مطالعه پارامترهای دوام و مقاومت بتن مسلح با الياف ماكروسنتتيک پلي اولفين

چکیده

در سال‌های اخیر در دنیا کاربرد الیاف مصنوعی به منظور بهبود خواص مکانیکی و کاهش جمع شدگی بتن تازه و سخت شده، افزایش جذب انرژی و مقاومت در برابر ضربه بتن و جایگزینی آرماتورهای حرارتی و الیاف فلزی بسیار گسترش یافته است. ولی در مورد پارامترهای دوام بتن الیافی تحقیق کاربردی صورت نگرفته است. در این مقاله تأثیر الیاف ماکروسنتتیک پلی اولفین با سه شکل ظاهری فورتا فرو و کورتا بلند و بارچیپ در درصدهای حجمی مختلف بر روی نفوذپذیری تحت فشار آب و مقاومت الکتریکی و جذب آب کل بتن بررسی شده است. همچنین مقاومت فشاری و خمشی نمونه‌ها در سن 28 روزگی نسبت به نمونه‌های شاهد سنجیده شده است. آزمونه‌های مکعبی جهت انجام آزمون نفوذپذیری، جذب آب، مقاومت الکتریکی و مقاومت فشاری و آزمونه‌های منشوری (تبر) جهت انجام آزمون خمشی (کشش غیر مستقیم) بتن الیافی و بتن شاهد در آزمایشگاه ساخته شدند. به این منظور 10 طرح اختلاط با مکعب‌هایی به ابعاد 150*150*150 میلی‌متر و تیرهایی به ابعاد 150*150*600 را مطابق استانداردهای ASTM و BS که مجموعاً 170 نمونه مورد آزمون قرار گرفتند. نتایج نشان داد افزایش الیاف ماکروسنتتیک پلی اولفین در بیشتر درصدها باعث افزایش خواص مکانیکی و همچنین باعث افزایش دوام کوتاه مدت است.

کلمات کلیدی” دوام، مقاومت، بتن الیافی، پلی اولفین، کورتا بلند، بارچیپ، خمش، نفوذ

مقدمه

با توجه به پیشرفت علم در قرن اخیر، علم شناخت انواع بتن و خواص آن‌ها نیز توسعه فراوانی داشته است، به نحوی که امروزه انواع مختلف بتن با مصالح مختلف تولید و استفاده می‌شود و هر یک خواص و کاربری مخصوص به خود را دارا است.

بتن معمولی ترد و شکننده است، بنابراین در صورتی که از میلگرد استفاده نشود، جهت رفع شکنندگی بتن باید مصالح دیگری نظیر الیاف به مخلوط اضافه نمود. استفاده از الیاف در بتن و ساخت بتن مسلح شده به الیاف موجود بهبود عملکرد اعضا و تغییر و بهبود خصوصیات مکانیکی از جمله مقاومت فشاری، کششی و خمشی این اعضا می‌گردد. خواص مکانیکی بتن الیافی تحت تأثیر نوع، درصد، نسبت طول به قطر معادل، مقاومت زمینه، اندازه، شکل و نحوه تهیه نمونه‌ها و اندازه و شکل مصالح سنگدانه‌ای قرار دارند. الیاف، مقاومت کششی، شکل‌پذیری ملات و بتن را به نحو قابل توجهی افزایش می‌دهد. در حقیقت الیاف بعد از ترک خوردگی در میان صفحات ترک پل می‌زند و باعث افزایش چشمگیری در چقرمگی و ظرفیت جذب انرژی می‌گردد. امروزه بیشترین کاربرد بتن مسلح به الیاف به ویژه الیاف فولادی در دال‌ها، عرضه پل‌ها، روسازی پارکینگ ‌ها، روکش‌ها و پوشش داخلی تونل‌ها و محیط‌های در معرض فرسایش بوده است.

مطابق با مطالعه ذکر شده در بالا، در این مقاله به بررسی تأثیر الیاف پلی اولفین بر روی مقاومت فشاری، خمشی و پارامتر جذب آب، مقاومت الکتریکی و نفوذ تحت فشار آب برای دوام نمونه‌های بتنی مسلح شده با الیاف پرداخته شد. تاکنون مطالعات زیادی در زمینه بتن خود تراکم مسلح شده به الیاف فولادی مورد بررسی قرار گرفته است. اما از جمله مشکلات عمده در استفاده از الیاف فولادی در ابتدای کار مسئله تجمع و گلوله شدن الیاف و کاهش کارآیی بتن، در مقادیر بالای استفاده هست. از جمله الیافی که به عنوان جایگزین برای الیاف فولادی مورد استفاده قرار می‌گیرد الیاف پلی‌پروپیلن هست که این الیاف به علت دارا بودن مدول الاستیسته عمدتاً برای کنترل ترک‌های بتن (ترک‌هاش نشست جمع شدگی پلاستیک) که در ساعات اولیه به وجود می‌آیند استفاده می‌شود. الیاف پلی‌پروپیلن با مقاومت بالا بخصوص برای مقاومت در برابر جمع‌شدگی ملات و بهبود کارایی بتن حتی بعد از توسعه تنش‌های ناشی از ترک‌ها ساخته می‌شود.

الیاف مصنوعی، الیاف ساخته شده دست بشر هستند که از تحقیقات و توسعه در صنعت پتروشیمی و نساجی حاصل شده‌اند. الیاف مورد استفاده، از پلیمرهای آلی نتیجه شده‌اند که دارای فرمول‌های متفاوت هستند. الیافی که سعی شده در بتن با سیمان پرتلند استفاده شود عبارتند از: آکریلیک، آرامید، کربن، نایلون، پلی‌استر، پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن. برای خیلی از این الیاف، گزارش‌های تحقیقاتی یا آزمایشگاهی کمی وجود دارد.

اضافه نمودن الیاف مصنوعی به بتن دارای مزیت‌هایی به قرار زیر است:

• کاهش ترک‌های گیرش پلاستیک
• کاهش‌ ترک‌های افت پلاستیک
• کاهش نفوذپذیری بتن
• افزایش مقاومت ضربه‌ای و مقاومت در برابر سایش
• افزایش مقاومت در برابر خردشدگی

طول الیاف و شکل ظاهری فاکتورهای مهمی در بتن با الیاف مصنوعی است. برخی از این الیاف مصنوعی ممکن است به عنوان عنصر مسلح کننده ثانویه به کار روند.

بهفرنیا و بهروان در سال 2013، نشان دادند که استفاده از الیاف پلی الیفن در پوشش بتنی تونل آب رفتار انعطاف پذیر به طرز چشمگیری بیشتر و جذب انرژی بیشتر می‌شود. آلبرتی و همکاران در سال 2014 با ارزیابی تأثیر بر روی خواص مکانیکی رفتار شکست الیاف پلی اولفین بتن خود متراکم پرداختند که نتایج نشان می‌دهد با اختلاط الیاف پلی اولفین کمی مقاومت فشاری بتن خود متراکم کاهش یافته است و همچنین این الیاف بهبود رفتار بتن تحت کشش و تنش‌های خمشی فراهم می‌کند. همچنین در تحقیق دیگری در سال 2015 در مقایسه بین الیاف پلی اولفین بتن مسلح ویبره معمولی با بتن خود متراکم به این نتیجه رسیدند که طرح اختلاط بتن مسلح معمولی با الیاف پلی اولفین برای محیطی با خطر متوسط مناسب است. از جمله شرایطی که در تماس مستقیم با آب‌های دریایی، مواد فرسایشی و ذوب و انجماد است و در پژوهش دیگری در سال 2016 با مطالعه بر توزیع الیاف و جهت‌گیری الیاف پلی اولفین ماکروسنتتیک در عناصر بتن مسلح به این نتیجه رسیدند که توزیع فیبر در نمونه بتن ویبره شده مرسوم یکنواخت‌تر از آن‌هایی که بتن خود متراکم بود. دنگ و همکاران در سال 2016 با آزمایش بر روی صفحه گرد معین برای خاصیت الیاف ماکرو پلی‌اولفین بتن مسلح به این نتیجه رسیدند که بهبود قابل توجهی در چقرمگی و عملکرد پس از ترک بتن رخ می‌دهد.

برنامه آزمایشگاهی

مصالح مصرفی

سیمان

سیمان مورد استفاده در ساخت بتن مصرفی این تحقیق، سیمان پرتلند تیپ 2 محصول کارخانه سیمان هرمزگان (خمیر) است. مشخصات سیمان در جدول 1 ارائه شده است.

مصالح سنگی

مصالح سنگی شامل شن و ماسه 100% شکسته شده از معادن ایسین و قلعه قاضی اطراف شهر بندرعباس است که مشخصات دانه‌بندی آن‌ها به ترتیب، ماسه (جدول 2) ، شن ریز (جدول 3) و شن درشت (جدول 4) در جداول مربوطه ارائه شده است.

الیاف

الیاف ماکروسنتتیک پلی اولفین با نام تجاری Kortta Blend از شرکت گرانول سیرجان (شکل 1) و Barchip از شرکت الاستو پلاستیک بریتانیا (شکل 2) و Forta-Ferro از شرکت فورتا آمریکا (شکل 1) با طول 54 میلی‌مترکه مشخصات آن‌ها به تفکیک در جدول 5 ذکر شده، در طرح اختلاط استفاده شده است. (الیاف فورتا فرو و کورتا بلند از لحاظ شکل ظاهری مشابه یکدیگر ولی از لحاظ کیفی متفاوت هستند)

مقاومت کششی و مدول الاستیسیته الیاف فورتا فرو و کورتا بلند براساس نتایج آزمایشگاه دانشگاه صنعتی امیرکبیر تهران است و ما بقی داده‌های جدول از بروشور شرکت تولید کننده است.

سایر مصالح

آب مصرف شده در این پژوهش آب شرب شهر بندرعباس است که دارایPH مناسب است و با استاندارد ASTM CI602 مطابقت دارد.

افزودنی مورد استفاده در طرح اختلاط بتن‌های ساخته شده از نوع فوق روان کننده بر پایه کربوکسیلاتی با وزن مخصوص 1100 کیلوگرم بر مترمکعب که براساس استاندارد ASTM C494 است.

طرح اختلاط و تعداد آزمونه‌ها

در این پژوهش، میزان استفاده از مصالح در یک مترمکعب و نسبت آب به سیمان در جدول 7 نشان داده شده است. در مجموع 10 طرح اختلاط مورد آزمایش قرار گرفته که شامل 3 طرح اختلاط با سه درصد حجمی از هر نوع الیاف بوده که در مجموع 170 آزمونه شامل 140 آزمونه مکعبی 150*150*150 میلی متر (تعداد 40 آزمونه برای مقاومت فشاری و 30 آزمونه برای جذب آب و 30 آزمونه برای نفوذ تحت فشار آب و 40 آزمونه برای مقاومت الکتریکی) و 30 آزمونه منشوری (تیر) با ابعاد 150*150*600 میلی‌متر به شرح جدول 6 است.

ساخت آزمونه‌ها

الیاف به خاطر آسانی پخش باید به صورت خشک وارد مخلوط شوند. مشکل گلوله‌ای شدن اغلب به دلیل استفاده از مقادیر زیاد الیاف (بیش از 2 درصد حجمی) و یا اضافه کردن خیلی سریع الیاف به مخلوطی که آب کافی و یا کارایی کافی ندارد به وجود می‌آید. در این پدیده الیاف نزدیک به هم جمع شده، سبب کاهش کارایی مخلوط بتن و در نتیجه کاهش مقاومت و نرمی بتن سخت شده می‌گردد.

در هر مرحله از ساخت، ابتدا میزان رطوبت نسبی مصالح سنگی براساس استاندارد ASTM C566 تعیین و پس از اصلاح طرح اختلاط، مصالح توزین و مخلوط شد. مراحل اضافه کردن الیاف در زمان ساخت آزمونه‌ها در شکل 3 نشان داده شده است.

عمل آوری

برای ساخت نمونه‌های لازم برای آزمایش مقاومت فشاری و مقاومت الکتریکی و جذب آب کل و نفوذ تحت فشار آب از استاندارد BS 1881 استفاده شد و از قالب‌های مکعبی 150*150*150 میلی‌متر استفاده گردید. نمونه‌ها پس از 24 ساعت بتن‌ریزی و قالب‌گیری از قالب خارج شدند و وارد حوضچه‌های عمل‌آوری شدند (شکل 4) و به مدت 27 روز در این حوضچه‌ها قرار گرفتند. دمای آب عمل‌آوری به صورت روزانه کنترل می‌گردید و سعی گردید دما در محدوده 20 درجه سلسیوس با انداختن یخ در حوضچه حفظ شود. نمونه‌ها پس از 27 روز قرار گیری در محیط مرطوب در سن 28 روزه مورد آزمایش قرار گرفتند.

انجام آزمایش

بتن تازه

بر روی بتن تازه آزمایش دما ASTM C1064 انجام گرفت. با توجه به اینکه دمای بتن تازه پارامتر تأثیرگذاری بر مقاومت فشاری و جذب آب بتن است، دمای بتن در محدوده 24 الی 27 درجه سلسیوس و همچنین سعی گردید اسلامپ بتن در محدوده 120 الی 150 میلی‌متر و قطر سیلان در محدوده 430 الی 530 میلی‌متر نگه داشته شود.

بتن سخت شده

آزمایش مقاومت فشاری

مهم‌ترین معیار مرغوبیت بتن معمولی آزمایش مقاومت فشاری طبق استاندارد BS 1881 است. قبل از آزمایش، ابعاد نمونه‌ها به صورت دقیق با کولیس اندازه‌گیری شد که ابعاد به دست آمده در محاسبات مربوط ه مقاومت فشاری دخالت داده شد. در آزمایش مقاومت فشاری، نمونه‌های بتن با اعمال نیروی محوری فشاری با سرعت مشخص، به حد مقاومت نهایی می‌رسند. مقاومت فشاری از تقسیم حداکثر نیروی تحمل شده توسط نمونه، به سطح مقطع نمونه به دست می‌آید.

در این پروژه مقاومت فشاری آزمونه‌ها در سن 28 روز اندازه‌گیری شد که نتایج میانگین آن برای هر نوع الیاف و درصد حجمی در نمودار 1 آورده شده است.

آزمایش مقاومت الکتریکی ویژه

آزمایش مقاومت الکتریکی برای کلیه طرح‌ها، در سن 28 روزگی بر روی مکعب‌های بتنی، با ابعاد 150*150*150 میلی‌متر انجام گرفت. برای هر طرح اختلاط چهار آزمونه در نظر گرفته شد. پس از باز کردن قالب، آزمونه‌ها داخل حوضچه آب در طول مدت عمل‌آوری نگهداری شد. برای اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی آزمونه‌ها از دستگاه مقاومت الکتریکی با جریان متناوب استفاده گردید. مقاومت تمام وجوه آزمونه در دو راستای قطری اندازه‌گیری و ثبت شده است که نتایج میانگین آن برای هر نوع الیاف و درصد حجمی در نمودار 2 آورده شده است. دستگاه مقاومت الکتریکی مورد استفاده در این پژوهش از نوع چهار پراپ ونر است.

آزمایش مقاومت خمشی

نمونه‌های ساخته شده جهت انجام این آزمایش دارای ابعاد 150*150*600 میلی‌متر مطابق با استاندارد ASTM C1018 می‌باشند. شرایط عمل‌آوری این نمونه‌ها هم مطابق با آنچه برای آزمایش فشاری ذکر شد است. قبل از آزمایش، ابعاد نمونه‌ها به صورت دقیق با کولیس اندازه‌گیری شد که ابعاد به دست آمده در محاسبات مربوط به مقاومت خمشی دخالت داده شد. نمونه‌ها حین انجام آزمایش 90 درجه چرخانیده شد و بارگذاری در جهت عمود بر جهت بتن‌ریزی انجام گشت. سرعت بارگذاری برای 0/1 mm/min بود و برای تمام نمونه‌ها ثابت نگه داشته شد. این آزمایش توسط دستگاه موجود در آزمایشگاه مکانیک خاک استان هرمزگان انجام داده شد. نتایج میانگین آن برای هر نوع الیاف و درصد حجمی در نمودار 3 آورده شده است.

آزمایش جذب آب کل

با توجه به اینکه جذب آب بتن به عنوان یکی از خصوصیات ریزساختار آن از لحاظ میزان خلل و فرج و پیوستگی آن‌ها باهم است، نتایج حاصل از انجام آزمون بر طبق استاندارد ASTM C642، برای اندازه‌گیری چگالی، درصد جذب آب و درصد حفرات موجود در بتن سخت شده قابل استفاده است. روش انجام این آزمون بدین صورت است که پس از ساخت و عمل آوری نمونه‌ها در سن 28 روزگی، نمونه از آب خارج گردیده، وزن‌کشی می‌شود. سپس نمونه درون خشک‌کن با دمای 105 الی 110 درجه به مدت 24 ساعت قرار گرفته و از دستگاه خارج و مجدداً توزین می‌گردد. مدت قرارگیری نمونه‌ها تا زمانی است که تفاضل وزن نمونه در حالت قبل و بعد از قرارگیری در خشک کن، از 0/5% وزن نمونه پس از خارج شدن از دستگاه، کمتر باشد که حداقل 48 ساعت است. پس از آن نمونه مورد نظر به مدت حداقل دو روز در آب و به صورت مغروق نگهداری و بعد از بیرون آوردن از آب و با سطح خشک توزین می‌شود. با استفاده از وزن خشک و خیس نمونه‌ها، میزان جذب آب آن توزیع می‌گردد. نتایج میانگین آن برای هر نوع الیاف و درصد حجمی در نمودار 4 آورده شده است.

آزمایش نفوذپذیری تحت فشار آب

در حقیقت این آزمون، برای تعیین میزان مقاومت بتن در مقابل نفوذ آب تحت فشار است که به طور معمول در سن 28 و 30 روزگی بتن صورت می‌پذیرد. در این آزمون نمونه‌ها باید از بالا و یا از پایین تحت فشار آب به میزان 0/5 بار (نیوتن بر میلی‌متر مربع) برای یک دوره 72 ساعته قرار گیرند به طوری که فشار در طول آزمایش ثابت باشد. پس از پایان دوره 72 ساعته مورد نظر بلافاصله پس از رهاسازی فشار آب نمونه‌ها را از وسط و از وجهی که در معرض فشار آب قرار داشت به 2 قسمت تقسیم می‌کنیم. پس از 5 الی 10 دقیقه قسمت خشک نمونه را علامت‌گذاری کرده و به این ترتیب عمق رطوبت را اندازه‌گیری می‌کنیم (واحد mm) به این ترتیب با در نظر گرفتن بیشترین عمق تعیین شده حد نفوذ آب در بتن تخمین زده می‌شود. منظور از مقدار عمق نفوذ بیشترین مقدار در بین هر سه نمونه است. نتایج آن برای هر نوع الیاف و درصد حجمی در نمودار 5 آورده شده است.

نتیجه گیری

در این پژوهش، دو پارامتر مقاومت فشاری و خمشی برای بررسی خواص مکانیکی بتن الیافی و سه پارامتر مقاومت الکتریکی جذب آب حجمی و نفوذ تحت فشار آب برای بررسی دوام کوتاه مدت بتن مسلح با الیاف ماکروسنتتیک پلی اولفین مورد آزمون با سه برند الیاف مختلف انجام گرفت. بر این اساس، می‌توان موارد زیر را به عنوان نتایج اصلی این پژوهش بیان نمود.

اضافه کردن الیاف بارچیپ به بتن به طور کلی تأثیر به سزایی در مقاومت فشاری ندارد. با اضافه کردن الیاف کورتا بلند در 0/66% درصد حجمی مقاومت فشاری به صورت چشمگیری افزایش می‌یابد ولی برای الیاف فورتافرو این نتایج عکس است و در 0/66% حجمی باعث کاهش مقاومت فشاری می‌شود.

نتایج مقاومت الکتریکی نشان می‌دهد الیاف ماکروسنتتیک پلی اولفین با کاهش کمی مقاومت الکتریکی روند ثابتی در درصدهای مختلف الیاف دارد.

افزایش درصد حجمی الیاف به طور کلی منجر به افزایش مقاومت خمشی می‌شود که این پارامتر مکانیکی در الیاف بارچیپ فورتا فرو نسبت به کورتا بلند بیشتر است.

نتایج نشان می‌دهد دو پارامتر دوام کوتاه مدت جذب آب حجمی و نفوذ تحت فشار آب بتن مسلح با الیاف ماکروسنتتیک پلی اولفین افزایش می‌یابد. این الیاف با جلوگیری از نفوذ آب در بتن و در برخی درصدها کاهش جذب آب حجمی همراه است.

قدردانی

نویسندگان نهایت تشکر و قدردانی را از پرسنل مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی واحد خلیج فارس (بندرعباس) دارند.

دانلود مقاله از وب سایت انجمن بتن ایران