بخشی از مقاله
بررسی تاثیر افزودنی ها بر دوام بتن خود متراکم
خلاصه
تحقیقات نشان میدهد دوام بتن خود متراکم در برابر حملات طبیعی و یا عوامل فیزیکی و شیمیایی باعث افزایش طول عمر سازه های ساخته شده با بتن خودمتراکم نسبت به سازه های با بتن معمولی است. حجم مواد پودری مورد استفاده در بتن خود متراکم نسبت به سایر انواع بتن بیشتر است. مواد پودری مورد استفاده در این بتن علاوه بر تاثیر بر خواص پایداری بتن خود متراکم تاثیر قابل توجهی نیز بر خواص سخت شده بتن خواهد داشت. در این مقاله با بررسی پژو هش های انجام شده در زمینه تاثیر افزودنی ها بر دوام بتن خود تراکم، انواع افزودنی های موثر و نتایج حاصل از کاربرد آنها بیان شده است. این افزودنی ها شامل الیاف، زباله لاستیک تایر، مواد حباب ساز، پوزولان هایی هم چون نانوسیلیس، دوده سیلیس، زئولیت طبیعی، متاکائولین و خاکستر بادی است. بر اساس نتایج حاصل از پژوهش ها با ترکیب این افزودنی ها در مخلوط بتن خود متراکم، می توان ضمن حفظ خواص مکانیکی، خواص دوامی را به صورت قابل ملاحظه ای افزایش داد.
کلمات کلیدی: بتن خود متراکم، دوام، پوزولان، خواص مکانیکی
.1 مقدمه
در طول چند سال گذشته، استفاده از بتن خود متراکم به طور چشمگیری افزایش یافته است که این بتن برای اولین بار در سال 1988 در ژاپـن بـه منظور بهبود دوام سازه های بتنی توسعه داده شد. مطالعات اولیه در مورد کارایی بتن خودمتراکم توسـط اوزاواٌ (1989) و اکـاموراٍ (1993)، در دانشـگاه توکیو انجام شد. بر اساس این نظریه بتن خودمتراکم بتنی بسیار روان و منسجم است که میتواند بدون ارتعاش و تحت اثر وزن خود تحکیم یابد. این بـتن دارای مزایایی از قبیل افزایش میزان بهره وری، کاهش نیروی انسانی مورد نیاز به دلیل خودتراکمی، افـزایش دوام بـه دلیـل نفـوذ پـذیری پـایین و آزادی بیشتر طراحان در طراحی است.
الیاف یکی از انواع موادی هستند که به عنوان افزودنی در بتن خود متراکم استفاده میشوند. مطالعات قبلی نشان میدهد استفاده از الیاف در بـتن مقاومت خمشی و کششی آن را افزایش میدهد. از سوی دیگر ذرات نانوسیلیس و پوزولان های مصنوعی دارای کارایی بالایی در تکنولوژی بتن هسـتند که میتوانند خواص ساختاری مواد سیمانی را بهبود بخشند. الیاف مورد بررسی در این تحقیق فولاد، پروپیلن و شیشه هستند. از مهم ترین ویژگی های بـتن الیافی جذب انرژی، شکل پذیری و مقاومت در برابر حملات مواد خارجی است. این ویژگی ها کمک میکند تا بتن تقویت شده بـا الیـاف نقـش مهمـی در تکنولوژی بتن ایفا کند و در مسائل سازه ای مقرون به صرفه باشد.
با پیشرفت صنعت خودرو سازی و افزایش استفاده از خودرو در حمل و نقل، تولید تایر نیز افزایش یافته است بطوری که دفع زبالـههـای ناشـی از آن یکی از دغدغههای محیط زیست شده است. بنابراین بازیافت کارآمد و استفاده مجدد از تایر یک امر مهم و ضروری است. لاستیک تایر را می تـوان در انواع فعالیت های مهندسی (عمرانی و غیر عمرانی) از جمله در راهسازی، در کارهای ژئوتکنیک، به عنوان سوخت در کـوره هـای سـیمان و سـوخت برای تولید برق و یا به عنوان سنگدانه در محصولات مبتنی بر سیمان استفاده کرد. و همچنین ضایعات لاستیک می توانـد بـه عنـوان سـوخت بـرای کـوره های سیمان، به عنوان مواد اولیه برای ساخت کربن سیاه و سفید و به عنوان صخره در محیط های دریایی استفاده شود. نتـایج نشـان مـی دهـد کـه اسـتفاده لاستیک در مخلوط بتن، باعث چگالی پایین تر، افزایش سختی و شکل پذیری، مقاومت به ضربه بالاتر، استحکام کششی فشاری پایین تر و عـایق صـوتی بهتری می شود. در این پژوهش برای بالا بردن دوام بتن خودمتراکم از زباله لاستیک تایر بعنوان بخشی از ریزدانه در مخلوط بتن استفاده شده است.
استفاده از مواد حباب زا با حجم مناسب به طور چشمگیری دوام بتن را در برابر رطوبت در چرخه ذوب و انجماد افزایش میدهد. به منظورتامین مقاومت کافی در برابر تکرار چرخه ذوب انجماد در محیط اشباع، لازم است سطح ویژه بزرگتر از باشد. واژه "سطح ویژه "برای نشان دادن اندازه میانگین حباب های هوا استفاده میشود که نشان دهنده سطح حباب های هوا در بتن در واحد حجم هواست. مواد افزودنی حبابزا به منظور تولید حباب های هوا در سراسر بتن مورد نیاز میباشد که در نهایت موجب دوام بتن سخت شده در موقعیت های ذوب و انجماد می-شود. مواد حباب زا منجر به کاهش کشش سطحی آب یا تسریع در دفع آب میشود. حباب های هوا در مخلوط بتن خود متراکم تازه ذاتا ناپایدار هستند بنابراین تمام حباب های هوا طول عمر محدودی دارند.
سیالیت بتن خود متراکم بر تولید و دوام حباب های هوا در مخلوط بتن تاثیر دارد. نتایج تحقیقات نشان میدهد اگر مقدار اسلامپ بتن خود متراکم بیشتر از 700 میلی متر باشد، ممکن است جدایی دانه ها رخ دهد. این در حالی است که سیالیت بیشتر بتن خود متراکم باعث ناپایداری حباب های هوای شکل گرفته میشود. مطالعات نشان میدهد مخلوط هایی که مصالح آن از منابع مختلف تهیه میشوند، حتی اگر ترکیب شیمیایی یکسانی داشته باشند، نمیتوانند به جای یکدیگر استفاده شوند]ٍ.[
تاثیر نانوسیلیس بر خواص مکانیکی و دوام بتن در مقایسه با میکروسیلیس توسط رمضانیانپور و همکاران مورد تحقیق و بررسی قرار گرفت. این گروه از دانشگاه امیرکبیر در یک کار آزمایشگاهی به بررسی خواص مکانیکی و نفوذپذیری بتن های حاوی نانوسیلیس و میکروسیلیس از طریق آزمایش هایی چون مقاومت فشاری، نفوذ آب، نفوذ تسریع شده یون کلراید و مقاومت الکتریکی بتن پرداختهاند. آن ها از نانوسیلیس کلوئیدی محلول در آب با غلظت 50 درصد و قطر متوسط ذرات 35 نانومتر استفاده کردند و نیز علاوه بر طرح شاهد با مقدار سیمان دو طرح با جایگزینی 4/5 و 7/5 درصد نانوسیلیس و دو طرح میکروسیلیسی با درصد های جایگزین مشابه 4/5 و 7/5 در نظر گرفتند. از نتایج تحقیق آنها میتوان پی برد که با استفاده از نانوسیلیس در بتن میتوان به مقاومت فشاری قابل توجه و به مراتب بیشتر از بتن های معمولی و بتن حاوی میکروسیلیس در سنین اولیه دست یافت]ًٌ.[
بتن با کارآیی بالا((HPS، بتنی با دوام و مقاومت بالا است. بهمنظور بهبود کیفیت بتن خودمتراکم((SCC و بتن با کارآیی بالا((HPS، بتن خودمتراکم با کارآیی بالا((SCHPC تولید شد که دارای مقاومت بالا و خواص پایداری عالی است. برای دستیابی همزمان به دو ویژگی سیالیت بالا و چسبندگی در طول زمان حمل و بتنریزی، بتن SCHPC نیازمند استفاده از ترکیب های شیمیایی گرانقیمت و مقدار سیمان بالا است، بنابراین یکی از معایب بتن مذکور هزینه بالای ساخت آن در مقایسه با بتن معمولی است. همچنین مخلوط با سیمان بالا دارای معایبی چون حرارت هیدراتاسیون بالا و ایجاد خود به خود جمع شدگی است. از نقطه نظر زیست محیطی نیز، تولید سیمان با مصرف منابع طبیعی و تولید بالای کربندیاکسید همراه است. جایگزین کردن بخشی از سیمان با مواد افزودنی معدنی راهحلی عملی برای کاهش هزینه های SCHPC است. بهخصوص اگر مواد افزودنی معدنی، مواد زائد محصولات صنعتی باشد. بنابراین برای رسیدن به مقاومت بالا و خواص دوام مناسب ناگزیر به استفاده از مواد معدنی هستیم. علاوه بر این، هنگامی که مواد افزودنی معدنی جایگزین بخشی از سیمان میشود، حرارت هیدراتاسیون و درنتیجه ترک خوردگی حرارتی و نیز مشکلات همراه با انقباض تولید شده خودبه خود کاهش خواهد یافت.
مواد افزودنی معدنی مانند خاکستربادی، پودر سنگ آهک، سرباره کوره و دوده سیلیس با موفقیت در SCC مورد استفاده قرار گرفته است. با این حال، مواد معدنی همچون دوده سیلیس گرانقیمت هستند و استفاده آنها بخصوص در کشورهای درحال توسعه مقرون بصرفه نمیباشد. یک ماده معدنی دیگر خاکستر بادی است که فقط در کشورهایی که تبلور ذغال سنگ وجود دارد یافت میشود. بنابراین سایر کشورها باید آن را وارد کنند که هزینه بالایی در پی دارد، در نتیجه نیاز به یک ماده معدنی محلی با قیمت مناسب مانند زئولیت طبیعی داریم که قیمت آن تا 4 برابر کمتر از دوده سیلیس است. گزارش شده است که اگر چه زئولیت طبیعی اسلامپ را کاهش میدهد، اما میتواند از جدایی آن جلوگیری کند، و همچنین برای بتن سخت شده، زئولیت طبیعی با توجه به خاصیت پوزولانی خود مقاومت فشاری بتن را افزایش میدهد. علاوه بر آن دوام بتن را نسبت به بتن معمولی با کاهش نفوذپذیری بتن و بهبود مقاومت در برابر واکنش قلیایی سنگدانه ها افزایش میدهد.
متاکائولین خالص از سال 1990 بهعنوان یک مکمل مواد سیمانی با موفقیت در بتن استفاده میشود. همانند دوده سیلیس، متاکائولین نیز با کلسیم هیدروکسید تولید شده در طی فرایند هیدراتاسیون سیمان، واکنش داده و محصولات سیمانی اضافی تولید میکند که ساختار بتن را بهبود بخشیده و باعث بالا رفتن دوام و خواص مکانیکی آن میشود. ذرات متاکائولین از ذرات سیمان ریزتر بوده اما به ریزی ذرات دوده سیلیس نیست و همین باعث میشود که برای کارایی یکسان، نیاز به آب کمتری داشته باشیم. لاچمیٌ و همکاران در آزمایشی نمونه های حاوی متاکائولین((MK با نمونه های حاوی دوده سیلیس((SF و نمونه کنترل را مقایسه کردند. مخلوط بتن شامل MK در برابر نفوذپذیری، مقاومت در برابر پوسته پوسته شدن، مقاومت در برابر مواد شیمیایی و دوام در برابر انجماد و ذوب شدن یا مشابه بتن دارای SF است یا کمی بهتر از آن است. متاکائولین نسبت به بتن کنترل و بتن حاوی SF دیگر جنبههای دوام بتن از جمله مقاومت در برابر سولفات ها، نفوذ سریع کلرید و ... را بهبود می بخشد
یکی از مهم ترین مشخصات دوامی بتن حاوی سیمان پرتلند، توانایی آن برای مقابله با خوردگی میلگرد ناشی از نفوذ یون کلر میباشد. برای بررسی پارامترهای خوردگی و طراحی آزمایش ها، باید در نظر داشت که از آنجا که ورود یون های مهاجم مانند کلراید به فرایندهای مختلف انتقال رطوبت (یعنی انتشار، جذب آب و نفوذپذیری) بستگی دارد، زمانی که نفوذ پذیری بتن کاهش مییابد، دوام آن افزایش مییابد. لذا ویژگی های نفوذپذیری و مقاومت در برابر نفوذ مایعات به طور معمول برای ارزیابی دوام بتن به کار میرود. ماهیت الکتروشیمیایی خوردگی نشان دهنده اهمیت مقاومت ویژه الکتریکی به عنوان شاخصی برای دوام و مقاومت در برابر خوردگی و یکی از ویژگی های فیزیکی بتن است. افزودن ترکیبی از پوزولان های پومیس و متاکائولین به عنوان جایگزین بخشی از سیمان به طرح اختلاط بتن خود متراکم، خواص دوامی بتن را در برابر خوردگی بهبود بخشیده و طرح اختلاطی با صرفه اقتصادی که قابلیت کاربرد در شرایط حاد دوامی خلیج فارس را داشته باشد را به دست میدهد
روابط متقابل بسیار مهمی بین ناحیه انتقالی، ساختارمنافذ و دوام مصالح وجود دارد، علاوه بر این واکنش شیمیایی بین منافذ و محصولات فرایند هیدراتاسیون در داخل بتن انجام میگیرد که نشان میدهد اهمیت چگونگی ترکیب مصالح بسیار بالاست. تحقیقات نشان میدهد دوام بتن خود متراکم به شدت تحت تاثیر مقدار و نوع ریزدانه مورد استفاده است، همچنین بهبود دوام بتن خودمتراکم در برابر حملات طبیعی و یا شرایط وابسته به عوامل فیزیکی و شیمیایی است که در نتیجه باعث افزایش طول عمر سازه های ساخته شده با بتن خودمتراکم میباشد. این خواص در مورد سازه های بزرگ بسیار با اهمیت هستند و باعث کاهش منافذ در مخلوط بتن خودمتراکم میگردد. جهت ارزیابی دوام بتن روشهای آزمایشگاهی بسیاری ارائه شده است که عمدتا در رابطه با ویژگی های ناحیه انتقالی بتن سخت شده است.
با وجود روش های گوناگون آزمایشی نتایج حاصل با یکدیگر متفاوت است زیرا شاخص های دوام مورد استفاده با هم فرق دارند. شاخص های دوام در ارزیابی عمر بتن اساسی هستند و با استفاده از آن ها به راحتی میتوان منافذ و حجم بتن را محاسبه نمود. شاخص های عمومی عبارتند از جذب آب، ضریب کربناته و ضریب انتشار کلرید.
.2 افزودنیها
.1 .2 نانوسیلیس
سطح تماس یا همان لایه مرزی یک ناحیه مرزی بین ملات و سطح دانه ها یا الیاف یا میلگردهای تقویت شده است که نقش مهمی در رابطه با نفوذپذیری، دوام و مقاومت بتن دارد. ویژگی های میکروساختاری این ناحیه کاملا متفاوت از ملاتی است که شامل خلل و فرج بیشتر و ترکهای ریز است. بیگی و همکاران در مطالعهای آزمایشگاهی از نانوسیلیس غیربلورین استفاده نمودند( (nano-sio 2، که شامل بیش از 99٪ ذرات جامد میباشد. ویژگی های فیزیکی این ذرات در جدول 1 نشان داده شده است. مقدار نانوسیلیس در هر سری 2، 4و6 درصد بود، همچنین از یک فوق روان کننده از اترکربوکسیلیک با وزن مخصوص (20°c و سه نوع الیاف تقویت کننده از جنس پروپیلن، فولاد وشیشه استفاده شده است. شن مورد استفاده شن خرد شده با اندازه دانه های کمتر از ِ/ٌٍ میلی متر و مطابق با منحنی دانهبندی استاندارد ASTM میباشد. علاوه بر این، ماسه مورد استفاده از نوع رودخانهای بوده و از الک شماره ِْ/ُ میلی متر انتخاب شده است. سیمان مورد استفاده پرتلند نوع 2 و تولید شرکت سیمان مازندران بود. پودر سنگ آهک با وزن مخصوص ساخت استفاده شده است
روش اختلاط سیمان و نانوسیلیس به این صورت است که در مخلوط ها تمام متغیرها به جز نوع الیاف و نانوسیلیس آن ثابت هستند و هر بار درصدی از این مواد به مخلوط اضافه میشود. هنگامی که فرایند اختلاط کامل شد، نمونه ها را در قالب ریخته و تا 24 ساعت در شرایط آزمایشگاه نگهداری میکنیم. سپس قالب ها برداشته شده و در آب 22-25 درجه سانتی گراد تا زمان مناسب برای هر آزمایش نگهداری میشوند. در مجموع 760 نمونه از 40 طرح مخلوط ساخته شده که ویژگی های الیاف تقویت کننده در جدول زیر آورده شده است.
.2 .2 زباله لاستیک تایر
زباله تایر ترکیبی از لاستیک، کربن سیاه، سیم فولاد و الیاف نایلون است.از زباله لاستیک تایر بهعنوان جایگزین بخشی از ریزدانه، در بتن خودمتراکم استفاده شدهاست. یانگٌ و همکاران در آزمایش خود پودر زباله لاستیک تایر عبور داده شده از الک های شماره 30 و 50، با نسبتهای حجمی 5، 10، 15 و %20 را جایگزین ریزدانهها نمودند. نتایج نشان میدهد که، مقاومت فشاری 91 روزه در حالتی که %5 زباله لاستیک تایر به بتن اضافه شود بالاتر از حالتی است که %10 اضافه شود. علاوه براین، جمع شدگی نیز با افزایش درصد زباله لاستیک افزایش مییابد و بالاترین مقدار خود را در حالت %20 نشان میدهد. سرعت مافوق صوت با افزایش پودر، کاهش مییابد و مقاومت الکتریکی 56 روزه از 20 کیلو اهم- سانتی متر تجاوز کرده و مقدار آن با افزایش پودر، بالاتر می رود. علاوه براین اضافه کردن %5 پودر زباله لاستیک، مقاومت در برابر خوردگی سولفات را بطور قابل ملاحظه ای افزایش میدهد. دوام بتن خودمتراکم نیز با اضافه کردن این پودر، ارتقا مییابد]ٌ.[
.3 .2 زئولیت طبیعی، دوده سیلیس و خاکستر بادی
در پژوهش شکارچی و همکاران روی تاثیر زئولیت طبیعی، دوده سیلیس و خاکستر بادی روی خواص بتن تازه و سخت شده بحـث شـده اسـت. جریان اسلامپ، فوق روان کننده مورد نیاز، مقاومت فشاری، مقاومت الکتریکی، جذب آب و نفوذپذیری در برابر کلرید، برای همـه مخلـوطهـا انـدازه گیری شده است. نتایج آزمون نشان داده است که اختلاط مواد افزودنی معدنی به طور کلی بهبود خواص مکانیکی و دوام مخلوط را در پی دارد. بـا ایـن حال، دوده سیلیس کمی بیشتر از زئولیت های طبیعی و یا خاکستر بادی در بهبود خواص دوام بتن SCHPC موثر است در حـالی کـه زئولیـت طبیعـی از نظر هزینه مقرون بصرفه است
.4 .2 متاکائولین
متاکائولین یک افزودنی با ارزش برای بتن یا سیمان است، که مـی توانـد کـارایی کامپوزیـت سـیمانی را بـا واکـنش پـوزولانی خـود بـالا ببـرد، متاکائولین بسیار شبیه دوده سیلیس است. بتن SF دارای ویژگی های مکانیکی ممتاز و کارایی و دوام مناسبی است. با بتن MK نیز مـی تـوانیم بـه همـین ویژگی ها با قیمت پایین تر و کارایی بهتر برسیم. هدف از مطالعه لاچمی و همکاران بررسی اثر جایگزینی سیمان با MK بـر روی دوام بـتن خـودمتراکم است. نتایج نشان می دهد که مخلوط SCC با دوام بالا را می توان با ترکیب %20 متاکائولین بدست اورد. نتایج همچنین نشان می دهد که بـتن SCC بـا درصد بالای MK بسیار با دوام تر از بتن SCC شامل SF است
