نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشیار دانشکده فنی دانشگاه گیلان
2 دانشجوی دکتری مهندسی عمران،گرایش سازه، دانشکده فنی دانشگاه گیلان
چکیده
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Recent researches have shown that use of fiber in concrete can increase the flexural, tensile, and abrasion resistance. On the other hand Self-Compacting Concrete is a high flowable homogenous concrete which can eliminate several common problems in normal concretes by means of its compaction under its own weight. The above properties of self compacting concrete facilitate the fabrication of concrete structural members with congested reinforcement.
On the other hand, in the past two decades application of nano-technology has significantly revolutionized human knowledge. Using nano silica particles as a product of pozolanic reaction, can strongly improve the permeability of concrete. Thus concrete having the properties of both self compacting concrete and fiber reinforced concrete with strengthened micro matrices can improve the fabrication of durable structures with high performance level. In this research, the combined effect of nano-silica particles and fibers type (steel, polypropylene and glass) on mechanical properties (compressive, tensile and flexural strength, modulus of elasticity), rheological behavior (L-box, slump flow and T50) and also the durability of Self-Compacting concrete were evaluated using water absorption and Rapid Chloride Penetration Test (RCPT). Furthermore, XRD test has been used.
For this purpose, forty mixtures in A, B, C and D series representing 0, 2, 4 and 6 percent of nano silica particles replacing cement content were cast. Each series involved three different fiber type and content. 0.2, 0.3 and 0.5% volume for steel fiber, 0.1, 0.15 and 0.2% of volume for polypropylene fiber and finally 0.15, 0.2 and 0.3% of volume for glass fiber. The results show that the combined usage of optimum percent of fiber and nano silica particles will improve the mechanical properties and durability of self-compacting concrete.
کلیدواژه‌ها [English]
1- مقدمه
بتن خود تراکم اولین بار برای دستیابی به ساختار بتن پایدار در سال 1988 مطرح گردید و مطالعات اولیه پیرامون کارایی بتن خود تراکم، توسط ozawa (1989) و okamura (1993) در دانشگاه توکیو انجام گرفت [1، 2، 3] طبق نظریه‌ای، بتن خود تراکم بتنی است که دارای سیالیتی باشد که تراکم، بدون نیاز به انرژی خارجی انجام شود و علاوه بر آن در حین و پس از تمام بتن‌ریزی بصورت یکپارچه باقی بماند و به راحتی در خلال آرماتورهای متراکم حرکت کند [4]. اجرای سریع‌تر ساختمانها، کاهش نیروی انسانی به دلیل خود تراکمی بودن SCC، بهبود دوام به دلیل کاهش نفوذپذیری، آزادی عمل بیشتر در طراحی مقاطع از مزایای استفاده از بتن SCC میباشد. از طرفی بتن به عنوان ماده‌ای که ساختار اصلی بیشتر سازه‌ها از قبیل: پل، سد، روسازی فرودگاه و اسکلت سازه‌ها و ... را تشکیل میدهد، از نظر خواص دارای معایبی نیز میباشد که نظر محققان و مهندسان را به خود جلب کرده است.که از مهمترین معایب آن مقاومت کششی کم آن است که به همین دلیل دارای شکلپذیری کم و تردی زیاد میباشد. برای رفع این عیب از تسلیح بتن توسط میلگردهای فولادی استفاده میشود. این میلگردها به صورت متمرکز در بتن قرار می‌گیرند و تا حد خیلی زیاد ضعف مقاومت کششی بتن را جبران میکند. استفاده از میلگرد در همه جا امکان‌پذیر نبوده یا باعث هزینه‌های زیادی میشود مانند: پوسته کانالهای آب، روسازی، فرودگاهها و .... از اینرو برای رفع این مشکل در چند دهه اخیر از رشته‌های الیاف که به صورت یکنواخت در حجم بتن پراکنده استفاده میشود که ایده آن به قرنها قبل مانند استفاده از کاه یا موی دم اسب در خشتهای گلی برمی‌گردد.
انهدام و زوال بتن به شدت به تشکیل ترکها و ریزترکها در اثر بارگذاری و یا تأثیرات محیطی وابسته است. تغییرات گرمایی و رطوبتی در خمیر سیمان باعث ایجاد ریز ترکها میشوند و چنین ریز ترک‌هایی در سطح دانه‌های درشت متمرکز میشوند. با تأثیر بیشتر بارگذاری و نیز سایر مسائل محیطی، ریز ترکها در جسم بتن منتشر میشود [5]. استفاده از الیاف مختلف در بتن و ساخت بتن الیافی (FRC) به عنوان یک گام موثر در جلوگیری از انتشار ریزترکها و ترکها و جبران ضعف مقاومت کششی بتن محسوب میشود. مهمترین مشخصه بتن الیافی خاصیت جذب انرژی، انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر ضربه است؛ به همین دلیل امروزه این بتن نقش بسیار جدی در پیشرفت تکنولوژی بتن ایفا کرده و به عنوان یک ماده جدید و اقتصادی در مسائل ساختمانی محسوب شده است [6]. خاصیت جذب انرژی و طاقت بتن می‌تواند به نحو مطلوبی خطر شکست سازه‌های بتنی به خصوص در مناطقی که تحت بارهای مکرر و لرزه‌ای قرار می‌گیرند را کاهش دهد. برای روشن شدن شکلپذیری بتن الیافی توجه شود که کرنش شکست یک ماتریس ترد (نظیر سیمان پرتلند) به مراتب از کرنش شکست یک فایبر محکم (نظیر فولاد، شیشه، پلی‌پروپیلن) کمتر است (کمتراز50/1). در نتیجه وقتی که سیمان مسلح به الیاف تحت بار قرار گیرد ماتریس بسیار زودتر از شکست الیاف، ترک خواهد خورد با ترک‌خوردگی ماتریس، یکی از سه نوع شکست زیر ممکن است برای جسم کامپوزیت اتفاق بیافتد:
الف) ممکن است جسم کامپوزیت بلافاصله پس از ترک‌خوردگی ماتریس بشکند، نظیر حالتی که از فایبرها پلیمری با درصد حجم کم استفاده شده باشد.
ب) ممکن است جسم کامپوزیت تحت بارهای کمتر به تحمل بار و تغییر شکل ادامه دهد، نظیر حالتی که از فایبرهای فولادی با حجم کم تا متوسط استفاده شده باشد. در این حالت مقاومت پس از ترک‌خوردگی ابتدا با بیرون کشیده شدن فایبرها از سطح ترک تأمین شده و سپس با تغییر شکل آنها ادامه می‌یابد.
ج) ممکن است پس از ترک‌خوردگی ماتریس، جسم کامپوزیت تنشهای کششی و تغییر شکل‌های بیشتری را تحمل میکند، نظیر حالتی که از فایبرهای کربن به مقدار متوسط تا زیاد استفاده شده باشد. دقت شود که این حالت فقط در صورتی اتفاق می‌افتد که مقاومت چسبندگی (مقاومت بیرون کشیدگی[1]) فایبر در لحظه اولین ترک بیش از بار موجود در لحظه اولین ترک باشد، زیرا در لحظه ترک‌خوردگی تمام بار به ناگهان به فایبر منتقل میشود. حال با افزایش بار روی جسم کامپوزیت، فایبر تنش اضافی را از طریق چسبندگی به ناحیه تماس، به ماتریس بتن منتقل میکند. واضح است که از بین حالت فوق‌الذکر، بتن الیافی در وضعیت (الف) فاقد شکلپذیری بوده و بیشترین شکلپذیری برای بتن الیافی در شرایط (ج) حاصل میشود. حال برای رسیدن به حالت شکل‌پذیر بتن الیافی (حالت ج) نیاز است که به تقویت ناحیه تماس الیاف و ماتریس بتن بپردازیم.
ناحیه تماس که به اسامی مختلفی مانند لایه مرزی یا منطقه انتقالی نامیده میشود، ناحیه مرزی بین خمیر سیمان و سطح سنگدانه یا الیاف و یا میلگرد پدید می‌آید که نقش مهمی در نفوذپذیری، دوام و مقاومت بتن دارد. ناحیه تماس دارای میکرو ساختاری متفاوت با خمیر سیمان بوده و دارای تخلخل و ریزترکهای بیشتری است. ضخامت ناحیه تماس، تابع نوع الیاف، نوع سیمان، نوع پوزولان مصرفی، نسبت آب به سیمان و سن بتن میباشد. در این بررسی آزمایشگاهی برای تقویت ناحیه تماس از نانوسیلیس به عنوان پوزولان مصنوعی بسیار فعال که از محصولات فناوری نانو است استفاده شده است. در سالهای اخیر، با ورود فناوری نانو دیدگاههای جدید در زمینه فناوری بتن ایجاد شده است که از جمله آنها میتوان به بهبود دانش و درک فیزیکی و شیمیایی واکنش و ریز ساختار بتن و نیز بهبود کیفیت بتن‌های موجود و روش‌های اجرایی مرتبط با آن با استفاده از مواد جدید در مقیاس نانو یا همان نانو ذرات اشاره کرد. طبق تعریف، نانو ذره به ذره‌ای اطلاق میشود که حداقل یکی از ابعاد آن کمتر از 100 نانومتر باشد. با توجه به ریز ساختار سیمان هیدراته شده و وجود حفراتی در ابعاد نانو در آن، استفاده از نانو ذرات می‌تواند در پر کردن تخلخل‌های بسیار ریز خمیر سیمان و افزایش مقاومت و به خصوص دوام بتن مؤثر باشد. نتایج تحقیقات انجام شده توسط Qing ]7 ]، Collepardi [8] و Li [9] این مسأله را تأیید میکند. بنابراین وجود نانوسیلیس می‌تواند استحکام فشاری خمیر سخت شده سیمان و استحکام پیوندی سنگدانه با خمیر و همچنین الیاف با خمیر سیمان را افزایش داده و ساختار ناحیه انتقال را به طور مؤثری بهبود ببخشد.
2- مصالح مصرفی
نانو سیلیس مصرفی در این تحقیق نانو سیلیس آمورف کلوئیدی محلول در آب با غلظت 50 درصد است. نانو سیلیس مذکور دارای بیش از 99 درصد سیلیس آمورف بوده که در جدول(1) خصوصیات فیزیکی این نانو سیلیس آمده است، که با 2، 4، 6 درصد وزن سیمان در سری های مختلف بکار گرفته شد. در این تحقیق از فوق روان کننده (SP) نسل سوم بر پایه کربوکسیلیک اتر با نام تجاری GLENIUM_110P ، استفاده شده است این ماده، کدر و ابری رنگ بوده و در دمای 20 درجه سانتیگراد، وزن مخصوص آن 1/1 گرم بر سانتیمتر مکعب میباشد.
جدول (1)- مشخصات فیزیکی نانوسیلیس
الیاف های مصرفی شامل سه نوع پلی پروپیلن، فولادی و شیشه می باشد که ویژگیهای آنها را میتوان در جدول(2) مشاهده کرد.
جدول 2 –ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی الیاف های مصرفی
|
نسبت منظر |
قطر (mm) |
طول (mm) |
مقاومت کششی ) |
شکل |
الیاف |
|
120 |
1/0 |
12 |
4500 |
صاف |
P.P |
|
50 |
7/0 |
36 |
21000 |
قلابدار |
ST |
|
600 |
02/0 |
12 |
14000 |
صاف |
Glass |
شن مصرفی با حداکثر ابعاد 5/12 میلیمتر و منحنی دانهبندی آن در محدوده استاندارد ASTM بوده و ماسه مصرف شده زیر الک 75/4 میلیمتر انتخاب شد که دارای هم ارز ماسهای به میزان 76 درصد بوده است و از سیمان پرتلند تیپ 2 و پودر سنگ با وزن مخصوص6/2 گرم بر سانتیمتر مکعب استفاده شده است.
3- طرح اختلاط
در این تحقیق، 40 طرح اختلاط شامل 4 سری A ,B ,C ,D به ترتیب با 6، 4، 2، 0 درصد وزنی سیمان، نانو سیلیس که بهصورت جایگزین با سیمان استفاده شده است و هر سری شامل 3 نوع الیاف (فلزی: 2/0، 3/0 ،5/0 درصد حجمی، پلی پروپیلن: 1/0، 15/0 ، 2/0 درصد حجمی و شیشه:15/0،2/0 ، 3/0 درصد حجمی) مورد بررسی و آزمایش قرار گرفت. در تمام 40 طرح اختلاط که در جدول(3) آمده است.به غیر از نوع ومقدار الیاف و میزان نانو سیلیس،تمامی اجزای تشکیل دهنده بتن ثابت در نظر گرفته شد. نسبت آب به مصالح سیمانی(W/B[2]) برابر است با 39/0 و طرح شماره A1 که بدون الیاف و نانو سیلیس است بهعنوان طرح شاهد در نظر گرفته شد.( Vf (%) موجود در جدول(3) همان درصد حجمی الیاف یعنی نسبت حـــجم الیاف به حجـــم بتن ،می باشد
و به علت اینکه درجه خلوص محلول نانو سیلیس 50% می باشد، مقادیر وزنی محلول نانو سیلیس موجود در جدول (3) به صورت خالص نبوده، در واقع 50% وزنی آن آب و 50% آن نانو سیلیس می باشد).
جدول 3- طرح اختلاط بتن( بر حسب(kg/m3) )
|
MIX No. |
Series |
Nano Silica (%) |
Fiber Vf (%) |
Gravel
|
Sand |
Lime stone powder |
Cement |
Nano Silica |
Water |
SP |
|
|
1 |
A |
0 |
- |
722 |
826 |
288.9 |
413.1 |
0 |
162 |
7 |
|
|
2 |
St |
0.2 |
722 |
826 |
288.9 |
413.1 |
0 |
162 |
7 |
||
|
3 |
0.3 |
722 |
826 |
288.9 |
413.1 |
0 |
162 |
7 |
|||
|
4 |
0.5 |
722 |
826 |
288.9 |
413.1 |
0 |
162 |
7 |
|||
|
5 |
P.P |
0.1 |
722 |
826 |
288.9 |
413.1 |
0 |
162 |
7 |
||
|
6 |
0.15 |
722 |
826 |
288.9 |
413.1 |
0 |
162 |
7 |
|||
|
7 |
0.2 |
722 |
826 |
288.9 |
413.1 |
0 |
162 |
7 |
|||
|
8 |
Glass |
0.15 |
722 |
826 |
288.9 |
413.1 |
0 |
162 |
7 |
||
|
9 |
0.2 |
722 |
826 |
288.9 |
413.1 |
0 |
162 |
7 |
|||
|
10 |
0.3 |
722 |
826 |
288.9 |
413.1 |
0 |
162 |
7 |
|||
|
1 |
B |
2 |
- |
722 |
826 |
288.9 |
396.6 |
16.5 |
153.7 |
7 |
|
|
2 |
St |
0.2 |
722 |
826 |
288.9 |
396.6 |
16.5 |
153.7 |
7 |
||
|
3 |
0.3 |
722 |
826 |
288.9 |
396.6 |
16.5 |
153.7 |
7 |
|||
|
4 |
0.5 |
722 |
826 |
288.9 |
396.6 |
16.5 |
153.7 |
7 |
|||
|
5 |
P.P |
0.1 |
722 |
826 |
288.9 |
396.6 |
16.5 |
153.7 |
7 |
||
|
6 |
0.15 |
722 |
826 |
288.9 |
396.6 |
16.5 |
153.7 |
7 |
|||
|
7 |
0.2 |
722 |
826 |
288.9 |
396.6 |
16.5 |
153.7 |
7 |
|||
|
8 |
Glass |
0.15 |
722 |
826 |
288.9 |
396.6 |
16.5 |
153.7 |
7 |
||
|
9 |
0.2 |
722 |
826 |
288.9 |
396.6 |
16.5 |
153.7 |
7 |
|||
|
10 |
0.3 |
722 |
826 |
288.9 |
396.6 |
16.5 |
153.7 |
7 |
|||
|
1 |
C |
4 |
- |
722 |
826 |
288.9 |
380 |
33 |
145.5 |
7 |
|
|
2 |
St |
0.2 |
722 |
826 |
288.9 |
380 |
33 |
145.5 |
7 |
||
|
3 |
0.3 |
722 |
826 |
288.9 |
380 |
33 |
145.5 |
7 |
|||
|
4 |
0.5 |
722 |
826 |
288.9 |
380 |
33 |
145.5 |
7 |
|||
|
5 |
P.P |
0.1 |
722 |
826 |
288.9 |
380 |
33 |
145.5 |
7 |
||
|
6 |
0.15 |
722 |
826 |
288.9 |
380 |
33 |
145.5 |
7 |
|||
|
7 |
0.2 |
722 |
826 |
288.9 |
380 |
33 |
145.5 |
7 |
|||
|
8 |
Glass |
0.15 |
722 |
826 |
288.9 |
380 |
33 |
145.5 |
7 |
||
|
9 |
0.2 |
722 |
826 |
288.9 |
380 |
33 |
145.5 |
7 |
|||
|
10 |
0.3 |
722 |
826 |
288.9 |
380 |
33 |
145.5 |
7 |
|||
|
1 |
D |
6 |
- |
722 |
826 |
288.9 |
363.5 |
49.6 |
137.2 |
7 |
|
|
2 |
St |
0.2 |
722 |
826 |
288.9 |
363.5 |
49.6 |
137.2 |
7 |
||
|
3 |
0.3 |
722 |
826 |
288.9 |
363.5 |
49.6 |
137.2 |
7 |
|||
|
4 |
0.5 |
722 |
826 |
288.9 |
363.5 |
49.6 |
137.2 |
7 |
|||
|
5 |
P.P |
0.1 |
722 |
826 |
288.9 |
363.5 |
49.6 |
137.2 |
7 |
||
|
6 |
0.15 |
722 |
826 |
288.9 |
363.5 |
49.6 |
137.2 |
7 |
|||
|
7 |
0.2 |
722 |
826 |
288.9 |
363.5 |
49.6 |
137.2 |
7 |
|||
|
8 |
Glass |
0.15 |
722 |
826 |
288.9 |
363.5 |
49.6 |
137.2 |
7 |
||
|
9 |
0.2 |
722 |
826 |
288.9 |
363.5 |
49.6 |
137.2 |
7 |
|||
|
10 |
0.3 |
722 |
826 |
288.9 |
363.5 |
49.6 |
137.2 |
7 |
|||
4- نحوه عمل‌آوری و نگهداری، نمونهها
بعد از اتمام اختلاط، این نمونه ها در شرایط آزمایشگاهی به مدت 24 ساعت در قالب نگهداری می‌شدند و سپس از قالب در آورده شده و در حوضچه‌های آب در دمای بین 22-25 درجه سانتیگراد تا سن مورد نظر برای هرآزمایش نگهداری شدند. هر طرح اختلاط شامل 9 نمونه مکعبی به ابعاد (10×10×10) سانتیمتر و 6 نمونه استوانه ای (15×30) سانتیمتر و 3 نمونه تیر به ابعاد (10×10×50) سانتیمتر و 1 نمونه استوانه ای (10×20) سانتیمتر می باشد که در کل برای 40 طرح اختلاط، 760 نمونه ساخته شده است.
5- بررسی خواص فیزیکی (رئولوژی) بتن خود تراکم تازه
در این تحقیق از طرح اختلاطی استفاده شد که با وجود استفاده از الیاف و نانو سیلیس در بتن، بتن خواص خودتراکمی SCC را داشته باشد، لذا برای سنجش کارایی بتن خودتراکم الیافی حاوی ذرات نانو سیلیس از پارامترهای سنجش بتن خودتراکم استفاده نمودیم. جهت بررسی خواص متفاوتی از قبیل قابلیت عبور و پایداری بتن خودمتراکم در برابر جداشدگی از آزمایشL-BOX و جهت ارزیابی تغییرشکل پذیری یا روانی بتن خودمتراکم از آزمایش اسلامپ استفاده گردید. آزمایش اسلامپ بتن خودمتراکم مشابه با آزمایش صورت گرفته برای بتن معمولی است. با این تفاوت که در این آزمایش پس از جاری شدن بتن بر روی میز اسلامپ دو قطر عمود برهم اندازه گیری میشوند و میانگین آنها بیانگر روانی بتن مذکور میباشد. همچنین زمان رسیدن به قطر500 میلیمتر (بر حسب ثانیه) با توجه به علامت گذاری در داخل صفحه آزمایش اسلامپ ثبت می شود که بیانگر نرخ تغییر شکل با تعریف یک فاصله روانی است. با آزمایش L-BOX ارتفاع SCC تازه را پس از عبور از میان فواصل مشخص شده بین آرماتورهای فلزی و جریان در یک مسیر در نظر گرفته شده، اندازه گیری می گردد و با این مقدار که حداقل 8/0می باشد، قدرت عبور و انسداد آن تخمین زده می شود.نتایج حاصل از خواص فیزیکی بتن خودتراکم تازه در شکل(1)، (2)و (3) ارائه شده است. مطابق آیین نامه اروپا جریان اسلامپ بتن خود تراکم باید در محدوده 60-75 سانتیمتر و زمان باید حداقل 3 و حداکثر 6 ثانیه باشد.
شکل 1- آزمایش جریان اسلامپ (T50)
شکل 2- آزمایش اسلامپ
شکل3 - آزمایش L-BOX
6- آزمایشات بتن سخت شده
6-1-آزمایش مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته
آزمایش مقاومت فشاری بر اساس استاندارد (B.S1881:Part116) انجام پذیرفت. در آزمایشات انجام شده شرایط عمل آوری و پارامتر های آزمایش و پارامتر های ساخت یکسان بوده اند که نتایج آن در جدول (4) و شکل )5) ارائه شده است. جهت تعیین مدول ارتجاعی بتن از نمونه‌های استوانه‌ای به قطر 15 و ارتفاع 30 سانتیمتر (ASTM-C496) استفاده گردید که نتایج آن در جدول(4) ارائه شده است.
جدول 4- خواص مکانیکی بتن سخت شده(28 روزه)
|
MIX No. |
Series |
Nano Silica (%) |
Fiber Vf(%) |
Compressive strength (Mpa) |
Splitting tensile strength (Mpa) |
Flexural tensile strength (Mpa) |
Toughness (N.mm) |
Elastic modulus (Gpa) |
RCPT (کلمب) |
جذب آب(%) |
|
|
1 |
A |
0 |
- |
73 |
4 |
5.16 |
1190 |
38 |
1622 |
1.7 |
|
|
2 |
St |
0.2 |
74.3 |
5 |
6.02 |
20651 |
37.6 |
2200 |
2.4 |
||
|
3 |
0.3 |
81.5 |
5.2 |
6.58 |
22695 |
38.3 |
3062 |
2.47 |
|||
|
4 |
0.5 |
78 |
5.8 |
7.08 |
31169 |
38.2 |
4232 |
2.5 |
|||
|
5 |
P.P |
0.1 |
71.7 |
4.2 |
5.82 |
3843 |
36 |
1948 |
2.5 |
||
|
6 |
0.15 |
69.3 |
4.6 |
6.24 |
5012 |
35.5 |
2270 |
2.62 |
|||
|
7 |
0.2 |
66.6 |
4.6 |
6.6 |
5433 |
35.2 |
2785 |
2.88 |
|||
|
8 |
Glass |
0.15 |
82 |
4.5 |
5.52 |
2314 |
37.3 |
1162 |
0.8 |
||
|
9 |
0.2 |
78.5 |
5.6 |
8.1 |
3001 |
37 |
1202 |
1.1 |
|||
|
10 |
0.3 |
76.8 |
5.3 |
7.8 |
2570 |
37.5 |
1615 |
1.22 |
|||
|
1 |
B |
2 |
- |
75.2 |
4.3 |
5.52 |
- |
38.7 |
- |
- |
|
|
2 |
St |
0.2 |
77.5 |
5.8 |
7.2 |
23748 |
38.7 |
- |
- |
||
|
3 |
0.3 |
82.7 |
7.1 |
7.53 |
27553 |
39 |
- |
- |
|||
|
4 |
0.5 |
79.2 |
6.9 |
7.4 |
36468 |
38.8 |
- |
- |
|||
|
5 |
P.P |
0.1 |
73.6 |
4.4 |
6.1 |
4343 |
37 |
- |
- |
||
|
6 |
0.15 |
70.8 |
5 |
6.4 |
5357 |
36.7 |
- |
- |
|||
|
7 |
0.2 |
68 |
5.4 |
7 |
6007 |
36.6 |
- |
- |
|||
|
8 |
Glass |
0.15 |
82.6 |
4.8 |
6.7 |
2503 |
40 |
- |
- |
||
|
9 |
0.2 |
80.5 |
5.7 |
8.3 |
3177 |
38.8 |
- |
- |
|||
|
10 |
0.3 |
78.7 |
5.5 |
8.1 |
2693 |
37.6 |
- |
- |
|||
|
1 |
C |
4 |
- |
86.1 |
5.4 |
7.2 |
- |
41 |
978 |
1.35 |
|
|
2 |
St |
0.2 |
85.7 |
6.7 |
8.4 |
22505 |
41 |
1378 |
1.5 |
||
|
3 |
0.3 |
88 |
7.3 |
8.6 |
26785 |
41.3 |
1603 |
1.5 |
|||
|
4 |
0.5 |
87.2 |
7.6 |
9.1 |
35105 |
41.3 |
2100 |
1.58 |
|||
|
5 |
P.P |
0.1 |
82.6 |
5.5 |
7.5 |
3980 |
38.1 |
1117 |
1.7 |
||
|
6 |
0.15 |
78.7 |
6.1 |
7.8 |
5309 |
37.8 |
1973 |
1.87 |
|||
|
7 |
0.2 |
76.5 |
6.3 |
7.9 |
5911 |
37.7 |
2115 |
1.9 |
|||
|
8 |
Glass |
0.15 |
88.7 |
6.3 |
8.5 |
2470 |
41.5 |
877 |
0.6 |
||
|
9 |
0.2 |
84 |
7.2 |
9 |
3102 |
41 |
1012 |
0.6 |
|||
|
10 |
0.3 |
83.6 |
7.1 |
8.7 |
2515 |
41 |
1072 |
0.68 |
|||
|
1 |
D |
6 |
- |
85.4 |
5.4 |
7.17 |
- |
40.9 |
- |
- |
|
|
2 |
St |
0.2 |
85.2 |
6.5 |
8.4 |
21078 |
40.7 |
- |
- |
||
|
3 |
0.3 |
86.7 |
7.2 |
8.5 |
21970 |
41.2 |
- |
- |
|||
|
4 |
0.5 |
86.1 |
7.3 |
8.8 |
30556 |
41 |
- |
- |
|||
|
5 |
P.P |
0.1 |
79.6 |
5.4 |
7.1 |
3850 |
37.5 |
- |
- |
||
|
6 |
0.15 |
77 |
5.8 |
6.9 |
5112 |
37.5 |
- |
- |
|||
|
7 |
0.2 |
72.3 |
6 |
7.2 |
5430 |
37.3 |
- |
- |
|||
|
8 |
Glass |
0.15 |
86.5 |
6 |
8.5 |
2270 |
40.7 |
- |
- |
||
|
9 |
0.2 |
83 |
6.8 |
8.4 |
2876 |
40.5 |
- |
- |
|||
|
10 |
0.3 |
82.7 |
6.7 |
8.1 |
2482 |
40.5 |
- |
- |
|||
6-2-آزمایش مقاومت کششی
از این آزمایش بر طبق استاندارد ASTM-C496 برای تعیین مقاومت کششی بتن استفاده شد که نتایج آن در جدول (4) و شکل های (6) ارائه شده است.
6-3-آزمایش مقاومت خمشی و طاقت خمشی
در این آزمایش هدف تعیین مدول گسیختگی و طاقت خمشی بر اساس استانداردهای ASTMC78 وASTMC1018–94b که بر روی نمونه‌های منشوری 10×10×50 سانتیمتر توسط دستگاه (Universal) که مکانیزم آن کنترل تغییرمکان[3] بوده و با سرعت 5/0 میلی متر بر دقیقه انجام شد و فاصله بین دو تکیه گاه مطابق شکل(4) 40 سانتیمتر میباشد که نتایج آن در جدول(4 ) و شکل های (7) الی (11) ارائه شده است.
6-4-تست نفوذ یون کلرید و جذب آب
تست نفوذ یون کلرید به روش تسریع شده مطابق آئین نامه ASTM C1202-97 و تست جذب آب برای تمامی طرح‌ها طبق استاندارد ASTMC 642 در سن 70 روز برای طرحهای سری AوC انجام شد که نتایج آن در جدول(4 ) و شکل (12) و (13) ارائه شده است.
شکل 4- الف) دستگاه یونیورسال ب)محل شکست
6-5-آزمایش طیف سنجی تفرق اشعه x
جهت دستیابی به معیاری مناسب جهت تخمین فعالیت پوزولانی نانو سیلیس، از آزمایش تفرق اشعه x بر روی پودر حاصل از آسیاب نمودن نمونه های خمیر سیمان در طرح اختلاطهای فاقد
الیاف (D1, C1, B1, A1)در سن 70 روز استفاده شد. طیف های بدست آمده با طیف های مرجع موجود برای هیدروکسید کلسیم مقایسه شده، و پس از شناسایی پیک های مربوط به هیدروکسید کلسیم از روی شدت آنها مقایسه نمونهها پرداختیم.
7- تحلیل و تفسیر نتایج آزمایشات خواص مکانیکی و دوام
ابتدا به بررسی تأثیر نانو سیلیس بر مقاومت فشاری بتن شاهد (A1) می‌پردازیم. با توجه به نتایج ارائه شده در شکل (5) در طرح اختلاطهای بتن‌های خود تراکم فاقد الیاف با افزایش (2 تا 4) درصد نانو سیلیس (درصد وزن سیمان) شاهد افزایش مقاومت فشاری به میزان 20 درصد نسبت به نمونه شاهد هستیم و بعد از آن یعنی با افزایش 6 درصد نانو سیلیس شاهد کاهش مقاومت فشاری هستیم که بهبود مقاومت فشاری در اثر افزایش نانو سیلیس تا 4 درصد را میتوان به مکانیزمی 4 مرحله‌ای که سبب بهبود ریز ساختار و در نتیجه افزایش ویژگیهای مکانیکی و دوام بتن میشود، اشاره نمود. در نتیجه این مکانیزم خواهیم داشت:
1- واکنش پوزولانی [12، 11، 10]: مقدار زیادی کریستال کلسیم هیدروکسید در طی واکنش سیمان و آب تولید میشود (روابط (4-1) و (4-2)). کریستال Ca(OH)2 کریستالی شش گوشه است و در میان ناحیه انتقالی بین سنگدانه‌ها و ماتریس خمیر سیمان قرار دارد و این امر برای مقاومت‌های بتن مضر میباشد.
نانوسیلیس به دلیل سطح ویژه بسیار بالای خود بسیار واکنش‌پذیر است، در نتیجه با Ca(OH)2 به سرعت واکنش داده و ژل کلسیم ـ سیلیکات ـ هیدرات را تولید میکند، پس در این واکنش پوزولانی (رابطه (4-3)) اندازه و مقدار کریستال‌های کلسیم هیدروکسید کاهش می‌یابد و ژل متراکم و پرمقاومت C – S – H که حاصل واکنش پوزولانی است، با پر کردن فضاهای خالی باعث افزایش چگالی ناحیه انتقالی میشود و در نتیجه مقاومت و دوام بتن افزایش می‌یابد.
(4-1) (4-2)
(4-3) در توضیح این واکنش‌پذیری سریع ذرات نانو سیلیس میتوان گفت که برای نانوسیلیس با پیوندهای غیراشباع ، فرآیند واکنش بین SiO2 و Ca(OH)2 به صورت زیر میباشد:
(4-4) (واکنش سریع)
(4-5) (واکنش سریع)
(4-6) (واکنش سریع)
در نتیجه نانوذرات سیلیس واکنش سریع پوزولانی انجام میدهند.
2- خاصیت ریز پرکنندگی [13]: حدود 70% از محصولات هیدراسیون ژل C – S – H است.قطر میانگین ذرات ژل C – S – H تقریباً برابر 10 نانومتر میباشد. ذرات نانو با خاصیت پرکنندگی خلل و فرج موجود در ژل C – S – H باعث ایجاد یک ماتریس خمیر چسبنده متراکم‌تر میشود.
3- عملکردی چون هسته اتم [14]: در ساختمان ژل C – S – H، ذرات نانوسیلیس می‌توانند مانند هسته عمل کرده و یک پیوند بسیار قوی با ذرات ژل C – S – H ایجاد کنند. بنابراین، پایداری محصولات هیدراسیون بهبود می‌یابد و انتظار می‌رود که ویژگیهای مکانیکی و دوام بتن افزایش یابند.
4- کنترل کریستال‌سازی [11، 10]: در صورتی که مقدار نانوذرات و فواصل بین آنها مناسب باشد، روند کریستال‌سازی کریستال‌ها مانند: Ca(OH)2 در ناحیه انتقالی کاهش یافته و در نتیجه ماتریس خمیر سیمان یکنواخت‌تر و متراکم‌تر میگردد.
بنابراین در طرح اختلاطهای فاقد الیاف (D1, C1, B1, A1)که به ترتیب حاوی 0 و 2 و 4 و 6 درصد نانوسیلیس هستند و با توجه به نتایج شکل (5) با افزایش درصد نانوسیلیس تا %4 شاهد رشد صعودی مقاومت فشاری تا حدود %20 مقاومت بتن شاهد, هستیم. با مصرف بیشتر از 4 درصد نانوسیلیس شاهد نه تنها افزایش مقاومت نیستیم بلکه با کاهش مواجه می‌شویم، و این کاهش را میتوان به این علت دانست که: از یک طرف مکانیزم عملکرد نانوسیلیس در بتن همانطور که بیان شد سبب ایجاد ساختاری متراکم‌تر و خلل و فرج کمتر میشود، و از طرفیدیگر نانوذرات با داشتن سطح ویژه بسیار بالای خود که وقتی مقدارشان از حد معینی (مقدار بهینه 4 درصد در این پروژه) بیشتر شود می‌توانند با یک واکنش فیزیکی، به هم چسبیده و کلوخه‌های ناپایدار را ایجاد کنند. بنابراین میتوان 4 درصد نانوسیلیس را درصد بهینه دانست. که این روند در تمام سنین مشهود بوده و مقاومت در تمامی درصدهای نانوسیلیس در سنین مختلف بالاتر از بتن شاهد بوده است. با توجه به روند کسب مقاومت فشاری که در شکل (5) نشان داده شده است، سرعت کسب مقاومت نمونه‌های حاوی نانو سیلیس تا سن 7 روز بیشترین مقدار بوده و با افزایش سن نمونهها کاهش می‌یابد،بطوریکه در نمونه‌های حاوی 4درصد نانو سیلیس بیش از 89 درصد مقاومت نهایی خود را تا سن 7 روز کسب کرده اند. با کاهش اندازه ذرات و ریز تر کردن آن به ساختار نانو ، درجات ناهمواری اتمی زیادی به وجود میآیند که واکنش شیمیایی را تشدید میکنند.بنابراین نانو سیلیس انرژی سطحی زیادی دارد و اتم ها در سطح فعالیت بالایی قرار دارند که منجر به این می شود که اتم ها با اتم های دیگر بیرونی واکنش دهند و در نتیجه فعالیت پوزولانی نانو سیلیس در سنین پایین بسیار بالا رود .
حال به بررسی اثر الیاف وسپس اثر توام نانوسیلیس والیاف بر مقاومت فشاری بتن شاهد(A1) می‌پردازیم:
با بررسی نتایج شکل (5) میتوان دریافت که با افزایش درصد الیاف فلزی تا درصد حجمی %3/0 با افزایش مقاومت فشاری و بعد از آن (در 5/0 درصد حجمی) با کاهش مقاومت فشاری مواجه هستیم. و در شکل(5) شاهد روند نزولی مقاومت فشاری با افزایش درصد الیاف پلی پروپیلن می باشیم.
همچنین شکل های (5) نشان میدهد که با افزایش الیاف به میزان 15/0 درصد حجمی مقاومت فشاری افزایش و بعد از آن مقاومت فشاری کاهش می‌یابد. که در تمام طرح‌ها با افزایش درصد نانوسیلیس تا درصد بهینه 4 درصد در بتن‌های خود تراکم حاوی الیاف، شاهد تقویت مقاومت فشاری نمونه‌های حاوی الیاف هستیم.
در طرح اختلاطهای بتن خود تراکم حاوی الیاف، افزایش مقاومت فشاری ناشی از افزایش درصد الیاف را میتوان به علت جای‌گیری مناسب الیاف ها و توزیع یکنواخت آنها در ماتریس سیمان یا به عبارتی میزان بهینه الیاف مورد نظر در بتن خود تراکم دانست. با توجه به نتایج حاصله از این تحقیق آزمایشگاهی در بتن‌های خود تراکم حاوی الیاف فلزی، مقدار 3/0 درصد حجمی، مقدار بهینه برای توزیع مناسب الیاف در بتن خود تراکم می باشد.
روند کاهش مقاومت فشاری در بتن خود تراکم ناشی از افزایش درصد حجمی الیاف را می توان به علت پدیده گلوله شدن[4](میل الیاف به متمرکز شدن در یک نقطه) الیاف دانست که اگر درصد افزایش الیاف از مقدار بهینه بیشتر شود شاهد توزیع غیر یکنواخت الیاف و به دنبال آن درگیری نامناسب الیاف با ماتریس سیمان می باشیم که این امر امکان تأثیرگذاری الیاف را در بهبود ساختار بتن کاهش می دهد.
منحنی های ارائه شده در شکل (6) روند مطلوبی از تأثیر افزایش درصد الیاف بر مقاومت کششی را نشان میدهد، با افزایش درصد الیاف فلزی 0 تا 5/0 درصد شاهد روند صعودی مقاومت کششی هستیم به طوری که در 5/0 درصد الیاف فلزی شاهد افزایش 45 درصدی مقاومت کششی نسبت به نمونه شاهد(A1) هستیم. این میزان افزایش با افزایش درصد نانوسیلیس تقویت شده به طوری که این افزایش در درصد بهینه نانوسیلیس (4 درصد) به حداکثر خود رسیده به طوری که در طرح حاوی 5/0 درصد الیاف فلزی دارای درصد بهینه نانوسیلیس شاهد افزایش 90 درصدی مقاومت کششی نسبت به نمونه شاهد هستیم.
همچنین از شکل (6) میتوان روند افزایش مقاومت کششی را در اثر افزایش درصد الیاف پلی پروپیلن مشاهده کرد به طوری که با افزایش درصد الیاف پلی پروپیلن تا 2/0 درصد حجمی مقاومت کششی تا 15 درصد نسبت به نمونه شاهد افزایش یافته و این افزایش‌ها با افزودن درصد نانوسیلیس تقویت شده تا اینکه در درصد بهینه نانوسیلیس(4 درصد) به حداکثر خود یعنی افزایش 57 درصدی نسبت به نمونه شاهد پیدا میکند.
با بررسی شکل (6) همچنان مقاومت کششی با افزایش درصد الیاف شیشه زیاد شده به طوری که در حداکثر درصد الیاف شیشه (3/0 درصد) مقاومت کششی 33 درصد نسبت به نمونه شاهد افزایش یافته که این افزایش در تمام درصدهای الیاف شیشه با افزایش میزان نانوسیلیس تقویت شده و بیشترین تقویت در درصد بهینه نانوسیلیس بوده است به طوری که بیشترین مقدار مقاومت کششی نمونه حاوی الیاف شیشه (3/0 درصد الیاف) حاوی مقدار بهینه نانوسیلیس (4 درصد)، 77 درصد افزایش مقاومت کششی را نسبت به نمونه شاهد داشته است.
با بهره‌گیری از نانوتکنولوژی در این تحقیق نشان داده شده که می‌تواند راهکاری مناسب جهت بهبود هرچه بیشتر خواص مصالح سیمانی باشد به طوری که با افزایش تراکم مخلوط، سطح تماس بیشتری بین الیاف و خمیر سیمان فراهم شده لذا اصطکاک افزایش یافته و عملکرد الیاف بهبود می‌یابد.از طرف دیگر پوزولان‌ها با جلوگیری از آب روی در لایه تماس بین الیاف و خمیر سیمان از طریق پرکنندگی و کاهش میزان کریستال‌های هیدروکسید کلسیم در سطح تماس از ضخامت ناحیه انتقال(Transition Layer) می‌کاهد.
نتایج آزمایش مقاومت خمشی در جدول (4) و شکل (7) ارائه شده است. همانطور که در شکل های مذکور مشاهده میشود نرخ تغییر مقاومت خمشی با افزایش درصد حجمی هر 3 نوع الیاف فلزی، پلی پروپیلن و شیشه، صعودی است و میزان ماکزیمم این افزایش برای الیاف فلزی به ازای 5/0 درصد حجمی برابر 08/7 MPa و برای الیاف پلی پروپیلن به ازای 2/0 درصد حجمی برابر6/6 MPa و برای الیاف شیشه به ازای 2/0 درصد حجمی برابر 1/8 MPa میباشد که میزان حداکثر درصد افزایش مقاومت خمشی این 3 نوع الیاف (فلزی _ P.P و شیشه) نسبت به بتن شاهد فاقد الیاف(A1) به ترتیب برابر است با: 37 و 28 و 56 درصد میباشد.
همچنین با بررسی منحنی های ارائه شده در شکل (7) از یک طرف با افزایش درصد نانوسیلیس 2 تا 6 درصد شاهد افزایش مقاومت خمشی نمونه‌های فاقد الیاف هستیم. البته این افزایش تا درصد بهینه نانوسیلیس (4 درصد) روند صعودی داشته و پس از آن تقریباً ثابت باقی می‌ماند. که این روند نشان میدهد میزان 4 درصد نانوسیلیس در مقاومت خمشی نیز بهینه میباشد.
از طرف دیگر با بررسی این منحنی ها میتوان دریافت که افزایش درصد نانوسیلیس روند افزایشی مقاومت خمشی کسب شده ناشی از افزایش درصد الیافهای مختلف را تقویت کرده و روند افزایشی آن را تشدید میکند به عنوان نمونه با افزایش 4 درصد نانوسیلیس در طرحهای حاوی ماکزیمم الیاف فلزی (3/0 درصد)، پلی‌پروپیلن (2/0 درصد) و شیشه (2/0 درصد) مقاومت خمشی به ترتیب 76 و 53 و 75 درصد نسبت به نمونه شاهد افزایش می یابد.مقایسه نتایج آزمایش مقاومت خمشی نشان داد که نانوسیلیس با اثر فیلری و پوزولانی خود موجب بهبود خواص ناحیه تماس خمیر سیمان با الیاف و سنگدانه‌ها میشود و چسبندگی ناحیه‌های تماس را افزایش می دهد.
نتایج مربوط به چقرمگی (ظرفیت جذب انرژی) طرحهای مختلف در جدول (4) و شکل (8) آورده شده است. با بررسی نمودارهای مذکور میتوان نتیجه گرفت با افزایش درصد الیافها، چقرمگی بتن بطور چشمگیری افزایش یافته است که در این میان الیافهای فلزی، ظرفیت جذب انرژی (چقرمگی) بتن‌های خودتراکم را 20 تا 30 برابر و الیافهای پلی پروپیلن حدوداً 5 برابر و الیاف شیشه نیز حدوداً 3 برابر میکند. که نشان از عملکرد بهتر الیاف فلزی در جذب انرژی (چقرمگی) بتن خود تراکم میباشد.
همچنین با افزایش 2 درصد نانوسیلیس، افزایش چقرمگی بتن در اثر افزایش درصد الیافها تشدید شده و با افزایش بیشتر از 2 درصد (در سری‌های C و D) شاهد کاهش چقرمگی هستیم. و این کاهش می‌تواند به این علت باشد که الیافها در ماتریس‌های با مقاومت بالاتر به علت باند قوی بین ماتریس سیمان و الیاف، مقاومت بیرون‌کشیدگی بالایی پیدا کرده، و در نتیجه یک رفتار ترد در شکست را ازخود نشان میدهد .
نتایج آزمایش جذب آب حاکی از تاثیر قابل ملاحظه نانو سیلیس در کاهش میزان درصد جذب آب نمونه ها نسبت به نمونه شاهد است.به طوری که با افزودن 4 درصد نانوسیلیس به عنوان جایگزین سیمان در طرح های سری (A) شاهد کاهش 37، 30، 40 درصدی کاهش جذب آب به ترتیب برای طرح های حاوی الیافهای فولادی ، پلی پروپیلن و شیشه می باشیم و این کاهش درصد جذب آب را می توان به علت کم شدن فضای خالی به دلیل تشکیل ژل سیلیکات هیدراته دانست.
در آزمایش تسریع شده نفوذ یون کلراید سعی شده با برقراری پتانسیل بین دو سر نمونه ، سرعت نفوذ یون کلراید را در نمونه افزایش دهند ، در این آزمایش مجموع بار الکتریکی عبوری اندازه گیری شده در مدت 6ساعت ملاک درجه بندی بتن میباشد.که این آزمایش در سن 70 روز برای طرح اختلاطهای سری A و C (حاوی 0 و 4 درصد نانوسیلیس) انجام شده و نتایج آن در شکل (12) و جدول (4) ارائه شده است. همانطور که از نمودار مشخص است با افزایش درصد الیاف فلزی و پلی پروپلین ، بار الکتریکی عبوری نسبت به نمونه شاهد(A1) افزایش یافته ولی در نمونه حاوی الیاف شیشه با افزایش درصد الیاف بار الکتریکی عبوری افزایش یافته ولی مقدار بار عبوری کمتر از بار عبوری نمونه شاهد می باشد .
با توجه به نمودارهای مذکور در می یابیم که استفاده از نانوسیلیس در کاهش بار عبوری از نمونه بسیار موثر بوده و مقدار آن از نمونه شاهد (A1) با عبور 1622 کلمب به 978 کلمب برای نمونه 4 درصد نانوسیلیس (C1) کاهش می یابد که حاکی از کاهش نزدیک به 40 درصدی بار عبوری است و طبق استاندارد ASTM1202 نمونه شاهد که با قابلیت نفوذ کم می باشد با جایگزین کردن 4 درصد نانوسیلیس، به علت واکنش پذیری بالای آن که با هیدروکسید کلسیم (که دارای مقاومت پایین در مقابل حملات شیمیایی است ) و تبدیل آن به سیلیکات کلسیم هیدراته متراکم می گردد که سبب بهبود ریز ساختار بتن خود تراکم شده و قابلیت نفوذ یون کلر آن را طبق استاندارد در رده خیلی کم (1000-100) قرار می دهد .
به طور کلی با بررسی نتایج بدست آمده اثر کاهش نفوذ پذیری یون کلر برای بتن های حاوی الیافهای فلزی ،پلی پروپلین و شیشه به ازای جایگزینی 4 درصد نانوسیلیس جایگزین سیمان، به ترتیب به طور میانگین برابر با : 40 و 28 و 20 درصد می باشد که این نتایج نشان می دهد که استفاده از نانوسیلیس می تواند وضعیت بتن خود تراکم الیافی را با توجه به معیارهای استاندارد ASTM1202از بتن با نفوذ پذیری متوسط یا بالا به بتن با نفوذ پذیری کم یا خیلی کم برساند .
نتایج حاصل از آزمایش XRD و شدت پیک های هیدروکسید کلسیم موجود در آن ها،که در شکل (14) ارائه شده، نشان دهنده این مطلب است که نانو سیلیس در کاهش میزان هیدروکسید کلسیم در ساختار خمیر سیمان موثر بوده است. این مطلب با مطالعه پیک حاصله در زاویه 2Ө برابر 34 درجه که پیک ماکزیمم Ca(OH)2در ساختار خمیر سیمان می باشد مشخص است بصورتیکه شدت پیک از 48 مرتبه در نمونه شاهد(A1) با استفاده از 2، 4 و 6 درصد نانوسیلیس، در طرح های D1, C1, B1به ترتیب به43، 35، 37 مرتبه کاهش یافته که نشان از کاهش میزان هیدروکسید کلسیم موجود در نمونه بواسطه واکنش های پوزولانی نانوسیلیس می با شد.
8- نتیجه گیری
افزایش قوام و لزجت بتن خودتراکم میگردد.
)