بررسی و بهبود مشخصات مکانیکی بتن نیمه سبک مقاومت بالا با استفاده از الیاف پلی پروپیلن و مقایسه آن با بتن نیمه سبک معمولی با مصالح بومی کرمان

چکیده

امروز افزایش مقاومت و شکل‌پذیری هر چه بیشتر، مهم‌ترین و و پرکاربردترین مصالح ساختمانی یعنی بتن، دغدغه کثیری از محققان و پژوهشگران شده است و در این مقاله نیز براساس آزمایش‌های صوت گرفته تأثیر الیاف و تغییرات طول الیاف در بتن نیمه سبک مقاومت بالا تسلیح شده یا استفاده از الیاف پلی پروپیلن مورد بررسی و با بتن معمولی مقایسه گردیده است.

همچنین این مقاله در نظر دارد تا با معرفی بتن نیمه سبک مقاومت بالا با الیاف به منظور رفع یکی از بزرگترین معایب بتن نیمه سبک که خاصیت الاستیک پایین می‌باشد و منجر به مقاومت کششی پایین‌تر نبست به بتن معمولی می‌گردد، تأثیر بسزای آن در جلوگیری از ترک خوردگی و افزایش نرمی را نشان دهد. مهم‌ترین کاربردی که این نوع بتن ویژه نیمه سبک در تیرها، کف‌ها، شیب‌ها و محل‌های خوردگی و فرسایش می‌باشد. نتایج آزمایشات نشان داد که برای رسیدن به مقاومت بالای کششی و بالا بردن حداکثر تنش در بتن نیمه سبک با الیاف، تغییر طول الیاف تأثیر بسزایی دارد. همچنین استفاده از الیاف پلی‌پروپیلن موجب بهبود مشخصات مکانیکی بتن سبک مقاومت بالا نسبت به بتن معمولی می‌گردد.

کلمات کلیدی: بتن نیمه سبک، مواد حباب زا، مقاومت فشاری، پودر سنگ

مقدمه

دولت‌ها دامنه وسیعی از حقوق و وظایف شامل حق امنیت، سلامت و دستیابی به اطلاعات و وظیفه حفاظت محیط زیست، احترام به ایمنی، استقلال و حریم خصوصی دیگران را تعیین می‌کنند و استانداردها، خط مشی‌های لازم برای استفاده از این حقوق و عمل به این وظایف را روشن می‌سازند.

کشور ایران از مناطق زلزله خیز جهان محسوب می‌شود و بحث سبک‌سازی ابنیه جهت افزایش مقاومت در برابر زلزله از اهمیت بخصوصی برخوردار می‌باشد. استفاده از بتن به عنوان یکی از پر مصرف‌ترین مصالح ساختمانی در ابنیه سازه‌ای همواره دارای مشکل سنگینی بوده است. چگالی بتن معمولی در حدود 2200 تا 2600 کلیوگرم بر متر مکعب می‌باشد. در نتیجه وزن مرده قطعات بتنی زیاد است و نسبت زیادی از بار مرده وارد بر سازه را تشکیل می‌دهد. بکار بردن بتن با چگالی کمتر باعث کاهش بار مرده ساختمان و در نتیجه کوچکتر شدن ابعاد قطعات باربر می‌گردد. به علاوه با استفاده از بتن سبکتر قالب نیاز به تحمل فشار کمتری در مقایسه با بتن معمولی دارد و همچنین کل جرمی مصالحی که باید جابجا گردد کاهش می‌یابد. همچنین امروزه در کشور ما با توجه به مسائل اجرائی و اقتصادی، استفاده از بتن در سازه‌های مختلف توسعه چشمگیری یافته است در حالی که هنوز نفوذپذیری بتن به دلیل تخلخل ذاتی آن از مشکلات اصلی سازه‌های هیدرولیکی در تأسیسات شهری، صنعتی و دریایی است که نه تنها موجب تخریب بتن می‌گردد بلکه با خوردگی میلگردهای فولادی خسارات زیادی به سازه‌ها وارد می‌کند، روش‌های مختلفی از جمله استفاده از انواع مختلف مواد افزودنی برای کاهش نفوذپذیری بتن ارائه شده ولی در حالت کلی پدیده نفوذپذیری چندان تحت کنترل درنیامده است.

اخیراً توسط محققان گام‌های مختلفی جهت کنترل ترک‌خوردگی، خواص مکانیکی، توزیع تنش و… با استفاده از الیاف برداشته شده و از آنجائی که انواع الیاف می‌‌توانند با ایجاد پل‌هائی در ساختار بتن و به صورت دوخت و دوز مصالح بتنی مصالح متشکله آن، موجب کنترل انواع ترک‌ها و کاهش نفوذپذیری بتن گردند. بتن و کاربرد آن در سازه‌های عمرانی به عنوان یکی از مصالح پایه در صنعت ساخت و ساز به شمار می‌آید. تمایل زیاد به صنعت به استفاده از مصالح بتنی منجر به انجام پژوهش‌های زیادی در زمینه اصلاح معایب و بهینه شدن آن شده است.

یکی از ضعف‌های مشهور در بتن، ترد شکنی و عدم شکل‌پذیری مصالح بتنی می‌باشد که در حال حاضر تسلیح اعضای بتنی به وسیله آرماتورهای فولادی و الیاف گسسته تلاشی برای غلبه بر آن می‌باشد. یکی از پرکاربردترین الیاف، الیاف پلیمری مصنوعی است که غالباً به دو صورت ژاکت‌های دور پیچ و ترمیم کننده یا مقاوم‌سازی و تسلیح بتنی به کار می‌روند. پلیمرها چه به عنوان مسلح کننده اصلی به کار می‌روند و چه به عنوان ترمیم کننده یا مقاوم‌ساز، دارای خواصی مانند وزن کم، مقاومت بالا، نسبت مقاومت به وزن بالا، سرعت عملیات اجرایی، عدم نیاز به ماشین آلات و تجهیزات خاص، مقاوم بودن در برابر شرایط جوی و خوردگی، اقتضادی بودن مجموع عملیات و ساده بودن اجرای عملیات می‌باشد. لذا در این مقاله قصد بررسی رفتار بتن سبک پر مقاومت تسلیح شده با الیاف پلیمری داشته تا با نتایج این بررسی تأثیرات آن مورد مطالعه قرار بگیرد.

بتن تسلیح شده با الیاف

طبق تعریف ACI544.IR-82 بتن مسلح با الیاف یا بتن الیافی بتنی است که با سیمان هیدرولیکی مصالح سنگی ریزدانه یا ریزدانه و درشت دانه والیاف مجزا و غیر پیوسته ساخته می‌شود. الیاف ممکن است از مصالح طبیعی مانند پنبه نسوز، انواع مخصوص کنف و سلولز و یا از محصولات تولیدی مانند شیشه، فولادی، کربن و پلیمر (مانند پلی پروپیلن یا کولار) ساخته شوند. در این مطالعه مسلح نبودن بتن با الیاف نتایج چشمگیری همچون مقاومت کشش و جلوگیری از توسعه ترک‌ها و افزایش سختی به وسیله انتقال تنش در عرض مقطع یک ترک را به همراه داشت که می‌توان با توجه به این نتایج تغییر شکل‌‌های بزرگتری را ایجاد کرد. در این حالت موجود در بتن الیاف باعث جلوگیری شکست آنی بتن بوده و رفتار بتن را کنترل کرده و شیب منحنی تنش- کرنش با شیب ملایمی بالا می‌رود. بدیهی است بتن سبک پر مقاومت تسلیح شده با الیاف می‌تواند مزایای بتن سبک با مقاومت بالا و کنترل رفتار بتن را به طور همزمان دارا باشد.

بتن الیافی در حقیقت نوعی کامپوزیت است که با بکارگیری الیاف تقویت کننده داخل مخلوط بتن، مقاومت کششی و فشاری آن فوق‌العاده افزایش می‌یابد.

این ترکیب کامپوزیتی، یکپارچگی و پیوستگی مناسبی داشته و امکان استفاده از بتن به عنوان یک ماده شکل‌پذیر جهت تولید سطوح مقاوم پر انحنا را می‌آورد. بتن الیافی از قابلیت جذب انرژی بالایی نیز برخوردار است و تحت اثر بار ضربه‌ای به راحتی از هم پاشید نمی‌شود.

طرح تحقیقاتی طراحی بتن سازه‌ای نیمه سبک با مقاومت فشاری و خمشی بالا، با انگیزه به دست آوردن طرحی با وزن مخصوص بین 1800 تا 1950 کیلوگرم در متر مکعب و مقاومت فشاری بین 40 تا 70 مگاپاسکال برای استفاده و اجرای سازه‌ای به صورت گسترده پیشنهاد و مورد تحقیق قرار گرفته است.

برای ضعف کششی بتن و کاهش ترک‌های آن استفاده از میلگرد صورت می‌پذیرد اما آنجا که میلگرد بخش کوچکی از مقطع را تشکیل می‌دهد صحیح نخواهد بود و از این جهت برای ضعف شکنندگی و تردی که بتواند تمام سیستم را به طور یکنواخت حفظ نماید، در سال‌های اخیر از رشته‌های نازکی از الیاف معروف استفاده می‌کنند.

از جمله محاسن بتن‌های مسلح با مقاومت بالا، بهبود خواص مکانیکی و کاهش نفوذپذیری، مقاومت شیمیایی بالا در برابر عوامل مخرب و مقاومت در برابر ضربه‌های مکانیکی شدید می‌باشد.

در آزمایشات انجام شده قسمت الاستیک خطی پیش از پیک منحنی تنش- کرنش در بتن با استحکام بالای تقویت نشده، به مقدار زیادی افزایش می‌یابد. پس از رسیدن به پیک بار، منحنی تنش- کرنش شدیداً افت می‌کند که نشانگر وجود مناطق شکننده می‌باشد. انرژی جذب شده در فاز الاستیک صرف ایجاد ترک و پخش شدن ترک‌ها نمی‌شود، در نتیجه رشد ثابت ترک که منجر به شکست بتن می‌شود اتفاق نمی‌افتد. این امر شکست ناگهانی و شدید بتن را به همراه خواهد داشت.

به علاوه، نفوذپذیری بسیار کم بتن‌های با استحکام بالا مشکلاتی را به همراه خواهد داشت که از جمله آن می‌توان به مقاومت در برابر آتش اشاره کرد. به هنگام آتش‌سوزی، دمای بتن به سرعت افزایش می‌یابد. به علت وجود تعداد اندک روزنه‌های موئین، آب که هنوز در بتن هیدارته نشده، در فضای داخل بتن محبوس می‌شود. بدین ترتیب در سطح بتن ترک ایجاد خواهد شد. حتی مولکول‌های آب که درگیر پیوند شیمیایی هستند نیز می‌توانند بخار شوند.

جهت مقابله کردن با این مشکلات، از الیاف پلی‌پروپیلن با توجه به خواص ویژه و ارزان بودن آن استفاده می‌شود.

الیاف پلی‌پروپیلن باعث کاهش شکنندگی و افزایش مقاومت در برابر آتش خواهند شد. الیاف پلی‌پروپیلن در دمای 160 درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شوند و در نتیجه به هنگام آتش‌سوزی کانال‌هایی را در بتن ایجاد می‌کنند. بدین ترتیب مایعات و بخار آب امکان خروج از داخل بتن را پیدا می‌کنند و فشار داخلی کاهش می‌یابد.

بدین ترتیب از ورقه ورقه شدن سطح بتن جلوگیری به عمل می‌آید. چنانچه گاز در ساختار داخلی بتن محبوس شود، تنش کششی داخلی در دمای 300 درجه سانتی‌گراد حدود 8 N/mm³ خواهد شد. در دمای 350 درجه سانتی‌گراد، این مقدار دو برابر خواهد شد.

پلی‌پروپیلن از خانواده پلی‌اولفین‌ها است. الیاف پلی‌پروپیلن آب دوست نبوده در نتیجه آب جذب نمی‌کنند و مخرب نیز نیستند. علاوه بر آن این دسته از الیاف در برابر قلیای‌ها و مواد شیمیایی و کلرید مقاوم هستند و خاصیت انتقال کمی دارند. با توجه به این خصوصیات الیاف پلی‌پروپیلن نیاز به آب بتن تازه ندارد و مزاحمتی برای ترکیب سیمان با آب ایجاد نمی‌کند.

الیاف پلی‌پروپیلن از طریق کشیدن و بسط دادن فیلم پلاستیکی تهیه می‌شود و پس از آن به صورت رشته جدا شده به اندازه لازم بریده می‌شود. الیاف موجود در محدوده طولی حدود 6/5 تا 63/5 میلیمتر هستند.

نقش الیاف در بتن

مزایا و نقش مهم الیاف در بتن الیافی باعث شده که مورد علاقه اکثر مهندسین و طراحان قرار بگیرد. امکان به کار گیری در اکثر مناطق جغرافیایی استفاده از متریال طبیعی و ارزان دارای هزینه کم در مقایسه با حجم زیاد عملیات و شکل‌پذیری آن با توجه به اشکال هندسی طرح و کارایی مناسب و مقاومت بسیار بالا و مقاوم در برابر نیروهای فشاری و کششی و قابلیت جذب انرژی و پایداری در برابر ترک خوردن از ویژگی‌های بارز این نوع بتن می‌باشد.

با توجه به کلیه نتایج گرفته شده می‌توان دلایل زیر را برای استفاده از این نوع بتن بیان کرد:

1. کنترل شیب منحنی تنش- کرنش
2. جلوگیری از گسیختگی و نابودی سازه
3. کاهش وزن اعضا (بار مرده)
4. کاهش ابعاد سازه (افزایش فضای مفید)
5. کاهش هزینه

انواع الیافی که در بتن استفاده می‌شود می‌توان به شرح زیر دسته‌بندی کرد:

1. الیاف فولادی به مقاومت کششی بسیار بالا به قطر 1 میلی‌متر و طول 5 سانتی متر، قطر 0/8 و 6 سانتی متر
2. الیاف مصنوعی که برای ارتقا و پایداری و عملکرد مکانیکی بتن بخضوض شاتکریت استفاده می‌شود.
3. الیاف شیشه‌ای که جهت مسلح کردن بتن و افزایش مقاومت شیمیایی استفاده می‌شود.
4. الیاف پلی‌پروپیلن که به قصد کنترل ترک‌های مویی، تقویت عملکرد پلاستیکی بتن در دراز مدت (پدیده خزش 10 در بتن) استفاده می‌شود.
5. الیاف پلی‌پروپیلن که به قصد کنترل ترک‌های مویی، تقویت عملکرد پلاستیکی بتن دراز مدت (پدیده خزش در بتن) استفاده‌ می‌شود.

لازم به ذکر است قابلیت انعطافی که بتن الیافی دارد همانند خواص مواد پلاستیکی باعث می‌شود که بتن الیافی گسیختگی ناگهانی نداشته باشد. از آنجا که الیاف فولادی در جسم بتن در همه جهات پراکنده می‌شود در صورت تشکیل یک ترک در جهات مختلف الیاف اتصالاتی را به وجود آورده و از گسترش ترک جلوگیری می‌نماید. بنابراین رشته‌های الیافه به طور فعال در محدود کردن عرض ترک وارد عمل شده و با تشکیل ریز ترک‌های زیاد قابلیت بهره‌برداری بتن را افزایش می‌دهند. در این مطالعه بتن مسلح به الیاف پلیمری استفاده و همانند بتن معمولی ریخته و متراکم شده و روش طراحی مخلوط آن با در نظر گرفتن برخی ملاحظات برای پخش یکنواخت الیاف و جلوگیری از جداشدگی و پدیده گلوله‌ای شدن و ایجاد یک مخلوط کارا جهت ریختن تراکم و پرداخت بتن شبیه به روش طراحی مخلوط بتن معمولی انجام شده است. در آزمایشات این مطالعه الیاف به خاطر آسانی پخش به صورت خشک بعد از مخلوط شدن مصالح همچون سیمان، سنگدانه و افزودنی‌ها اضافه شده است. یکی از موارد مهمی که در حین ساخت بتن باید رعایت شود، جلوگیری از ایجاد گلوله‌ای شدن الیاف است. اغلب این مشکل به دلیل افزایش مقدار الیاف و یا اضافه کردن سریع الیاف به مخلوط ایجاد می‌شود. در این مواقع الیف نزدیک به هم جمع شده و سبب کاهش کارایی مخلوط و در نتیجه کاهش مقاومت و نرمی بتن سخت شده می‌شود. در حالت کلی با افزایش مقدار الیاف و یا افزایش نسبت جذبی آن‌ها که می‌توان از رابطه:

به دست آورد وجب کاهش کارایی و در نتیجه کاهش مقاومت بتن می‌شود که در این رابطه:

σ برابر با چسبندگی، d قطر متوسط الیاف و I طول الیاف می‌باشد.

در آزمایشات این مطالعه که در جدول شماره 7 نشان داده شده است، رفتار 12 نمونه در ابعاد 10*10*10 با نوع سنگدانه‌ها و نسبت‌های مصالح یکسان در درصدها و طول الیاف‌های پلیمری مختلف در سنین 7 و 28 روز مورد بررسی قرار گرفت تا بتوان بهینه‌ترین طول الیافی جهت استفاده در بتن الیافی به دست آورد و با مقایسه تک ب تک نمونه‌ها با هم و در نهایت مقایسه مقاومت در بهینه‌ترین طول و بتن معمولی نتایج حاثر اهمیتی را به دست آورده شد.

با توجه به اینکه ضوابط اساسی در رابطه با طول الیاف در بالا شاشاره شد، با متناسب انتخاب کردن اندازه سنگدانه‌ها و طول‌های الیاف و همچنین با در نظر گرفتن طول بحرانی الیاف، کمترین خطای ممکن در طول آزمایش صورت پذیرد.

مشخصات اجزای تشکیل دهنده بتن

ژل میکروسیلیس

شرح

استفاده از ژل میکروسیلیس در بتن‌ریزی‌های مجاور سواحل دریاها به طور جدیدی مورد توجه مهندسین ساختمان قرار گرفته است به دلیل خصوصیات بارز پوزولاتی میکروسیلیسف استفاده از آن جهت بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام بتن در کشورهای پیشرفته رو به افزایش است. میکروسیلیس یک محصول فرعی از کوره‌های قوس الکتریکی در جریان تولید آلیاژهای فرو سیلیس می‌باشد. این ماده با داشتن بیش از 70 درصد سیلیس با حالت غیر کریستالی و به شکل ذرات بی نهایت ریز با قطر متوسط 0.1 متوسط میکرون شدیداً پوزولاتی و برای استفاده به عنوان یک ماده سیمانی در بتن بسیار مناسب است و با استاندارد ASTM Cl240 مطابقت دارد. پودر میکروسیلیکا جهت تقویت خواص آب‌بندی و دوام سازه‌های بتنی به خصوص در سازه‌های ساحلی، آبی و بتن‌هایی که در معرض حمله شدید سولفات‌ها و خوردگی آماتورها قرار دارند. این ماده به رنگ خاکستری روشن است.

مزایای مصرف

افزودن ژل میکروسیلیس به مخلوط بتن باعث می‌گردد Sio2 فعال آن با محلول هیدروکسید کلسیم آزاد در منفذ موئین بتن ترکیب گردد و کریستال سیلیکات کلسیم نامحلول تولید نماید و در نهایت باعث تراکم ساختار خمیر سیمان و کاهش نفوذپذیری و افزایش مقاومت فشاری، الکتریکی، خمشی و کششی بتن، افزایش مقاومت بتن در برابر فرسایش، کاهش مقابل توجه نفوذپذیری، جلوگیری از نفوذ یون کلر، سولفات‌ها و سایر مواد شیمای مخرب به داخل بتن گردد.

لیکا

کاربرد لیکا به دو صورت سبکدانه سازه‌ای و غیر سازه‌ای در نقاط مختلف جهان است. در صنعت ساختمان ببه صورت بلوک‌های بنایی سبک و قطعات پیش ساخته سبک و همچنین بتن سبک و ملات سبک است. یک موضوع فرعی بسیار جالب این است که بیشترین مصرف این بلوک در دو منطقه از آمریکا با شرایط آب و هوایی کاملاً متضاد بوده است:

• در فلوریدا که آب و هوای نسبتاً گرم دارد، ثابت شده است که بلوک بتن سبک راه حل موثر در برابر تندبادهای دریایی است.
• در آلاسکا که بسیار سردسیر است، این بلوک‌ها به دلیل ویژگی‌های عایق‌بندی و مقاومت در برابر آتش و نفوذ باران‌های افقی که از اقیانوس آرام حرکت می‌کنند، به طور گسترده به کار می‌روند.

از دیگر ویژگی‌های بتن سبک می‌توان به وزن سبک‌تر و مقاومت بیشتر، عایق حرارتی و مقاومت در برابر نفوذ و … اشاره نمود.

سیمان و روان‌کننده

سیمان مورد استفاده از کارخانه ممتازان کرمان تهیه شده و سیمان تیپ 1-425 می‌باشد و روان‌کننده مورد استفاده بر پایه پلی کربوکسیلات و از شرکت ساختمان شیمی تهیه شده است.

برنامه آزمایشگاهی

در این تحقیق خواص مکانیکی بتن‌های نیمه سبک ساخته شده از لیکا با 25، 50 و 75 درصد جایگزینی لیکا با شن که با الیاف پلی‌پروپیلن با درصدهای 0/5، 1/5 و 2 درصد مسلح شده‌اند مورد مطالعه قرار می‌گیرد. لازم به ذکر است که در کلیه مخلوط‌ها نسبت آب به سیمان و اسلامپ به ترتیب برابر با 0/4، 0/5 و 60 سانتیمتر نگه داشته شده است و عیار مصالح سیمانی 400 کیلوگرم بر مترمکعب می‌باشد. و به دلیل استفاده از ژل میکروسیلیس به منظور بالا بردن چسبندگی مصالح و افزایش مقاومت فشاری، از نسل سوم فوق روان کننده برای کاهش میزان آب اختلاط و افزایش روانی که سبب افزایش خواص مقاومتی بتن و ثابت نگه داشتن اسلامپ در محدوده مورد نظر استفاده می‌گردد.

طرح مخلوط بتن نیمه سبک و نحوه اختلاط مصالح

نسبتهای اختلاط اجزا مطابق استاندارد ACI 211-1-91 تعیین گردید و برای تخمین سنگدانه‌های سبک از روش حجم مطلق استفاده شده است. مقادیر اجزاء مخلوط‌های بتنی نیمه سبک ساخته شده، در جدول زیر ارائه گردیده است.

برای مخلوط کردن مصالح ابتدا سنگدانه‌ها را در میکسر ریخته و سپس الیاف و بعد سیمان و ژل میکروسیلیس و در انتها آب و فوق روان کننده به مخلوط اضافه گردیدند. لازم به ذکر است که با افزایش درصد الیاف زمان اختلاط را بیشتر نموده تا الیاف کاملاً در بتن به طور یکنواخت مخلوط شود.

برای انجام آزمایش‌های مقاومت فشاری، کششی و خمشی و سه نقطه‌ای به ترتیب از نمونه‌های مکعبی 10*10 متر، استوانه‌ای 30*15 سانتی‌متر اسفتاده شده است. تمام نمونه‌های آزمایشی یک روز پس از قالب برداری در آب با درجه حرارت 20 درجه سانتیگراد عمل‌آوری شده‌اند. ضمناً از هر مخلوط 3 نمونه و در سنین 7، 14 و 28 روز مورد آزمایش قرار گرفته و مقادیر میانگین گزارش شده است.

تحلیل و بررسی نتایج آزمایشات

تأثیر درصدهای مختلف لیکا و الیاف روی مقاومت فشاری و کششی و خمشی بتن

با افزایش جایگزینی لیکا به نسبت‌های متفاوت ژل میکروسیلیس و الیاف، مقاومت افزایش می‌یابد. و این تنها به دلیل جذب بهتر سنگدانه‌های لیکا نسبت به سنگدانه‌های معمولی از ژل میکروسیلیس و همچنین تأثیر بهتر سیمان روی آن است. همچنین الیاف استفاده گردیده نیز موجب قفل و بست شدن بیشتر دانه‌ها و همچنین مقاومت بیشتر آن‌ها شده است. افزایش لیکا موجب کاهش مقاومت خمشی و کششی شده که با تغییر نسبت‌های الیاف و سیمان و ژل میکروسیلیس همانطور که در نتایج دیده می‌شود افزایش می‌یابد و موجب بهبودی این ضعف بتن نیمه سبک می‌گردد. همچنین خود الیاف مقاومت کششی و خمشی بتن نیمه سبک را به طور چشمیگیری افزایش می‌دهد. نتایج آزمایش اشاره بر رفتار خطی بین مقاومت فشاری و مقاومت کششی بتن در همه نمونه‌ها دارد. این افزایش در میزان مقاومت خمشی دلالت بر اتصال خوب بین الیاف و ملات بتن دارد و همانطور که انتظار می‌رود در اولین ترک بتن همانند بتن مسلح مقاومت توسط الیاف تحمل می‌گردد.

بررسی استحکام بتن

هر چه نسبت آب به سیمان کمتر باشد بتن کارآمدتر است، این نسبت را می‌توان با استفاده از روان کننده‌های مناسب به حخداقل رساند. اسلامپ پارامتر مهمی برای تخمین کارآمدی بتن تازه می‌باشد. با استفاده از الیاف پلی‌پروپیل مقادیر اسلامپ را می‌توان کاهش داد. مخلوط بتن تازه بسیار چسبنده است در حین فرآیند اختلاط حرکات برشی مواد سازنده باعث جدا شدن الیاف دسته‌ای از یکدیگر شده، شبکه‌ای از تک فیلامنت‌های مجزا تشکیل می‌دهد. الیاف به علت سطح مخصوص زیادشان خواص مکانیکی سیمان را بهبود می‌بخشند. خوشه الیاف با خمیر سیمان، بدون فشردگی و سخت شدن در مخلوط سیمان شکل می‌گیرید. تمرکز ناهمگن مواد در مخلوط، به جدا شدن ذرات از هم کمک می‌کند. همزمان پدیده خروج آب از بتن نیز رخ می‌دهد. تمام این موارد منجر به کاهش اسلامپ می‌شود. چنانچه پدیده خروج آب از مخلوط رخ دهد، مواد تشکیل دهنده سیمان نیز به سطح بتن خواهد آمد. بدین ترتیب لایه‌ای رقیق از سیمان بر روی سطح شکل می‌گیرد. زیرا الیاف بتن را جمع می‌کند و نشست ذرات سازنده بتن را به تعویق می‎‌اندازد.

ته نشین شدن الیاف و یا بر روی سطح آمدن آن‌ها در بتن تازه مطلوب نیست. از آنجایی که الیاف دارای مقاومت کششی بالایی می‌باشد. کاربرد الیاف در بتن باعث افزایش استحکام کششی بتن می‌شود چنانچه بتن در معرض تنش کششی قرار گیرد الیاف این تنش را پخش می‌کنند. همچنین الیاف از رشد ترک‌ها جلوگیری می‌کند. چنانچه ترکی نیز شکل گیرد الیاف همچون پلی از گسترش ترک جلوگیری می‌کنند. لازم به ذکر است با توجه به کاهش نرخ خروج آب از بتن حاوی الیاف زمان بیشتری برای خشک شدن نهایی نیاز خواهد بود.

تأثیر الیاف پلی‌پروپیلن بر خواص بتن سخت شده

با توجه به نمودارهای اشکال 1،2 و 3 می‌توان نتایج زیر را استخراج نمود:

• الیاف نقش تقویت کننده در مقیاس میکرو را در بتن ایفا می‌کند لذا خواص مکانیکی بتن بیشتر خواهد شد.
• الیاف با توجه به استحکام کششی زیادشان از تشکیل و پیشرفت ترک‌ها جلوگیری به عمل می‌آورند و با نگه داشتن ماترسی سیمانی و یا تشکیل پلی مابین ترک‌ها مانع انتشار آن‌ها می‌شود. در نتیجه طول و ضخامت ترک رشد نمی‌کند.
• کرنش نهایی زیاد الیاف، بتن را قادر می‌سازد تا در برابر تفییر شکل‌های زیاد، بدون فرو ریختن ساختار مقاومت کند.
• نتایج آزمایش حاکی از این که با افزایش درصد وزنی الیاف مصرفی، مقاومت فشاری افزایش می‌یابد.

استفاده از الیاف در بتن با استحکام بالا معایبی نیز به شرح زیر به همراه دارد:

• با توجه به مدول لاستیک کمتر الیاف نسبت به ماتریس سیمانی، الیاف خود، آغازگر تشکیل میکروترک‌ها خواهند شد. از این رو پیوندهای مکانیکی شکل گرفته با ماتریس سیمانی کم است. در نتیجه نه تنها حداکثر استحکام افزایش نمی‌یابد، بلکه خود عاملی برای تشکیل ترک و تخریب خواهد شد.
• الیاف با تشکیل معایبی در مقیاس میکرو در ماتریس سیمانی باعث افزایش خجم روزنه‌ها خواهد شد.

در آزمایشات نمونه بتن فاقد الیاف در اثر اعمال نیرو کاملاً تخریب شد در صورتی که نمونه حاوی الیاف در اثر اعمال نیروی مشابه شکل خود خود را حفظ کرده و تخریب نشده است. منتهی شکستگی‌هایی به صورت خطی و محدود در بتن مشاهده گردید. در بتن حاوی الیاف به جای فرو ریختن ساختار، ترک‌هایی در راستای محور اعمال نیرو ایجاد شده است که در تمام نمونه‌های بتنی تقریبا یکنواخت پخش شده است.

نتیجه‌گیری

در این مقاله با به کارگیری الیاف و جایگزینی سبکدانه لیکا با بخشی از مصالح شن و ماسه نتایج زیر حاصل گردید:

1. میانگین افزایش مقاومت فشاری با افزایش میزان الیاف تا 8/7 درصد بوده است.
2. میانگین افزایش مقاومت کششی با افزایش الیاف تا 6/2 درصد می‌باشد که علت آن افزایش چسبندگی بین ماتریس بتن و الیاف است.
3. متوسط افزایش مقاومت خمشی با افزایش درصد حجمی الیاف تا 8 درصد می‌باشد که دلالت بر اتصال خوب بین الیاف با ماتریس بتن دارد.
4. الیاف با تشکیل شبکه‌ای مانع از آن می‌شود که سبکدانه از بقیه مصالح جدا شده و توزیع یکنواختی داشته باشند و در هنگام شکستن نیز مصالح از هم پاشیده نمی‌شوند.
5. طرح بتن ساخته شده ستون 12 به عنوان طرح اختلاط سازه‌ای مناسب پیشنهاد می‌شود.
6. همواره استفاده از بتن الیافی به ابتکار طراح در استفاده از مقاومت‌های استاتیکی، دینامیکی و خستگی بستگی دارد و توزیع یکنواخت الیاف بتن مقطع ایزوتروپیکی را ایجاد می‌نماید.
7. با توجه به خواص مطلوب و صرفه اقتصادی الیاف پلی‌پروپیلن اخیرا استفاده از این نوع الیاف جهت رفع برخی نواقص بتن با استحکام بالا- شکنندگی و عدم مقاومت در برابر آتش- پیشنهاد می‌شود.
8. با افزودن الیاف به بتن اسلامپ کم می‌شود و الیاف دارای سطح مخصوص بالایی بوده، باعث تقویت مکانیکی خمیره سیمان می‌شود و بتن را نگه می‌دارد.
9. حضور الیاف در بتن باعث بهبود مقاومت حرارتی و عدم ریزش سازه به علت فشار بخار آب به هنگام آتش‌سوزی می‌شود.
10. بتن الیافی تسلیح شده با الیاف مقاومت نسبتاً زیادی نسبت به بتن معمولی در برابر تنش‌های خستگی از خود نشان می‌دهند.
11. می‌توان با توجه به منحنی تنشی که از رفتار بتن الیافی رسم شد نتیجه گرفت که این نوع بتن در برابر ضربه مقاومت بیشتری نسبت به بتن معمولی دارد.
12. بعد از رخ دادن ترک خوردگی در بتن الیافی قابلیت بارگیری قابل توجهی نسبت به بتن معمولی مشاهده می‌شود.
13. در حین انجام بارگذاری، با توجه به میزان تحمل تنش‌ها و کرنش‌های کششی قابل ملاحظه‌ای در بارهای کششی، می‌توان به این نتیجه رسید که بتن پر مقاومت سبک مسلح به الیافی پلیمری کاربرد موثری در طراحی‌ها می‌تواند داشته باشد.
14. استفاده از پوزولان‌های میکروسیلیس به صورت جداگانه در سیمان بتن سبک، سبب افزایش مقاومت فشاری و کششی و مدول الاستیسیته بتن سبک می‌شود.

دانلود مقاله از انجمن بتن ایران