بخشی از مقاله
چکیده:
امروزه با توسعه علم و ساخت و سازهای موجود و همچنین با توجه به نیاز روز افزون صنعت ساختمانسازی و صنایع وابسته به عمران به بهینهسازی و مطالعات مهندسی برای کاهش هزینه و مقاومتهای بیشتر بتن نیاز به تحقیق و مطالعه بیشتر در حوزه فناوریهای نوین در تکنولوژی بتن بیشتر احساس میشود.دلذا در این تحقیق تأثیر وجود الیافهای متفاوت از نوع پلیآمید بر روی بعضی از مشخصات بتن از قبیل کارایی بتن و مقاومت خمشی آن بررسید میشود. دبرای آزمایش مقاومت خمشی از 30 نمونه، سه نوع الیاف کورتا، نانوکامپوزیت و آرامید و در 3 درصد متفاوت شامل %1، %1,5 و %2 استفاده شده است.
نتایج عددی آزمایش اسلامپ نشان میدهد که با استفاده از الیاف کورتا اسلامپ نمونه را برابر با 7,5 سانتیمتر نشان میدهد که برای دو الیاف دیگر آرامید و نانوکامپوزیت به ترتیب برابر 7,8 و 7,6 سانتیمتر میباشد و همچنین برای بتن ساده اسلامپ آن 8 سانتیمتر است. با استفاده از نتایج عددی آزمایش مقاومت خمشی نیز مشاهده میسازد که با افزایش مقدار الیاف موجود در بتن مقاومت خمشی بتن، افزایش مییابد و همچنین در %2 وزنی الیاف، الیاف کورتا میانگین مقاومت خمشی بیشتری در حدود %152 نسبت به نمونه شاهد بیشتر بوده و در حدود %1,5 و %1,8 مقاومت خمشی بالاتری نسبت به الیافهای آرامید و نانوکامپوزیت را دارا میباشد.
کلمات کلیدی: الیاف کورتا، الیاف نانوکامپوزیت، الیاف آرامید ، بتن الیافی، مقاومت خمشی، اسلامپ
-1 مقدمه
بتن الیافی با الیاف پلی آمید از یک کالبد بتنی شامل سیمان، مصالح سنگی، آب و درصدی از الیاف پلیآمید تشکیل شده است که الیاف بصورت اتفاقی در مخلوط پراکنده شدهاند. الیاف پلیآمید باعث بهبود خواص مقاومتی بتن از قبیل مقاومت فشاری، مقاومت کششی، کرنشپذیری، خاصیت جذب انرژی، مقاومت در برابر پدیده خستگی، جمعشدگی و ضربه میشود .[1] با توجه به تردشکنی بتن غیر مسلح استفاده از الیاف، خاصیت پلاستیک و شکلپذیری بتن خالص را افزایش میدهد و از گسترش ترکها جلوگیری میکند و در سازه-ها میتواند به عنوان مکمل آرماتورها عمل کند. آرماتور فقط بخش کوچکی از مقاطع بتنی را تشکیل میدهد و الیافها میتوانند مقطع را به صورت ایزوتروپ و همگن تبدیل کند که باعث میشود مقطع در تمام سطوح مقاومت خوبی در برابر کشش و ترک خوردگی داشته باشد. کاربرد الیاف به منظور بهبود بخشیدن به خواص بتن، کاربرد وسیعی را در سازههای بتنی و بتن مسلح پیدا کرده است .[1] الیاف مانند پل در دو طرف ترکهای ایجاد شده در بتن از باز شدن و گسترش ترک جلوگیری کرده و شکل پذیری بتن را افزایش میدهد .[10] دلیل این کاربرد گسترده، مزایای بیشمار فنی و اقتصادی در استفاده از الیاف در جسم بتن میباشد. میزان مقاومت بتن الیافی با الیاف پلیآمید به عواملی مثل نوع الیاف، شکل الیاف، درصد الیاف مصرفی، نسبت ظاهری الیاف و... بستگی دارد .[1] الیاف پلیآمید دارای کرنش شکست و مدول الاستیسیته بالایی بوده که با توجه به شکلپذیری و مقاومت کششی بالا از مناسبترین و اقتصادیترین نوع الیاف مورد استفاده در بتن الیافی هستند .[2] به طور کلی بیشترین تأثیر و مقاومت بتن الیافی در حالی است که الیاف بطور یکنواخت و تصادفی در حالت 3 بعدی در مقطع بتنی قرار گیرند زیرا در حالت 3 بعدی افزایش مقاومت در تمام جهات صورت میگیرد. البته در مواردی خاص مثل فرودگاهها و جادهها چون بار در یک جهت وارد میشود بهتر است همه الیاف در حالت 2 بعدی قرار گیرند .[4] شیوه قرار گرفتن الیاف در محور ترک، در انتقال نیرو به سطح ترک موثر است. الیافی که موازی ترک باشند، به انتقال نیرو کمک نمیکنند. اما الیافی که عمود بر محور ترک قرار گرفته باشند، حداکثر تأثیر را دارند. میزان بازده تقویت ماتریس با الیاف به تعداد جهات تلاقی آنها در واحد سطح بستگی دارد، که میزان این واحد بدین ترتیب است: [5]
-1 الیاف به موازات تنش وارده توزیع شوند.
-2 زمانی که الیاف در صفحهای به موازات تنش وارده، در دو بعد به صورت تصادفی توزیع شوند. -3 زمانی که الیاف به صورت تصادفی در سه بعد توزیع شوند.
معمولاَ در بتنریزی حجیم، شیوه قرار گرفتن الیاف در سه بعد و به صورت تصادفی میباشد و افزایش مقاومت در تمام جهات صورت می-گیرد. لرزاندن بتن حاوی الیاف در برخی موارد امکان قرار گرفتن الیاف به صورت دلخواه را فراهم میکند. مثلاً در روسازی راهها و فرودگاهها لازم است الیاف در دو بعد و به موازات محور افقی، در واقع در جهت تنشهای کششی وارده توزیع شوند .[3]
-2 مروری بر تحقیقات انجام شده
در سال 2014 کیم یک دسته از انواع الیاف پلی آمید و متفاوت از الیاف آلی را برای بهبود مشکلات پراکندگی نامناسب که اغلب در هنگام مخلوط با بتن میباشد و همچنین الیافهای فولادی را تحت آزمایش ضربه با سه نوع درصد متفاوت الیاف مورد مطالعه قرار داد. نتایج بدست آمده نشان میدهد که مقاومت خمشی و انرژی شکست الیاف از نوع پلیآمید بتن مسلح کمتر از الیاف فولادی بتن هستند .[9]
در سال 2014 نیز رامشکومار در مورد رفتار خمشی بتن مسلح به الیاف آرامید پلیمری با استفاده از آزمایشات تجربی و رفتارهای مشابه آن در نرمافزار انسیس مورد بررسی قرار داد که مشاهده کرد ظرفیت بار نهایی نمونهها با افزایش لایهای از نوار الیافی افزایش مییابد .[7]
در سال 2014 جیون در مورد الیاف پلیآمید بر روی بتن مسلح و تأثیر آن بر روی رفتار خمشی مطابق با استاندارد ASTM پرداخت که نتایج آن نشان میدهد مقاومت خمشی و سختی نمونه با الیاف پلیآمید به طور قابل توجهی افزایش مییابد .[13]
در سال 2015 جین در مورد کاربرد الیاف پلیآمید در بتن در برابر اثرات انفجار در سازههای هستهای تحقیقاتی را با استفاده از شبیه-سازی انجام داد که مشاهده کرد که سازههای بتنی ساخته شده با استفاده از مقدار خاصی از فولاد یا الیاف پلیآمید مقاومت در برابر ضربه بیشتری را نسبت به بتن ساده دارد .[6]
در سال 2016 کاسوادو در مورد مقاومت در برابر خستگی بتن الیافی با پلیآمید به همراه الیاف شیشهای کوتاه بررسیهایی انجام دادند که نتایج آنها نیز نشان میدهد که توجه به افزایش خستگی مقاومت صفحات لب انتخاب شده توسط سازگاری حرارتی، تولید یک اثر خنک کننده در ماتریس پلیآمید ، قادر به کنترل فرآیندهای ویسکوالاستیک میباشد که افزایش درجه حرارت از پلیمر را تحت عمل بارهای خستگی گسترش میدهد .[9]
جونگ در سال 2016 بر روی بر روی کاربرد الیاف پلیآمید برای تقویت در شاتکریتهای بتن در تونلها با استفاده از استاندارد ASTM تحقیقاتی انجام داد که متوجه شد که عملکرد خمشی بتن با استفاده از الیاف پلیآمید افزایش مییابد .[8]
علوی نیا در سال 2012 در مورد مقاومت در برابر ضربه بتنهای ساده و الیافی با الیافهای فولادی و پلیپروپیلن در حجمهای متفاوت در یک ماتریس بتن مورد آزمایش و بررسی قرار دادند که متوجه شد که که اضافه کردن الیاف به بتن موجب افزایش مقاومت فشاری و کششی نمونهها نسبت به بتن ساده میباشد .[11]
همچنین بیگی در سال 2013 در مورد استفاده از الیافهای فولادی و شیشه و پلیپروپیلن با درصدهای گوناگون بر روی مشخصات مکانیکی شامل مقاومتهای فشاری، کششی، خمشی و مدول الاستیسیته بتن خودتراکم آزمایشاتی انجام دادند که نتایج آنها نشان می-دهد که افزایش در تعداد الیاف در واحد حجم بتن در ابتدا افزایش مقاومت را دربر دارد و هرگونه افزایش بیشتر الیاف در نمونه نه تنها مفید نمیباشد بلکه نتیجه عکس داده و موجب گلولهشدن الیاف میگردد [12]
رای در سال 2014 در مورد استفاده از الیافهای فولادی و پلیپروپیلن و نایلون در عملکرد مقاومتهای خمشی، کششی و مقاومت در برابر ضربه آزمایشاتی انجام داد و مشاهده کرد که الیافهای فولادی و پلیپروپیلن و نایلونها هر سه دارای مقاومت خمشی و کششی بیشتری نسبت به بتن ساده میباشند ولی الیاف فولادی مقاومت بیشتری در برابر نفوذپذیری و مقاومت در برابر سرما نسبت به 2 نوع الیاف دیگر دارد و الیاف نایلون نسبت به دو نوع الیاف دیگر مقاومت در برابر ضربه بالاتری دارد .[13]
در این مقاله در نظر داریم با سه نوع از الیافهای پلیآمید که شامل الیافهای کورتا و نانوکامپوزیت و آرامید بر روی مقاومتهای خمشی و آزمایش اسلامپ آزمایشاتی انجام دهیم و نتایج آن را مورد بحث و بررسی قرار دهیم.
-3 روششناسی
1-3 آزمایش اسلامپ
از آنجاییکه یکی از مهمترین عوامل در مقاومت بتن نسبت آب به سیمان میباشد انجام آزمایش اسلامپ به منظور کنترل کارایی و ×مقاومت بتن ضروری میباشد.
2-3 آزمایش مقاومت خمشی
قالبهای مورد استفاده در این آزمایش قالب 10×10×50سانتیمتر استاندارد میباشند. نمونهها در 3 حالت متفاوت با انواع الیاف مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. نمونهها بعد از قالببندی طی 24 ساعت در دمای اتاق عملآوری شده و پس از باز کردن قالبها، نمونهها طی مدت 28 روز در داخل آب و در دمای اتاق غوطهور میشوند. برای انجام این آزمایش 30 نمونه با سن 28 روزه در داخل دستگاه جک خمشی قرار گرفته و مقاومت خمشی بتن بر حسب تغییر مکان در وسط دهانه به دست میآید. آزمایش خمش، شکلپذیری مصالح را قیاس مینماید. ویژگیها و نتایج مرتبط با آزمایش خمش برای اشکال گوناگون و انواع مصالح به کار میروند. روش کار به این ترتیب است که قطعه مورد آزمایش را ابتدا کاملاً اندازهگیری کرده و سپس آن را بر روی تکیهگاههای دستگاه قرار میدهیم. طول دهانه
آزاد قطعه را اندازه گرفته و سپس توسط اهرم اعمال بار به قطعه بار وارد میکنیم تا قطعه بشکند .[10]
شکل -1 جک آزمایش مقاومت خمشی بتن[10] برای انجام آزمایش 30 عدد نمونه شامل 3 عدد نمونه بدون الیاف و 27 عدد نمونه با 3 نوع الیاف و با 3 درصد متفاوت با دستگاه جک
100 تن مورد آزمایش قرار گرفتند و با قرار دادن آنها زیر دستگاه بارگذاری و شکستن آنها، از رابطه - 1 - مقاومت خمشی نمونهها را در صورتی که نیروی وارد بر نمونه - ب - و طول دهانه - L - و عرض نمونه - گ - و ارتفاع نمونه - ی - باشد میتوان محاسبه نمود .[10]
جهت انجام آزمایش خمش، تیرهای بتن الیافی مطابق شکل 2 تحت بارگذاری قرار میگیرند و بر مبنای نمودار بار-تغییرشکل تیرهای بتن الیافی، میزان طاقت خمشی بر مبنای استانداردهای ASTM C 1018دو ASTM C 1609 محاسبه میگردد. تنش متناظر اولین ترک، مدول شکست نامیده میشود .[9]
