بخشی از مقاله
خلاصه
دمای بالا یکی از مهمترین فرآیندهای زوال فیزیکی است که دوام سازه بتنی را تحت تاثیر قرار می دهد. در نتیجه بررسی رفتار کامپوزیت های سیمانی در برابر دمای بالا مهم می باشد. بر این اساس در پژوهش حاضر، به بررسی تاثیر درجه حرارتهای بالا بر خصوصیات ملاتهای سیمانی حاوی درصدهای مختلف نانو سیلیس میپردازیم. خصوصیات مورد بررسی شامل افت وزن، تخلخل و چگالی میباشد.
جهت بررسی اثر درجه حرارتهای بالاتر خواص کامپوزیتهای سیمانی، ابتدا 0,5، 1، 1,5 و 2 درصد وزن سیمان مصرفی با نانو سیلیس جایگزین شد. سپس نمونههای ملات تحت تاثیر درجه حرارت های 200، 400، 600، 800 و 1000 درجه سانتیگراد قرار گرفتند، نتایج آزمایشات نشان میدهد که اعمال درجه حرارتهای بالا باعث افزایش درصد افت وزن، تخلخل و همچنین کاهش چگالی میشود، همچنین مشاهدات نشان میدهد که معمولا ملاتهای حاوی 2 درصد نانو سیلیس کمترین تاثیر را در دماهای مختلف دارد. از جمله دلایل آن را میتوان به ریز بودن ذرات نانو سیلیس و قابلیت پرکنندگی حفرات موجود در ملات اشاره کرد.
.1 مقدمه
رفتار بتن در برابر افزایش حرارت به خواص اجزاء آن بستگی دارد. در طول افزایش حرارت تغییرات فیزیکی و شیمیایی پیچیدهای در بتن رخ میدهد . هنگامی که بتن در معرض حرارت قرار میگیرد ابتدا آب آزاد بتن در دمایœC 100 تا 200 œC شروع به تبخیر شدن میکند و با بالا رفتن دما، آب شیمیایی موجود در بتن آزاد میشود. با توجه به نفوذپذیری کم بتنهای حاوی نانو سیلیس امکان خروج این بخارهای تولید شده در توده بتن وجود ندارد و در نتیجه با افزایش دما، فشار بخار ایجاد شده در توده بتن افزایش مییابد. این فشار بخار آب ممکن است به 8 مگاپاسکال هم برسد که از مقاومت کششی بتن بیشتر است.
از طرفی مقاومت کششی بتن محدود میباشد، در نتیجه هنگامی که فشار بخار ایجاد شده در بتن از مقاومت کششی بتن میشود بتن شروع به ترک خوردن میکند. و همچنین به دلیل مقاومت کششی بتن برای غلبه با فشار بخار، انرژی ایجاد شده و در طول زمان افزایش دما در بتن بالا رفته و ممکن است به طور ناگهانی خارج شود و باعث وقوع پکیدگی و قلوه کن شدن بتن گردد. این پدیده پوسته شدن انفجاری نامیده میشود .[2] از دیگر عوامل اصلی پدیده پوسته شدگی بتن افزایش تنشهای حرارتی ایجاد شده در بتن میباشد . در این حالت سطح بیرونی بتن در معرض آتش، به علت کم بودن رسانش حرارتی بتن، نسبت به لایههای درونی دارای گرادیان حرارتی بالایی است این اختلاف دمایی باعث ایجاد تنش در بتن میگردد.
علاوه بر این با توجه به اختلاف ضریب انبساط حرارتی اجزا تشکیل دهنده بتن و انبساط خیرخطی این اجزا و تغییر فازهای مختلف در سنگدانهها احتمال افزایش تنشهای کششی و در نتیجه ترک خوردگی بتن افزایش مییابد. تجزیه شیمیایی خمیر سیمان در اثر حرارت باعث منقبض شدن آن میشود این پدیده در ناحیه انتقال که اترینگایت زیادی در آن وجود دارد در دمای 450 درجه سانتیگراد مشهود است. هیدروکسیدکلسیم و کربنات کلسیم موجود در بتن نیز در دمای 550 درجه سانتیگراد تجزیه میشوند و در نتیجه تجزیه آنها اکسیدکلسیم تولید میشود در صورت رسیدن رطوبت به اکسید کلسیم تخریب بتن به دلیل انبساط آن تسریع میشود. اما مهمترین قسمت خمیر سیمان که عمده مقاومت خمیر سیمان از آن ناشی میشود، یعنی ژل C-S-H در دمای 600 درجه تجزیه میگردد. در نتیجه این واکنشها تخلخل ماتریس سیمان افزایش یافته و از دید ماکروسکوپیک خواص مکانیکی بتن شامل مقاومت و سختی کاهش مییابد .
هدف از این پژوهش بررسی رفتار ملاتهای سیمانی حاوی درصدهای مختلف نانو سیلیس پس از قرارگیری در معرض دماهای بالا میباشد. نتایج بدست آمده از این گونه پژوهشها در طراحی ایمن و تعمیر سازههای بتنی قرار گرفته در معرض دماهای بالا مفید میباشد.
.2 پیشینه تحقیق
مطالعات نشان میدهد که با افزایش درجه حرارت مخصوصا برای درجه حرارت بالای 300 درجه سانتیگراد، شاهد کاهش مقاومت فشاری، خمشی، و مدول الاستیسیته برای ماتریس سیمانی هستیم چان1 و همکارانش با افزایش درجه حرارت تا 800 درجه سانتیگراد شاهد کاهش مقاومت فشاری معنادار 60 درصد شدند.
نکته جالب تاثیر بیشتر درجه حرارت بر روی مقاومت خمشی نسبت به مقاومت فشاری است که نویل2 به آن اشاره نموده است علت آن را اینگونه میتوان انتظار داشت که گسترش ترکها در حالتی که نمونه در بارگذاری خمشی و تحت تنش کشش میباشد مخربتر از حالتی است که نمونه در حالت بارگذاری فشاری است .[6] پان و همکارانش3 برای بتن حاوی 10 درصد میکروسیلیس نشان دادندکه برای دمای 100 تا 200 درجه افزایش مقاومت در حدود %13,6 و %6,1 است. برای دماهای بالاتر یعنی 300 تا 450 درجه سانتیگراد کاهش مقاومت نسبت به بتن معمولی وجود دارد که به ترتیب %9,1 و %7,3 است .
همچنین مورسی و همکاران4 به بررسی ملات های سیمانی آمیخته حاوی نانو متاکائولن در دماهای بالا پرداختند، ملاتها با جانشینی وزنی 0، 5 ، 10، 15 درصد سیمان با نانو متاکائولن ساخته شده، سپس ملات ها به مدت 28 روز در آب نگهداری شدند، نمونهها در دمای محیط 25 - درجه سانتی گراد - در حالت مرطوب تحت آزمایش مقاومت فشاری و خمشی قرار گرفتند سایر نمونهها در اون به مدت 24 ساعت در دمای 105±5 برای حذف آب آزاد و جلوگیری از پدیده ورقه شدن انفجاری قرار داده شده، سپس در معرض دماهای 800 ,600 , 450 ,250 درجه سانتیگراد به مدت دو ساعت قرار گرفتند نتایج مقاومت فشاری و خمشی در دماهای بالا نشان داد که با افزایش دما تا 250 درجه سانتیگراد مقاومت افزایش و پس از آن با افزایش دما تا 800 درجه سانتیگراد مقاومت کاهش مییابد، ملاتهای حاوی 10 و 15 درصد نانو متاکائولن کاهش مقاومت آرامتری را تحت دماهای بالا از خود نشان دادند. آنان بیان کردند که دلیل افزایش مقاومت فشاری تا دمای 250 درجه سانتی گراد، هیدراتاسیون اضافی دانه های سیمان هیدراته نشده در نتیجه تاثیر بخار آب است که این شرایط اثر اتوکلاو داخلی نامیده میشود.
با توجه به موفقیت دوده سیلیسی با خلوص سیلیس حدود 90 درصد و سطح ویژه حدود 20 m 2 /gr به عنوان یک سوپر پوزولان در تولید ملات ماسه سیمان و از سوی دیگر در دسترس بودن مواد نانوسیلیسی با خلوص حدود 100 درصد و سطح ویژه از 60 m2 /gr تا حدود 600 m 2/gr، بررسی امکان استفاده از مواد نانوسیلیسی در ارتقای خواص مواد پایه سیمانی از زمینههای فعال تحقیقاتی در سطح جهان میباشد.
در بررسیهای متعددی که در مورد اثر نانوسیلیس بر خواص مواد پایه سیمانی اعم از خمیر سیمان، ملات و بتن انجام گردیده، نتایج متفاوت و بعضاً متناقضی ارائه شده است. در بررسی اثر نانو سیلیس بر خمیر سیمان انجام شده توسط شی و همکاران 1درصد بهینه مصرف نانو سیلیس حدود % 0,6 گزارش شده است. نانو سیلیس مصرفی در این گزارش کلوییدی با %40 سیلیس و ابعاد 20 nm بوده و در مقادیر %2، %4، %6، % 8 وزنی سیمان مورد استفاده قرار گرفته است.
بیان شده که بیشینه افزایش مقاومت در درصد بهینه مصرف نسبت به شاهد در 14 روز به میزان %60 بوده است. در سایر سنین این مقادیر کاهش یافته و در 56 روز به %43 میرسد .[9] لین و همکاران2، نانو سیلیسی پودری با ابعاد 10 nm و سطح ویژه 670 m2/gr را در مقادیر مصرف 1 ،2 و 3 درصد وزنی سیمان در خمیر به کار بردند. نتایج گزارش نشان داد که مقدار بهینه نانو سیلیس 3 درصد است و مقدار افزایش مقدار مقاومت نسبت به کنترل در 7 روز 6 درصد و در 28 روز 4,5 درصد می باشد .
جو و همکاران در مورد اثر نانو سیلیس به شکل پودر و با متوسط اندازه ذرات 40 nm و سطح ویژه 60 m2 /gr در مقادیر مصرف 3، 6 ، 10 ، %12 وزنی سیمان بیشینه افزایش مقاومت در 7 روز %12 مصرف نانو سیلیس 177% نسبت به ملات شاهد بالاتر بوده است، در حالیکه این بیشینه در دوده سیلیسی در 15 درصد رخ داده و %42 است. در 28 روز افزایش مقاومت نسبت به شاهد در مورد نانو سیلیس به%169 کاهش مییابد و در دوده سیلیسی به %48 افزایش می یابد .
در بررسی دیگری که در مورد اثر نانو سیلیس بر خواص مکانیکی ملات سیمان گزارش شده است، نانو سیلیس پودری با سطح ویژه 160 m2/gr و متوسط ابعاد 15 nm به میزان 3، 5 و 10 درصد جایگزین سیمان شد. در این بررسی مشاهده شده است که افزایش مقاومت در 10 %مصرف در سن 7 روز برابر %20 و در 28 روز %26 نسبت به ملات شاهد است. که چه از نظر درصد مصرف بهینه، مقدار افزایش مقاومت نسبت به ملات معمولی و درصد افزایش مقاومت نسبت به سنین مختلف با بررسی قبلی متفاوت است .
خانزادی و همکاران اثر نانو سیلیس با نام تجاری Cembinder8 که از نوع نانو سیلیس کلوییدی با سطح ویژه 80 m2 /gr میباشد را در درصدهای مصرف 2,5، 5، 7,5، 10 درصد مصرف در ملات سیمان مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان از افزایش مقاومت در %10 مقدار مصرف نانو سیلیس دارد .
در بررسی انجام شده توسط صدر ممتازی و همکاران اثر نانو سیلیس با متوسط اندازه ابعاد 50 nm و در حالت کلوییدی در 1 ،3، 5، 7 و %9 جایگزینی سیمان بر خواص ملات سیمان مورد مطالعه قرار گرفت. بهینه درصد مصرف نانو سیلیس %7 بوده و افزایش مقدار مصرف بالاتر از آن، در مقاومت فشاری تاثیر چندانی نداشته است.
