بخشی از مقاله
بررسی تاثیر الیاف پلی پرو پیلن بر مقاومت سایشی و دوام بتن در سازه های هیدرولیکی
چکیده
یکی از روش های بهبود خصوصیات مکانیکی بتن (مقاومت های خمشی، فشاری، کششی، مقاومت در برابر ذوب و یخ بندان) و مخصوصاً مقاومت فرسایشی آن استفاده از الیاف می باشد. روش های متعددی برای آزمایش سایش بتن وجود دارد، که بعضی از این روش ها از جمله روش دیسک گردان و روش ماسه پاشی خشک را نمی توان برای بتنی که در معرض سایش در سازه های هیدرولیکی قرار دارد بکار برد. سایش و ذوب و یخبندان در سازه های هیدرولیکی سالانه خسارات مالی فراوانی را به بار می آورد،که عموماً سایش بتن به سه دلیل زیر اتفاق می افتد: (1 فرسایش ناشی از پدیده حفره زایی (کاویتاسیون)، که حاصل از فروپاشی حباب بخار توسط تغییر کردن فشار در یک سرعت بالای جریان آب است. (2 فرسایش ناشی از سائیدگی بتن در سازه های هیدرولیکی، که ناشی از آب حامل کف، ماسه، شن، یخ و . . . می باشد. (3 فرسایش بتن در سازه های هیدرولیکی ناشی از حمله مواد شیمیایی، محیط های اسیدی و محیط های قلیایی می توانند موجب خرابی بتن شو ند، خاک های قلیایی دارنده منیزیم، سدیم و کلسیم در حضور رطوبت به بتن حمله کرده و ترکیبات شیمیایی را تشکیل می دهند که در
صورت جذب آب ورم کرده و موجب خرابی بتن می شوند.
در این تحقیق بیشتر فرسایش ناشی از سائیدگی بتن در سازه های هیدرولیکی مورد توجه می باشد، که برای بررسی مقاومت سایشی نمونه ها از روش پاشش آب همراه با ذرات ریز ماسه استفاده شده است. در این راستا 8 نوع مخلوط بتن که دارای درصدهای مختلف الیاف پلی پروپیلن، میکروسیلیس و لاتکس استایرن بوتادین رابر (SBR) است ساخته شد. و آزمایش های مقاومت فشاری، مقاومت خمشی، مقاومت سایشی و آزمایش ذوب و یخبندان روی مخلوط های بتنی انجام شد. همچنین برای بررسی دوام بتن از 50 چرخه ذوب و یخبندان استفاده شد. نتایج بیانگر تأثیر خوب کاربرد میکروسیلیس و لاتکس به همراه الیاف برای کاهش سایش بتن در سازه های هیدرولیکی می باشد.
واژه های کلیدی: بتن، سازه های هیدرولیکی، مقاومت سایشی، الیاف، پلی پروپیلن
مقدمه
فرسایش سطح بتن در سازه های هیدرولیکی اغلب ناشی از سایش ذرات موجود در آب (گل و لای، ماسه، سنگریزه و دیگر ذرات جامد) و سایش سطح بتن در طی فرایندهای هیدرولیکی می باشد. آسیب فرسایشی رو به جلو بـتن، یـک موضـوع مهـم در نگهداری سازه های هیدرولیکی است که این فرایند باید هنگام طراحی سازه ها و انتخاب ترکیبات بتن در نظر گرفته شود. سایش در ابتدا ممکن است در حدود چند سانتیمتر باشد، اما در بعضی موارد تنها بعد از چند سال عمل سـایش مـی توانـد بـزرگ و بـا اهمیت شود. فرسایش رو به جلو ضعیف، مشکل بزرگی را نشان نمی دهد، اما می تواند یکپارچگی سـاختار بـتن، بعـلاوه عملکـرد سازه را به خطر بیاندازد. حفاظت از فرسایش رو به جلوی سازه های هیدرولیکی ساخته شده از بتن به ترکیبات با دوام بتن مقاوم در برابر فرسایش نیاز دارد بیشتر آزمایش های انجام شده تا به حال درباره اندازه گیری خاصیت مقاومت سایشی فرسایشـی بـتن بوده و مراحل سایش و فرسایش به طور مصنوعی شبیه سازی شده است. مانند آزمایش های تعیـین مقاومـت سـایش بـه وسـیله صفحات چرخشی سایش که شرایط طبیعی محیط را منعکس نمی کند. بنابراین نتایج بدست آمـده از ایـن روش هـا نمـی توانـد براساس تحلیل های مقایسه ای مورد ارزیابی قرار گیرد و کاربرد کافی داشته باشد.[1]
سوالات مختلفی درباره شبیه سازی فرسایشی سایشی بتن در آزمایشگاه توسط پژوهشگران مطرح گردیده که پاسخ در چگونگی تأثیرات محیط برفرآیند سایش از یکسو و تأثیر شاخص های تکنیکی بر نسبت مصالح در مخلوط، چگونگی تراکم و ساخت بتنی که در معرض سایش و فرسایش قرار دارد، از سوی دیگر دانسته شده است 2] و .[3
چهار پارامتر موثر بر فرآیند سایش بتن عبارتند از: سختی، اندازه، سرعت و زاویه برخورد دانه های مورد استفاده در مخلوط و آب و ماسه فشان که تغییر دادن یکی از این پارامترهای چهارگانه، باعث تغییر مکانیزم سایشی فرسایشی شـده، مقایسـه نتـایج آزمایش امکان پذیر نمی باشد .[4]
شبیه سازی شرایط وقوع سایش در سازه ها در مقیاس کار آزمایشگاهی دشوار می باشد لیکن آزمایشات اسـتاندارد در ایـن زمینه کمک زیادی می کند. روشهای پیشنهادی ASTMبرای آزمایشات سایش عموماً در بخش های :
- ASTM C 418 آزمایش استاندارد جهت ارزیابی مقاومت سایشی به روش ماسه پاشی، در این آزمایش نمونـه هـا در مقابـل پاشش ماسه با سرعت زیاد قرار داده می شود و بعد از مدت زمان مشخص عمق سایش و وزن از دست رفته محاسبه می شود .[5] ASTM C 779- آزمایش استاندارد جهت ارزیابی مقاومت سایشی سطوح بتنی افقی در این آزمایش نمونه ها بر روی دیسـک گردان قرار داده می شوند و بعد از 440 دور چرخش دیسک، مقدار عمق سایش محاسبه می شود.[6]
- ASTM C 944 آزمایش استاندارد جهت ارزیابی مقاومت سایشی سطوح بتنی و ملاتی به وسیله مته سایشی .[7]
- ASTM C 1138 آزمایش استاندارد سایش در زیر آب می باشد، در این روش نمونه های مکعبی در داخل محفظـه گذاشـته شده و توسط همزن موجود، گلوله های فلزی که در داخل آب ریخته می شوند و روی نمونه بتنی قرار میگیرند، بطور پـی در پـی ضرباتی را بر روی سطح بتنی وارد می کنند و ایجاد سایش کرده و پس از مدت زمان مشخص درصد وزنی از دست رفته محاسـبه شده و معیاری برای مقاومت سایشی بتن بدست می دهد.[8]
علاوه بر موارد گفته شده، روش زیر برای تعیین مقاومت سایشی بتن مورد استفاده در سازه های هیدرولیکی بکار می رود. -روش Water borne Sand این روش که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است، پاشش آب با سرعت زیاد همراه ماسه ریز می باشد، در این روش نمونه ها بطور مایل با زاویه 45 درجه قرار داده می شوند و آب با سرعت معلوم و در مدت زمان مشخص روی نمونه ها پاشیده می شوند. و بعداز زمان مشخص وزن از دست رفته محاسبه شده و معیاری از مقاومت سایشی بتن بدست می دهد .]9[
الیاف پلی پروپیلن برای کاهش ترک ها در بتن تازه موثر هستند، و همچنین تعدادی از خصوصیات بتن تازه و سفت شده را بهبود می بخشد. افزایش الیاف تأثیر مثبتی دارد، چون در مرحله اول 6-2) ساعت بعد از گرفتن بتن) کاهش اندازه شکاف ها ادامه می یابد، چون آنها به بتن اجازه می دهند فشارهای داخلی بالاتری را تحمل کند. همچنین افزایش الیاف به بتن، جداساز
آب از سیمان تازه را کاهش می دهد. در دوره بعدی، در بتنی که تا حدودی کامل، تر شده، الیاف شکاف های بالقوه را می بند و خطر تخریب بتن را کاهش می دهند 10]و.[11 الیاف پلی پروپیلن در بتن به طور قابل ملاحظه مقاومت فرسایشی 12]و[13، مقاومت برشی 14]و[15، مقاومت فشاری را افزایش می دهد. این خصوصیت به کیفیت بالای انرژی جذب شده هنگام جدا شدن، شکست یا استخراج الیاف از سیمان بعد از شکست نسبت داده می شود.
مقاومت بتن در برابر عمل فرسایش، جدا از ترکیب مخلوط بتن، به شرایط خارجی نیز که بتن در معرض آن است بستگی دارد. تحقیقات نویسندگان مختلف نشان می دهد که بتن تولید شده با ترکیبات معدنی مختلف (میکروسیلیس، خاکستر، تفاله کوره، بازالت آسیاب شده) [19-18-17-16]، بعلاوه الیاف فولادی [21-20]، الیاف پلی پروپیلن [21-13-12] یا با سیمان های آلومینات [22]، بتن های با مقاومت بالا [24-23]، در مقایسه با بتن نمونه تولید شده بدون هر گونه مواد اضافی، با سیمان پرتلند عادی، به وسعت کمتر یا بیشتر مقاومت فرسایشی بهتری دارد.
مواد و مصالح مورد استفاده
در این تحقیق از سیمان پرتلند تیپ دو کارخانه سیمان صوفیان با چگالی3150 Kg/m³ استفاده شده که مشخصات آن در جدول (1) آمده است.
همچنین ریزدانه معدن پیام مرند با استفاده از الک شماره 4 اصلاح شده است، و مورد استفاده قرار گرفته است.جدول (2) خصوصیات ماسه پیام مرند را نشان می دهد.
ضوابط ASTM C33 برای دانه بندی سنگدانه درشت، محدوده وسیعی را در دانه بندی در بر می گیرد و شامل اندازه های گوناگونی است. اگر نسبت سنگدانه ریز به کل سنگدانه چنان باشد که بتنی با کارایی مناسب به وجود آید، در آن صورت دانه بندی سنگدانه درشت در حالی که بزرگترین اندازه دانه مشخص باشد، می تواند در محدوده نسبتاً وسیعی تغییر کند، بدون آنکه تاثیر محسوسی بر مقادیر سیمان و آب مورد نیاز داشته باشد .[25]
در این تحقیق ابتدا درشت دانه معدن پیام مرند با استفاده از الک 19 میلیمتر اصلاح گردید، یعنی حداکثر اندازه سنگدانه مورد استفاده 19 میلیمتر می باشد. مشخصات درشت دانه معدن پیام مرند که در این تحقیق استفاده شده است در جدول (3) آمده است.
الیاف مورد استفاده در این تحقیق، الیاف مصنوعی پلی پرو پیلن (PP) بود، این الیاف از گرانول که از مشتقات پتروشیمی است تولید می شود. که به طول های 19 ، 12 و 6 میلیمتری موجود است، اندازه مورد استفاده در این تحقیق 6 میلیمتر بود و رنگ این الیاف همان طور که در شکل (1) دیده می شود سفید می باشد.
شکل (1) الیاف پلی پرو پیلن
خواص الیاف پلی پروپیلن مورد استفاده در این تحقیق طبق جدول (4) می باشد.
در این تحقیق علاوه بر مواد ذکر شده از میکروسیلیس، پلیمر لاتکس (S.B.R) و فوق روان کننده استفاده شده است، که مشخصات آنها به ترتیب در جداول (5) و((6 آمده است.
در این تحقیق از فوق روان کننده نوع سوپرویسکوز-1 که از فوق روان کننده های نسل سوم بود استفاده شد، و ضوابط مربوط به نوع های F و G از ASTM 494 را تأمین می کند. مشخصات فوق روان کننده مورد استفاده در جدول (7) آمده است.
نسبت آب به سیمان، مهمترین عامل تعیین کننده مقاومت فشاری است. از دیگر عوامل اصلی تعیین کننده مقاومت و کارآیی، میزان سیمان، اندازه بزرگترین دانه ها، دانه بندی و مقدار هوای بتن می باشند. در خصوص بتن مسلح به الیاف از عوامل اصلی که کارایی را تحت تاثیر قرار می دهند مقدار الیاف و نسبت ظاهری است. هدف اصلی طرح اختلاط رسیدن به مخلوطی است که مقاومت لازم را دارا باشد، ضمنا دارای کارایی لازم و مقدار سیمان حداقل باشد (به دلیل اقتصادی بودن طرح). روش های متعددی برای طرح اختلاط بتن معمولی وجود دارد، که یکی از این روش ها، روش ACI – 211.1 می باشد.
