بخشی از مقاله
تأثیر الیاف پلی پروپیلنی برروی خواص مکانیکی، نفوذپذیری ، استحکام و مقاومت حرارتی بتن
خلاصه
در سالهای اخیر استفاده از انواع مختلف الیاف در بتن افزایش رو به رشدی داشته است و هر نوع خاص از الیاف موجب بهبود ویژگی مشخصهای از بتن میگردد، الیاف پلی پروپیلنی نیز نوعی الیاف پلیمری هستند که افزودن درصدهای اندک آن موجب بهبودی چشمگیری در خواص بتن میشود .در این پژوهش با استفاده از مصالح محلی و مواد افزودنی میکروسیلیس به عنوان جایگزین سیمان و فوق روان ساز پلی کربوکسیلیک دو سری نمونه، نمونه های شاهد و مسلح به الیاف پلی پروپیلن رشته ای 6 و 12 میلیمتری، به میزان 0/2، 0/4و 0/8 درصد وزن سیمان ساخته شدند. بعد از عمل آوری در اتاقک بخار آزمایش های مقاومت فشاری و کششی در سنین 3، 7 و 28 روزه برروی نمونه ها صورت گرفت.نمونه های مربوط به نفوذ پذیری نیز بعد ار 28 روز عمل آوری، به مدت 24 ساعت تحت فشار 5 بار، در دستگاه آزمایش نفوذپذیری قرار داده شدند تا با اندازه گیری عمق نفوذ آب، میزان نفوذپذیری با استفاده از رابطه نفوذپذیری valentaمحاسبه گردید، در نهایت، مقدار درصد الیاف و اثر الیاف بر مقدار نفوذ پذیری آب و تغییرات آن با خواص مکانیکی بتن مورد بحث و بررسی قرارگرفت و مشخص شد که مقاومت فشاری اولیه نمونه های بتن الیافی نسبت به نمونه های شاهد کمتر بوده ولی با افزایش سن نمونه ها نتایج برعکس میگردند و بیشترین افزایش مقاومت فشاری 28 روزه مربوط به مقدار الیاف مصرفی %0/8 بوده است ولی مقاومت کششی نمونه های بتن الیافی از همان سنین اولیه بتن نسبت به نمونه شاهد افزایش نشان میدادند و نرخ افزایش با بالا رفتن سن بتن بیشتر می شد و بیشترین میزان افزایش مقاومت کششی نیز در سن 28 روزه بتن و در نمونه های بتنی حاوی %0/4 الیاف مشاهده شد . درآزمایش های اندازه گیری میزان نفوذپذیری نمونه ها، ضریب نفوذپذیری کلیه نمونه های تسلیح شده با الیاف پلی پروپیلنی در مقایسه با نمونه شاهد کاهش یافته بود وکمترین مقدارضریب نفوذپذیری در نمونه های دارای %0/4 الیاف حاصل شد.
همچنین بتن با مقاومت بالا دارای معایبی همچون شکنندگی و عدم مقاومت در برابر آتش سوزی می باشد .جهت رفع این نقیصه میتوان از الیاف پلی پروپیلن با توجه به خواص مطلوب و اقتصادی بودن آن استفاده کرد. استفاده از مقادیر معین از الیاف در مخلوط بتن بر خواص مکانیکی آن تاثیر نا مطلوب نخواهد داشت . در این تحقیق ، علاوه بر خواص مکانیکی و نفوذ پذیری، تاثیر الیاف پلی پروپیلن براستحکام فشاری و مقاومت حرارتی بتن با مقاومت بالا بررسی شده است . الیاف پلی پروپیلن با طولهای مختلف ( 6، 12 و 19 میلی متر) و وزن های مختلف 0/6)، 1/3، 2 و7/2 کیلوگرم بر متر مربع) در بتن مورد استفاده قرار گرفت. نتایج حاکی از آن است که استحکام و مقاومت حرارتی با استفاده از الیاف پلی پروپیلن افزایش یافته است.
کلمات کلیدی: بتن الیافی، الیاف پلی پروپیلن، نفوذ پذیری، فوق روان ساز، میکرو سیلیس، بتن با استحکام بالا، استحکام فشاری، مقاومت حرارتی
.1 مقدمه
بتن معمولی از شن، ماسه، سیمان وآب تشکیل شده است که در آن با مخلوط نمودن شن به عنوان اسکلت اصلی بتن، به وسیله چسبندگی ملات و خمیر سیمان و با عمل هیدراتاسیون و ایجاد بلور های مقاوم در حدفاصل شن و ملات، تود ه بتن تشکیل میشود. این ماده ساختمانی با توجه به ساختار خود دارای مزایا و معایبی است که از آن جمله می توان به مقاومت فشاری بالا ومقاومت کششی پایین بتن اشاره نمود. مقاومت کششی پایین، سبب رفتار ترد بتن شده وعامل اصلی شکست ناگهانی و فروریختن سازه ها به هنگام وقوع زلزله و بادهای جانبی است. از اواسط قرن هیجدهم حل مشکل ترد بودن بتن را با تسلیح آن به وسیله میلگردهای فولادی، درجهت نیروهای کششی، برطرف نمودند اما در موارد متعددی جهت دقیق این نیروهای کششی معلوم نبوده و توزیع آن در تمام نقاط مورد نظر امکان پذیر نمی باشد، در نتیجه این نقص توزیع و از طرفی به دلیل جمع شدگی بتن در اثر خشک شدگی و دیگر عوامل طرح اختلاط، ترک هایی دربتن به وجود می آیندعموماً. ترک ها با گذشت زمان و افزایش تنش در داخل بتن توسعه یافته و مشکلاتی را در سازه های بتنی از جمله در میزان نفوذ پذیری سازه های هیدرولیکی به وجود می آورند که به نوبه خود بررسی و توجه بیشتری را نیاز دارند.
در تسلیح الیافی بتن، در جریان عمل اختلاط، الیاف در درون بتن به طور نامنظم و در جهات مختلف پخش می شوند .(1) در بتن تازه، با تعیین مقدار، نوع و اندازه مناسب الیاف، جمع شدگی و به تبع آن ترکها به میزان قابل توجهی کاهش می یابند و از طرفی در بتن سخت شده، الیافی که به طور نامنظم پخش شده اند با متوقف کردن رشد ترکهای ریز و ممانعت از ائتلاف آنها و پل زدن ترکهای بزرگ وانتقال نیرو از عرض این ترک ها، مقاومت کششی و فشاری را افزایش و نفوذپذیری را به میزان قابل توجهی کاهش میدهند در واقع الیاف با ایجاد پیوندهای مختلف با اجزای بتن، موجب انسداد و یا حبس تخلخل بتن شده و موجب کاهش نفوذپذیری و تکمیل هیدراتاسیون آن میگردند .(2 )
در حالت کلی مزایای بتن الیافی در مقایسه با بتن معمولی بدون الیاف بشرح زیر می باشد (4) -1 افزایش دوام بتن؛ -2 قابلیت کششی بالای بتن و افزایش ظرفیت تغییر شکل نسبی آن؛
-3 قابلیت باربری بالا بعد از ترک خوردگی؛
-4 افزایش میزان جذب انرژی؛
-5 مقاومت در مقابل تنشهای خستگی؛
-6 مقاومت بالا در مقابل ضربه؛ -7 مقاومت در مقابل تورق و سایش و هوازدگی سطح بتن؛
-8 سرعت بالای اجرا. قابل ذکر است که بتن های مسلح الیافی جزو مناسب ترین مصالح مورد استفاده در ساخت بناهای مقاوم در برابر ضربه همچون سازه پناهگاه ها و انبارهای نگهداری مواد منفجره نیز به شمار میروند و بناهای ساخته شده از این نوع بتن قابلیت فوق العاده ای در جذب انرژی ضربه دارند .(5 ) استفاده از این نوع بتن در ساخت باند فرودگاه ها، کف سالن های مختلف صنعتی و ورزشی، پی ماشین آلات سنگین در کارخانه ها، پل ها، پارکینگها، پیاده روها، روسازی راهها، سازه های دریایی، کانالهای آب، ساخت قطعات پیش ساخته ساختمانی همچون پانلها و یا بتن پاششی (شاتکریت) روی سطوح انحنادار سازهها و شیروانی ها توسعه فراوانی یافته است 6) و.(7
همچنین از جمله محاسن بتنهای مصلح ودارای مقاومت بالا، بهبود خواص مکانیکی و کاهش نفوذپذیری ،مقاومت شیمیایی بالا در برابر عوامل مخرب و مقاومت در برابر ضربه های مکانیکی شدید می باشد . در کنار محاسن یاد شده ، شکنندگی و مقاومت کم در برابر حرارت و آتش از معایب بارز این گونه بتن ها محسوب می شود.از آنجایی که مقاومت و نرمی ، دارای نسبت عکس می باشند، بتنهای با استحکام بالا از بتن های معمولی شکننده ترند .(3) قسمت الاستیک خطی پیش از پیک منحنی تنش -کرنش در بتن با استحکام بالای تقویت نشده، به مقدار زیادی افزایش می یابد .پس از رسیدن به پیک بار، منحنی تنش– کرنششدیداً افت می کند که نشانگر وجود مناطق شکننده می باشد. انرژی جذب شده در فاز الاستیک صرف ایجاد ترک و پخش شدن ترکها نمی شود، در نتیجه رشد ثابت ترک که منجر به شکست بتن می شود اتفاق نمی افتد. این امر شکست ناگهانی و شدید بتن را به همراه خواهد داشت. به علاوه ، نفوذ پذیری بسیارکم بتن های با استحکام بالا مشکلاتی را به همراه خواهد داشت که ازجمله آن می توان به مقاومت در برابر آتش اشاره کرد .به هنگام آتش سوزی ،دمای بتن به سرعت افزایش می یابد. به علت وجود تعداد اندک روزنه های موئین، آب که هنوز در بتن هیدراته نشده، در فضای داخل بتن محبوس می شود.بدین ترتیب فشار بخار آب تولید شده از روزنه های موئین خارج نمی شود و منجر به تنش کششی داخلی شده، بدین ترتیب در سطح بتن ترک ایجاد خواهد شد. حتی مولکولهای آبی که درگیر پیوند شیمیایی هستند نیز می توانند بخار شوند. جهت مقابله کردن با این مشکلات، از الیاف پلی پروپیلن با توجه به خواص ویژه وارزان بودن آن استفاده می شود. الیاف پلی پروپیلن باعث کاهش شکنندگی و افزایش مقاومت در برابر آتش خواهند شد .الیاف پلی پروپیلن در دمای 160 درجه سانتیگراد ذوب می شوند ودر نتیجه به هنگام آتش سوزی کانال هایی را در بتن ایجاد می کنند. بدین ترتیب مایعات وبخار آب امکان خروج از داخل بتن را پیدا می کنند و فشار داخلی کاهش می یابد. بدین ترتیب از ورقه ورقه شدن سطح بتن جلوگیری به عمل می آید.چنانچه گاز در ساختار داخلی بتن محبوس شود ، تنش کششی داخلی در دمای 300 درجه سانتی گراد حدود 8 N/mm خواهد شد .در دمای 350 درجه سانتی گراد ، این مقدار دو برابر خواهد شد پلی پروپیلن از خانواده پلی اولفین هاست .الیاف پلی پروپیلن آبدوست نبوده در نتیجه آب جذب نمی کنند و مخرب نیز نیستند(.(8 علاوه بر آن این دسته از الیاف در برابر قلیایی ها و مواد شیمیایی و کلرید مقاوم هستند و خاصیت انتقال حرارتی کمی دارند. با توجه به این خصوصیات الیاف پلی پروپیلن نیاز به آب بتن تازه ندارند و مزاحمتی برای ترکیب سیمان با آب ایجاد نمی کنند. الیاف پلی پروپیلن فیبریله از طریق کشیدن و بسط دادن فیلم پلاستیکی تهیه می شوند و پس از آن به صورت رشته جدا شده،به اندازه های لازم بریده می شوندالیاف فیبریله تجاری موجود د ر محدوده طولی حدود 6/5 تا 63/5 هستند.
-2 مواد و آزمایشات
-1-2 مراحل تهیه نمونه ها برای بررسی خواص مکانیکی و نفوذ پذیری
برای تهیه نمونه ها از مخلوط کننده نوع تابه ای استفاده شد . به منظور اختلاط بهتر الیاف در بتن، اولین ماده ای که در میکسر جای میگرفت الیاف بودند بعد از عمل اختلاط عمل نمونه گیری در قالب های استوانه ای 300 در 150 میلی متری صورت می گرفت. قالب ها در روی میز لرزان طی سه لایه با بتن پر می شدند و هرلایه به مدت 30 تا 60 ثانیه لرزانده میشد. زمان لرزاندن در نسبت کمتر الیاف کم بود ولی با بالا رفتن نسبت حجمی الیاف زمان لرزاندن لازم نیز اضافه تر می شد. نمونه ها بعد از قالبگیری به مدت 24 ساعت در هوای آزاد آزمایشگاه گذاشته می شدند و بعد از 24 ساعت، قالب ها باز شده و نمونه ها بعد از توزین، تا روز آزمایش داخل اتاقک بخار با دمای 23 درجه و متوسط درصد رطوبت 81 درصد قرار می گرفتند .آزمایش های تعیین مقاومت ( شکل ( 2 در سه سن 3، 7، 28 روزه بتن، برای %3 الیاف 4/2، 0/0، 0/8 با طول 6 میلیمتری صورت می گرفت و به منظور کاهش خطا، برای هر سنی 3 نمونه تهیه شده بود که میانگین این سه نمونه به عنوان مقاومت نمونه مشخص می شد .نمونه های مربوط به نفوذپذیری نیز بعد از 28 روز از اتاقک بخار بیرون آورده شده و به مدت 24 ساعت داخل کوره الکتریکی با دمای 105 درجه سانتیگراد قرار داده می شدند تاکاملاً خشک گردند، بعد از این مدت، نمونه های خشک توزین شده و نمونه ها به مدت 24 ساعت در دستگاه نفوذپذیری موجود در آزمایشگاه مصالح جای میگرفتند (شکل (1 ، بعد از 24 ساعت دوباره وزن نمونه اندازه گیری شده و مقدار آب نفوذی به نمونه ها و همچنین عمق نفوذ اندازه گیری می شد.
شکل -1 دستگاه اندازه گیری نفوذپذیری شکل -2 دستگاه اندازه گیری مقاومت کششی و فشاری
-2-2 تهیه نمونه ها برای بررسی استحکام و مقاومت حرارتی
سیمان مصرفی از نوع پورتلند نوع 1 و عیار آن 350 و مقیاس ساخت نمونه %4 می باشد. ماده روان کننده مصرفی با نام Conplast RP264M از شرکت فاسروک و الیاف از شرکت تولید الیاف پلی پروپیلن تهیه شد. نمونه ها به صورت مکعب هایی به ابعاد 250 میلیمتر و طول الیاف مصرفی 19،12،6 میلی متر و میزان الیاف مصرفی 0/6، 1/3، 2، 7/2 کیلو گرم بر متر مکعب می باشد . اسلامپ اولیه بدون افزودن الیاف و ماده روان کننده 40 تا 50 میلی متر بود. مدت زمان دهی جهت خشک شدن بتن 7 و 28 روز بود. جهت تست حرارتی نمونه های حاوی 12 میلی متر و وزن های مختلف الیاف در کوره 450 درجه سانتی گراد به مدت 8 ساعت قرار داده شدند .پس از آن تستهای استحکام فشاری برروی آنها انجام گرفت.
-3 نتایج
-1-3 بررسی استحکام بتن
هر چه نسبت آب به سیمان کمتر باشد بتن کارآمدتراست. این نسبت را می توان با استفاده از روان کننده های مناسب به حداقل رساند. اسلامپ پارامتر مهمی برای تخمین کارآمدی بتن تازه می باشد.با ا ستفاده از الیاف پلی پروپیلن مقادیر اسلامپ را می توان کاهش داد. مخلوط بتن تازه بسیار چسبنده است. در حین فرایند اختلاط، حرکات برشی مواد سازنده بتن باعث جدا شدن الیاف دسته ای از یکدیگر شده، شبکه ای از تک فیلامنت های مجزا تشکیل می دهد. الیاف به علت سطح مخصوص زیادشان خواص مکانیکی سیمان را بهبود می بخشند. خوشه الیاف با خمیر سیمان، بدون فشردگی و سخت شدن در مخلوط شکل می گیرد. تمرکز نا همگن مواد در مخلوط، به جدا شدن ذرات از هم کمک می کند، همزمان پدیده خروج آب از مخلوط نیز رخ می دهد. تمام این موارد منجر به کاهش اسلامپ می شود. چنانجه پدیده خروج آب از مخلوط رخ دهد ، مواد تشکیل دهنده سیمان نیز به سطح بتن خواهند آمد. بدین ترتیب لایه ای رقیق از سیمان به روی سطح شکل می گیرد که عامل تشکیل ترکهای ریز خواهند شد. در بتن حاوی الیاف پلی پروپیلن این پدیده کمتر صورت می گیرد. زیرا الیاف، بتن را جمع می کنند ونشست ذرات سازنده بتن را به تعویق می اندازد. ته نشین شدن الیاف و یا به روی سطح آمدن آن ها در بتن تازه مطلوب نیست .از آنجایکه الیاف دارای مقاومت کششی بالایی هستند، کاربرد الیاف در بتن باعث افزایش استحکام کششی بتن می شود. چنانچه بتن در معرض تنش کششی قرار گیرد الیاف این تنش را پخش می کنند. همچنین الیاف از رشد ترکها جلوگیری می کنند. چانچه ترکی نیز شکل گیرد الیاف همچون پلی از گسترش ترک جلوگیری می کنند .لازم به ذکر است با توجه به کاهش نرخ خروج آب از بتن حاوی الیاف زمان بیشتری برای خشک شدن نهایی نیاز خواهد بود.
-2-3 تاثیر الیاف پلی پروپیلن بر خواص بتن سخت شده
محاسن استفاده از الیاف پلی پروپیلن که منجر به تهیه بتن با استحکام بالا با خواص مکانیکی مطلوب می شود به شرح زیر است:
*الیاف نقش تقویت کننده در مقیاس میکرو را در بتن ایفا می کنند. لذا خواص مکانیکی بتن بیشتر تقویت خواهد شد. *الیاف با توجه به استحکام کششی زیادشان از تشکیل و پیشرفت ترکها جلوگیری به عمل می آورند و با نگهداشتن ماتریس سیمانی ویا تشکیل پل ما بین ترکها مانع انتشار آنها می شوند. در نتیجه طول و ضخامت ترک رشد نمی کند. *کرنش نهایی زیاد الیاف، بتن را قادرمی سازد تا در برابر تغییر شکلهای زیاد، بدون فرو ریختن ساختار مقاومت کند. استفاده از الیاف در بتن با استحکام بالا معایبی نیز به شرح زیر به همراه دارد:
*با توجه به مدول الاستیک کمتر الیاف نسبت به ماتریس سیمانی، الیاف خود، آغازگر تشکیل میکرو ترکها خواهند شد.از این رو پیوندهای مکانیکی شکل گرفته با ماتریس سیمانی کم است. در نتیجه نه تنها حداکثر استحکام افزایش نمی یابد، بلکه خود عاملی برای تشکیل ترک و تخریب خواهد شد.
*الیاف با تشکیل معایبی در مقیاس میکرو در ماتریس سیمانی باعث افزایش حجم روزنه ها خواهند شد. نتایج حاصل از آزمایشات انجام شده حاکی از آن است که با افزایش درصد وزنی الیاف مصرفی ، مقاومت فشاری افزایش می یابد.
در نمونه هایی که طول الیاف 12 میلیمتر است نسبت به 6 میلیمتر و 19 میلیمتر مقاومت فشاری بیشتر است .چنانچه طول الیاف 12 میلیمتر باشد در اثر افزایش طول الیاف از پیشرفت ترکها جلوگیری می شود چراکه الیاف نقش پل نگهدارنده را خواهند داشت. در حالیکه با افزایش طول به 19 میلیمتر در اثر افزایش بیش از حد طول حفره های بیشتری در بتن ایجاد شده، شکل گیری ترکها تسهیل می شود .بدیهی است که مقاومت فشاری بتنهای 28 روزه از نمونه های 7 روزه بیشتر است ( شکل 3و.(4
شکل -3 مقاومت فشاری بتن 7 روزه
شکل -4 مقاومت فشاری بتن 28 روزه
همانگونه که در اشکال 5 و 6 مشهود است، نمونه بتنی فاقد الیاف پس از اعمال نیروکاملاً تخریب شده است در حالیکه نمونه حاوی الیاف در اثر اعمال نیروی مشابه شکل خود را حفظ کرده و تخریب نشده است.با توجه به شکل 6 در بتن حاوی الیاف به جای فروریختن ساختار ، ترکهایی در راستای محور اعمال نیرو ایجاد شده است که در تمام نمونه بتنی تقریباً یکنواخت پخش شده است.
شکل -5 شکست بتن با استحکام بالا فاقد الیاف
شکل -6 شکست بتن با استحکام بالا حاوی الیاف
-3-3 بررسی مقاومت حرارتی
نمونه های بتن الیافی تهیه شده با طول ثابت 19 میلیمتر ودر اوزان مختلف از الیاف در کوره 450 درجه سانتی گراد قرار داده شدند. ذوب شدن الیاف در اثر حرارت، مسیری را برای خروج بخار آب ایجاد می کند. در نتیجه از ریزش سازه در اثر حبس بخار آب در داخل ساختار بتن و خروج با فشار آن در هنگام آتش سوزی ها جلوگیری به عمل می آید. شکل 7 حفره های ایجاد شده برروی سطح بتن پس از خروج بخار آب را نشان می دهد.
شکل -7 حفره های ایجاد شده بر سطح بتن در اثر خروج بخار آب
آزمایشات مقاومت فشاری برروی نمونه های تحت عملیات حرارتی قرار گرفته ، حاکی از آن است که همچنان استحکام فشاری مطلوب می باشد ( شکل .(8
شکل -8 مقاومت فشاری نمونه های حرارتی
