بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزيابي و اجراي بتن شفاف (بتن عبوردهنده نور) و مقايسه آن با بتن معمولي
خلاصه
بدون استفاده از مصالح سبک تر مقاوم سازي و بهسازي ساختمانها به خصوص در مقابل نيروي زمين لرزه امکان پذير نيست و امروزه در همه همايش هاي علمي يکي از محور هاي اصلي بحث مقاوم سازي استفاده از مصالح سبکتر مي باشد. همچنين استفاده از نور طبيعي در جهت کسب انرژي رايگان براي بهينه سازي انرژي امري ضروري است . با توجه به اين که در سال هاي اخير فيبر نوري به طور موفقيت آميزي در سازه ها به کار برده شده اند، اين اعضا به خاطر اندازه کوچکشان قادر به استفاده وسيع در المان هاي سازه اي هستند. از مصالح نوين مطرح در گروه هاي علمي مي توان به بتن شفاف که با نام تجاري لايتراکن به بازار معرفي شده است اشاره کرد. در اين تحقيق بتن شفاف به عنوان ماده ساخت و ساز جديد مورد بررسي قرار گرفته است که از توانايي هدايت نور فيبرهاي نوري بهره مند هستند. سپس اين بتن را با بتن معمولي مقايسه کرده، ضمن ذکر مزايا و معايب آن، با بررسي اين ماده جديد، سادگي استفاده و کارآمد آن را با در نظر گرفتن شرايط اجرايي ، مشخصات مهندسي بدست آمده بيان مي کنيم .
کلمات کليدي: بتن شفاف، لايتراکان ، فيبر نوري، وزن مخصوص، فيبرنوري
١. مقدمه
اخيرا تحول عظيمي در تکنولوژي بتن و پيدايش بتن هاي جديد صورت گرفته است . بتن به عنوان يک ماده ي ساختماني پر مصرف مورد مطالعه و آزمايشات فراوان قرار گرفته است . نتايج بدست آمده بتن را از يک ماده با مقاومت فشاري خوب بالاتر برده به گونه اي که بتن هاي نوين نظر بيشتر دست اندرکاران پروژه هاي بزرگ عمراني را به خود جلب کرده است . از جمله خواص بتن هاي جديد مي توان به شفافيت بتن اشاره نمود.
همچنين صرفه جويي در انرژي و ارزيابي امنيت ، دو موضوع کليدي براي زير ساخت ها هستند. ساختمان هاي بلند و آسمان خراش ها با توجه به توسعه اقتصادي و فضاي مورد نياز بهره برداري، در سر تا سر جهان ساخته مي شوند. اين ساختمان ها بخش عمده اي از انرژي مصرفي را به خود اختصاص مي دهند. بتن شفاف و هوشمند نه تنها به عنوان يک مصالح سبز براي صرفه جويي در انرژي استفاده مي شود، بلکه مي تواند براي نظارت بلند مدت بر سلامتي سازه مورد استفاده قرار بگيرند، از اين رو اين محصول مي تواند به عنوان يک تکنولوژي اميدوار کننده در برنامه هاي کاربردي در زير ساخت هاي عمراني به کار گرفته شود [١]. اين بتن مي تواند با تغييرات زماني در زمستان و تابستان، استفاده کارامد از نور روز را به دنبال داشته باشد [٢].
٢. تاريخچه پيدايش بتن شفاف
موضوع بتن انتقال نور چندان جديد نيست و براي اولين بار توليد قالب نور با استفاده از الياف پيوسته در سال ١٩٨٥ در ژاپن ثبت شد. آرون لوسنري معمار ٢٧ ساله مجارستاني محصول جديد لايتراکن را براي اولين بار با همکاري دانشمندان دانشگاه صنعتي بوداپست در سال ٢٠٠١ اختراع کرد و بعد از موفقيت آميز بودن طرح، لايتراکن شروع به ساخت کرده و فروش خود را در سال ٢٠٠٤ آغاز کرد. معروفترين اثر ساخته شده توسط اين ماده، مجسمه اي به ارتفاع ٤ متر به سال ٢٠٠٤ و به مناسب پيوستن مجارستان به اتحاديه اروپا مي باشد. اين ماده جايزه " جشنواره طراحي نقطه سرخ آلمان " را براي بالاترين کيت يف طراحي به خود اختصاص داده است (Wikipeddia،٢٠١١).
٣. ساختار بتن شفاف
بتن از ترکيب آب، سيمان، سنگدانه ، ماسه و شن تشکيل شده و معمولاً به عنوان سنگ مصنوعي تعريف مي شود. بتن شفاف بتن جديدي است که از فيبرهاي نوري در داخل سيمان و ملات قرار داده مي شوند، تجهيز شده و از توانايي هدايت نور فيبرهاي نوري بهره مند است (شکل ١). فيبرها بخاطر اندازه کوچکشان با بتن مخلوط شده و ترکيبي از يک ماده دانه بندي شده را تشکيل مي دهند. به اين ترتيب نتيجه کار صرفا ترکيب دو ماده شيشه و بتن نيست ، بلکه يک ماده جديد است که از لحاظ ساختار داخلي و همچنين سطوح بيروني که کاملا همگن است ، به دست مي آيد [٣]. لايتراکن مخفف بتن انتقال دهنده نور مي باشدو نام تجاري بتن شفاف بعنوان يک ماده اوليه ساختماني است . بر اساس برگه شناسنامه اين ماده بدست آمده از کارخانه سازنده آن، اين ماده ترکيبي از ٩٦% وزني بتن و ٤% وزني فيبر نوري مي باشد اين بتن با هزاران فيبر نوري شفاف جاسازي مي شود که تنها بخش کوچکي از حجم کل بلوک را تشکيل مي دهند. مهم ترين ابزار مورد استفاده در توليد بتن شفاف فيبرهاي نوري هستند و براي موفقيت در توليد اين نوع بتن بايد از ارتباط فيبر نوري با هر دو سطح خارجي بلوک مطمئن شد، به طوري که بتواند نور را از يک سو به سوي ديگر عبور دهد [٤].
شکل ١- بتن عبور دهنده نور
٤. انواع بتن هاي شفاف:
١. بتن معمولي (وزن مخصوص ٢٠٠٠-٢٤٠٠ کيلوگرم بر مترمکعب )
٢. بتن سبک (وزن مخصوص ١٠٠٠-١٥٠٠ کيلوگرم بر مترمکعب )
٣. بتن فوق سبک (وزن مخصوص کمتراز ١٠٠٠ کيلوگرم بر مترمکعب ) [١]
٥. فيبر هاي نوري و مزاياي استفاده از آنها در بتن شفاف
سنسورهاي فيبر نوري به طور موفقيت آميزي در سال هاي اخير در نظارت سازه ها به کار برده شده اند، فيبر ها به خاطر اندازه کوچکي که دارند قادر به استفاده وسيع در المان هاي سازه اي هستند. فيبرهاي نوري فيبرهاي هستند که معمولا از پلاستيک يا شيشه براي انتقال نور ساخته مي شوند. با توجه به هدايت نور و مزاياي سنجشي از جمله : قابليت ضد تداخل الکترومغناطيسي ، ابعاد کوچک و ويژگي هاي ضد خوردگي ، استفاده از فيبرهاي نوري به طور گسترده در ارتباطات و زمينه هاي سنجش به تصويب رسيده است . اين فيبرها رشته هاي قابل انعطافي به ضخامت قطر موي انسان مي باشند.
با استفاده از اين تکنولوژي مي توان در فواصل طولاني مقدار زيادي از اطلاعات را انتقال داد [٣و٥]. طول فيبر مي تواند به ٢٠ متر برسد و نور را به راحتي عبور دهد. منبع نوري که مي تواند نور مصنوعي (نور لامپ هاي الکتريکي ) و يا نور طبيعي (نور خورشيد) باشد، وارد فيبر نوري شده و از اين طريق به محل مصرف منتقل مي شود. به اين ترتيب نور به هر نقطه اي که در جهت تابش مستقيم آن نمي باشد منتقل مي شود. امتياز اين نور اين است که فاقد الکتريسيته گرما و تشعشعات خطرناک ماوراي بنفش بوده (نور خالص و بي خطر) و ديگر اينکه با اين فناوري مي شود نور روز را به داخل ساختمانها و نقاطي که در دسترس نيستند انتقال داد [٣،٥و٦].
٦. مراحل ساخت نمونه آزمايشي بتن شفاف
• قالب بتن شفاف
براي اتصال بدنه هاي آلومينيومي به قالب فولادي به اين ترتيب عمل شده که فيبرها، در فاصله معيني از يکديگر، که بستگي به حداکثر قطر دانه هاي مصرفي دارد در راستاهاي موازي در بتن قرار مي گيرند. به اين ترتيب آماده سازي هاي اوليه اي نياز دارد. به عنوان مثال يک نمونه را به شرح ذيل مي بينيم :
الف ) اندازه گيري لبه ها
مطابق با شکل ٢ فاصله اولين سوراخ از لبه ورق آلومينيومي که در جهت محافظت و پوشش فيبرها در برابر خوردگي و ضربه و فرآيندهاي شيميايي در نظر گرفته شد در حدود ٧-٥ ميليمتر مي باشد [١].
ب) علامتگذاري محل قرارگيري فيبرها
فاصله دسته هاي فيبر از يکديگر متناسب با بزرگترين قطر سنگدانه هاي مصرفي و در حدود ٨-٧ ميليمتر در نظر گرفته شده و مطابق شکل ٣ تقاطع اين خطوط موازي ، محل قرارگيري دسته هاي فيبر مي باشد [١].
ج) محاسبه قطر سوراخ ها
Vc= حجم بلوک بتني
Vf= حجم فيبرهاي مصرفي
د)سوراخ کردن محل قرارگيري فيبرها
طبق اطلاعات بدست آمده از قسمت «ب» و «ج» با انتخاب مته اي ، محل علامت گذاري شده در بدنه آلومينيومي را طابق شکل ٤ سوراخ مي نماييم .
هـ) دسته بندي و جايگذاري فيبر در صفحه ي آماده شده
فيبرهاي موجود را به صورت دسته هايي به هم پيوسته تقسيم مي کنيم .(تنها مسئله قابل توجه در اين مرحله تميز نگه داشتن دسته هاي فيبر مي باشد زيرا در غير اين صورت فيبرهاي آلوده موجب کاهش شفافيت بتن مي شوند). هنگام جايگذاري فيبرها دو ورق آلومينيومي را مطابق شکل ٥ بر روي هم منطبق و ثابت کرده و فيبرهاي دسته بندي شده مطابق شکل ٦ از سوراخ هاي از قبل ايجاد شده در مرحله «د» عبور داده مي شود. در آخر نيز محصول
آماده شده را مطابق شکل ٧ در داخل قالب فولادي قرار داده تا قالب بتن شفاف تکميل شود [١].
شکل ٢- اندازه گيري لبه هاي ورق آلومينيومي [١]
شکل ٣- علامتگذاري محل قرارگيري فيبرها[١]
شکل ٤ - سوراخ کردن محل قرار گيري فيبرها [١]
شکل ٥- فيبرهاي مصرفي [١]
شکل ٦-جايگذاري فيبر در ورق آلومينيومي [١] شکل ٧- قرار دادن دو صفحه آلومينيومي در داخل قالب اصلي [١]
• اختلاط مواد سازنده بتن شفاف
در توليد نمونه هاي بتني ، از مواد چسبنده رزيني و مخلوط سنگدانه هاي سيليسي (Kuaug,٢٠٠٦)، شيشه ساختماني معمولي و کوارتز شفاف استفاده گرديده است . براساس نمودار دانه بندي (شکل ٨ ) اندازه هاي مختلفي از دانه هاي سنگي جداسازي نموده تا در مرحله بتن ريزي مورد استفاده قرار گيرد.
شکل ٨- نمودار دانه بند ي بتن شفاف [١]
سپس نوبت به ترکيب مواد رزيني مي رسد. اين ترکيب که پوشش دو جزئي رزيني مي باشد در دماي معمولي محيط اتاق ترکيب شده و با آماده سازي مخلوط، به ترکيب سنگدانه ها و رزين اقدام مي شود. براي اينکه قطعه بتني داراي پوشش مناسب بتني باشد در قسمت علامتگذاري شده در لبه هاي قالب اولين لايه ي مواد چسبنده، که از قبل علامتگذاري شده را با ضخامت حدود ٨-٧ ميليمتر به قالب اضافه مي کنند. سپس دانه هاي سنگي در کل سطح اوليه مواد چسبنده پخش مي گردد. بعد از آن دومين لايه ي رزين را باهمان ضخامت در داخل قالب ريخته مي شود و مرحله قرارگيري سنگدانه ها در بين مواد چسبنده تکرار مي شو . در آخر قالب را در همان محيط اتاق قرار مي دهند تا زمان باز کردن قالب فرا رسد (شکل هاي ٩ و١٠) [١و٧].
شکل ٩- ريختن لايه ها در قالب [١] شکل ١٠- سطح نهايي بتن ريزي شده [١]
• بازنمودن قالب
حداکثر زمان گيرش سطحي ٤ تا ٨ ساعت و حداکثر زمان گيرش عمقي ٢٤ ساعت مي باشد پس از گذشت زمان گيرش، ، قالب ها با ضربه اي کوچک باز مي شوند. اين بدان معنا است که پس از ٢٤ ساعت بتن مورد نظر قابليت باربري را خواهد داشت [١].
٧. قابليت اجراي بلوک ها بر پايه رزين اپوکسي به جاي سيمان
ميزان نور و گرما عبوري بتن به طور کامل به نسبت مساحت فيبرهاي داخلي و زبري سطح در مقاطع خاص بستگي دارد. به همين منظور رزين اپوکسي به جاي سيمان به منظور کاهش پيچدگي به عنوان اولين قدم استفاده مي شود. بلوک هاي رزين اپوکسي در شکل زير نشان داده شده اند.
شکل ١١- فيبرها داخل قالب بلوک رزين اپوکسي [٢]
