بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
اثر الیاف در افزایش انرژي شکست بتن
چکیده
عموماً مصالح غیرفلزي به کار رفته در سازهها از مواد نیمه ترد میباشند. این مواد معمولا مقاومت فشاري خیلی بیشتري نسبت به مقاومت کششی دارند. پدیده شکست در این گونه مواد ، پدیدهاي غیر خطی و پیچیده است. دو پارامتر مهم درتعیین محل و نحوه گسترش ترك در مواد نیمه ترد، مقاومت کششی و انرژي شکست می باشند. در این مقاله جهت بررسی اثر الیاف برپارامترهاي شکست بتن به خصوص انرژي شکست ، آزمایشهاي فشاري و کششی روي نمونه هاي استوانه اي و آزمایش خمش بر رويتیر نمونه هاي ساخته شده از بتن ساده و بتن الیافی داراي شکاف به عمقهاي مختلف در وسط دهانه انجام شد. 8 نمونه تیر بتنی ساده ،8 نمونه تیر بتنی با 1% حجمی الیاف فولادي و 8 نمونه تیر بتنی با 1/5% حجمی الیاف فولادي مورد آزمایش قرار گرفت. در تعیین انرژي شکست ،از روش پیشنهادي RILEM استفاده شد. دراین روش از سطح زیر منحنی نیرو- جابجایی هر نمونه، براي تعیین انرژي شکست استفاده میشود . براساس نتایج حاصله در نمونه هاي بتنی، با افزایش درصد الیاف تا 1/5 درصد، انرژي شکست نسبت به بتن ساده تا حدود 28 برابر و شکل پذیري سازه (مقدار جابجایی قابل تحمل سازه) تا حدود 24 برابر افزایش می یابد. حضور الیاف، تغییرات اندکی در مقاومت کششی را پدیدار میسازد.
کلیدواژه ها: انرژي شکست ، بتن الیافی ، مقاومت کششی
-1 مقدمه
حضور الیاف فولادي در بتن، باعث بهبود بسیاري از خواص مکانیکی آن نظیر افزایش قابلیت باربري و شکلپذیري آن به خصوص پس از ایجاد ترك می شود.[1] البته از آنجایی که مقاومت کششی ماده در درصدهاي پایین الیاف به تنش قابل تحمل ماده زمینه بستگی دارد، در بتن با درصد الیاف کم (کمتر از %2 حجمی) مقاومت کششی ماده تغییر چشمگیري نمییابد1]و.[2
دو پارامتر مهم در تعیین نحوه ایجاد و گسترش ترك در مواد نیمه ترد، نظیر بتن ساده و بتن الیافی، مقاومت کششی و انرژي شکست GF (انرژي لازم براي گسیختن و ایجاد سطح واحد شکست) میباشند. پارامتر اول تعیین کننده محل شروع ترك و پارامتر دوم بیانگر میزان قدرت جذب انرژي وشکلپذیري پس از ایجاد ترك میباشد.
روش مناسب در تعیین پارامتر اول، که مقدار آن را مستقل از ابعاد نمونه بیان میکند، روش تست استوانه برزیلی است.[3] روش مستقیم براي تعیین پارامتر دوم، GF ، روش تست کشش مستقیم میباشد.[4] اگرچه برخی محققین نیز از این روش براي تعیین GF استفاده کردهاند[5]، اما انجام چنین آزمایشی براي بتن مشکلات زیادي به همراه دارد .[6]
براي تعیین GF راههاي دیگري نیز پیشنهاد شده است که نیاز به انجام آزمایشهاي سادهتري دارند. از جمله آنها، روش دو پارامتري شاه[7] روش اثر اندازه بازانت-کاظمی[8] و روش کارهیلربرگ 1]و[9 میباشند. در روش اخیر، که به طورعمده در این مقاله از آن براي تعیین GF استفاده شده است، از نمودار کامل نیرو-جابجایی تیرهاي بتنی در آزمایشخمش سه نقطهاي با کنترل جابجایی تا شکست کامل نمونه، استفاده میشود. لازم به ذکر است این روش، با اصلاحاتی توسط[9] RILEM-TC50 توصیه شده است.
در این مقاله، خلاصهاي از مطالعات وآزمایشهاي اخیر انجام شده در دانشگاه صنعتی شریف در رابطه با اثر الیاف فولادي در رفتار خمشی تیرهاي بتنی و افزایش انرژي شکست بتن ارائه میشود.
-2 برنامه آزمایشها
به جهت بررسی اثر الیاف فولادي روي رفتار بتن به خصوص پس از ایجاد ترك، آزمایشهاي کششی و فشاري روي نمونههاي استوانهاي به ارتفاع 300mm و قطر 150mm و آزمایش خمش سه نقطه اي روي نمونههاي تیر بتنی ساده و بتنی الیافی به ابعاد 150*150*700mm و به دهانه600 mm به صورت کنترل جابجایی تا شکست کامل نمونهها انجام شد. آزمایش هاي خمش توسط دستگاه یوینور سال 1000kN دانشگاه صنعتی شریف انجام شد. نمونهها از بتن ساده ، بتن با 1% حجمی الیاف فولادي و%1/5 حجمی الیاف فولادي ساخته شدهاند. در آزمایش خمش از هر نوع بتن 8 نمونه تیر ساخته شد، که 2 نمونه بدون شکاف اولیه، 2 نمونه باشکاف 30mm، 2 نمونه با شکاف 60mm و 2 نمونه با شکاف 90mm میباشند. محل شکاف و محل بارگذاري، مطابق شکل 1 ، در میانه دهانه تیر در نظر گرفته شدند. الیاف از نوع موجدار و طول آنها برابر32 mm بود.
-3 مواد و ساخت نمونه ها
مصالح اصلی به کار رفته در ساخت بتن، سیمان پرتلند نوع II ، شن از سنگ خرد شده ، ماسه، آب و فیبر فولادي و فوق روانکننده میباشند . مخلوط بر اساس طرح اختلاط پیشنهادي [10] ACI-544 ساخته شد.
قطر بزرگترین سنگ دانه 12/5 mm بود و با توجه به عدم وجود درشت دانه با قطر بیشتر در بتن و به منظور بالا بردن کارآیی بتن براي اختلاط بهتر، از فوق روان کننده استفاده گردید و همچنین زمان اختلاط، اندکی بیشتر در نظر گرفته شد. در جدول 1، مقادیر نسبی هر یک از اجزاء مخلوط براي بتن ساده، بتن با 1% حجمی الیاف و بتن با 1/5% حجمی الیاف آمده است.
براي سهولت قرائت نتایج، براي نام هرتیر از یک کد استفاده شد. در حالت بتن ساده این کد متشکل از 2 حرف و 2 عدد است که حرف اول (Beam) B و حرف دوم C (بتن ساده) و عدد اول عمق
شکاف به سانتیمتر و عدددوم، 1 یا 2 (نمونه اول یا دوم) میباشدمثلاً. BC31 یعنی نمونه اول تیر بتنی ساده که عمق شکاف 3 cm دارد. در مورد بتن الیافی از ترکیب دو حرف و سه عدد استفاده شد. حرف اول (Beam) B ، عدد اول درصد الیاف، حرف دوم S نشان دهنده بتن الیافی فولادي، عدد دوم عمق شکاف به سانتیمتر و عدد سوم 1 یا 2 (نمونه اول یا دوم) میباشدمثلاً. B1.5S32 یعنی نمونه دوم تیر بتنی داراي 1/5% حجمی الیاف فولادي با شکاف اولیه 3 cm میباشد.
-4 تعیین انرژي شکست
براي تعیین انرژي شکست از طریق منحنی نیرو- جابجایی از روش کار شکست هیلر برگ (Hillerborg) ،
پذیرفته شده توسط [ 9] RILEM TC-50 استفاده شد. در این روش کل انرژي لازم براي شکست نمونه از لحظه شروع بارگذاري تا لحظه شکست نمونه محاسبه میشود و این انرژي به سطح مقطع اولیه بتن (که شکاف اولیه در آن نفوذ نکرده است) تقسیم میشود تا انرژي شکست بتن، GF ، به دست آید. با توجه به عدم دسترسی به قسمت انتهایی منحنی نیرو-جابجایی، مقدار سطح زیر منحنی نیرو- جابجایی به دست آمده از آزمایش،A، مقداري کمتر از انرژي لازم براي شکست نمونه است و باید اصلاح شود . کارکل لازم براي شکست نمونه ،WF، به صورت زیر محاسبه میشود4 ]و: [ 9
در رابطه (1) ، P0 معادل مقدار نیرویی در وسط تیر است که لنگري برابر لنگر وزن در وسط تیر، M0 ،
ایجاد کند و U0 بیشینه جابجایی مشاهده شده در آزمایش است. براي نمونه براي تیر با دهانه S میتوان نوشت :
و انرژي شکست به صورت زیر محاسبه می شود :
که در آن b عرض تیر،d عمق تیر و a عمق شکاف اولیه میباشد.
