بخشی از مقاله
بررسی ویژگی ها و مزایاي بتن پودري واکنش زا
چکیده
بتن پودري واکنشزا در دههي 1990 در آزمایشگاهی در فرانسه مطرح گردید که داراي شکل پذیري و مقاومت بسیارزیاد است و یک نوع ماده جدید مبتنی بر سیمان پرتلند با مقاومت فشاري بیش از 200 مگاپاسکال میباشد. با وجود الیاف فولادي مناسب، بتن پودري واکنشزا میتواند به مقاومت خمشی قابل توجهی تا حدود 50 مگاپاسکال دست یابد. باتوجه به شکلپذیري زیاد میتواند جذب انرژیی تقریبأ برابر جذب انرژي فلزات داشته باشد . با استفاده از آن میتوان وزن سازه را به مقدار قابل توجهی کاهش داد. بتن پودري واکنشزا جایگزین بهتر براي بتن با کارایی بالا است و میتواند از لحاظ ویژگیهاي سازه اي با فولاد رقابت کند. مزیت دیگر این بتن افزایش عملکرد لرزه اي این بتن با کاهش نیروهاي اینرسی و وزن اعضا و اجازه تغییر شکلهاي زیاد همراه با جذب انرژي زیاد است. مزیت قابل توجه آن شکل پذیري بالاي آن است که ضعف تردشکنی سازههاي بتنی معمولی را پوشش میدهد و این نکته براي کشورهاي لرزه خیزي مانند ایران پراهمیت است . با توجه به گسترش این تکنولوژي در دنیا و روي آوردن دست اندرکاران عرصه ساخت و ساز به استفاده از آن ، بر آن شدیم تا به معرفی و ذکر نتایج تحقیقات انجام شده در مورد آن بپردازیم. اولین قدم جهت تولید یا به کارگیري بتن پودري واکنشزا شناخت ویژگیهاي آن براي کاربردهاي مختلف می باشد . در این مقاله به بررسی ویژگیهاي بتن پودري واکنشزا می پردازیم و سپس در مورد مزایاي آن با توجه به شرایط کاري مختلف بحث می گردد .
واژههاي کلیدي: بتن پودري ، واکنشزا ، RPC ، شکلپذیري بالا ، مقاومت فشاري زیاد.
- مقدمه اشکال مختلف نسبت به بتنهاي با عملکرد بالاي موجود در
1
1 بازار میباشد.
بتن پودري واکنش زا (RPC) از جمله مواد ساختمانی است عملکرد فوق العاده بالا از بتن پودري واکنش زا مزایاي
که تا امروزه در صنعت ساخت و ساز بسیار کم مورد استفاده بسیاري را در مقایسه با بتن متعارف فراهم میکند، از جمله:
قرار گرفته است. بتن پودري واکنش زا براي مصارف صنعتی -1 مقاومت بیشتر با استحکام فشاري بسیار بالا- 200
توسط Rhodia,Lafarge,Bouygues معرفی شد.[1] و
گزارش هایی مبنی بر خصوصیت دوام بالاي بتن پودري در مگاپاسکال (در حدود چهار برابر مقاومت بتن متعارف) (در
نتیجه کاهش قابل توجهی در بار مرده- ساختار بتن پودري
واکنش زا ممکن است وزنی تنها در حدود یک سوم یا نیمی از وزن مربوط به سازههاي بتنی متداول داشته باشد).
1-Reactive Powder Concrete
-2شکل پذیري بسیار بالا همراه با جذب انرژي زیاد(تقریبا حدود 300 برابر بتن با عملکرد بالا و عملکرد بالاتر از بسیاري از فلزات) قابلیت اطمینان بیشتر در معرض زلزله. خصوصیت جذب انرژي بالاي بتن پودري سبب عملکرد پلاستیک بسیار مطلوب ستون ها- تیرستون ها- اتصالات و دیوارهاي برشی میشود. [5]
-3شکل پذیري بالاترکه سبب سرویس دهی بهتر در طول عمر مفید سازه میشود. بتن پودري تقریبا نفوذ ناپذیر است که از نفوذ کلراید و سولفاتها جلو گیري میکند مقاومت بسیار خوب آنها سبب افزایش طول عمر آنها براي عرشه پل و مکانهاي صنعتی [3] وحفاظت در مناطق با شرایط آب و هوایی بد و خشن مانند باران و برف و طوفان شن سنگین با افزایش مقاومت در برابر خوردگی را فراهم میکند .[6]
-4حذف آرماتورها سبب کاهش هزینههاي کارگري و ایجاد آزادي بیشتر براي طراحان معماري میشود.
-5کاهش ضخامت المانهاي بتنی سبب صرفه جویی در مصرف مصالح و هزینهها میشود.
-6مقدار بسیار زیاد سیمان هیدراته نشده در سطح تسطیح شده سبب خودترمیمی در شرایط ترك خوردگی میشود. -7نرمی سطح بتن پودري سبب کیفیت بالاي سطح نهایی این مصالح میشود.
علاوه برخصوصیات برجسته بتن پودري واکنش زا((RPC این ماده داراي ضعف هایی نیز میباشد به عنوان مثال: میزان مصرف زیاد سیمان (در حدود ( 800–1000 kg/m3 نه تنها برروي هزینهها تاثیر منفی میگذارد بلکه سبب افزایش نامطلوب گرماي هیدراتاسیون که باعث مشکلاتی از قبیل جمع شدگی میشود. بتن پودري واکنش زا (RPC) عموما بتن پرهزینه اي میباشد که که نمی توان آنرا به راحتی جایگزین بتنهاي معمولی کرد به خصوص در مواردي کرد که این بتنها برحسب عملکردشان توجیه اقتصادي داشته باشند.
-2 ترکیب تشکیل دهنده
بــتنهــاي متعــارف جــز مــواد نــاهمگنی مــیباشــند کــه از سیمانهاي ریز دانه و سنگدانههاي درشت که هرکدام داراي مقاومت و مدول الاستیسیته متفاوتی میباشند، تشکیل شده اند؛در زیر بارگذاري آهنگ تغییر شـکل ایـن مـواد متفـاوت است. حرکت متفاوت این مواد سبب ایجاد کرنش شـده کـه
باعث وجود تـرك هـایی کششـی مـیشـود کـه از ظرفیـت کششی بتن بیشتر میباشد؛ اما بتن پودري واکنش زا((RPC از اجزایی تشکیل شده است کـه داراي مـدول الاستیسـته و اندازه یکسان که سبب افزایش همگن بودن بتن و در نتیجـه کاهش کرنشهاي کششی در بتن و افزایش ظرفیت بـاربري آن میشود. چگالی بالا دومین اصلی است که سبب افـزایش مقاومت و کاهش نفوذپذیري بتن میشود. بزرگترین سنگدانه مورد استفاده در بتن پودري ماسه و دومین آن ذرات سیمان با اندازه اي در حدود μm 100-10 مـیباشـد. کـوچکترین آن دوده سیلیســــی بــــا قطــــري در حــــدود μm 0.1 میباشد؛حجم این ذرات به نحـوي انتخـاب شـده اسـت کـه بیشترین تراکم و بهترین عملکرد را از نظر چسبندگی داشته باشد.چگالی بالا-مقاومت و چسـبندگی بیشـتر- نفوذپـذیري کمتر به خاطر وجود منافذ کوچکتراست .[8] دربتن پـودري واکنش زا هیدرات سیلیکات کلسیم (C-S-H) براثر دو عامل به وجود میآید:
واکــنش هیدراتاســیون ســیمان و واکــنش پــوزولانی بــین یونهاي سیلیکات کـه از انحـلال دوده سیلیسـی در آب بـا یونهاي کلسیم که به طور عمده از هیدروکسید کلسـیم بـه وجود میآید رخ میدهد .[9] عـلاوه بـر ایـن مقاومـت بـتن پودري را میتوان بـا افـزایش حجـم مـواد پـوزولانی کـه در واکنشهاي هیدراتاسیونی شرکت میکننـد افـزایش داد؛در بتن پودري مواد شامل مقدار زیـاد سـیلیکا جهـت عملکـرد بهینه الزامی میباشد؛سیمانهاي با درصد زیاد سیلیکا سبب افزایش مقاومت میشود؛حجم بالاي دوده سیلیسی کم کربن [10] نیز سبب بهبود آهنگ افزایش مقاومت میشود. مقدار زیاد C-S-H سبب افزایش مقاومت و بهبـود چسـبندگی مـا بین سیمان و سنگدانهها میشود.
براي رسیدن به عملکرد بهتر ، w/cmباید در کمترین حالـت خود نگه داشته شود،آب اضـافی در مخلـوط بـراي مقاومـت بتن مضر میباشد،مقدار آب لازم جهت هیدراتاسـیون تمـام سیمان در حال حاضر با یک تقریب مناسب بـراي w/cm در حدود0.4 میباشد.[8]آبی که نه بـه صـورت فیزیکـی و نـه شیمیایی در واکنشهاي پوزولانی شرکت نکند سبب کاهش چسبندگی و درنتیجه مقاومت بتن میشود به همین جهـت نسبت هایی در حدود 0.25 نیز گزارش شده است[11]؛این
بازه از w/cm نه تنها سبب مقاومـت مطلـوب میگـردد بلکـه سبب حصول اطمینان از ترکیب شدن تمامی آب در فرآینـد هیــدرات کلســیم ســیلیکات C-S-H و شــکل دهــی منافــذ میگردد؛این حجم کم آب کمتر از مقدار لازم جهت هیدراتـه کردن تمامی سیمان میباشد گرچه این اطمینان را میدهـد که تمامی آب در واکنش هیدراتی-پـوزولانی شـرکت کـرده است اما بـه هرحـال ایـن مقـ دارآب کـارآیی کـافی را بـراي مخلوط به وجود نمی آورد.در این حال گزارش هایی از[12] درباره تاثیر فوق روان کنندهها (SP) و میزان مصرف بهینـه آنها در کاهش میزان w/cm و بهبـود چسـبندگی مـیباشـد. همچنین جهت افـزایش مقاومـت خمشـی و شـکل پـذیري میتوان از فیبرهاي فلزي استفاده کرد.
بامروري بر گزارشهاي گذشته مشخص مـیشـود کـه بـتن پودري واکنش زا از سیمان پرتلند معمولی به ویـژه تیـپvو مشابه آن که سیلیکا زیاد و تـري کلسـیم آلومینـات (C3A) کم-دوده سیلیسی نامتراکم-ماسه نرم-سـنگدانه خردشـده-آب-روان کننده و فیبرفولادي(به صورت اختیـاري) ترکیـب شده است.
ترکیب بتن پودري واکنش زا قـدري بـا بـتنهـاي معمـولی متفاوت اسـت:مقدارسـیمان بـه میـزان قابـل تـوجهی زیـاد میشود- میـزان آب در مخلـوط بـه مقـدار زیـادي کـاهش مییابد-میزان مصرف فوق روان کننده زیاد است و بیشترین اندازه سنگدانه عموما کوچکتر از بتنهاي معمولی است.
ترکیب این اصول و قواعد سـبب ایجـاد یـک بـتن مقاومـت فشاري نهایی در حدود Mpa 175در هنگام اختلاط وعمـل آوري دردمــاي محــیط، ومقــاومتی بیشــتر از MPa 200 هنگامی که بتن در محـیط ºC90 بـه مـدت چنـد روز قـرار بگیردمی شود؛ همچنین مقاومت هایی در حدود MPa 800 به شرط وجودفشـار کـافی جهـت بیـرون دادن آب و هـواي اضــافی از مخلــوط تــازه و دمــایی در حــدود ºC400 قابــل دستیابی است.[8]
-3 مواردکاربرد
بتن پودري جز موادي است که قابلیت رقابت با بتنهاي با عملکرد بالا و فولاد را دارد،این بتن به مراتب گرانتر از بتنهاي با مقاومت معمولی و با عملکرد بالا ، ولی در حالی
از فولاد ارزانتر میباشد که فولاد همان مقاومت فشاري را که بتن پودري ایجاد میکند را دارد؛ براساس خصوصیات و هزینه، این بتن میتواند جاي فولاد را در بسیاري از موارد بگیرد که هم اکنون تحت مطالعه بسیاري از کشورها نیز قرار گرفته است.
به طور مثال آزمایش یک تیر 10 متري از این بتن بدون آرماتور نشان دهنده عملکرد بسیار مطلوب بتن پودري در مهندسی عمران بوده است که این امر سبب تحولی چشمگیر در پروژههاي عمرانی درآینده میباشد. از دیگر موارد کاربرد میتوان به استفاده در سازههاي پیش تنیده لولههاي پیش ساخته تحت فشار و مخازنی جهت نگهداري مایعات خطرناك وضایعات هسته اي قابل استفاده میباشد.
تیرهاي پیش تنیده X شکل: ابعاد و سطح مقطعهاي سازه اي موجود براي تیرهاي پیش تنیده در پلها و ساختمانها متناسب با بتنهاي بامقاومت معمولی که کمتر از بتن پودري میباشند،این تناسب سبب آن میشود که نتوان از خصوصیات و قابلیتهاي بتن پودري به درستی استفاده کرد.برهمین اساس یکسري از مقاطع براي تیرهاي پیش تنیده طراحی شده اند،به عنوان نمونه تیر ترسیم شده در شکل1 موسوم به تیر Xشکل،بدون آرماتور فوقانی ساخته و مورد آزمایش قرار گرفته است و مشاهده شده است که همان میزان ممان را تحمل میکند که مقطع فولادي با ارتفاع متناظر و وزن تقریبامتشابه تحمل میکند.
با استفاده از بتن پودري میتوان ارتفاع اعضا را در حدود %50 و وزن آنها را در حدود %75 در مقایسه با بتن معمولی پیش تنیده کاهش داد و همچنین حذف آرماتور فوقانی در مقاطع بتن پودري سبب آزادي بیشتر در شکل و طرح این مقاطع میگردد.
حفاظت و نگهداري از زبالههاي هسته اي : از بتن پودري واکنشزا براي ایزوله کردن و نگهداري ضایعات هسته اي در چندین پروژه در اروپا استفاده شده است و اغلب توسط اداره فدرال و اداره خدمات عمومی استفاده میشود. درواقع بتن پودري واکنشزا براي قالب و تحکیم مخازن ضایعات بکار میرود و استفاده از آن به عنوان مخزن نگهداري ضایعات رادیواکتیو سطح بالا ، توسطTorrenti مطالعه شد.
