بخشی از مقاله
خلاصه
استفاده از بتنسبک در اعضای سازه ای، راهکار مناسبی جهت کاهش خطرات ناشی از زلزله تلقی میشود . یکی از محدودیتهای کاربرد عمده بتنسبک مصرف بیشتر سیمان در آن نسبت به بتن معمولی است و یکی از راهکارهای برطرف کردن این نقیصه استفاده از مواد جایگزین سیمان میباشد. لذا در این تحقیق ابتدا تاریخچه مختصری از میکروسیلیس و زئولیت برای جاگزینی سیمان استفاده شده و تاثیر این مواد در مقاومت فشاری مورد بررسی قرار گرفته است.
سپس تاثیر این افزودنیها بر روی دوام بتن در محیط سولفات منیزیم که باعث فرایند تخریب بتن است، مورد بررسی قرار گرفت. لیکا نیز از مهمترین و پرمصرفترین مصالح بتن سبک به شمار میآید. با توجه به اهمیت بتنهای سبک سازهای برای کشور زلزله خیز ایران، مختصری از کار تحقیقاتی انجام شده برای تولید این بتنها ارائه خواهد شد. همچنین این تحقیق میتواند برای محققانی که میخواهند در این حیطه فعالیت کنند و در ابتدای کار هستند کمک کند.
.1 مقدمه
بتن به عنوان پرمصرفترین ماده مصرفی بشر بعد از آب، با توجه به روند رو به رشد ساخت و ساز در کشور، از مهمترین مصالح در صنعت ساختمان جهان به حساب میآید. رویکرد به بتنهای ویژه از دهه هفتاد میلادی رو به افزایش بوده و استفاده از بتنهای پرمقاومت و توانمند خصوصاً در کشورهای پیشرفته با توجه به نیازهای صنعت ساختمان رو به گسترش است.
از زمانهای قدیم تاکنون، تعداد زیادی عرشه پل بتنسبک در تمام دنیا ساخته شدهاست. در دالها و سقف مقاومت عامل اصلی نیست، بنابراین از مقدار زیاد سنگدانه سبک برای کاهش وزن مرده بتن در سقفهای سازههای بلند استفاده میشود. مخازن گاز طبیعی مایع، اسکله شناور، مخزن نفت در زیر آب و ساختمانهای عظیم فراساحلی با بتنسبک ساخته شدهاند.
سال 1970 ساخت بتن سبکدانه پرمقاومت آغاز شد و در دهه 80 به دلیل نیاز برخی شرکتهای نفتی در آمریکا و نروژ برای ساخت سازهها و مخازن ساحلی و فراساحلی مانند سکوهای نفتی یه رشته تحقیقات وسیع برای ساخت بتن سبکدانه پرمقاومت در این دو کشور با همکاری هم آغاز شد که نتایج آن در اواخر دهه 80 و اوایل دهه 90 منتشر گشت.
استفاده اولیه از بتن سازهای سبکوزن، بار مرده ساختار بتن را کاهش می دهد. بنابراین، طراحان سازهای میتوانند اندازه ستونها، تیرها و دیگر عناصری که بار را تحمل میکنند، کاهش دهند. درحالیکه، بتن سبکوزن میتواند هزینه بیشتری برای هر متر مکعب نسبت به بتن وزن طبیعی داشته باشد اما ساختار کلی ممکن است در نتیجه کاهش اندازه عناصر، تحمل بار و هزینههای پیریزی کمتری داشته باشد.
چون نیروهای زمین لرزه که بر سازهها و ساختمانهای مهندسی عمران تأثیر میگذارند متناسب با جرم آن سازهها و ساختمانهاست، کاهش جرم سازهها یا ساختمانها دارای بیشترین اهمیت برای قابلیت تحمل در زمین لرزه و داشتن صرفه اقتصادی است.
بتنسبک، بر اساس آییننامهی مؤسسه بتن آمریکا - ACI 213R-03 - بتنهایی هستند که ضمن دارا بودن چگالی کمتر از 1920 کیلوگرم بر متر مکعب ، مقاومت فشاری بیش از 17 مگاپاسکال دارند. ساخت این بتنها صرفاً با استفاده از سنگدانههای سبک و مقاوم امکانپذیر است
بر. خلاف بتن معمولی که رده بندی آن صرفاً بر مبنای مقاومت انجام میپذیرد، رده بندی بتن سبک، هم بر مبنای مقاومت و هم بر مبنای چگالی انجام میشود. معمولاً بتن با چگالی کم مقاومت کمی دارد و بتن با چگالی زیاد مقاومت بیشتری دارد.
.2 مشخصات بتن سبک
بتنهای سبکدانه سازهای متداول مقاومت فشاری در محدوده 17 تا 80 مگاپاسکال دارند. در صورتیکه مقاومت فشاری بتنسبک بیش از40 مگاپاسکال باشد، بتن جزء بتن سبک پر مقاومت شناخته میشود. آییننامه بتن آمریکا حداقل مقاومت فشاری را 17 مگاپاسکال در نظر گرفته است. آییننامه ایران حداقل مقاومت فشاری را 17 مگاپاسکالتعریف کرده به شرطی که حداکثر چگالی بتن تماماً سبک، 1600 kg/m3 و بتن شامل سنگدانه سبک و ماسه، 1680 kg/m3 باشد. انجام آزمایش مقاومت فشاری بتن سبک همانند بتن معمولی و طبق استاندارد ASTM C39 میباشد.
مهمترین ویژگی بتنسبک که آن را از بتن معمولی متمایز میکند، چگالی کمتر آن است. در آییننامهها حداکثر چگالی بتن سبک به 2000 kg/m3 محدود شده است. چگالی را میتوان به نوعهای مختلف شامل چگالی بتن تازه، چگالی تعادلی، چگالی بتن سخت شده مرطوب با سطح خشک، چگالی بتن خشک شده در هوا و چگالی بتن خشک شده در آون بدست آورد.
چگالی بتن خشک شده در آون نسبت به دیگر چگالیها از وزن کمتری برخوردار است. روش بدست آوردن چگالی بتن سبک همانند روشهای عنوان شده در آیین نامهها برای بتن معمولی میباشد.>8@ بتن سبک برای اهداف ساختاری، بهطور موفقیت آمیزی سالها استفاده شدهاست. برای کاربردهای ساختاری بتن سبک، دانسیته گهگاه مهمتر از استحکام است. کاهش دانسیته برای سطح استحکام یکسان، وزن و اندازه فنداسیون و هزینههای ساخت را کاهش میدهد.
.3 طرح اختلاط بتن سبک
تناسب مخلوطها بر اساس دستورالعمل ACI 211. 2-98 به دست میآید. کلیات فرآیند طرح مخلوط بتن سبک مشابه فرآیندی است که در طرح مخلوط بتن معمولی استفاده میگردد، با این تفاوت که علاوه بر پارامترهایی که در هنگام طرح اختلاط بتن معمولی مدنظر قرار میگیرد، پارامتر دیگری به نام چگالی نیز از اهمیت زیادی برخوردار شود. مشکلی که در این زمینه وجود دارد گسترده بودن محدوده چگالی بتن سبک بین 1400 تا2000 کیلوگرم بر متر مکعب است. لذا در ساخت بتن سبک تعداد سعی و خطا جهت رسیدن به پارامتر مورد نظر بیشتر از بتن معمولی است. لذا توصیه میگردد که از نسبتهای اختلاط موجود که در گذشته تهیه شده است به عنوان مبنای کار استفاده گردد تا تعداد دفعات سعی و خطا کمتر گردد.
.4 سبکدانه لیکا
یکی از پرمصرفترین سبکدانهها، لیکا بوده که از جنس خاک رس منبسط شده میباشد. در روش تولید این دانهها ابتدا خاک رس به عنوان ماده اولیه سبکدانه از معادن خاک رس به واحد فرآوری کارخانه حمل شده، بعد از نمونهگیری و کنترل دقیق مواد شیمیایی و حصول اطمینان از نداشتن مواد شیمیایی و آهکی و پس از آبدهی به صورت گل رس وارد کوره گردان میشود. وقتی گل رس در درجه حرارتی حدود 1200 درجه سانتیگراد قرار میگیرد، گازهای ایجاد شده دانهها را منبسط میکند و هزاران سلول هوای ریز درون آنها تشکیل میشوند. با سرد شدن مصالح، حبابهای هوا به صورت فضاهای منفک باقی مانده و سطح آنها سخت میشود. دانههای لیکا دارای شکل تقریباً گرد هستند. رویه میکروسکوپی خارجی دانهها دارای خلل و فرج ریز و قهوهای رنگ است. بخش داخلی دانهها دارای بافت سلولی سیاه رنگ است. بهدلیل پوزولانی بودن لیکا در طبیعت میتوان از در ساخت بتن سبک سازهای استفاده کرد. لیکا بهدلیل سبک بودن باعث کاهش وزن مخصوص بتن گردیده که این به نوبه خود کاهش ابعاد اعضای سازه را بهدنبال دارد.
.5 دانه بندی سبکدانهها
دانهبندی براساس استاندارد EN933-1 به وسیله الک کردن دانههای خشک و بر اساس محدودههای مشخص شده برای درصد سنگ دانههای شکسته تعیین میشود. در این آییننامه تصریح شده است که حداکثر مقدار سنگدانههای بزرگتر از اندازه اسمی، %15 کل اندازه سنگدانهها و حداکثر مقدار سنگدانههای کوچکتر از ریزترین اندازه اسمی، %10 کل سنگدانهها است. از سوی دیگر در استاندارد ASTM C330 الزاماتی برای حدود مجاز دانهبندی سبکدانهها ذکر شده است که در جدول 1 مشاهده میشود.
جدول -1 الزامات مربوط به دانه بندی سنگدانههای سبک در بتنهای سازهای >12@
.6 تاثیر زئولیت و میکروسیلیس بر روی مقاومت بتن سبک
زئولیت طبیعی، نوعی از ماده معدنی سیلیس آلومین هیدراته به عنوان مصالح پوزولانی طبیعی بهمنظور بالا بردن مشخصات مکانیکی و دوام بتن به کارگرفته میشود. بنا به تنوع وسیعِ انواع مختلف زئولیت که مشخصات شیمیایی و فیزیکی متفاوتی دارند، توافق مشترکی میان محققان حاصل نشده است. این موضوع گویای آن است که بررسی جداگانه هریک از انواع زئولیتها با مشخصات معین، ضرورت دارد.
اگرچه جایگزینی سیمان توسط زئولیت، افت بتن را کاهش داده و آب مورد نیاز برای بتن تازه را افزایش میدهد؛ زئولیت کریستالی طبیعی که بهعنوان مصالح پوزولانی عمل میکند، ویژگیهای مکانیکی سیمان و ترکیبات بتن را بهبود میبخشد. سطح ویژه کلی - داخلی و خارجی - زئولیت معادل با 35- 45 m2/g میباشد. از این رو به علت ازدستدادن و یا جذب آب تا حد %30، ماده شناختهشدهای میباشد.[13-15] کاربرد میکروسیلیس در دهه های اخیر بسیار مورد توجه مهندسین ساختمان قرار گرفته است.
به دلیل ویژگی های بسیار مناسب میکروسیلیس استفاده از آن در جهت بهبود مشخصات مکانیکی بتن در حال پیشرفت است. در جریان تولید آلیاژهای سیلیسیم، بخصوص آلیاژ فروسیلیس، در کورههای الکتریکی، محصول فرعی به وجود میآید که به آن میکروسیلیس گفته میشود. ذرات میکروسیلیس،معمولاً کروی شکل و با قطری حدود 0/1 تا 0/2 میکرون و به حالت ییرکریستاله - آمورف - دیده میشوند.
این ماده با داشتن بیش از 80 درصد سیلیس غیر کریستالی ذراتی در حدود 50 تا 100 برابر ریزتر از ذرات سیمان بهعنوان پوزولان، قادر به بهبود خواص تولیدات سیمان پرتلند است.[16] میکروسیلیس مشخصات مکانیکی خمیر تازه سیمان و همچنین مشخصات ریز ساختار خمیر سیمان پس از سخت شدن را اصلاح میکند. نقش میکروسیلیس در اصلاح خواص مهندسی بتن به ویژه خواص رئولوژی - نظیر چسبندگی و یکنواختی - و خواص مکانیکی - نظیر مقاومتهای فشاری، کششی، خمشی، مقاومت پیوستگی با آرماتور، خزش و جمع شدگی - و دوام - نظیر مقاومت در برابر خرابی ناشی از حملات شیمیایی، سایش، فرسایش و سیکل های یخ زدن و ذوب شدن - حائز اهمیت است.
خلاصهای از بررسی های انجام شده از گذشته تا کنون در مورد تاثیرات افزودنیها روی بتن بخصوص بتنسبک، در نمودارهای شکل 1 تا شکل 3 نمایش داده شده است.
.7 شرایط محیطی سولفاته روی دوام بتن
یکی از عوامل شیمیایی مخرب بتن، حمله سولفاتها میباشد. سولفاتها از دو طریقِ درونی و بیرونی بتن را مورد حمله قرار میدهند. حمله درونی با گسترش وجود سولفات در سیمان، سنگدانهها، آب و افزودنیهای معدنی همراه است. حمله بیرونی سولفات ناشی از فعلوانفعال سولفات موجود در آب و خاک مجاور بتن میباشد. معمولاً حمله سولفات موجب زوال بتن در اثر انبساط آن میشود.
