بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی خوردگی آرماتور در بتن مسلح حاوي الیاف پلی پروپیلن
وفولادي
چکیده
خوردگی آرماتورها یکی از مهمترین عوامل خرابی زود هنگام سازه هاي بتنی در سراسر جهان و مهمترین عامل در محیطهاي گرم دریایی مانند خلیج فارس و دریاي عمان است. و یکی از تهدید هاي عمده داوم این نوع سازه ها یون کلراید است. لذا در این پژوهش به بررسی آزمایشگاهی خوردگی آرماتور بر نمونه هاي بتنی با الیاف پلی پروپیلن و فولادي پرداخته شده است. دوسري نمونه بتنی تهیه گردید، که در سري اول نمونه ها با انجام آزمایش نیم پیل احتمال شروع خوردگی آرماتور ها در بتن مورد بررسی قرار گرفت.
که خوردگی به احتمال %90 رخ داده و از 7 به 28 روزه میزان پتانسیل افزایش یافته است. سپس با اعمال خوردگی تسریع شده به هر دو سري از نمونه ها، خوردگی آرماتور در بتن مورد بررسی قرار می گیرد. و
همچنین در سري دوم نمونه ها با انجام آزمایش کشیدگی آرماتور مقاومت پیوستگی آرماتور با بتن مورد بررسی قرار گرفته که نتایج نشان می دهد بیشترین مقدار مقاومت پیوستگی مربوط به بتن با الیاف پلی پروپیلن می باشد.
واژگان کلیدي: دوام، خوردگی آرماتور، بتن الیافی، یون کلراید، خلیج فارس
1
-1 مقدمه
با توجه به اهمیتی که استفاده از سازه هاي بتن مسلح مجاور با محیطهاي خورنده شدید مانند سازه هاي دریایی، میادین نفت و گاز، اسکله ها و ... پیدا کرده است، هر چند بتن به عنوان ماده اي با دوام در محیط دریایی محسوب میگردد، اما خرابی هایی زیادي از سازه هاي بتنی گزارش شده است. وکهازطرف دیگر مزایایی بتن حاوي الیاف در تحمل بارهاي ضربه اي، افزایش مقاومت فشاري و کششی، کاهش ترك خوردگی بتن دارد در صورت تایید بهبود دوام بتن حاوي الیاف، بتن الیافی می تواند مشکلات خوردگی آرماتور در این سازه ها را کاهش دهد. خوردگی آرماتورها یکی از مهمترین عوامل خرابی زود هنگام سازه هاي بتنی در سراسر جهان و مهمترین عامل در محیطهاي گرم دریایی مانند خلیج فارس و دریاي عمان است. و یکی از تهدید هاي عمده داوم این نوع سازه ها یون کلراید است.
Prof. Bruhwiler و همکاران با شبیه سازي رفتار خوردگی المانهاي بتن مسلح به بررسی خوردگبتنی پرداختند. اثر شروع به خوردگی کلریدي، درجات مختلف آرماتور، پوشش، ضخامت و منطقه در معرض قرار گرفته شده در المانهاي بتنی بررسی کردند و زمان شروع خوردگی را براي سه نوع آرماتور در ترکیبات مختلف بتن تعیین کردند.که نتایج نشان می دهد که میلگردهاي فولادي با کارایی بالا ( فولاد ضد زنگ ) مقاومت در برابر خوردگی در المانهاي بتنی را بهبود می بخشد. در موارد خاص، در معرض شرا،یط شدید قرارگرفتن استفاده از این نوع از میلگرد ممکن است از نقطه نظر اقتصادي با در نظر گرفتن تمامی جنبه هاي ( چرخه هزینه ها ) مفید باشد. (4) در سال 1384 محققین شایانفر و قلعه نوي تحقیقی در زمینه اثرات خوردگی بر رفتار پیوستگی و مقاومت قطعات کششی بتن آرمه انجام دادند که تعداد زیادي نمونه تحت اثر خوردگی تسریع شده قرار داده شدند و رفتار نمونه ها با انجام آزمایش کشیدگی آرماتور بررسی گردیده است. که به نتایج زیر دست یافتند :
1. براي نمونه هایی با قطر میلگرد یکسان هر چه قطر پوشش بتن کوچکتر باشد درصد خوردگی کمتري باعث بوجود آمدن اولین ترك طولی می شود و همچنین با اعمال درصد خوردگی کمتر، مقاومت پیوستگی بین فولاد و بتن ازبین می رود.
2. براي نمونه ها با قطر بتن یکسان هر چه قطر میلگرد بزرگتر باشد، با اعمال درصدکمتر،خوردگی
اولین ترك طولی بوجود آمده و مقاومت پیوستگی نیز ازبین می رود.(زیرا سطح جانبی میلگرد بیشتر است).((2
در سال 1383 آقاي حسین جدیدیان آزمایش اعمال خوردگی تسریع شده بر نمونه هاسطوحياستوانه اي با مختلف محصورشدگی توسط فولادهاي عرضی را انجام داده اند. به این نتیجه دستمحصولاتیافتند که تولید خوردگی با زمان رابطه غیر خطی دارد و در زمانهاي بالاتر سرعت تولید کاهش می یابد.( (1
استفاده از پتانسیل نیم پیل در شتاب خوردگی (آرماتور در بتن ) داراي مزایاي بسیاري است از جمله صرفه جویی در زمان و پول که به صورت آشکار می باشد. یکی از مزایاي این روش ( پتانسیل نیم پیل) بیش از دیگر روشها توانایی سریع کنترل میزان خوردگی (آرماتور در بتن ) است. (6)
در سال Amleh &Mirza 1999 تحقیقی در زمینه تاثیر خوردگی بر مقاومت پیوستگی انجام داده اند که این محققین با انجام آزمایش کشش بر روي نمونه هاي استوانه اي به طول یک متر و قطرمطالعات100میلیمتر خود را انجام دادند که در این آزمایش نیز محققین با قرار دادن نمونه ها در محلول % 5 آب نمک و اعمال
2
خوردگی سریع به درجات مختلف خوردگی دست یافتند. که آنها دریافتند که در درجات بالاي خوردگی یا کاهش وزن آرماتور، مقاومت پیوستگی فوق العاده کاهش بهیافته و % 8 مقاومت اولیه می رسد. (1)
و در سال Cabrera & Ghoddoussi 1992 تحقیقات دیگري در رابطه با کاهش مقاومت پیوستگی در اثر خوردگی انجام داده اند. که این آزمایش شامل دو بخش : آزمایش بیرون کشیدن آرماتور و آزمایش خمشی دو سري تیر با طول مهاري آرماتور متفاوت می باشد. همچنین از دو نوع سیمان معمولی و پوزولانی در آزمایش خود استفاده نمودند. که این محققین به این نتیجه رسیدند که مقاومت پیوستگی اندازه گیري شده در آزمایش بیرون کشیدن به شدت متاثر از درصد خوردگی می باشد.((1
با توجه به تحقیقاتکهی Goto در سال 1971 انجام داده می توان گفت که در شکل گیري ترکهاي اولیه در نمونه هاي کششی، بعد از ایجاد اولین ترك و با ادامه بارگذاري، چسبندگی بین بتن و آرماتور از بین می رود و بارها به آجهاي آرماتور منتقل می شوند و سپس با افزایش بار، ترك هاي ریز در اطراف آرماتور قفل و بست بین آجهاي آرماتور و بتن به علت کاهش سطح آرماتور ها و کوچک شدن آجها باعث کاهش ناگهانی مقاومت پیوستگی می شود. به علاوه ترك هاي طولی و عریض شدن آنها نیز کاهش پیوستگی سهیم می باشند، چرا که در این حالت سطح کمتري از آرماتور توسط بتن احاطه می شود. این کاهش مقاومت پیوستگی در نمونه هاي کششی در افزایش فاصله ترکها خود را نشان می دهد. (1)
مطالعات اخیر نشان می دهد که الیاف در بتن مسلح نفوذپذیري آب را کاهش و سبب افزایش عمر سرویس می شود. و الیاف همچنین می تواند خوردگی آرماتور را در بتن مسلح کنترل کند. بنابراین به نظر می رسد که الیاف سبب اتصال کلراید ها و مهار انتقال آنها در بتن می شود. والیاف شروع خوردگی آرماتور در بتن را به تاخیر می اندازد.((5 به غیر از افزایش مقاومت در برابر خوردگی، حضور الکیافهشپلی پروپیلن سبب نفوذپذیري، انبساط و انقباض حجمی بتن و به نوبه خود کاهش احتمال ترك خوردگی بتن می شود.((8 استفاده از الیاف پلی پروپیلن سبب کاهش نفوذپذیري و موئینگی در بتن می گردد.((7 خوردگی الیاف فولادي در شرایط نامساعد در مقایسه با خوردگی آرماتور هاي فولادي اثرات مخرب کمتري را به دنبال داشته و از اهمیت کمتري نیز برخوردار است.(Saeid kakooei (3و همکاران به مطالعه بررسی خوردگی میلگرد جاسازي شده در بتن مسلح الیافی پرداختند و به مقایسه نرخ خوردگی میلگرد با استفاده از نسبتهاي حجمی مختلف و با اندازه هاي مختلف از الیاف پلی پروپیلن پرداختند. که با افزایش مقدار الیاف پتانسیل آرماتور از 0 تا 20 Kg /m^3
افزایش یافته است. الیاف پلی پروپیلن فرآیند شروع خوردگی را به وسیله جلوگیري از ترك خوردگی به تاخیر می اندازد که درنتیجه سبب کاهش نفوذ پذیري بتن می شود. (8)
-2 مشخصات مصالح مصرفی
1-2 سیمان
در این پژوهش از سیمان 425-1 کارخانه سیمان نهاوند استفاده شده است.
2-2 آب
آب مورد استفاده در طرح اختلاط ها از آب شرب شهر همدان تامین گردید. میزان ph این آب در حدود 7/5
غلظت می باشد و یون کلرآنید 0/0134 درصد گزارش شده است.
3
3-2 فوق روان کننده
فوق روان کننده مورد استفاده جهت تنظیم کارایی و ایجاد همگنی مناسب مخلوط از نوع فرا روان کننده و پلی کربوکسیلات با نام تجاريNE 320 Polycarboxylic Compolymer از شرکت دماوند سفید تهیه گردید.
4-2 ماسه
ماسه از نوع %100 شکسته از معدن همه کسی همدان به همراه ماسه رودخانه اي از معدن آبگرم با نسبت مساوي مورد استفاده قرار گرفته است.
5-2 شن
شن مصرفی از نوع شکسته بوده از معدن همه کسی همدان وحداکثر اندازه اسمی شن بادامی مصرفی یک اینچ می باشد.
6-2 مشخصات الیاف مصرفی
الیاف مصرفی در این تحقیق از جنس فولادي و پلی پروپیلن می باشد. و از کارخانه اي در شهر زنجان تهیه گردیده است؛ که مشخصات آنها در جداول 1-2 و 2-2 زیر ملاحظه می گردد.
-3 برنامه ساخت، طرح اختلاط
1-3 فرضیات و داده هاي تعیین نسبت هاي اختلاط
به منظور دستیابی به بتن هاي با مقاومت معمولی و مقاومت بالا دو نوع نسبت آب به سیمان انتخاب گردید. نسبت 0/5 براي مقاومت معمولی و نسبت 0/35 براي بتن با مقاومت هاي بالا در نظر گرفته شد تا بتوان اثر نسبت آب به سیمان بر رفتار بتن را مشاهده نمود. در هر یک ازنسبت هاي آب به سیمان سه تیپ بتن در نظر گرفته شد: تیپ α که بتن معمولی و تیپ β بتن با الیاف فولادي با دو میزان % 0/5 و% 1/5 الیاف فولادي بصورت وزنی وتیپ γ بتن با الیاف پلی پروپیلن با دو میزان % 0/1 و % 0/5 الیاف پلی پروپیلن بصورت وزنی در نظر گرفته شد. نمونه ها به دو سري تقسیم گردید در سري اول که شامل دو نسبت آب به سیمان می باشد از تیپ α یک طرح و از تیپ β دو طرح و از تیپ γ دو طرح و در مجموع 10 طرح اختلاط در نظر گرفته شد. و در سري دوم که شامل دو نسبت آب به سیمان می باشد از تیپ α دو طرح و از تیپ β سه طرح و از تیپ γ سه طرح و در مجموع 16 طرح اختلاط و براي هر طرح اختلاط یک نمونه استوانه اي و یک نمونه مکعبی در نظر گرفته شد. در حالت کلی 26 نمونه استوانه ايو 24 نمونه مکعبی ساخته شد.
2-3 کد گذاري طرح ها
کد گذاري بدین صورت انجام شده است که N مخفف Normal و معرف بتن ساده ( بدون الیاف ) است که مبناي مقایسه بتن ها می باشد و بتن شاهد نامیده شده است. FRCمخففFiber Reinforced Concrete وSF مخفف Steel Fiber و معرف الیاف فولادي وPF مخففPolypropylene Fiber و معرف الیاف پلی پروپیلن می باشد.
اعدادي که در مقابل هر طرح نوشته شده است بیانگر درصد الیاف آن طرح می باشد. بر این اساس جدول زیر ارائه شده است و این کدها در هر نسبت آب به سیمان تکرار می شوند و براي نمونه هاي استوانه اي C و
مکعبی B در نظر گرفته شده است که در جدول 3-2 نشان داده شده است:
به عنوان مثال C5 FRC+PF0.1%-0.5 –C5 کد طرح بتن الیافی حاوي % 0/1 الیاف پلی پروپیلن با نسبت آب به سیمان 0/5 و شماره 5 استوانه اي می باشد.
3-3 مقادیر مصالح مصرفی در طرح اختلاط ها
مقادیر هر یک از مصالح مصرفی در طرح اختلاط هاي بتنی به همراه کد اختصاص داده شده به آن ها در جدول3و-2- 3 1 نشان داده شده است.
-4 آزمایشات
1-4 مقاومت فشاري
در جدول 1-4 نتایج مقاومت فشاري28 روزه سري اول و در جدول 2- 4 نتایج مقاومت فشاري28 روزه سري دوم
نشان داده شده است.
6
و در حالت کلی افزایش مقاومت فشاري در نمونه هاي سري اول FRC+PF0.5%-0.5-B5 و در نمونه هاي سري دوم در N-0.5-B5 مشاهده می گردد که تا حدودي در نمونه هاي سري اول می توان به این نتیجه رسید که الیاف پلی پروپیلن بر افزایش مقاومت فشاري تاثیر داشته است.
2-4 آزمایش نیم پیل
این آزمایش فقط بر روي نمونه هاي سري اول بر اساس استاندارد ASTM C876 انجام شده است. در ابتدا تمامی نمونه هاي استوانه اي در شرایط آزمایشگاهی در داخل حوضچه آب در مدت زمان 28 روز نگهداري شده اند سپس نمونه ها در محلول آب نمک با غلظت %5 پس از زمان7 روز آزمایش نیم پیل انجام گردید سپس پس از گذشت زمان21 روز یعنی 28 روزه مورد آزمایش نیم پیل قرار گرفتند. نحوه انجام آزمایش بدین گونه می باشد که در ابتدا یک سر سیم را به میلگرد وصل کنیم و سر دیگر سیم را به کمک یک الکترود به سطح بتن مرطوب می چسبانیم و در این فاصله ولت متري را قرار می دهیم، اختلاف پتانسیل را بر صفحه دستگاه مشاهده می نماییم و این عدد را یادداشت می کنیم.
که نتایج بدست آمده در جدول7-4 ارائه گردیده است. دراین آزمایش الکترود مورد مصرف Ag/AgC5/13 mol بوده که براي بررسی نتیایج باید به الکترود Cu/CuSo4 تبدیل شوند.
اصلاح پتانسیل قرائت شده با توجه به نوع الکترود:
Cu/CuSo4= (Ag/AgCl3.5 mol)-165
نتایج در جدول 2-4 نشان داده شده است.
در محدوده پتانسازیل هاي کوچکتر mv 350 -، خوردگی به احتمال %90 رخ می دهد.
- در محدوده پتانسیل هاي بین mv 350 -تا mv200 -، احتمال خوردگی با عدم قطعیت روبروست.
- در محدوده پتانسازیل هاي بزرگتر 200احتمال-mv، خوردگی به %90 رخ نمی دهد.
و با توجه به توضیحات بالا در تمامی نمونه ها پتانسیل ها کوچکتر از mv - 350 می باشند یعنی خوردگبهی احتمال %90 رخ می دهد.
همانطور که مشاهده می گردد بجز نمونه هاي FRC+SF1.5%-0.5 و FRC+SF0.5%-0.35 و FRC+PF0.1%-
0.35ازبه28 7 روزه میزان پتانسیل افزایش یافته (کوچک شدن عدد منفی) است.
براي بررسی بیشتر باید مدت زمان بیشتري در نظر گرفت.
در شکل1-4تغییرات پتانسیل نیم درپیل 7 روزه و 28 روزه نشان داده شده است.
3-4 خوردگی تسریع شده
الف) خوردگی تسریع شده در نمونه هاي سري اول
محلول آب نمک در حوضچه مورد نظر آماده می شود و نمونه ها ي سري اول داخل آن قرار داده می شوند باید سطح نمونه ها تقریبا دو سانتی متر خارج از محلول باشد تا از نفوذ یون کلر جلوگیري گردد. نمونه ها با ولتاژ 24 ولت و شدت جریان 0/22 آمپر به منبع تغذیه متصل شدند. سپس سیم مثبت به سر میلگردها (آند) و سیم منفی به قطعه مسی (کاتد) متصل می شوند. مدار به صورت سري بر اساس مقاله آقايAhmad . Shamsad بسته می شود ودر شکل2-4 مدار بصورت سري در نمونه هاي سري اول نشان داده شده است. که البته در همین مقاله مدت زمان اعمال خوردگی را مشخص نکرده اند.
نمونه هاي سري اول تحت آزمایش خوردگی تسریع شده قرار داده می شوند سپس به روش دونیم شدن میلگرد داخل نمونه هابیرون آورده شده وزن از دست رفته آنها محاسبه می گردد. سپس با فرمول فارادي
میزان خوردگی محاسبه شده و در جداول نشان داده شده است.
