزن حجمی مجموع سیمان و میکروسیلیس مورداستفاده در این تحقیق برابر 4/0 در نظر گرفته شده است. میزان میکروسیلس 10% در نظر گرفته شد، اما جهت کاهش میزان جدایش دانه‌ها مقدار روانکننده از 8/1% تا 2% وزن حجمی مجموع سیمان و میکروسیلیس متغیر است.
جدول 4: طرح اختلاط بتن مصرفی در آزمایشها
حجم مصالح (Kg-m3)نام طرح
2-3 -روش اختلاط بتن مصرفی
ابتدا سبکدانه لیکا و ماسه درون مخلوطکن ریخته شده و به مدت دو دقیقه مخلوطکن روشنشده و مصالح مخلوط گردید.‌ پسازآن سیمان و پودر سنگ و میکروسیلیس به درون مخلوطکن ریخته و دو دقیقه باهم مخلوط شده‌اند. سپس بخشی از آب‌ اختلاط به آن اضافه گردید و بعد از یک دقیقه الیاف به آن افزوده شد و یک دقیقه با سایر مصالح مخلوط گردید. درنهایت آب اختلاط‌ باقیمانده به همراه فوقروانکننده بهتدریج به مخلوط اضافه گردید و اختلاط برای سه الی چهار دقیقه دیگر ادامه یافت.
3 -برنامه آزمایشگاهی
3-1 -آماده سازی نمونه‌ها
در این تحقیق آزمایشهای بتن تازه، جهت اثبات خصوصیات خود متراکمی انجامشده است. تعداد 324 نمونه حاوی 25/0، % 5/0، % 75/0% و 1% هرکدام از الیاف‌های بازالت و شیشه، همچنین نسبت‌های ترکیبی از الیاف به مقدار 25/0% الیاف شیشه و 75/0% الیاف بازالت، 5/0% الیاف شیشه و 5/0% الیاف بازالت، همچنین 75/0% الیاف شیشه و 25/0% الیاف بازالت جهت تعیین‌ مقاومت فشاری، کششی و خمشی در دماهای 20، 100 و 300 درجه سانتیگراد مورد آزمایش قرارگرفته‌اند.
3-2 -روش انجام آزمایش
آزمایش‌های بتن تازه بر اساس آییننامه (2005 )EFNARCانجامشده است که شامل آزمایش‌های‌اسلامپT500، حلقه J و قیف V می باشد. همچنین بررسی‌های موردنیاز از جهت شکل ظاهری، جداشدگی دانه‌هاو آب انداختگی موردبررسی قرار‌ گرفت. در طرح‌هایاختلاط مختلف جهت دستیابی به معیار‌های خود تراکمی، از درصد‌های مختلف فوقروانکننده استفاده و نسبت‌ آب به سیمان ثابت نگهداشته شده است.
بیدرنگ پس از انجام آزمایش‌های بتن تازه، جهت بررسی خواص مکانیکی و حرارتی، بتن قالبگیری و نمونه‌های بتنی در دمای 20 ±درجهسلسیوس در فضای آزمایشگاه به مدت 24 ساعت نگهداری شده‌اند. نمونه‌ها پس از قالب برداری تا زمان انجام آزمایش‌ طبق آییننامه ASTM M C192/C192تحت عملآوری مرطوب قرارگرفتند.
بعد از رسیدن سن نمونه‌ها به 28 روزگی، از حوضچه آب خارج شدند و پس از 24 ساعت خشک شدن در محیط آزمایشگاه در‌ آون حرارتی قرار گرفتند و با نرخ سه درجه بر دقیقه به دما‌های 100 و 300 درجه سلسیوس رسانده شدند و جهت رسیدن به‌ حالت پایداری حرارتی هریک به مدت یک ساعت در دما‌های مذکور نگهداری شدند، سپس جهت خنک شدن با همان نرخ به دمای‌ محیط برده و در هوای محیط قرار گرفتند.
آزمایش‌های مقاومت فشاری، مقاومت کششی و آزمایش مقاومت خمشی طبق آییننامه‌هایASTMانجامشده‌اند.‌ آزمایش مقاومت فشاری ASTM M C39/C39بر روی نمونه‌های استوانهای با قطر 10 و ارتفاع 20 سانتیمتر در سن 28 روزه‌ انجامشده است. همچنین نرخ بارگذاری در این آزمایش ثابت و برابرs/MPa 5/2 میباشد.
آزمایش مقاومت کششی M C496/C496 ASTMنیز بر روی نمونه‌های استوانهای با قطر 10 و ارتفاع 20 سانتیمتر انجام‌ گردیده است و نرخ بارگذاری در آن MPa/s2/5 میباشد. آزمایش‌های مقاومت خمشی M‌ ASTM C1609/C1609بر روی‌ نمونه‌های منشوری به ابعاد 10×10×350 میلیمتر مربع ‌به‌صورت دو سر ساده و با طول دهانه 300 میلیمتر انجامشده است. سرعت‌ بارگذاری در این آزمایشmin/mm‌0/05میباشد. برای هر یک از آزمایش‌های فوق در هر سن، 3 نمونه برای هر طرح اختلاط مورد‌ آزمایش قرار گرفت و میانگین این سه عدد در جدول جدول‌های مربوط به هر بخش آمده است.
در نهایت از نمونه‌های شکسته شده جهت مشاهده ریز ساختار بتن، الیاف و نحوه پخش شدن ترکها در میکروسکوپ الکترونی‌ روبشی(sem) نمونه برداری صورت گرفت.
4 -بحث و بررسی نتایج
در این بخش به بررسی نتایج آزمایش‌های بتن تازه و سختشده پرداخته شده است.
4-1 -نتایج آزمایش‌های بتن تازه
نتایج آزمایش‌های بتن تازه در جدول 5 نمایش دادهشده است. همانطور که از جدول مشاهده میشود، حضور الیاف شیشه و‌ بازالت در نتایج آزمایش‌های بتن تازه بسیار مؤثرند. با افزایش میزان الیاف بازالت و شیشه میزان کارایی بتن کاهش مییابد، از طرفی‌ با استفاده از الیاف بازالت کاهش کارایی
بیشتری نسبت به الیاف شیشه مشاهدهشده است. استفاده از حجم الیاف بازالت بالاتر از 1% حجمی بتن موجب از بین رفتن خصوصیات خود تراکمی در بتن خواهد شد.‌
در تمامی آزمایش‌های انجامشده در بتن تازه، میزان قابلیت جریان بیشتر از 600 میلیمتر شده است که معیارهای آییننامه مربوطه (2005) EFNARCرا بهخوبی پوشش میدهد. با توجه به نمودار شکل 2، مقدار جریان اسلامپ بین 610 تا 820 میلیمتر در نوسان بود. جریان ‌اسلامپ نمونه‌های بتنی با الیاف بازالت از 50 تا 210 میلیمتر در مقایسه با بتن فاقد الیاف کاهش‌ داشتند ولی در نمونه‌های مسلح به الیاف شیشه این میزان از 20 تا 110 میلیمتر در نوسان بود.
قابلیت جریان پذیری گروه هیبریدی نیز دارای کاهش قابل ملاحظه ای میباشد. جریان ‌اسلامپ این گروه از 120 تا 170 میلیمتر‌ در مقایسه با بتن بدون الیاف کاهش داشت؛ اما با توجه به بند 4-2 آین نامه (2005 )EFNARC‌تمام نمونه‌های ترکیبی در‌ محدوده SF2 قرار گرفتند که برای تمامکارهای ساختمانی نظیر ساخت تیرها و ستونها مناسب هستند. همچنین در شکل 3 با‌ بررسی نمودار T500 به قیف V این نوع بتنها در محدوده VF2/VS2 قرار گرفتند که احتمال آب انداختگی و جدایش دانه‌هادر‌ این گروه کم میباشد. برای سنجش توان عبور از حلقه J استفاده شد. قطر نمونه‌های حلقه J بین 520 تا 790 میلیمتر در نوسان‌ بوده‌اند. بیشترین کاهش قطر حلقه J در نمونه با 1% حجمی الیاف بازالت مشاهده گردید، در این صورت می توان اینگونه استنباط‌ کرد که با افزایش الیاف بازالت به بیش از 1% حجمی، بتن قابلیت عبور خود را از دست خواهد داد.
با توجه به آزمایش‌های انجامشده و ‌به‌صورت چشمی تمام نمونه‌ها از نظر قابلیت گذرندگی و جداشدگی از یکنواختی مناسبی برخوردار بودند. شکل 4 آزمایش جریان اسلامپ بتن سبک خودمتراکم حاوی 1% الیاف بازالت را نشان میدهد.
جدول 5: نتایج بتن تازه
/
/
/
شکل 4: اسلامپ بتن حاوی 1% الیاف بازالت
4-2 -نتایج آزمایش مقاومت فشاری
مقاومت فشاری 28 روزهی تمامی طرح اختلاط‌های موردنظر تحقیق، کاهشیافته‌اند. میزان این کاهش مقاومت نسبت به‌ درصدهای حجمی مختلف الیاف و همچنین دماهای موردنظر متفاوت است. نمونه‌های بتن الیافی مسلح شده با استفاده از 25/0، % 5/0، % 75/0% و 1% حجمی الیاف بازالت در دمای 20 درجه سلسیوس به ترتیب شاهد کاهش مقاومت به میزان 96/4، % 45/3، % 30/5، % 28/6% شده است. این کاهش مقاومت در الیاف شیشه به ترتیب 91/1، % 10/2، % 08/4، % 77/4% شده است.
جدول 6: نتایج آزمایش فشاری
در نمونه‌های بتن الیافی مسلح شده با الیاف ترکیبی با میزان حجمی 25/0% الیاف بازالت و 75/0% الیاف شیشه، 5/0% الیاف‌ بازالت و 5/0% الیاف شیشه، 75/0% الیاف بازالت و 25/0% الیاف شیشه، در دمای 20 درجه سلسیوس نمونه‌ها شاهد کاهش مقاومت‌به میزان 18/5%، 33/4% و 86/3% شده اند.
بیشترین کاهش مقاومت فشاری مربوط به نمونه‌های حاوی 1% الیاف بازالت به میزان 28/6% است. دلیل این قضیه را میتوان‌ اینگونه بیان کرد که در درصدهای بالای الیاف، فضاهای خالی افزایش یافته است و این فضاهای خالی خودبهخود سبب افزایش تخلخل در نمونه‌ها شده و مقاومت فشاری آن را کاهش میدهد. Jiang و همکاران نیز با
بررسی نمونه‌های حاوی الیاف بازالت از طریق آزمایش تخلخل سنجی به روش تزریق جیوه، به این نتیجه رسیدند که افزودن الیاف بازالت باعث ایجاد تخلخل بیشتر در بتن میشود. یکی دیگر از دالیل این کاهش مقاومت، میل الیاف خصوصا الیاف بازالت به تودهای شدن است که در بعضی مواقع‌ سبب کاهش مقاومت میگردد.
در بررسی نمودار مقاومت فشاری به درصد حجمی الیاف در شکل‌های 5، 6 و 7 میانگین ضرایب R2در سه دمای 20، 100، 300 درجه سلسیوس، برای الیاف شیشه 95/0 و برای الیاف بازالت 65/0 به دست آمد. این رقم نشاندهنده وابستگی بیشتر الیاف‌ بازالت به متغیرهای دیگر نسبت به الیاف شیشه میباشد. اگر مقاومت فشاری تنها تابعی از حجم الیاف بود، نمودار کاملا‌به‌صورت‌ خطی پیش میرفت. خطی نبودن شکل نمودار حاکی از آن است که جنس الیاف نیز در این بین بسیار تاثیرگزار است. به نظر میرسد‌ جنس الیاف بازالت و شکل پرزی آن مانع از درست پخش شدن الیاف در مخلوط بتن میشود. از اینرو میتوان اینطور نتیجه گرفت‌ که الیاف شیشه نسبت به الیاف بازالت بهتر در سراسر نمونه‌ها پخششده‌اند.
/

فایل : 21 صفحه

فرمت : Word