The effect of the polymer fibers and concrete strength on plastic shrinkage cracking in concrete slabs

1- مقدمه

بتن، یکی از انواع مصالح ساختمانی است که دارای مقاومت فشاری زیادی بوده و به همین دلیل از آن در اجرای اعضاء تحت فشار مورد استفاده قرار می­گیرد[1]. به دلیل پائین بودن مقاومت کششی، باید تمهیدات لازم در جهت رفع این محدودیت پیش بینی شود. در این راستا، عوامل محیطی نیز باعث افزایش تنش کششی در بتن می شوند که از آن­جمله می­توان به جمع­شدگی بتن ناشی از تبخیر سریع آب از سطح بتن به دلیل وزش باد و افزایش دما اشاره نمود. استفاده از میلگرد باعث افزایش مقاومت کششی بتن می­شود. استفاده از الیاف در ساخت بتن، یکی از روش­های مؤثر برای کاهش ترک خوردگی، افزایش طاقت شکل پذیری و جذب بهتر انرژی و نیز افزایش مقاومت کششی بتن است. استفاده از الیاف در مواد ماتریس شکننده دارای سابقه­ای طولانی بوده و به 3500 سال قبل، هنگامی که آجرآفتاب پخته تقویت شده با نی، برای ساخت تپه مرتفع 57 متری آکارکوف نزدیک بغداد استفاده شد، بر می­گردد[2]. همچنین از موی دم اسب نیز برای تقویت ملات بنایی و گچ استفاده شده است[3]. در ادامه، الیاف آزبست برای محصولات سیمانی تقویت شده استفاده شد که به علت خطرات بهداشتی مرتبط با الیاف آزبست، الیاف دیگری طی سال­های 1970-1960 میلادی به عنوان جای­گزین معرفی شدند [4]. امروزه، الیاف پلی­پروپیلن در اشکال و ابعاد گوناگونی تولید شده و آن­ها را می­توان به صورت تک­رشته ای، دسته­ای و یا نوارهای به هم پیوسته تولید کرد. اگرچه الیاف پلی­پروپیلن با بتن، پیوند شیمیایی محدودی ایجاد می­کنند، اما در حقیقت، پیوند مکانیکی مناسب آن­ها با بتن، باعث می­شود الیاف با طول 20 تا 50 میلیمتر که بطور معمول در بتن مورد استفاده قرار می­گیرند، امکان گسیختگی کششی را داشته باشند[5]. یکی از خواص مهم بتن الیافی، طاقت جذب انرژی آن است که می­تواند ریسک خرابی سازه را به ویژه در مناطق زلزله خیز کاهش دهد. طاقت جذب انرژی به وسیله سطح زیر نمودار بار- تغییر شکل بیان می­شود[6]. تحقیقات آزمایشگاهی، افزایش شکل­پذیری در تنش­های فشاری را توسط الیاف پلی پروپیلن نشان می­دهد. الیاف پلی­پروپیلن به میزان کمی مقاومت فشاری بتن را افزایش داده و طاقت فشاری را نیز بهبود می بخشد [7]. تجربیات گذشته نشان داده است، الیاف پلی­پروپیلن در بتن در نسبت­های حجمی پایین (کمتر از 3 درصد ) می­تواند با فولاد مسلح کننده­ای که برای کنترل ترک­های آبرفتگی و حرارت مورد استفاده قرار می­گیرد، جایگزین شود. الیاف پلی­پروپیلن خصوصیات منحصر به فردی دارد که آنها را برای مخلوط­های بتنی مناسب می­کند. این الیاف از لحاظ شیمیایی خنثی بوده و در محیط­های قلیایی بتن بسیار پایدارند. الیاف پلی­پروپیلن در بتن با نسبت­های حجمی پایین، در روکش راه­ها و پیاده­رو ها، دال­های روی زمین، سیستم­های کف، دال­ها و دیوار ساختمان و بتن شاتکریت، کانال­ها و مخازن، برای بهبود خواص ترک­خوردگی، شکل­پذیری و مقاومت در برابر ضربه مورد استفاده قرار می­گیرند[8]. نسبت حجمی الیاف پلی­پروپیلن در بتن معمولاً در محدوده 1-3 در صد است. در این حجم نسبتاً پایین، معمولا ً به هیچ محاسبه اضافی در برآورد نسبت­های اختلاط بخاطر حجم الیاف نیاز نیست[7].

در سالهای اخیر، با معرفی الیاف پلیمری برای استفاده در بتن، بتن  پلیمری معرفی  و تولید آن به طور مرتب در حال افزایش است [8]. تاکنون تحقیقات گسترده­ای در زمینه تأثیر انواع مختلف الیاف شامل الیاف طبیعی و مصنوعی بر روی خصوصیات بتن انجام گرفته است [9]. به عنوان نمونه، افشار [10] تأثیر استفاده از الیاف فولادی را بر خواص مکانیکی بتن با مقاومت بالا مورد بررسی قرار داد. همچنین کامرانی و مقصودی [11] روشهای مختلفی را برای تخمین عددی تنش های ناشی از جمع شدگی در بتن­های حجیم استفاده نمودند. در ادامه، باقری و همکارانش [12] استفاده از الیاف فولادی را جهت افزایش مقاومت ضربه ای بتن مورد استفاده قرار دادند. طی سالهای اخیر، الیاف پلیمری نسل جدید عمدتاً بر پایه پلی پروپیلن با عملکرد بهبود یافته، ارائه شد بطوریکه با افزایش قطر و طول این الیاف، امکان کاربرد آنها در حجم های به مراتب بالاتر فراهم شده است. لذا محققین زیادی در زمینه کاربرد این نوع الیاف و تأثیر آن بر روی عملکرد بتن تحقیقات خود را انجام  دادند. به عنوان نمونه، مستوفی نژاد و حاتمی[13] به بررسی تأثیرات استفاده از الیاف پلی پروپیلن بر ترک­خوردگی ناشی ازآبرفتگی پلاستیک و کارایی بتن پرداختند. در این راستا، متوسلیان [14] به بررسی تأثیر استفاده از الیاف پلی­پروپیلن بر میزان ترک­های ناشی از جمع­شدگی در بتن خودتراکم پرداخت. آنها در تحقیقات خود، تأثیر استفاده از درصدهای مختلف الیاف پلیمری شامل الیاف پلیمری نسل جدید (ماکرو) و فولادی را بر روی خواص مقاومت ضربه ای بتن بررسی نمودند. در ادامه، حسینیان و همکارانش [15] به بررسی اثرتوام الیاف شیشه و الیاف پلی پروپیلن برخصوصیات مکانیکی بتن های خودتراکم پرداختند. پادرون و زولو [16]، اثر دو نوع الیاف پلی­پروپیلن را در کاهش ترک­های آبرفتگی پلاستیک در ملات سیمان و در بتن مورد بررسی قرار دادند. آنان برای ایجاد ترک، بتن تازه را به  مدت 16 ساعت در معرض جریان هوا با سرعت 22.5 کیلومتر بر ساعت قراردادند. نتایج این تحقیقات نشان داد، استفاده از 1/0 درصد حجمی الیاف با طول 19 میلیمتر در بتن، ترک­ها را تا حدود 20 درصد نمونه بدون الیاف کاهش می­دهد. در تحقیق دیگری، برک و دالایر[17]، با استفاده از قالب­های پیشنهادی استاندارد ICBO ، آزمایشاتی برای بررسی اثر الیاف پلی­پروپیلن در کاهش ترک­های آبرفتگی پلاستیک بتن انجام دادند. این آزمایشات نشان داد، الیاف با طول بیشتر، تأثیر بیشتری در کاهش ترک ها دارد. در ادامه، بالاگورا [18] از قالب­های مستطیلی با زائده­هایی در کف، برای تسریع در ترک­خوردگی بتن ساخته شده با الیاف استفاده کرد. یکی از انواع الیاف مورد استفاده در آزمایشات او، الیاف پلی­پروپیلن با طول 19 میلیمتر بود که در صورت استفاده از این الیاف در ملات­های سیمانی، میزان ترک­ها را به حدود 60 درصد ترک­های نمونه بدون الیاف می­رساند. با توجه به اینکه مدول الاستیسیته و مقاومت کششی الیاف پلیمری و میلگردهای فولادی متفاوت است، فرمول های کلاسیک در زمینه مقاومت خمشی مقاطع مسلح شده با الیاف پلیمری FRP قابل استفاده نیست. بنابراین، تعدادی از محققین همچون صدرممتازی و حاتمی [19] به بررسی ضوابط قابل استفاده در طرح مقاطع خمشی بتنی مسلح به الیاف پلیمری و نیز مقاطع تقویت شده با الیاف پلیمری FRP پرداختند. استفاده از الیاف به صورت خرد شده و میلگرد نیز توسط بعضی از محققین مورد بررسی قرار گرفته است. به عنوان نمونه، های و همکارانش [20] استفاده از میلگرد الیاف بازالت را جهت تقویت خمشی اعضای بتنی و نیز استفاده از الیاف بازالت خرد شده را به عنوان یک افزودنی جهت بهبود خواص مکانیکی بتن مورد بررسی قرار دادند. استفاده از الیاف پلیمری علاوه بر بتنهای سازه­ای، در روسازی راه نیز مورد استفاده قرار می­گیرد. لذا تعدادی از محققین به بررسی تأثیر آن بر عملکرد بتن در روسازی راه­ها پرداختند. به عنوان مثال، جانگ و همکارانش [21] به بررسی تأثیر الیاف پلیمری در عملکرد بتن مورد استفاده در روسازی راهها پرداختند. دال­های بتنی، یکی از انواع سازه هایی است که کاربرد زیادی در صنعت ساختمان داشته و تحقیقات زیادی در زمینه استفاده از الیاف پلی پروپیلن در جهت کنترل ترک­خوردگی در آنها صورت نگرفته است. لذا هدف از تحقیق حاضر، بررسی تاثیر این نوع الیاف بر مقاومت فشاری بتن و کنترل ترک خوردگی ناشی از جمع شدگی (آبرفتگی) پلاستیک در دالهای بتنی است.

2- آبرفتگی پلاستیک در بتن و اثر الیاف پروپیلن

از مهم­ترین موارد استفاده الیاف مصنوعی، کاهش ترک­خوردگی در بتن تازه است. از آنجا که درصد حجمی الیاف مورد استفاده برای این منظور معمولاً کم است، خواص مکانیکی بتن به ندرت تحت تأثیر الیاف قرار می­گیرد [3]. آبرفتگی در بتن تازه یا آبرفتگی پلاستیک، در ساعات اولیه پس از ریختن بتن اتفاق می­افتد. در آن زمان معمولاً بتن هنوز مقاومت محسوسی کسب نکرده است [7]. آبرفتگی پلاستیک به تنش­های مویین نسبت داده می شود. فضای بین اجزای بتن تازه، قبل از خشک شدن، از آب پر شده است. هنگامی که آب از خمیر سیمان به دلایلی همچون تبخیر سطحی خارج می شود، فشار مویین منفی ایجاد شده باعث کاهش حجم خمیر سیمان می­شود. رشد فشار مویین منفی تا رسیدن به نقطه بحرانی ادامه یافته و پس از آن، دیگر آب نمی­تواند به­گونه یکنواخت درون خمیر  سیمان پراکنده شود. بیشترین نرخ رشد آبرفتگی پلاستیک، درست قبل از این نقطه بحرانی رخ می­دهد و پس از آن، آبرفتگی پلاستیک کمی اتفاق می­افتد. چنانچه از اتلاف آب در بتن تازه جلوگیری نشود، ترک­خوردگی به وقوع می­پیوندد که در این صورت محتمل­ترین وضعیت، ایجاد ترک­های سطحی در ساعات اولیه پس از بتن ریزی است [22].کنترل ترک­خوردگی ناشی از آبرفتگی پلاستیک (شکل 1)، از اهداف اصلی در استفاده صنعتی از بتن الیافی با نسبت الیاف کم، به شمار می­رود. تاکنون برای بررسی آبرفتگی پلاستیک بتن و تأثیر الیاف مختلف بر آن، آزمایشاتی با روش­های مختلف توسط محققان انجام شده است. این آزمایشات، تأثیر مثبت استفاده از الیاف فولادی و الیاف مصنوعی در کاهش ترک خوردگی در سطح بتن را نشان می‌دهد.

شکل1: شکل شماتیک کنترل ترک خوردگی در بتن با استفاده از الیاف

3- مواد و روش­ها

      الیاف مورد استفاده در تحقیق حاضر، از نوع پلیمری تولید شرکت FORTA بوده که شامل ترکیبی از مواد پلی پروپیلنی و کوپلیمر خالص است. مشخصات فنی این مواد در جدول 1 بطور خلاصه آورده شده است. تصویری از این الیاف نیز در شکل 2 آورده شده است.

جدول 1: مشخصات فنی الیاف پلی پروپیلن مورد استفاده در این تحقیق

شکل 2: الیاف پلی پروپیلن مورد استفاده در این تحقیق

سیمان مصرفی در ساخت کلیه نمونه­ها  نیز سیمان تیپ 2 تولید کارخانه سیمان لار سبزوار بوده که گزارش نتایج آزمون و  الزامات فیزیــکی و شیمیــایی آن در جـــــداول 2 و 3 آورده شده است.

جدول 2: گزارش نتایج آزمون سیمان پرتلند تیپ 2 شرکت سیمان سبزوار

جدول 3: گزارش الزامات فیزیکی و شیمیائی در نظر گرفته شده در این تحقیق

آب مصرفی در ساخت نمونه­ها، آب شرب سبزوار بوده و مصالح سنگی نیز ماسه رودخانه­ای با مدول نرمی 8/2 و شن رودخانه ای با حداکثر بعد 5/9 میلیمتر استفاده شد. در این تحقیق، با استفاده از مصالح معرفی شده، مخلوط­های مختلف بتنی تهیه شد. الیاف مورد استفاده در مخلوط بتن الیافی با درصد­های حجمی 1، 2 و 3 مورد استفاده قرار گرفته و نتایج بدست آمده از بتن الیافی با نمونه­های شاهد (مخلوط بتنی بدون الیاف) مقایسه شدند. اختلاط با استفاده از یک میکسر آزمایشگاهی انجام و در هر مرحله، پس از ساخت مخلوط بتن شاهد (بدون الیاف)، دو نمونه آبرفتگی از مخلوط جدا شده و اختلاط مجدد با اضافه کردن تدریجی درصد الیاف مورد نظر،  به مدت 5 دقیقه و به ازاء هر 1 درصد الیاف، صورت گرفت. در مخلوط بتن الیافی نیز نمونه­های آبرفتگی بتن الیافی قالب­گیری شد.  مشخصات قالب مورد استفاده برای آزمایش آبرفتگی در شکل 3 نشان داده شده است. این قالب با انجام اصلاحی بر مدل ارائه شده توسط پادرون و زولو [16] ساخته شد. آنها برای آزمایش آبرفتگی بتن، از قالب­های مربعی به اضلاع یک فوت و به ضخامت یک اینچ که در وسط آن استوانه ای به قطر  5/5 اینچ قرار داشت، استفاده کردند. هدف از قرار دادن استوانه فولادی در وسط قالب، ایجاد محصورشدگی برای بتن در هنگام آبرفتگی بود تا امکان ایجاد ترک با توجه به کوچکی ابعاد قالب فراهم شود. در قالبی که در آزمایش حاضر مورد استفاده قرار گرفت (شکل 3)، استوانه متحرک است. بر اساس طرحهای اختلاط مختلف، مقاومت فشاری نمونه­ها تعیین و نتایج به دست آمده در جدول شماره 4 آورده شده است.

شکل 3: قالب مورد استفاده در آزمایش

جدول 4: طرح اختلاط بتن ساخته شده با مقاومتهای مختلف

4- نتایج آزمایشات

در این آزمایش، پس از ریختن مخلوط بتنی در قالب­های آبرفتی، این قالب ها به مدت 10 ساعت در دمای محیط قرار گرفتند. ترک خوردگی از حدود دو تا سه ساعت پس از قرار دادن نمونه ها در دمای محیط شروع شده و تا حدود 10 ساعت پس از آن ادامه یافت. بعد از این مدت، ترک­ها دیگر رشد قابل ملاحظه ای نداشتند. دمای محیط در زمان آزمایش آبرفتی 43-39 درجه ی سانتیگراد  بود. در هر مرحله، 4 نمونه­ی آبرفتی در دمای محیط قرار گرفتند که شامل نمونه­های بدون الیاف و نمونه های با درصد حجمی الیاف   1، 2 ، 3 (از هرکدام یک نمونه) بودند. در نهایت، از نمونه­های مشابه (برای هر درصد ده نمونه) میانگین گرفته شد. پس از 10 ساعت، نمونه­ها مورد برسی قرار گرفته و طول و عرض ترک­های ایجاد شده بر روی سطح آن ها اندازه­گیری شد. ترک­های مختلف دارای عرض­های متفاوت بوده و هر ترک نیز در طول خود، عرض متغیری داشت. عرض ترک­ها با استفاده از یک ذره بین چشمی تقریبی اندازه گیری شد. عرض هر بخش از ترک­ها به همراه طولی از ترک که به طور متوسط دارای آن عرض بود، ثبت گردید. مساحت ترک­ها با ضرب عرض ترک در طول مربوطه و محاسبه­ی مجموع مساحت ترک ها، بدست آمد. با تقسیم متوسط مساحت ترک در نمونه­های بتن الیافی مشابه بر متوسط مساحت ترک در نمونه های بتن شاهد( بدون الیاف)، نسبت مساحت ترک در نمونه­ی مورد نظر به نمونه­ی شاهد به دست آمد. میزان ترک­خوردگی بتن الیافی با الیاف فورتا با محاسبه­ی درصد ترک­خوردگی نسبت به نمونه­ی شاهد، برای درصدهای مختلف الیاف در جداول 5 الی 7 ارائه شده است.

جدول 5: میزان ترک خوردگی برای بتن الیافی با مقاومت 18مگا پاسکال

جدول 6: میزان ترک خوردگی برای بتن الیافی با مقاومت 25 مگا پاسکال

جدول 7: میزان ترک خوردگی برای بتن الیافی با مقاومت 35 مگا پاسکال

بر اساس نتایج به دست آمده در جداول فوق، متوسط مساحت ترک بر اساس درصد الیاف به کار رفته در ساخت بتن و به ازاء مقادیر مختلف مقاومت فشاری بتن محاسبه و در شکل­های 4 الی 6 نشان داده شده است.

شکل 4: تاثیر حجم الیاف مصرفی بر متوسط مساحت ترک برای بتن با مقاومت فشاری 18 مگاپاسگال

شکل 5: تاثیر حجم الیاف مصرفی بر متوسط مساحت ترک برای بتن با مقاومت فشاری 25 مگاپاسگال

شکل 6: تاثیر حجم الیاف مصرفی بر متوسط مساحت ترک برای بتن با مقاومت فشاری 35 مگاپاسگال

در ادامه، برای مقایسه بهتر تأثیر درصد الیاف مصرفی در ساخت بتن بر متوسط مســـاحت تــرک خـــوردگی نسبــت به نمونه شـــاهد، در بتن­های با مقــاومت های مختلف در شکــل 7 نشان داده شده است.

شکل 7: تاثیر مقاومت بتن بر مساحت ترک خوردگی نسبت به نمونه شاهد (% )

بر اســـاس نتایــج به­دست آمده، روابط پیشنــهادی میان متوسط مساحت ترک و درصد الیـــاف مورد استفاده در بتـن برای مقاومت های فشاری 18، 25 و 35 مگاپاسکال به ترتیب مطابق روابط 1 الی 3 ارائه شده است. در روابط زیر C متوسط مساحت تــرک و P درصد الیـــاف مورد استفـــاده در بتن هستند.

در ادامه، تغییرات مقاومت بتن بر اساس متوسط سطح ترک خوردگی        و به ازای درصد الیاف مصرفی محاسبه و در شکل 8 نشان داده شده است.

شکل 8: تغییرات مقاومت بتن بر اساس متوسط سطح ترک خوردگی و به ازای درصد الیاف مصرفی در ساخت بتن

بر اساس نتایج به دست آمده، روابط پیشنهادی میان متوسط مساحت ترک و مقاومت فشاری بتن برای درصدهای مختلف الیاف مورد استفاده در بتن به ترتیب مطابق روابط 4 الی 7 ارائه شده است. در روابط زیر C متوسط مساحت ترک و مقاومت فشاری بتن هستند.

لازم به ذکر است، با افزایش درصد الیاف پلی پروپیلن از 2 به 3، کارآیی بتن به شدت کاهش یافته، بطوریکه جاگذاری بتن در داخل قالب به سختی انجام می­گرفت. در حالیکه به ازاء درصدهای الیاف 2 و کمتر، این کار با سهولت بیشتری قابل انجام بود.