نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 استاد یار گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی دانشگاه گیلان
2 مربی گروه مهندسی عمران، مؤسسه آموزش عالی دیلمان
3 کارشناس ارشد مهندسی عمران سازه، مؤسسه آموزش عالی دیلمان
4 کارشناس ارشد مهندسی عمران سازه، دانشکده فنی دانشگاه گیلان
5 کارشناسی مهندسی عمران، دانشکده فنی دانشگاه گیلان
چکیده
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
This paper evaluates the impacts of the addition of steel fibers with two different percentage by weight, on flow ability parameters and hardened properties of self-compacted lightweight concrete containing lightweight aggregate of Scoria. For this purpose, was used from the steel fibers with a length of 50mm the amount 20&40 kg/m3.With a good mix design, fresh and hardened properties of each plans was evaluated. Fresh properties such as slump flow, V-funnel, and L-box and physical properties such as, density measurements, compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength, ultrasonic pulse velocity (UPV), flexural toughness, and dry unit weight were determined in hardened conditions. The samples were stored in water until the age 7, 14, 28, 42 and 90 days.
From the result, it is clear that fibers decrease flow ability of fresh concrete, however mixeswereinthe acceptable range of EFNARC. The results of hardened concrete indicate, all mixes are in the range of structural lightweight concrete too. Moreover, the addition of fibers significantly increases tensile strength, flexural strength and flexural toughness.
- مقدمه
در سالهای اخیر با افزایش سرعت احداث ساختمان های بلند مرتبه و با دهانههای بزرگ در کلان شهرها نیاز به تولید بتنهای با عملکرد و مقاومت بالا که از وزن کم و شکل پذیری قابل قبولی برخوردار باشند، بیش از پیش ضرورت یافته است. استفاده از سبکدانههای طبیعی و مصنوعی در ساخت بتن علاوه بر کاهش وزن بتن و به تبع آن صرفه جویی در میزان میلگرد مورد نیاز، کاهش ابعاد پی ساختمان، کاهش هزینه حمل و نقل، کاهش هزینه در قالب بندی و مهاربندی در حین اجرای مقاطع، ایزولاسیون حرارتی و جذب بیشتر صوت، مقاومت بیشتر در برابر آتش و عملکرد بهتر در چرخه های ذوب و انجماد را در مقایسه با بتن معمولی به همراه دارند .[1,2]
بتن خودتراکم، نوع جدیدی از بتن های با عملکرد بالا است که میتواند بدون جداشدگی و انسداد، تحت وزن خود و بدون نیاز به لرزاندن خارجی به محل مورد نظر جریان یابد و قالب را پرکند. پایداری بتن تازه به وسیله مقاومت در برابر آب انداختگی، ته نشینی و جداشدگی توصیف میشود و به چسبندگی و گرانروی مخلوط وابسته است [3,4].
ساخت بتن خودتراکم سبک امکان استفاده همزمان از مزایای بتن های سبکدانه و ویژگیهای خمیری بتن خودتراکم را امکان پذیر میکند. یکی از نگرانیهای عمده در اجرای بتنهای سبکدانه خطر روزدگی و شناوری سبکدانه ها در فرایندحمل، جایدهی و تراکم این بتن هاست که همواره بهکارگیری تیم اجرایی با تجربه را ضروری میکند. با ارائه ی طرح اختلاط مناسب بتن خودتراکم و حذف مرحله تراکم و آسانی انتقال، نیاز به نیروی کار ماهر متراکم کننده بتن از بین رفته و گامی در سهولت اجرای بتن های سبک در پروژه ها برداشته خواهد شد.
شکنندگی بتن های سبکدانه
خواص فیزیکی و مکانیکی بتن سبکدانه به شدت به سنگدانه های مورد استفاده به ویژه به چگالی آن ها وابسته است. عموما چگالی بیشتر سنگدانه ها مقاومت مواد را بهبود میبخشد اگر چه موجب افزایش وزن آن ها میشود. به هرصورت آشکارترین محدودیت در استفاده سازه ای این مواد شکنندگی آن هاست که عاملی تأثیر گذار است[5]، مقاومت فشاری بالاتر، شکنندگی بیشتری را به همراه دارد[1].
ضعف و شکنندگی سنگدانههای سبک نقایصی را در خواص مکانیکی بتن سبکدانه سخت شده همچون کاهش در مقاومت خمشی و کششی به وجود میآورد [6]. بنابراین بهبود در شکنندگی نکتهای کلیدی در گسترشکاربردهای بتن سبک است[1]. استفاده از الیاف در بتن میتواند راه حل مناسبی جهت بهبود شکل پذیری آن باشد .[7]
استفاده از الیاف فولادی
در بتنهای الیافی، هزاران الیاف کوتاه بهطور تصادفی در بتن در حین اختلاط پراکنده و توزیع میشوند و خواص بتن در همه راستاها را بهبود میبخشند[8]. افزایش استفاده از بتن الیافی در سازههای ساختمانی به این دلیل است که تقویت بتن با الیاف، چقرمگی، مقاومت خمشی، مقاومت کششی، مقاومت ضربه ای، مود شکست بتن و عمر مفید ساختمان را بهبود
میبخشد.[9,10] ACI 544.4R-88 خواص مکانیکی بتن های حاوی الیاف فولادی را متأثر از نوع الیاف، نسبت طول به قطر الیاف، مقدار الیاف، مقاومت ماتریس، اندازه، شکل و روش آماده سازی نمونهها و اندازه ی سنگدانه ها میداند [11].
مطالعات پیرامون استفاده از الیاف پلی پروپیلن در بتن سبکدانه ی خودتراکم نشان داده است که این الیاف تأثیر قابل توجهی بر مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته بتن سبک نداشته اما مقاومت کششی و مدول گسیختگی بتن را بهبود میبخشد[9]. همچنین کاهش شدید در کارایی بتن تازه ی خودتراکم در اثر افزودن این الیاف در بتن ساخته شده با سنگدانه های طبیعی و سبک گزارش شده است[12,9].
El-Diebو همکارانش جهت بررسی اثر الیاف فولادی بر خواص بتن تازه خودتراکم نسبت های طول به قطر متفاوت از الیاف را با سه درصد حجمی مختلف به طرح شاهد اضافه کردند. افزایش در ضریب الیاف، که از حاصل ضرب درصد حجمی در نسبت طول به قطر الیاف به دست میآمد، افزایش در زمان تخلیه قیف Vو کاهش در جریان اسلامپ و درصد پرکنندگی جعبه را موجب شد[12]. این محقق در مطالعه دیگری افزایش مقاومت فشاری و کششی بتن های پرمقاومت حاوی الیاف فولادی را گزارش کرد. در این پژوهش به بررسی اثر مقادیر متفاوت الیاف
فولادی بر خواص تازه و سخت شده بتن خودتراکم سبک حاوی سبکدانههای رس منبسط شده پرداخته شده است [13].
برنامه آزمایشگاهی:
در بخش آزمایشگاهی این پژوهش ابتدا به ساخت بتن خودتراکمی که محدوده های تعیین شدهEFNARC [14]برای پارامترهای بتن تازه را تأمین کند پرداخته شد و سپس با آزمون های مکرر طرح اختلاط با وزن مورد قبول در آیین نامه ACI 213R-87 برای بتن سبک انتخاب گردید. وزن مخصوص اندازه گیری شده برای نمونه های ساخته شده از طرح اختلاط شاهد پس از بازکردن قالب کمتر از Kg/m32000 اندازه گیری شده است[15].
مصالح مورد استفاده:
سیمان مورد استفاده در این تحقیق از نوع پرتلند نوع 2 تولید شده در کارخانه سیمان هگمتان بوده که دارای تودهی ویژه m3 Kg/ 3150 و سطح مخصوص cm2/gr 2900 می باشد. همچنین از دوده ی سیلیس تولید شده در کاخانه ی صنایع فرو آلیاژ ایران (ازنا) به عنوان مواد پوزولانی در همه طرح ها استفاده شده است. توده ی ویژه ی دوده ی سیلیس استفاده شدهm3 Kg/ 2120 می باشدکه مشخصات شیمیایی سیمان و دوده سیلیس در جدول 1 آمده است. آب مصرفی جهت ساخت بتن و همچنین عمل آوری نمونهها، آب آشامیدنی بوده که ضوابط 1129 ASTM D را برآورده می نماید. همچنین ماسه ی مصرفی با قطر ذرات بین 0تا 75/4 و از نوع رودخانه ای بوده که وزن مخصوص ظاهری در حالت SSD و جذب آب آن به ترتیب 65/2 و 6/1 درصد می باشد.
به منظور کسب روانی مطلوب جهت ساخت بتن خودتراکم از فوق روان کننده GLENIUM 51P استفاده شده است که مشخصات آن در جدول 2 آمده است. الیاف فولادی مورد استفاده در این تحقیق محصول شرکت مفتول فولادی زنجان می باشد. مشخصات الیاف فولادی در جدول 3 آمده است. در این مطالعه به منظور ساخت بتن سبک از سبکدانه اسکوریا، تهیه شده از منابع غرب کشور استفاده شده که مشخصات آن در جداول 4 و 5 آمده است. اسکوریای مصرفی در این تحقیق با دو دانه بندی ریزدانه و درشت دانه در طرح اختلاط بتن سبک بهکار گرفته شدند که دانه بندی دانه های ریز و درشت به ترتیب در محدوده ی 5/9-36/2 میلی متر و 19-5/9 میلی متر قرار میگیرند. نتایج دانه بندی هرکدام از محدوده ها نشان داد که هیچ کدام در محدوده تعیین شده ASTM قرار نمیگیرند ولی ترکیب وزنی مناسب از این دو در محدوده ASTM قرار گرفت.
جدول (1): آنالیز شیمیایی سیمان و دوده سیلیس
|
|
SiO2 |
CaO |
Al2O3 |
Fe2O3 |
MgO |
SO3 |
|
سیمان |
54/21 |
24/63 |
95/4 |
82/3 |
55/1 |
43/2 |
|
دوده ی سیلیس |
1/95 |
49/0 |
32/1 |
87/0 |
97/0 |
1/0 |
جدول (2): مشخصات فوق روان کننده جدول (3): مشخصات الیاف
|
فولادی |
الیاف |
Glenium 51p |
فوق روان کننده |
|
|
50 |
طول (mm) |
پلی کربوکسیلیک اتر اصلاح شده |
نوع |
|
|
1000 |
قطر(µm) |
مایع غلیظ قهوه ای رنگ |
مشخصات ظاهری |
|
|
7.85 |
وزن مخصوص (g/cm3) |
1.06-1.08 (20oc) |
وزن مخصوص (g/cm3) |
|
|
1000 |
مقاومت کششی(Mpa) |
6.6 |
PH |
|
|
قلاب دار |
مشخصات ظاهری |
وجود ندارد |
یون کلر |
جدول (4): چگالی اسکوریا (کیلوگرم بر مترمکعب)
|
SSD |
Oven |
اندازه دانه |
||||
|
توده ویژه |
وزن مخصوص فضایی متراکم شده با میله |
وزن مخصوص فضایی غیرمتراکم |
توده ویژه |
وزن مخصوص فضایی متراکم شده با میله |
وزن مخصوص فضایی غیرمتراکم |
|
|
1722 |
3/819 |
2/721 |
1653 |
2/658 |
3/562 |
5/9-36/2 |
|
1542 |
5/765 |
9/655 |
1460 |
615 |
8/525 |
19-5/9 |
جدول (5): جذب آب سبکدانه اسکوریا (درصد)
|
اندازه دانه |
30 دقیقه |
1 ساعت |
24 ساعت |
72 ساعت |
|
5/9-36/2 |
5/12 |
9/14 |
83/19 |
05/22 |
|
19-5/9 |
84/10 |
73/12 |
42/17 |
76/19 |
شکل(1) : اسکوریا و الیاف مصرفی
طرحهای اختلاط و آماده سازی نمونه ها:
در این پروژه نسبت آب به مواد سیمانی در همهی طرح ها ثابت و برابر 0.33 در نظر گرفته شده و به میزان 10 درصد از مواد سیمانی با دوده سیلیس جایگزین شده است. پس از دستیابی به بتن خودتراکم شاهد با استفاده از سبکدانه های اسکوریا، الیاف فولادی با طول 50 میلی متر یکبار به میزان 20 و یک بار به میزان 40 کیلوگرم در متر مکعب بتن به طرح اختلاط شاهد اضافه شد. اختلاط بتن خودتراکم الیافی معمولا به دو گونه متفاوت توسط محققّین انجام میگیرد. بعضی ابتدا به اختلاط خشک الیاف با مصالح سنگی و سپس افزودن مواد سیمانی و آب پرداخته اند[16,17]، اما بعضی دیگر ابتدا به ساخت بتن خودتراکم بدون الیاف پرداخته و در پایان، الیاف را به مخلوط اضافه میکنند[18,19].
در این پژوهش، ترتیب اختلاط مصالح برای ساخت بتن ها این گونه بود که ابتدا سبکدانه های خشک با قسمتی از آب اختلاط مخلوط شده که جهت پیش مرطوبی سبک دانه ها این مرحله تا 15 دقیقه به طول انجامید. سپس مواد سیمانی که شامل سیمان و دوده سیلیس میباشد به مخلوط اضافه شده و بعد از آن مقدار دیگری از آب به همراه فوق روان کننده به مخلوط اضافه گردید. در نهایت ماسه و پودر سنگ به داخل مخلوط کن ریخته شده و باقیمانده آب در حین اختلاط مصالح اضافه شد. در طرح های حاوی الیاف فولادی، این الیاف به آرامی به مخلوط در حال چرخش پاشیده شد تا پراکندگی و یکنواختی مطلوب الیاف در کل بتن به دست آید. عملیات اختلاط به گونه ای انجام گرفت که در پایان حدود 30 دقیقه از مرطوب شدن سبکدانه ها گذشته و آب معادل جذب آب نیم ساعته ی مصالح که قبلا اندازه گیری شده است، جذب مصالح گردد.
آزمونهای بتن تازه خودتراکم بلافاصله پس از این مرحله برای هر یک از طرح های اختلاط انجام گرفت. پس از ساخت بتن مطابق الگوی فوق، عملیات نمونه گیری جهت بررسی خواص مکانیکی انجام شد و پس از پر کردن قالب ها، نمونه ها در دمای 20±2 °C در محیط آزمایشگاه به مدت 24 ساعت نگهداری شده و بعد از گذشت این زمان و باز کردن قالب ها نمونه ها تا زمان آزمایش تحت عمل آوری مرطوب در دمای آزمایشگاه قرار گرفتند.
جدول (6): اجزای طرح های اختلاط (کیلوگرم بر متر مکعب)
|
کد طرح |
سیمان |
دوده سیلیس |
پودر سنگ |
اسکوریا درشت دانه |
اسکوریا ریزدانه |
ماسه |
آب |
روان کننده |
الیاف |
|
SC0 |
450 |
50 |
250 |
290 |
190 |
620 |
165 |
67/8 |
0 |
|
SC20 |
450 |
50 |
250 |
290 |
190 |
620 |
165 |
10 |
20 |
|
SC40 |
450 |
50 |
250 |
290 |
190 |
620 |
165 |
4/11 |
40 |
جزییات نمونهها و آزمایشهای انجام شده
خواص بتن تازه
آزمایشهای بتن تازه خودتراکم شامل جریان اسلامپ، قیف V، جعبه ی L (H2/H1) بر روی طرح های اختلاط بلافاصله پس از پایان مراحل اختلاط انجام گرفت.
خواص بتن سخت شده
جهت بررسی خواص مکانیکی طرح های اختلاط ارائه شده آزمایش های مقاومت فشاری، مقاومت خمشی، مقاومت کششی به روش دو نیم شدن، سرعت امواج اولتراسونیک، طاقت خمشی و جذب آب بر روی نمونه های عمل آوری شده در شرایط مرطوب انجام گرفت.
نمونههای منشوری جهت بررسی مقاومت خمشی بر روی دستگاه سنجش خیز با سرعت mm/min 0.05 و به صورت دو سر ساده و با طول دهانۀ 30 سانتیمتر بارگذاری شده اند. خلاصه ای از نوع، ابعاد نمونه ها و روش های آزمایش در جدول7 آمده است.
جدول (7):خلاصه ی آزمایش های بتن سخت شده
|
سن آزمایش |
عنوان طرح |
تعدادآزمونه |
ابعاد آزمونه(cm) |
نوع آزمون |
|
7، 14، 28، 42 و 90روزه |
SC0, SC20, SC40 |
3 |
10×10×10 |
مقاومت فشاری |
|
7، 14، 28، 42 و 90روزه |
SC0, SC20, SC40 |
3 |
50×10×10 |
مقاومت خمشی |
|
7، 14، 28، 42 و 90روزه |
SC0, SC20, SC40 |
2 |
30 × 15Φ |
مقاومت کششی(برزیلی) |
|
28 روزه |
SC0, SC20, SC40 |
1 |
50×10×10 |
طاقت خمشی |
|
7، 14، 28، 42 و 90روزه |
SC0, SC20, SC40 |
3 |
10×10×10 |
UPV(m/s) |
|
28 روزه |
SC0, SC20, SC40 |
3 |
10×10×10 |
جذب آب |
نتایج آزمایش ها:
نتایج آزمایش های بتن تازه:
در این قسمت نتایج بدست آمده در آزمایش های بتن تازه ی خودتراکم ارائه شده است.
جدول (8): نتایج آزمایشهای بتن تازه ی خودتراکم
|
کد طرح |
جریان اسلامپ |
L-box |
V funnel |
|
SC0 |
67 |
94/0 |
6/8 |
|
SC20 |
5/59 |
81/0 |
3/14 |
|
SC40 |
48 |
72/0 |
9/18 |
آزمایش جریان اسلامپ
آیین نامه EFNARC میزان قابل قبول برای آزمایش جریان اسلامپ را بین 550 تا 850 میلی متر بیان می کند. در این تحقیق سعی شد میزان جریان اسلامپ بین 650 تا 700 میلی متر حفظ گردد. همچنین علاوه بر اندازهگیری قطر اسلامپ، مخلوط از نظر آب انداختگی و جداشدگی سبکدانه ها، به صورت چشمی کنترل شد. طرح های مناسب به صورت منظم و بدون هیچگونه جداشدگی بر روی تخته اسلامپ پخش شدند. برای هریک از طرح ها، ابتدا با ثابت نگه داشتن میزان روان کننده، الیاف به مخلوط اضافه شد و میزان جریان اسلامپ اندازه گیری شد که نتایج حاکی از عدم رعایت محدوده مورد نظر بود. در مرحله بعد با افزایش میزان روان کننده، میزان جریان اسلامپ طرح های الیافی به محدوده مورد نظر رسانده شدند شکل 2 نحوه تأثیر الیاف را بر روی میزان جریان اسلامپ را نشان می دهد. حالت B نتایج میزان جریان اسلامپ با حفظ محدوده مورد نظر و حالت A میزان جریان اسلامپ با ثابت نگه داشتن فوق روان کننده را نشان می دهد.
شکل 2 نشان میدهد که حضور الیاف باعث کاهش مقادیر جریان اسلامپ در حالت A گردیده است به طوری که با افزایش الیاف از 0 به 20 و 40 کیلوگرم، کاهش اسلامپی در حدود 2/11% و 3/22% اندازه گیری شده است.
در شکل 2 همچنین روند افزایش میزان فوق روان کننده را جهت ثابت نگه داشتن میزان اسلامپ، در طرحهای مختلف نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود با افزایش الیاف از 0 به 20 و 40 کیلوگرم، به میزان فوق روان کننده مصرفی در حدود 5/15% و 32% افزوده شد.
شکل (2): تغییرات جریان اسلامپ میزان فوق روان کننده
آزمایش قیف V شکل
این آزمایش به عنوان معیاری جهت تعیین قابلیت پرکنندگی و لزجت خمیری بتن مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین هرگونه انسداد و گرفتگی بتن در زمان خروج از دهانه قیف باید مورد توجه قرار گیرد. طبق EFNARC میزان زمان قابل قبول برای خروج بتن زیر 8 ثانیه برای کلاس VF1 و بین 9 تا 25 ثانیه برای کلاس VF2 در نظر گرفته شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهند که تمامی طرح ها در کلاس VF2 طبقه بندی می شوند. طرح SC40 با وجود قرار گیری در محدوده قابل قبول EFNARC، در هنگام خروج از دهانه قیف کمی دچار انسداد گردید.
همانطور که از نمودار مشاهده می شود حضور الیاف باعث افزایش زمان خروج بتن از قیف گردید به طوری که با افزایش الیاف از 0 به 20 و 40 کیلوگرم، افزایش زمان خروج بتن در حدود 40% و 120% بدست آمد.
شکل(3): نمودار تغییرات زمان خروج بتن و میزان h2/h1
آزمایش جعبه L شکل
این آزمایش به منظور بررسی قابلیت جریان بتن تازه و پدیده انسداد ناشی از حضور میلگردها طراحی شده است. EFNARC دو کلاس را برای طبقه بندی نتایج آزمایش جعبه L ارائه می کند. کلاس PA1 که میزان h2/h1 را در هنگام استفاده از دو میلگرد حداقل 8/0 بیان می کند و کلاس PA2 که میزان حداقل 8/0 را در هنگام استفاده از سه میلگرد قابل قبول می داند.
شکل 3 تغییرات میزان h2/h1 در حضور دو میلگرد را نشان می دهد. مطابق نتایج، تمامی طرح ها به جز SC40 در کلاس PA1 قرار میگیرند که با توجه به سطح خشن دانه ها و حضور حجم بالای الیاف، قابل انتظار بود.
همانطور که از نمودار مشاهده میشود حضور الیاف باعث کاهش میزان h2/h1 گردید به طوری که با افزایش الیاف از 0 به 20 و 40 کیلوگرم، کاهش میزان h2/h1 در حدود 14% و 23% بدست آمد.
نتایج آزمایش های بتن سخت شده تا سن 90 روز
چگالی
نمودار نشان می دهد که حضور الیاف باعث افزایش وزن مخصوص بتن می گردد که این به دلیل چگالی ویژه بسیار زیاد الیاف فولادی میباشد [19]. ولی تمامی طرح ها در محدوده مجاز وزنی (زیر 2000 کیلوگرم بر متر مکعب) قرار دارند. بنابراین نتیجه میدهد که امکان ساخت بتن سبک سازهای با 40 کیلوگرم بر متر مکعب الیاف امکانپذیر است.
مقاومت فشاری
نتایج نشان می دهند که در هر سه طرح می توان به مقاومت سازه ای حداقل دست یافت.
شکل(4): تغییرات چگالی
شکل(5): تغییرات مقاومت فشاری تا سن 90 روز
با توجه به نمودارها مشاهده میشود که الیاف فولادی باعث افزایش مقاومت فشاری نمونهها میشود. البته افزایش الیاف تأثیر کمی بر افزایش مقاومت فشاری داشت به طوری که با افزایش الیاف از 0 به 20 و 40 کیلوگرم در متر مکعب، افزایشی حدود 91/7% و 18% بدست آمد. تأثیر ناچیز افزایش الیاف بر روی مقاومت فشاری در کارهای مطالعاتی دیگران نیز گزارش شده است [19, 20, 2]. افزایش مقاومت فشاری تحت تأثیر الیاف را می توان بدین صورت توجیه نمود که وجود الیاف باعث به تأخیر افتادن رشد ریز ترک ها در بتن میگردد که در نتیجه باعث افزایش مقاومت و کرنش تحت بار حداکثر خواهد شد[19]. با توجه به بعد سنگدانهها و طول 5 سانتیمتری الیاف، امکان این بود که نمونه های 10×10×10 معرف خوبی برای سنجش مقاومت فشاری نباشند به همین جهت نمونه های 15×15×15 نیز ساخته شد. نمونه های 15×15×15 در سنین 14، 28 و 42 روز مورد آزمایش قرار گرفتند که نتایج آن ها در شکل 6 نشان داده شده اند. مقادیر بدست آمده نشان میدهند که نتایج نمونه های 15×15×15 مقادیر حاصل از آزمایش نمونه های 10×10×10 را تأیید میکند و تأثیر افزایش الیاف مشابه میباشد.
سرعت امواج اولتراسونیک
در این تحقیق همانند بررسی روند تغییرات مقاومت فشاری روند تغییرات سرعت امواج اولتراسونیک نیز در طرح های مختلف در سنین 7، 14، 28، 42 و 90 روز برای نمونه های 10×10×10 مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج سرعت امواج اولتراسونیک در سنین مختلف در شکل 7 آورده شده است. Whitehurstپیشنهادی را جهت طبقه بندی بتن از نظر کیفیت ارائه داده است[21]. بتن به 5 دسته عالی، خوب، مشکوک، ضعیف و خیلی ضعیف تقسیم شده است. میزان سرعت امواج اولتراسونیک به ترتیب 4500 متر بر ثانیه و بالاتر، 3500-4500 متر بر ثانیه، 3000-3500 متر بر ثانیه، 2000-3000 متر بر ثانیه و 2000 متر بر ثانیه و پایینتر برای دسته بندی ذکر شده ارائه شده است. با توجه به این طبقه بندی تمامی طرح ها در محدوده خوب و دو طرح نیز در محدوده عالی قرار میگیرند.
شکل(7): تغییرات سرعت عبور امواج اولتراسونیک
نمودار نشان میدهد که سرعت امواج اولتراسونیک با گذشت زمان افزایش پیدا کرده است. این امر را می توان به روند رو به رشد هیدراتاسیون خمیر سیمان و پر شدن حفرات و منافذ مویینه از محصولات واکنشهای سیمانی و در نتیجه متراکم شدن بتن در گذر زمان نسبت داد. البته نرخ افزایش سرعت امواج نسبت به مقاومت فشاری نرخی کندتر مشاهده شد. حضور الیاف نیز باعث افزایش ناچیز مقدار سرعت امواج گردید به طوری که با افزایش الیاف از 0 به 20 و 40 کیلوگرم بر متر مکعب افزایشی درحدود 72/2% و 62/3% بدست آمد. تأثیر کم الیاف روی سرعت امواج اولتراسونیک در مطالعه Sahmaran و همکاران نیز گزارش شد [16]. رشد سرعت امواج عبوری برای بتن حاوی الیاف در مقایسه با طرح شاهد در تأیید نتایج حاصل از رشد مقاومت فشاری بتن الیافی نسبت به بتن سبک خودتراکم بدون الیاف است. از آنجایی که الیاف فولادی در واکنشهای شیمیایی مصالح سیمانی شرکت نمیکنند]22[، لذا تأثیر گذر زمان بر عملکرد الیاف فولادی صرفاً با افزایش مقاومت ماتریس، که منجر به بهبود پیوستگی با الیاف می گردد، در ارتباط است.
نتایج آزمایش مقاومت کششی به روش دو نیم شدن
آزمایش مقاومت کششی برای تعیین مقاومت کششی بتن به روش دو نیم شدن نمونه های استوانه ای انجام شد. نمونه ها در سنین 7، 14، 28، 42 و 90 روز مورد آزمایش قرار گرفتند.
شکل(8): تغییرات مقاوت کششی
نمودار شکل 8 نشان می دهد که حضور الیاف باعث افزایش مقاومت کششی بتن میگردد به طوری که با افزایش الیاف از 0 به 20 و 40 کیلوگرم در متر مکعب افزایشی در حدود 4/12% و 46/16% بدست آمد. با افزایش سن به علت افزایش مقاومت ماتریس، پیوستگی بین الیاف و ماتریس بیشتر شده و عملکرد الیاف در بهبود مقاومت کششی افزایش می یابد، اما به علت کاهش روند افزایش مقاومت، این افزایش کندتر میگردد. افزایش مقاومت کششی تحت تأثیر حضور الیاف در کار محققین دیگر نیز دیده شده است. Chen و Liu افزایش 25% مقاومت کششی بتن سبک حاوی EPS تحت تأثیر حضور الیاف را گزارش نموده اند[1]. در تحقیق Kayali و همکاران نیز افزایش مقاومت کششی در حدود 21% برای بتن سبک حاصل شد[23]. آنچه که به هنگام افزایش مقاومت کششی در نتیجه استفاده از الیاف فولادی اتفاق میافتد را میتوان بدین صورت تشریح کرد که الیاف به هنگام شکافته شدن در بین بخشهای شکافته شده از ماتریس، از طریق انتقال تنش ها از ماتریس به الیاف، کرنش کششی بزرگتری را تحمل میکنند. در نتیجه افزایش در مقاومت کششی مشاهده میشود.
مقاومت خمشی
آزمایش مقاومت خمشی برای تعیین مدول گسیختگی بتن به روش سه نقطه ای روی نمونه های منشوری انجام شد.
شکل(9): تغییرات مقاومت خمشی
همانطور که انتظار میرفت حضور الیاف باعث افزایش مقاومت خمشی گردید. البته این تأثیر با گذشت زمان کمتر شد به طوری که در سن 7 روز با افزایش الیاف از 0 به 20 و 40 کیلوگرم در متر مکعب افزایش مقاومتی در حدود 4/32% و 3/82% و در سن 90 روز افزایش مقاومتی در حدود 7% و 9/23% بدست آمد.
مکانیزم افزایش مدول گسیختگی در اثر استفاده از الیاف فولادی را میتوان بدین صورت تشریح کرد: استفاده از الیاف به معنی اتصال بسیار وسیع و فاصله کم الیاف میباشد، لذا پس از اعمال بار و بروز ترکهای بسیار ریز در بافت بتن (ترک های میکروسکوپیک)، الیاف قادر خواهند بود از گسترش ترک ها به ترک های ماکروسکوپیک جلوگیری کرده و با انتقال تنش بین لبه های ترک از میزان تنش موجود در نوک ترک ها کاسته و از این طریق، از افزایش عرض ترک ها و تبدیل شدن ترک های میکروسکوپیک به ماکروسکوپیک جلوگیری کنند. همچنین به هنگام کشش در نمونه با افزایش بار، برخورد الیاف با ترک های به وجود آمده بیشتر میگردد و الیاف با مقاومت کششی خود، گسترش ترک و انفصال بتن را تا رسیدن به حد مقاومت کششی اصلاح میکنند. بدین طریق یک مکانیزم جذب انرژی اضافی ایجاد میکنند و منجر به کاهش تنشها در ناحیه ریز ترک های نزدیک رأس ترک ها میشوند و با کاهش عمق ترک ها مدول گسیختگی نیز افزایش مییابد.
Jianming و همکاران [24] ، با افزایش الیاف فولادی تا 2% حجم بتن، میزان افزایش مدول گسیختگی بتن سبک با مقاومت بالا را تا 90% بیان میکند که این میزان به درصد استفاده از الیاف و نسبت طول به قطر الیاف بستگی داشته است. البته Duzgun و Gul [19]، افزایش 2/120% مقاومت خمشی را برای نمونه های بتن سبک حاوی 5/1% الیاف فولادی با نسبت طول به قطر 50 را گزارش میکند. Semsi و همکاران نیز [25]، با اضافه کردن 5/1% الیاف فولادی با نسبت طول به قطر 45، افزایش 80 درصدی را ثبت نموده است. همچنین Shafigh و همکاران افزایش 31% مقاومت خمشی در سن 28 روز را به ازای اضافه کردن 1% الیاف فولادی به طرح شاهد، گزارش نمودند[2]. Libre و همکاران نیز اثر الیاف فولادی و پلی پروپیلن را بر روی بتن سبک بررسی کردند که افزایش 198% مقاومت خمشی را در حضور 1% الیاف فولادی و 57% را در حضور 4/0% الیاف پلی پروپیلن گزارش کردند[20].
طاقت خمشی
از آنجا که مهمترین اثر الیاف بر روی بتن، افزایش شکل پذیری میباشد، اندازه گیری طاقت خمشی در کارهای اکثر محققین مورد توجه قرار داشته است. به همین جهت در این مطالعه نیز نمونه های منشوری 10×10×50 در سن 28 روز مورد آزمایش خمش قرار گرفته و نمودار بار تغییر شکل وسط دهانه برای آنها رسم میگردد. سطح زیر نمودار بار-تغییر شکل به عنوان طاقت خمشی تعیین میشود. مقادیر اندازه گیری شده در جدول 9 آورده شده است. شکل 12 نتایج آزمایش را برای طرح های شاهد و الیافی نشان میدهند.
جدول (9): نتایج آزمایش طاقت خمشی
|
کد طرح |
بار حداکثر (KN) |
بار شکست (KN) |
تغییر مکان در بار حداکثر (mm) |
طاقت خمشی (KN mm) |
|
SC0 |
6/13 |
59/1 |
8/0 |
52/5 |
|
SC20 |
5/15 |
61/4 |
14/1 |
8/16 |
|
SC40 |
9/16 |
02/19 |
51/1 |
3/70 |
شکل(10): نمودار نیرو- تغییرمکان
همانطور که نمودار نشان میدهند، حضور الیاف باعث افزایش چشمگیر سطح زیر نمودار میگردد. به طوری که با افزایش الیاف از 0 به 20 و 40 کیلوگرم در متر مکعب، میزان طاقت خمشی از 52/5 به 8/16 و 3/70 کیلونیوتن- میلیمتر میرسد. وقتی در بتن الیاف وجود داشته باشد، ترک بدون افزایش طول و یا رها شدن الیاف نمیتواند گسترش یابد، در نتیجه قبل از اینکه در بتن گسیختگی کامل پیش بیاید، انرژی قابل ملاحظهای برای گسیختگی و یا رها شدن الیاف لازم است. Libre و همکاران گزارش میکنند که اضافه کردن 5/0% و 1% الیاف فولادی به طرح شاهد، میزان انرژی جذب شده را از 659 نیوتن میلیمتر به 28851 و 52225 نیوتن بر میلیمتر افزایش میدهد. همچنین تأثیر الیاف پلیپروپیلن بر روی طاقت خمشی کمتر گزارش شده است به طوریکه حضور2/0% و 4/0% الیاف پلی پروپیلن باعث افزایش انرژی از 659 نیوتن میلیمتر به 1479 و 4692 نیوتن میلیمتر گردید[20].
جذب آب
جذب آب به عنوان حرکت مایعات در منافذ موجود در جرم های جامد به علت کشش سطحی در منافذ مویینه تعریف میشود. به طور کلی در بتن با سنگدانه های سبک میزان جذب آب بالا می باشد که در اکثر موارد توسط محققین بالای 10% گزارش شده است[26]، ولی با استفاده از دوده سیلیس میتوان این مقدار را کاهش داد. کیفیت بتن توسط CEB [27] به سه رده ضعیف، متوسط و خوب به ترتیب بر مبنای جذب آب 5 درصد و بالاتر، بین 3 تا 5 درصد و کمتر از 3 درصد تقسیم بندی شده است.
شکل (11): تغییرات میزان جذب آب
حضور الیاف نیز باعث افزایش مقدار جذب آب گردید زیرا حضور الیاف تا حدودی بر خودتراکمی بتن تأثیر گذاشته و باعث افزایش تخلخل میگرددباوجود این ، بر اساس رده بندی تعیین شده توسط CEB تمامی نمونهها در محدوده خوب طبقه بندی میشوند.
مقادیر مناسب جذب آب طرحهای اختلاط را میتوان به استفاده از دوده سیلیس نسبت داد. دوده سیلیس با محصولات هیدراتاسیون سیمان واکنش داده و منافذ ساختار بتن را پر نموده و بتنی با تراکم بیشتر تشکیل میدهد]28[.
نتیجه گیری
1- با ثابت نگه داشتن میزان فوق روان کننده، افزایش الیاف باعث کاهش شدید میزان جریان اسلامپ گردید به طوری که این عدد در طرحهای حاوی 20 و 40 کیلوگرم الیاف در حدود 2/11% و 4/28% کاهش یافته و از محدوده 65 تا 70 سانتی متر خارج شدند که به منظور حفظ جریان اسلامپ در محدوده مورد نظر میزان فوق روان کننده در طرح های حاوی 20 و 40 کیلوگرم الیاف 5/15% و 32% نسبت به طرح شاهد افزایش یافت.
2- حضور الیاف باعث افزایش زمان خروج بتن از قیف گردید به طوریکه با افزایش الیاف از 0 به 20 و 40 کیلوگرم، افزایش زمان خروج بتن در حدود 40% و 120% افزایش یافت. به صورت مشابه افزودن الیاف به میزان 20 و 40 کیلوگرم، کاهش در میزان h2/h1 در حدود 14% و 23% نسبت به طرح شاهد سبب شد.
3- حضور الیاف باعث افزایش چگالی بتن می گردد. با این وجود تمامی طرح های بتن سبک، دارای وزن مخصوص پایین تر از 2000 کیلوگرم بر متر مکعب میباشند که این نشان دهنده این است که اضافه کردن 40 کیلوگرم در متر مکعب الیاف فولادی به طرح بتن سبک با رعایت محدوده وزنی مجاز (زیر 2000 کیلوگرم بر متر مکعب)، امکان پذیر میباشد.
4- تمامی طرح ها مقاومت فشاری حداقل (17 مگاپاسکال) را کسب نمودهاند. حضور الیاف باعث افزایش ناچیز مقاومت فشاری گردید، به طوریکه با افزایش الیاف از 0 به 20 و 40 کیلوگرم در متر مکعب، افزایش مقاومت فشاری حدود 91/7% و 18% اندازه گیری شد.
5- سرعت عبوری امواج اولتراسونیک نمونههای 90 روزه برای هرسه طرح در محدوده خوب قرار گرفت. حضور الیاف باعث افزایش ناچیز سرعت عبوری امواج اولتراسونیک میگردد به طوری که با افزایش الیاف از 0 به 20 و 40 کیلوگرم بر متر مکعب افزایشی در حدود 72/2% و 62/3% حاصل شد.
6- حضور الیاف باعث افزایش مقاومت کششی میگردد به طوری که با افزایش الیاف از 0 به 20 و 40 کیلوگرم در متر مکعب افزایشی در حدود 4/12% و 46/16% بدست آمد.
7- نمونههای حاوی الیاف، نتایج بسیار بهتری را برای مقاومت خمشی نشان میدهند، به طوری که با افزایش الیاف از 0 به 20 و 40 کیلوگرم در متر مکعب افزایش مقاومتی در حدود 4/32% و 3/82% اندازهگیری شد. همچنین حضور الیاف باعث افزایش قابل ملاحظه سطح زیر نمودار بار– تغییر شکل (طاقت خمشی) گردید.
8- جذب آب تمامی نمونهها با توجه به ردهبندی CEB، در محدوده خوب طبقه بندی میشوند.
)