بخشی از مقاله
خلاصه
دوام بتن سازهای بهطور ویژه در سازههای هیدرولیکی موضوعی با اهمیت است. یکی از آسیبهایی که دوام بتن سازههای هیدرولیکی ازجمله سرریزها، کالورتها و حوضچه آرامش را همواره تهدید میکند، فرسایش است. فرسایش ناشی از سایش که یکی از انواع فرسایش فیزیکی است، در اثر اصطکاک و ضربه جت جریان با سرعت زیاد آب حاوی مواد جامد مانند شن، ماسه، یخ و غیره به سطح بتن در درازمدت ایجاد میشود. ازجمله عوامل تأثیرگذار در فرایند سایش میتوان به سرعت جریان، زاویه برخورد جریان، مواد جامد همراه آب و کیفیت بتن اشاره نمود. با توجه به اهمیت موضوع و بررسی دقیقتر پارامترهای اثرگذار، در این تحقیق دو پارامتر سرعت جت جریان و کیفیت بتن مورد بررسی و آزمایش قرار گرفته-اند. در این راستا جهت بهبود مقاومت بتن در برابر سایش، از الیاف فولادی در ماتریس بتن استفاده شده است. همچنین سرعت جت جریان با استفاده از دستگاه پاشش جریان جت آب حاوی ماسه که قابلیت مدل کردن جت جریان با سرعتهای مختلف را دارد مورد ارزیابی قرار گرفته است. بر اساس ازمایشات انجام گرفته مشاهده گردید که بتن حاوی یک درصد الیاف فولادی بهترین عملکرد را در برابر فرسایش سایشی در دو سرعت 5 و 10 متر بر ثانیه دارد. همان طور که بیشترین مقاومت فشاری نیز مربوط به نمونه بتنی حاوی یک درصد الیاف فولادی است، اگرچه بیشترین مقاومت کششی مربوط به بتن حاوی 1/5 درصد است.
کلمات کلیدی: دوام، سازههای هیدرولیکی، فرسایش ناشی از سایش، سرعت جت، الیاف فولادی
.1 مقدمه
فرسایش در سازههای هیدرولیکی پدیدهای نامطلوب محسوب شده و سالانه خسارات مالی فراوانی را به بار میآورد. از دلایل وقوع فرسایش به موارد زیر میتوان اشاره کرد:
الف - فرسایش ناشی از پدیده حفرهزایی - کاویتاسیون - 1 که حاصل فروپاشی حباب بخار توسط تغییرات فشار در سرعت بالای جریان آب است.
ب - فرسایش ناشی از سایش و سائیدگی بتن2 که ناشی از آب حامل ماسه، شن، یخ و سایر مصالح حمل شدنی است.
ج - فرسایش ناشی از حملهی مواد شیمیایی، محیطهای اسیدی و محیطهای قلیایی.3
فرسایش کاویتاسیون و سایش فرایندی فیزیکی است، درحالیکه فرسایش شیمیایی حاصل واکنش اجزای داخلی بتن با عوامل شیمیایی محیط بیرونی است. در حالت کلی سایش پیشرونده در سه مرحله مشخص میشود:
- 1 سایش اولیهی سطحی که ناشی از فشار هیدرولیکی و سرعت جریان مولکولهای آب است.
- 2 ضربهی مواد جامد که ناشی از برخورد مواد جامد همراه آب به بتن و ایجاد ترکهای سطحی روی آن است.
- 3 سایش فرسایشی که مربوط به اثر مواد جامد سخت همراه آب و سرعت جریان و اجزای بتن و مقاومت آن است .[1]
از بین دلایل فوق فرسایش سطح بتن درسازههای هیدرولیکی اغلب ناشی از سایش ذرات موجود در آب نظیر گل و لای، ماسه، سنگریزه و دیگر ذرات جامد و سایش سطح بتن در طی فرایندهای هیدرولیکی است. آسیب فرسایشی فزاینده بتن موضوعی مهم در نگهداری سازههای هیدرولیکی است که باید هنگام طراحی سازه و انتخاب طرح اختلاط بتن در نظر گرفته شود.
مبنای اولیه برای انتخاب بتن مقاوم در برابر سایش، مقاومت فشاری است. مقاومت سایشی بتن با استفاده از مخلوطهای نسبتاً کم سیمان افزایش مییابد. بتنی که تنها مقدار کمی آب انداختگی داشته باشد، دارای لایه سطحی مقاومتری بوده و درنتیجه در برابر سایش مقاومتر خواهد بود. لذا تأخیر در پرداخت بتن و یا نگهداری کافی و طولانی مدت در محیط مرطوب برای رسیدن به مقاومت سایشی بالا مفید خواهد بود. همچنین افزودن الیاف به ساختار بتن، تأثیر مثبتی بر روی خواص مکانیکی آن دارد. ازجملهی اثرات مثبت افزودن الیاف به بتن میتوان به کاهش احتمال آب انداختگی بتن تازه و افزایش قابلیت جذب انرژی بتن اشاره کرد. ضمن اینکه با افزودن الیاف، مقاومت بتن در برابر فرسایش و مقاومت ضربهای بتن افزایش مییابد .[2] در تحقیقات انجام گرفته تاکنون چگونگی تأثیر محیط بر فرایند سایش، تأثیر شاخصهای طراحی بر روی نسبت مصالح در مخلوط بتن و چگونگی تراکم و ساخت بتنهای قرار گرفته در معرض سایش مطالعه شده است .[3] مطابق استاندارد ASTM C1138 در آزمایش استاندارد سایش بتن که به صورت مستغرق در آب انجام میشود، نمونههای مکعبی در داخل محفظهای گذاشته شده و گلولههای فلزی در داخل آب توسط حرکت همزن با حرکت دورانی -چرخشی بر روی سطح بتن سایش ایجاد میکنند .[4] روش دیگر برای تعیین مقاومت سایشی بتن، روش پاشش جریان مخلوط آب و ماسه 4 است. در این روش مخلوطی از آب و ماسهی ریز با سرعت مشخص و در مدت زمان معلوم بر روی سطح نمونهی بتنی پاشیده میشود و سپس مقدار سایش با توزین نمونه قبل و بعد از آزمایش تعیین می-گردد .[1] لاپلانته5 ضمن بررسی تأثیر نسبت آب به سیمان در مقاومت سایشی به این نتیجه رسید که چنانچه این مقدارحدود 0/3 باشد، مقاومت سایشی بتن به مقاومت درشتدانه آن بستگی دارد .[5] لیو1 و همکاران با آزمایش پاشش مخلوط آب و ماسه نشان دادند که هرچه بتن نفوذپذیری بیشتری داشته باشد، از مقاومت سایشی کمتری نیز برخوردار است. ضمن اینکه آنها دریافتند بتن معمولی حتی با مقاومت کم ولی با مقدار درشت دانهی زیاد مقاومت سایشی بالاتری دارد .[1] چوی و بولندر2 با استفاده از استاندارد ASTM C1138 و با اضافه کردن سرباره و خاکستر بادی به بتن دریافتند که تا زمانی که سنگدانهها از خمیر سیمان سختتر باشد، فرسایش سایشی نیز روی سنگدانهها کمتر رخ خواهد داد. ضمن اینکه اضافه کردن بیش از 20 درصد سرباره در مخلوط بتنی باعث کاهش مقاومت سایشی آن میگردد. درحالیکه افزودن خاکستر بادی به مخلوط آنهم در هر سنی از آن باعث کاهش مقاومت سایشی بتن میگردد .[6] بتن مادهای شکننده است و در برخورد مومنتم دچار ترک کششی میشود، با افزودن الیاف فولادی به میزان 1 درصد وزنی سیمان، میتوان 116 درصد افزایش تنش کششی در بتن ایجاد نماید. درحالیکه با افزودن 0/2 درصد الیاف پلیپروپیلن به مخلوط در کنار الیاف فولادی، افزایش تنش کششی به میزان 53 درصد گزارش شده است. استفاده از الیاف فولادی و پلی پروپیلن بهصورت توأم در ماتریس بتن، مقاومت کششی به مقدار کمتری نسبت به استفاده الیاف فولادی به تنهایی افزایش میدهد .[7] با توجه به ضربهای بودن مومنتم برخورد جریان آب به بتن و انجام آزمایش ضربهای روی بتن حاوی الیاف فولادی مشخص شده است که بتن با الیاف فولادی مقاومت ضربهای بیشتری نسبت به بتن معمولی دارد. این افزایش مقاومت مستقل از مقدار نسبت آب به سیمان آن است و تنها به میزان الیاف در بتن وابسته است. محققان مقاومت سایشی بتن را هم به حجم الیاف مصرفی و هم به میزان آب به سیمان مخلوط وابسته میداند .[8]
بحث فرسایش در سازههای هیدرولیکی بخصوص درسازههایی مانند سرریزها و حوضچههای آرامش در پروژهی احداث سد، اهمیت خاصی داشته و بروز هرگونه خسارت در این زمینه باعث زوال عملکرد صحیح و مناسب سازه میگردد. فرسایش در بتن زمانی قابل کنترل است که ضمن اصلاح ساختار بتن و استفاده از مصالح مقاومتر در برابر فرسایش در طرح اختلاط بتن، پارامترهای هیدرولیکی مؤثر در فرایند فرسایش شناسایی و به اصلاح و یا حذف آنها مبادرت گردد.
سرعت جت جریان، فاصله برخورد جت با سطح نمونهها، زاویه برخورد جت با سطح، نوع و میزان و جنس مصالح موجود در جت جریان از جمله پارامترهای هیدرولیکی دخیل در فرایند سایش محسوب می شوند. در این مقاله تأثیر سرعتهای متفاوت جت جریان بر سایش بتن الیافی، با مقادیر مختلف الیاف فولادی - صفر، 0/5، 1، 1/5 درصد وزنی - مورد مطالعه قرارگرفته است.
.2 مطالعات آزمایشگاهی
.1 .2 مصالح مورد استفاده
در انجام این تحقیق از سنگ دانههای آهکی با مشخصات مندرج در جدول - 1 - که مطابق با استاندارد ASTM C127 [9] آزمایش شدهاند استفاده شده است. مدول نرمی ماسه مصرفی در این تحقیق نیز 3/05 است که در محدوده مجاز استاندارد [10] ASTM C33 قرار دارد.
