بخشی از مقاله
چکیده
امروزه مزایای استفاده از الیاف کوتاه به عنوان تقویتکننده، جهت غلبه بر رفتار شکننده بتن به خوبی آشکار شده است. واکنش میان لیف و ماتریس پایه سیمانی در تعیین خصوصیات مکانیکی کامپوزیت تأثیر بسزایی دارد. یکی از جدیدترین و در عین حال کارامدترین انواع بتن، کامپوزیت سیمانی مهندسیشده - ECC - میباشد. این ماده یک نوع بتن ریزدانه با مقاومت کششی و شکلپذیری بالا است که قابلیت ایجاد تعداد زیادی ریزترک را تحت بار اعمالی دارد. با توجه به این ویژگیهای منحصر به فرد، ECC مادهای مناسب جهت کاربردهای تعمیراتی، لرزهای و انفجاری به حساب میآید. انتخاب الیاف مناسب به عنوان تقویتکننده، جهت دستیابی به خواص عالی و در عین حال قیمت مناسب، بسیار با اهمیت است. الیاف کربن، الیافی با مدول و استحکام بالا هستند ولی ازدیادطول اندکی دارند و استفاده از آنها به افزایش قیمت کامپوزیت منجر میشود.
از سوی دیگر الیاف پلیپروپیلن، الیافی با مدول و استحکام پایینتر هستند که از ازدیادطول بالایی برخوردار می باشند. ضمن اینکه استفاده از آنها هزینهی کمتری در پی خواهد داشت. به همین دلیل در این مقاله تأثیر استفاده از هیبرید الیاف پلیپروپیلن و کربن بر خواص خمشی این بتن ریزدانه مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور نمونههایی با ابعاد 230 100 9 میلیمتر حاوی %2 حجمی الیاف کوتاه پلیپروپیلن و کربن به ترتیب به طولهای 6 و 8 میلی متر و با نسبتهای 100/0، 75/25، 50/50، 25/75 و 0/100 ساخته شده و تحت آزمون خمش چهارنقطهای قرار گرفتند. با توجه به نتایج به دست آمده از استحکام و چقرمگی خمشی نمونهها، مشاهده شد که مقادیر بالای کربن منجر به تولید کامپوزیت با استحکام بالا و مقادیر بالای پلیپروپیلن منجر به تولید کامپوزیت با شکل پذیری زیاد می شود.
واژههای کلیدی:کامپوزیت سیمانی مهندسی شده؛ بتن ریزدانه؛ رفتار خمشی؛ الیاف کربن؛ الیاف پلی پروپیلن؛ سختشوندگی کرنشی
-1 مقدمه
مواد سیمانی تحت نیروهای کششی و خمشی، ترد و شکننده هستند. جهت غلبه بر این نقطه ضعف، طیف گستردهای از منسوجات اعم از الیاف، نخ و پارچه به عنوان تقویتکننده مورد استفاده قرار گرفتهاند .1[-3] عموماً افزودن الیاف به ماتریس پایه سیمانی موجب بهبود مقاومت خمشی، ظرفیت جذب انرژی، شکلپذیری و چقرمگی ماتریس میگردد 4]و .[5تاکنون تأثیر استفاده از انواع الیاف، از جمله الیاف فولادی [1]، الیاف شیشه [6]، الیاف کربن [7]، الیاف مصنوعی 2] و [8، الیاف طبیعی و در سالهای اخیر مخلوط الیاف، مورد بررسی قرار گرفته است. با پیشرفت علم، از مقادیر زیاد الیاف جهت بهبود مقاومت خمشی بتن استفاده شد و سپس الیاف ممتد و سایر منسوجات برای بهبود خاصیت شکلپذیری کششی به کار گرفته شدند .[1]
در سالهای اخیر، نوع جدیدی از بتنهای تقویتشده با الیاف تحت عنوان کامپوزیت سیمانی مهندسیشده - ECC1 - ارائه شده است که فاقد درشتدانه بوده و حاوی حداکثر %2 حجمی الیاف کوتاه میباشد و مقاومت کششی مناسب و شکلپذیری بالایی نشان میدهد. در این ماده در زمان اعمال نیرو تعداد زیادی ریزترک ایجاد میگردد و از خود رفتار سختشوندگی کرنشی نشان میدهد 9]و.[10الیاف کربن، الیافی با استحکام و مدول بالا هستند و در محیطهای قلیایی مقاوم میباشند [11]، به همین دلیل در برخی موارد به عنوان تقویتکننده در خمیر و ملات سیمانی به کار برده شدهاند.استحکام کششی و خمشی بتن تقویتشده با الیاف کربن، با افزایش درصد حجمی الیاف افزایش مییابد .[12] به عنوان مثال، افزودن 1، 2 و 3 درصد حجمی الیاف کربن به ماتریس خمیر سیمانی، استحکام کششی را به ترتیب 32، 48 و 56 درصد افزایش داده است.
مقدار افزایش در استحکام خمشی بسیار چشمگیرتر بوده و به ترتیب 72، 95 و 138 درصد ذکر شده است .[13]به طور کلی، کامپوزیتهای سیمانی تقویتشده با الیاف کوتاه کربنی، خصوصیات کششی و خمشی خوب، جمعشدگی خشک کم، گرمای ویژهی بالا، هدایت حرارتی پایین، هدایت الکتریکی بالا و مقاومت زیاد در برابر سایش نشان میدهند .[14] با این وجود، به کارگیری این الیاف، به افزایش در قیمت تمامشدهی کامپوزیت نیز منجر میشود.اگرچه تا بهحال تحقیقات گستردهای پیرامون ECC صورت گرفته و تأثیر استفاده از انواع الیاف طبیعی و مصنوعی بر خصوصیات مکانیکی این ماده بررسی شده است، اما تاکنون گزارشی مبنی بر کاربرد الیاف کربن در این ماده مشاهده نشده است.در این مقاله، تأثیر استفاده از الیاف کربن و پلی پروپیلن به تنهایی، و هیبرید آنها، بر رفتار خمشی یک نوع بتن ریزدانه با طرح اختلاط ECC مورد مطالعه قرار گرفته است.
-2 بخش تجربی
-1-2 مواد و روشها
در این مطالعه از سیمان پرتلند، نوع 1، تولید شده توسط شرکت سیمان تهران و نیز ماسه سیلیسی با بیشینه اندازه ذرهی 210 میکرومتر استفاده شد.طرح اختلاط مورد استفاده در ساخت نمونهها بر اساس طرح اختلاط یک نوع ECC تجاری - ECC-M45 - انتخاب گردید که در جدول - - 1 ارائه شده است.به منظور تقویتکردن ماده، %2 حجمی الیاف کوتاه پلیپروپیلن و کربن به ترتیب به طولهای 6 و 8 میلی متر و همچنین هیبرید آنها، به کار برده شد. جدول - - 2 خصوصیات این الیاف را نشان میدهد.
-2- 2 آمادهسازی نمونهها
نمونههای خمشی به ابعاد 230*100*9 میلیمتر ساخته شدند. برای اطمینان از تکرارپذیری نمونهها، از هر نمونه، 5 آزمونه تهیه گردید.هیبرید الیاف کربن و پلی پروپیلن با نسبتهای 100/0، 75/25 ، 50/50، 25/75 و 0/100 و به میزان %2 حجمی مورد استفاده قرار گرفتند. یک نمونهی شاهد - بدون الیاف - نیز جهت بررسی تأثیر حضور الیاف ساخته شد.نمونهها به مدت 28 روز در حمام آب عملآوری شده و سپس تحت آزمون خمش 4 نقطهای قرار گرفتند.
-3-2 آزمون خمش 4 نقطهای
آزمون خمشی مطابق با استاندارد بر روی همهی نمونهها انجام شد .[15] برای این منظور از دستگاه یونیورسال تولیدی توسط شرکت سنتام، مدل STM-150، لودسل 2000 Kg.f و فک خمش 4 نقطهای استفاده شد. آزمون با نرخ ثابت 1 mm/min انجام پذیرفت. نحوهی انجام آزمون در شکل - - 1 نشان داده شده است.
