بخشی از مقاله
بررسی تأثیر میکرو سیلیس بر مقاومت فشاری و مقاومت کششی بتن خودمتراکم
ساخته شده با سیمان تیپ II
چکیده
بتن خودمتراکم برای اولین بار در اواخر دهه 1980 در ژاپن برای ساختمانهایی که در مناطق زلزلهخیز قرار داشتند و دارای تراکم آرماتور زیادی بودند، مورداستفاده واقع شد. بتن خودمتراکم، بتنی است که از کارایی بالایی برخوردار است و میتواند بدون نیاز به عملیات ویبره تحت وزن خود جریان یابد و همچنین قابلیت پر کردن فضاهای درون قالبها، حتی زمانی که فاصله بین آرماتورها بسیار کم است را دارا میباشد. یکی از روشهای متداول در بهبود خواص مکانیکی و پایایی بتن، جایگزین کردن بخشی از سیمان با افزودنیهای پوزولانی است. در تحقیق حاضر میکرو سیلیس بهعنوان پوزولان مصرفی میباشند در این پژوهش طرح اختلاط ها بتن خودمتراکم به همراه نمونه شاهد با استفاده از پوزولان میکرو سیلیس ساخته شد و آزمایشهای بتن تازه شامل جریان اسلامپ و T50، حلقه J، جعبه L و آزمایش قیف V شکل و همچنین آزمایشهای بتن سخت شده شامل آزمایش مقاومت فشاری و مقاومت کششی در سنین 7، 28 و 42 روزه بر روی نمونهها انجام گرفت. از مجموع نمونه های ساختهشده برای آزمایش مقاومت فشاری، عملکرد نمونههای پوزولانی بهتر از نمونههای شاهد بوده و در میان تمامی طرحهای مورد آزمایش نمونه حاوی 11 درصد میکرو سیلیس عملکرد مطلوبتری داشت.
واژههای کلیدی: مقاومت فشاری، مقاومت کششی، سیمان، میکرو سیلیس، بتن خودمتراکم، آزمایش های بتن تازه
مقدمه
بتن خودمتراکم SCC)1) شامل بازه گستردهای از طرح های اختلاط میباشد که خـواص بـتن تـازه و سـخت شـده لازم بـرای کاربریهای خاص را دارا میباشد. بتن خودمتراکم در مواردی که شبکهبندی آرماتورها فشرده است، گزینهای مطلوب میباشـد. همچنین عدم نیاز به لرزاننده، آلودگی صوتی محیط را به نحو قابلملاحظهای کاهش میدهد. علـیرغـم ویژگـیهـای مطلـوب، طرح اختلاط و اجرای این نوع بتن به عوامل متعددی از قبیل دانهبندی مصالح سنگی، نوع مواد افزودنی و همچنین فیلـرهـای مورداستفاده بستگی دارد. در نظر گرفتن هر یک از معیارهای فوق، کیفیت بتن تازه و سخت شده و کارپذیری بتن تازه را تحت تأثیر قرار میدهد .[2]
بتن با شکلپذیری بالا امروزه در ساخت وساز بسیار مورداستفاده قرار میگیرد. ویژگیهای متفـاوت بـتن خـودمتراکم از چنـین بتنی، ویسکوزیته بالا و بنابراین پایداری بیشتر در برابر جداشدگی و آب انداختگی است. این ویژگیها با یـک فلسـفه جدیـد در طرح اختلاط به دست میآید که اخیراً با به کارگیری مواد افزودنی پیشرفته در ترکیب با مقدار بیشتری خمیر و انتخاب دقیقتر نوع سنگدانه و منحنی دانهبندی، صورت میگیرد. مقدار خمیر بیشتر، بدون هیچ گونه تأثیر منفی برافزایش ترکهای حرارتـی، بهوسیله جانشین کردن بخشهایی از سیمان با پرکنندههای مختلف قابلدستیابی است.
تعریف بتن خودمتراکم
تعاریف گوناگونی از بتن خودمتراکم توسط محققان مختلف ارائهشده است که به برخی از آنها اشاره میکنیم.
:P.Bartos بتن خودمتراکم بتنی است که تحت وزن خود جاری شده و بدون نیاز به هر نوع لرزانندهای بهطور کامـل قالـبهـا را پرکرده (حتی باوجود میلگردهای متراکم) و حالت همگن بودن خود را حفظ نماید .[3]
:K.Ozawa بتن خودمتراکم تازه باید خواص زیر را داشته باشد:
الف توانایی پرکنندگی: جاری شدن بتن خودمتراکم در تمام فضاهای قالبها تحت وزن خود.
ب توانایی عبور: امکان عبور از فواصل تنگ میلگردها و قالبها تحت وزن تحت وزن خود.
1 Self Compacting Concrete
ج مقاومت در برابر جداشدگی: بتن خودمتراکم ضمن دارا بودن خواص (الف) و (ب) باید شکل و ترکیـب یکنواخـت خـود را در جریان حمل و بتنریزی حفظ نماید.
:H.Okamura خاصیت ویژه خودتراکمی این نوع بتن را به مشخصات مصالح و نسبت اختلاط وابسـته مـیدانـد و در تحقیقـات خود در سال 1986 با ثابت نگهداشتن مقدار سنگدانههای درشت در حد 50 درصد حجم مواد جامد و سنگدانـههـای ریـز در حد 40 درصد حجم ملات و با تنظیم نسبت آب به سیمان و افزودن مقداری فوق روان کننده توانست به خاصیت خـودتراکمی بتن دست یابد .[1]
استفاده درسازههای بزرگ
بتن خودمتراکم در بسیاری از سازهها بهمنظور کاهش زمان ساخت بکار گرفته میشود. بهعنوانمثال استفاده از بتن
خودمتراکم در لنگرگاه های پل معلق آکاشی کایکیو طول مدت ساخت را از 2/5 سال به 2 سال کاهش داد. همچنین استفاده از
بتن خودمتراکم با مقاومت بالا در دیوارههای مخزن گاز LNG متعلق به کمپانی گاز اساکا باعث ایجاد تفاوتهای زیر شده است
.[5]
1. کاهش تعداد کارگران مشغول در بتنریزی از 150 نفر به 50 نفر
2. کاهش زمان پروژه از 22 ماه به 18 ماه
3. کاهش اختلاف حرارتی بتن هسته مرکزی و سطح بتن و درنتیجه کاهش ریسک ترکخوردگی
استفاده از بتن خودمتراکم درسازههای پیشساخته
مزیت اصلی استفاده از قطعات پیشساخته سرعت تولید آنها و درنتیجه سرعتبالای ساخت سازه است. این بتن بهسرعت در
اروپا توسط شرکتهای ساخت قطعات پیشساخته موردقبول قرار گرفت .[8]
استفاده از بتن در طراحیهای نوین معماری
بتن خودمتراکم به دلیل سطح خود تراز و دوام بالای آن امروزه در طراحیهای نوین معماری مورداستفاده قرار میگیرد. بهعنوانمثال جهت ساخت کلیسای پتر آپوستل در ساحل شهر پسکارها در ایتالیا از این نوع بتن استفادهشده است. مشخصات موردنیاز مهندسان برای اجرای این پروژه بهصورت زیر خلاصه میشود .[7]
1. قابلیت جریان بسیار بالا: جریان اسلامپ بالای 600 میلیمتر پس از یک ساعت در دمای 30 درجه سانتیگراد
2. مقاومت فشاری 28 روزه قالب مکعبی: بزرگتر از 35 مگا پاسکال
3. نفوذناپذیری مطابق با استاندارد:ISO DIS 7031 کمتر از 20 میلیمتر (این مشخصه جهت تضمین دوام بالای بتن در معرض آب دریا لازم است)
4. شفافیت بالای سطح بتن در غیاب ویبراسیون در محیطهای با آرماتوربندی فشرده
بتن خودمتراکم همچنین میتواند در حین حفظ مشخصات خودتراکمی با تغییراتی در نسبتهای اختلاط به مقاومت بالایی نیز برسد. بهعنوانمثال برای مرکز تجارت جهانی San Marino بتن خودتراکمی موردنیاز بود تا تمامی انتظارات گفتهشده در بخشهای قبل را به همراه مقاومت بالا تأمین کند. موارد موردنیاز عبارت بودند از :[4]
1. جریان اسلامپ بزرگتر از 600 میلیمتر پس از یک ساعت
2. مقاومت فشاری نمونههای استوانهای بزرگتر از 40 مگا پاسکال 7روزه و بزرگتر از 80 مگا پاسکال 28 روزه
3. مدول الاستیسیته دینامیکی بزرگتر از 40 گیگا پاسکال
4. جمع شدگی ناشی از خشک شدن کمتر از 500 µm/m دوماهه
5. یکنواختی در وزن مخصوص، مدول الاستیسیته و مقاومت فشاری در نمونههای مغزه گیره شده در محل
ترکیبات مخلوط بتن خودمتراکم
ترکیب مخلوط باید تمامی معیارهای اجرا را در مرحله بتن تازه و بتن سخت شده ارضا کند. عموماً برای ترکیب اولیه مخلوط در طراحی بسیار مفید است تا نسبتهای نسبی مواد کلیدی بهوسیله حجم و نه بهوسیله جرم معین شوند. محدوده های مرسوم برای نسبتها و کمیتها جهت نیل بهصورت خودتراکمی در زیر آورده شده است. البته جهت برآورده سازی نیازهای مقاومتی و نیازهای اجرایی، امکانات بیشتری موردنیاز است.
1. نسبت حجم آب به حجم مواد پودری بین 0/8 تا 1/1
2. کل مواد پودری 160 تا 240 لیتر 400) تا 600 کیلوگرم) در مترمکعب
3. حجم مواد درشتدانه 28 تا 35 درصد حجم مخلوط
4. نسبت آب به سیمان بر اساس استاندارد اروپایی (EN206) انتخاب شود. مقدار آب از 200 لیتر در مترمکعب بیشتر نشود.
5. مقدار ماسه تنظیمی با توجه به حجم سایر مصالح تشکیلدهنده به دست میآید.
عموماً توصیه میشود که طراحی مخلوط بهگونهای صورت گیرد تا از قدرت بتن تازه در حفظ مشخصات خود مطمئن شویم. تغییرات ایجادشده در رطوبت مواد دانهای باید موردبررسی قرار گیرد. بهطور نرمال، افزودنی های اصلاحکننده ویسکوزیته ابزاری مفید برای جبران نوسانات به دلیل تغییرات مقدار ماسه و مقدار رطوبت مصالح دانهای میباشد. زمانی که انتظارات برآورده نشد، باید ملاحظات به سمت طراحی دوباره سوق داده شود. بسته به مشکلات ظاهری، موارد زیر ممکن است راهحل مناسبی باشند .[6]
1. استفاده از فیلرها و مواد افزودنی دیگر
2. تصحیح نسبت ماسه یا درشتدانه
3. استفاده از افزودنیهای اصلاحکننده ویسکوزیته، اگر قبلاً در مخلوط استفادهنشده است
4. تنظیم مقدار فوق روان کننده و افزودنیهای اصلاحکننده ویسکوزیته
5. استفاده از فوق روان کنندهها و افزودنیهای اصلاحکننده ویسکوزیته دیگر، اگر سازگار با خواص مصالح محلی باشند
6. تنظیم مقدار مواد افزودنی برای اصلاح مقدار آب و بنابراین نسبت آب به مواد پودری
میکرو سیلیس
دوده سیلیسی و یا میکرو سیلیس مواد بسیار نرمی هستند که به روش جذب و فرونشاندن الکترواستاتیکی گرد همراه با گازهای متصاعد از کورههای الکتریکی از نوع قوسی غوطهور، در کارخانههای سیلیس و آلیاژهای آن تهیه میشوند. میکرو سیلیس بسیار نرم و بهصورت پودر میباشد و مرکب از مواد غیر بلوری با قطرهای بین 0/1 تا 0/2 میکرون است. جرم مخصوص آن با 2/2 گرم بر سانتیمترمکعب، دارای سطح مخصوصی با مقدار تقریبی 20 ⁄ (نسبت به سیمان با مقدار -0/4 ⁄
(0/3 و چگالی ظاهری 3200kg/m میباشد. هدف اصلی کاربرد این ماده ابتدا بهعنوان جایگزین بخشی از سیمان و بهمنظور کاهش قیمت تمامشده بتن بود، ولی با افزایش قیمت تمامشده این ماده، کاربرد فوق مقرونبهصرفه نبود ولی نقش خود را بهعنوان یک ماده افزودنی برای به دست آوردن خواص موردنظر بتن ازجمله کسب مقاومت بیشتر، حفظ نمود. میزان سیلیس میکرو سیلیس معمولاً 85 تا 95 درصد میباشد که بستگی به نوع محصول کوره و کارخانه سیلیس دارد. کورههای الکتریکی که این ماده در آن تولید میشود، اثر مهمی در کیفیت و رنگ تولیدات خوددارند. این کورهها معمولاً مجهز به سیستم بازیابی حرارتی و یا بدون آن هستند. اگر کوره مجهز به سیستم یادشده باشد، دمای گاز خروجی حدود 800 درجه سانتیگراد و میکرو سیلیس حاصل دارای رنگ روشن خواهد بود و در غیر این صورت، دمای گاز خروجی حدود 200 درجه سانتیگراد بوده و مقداری کربن سوخته در آن باقی میماند و درنتیجه سیلیسی خاکستریرنگ تولید میشود. ذرات میکرو سیلیس 50 تا 100 مرتبه از ذرات سیمان کوچکتر بوده و بهعنوان مواد پرکننده بین اجزاء متشکله بتن عمل نموده و نهتنها باعث چسبندگی بین ذرات سیمان میشوند، بلکه چسبندگی بین سیمان و سنگدانهها را نیز افزایش میدهند .[44] میکرو سیلیس شکل ریزی از مواد سیلیسی میباشد که با هیدروکسید کلسیم 2 Ca(OH) آزادشده از آبگیری سیمان ترکیبشده و یک ترکیب جدید بهصورت ژل به نام سیلیکات کلسیم هیدراته شده C-S-H را میسازد. این ترکیب عنصر اصلی مقاومت اضافی چنین بتنهایی است و همچنین باعث به هم فشردگی ذرات متشکله و کاهش تخلخل بتن میگردد. یکی از مهمترین اثرات واکنشهای شیمیایی مواد پوزولانی در استفاده از میکرو سیلیس، کاهش قلیاییهای فلزی و محدود کردن مقادیر PH در یک سطح مطمئن از 13/6به 1/5 توسط پایدار کردن قلیاییها و ترکیبات غیرقابل انبساط و بنابراین کم کردن خطر فعلوانفعالات درازمدت قلیایی ها میباشد. در چنین فعلوانفعالاتی میکرو سیلیس هیدروکسید کلسیم را به ترکیبات پایدار سیلیکات کلسیم تبدیل مینماید. باید متذکر شد که هیدروکسید کلسیم موجود در بتن قابلحل در آب بتن بوده و بهصورت پودر کربنات کلسیم بر روی سطح بتن ظاهر میشود که ترکیب آن با سولفاتها، تشکیل گچ و یا سولفوآلومینات کلسیم می دهد که حجم آن چند برابر بزرگتر است و این تغییر حجم باعث تخریب بتن میشود. میتوان ادعا نمود که افزایش 22 درصد میکرو
سیلیس تقریباً تمام هیدروکسید کلسیم سیمان را از بین خواهد برد .[8]
در مقاله خانا و سدیک چنین ذکرشده که مکانیسم میکرو سیلیس در بتن میتوانداساساً سه نقش زیر را داشته باشد:
ریز ساختن اندازه منافذ و متراکم سازی ماتریس
واکنش با آهک آزاد ریز سازی سطح مشترک بین خمیر سیمان و سنگدانه
در بتن ویژگیهای فصل مشترک بین ذرات سنگدانه و خمیر سیمان نقش مهمی در پیوند خمیر سیمان و سنگدانهها دارند و میکرو سیلیس اضافهشده ضخامت فاز انتقال در ملات و درجه جهتگیری کریستالها در آن را تحت تأثیر قرار میدهد. ضخامت در مقایسه با ملاتی که فقط شامل سیمان پرتلند معمولی است کاهش میدهد و درجه جهتگیری کریستالها در فاز انتقال با اضافه کردن میکرو سیلیس کاهش مییابد؛ بنابراین خواص مکانیکی و دوام بتن به دلیل افزایش مقاومت سطحی یا باند بهبود مییابد برخی از مزایای استفاده از میکرو سیلیس عبارتاند از: مقاومت فشاری بالا در اوایل عمر بتن، مقاومت کششی و خمشی و مدول
الاستیسیته بالا، افزایش سختی، پیوستگی بالا، بالا بردن دوام بتن، نفوذپذیری بسیار کم در برابر نفوذ کلرید و آب، افزایش مقاومت در برابر سایش، مقاومت نسبت به حمله شیمیایی کلریدها، اسیدها، نیتراتها و سولفاتها و مقاومت الکتریکی بالا و نفوذپذیری کم میباشد .[9]
محمود اکبری و همکاران در تحقیقی تأثیر میزان میکرو سیلیس بر مقاومت فشاری 28 روز بتن برای طرح اختلاطهای مختلف بتن مورد ارزیابی قراردادند و نتایج اشکال نشان میدهد که با افزایش میزان میکرو سیلیس، مقاومت بتن افزایش مییابد این آزمایش برای چندین نسبت آب به سیمان مختلف انجام شد که در تمام موارد نتایج مشابهی به دست آمد. علاوه بر این، نتایج نشان داد که نرخ افزایش مقاومت بتن با افزایش میزان میکرو سیلیس کم میشود و با لحاظ کردن ملاحظات اقتصادی دریافتند 15 درصد میکرو سیلیس نسبت بهینهای برای طرحهای مختلف اختلاط بتن میباشد
برنامه آزمایشگاهی
در این تحقیق از پودر نانوسیلیس، ( نمونه شاهد) 2، 1، 1/5 و 2 در نظر گرفته شده است.در این پژوهش تمـامی نـانو سـیلیس مصرفی نمونه ها با اعمال آزمایش اولتراسونیک جداسازی و پایدار شده است.
سنگدانه ها و میزان پودر سنگ برای نمونه ها یکسان و نسبت آب به مواد سیمانی نیز برای تمام نمونه ها یکسـان و برابـر 2/42 (W/C)استفاده شده است.
جهت تعیین نسبتهای اختلاط اجزای تشکیل دهنده بتن از روش حجم مطلق مطابق آیین نامه ACI استفاده شـده اسـت. ابعـاد قالب های مکعبی که برای آزمایش مقاومت فشاری می باشد 15×15×15 سـانتیمتر و بـرای مقاومـت کششـی کـه بـا روش برزیلین مورد محاسبه قرار می گیرد ابعاد قالب ها 15×15×32در نظر گرفته شده است. این تحقیق شامل سه مرحله میباشـد، در مرحله نخست تمامی نمونه ها به مدت 7 روز عمل آوری شده و میزان مقاومت فشاری و مقاومت کششی هـر طـرح اخـتلاط تعیین میشود .در مرحله دوم و سوم به ترتیب در سنین 28 و 42 روزه مورد آزمایشـات مقاومـت کششـی و فشـاری قـرار مـی گیرد.
مصالح مصرفی
درشتدانه مصرفی در این تحقیق شن شکسته با وزن مخصوص 2/7 گرم بر سانتیمترمکعب، مطابق با استاندارد ASTM C127 بوده و میزان جذب آب آن 1/23 درصـد (مطـابق بـا اسـتاندارد ASTM C127 مـیباشـد. ایـن مصـالح از محـل معمـول شـن مورداستفاده در طرحهای عمرانی کارخانه بنیان بتن شهر مشهد تهیهشده است.
ریزدانه مورداستفاده ماسه شکسته بوده وزن مخصوص آن تقریباً برابر شن 2/7) گرم بر سانتیمترمکعب) و میزان جذب آب آن 0/7 درصد میباشد. وزن مخصوص و میزان جذب آب مطابق با استاندارد ASTM C128محاسبه گردید. همچنین مدول نرمی این ماسه برابر 2/87 میباشد. این مصالح از محل معمول ماسه مورداستفاده در طرحهای عمرانی کارخانه بنیان بتن میباشد.
