مقاومت فشاری بتن حاوی الیاف پلی پروپیلن پس از بارگذاری اولیه

چکیده

در پروژه‌های رایج ساختمانی، کارکردن با بتنی که هنوز به مقاومت نهایی خود دست پیدا نکرده است یک امر غیر قابل پیشگیری است. ممکن است بارهای عمدی یا غیر عمدی در روزهای ابتدایی اجرای بتن بر روی آن وارد شود که سببب خسارت به سازه و تأثیر در روند رشد مقاومت سازه شود. در این مقاله تأثیر شرایط عمل‌آوری مختلف و حضور الیاف پلی‌پروپیلن در پیش بارگذاری در سنین ابتدایی مورد بررسی قرار می‌گیرد. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد مقاومت 28 روزه نمونه‌های پیش بارگذاری شده در 1 روز شده است.

واژه‌های کلیدی: بتن، الیاف پلی‌پروپیلن، پیش بارگذاری، مقاومت فشاری

مقدمه

یکی از اهداف روش‌های مدرن ساخت و ساز کاهش زمان اجرای سازه می‌باشد. در این شرایط ممکن است بارهای بزرگی بر روی بتن در چند روز ابتدایی پس از بتن ریزی وارد شود. اعمال این بارها بر روی بتنی که در مراحل ابتدایی عمر خود قرار دارد ممکن است سبب ایجاد ترک خوردگی و آسیب شود. سوالاتی ممکن است مطرح شود که آیا آسیب وارده و ترک‌های ایجاد شده در سنین ابتدایی بتن ماندگارند و یا از بین می‌روند؟ آیا بتن قادر به بدست آوردن مقاومت خود در سنین بالاتر و ترمیم آسیب‌های ایجاد شده می‌باشد یا خیر؟

عبدالجواد و حداد در سال 1992 مطالعاتی را بر روی بارگذاری زودهنگام نمونه‌های ملات و بتن انجام دادند. آن‌ها در آزمایش‌های خود نمونه‌های ملات و بتن را 2 تا 72 ساعت پس از ساخت تا 90 درصد مقاومت فشاری بارگذاری کردند. وی به این نتیجه رسید که بارگذاری تا 90 درصد مقاومت نهایی جهت ایجاد ترک در بتن و ملات، پس از 8 ساعت از ساخت نمونه‌ها بر روی مقاومت تأثیر نمی‌گذارد. به عبارت دیگر ریز ترک‌های ایجاد شده در سنین اولیه به طور کامل ترمیم یافته‌اند. همچنین نتیجه گرفت که بارگذاری پس از تنش حداکثر بتن منجر به کاهش مقاومت 10 الی 50 درصدی می‌شود که البته متناسب با سن نمونه در زمان بارگذاری سن نمونه طی آزمایش مجدد و شرایط نگهداری است. وی همچنین بیان کرد خود ترمیمی کامل ترک‌ها (پر شدن ترک‌ها) به معنی بازیابی مقاومت کامل نیست.

مطالعه‌ای از سال 2002 توسط لی یو و همکاران ترمیم ترک‌ها تحت فشار دو محوری (30 درصد مقاومت نهایی طی دوره 14 روزه) را بررسی نموده و پدیده افزایش مقاومت برای نمونه‎‌های بارگذاری شده را گزارش دادند. آن‌ها چنین نتیجه گرفتند که “تغییر شکل خزشی بتن نهایتاً منجر به آسیب رساندن به ماده مورد بررسی نمی‌گردد”. از سوی دیگر، بار متراکم‌ساز اعمال شده در سن پایین می‌تواند منجر به افزایش مقاومت گردد. نتایج ناشی از مطالعات آنان همچنان نمایان‌گر این است که بارگذاری چند محوری پایدار منجر به ایجاد افزایش بیشتر مقاومت نسبت به بارگذاری تک محوری به تنهایی می‌گردد.

کلایس و دین در مطالعه‌ای در سال 2011، نمونه‌های بتنی را تحت 80،70 و 90 درصد مقاومت فشاری نهایی 1،3و7 روز پس از اجرا بارگذاری کردند و پس از 28 روز نگهداری در آب مقاومت فشاری نمونه‌ها را به دست آوردند. آن‌ها در آزمایش‌های خود به این نتیجه دست یافتند که بارگذاری تا 90 درصد مقاومت فشاری در سنین ابتدایی عمر بتن، تأثیری بر روند افزایش مقاومت فشاری 28 روزه بتن ندارد و همچنین مطابق با نتایج آن‌ها، به طور متوسط افزایش مقاومت فشاری 6 درصدی را نسبت به نمونه‌های سالم گزارش دادند.

کوتینیو در سال 1977 پیشنهاد کرده که این افزایش مقاومت ناشی از عامل خزش است و فشار همچون دما در واکنش‌های شیمیایی تأثیر گذار است. خصوصاً واکنش اجزای تشکیل دهنده سیمان با آب. مطابق با تحقیقاتشان فشار سبب افزایش قابلیت انحلال اجزای تشکیل دهنده‌ سیمان در آب می‌شود که نهایتاً منجر به افزایش هیدارسیون سیمان می‌شود. همچنین وی پیشنهاد داده که این افزایش مقاومت، هنگامی که نمونه‌هایی با سن کمتری برای مدت طولانی تری تحت بارگذاری قرار می‌گیرند، مقدار بزرگتری دارد. البته کوتینیو خاطر نشان کرده که افزایش مقاومت فشاری از 15 درصد تجاور نمی‌کند.

نویل در سال 1995 اشاره کرد که ترک‌های ریز در بتن‌های آسیب دیده می‌توانند در شرایط مرطوب به کمک شکل‌گیری کلسیم کربنات نامحلول ناشی از کلسیم هیدروکسید در سیمان بازیابی شوند. پدیده ترمیم بتن که محققان در بازیابی مقاومت نمونه‌های آسیب دیده به آن اشاره کردند ابتدا توسط آبرامز با مشاهده محو شدن ترک‌های پل آزادراه پس از گذشت 3 سال شناسایی شد. در سال 1925 ابرامز این پدیده را خود ترمیمی نامید. با شناخت این پدیده مطالعات مختلفی صورت گرفته و در تحقیقات انجام شده توجه کمتری به بازیابی مشخصات مکانیکی نمونه‌های آسیب دیده شده است.

با توجه به مطالعات محدودی که در گذشته در زمینه بارگذاری زودهنگام بتن صورت گرفته و توجه کمتر تحقیقات انجام شده به شرایط مختلف عمل‌آوری و حضور الیاف در بهبود نمونه‌های آسیب دیده، از اهداف این مقاله مطالعه مقاومت فشاری 28 روزه نمونه‌های بتنی بدون الیاف و حاوی الیاف پس از پیش بارگذاری در 7 روز اول پس از اجرا شرایط مختلف عمل آوری است.

برنامه آزمایشگاهی

مصالح مصرفی

از سیمان پرتلند نوع 2 کارخانه سیمان هگمتان که مشخصات آن در جدول (1) آمده است استفاده شده و دوده سیلیس مورد استفاده در این تحقیق با وزن مخصوص 2/2 گرم بر سانتی‌متر مکعب می‌باشد.

سنگدانه مصرفی جهت ساخت بتن در این تحقیق از شرکت لوله‌سازی شمال تهیه شد. ماسه مصرفی، ماسه طبیعی شسته و شن مصرفی، شن شکسته با قطر سنگدانه حداکثر 19 میلیمتر می‌باشد. مشخصات فیزیکی سنگدانه‌های مصرفی در جدول (2) آمده است.

در این پروژه منحنی دانه‌بندی انتخابی سنگدانه مصرفی مطابق با استاندارد ASTM C 33 انتخاب شد. شکل (1و2) محدوده منحنی‌های مجاز و انتخابی سنگدانه مصرفی با قطر حداکثر اندازه 19 میلی‌متر مطابق با استاندارد را نشان می‌دهد.

فوق روان کننده مورد استفاده با نام تجاری Farco Plast P10-3R بر پایه‌ی پلی‌کربوکسیلات‌های اصلاح شده می‌باشد، این ماده سبزه تیره بوده و در دمای 20 درجه سانتی‌گراد وزن مخصوص آن 1.1 گرم بر سانتی‌متر مکعب می‌باشد.

در سال‌های اخیر استفاده از انواع مختلف الیاف در بتن افزایش رو به رشدی داشته است و هر نوع خاص از الیاف موجب بهبود ویژگی مشخصه‌ای از بتن می‌گردد. الیاف پلی‌پروپیلن نیز نوعی الیاف پلیمری هستند که افزودن درصدهای اندک آن موجب بهبودی چشمگیری در خواص بتن می‌شود. یکی از مزایای این نوع الیاف نسبت به بتن معمولی قابلیت باربری بالا بعد از ترک خوردگی می‌باشد. الیاف پلی‌پروپیلن مصرفی در شکل (3) مشاهده می‌گردد. این الیاف به طول 12 میلی‌متر می‌باشند و از شرکت شیمی ساختمان تهیه شده‌اند. مشخصات الیاف پلی‌پروپیلن در جدول (3) آمده است.

طرح مخلوط بتن

منظور انجام این پروژه 2 طرح مخلوط که در جدول (4) آمده است، در نظر گرفته شد. این طرح‌ها شامل یک نسبت آب به مواد سیمانی ثابت به مقدار 0.40 می‌باشد. که در یک طرح از 0.1 درصد الیاف پلی‌پروپیلن استفاده شد. کلیه طرح‌ها میزان مواد سیمانی 400 kg/m³ در نظر گرفته شد. دوده سیلیسی 10 درصد وزن مواد سیمانی با سیمان پرتلند جایگزین شد. برای دست یافتن به کارایی یکسان در هر یک از طرح‌های اختلاط و به منظور دستیابی به اسلامپی در حدود (20±80 میلی متر)، به میزان 0/3 درصد وزنی سیمان به هر یک از طرح‌ها فوق روان کننده اضافه شد.

نگهداری و عمل‌آوری نمونه‌ها

پس از ساخت بتن، قالب‌ها با یک گونی مرطوب و یک لایه پلاستیک پوشیده شدند و به مدت 20 تا 24 ساعت در دمای آزمایشگاه نگهداری گردیدند. پس از طی این مدت نمونه‌ها قالب برداری شدند. نمونه‌ها پس از خارج شدن از قالب در شرایط مختلف عمل آوری پیش‌بینی شده‌ی زیر نگهداری شدند.

• مرطوب: نمونه‌ها پس از قالب‌برداری در مخفظه حاوی آب قرار داده شدند و تا زمان آزمایش مجدد آب عمل‌آوری شدند.
• خشک کنترل شده: نمونه‌ها پس از قالب برداری به مدت 72 ساعت در گونی مرطوب قرار داده شدند و پس از آن در شرایط محیطی آزمایشگاه عمل‌آوری شدند.
• کاملاً خشک (خشک کنترل نشده): نمونه‌ها پس از قالب برداری در محیط آزمایشگاه با دمای 2±24 درجه سانتی گراد نگهداری شدند.

آزمایش مقاومت فشاری

این آزمایش در سنین 1، 3، 7 و 28 روزه بر روی نمونه‌های بتنی ابعاد 10*10*10 سانتی‌متر انجام شد. ابتدا نمونه‌ها در روزهای اول، سوم و هفتم تحت 80، 90 و 95 درصد مقاومت فشاری بتن پیش بارگذاری شدند و پس از 28 روز مقاومت فشاری آن‌ها به همراه نمونه‌های پیش بارگذاری شده‌اند، به صورت فشاری تا گسیختگی نهایی بارگذاری شدند.

نتایج و بحث

در این مقاله میزان بازیابی و بهبود در مقاومت فشاری 28 روزه نمونه‌های آسیب دیده به نمونه‌های پیش بارگذاری نشده در بتن‌های بدون الیاف و حاوی الیاف پلی‌پروپیلن، تحت شرایط مختلف مورد بررسی و مطالعه قرار می‌گیرد. در ادامه نیز تأثیر حضور الیاف در بازیابی و بهبود مقاومت فشاری نمونه‌های آسیب دیده بررسی می‌شود.

نمودارهای ارائه شده در این مقاله درصد تغییرات مقاومت فشاری 28 روزه نمونه‌ها که مربوط به هر دو نمونه پیش بارگذاری شده و پیش بارگذاری نشده که به صورت زیر محاسبه شده را نشان می‌دهد (فرمول (1)). مقاومت های استفاده شده میانگین مقاومت فشاری سه نمونه می‌باشد.

(1) P=((S2-S1)÷S1)×100

p= درصد میزان تغییرات مقاومت فشاری

s1= مقاومت فشاری نمونه بارگذاری نشده

s2= مقاومت فشاری نمونه بارگذاری شده

بتن بدون الیاف

تأثیر میزان پیش بارگذاری

مطالق با اشکال (4) تا (6) با افزایش میزان پیش بارگذاری نمونه‌ها از 90 به 95 درصد مقاومت فشاری در سنین اولیه (1،3 و 7 روزه)، مقاومت فشاری 28 روزه نمونه‌های آسیب دیده نسبت به نمونه‌های سالم کاهش یافته است. احتمالاً افزایش آسیب وارده در پی افزایش پیش بارگذاری علت این کاهش باشد. به نظر می‌رسد این افزایش میزان آسیب به حدی است که هیدراتاسیون مجدد سیمان و خودترمیمی بتن قادر به بهبود کامل آن در 28 روز نمی‌باشد و تقریباً کاهش در همه شرایط عمل‌آوری برای این درصد از پیش بارگذاری رخ داده است.

تأثیر زمان پیش بارگذاری

نتایج نشان می‌دهد که بیشترین تأثیر مثبت روی مقاومت فشاری 28 روزه تحت شرایط عمل‌آوری مرطوب، در پیش بارگذاری در 3 روز پس از ساختن بتن اتفاق افتاده است. به نظر می‌رسد که مقاومت بتن به مرور زمان در نتیجه واکنش بین سیمان عمل نشده موجود در بتن و آب (واکنش هیدراتاسیون) شکل می‌گیرد. لذا در سنین پایین‌ترف بتن مقاومت کمتر و سیمان هیدارته نشده بیشتری دارد. پس از یک روز از ساخت، بتن مقاومت چندانی کسب نکرده است و پیش بارگذاری آسیب بیشتری را نسبت به بقیه سنین به نمونه بتنی وارد می‌کند. همچنین در نمونه‌های 7 روزه علیرغم اینکه بتن به مقاومت بیشتری دست یافته و با پیش‌بارگذاری آسیب کمتری نسبت به سایر سنین به نمونه وارد شده است، احتمالاً، مقدار دسترسی کمتری به سیمان هیدراته نشده جهت هیدراتاسیون مجدد و خود ترمیمی بتن وجود دارد. بنابراین، مطابق را تحولات مورد انتظار، میزان بهبود در مقاومت فشاری نمونه‌های پیش بارگذاری شده در این سنین (1 و 7 روزه) کمتر است.

در شرایط عمل‌آوری خشک کنترل شده مطابق با نتایج، کمترین مقاومت فشاری 28 روزه نمونه‌های آسیب دیده در پیش بارگذاری در سن 3 روزه رخ داده است. در این شرایط با وجود اینکه حضور رطوبنت برای هیدراتاسیون مجدد و پدیده خود ترمیمی ضروری است. بتن فقط 24 ساعت در گونی مرطوب قرار گرفته و پس از آن به محیط آزمایشگاه انتقال داده می‌شود. احتمالاً، در این سن علاوه بر قابلیت دسترسی کمتر له سیمان هیدارته نشده نسبت به سن 1 روز و آسیب بیشتر نسبت به نمونه پیش بارگذاری شده در سن 7 روز، عدم زمان کافی حضور رطوبت در نمونه بتنی نیز سبب بیشترین کاهش در مقاومت فشاری 28 روزه نمونه آسیب دیده شده است.

نتایج به دست آمده در این شرایط (کاملاً خشک) با نتایج به دست آمده در شرایط عمل‌آوری مرطوب مطابقت دارد. در این شرایط نیز بیشترین تأثیر (مثبت) مقاومت 28 روزه نمونه‌های آسیب دیده، در پیش بارگذاری بتن پس از 3 روز از ساخت آن رخ داده است.

تأثیر شرایط عمل‌آوری

در تحقیقات پیشین [1,3] محققین گزارش دادند که در شرایط عمل‌آوری مرطوب، پیش بارگذاری تا 90 درصد مقاومت فشاری تأثیری بر مقاومت فشاری 28 روزه نمونه‌های آسیب دیده ندارد و بهبود کامل در مقاومت فشاری نمونه‌های آسیب دیده گزارش شده است. همانطور که از نتایج به دست آمده پیداست این نتیجه گیری در این مقاله نیز برقرار است و بیشترین بهبود در مقاومت فشاری 28 روزه نمونه‌های پیش بارگذاری شده تا 90 درصد مقاومت فشاری در سنین 1، 3 و 7 روز در شرایط عمل‌آوری مرطوب رخ داده است. وچود رطوبت به عنوان یکی از نیازهای اصلی در بهبود و خودترمیمی بتن است، احتمالاً، وجود رطوبت بیشتر در شرایط عمل‌آوری مرطوب باعث بهبود کامل مقاومت فشاری 28 روزه نمونه‌های آسیب دیده شده است.

با افزایش میزان پیش بارگذاری به میزان 95 درصد مقاومت فشاری، نمونه‌ها آسیب بیشتری می‌بینند. مطابق با شواهد آزمایشگاهی حضور آب (در شرایط عمل‌آوری مرطوب و خشک کنترل شده) سبب جداشدگی مواد بتنی در بین ترک می‌شود که احتمالاً فرآیند خود ترمیمی در نمونه بتنی قادر به بهبود کامل آن نمی‌باشد. در شرایط عمل‌آوری کاملاً خشک که رطوبنت کمتری به بتن داده می‌شود، مطابق با شواهد آزمایشگاهی مشکل جداشدگی مواد سیمانی ناشی از بارگذاری کمتر است، همچنین در این شرایط که رطوبت کمتری وجود دارد احتمالاً مقدار سیمان کمتری در نتیجه واکنش با آب هیدارته می‌شود و مقدار سیمان هیدارته نشده بیشتری در بتن می‌ماند. به نظر می‌رسد بدین جهت است که در پیش بارگذاری 95، کمترین کاهش در مقاومت 28 روزه مربوط به شرایط نگهداری کاملاً خشک می‌باشد.

تأثیر الیاف پلی‌پروپیلن

مطابق با شواهد آزمایشگاهی، پیش بارگذاری 90 درصد در نمونه‌های بتنی حاوی الیاف آسیب بیشتری را نسبت به نمونه‌های بدون الیاف ایجاد کرده است. همچنین در پیش بارگذاری 1 روز پس از ساخت که بتن به مقاومت چندانی دست نیافته است، این افزایش آسیب ناشی از حضور الیاف چشمگیرتر از نمونه‌های بدون الیاف بوده است. مطابق با شواهد آزمایشگاهی انتقال این نمونه‌ها به حوضچه آب سبب جداشدگی بیشتر مواد سیمانی (ناشی از ترک خوردگی) نسبت به نمونه‌های مشابه بدون الیاف شده است. به نظر می‌رسد در بتن‌های حاوی الیاف این افزایش آسیب و جداشدگی به حدی است که احتمالاً هیداراتاسیون مجدد و خود ترمیمی قادر به بازیابی کامل مقاومت فشاری 28 روزه نباشد. مطابق با نتایج به دست آمده در اشکال (7) تا (9)، در پیش بارگذاری 1 روزه نمونه‌های حاوی الیاف کاهش 8 درصدی تحت شرایط عمل‌آوری مرطوب گزارش شده است.

نتیجه‌گیری

مبنی بر بررسی‌های انجام شده نتایج زیر به دست آمده است:

1. آب، میزان ترک خوردگی و آسیب و قابلیت دسترسی به سیمان جهت هیدراتاسیون در بتن آسیب دیده، عوامل تأثیر گذار در بازیابی مقاومت فشاری 28 روزه و خود ترمیمی نمونه‌های آسیب دیده می‌باشند.
2. در شرایط عمل‌آوری مرطوب پیش بارگذاری تا 90 درصد مقاومت فشاری در سنین ابتدایی، جز در پیش بارگذاری 1 روزه در نمونه‌های حاوی الیاف، تأثیری در کاهش مقاومت 28 روزه نمونه‌های آسیب دیده نداشته و حتی افزایش تا 12 درصد بنسبت به نمونه‌های سالم را در برخی از نمونه‌ها داشته است.
3. در شرایط عمل‌آوری مرطوب تحت پیش بارگذاری 1 روزه، حضور الیاف در بتن سبب گسترش میزان آسیب در نمونه‌های بتنی در حین پیش بارگذاری شده است که تأثیر منفی در بازیابی مقاومت فشاری 28 روزه نمونه‌های آسیب دیده را دارد.
4. بیشترین بهبود در بازیابی مقاومت فشاری 28 روزه نمونه‌های حاوی الیاف و بدون الیاف مربوط به نگهداری در شرایط مرطوب می‌باشد و تقریباً کمترین میزان بازیابی در شرایط خشک کنترل شده در نمونه‌های آسیب دیده رخ داده است. در شرایط کاملا خشک (خشک کنترل نشده) به دلیل بیشترین قابلیت دسترسی به سیمان بازیابی مقاومتف شاری بیشترین نسبت به شرایط عمل‌آوری خشک کنترل شده رخ داده است.
5. در پیش بارگذاری 95 درصد مقاومت فشاری، نمونه‌ها به حدی آسیب می‌بینند و ترک‌ها به حدی گسترش یافته‌اند که تقریباً هیچکدام از شرایط عمل آوری قادر به بازیابی مقاومت فشاری 28 روزه نمونه آسیب دیده نخواهد بود.
6. در بارگذاری مجدد نمونه‎‌های آسیب دیده، شروع ترک خوردگی همواره از ترک‌های موجود ناشی از پیش بارگذاری ایجاد آغاز می‌شود.

دانلود مقاله