بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی مقاومت درجای بتن خودتراکم با ضایعات PVC در ستونهای بتن آرمه
چکیده:
امروزه تولیدات پی ویسی در دنیا بیش از 40میلیون تن در سال است که تقریباً یک پنجم از کل تولیدات پلاستیکی دنیاست. یکی از راههای پیشنهادی برای استفاده از این ضایعات، به کارگیری آنها در بتن است. این مطالعه به ارزیابی مقاوت بتنهای خودتراکم حاوی درصدهای مختلف ذرات PVC در ستون های بتن مسلح با مقیاس واقعی میپردازد. در این تحقیق از بتنهای خودتراکم با دو نسبت آب به مواد پودری 0/39 و 0/47 که در هر یک دو پرکننده مختلف میکروسیلیس و پودرسنگ آهک به صورت مجزا به کار رفته، استفاده شده است. همچنین درصدهای مختلف PVC، در
هر یک از طرح اختلاطها، جایگزین بخشی از ماسه شده است. جهت ارزیابی تغییرات مقاومت بتن در ارتفاع ستون، آزمایشهای غیرمخرب اولتراسونیک و چکش اشمیت در سن 28 روز بر روی ستونها انجام گرفته است. نتایج حاکی از آن است که با افزایش درصد ذرات PVC، تغییرات مقاومت بتن در ارتفاع ستون افزایش مییابد.
واژه های کلیدی: بتن خودتراکم، ضایعات لولههای پیویسی، آزمایشهای درجا، اولتراسونیک، چکش اشمیت
-1مقدمه
بتن از جمله پرمصرفترین مصالح ساختمانی در دنیا شناخته میشود. یکی از عواملی که بتن را از سایر مصالح برتر میسازد، امکان استفاده از مواد مختلف از جمله ضایعات در آن است. استفاده از مواد بازیافتی متفاوت در بتن علاوه بر تأثیرات مختلفی که بسته به خواص ماده میتواند داشته باشد، به پاکسازی و کاهش آلودگی محیط زیست کمک شایانی مینماید. با توجه به این که پلاستیکهای ضایعاتی در محیط زیست باقی می ماند، لذا همواره یکی از بزرگترین چالشهای زیست محیطی در اطراف کلان شهرها در هر کشوری، بازیافت و استفاده مجدد از این ضایعات انبوه میباشد. یکی از انواع آنها PVC یعنی ”پلی وینیل کلراید“ است. نظر به اینکه طول عمر تولیدات PVC حدود 30 سال میباشد[1]، در آینده نزدیک افزایش قابل توجه تولید PVC انتظار میرود. مزایای این مواد از جمله چگالی و سختی کم و همچنین خاصیت الاستیک بالا، سبب استفاده از این مواد در صنعت بتن شده است. یکی از راههای پیشنهادی در چند سال اخیر، جایگزین کردن PVC در بتن به جای ماسه است که می تواند روشی مناسب جهت حفظ محیط زیست باشد. زیرا تقاضای زیادی برای تولید بتن وجود دارد و با توجه به این که ماسه از منابع طبیعی کمیاب و غیر قابل تجدید است، این امر به اقتصاد نیز کمک میکند.
نخستین تحقیق در زمینه استفاده از مواد ضایعاتی PVC در سال 2009 در بتن معمولی توسط Kou و همکاران [2] صورت گرفت. گرانول PVC با درصدهای مختلف %0، %15، %30 و %45 جایگزین ماسه مصرفی در بتن شد. دو نتیجه مهم از این مطالعه بدست آمد. جنبه مثبت نشان داد که با افزایش درصد ذرات PVC در بتن، چگالی، انقباض و مدول الاستیسیته بتن کاهش و ضریب پواسون و مقاومت در برابر نفوذ یون کلر افزایش مییابد. جنبه منفی مشخص کرد که مقاومت فشاری و
1
مقاومت کششی بتن کاهش پیدا میکند. در سال 2011 مدندوست و همکاران 3]،[4 به بررسی خواص مهندسی بتن خودتراکم حاوی ضایعات خرد شده لولههای PVC پرداخته اند که به نتایجی مشابه نتایج Kou و همکاران دست یافتند.
در این تحقیق سعی شده تا تغییرات مقاوت بتنهای خودتراکم حاوی درصدهای مختلف ذرات PVC، در ستونهای بتن مسلح با مقیاس واقعی مورد ارزیابی قرار گیرد. بتن خودتراکم بتنی با قابلیت روانی بالاست که بسیاری از مشکلات بتن معمولی نظیر جداشدگی و آب انداختگی را مرتفع میسازد. استفاده از بتن خودتراکم امتیازاتی همچون حذف عملیات تراکم سنتی، کاهش سر و صدای ناشی از آن و کاهش زمان ساخت و نیروی کار را در بر دارد. در این مطالعه جهت ساخت بتنهای خودتراکم از دو نسبت آب به مواد پودری (سیمان+ پرکننده) استفاده شد که در هریک از آن ها پرکنندههای میکروسیلیس و پودرسنگ آهک به صورت مجزا به کار رفته است. ذرات PVC با مقادیر %0،%5 و %10 به صورت حجمی جایگزین ماسه مصرفی در بتن خودتراکم شده است. در این مطالعه همچنین سعی شده تا تأثیر درصدهای مختلف ذرات PVC در روند تغییرات مقاومت در ستونهای ساخته شده از بتن خودتراکم با دو نسبت آب به مواد پودری و نیز دو نوع پرکننده میکروسیلیس و پودرسنگ آهک، بررسی و با هم مقایسه گردند. جهت ارزیابی تغییرات مقاوت بتن از روشهای غیر مخرب اولتراسونیک و چکش اشمیت استفاده شده است.
-2 برنامه آزمایشگاهی
-1-2 عضو سازه ای مورد آزمایش
ستونهای مورد مطالعه به ابعاد 0/35×0/35×2/7 متر میباشند. در این تحقیق بارگذاری ستون مورد توجه نبوده است، لیکن به دلیل نزدیک شدن به شرایط واقعی، در داخل هر ستون از چهار میلگرد طولی نمره 16 همراه با خاموتهایی به قطر 10 میلیمتر استفاده شده است. جزئیات ستون و میلگردگذاری در شکل1 نشان داده شده است.
شکل:1جزئیات ستون های بتن مسلح
-2-2مصالح به کار رفته
2
سیمان مصرفی در این پروژه برای تمام اختلاط ها برای ساخت بتن خودتراکم از نوع سیمان پرتلند تیپ 2 است. پرکنندههای مصرفی در بتن خودتراکم شامل میکروسیلیس 1(SF) و پودرسنگ آهک 2 (LP) میباشد. ترکیب شیمیایی و خواص فیزیکی مربوط به سیمان و پرکننده ها در جدول 1 ارائه شده است. شن مصرفی با حداکثر اندازه سنگدانه 19 میلیمتر میباشد. ماسه مصرفی با اندازه ذرات 0 تا 6 میلیمتر بوده است. مدول نرمی ماسه 2/6 تعیین گردید. به دلیل جایگزینی ذرات PVC به جای ماسه ، اندازه این ذرات میبایست تقریبا مشابه با ماسه مصرفی باشد. در شکل2 نمودار دانه بندی شن، ماسه و ذرات PVC و محدوده استاندارد [5] BS882:1983 ارائه شده است. فوق روان کننده مصرفی بر پایه کربوکسیلاتی است.
جدول:1خواص فیزیکی و شیمیایی مواد پودری
خصوصیات فیزیکی خصوصیات شیمیایی(%)
ریزی((m2/kg وزن مخصوص((gr/cm3 K2O SO3 MgO CaO Fe2O3 Al2O3 SiO2
290
3/15 0/75 3/82 2/43 1/55 63/24 4/95 21/54 سیمان
20200 2/2 1/01 0/87 0/1 0/97 0/49 1/32 95/1 میکروسیلیس
538 2/65 0/02 0/14 - 1/05 52/35 0/33 0/45 پودرسنگ آهک
شکل:2منحنی دانه بندی سنگدانه های مصرفی
-3-2 طرح اختلاط و بتن ریزی
طرح بتن خودتراکم با توجه به معیارهای کارایی بتن برای خواص بتن تازه و سخت شده انتخاب میشود. مولفههای اساسی برای نسبتهای اختلاط بتن خودتراکم، مشابه بتن نرمال است. اما برای دستیابی به خواص بتن خودتراکم تازه، میزان بالای ریزدانه و همچنین مواد افزودنی شیمیایی مانند فوقروانکنندهها مورد نیاز می باشد. در طرح اختلاطهای به کار رفته در این مطالعه، از دو نسبت آب به مواد پودری 0/39 و 0/47 استفاده شده است. همچنین دو نوع مختلف پرکننده میکروسیلیس و پودرسنگ آهک به مقدار بهینه و به صورت مجزا در ساخت بتن خودتراکم به کار رفته و برای هر یک از آن ها، سه درصد مختلف ذرات خرد شده PVC، %0، %5 و %10 به صورت حجمی جایگزین ماسه شده است. ضمن اینکه طرحهای تهیه شده
می بایست پاسخگوی آزمایشات بتن تازه از قبیل جریان اسلامپ، زمان جریان اسلامپ 50 سانتیمتر، جعبه L و قیف V شکل نیز میبود. جدول 2 طرح اختلاط به کار رفته در این مطالعه را نشان میدهد.
ابتدا شن، ماسه، سیمان، پرکننده و ذرات PVC را در مخلوط کن ریخته، آنگاه میکسر را به مدت 3 دقیقه روشن کرده و اجازه میدهیم مواد خشک به خوبی با هم مخلوط شده، سپس آب و فوقروانکننده که به صورت محلول در آب وجود دارد، به صورت تدریجی به مخلوطکن اضافه گردید. پس از آن میکسر به مدت 1 دقیقه اجازه یافت تا مواد را مخلوط کند. در ابتدای بتنریزی، برای ارزیابی روانی و لزجت بتنهای خودتراکم از آزمایشهای جریان اسلامپ و زمان رسیدن به قطر 50 سانتیمتر (T50)، استفاده شد. همچنین برای تعیین توانایی عبور و قابلیت پرکنندگی بتن های خودتراکم از آزمایش جعبه L و قیفV استفاده گردید. نتایج آزمایشات بتن تازه نشان میدهد که همه طرح اختلاط ها در محدوده مجاز توصیه شده توسط موسسه [6] EFNARC بوده و طرحهای مورد بررسی در دسته بتنهای خودتراکم قرار دارند (جدول.(3
بتنریزی هر ستون در 3 مرحله صورت پذیرفت. بتن از ارتفاع 2/7متری مستقیماً از بالا و بدون هیچ ویبره خارجی به داخل قالب ریخته شد. روز بعد از بتنریزی، قالبها را باز کرده و به مدت 1 هفته، روزی دوبار ستونها مورد آبیاری قرار گرفتند.
-4-2آزمایش های درجای غیر مخرب
-1-4-2 آزمایش اولتراسونیک
این روش با نام سرعت امواج پالسی ماورای صوت نیز شناخته میشود. اساس آن بر مبنای تعیین سرعت عبور امواج از میان اجسام قرار دارد. پالسهای ماورای صوت با اعمال یک تغییر ناگهانی پتانسیل از یک فرستنده محرک به یک کریستال پیزوالکتریک مبدل که ارتعتشی با فرکانس اصلی خود صادر می نماید، ایجاد می شود. استفاده از مبدل هایی از جنس تیتانات باریم و تیتانات زیرکنات سرب برای این منظور مناسب میباشد. مبدل فرستنده در تماس با بتن و در امتداد ضخامت ستون قرار میگیرد و لذا ارتعاشات پس از عبور از بتن توسط مبدل گیرنده اندازهگیری شده و از تقسیم مسافت پیموده شده توسط پالس به زمان ثبت شده، سرعت امواج تعیین میشود. با ارتباط دادن سرعت پالس با مقاومت فشاری نمونههای بتنی، نمودارهای کالیبره تهیه می شود که در شرایط مشخص شده می توان مقاومت بتن در محل را تعیین نمود .[7]
در این مطالعه آزمایش اولتراسونیک با استفاده از دستگاه پاندیت با فرکانس54 کیلو هرتز انجام گرفت. این آزمایش در 13 تراز ستون و در وسط هر تراز صورت گرفت. این نقاط به گونه ای انتخاب شدند تا از اثر میلگردهای فولادی بر روی سرعت امواج صرفنظر شود. بر اساس نتایج سرعت امواج اولتراسونیک و مقاومت فشاری بتن معادل نمونههای مکعبی در سنین 3 ،14،7و 28روز رابطه زیر به کمک برازش منحنی به شیوه حداقل مربعات مورد تحلیل قرار گرفت. این رابطه که ارتباط بین مقاومت فشاری بتن و سرعت امواج اولتراسونیک میباشد، به صورت رابطه پیشنهادی زیر مدل شده است.
که در آن fc مقاوت فشاری بتن بر حسب مگاپاسکال، V سرعت امواج اولتراسونیک بر حسب کیلومتر بر ثانیه است. A و B ضرایب تجربی هستند که به عوامل مختلفی از جمله نوع بتن، شرایط عمل آوری، سن بتن و غیره بستگی دارد.
-2-4-2 آزمایش چکش اشمیت
این آزمایش در سال 1948 توسط یک مهندس سوییسی به نام ارنست اشمیت ابداع گردید و اکنون با نام آزمایش چکش اشمیت شناخته میشود. این آزمایش به طور کلی بر این اساس استوار است که برجهندگی یک جسم الاستیک به سختی سطحی که جرم با آن برخورد می کند، بستگی دارد. چکش اشمیت دارای یک میله فولادی است که در تماس با سطح بتن قرار داده میشود. در داخل چکش وزنه ای وجود دارد که با مقدار انرژی معینی بر میله فولادی ضربه میزند. پس از ضربه زدن، وزنه باز شده و در همین حال، شاخص متصل به وزنه مقدار بازگشت را نشان میدهد. در واقع عدد بازگشت همان فاصله برگشت وزنه است که نتایج بر حسب آن گزارش شده و توسط منحنی کالیبره به مقاومت فشاری بتن ارتباط داده میشود. منحنی کالیبره برای مقاومت فشاری در این روش دارای حساسیت بسیار بالایی بوده و تحت تأثیر عوامل متعددی از جمله نوع و مقدار سیمان، نوع سنگدانه، میزان رطوبت، سن بتن، درجه کربناسیون و حتی امتداد آزمایش قرار می گیرد.[7]
در این مطالعه رابطه ای با استفاده از رگرسیون خطی بر اساس حداقل مربعات به دست آمد و برای ارزیابی مقاومت بتن در ستون ها با استفاده از چکش اشمیت مورد تحلیل قرار گرفت (رابطه.(2
که در آن R عدد برجهندگی چکش اشمیت، fc مقاومت فشاری بتن بر حسب مگاپاسکال، a و b ضرایب تجربی هستند که برای بتن های مختلف و شرایط گوناگون، متفاوت می باشند. این آزمایش در 13 تراز و در هریک از آنها 10 قرائت انجام گرفت. شکل3 آزمایش های چکش اشمیت و اولتراسونیک را نشان می دهد.
شکل:3 انجام آزمایش های اولتراسونیک و چکش اشمیت
