بخشی از مقاله
تقویت خمشی دالهای بتنی با بتنهای UHPC بدون میلگرد و مسلح
شده با صفحات کربنی CFRP
چکیده
امروزه دالهای بتنی نقش بسیار مهمی را در بخشهای مختلف نظیر سقف ساختمانها، عرشه پلها، رویه راهها و نیز به صورت پیشساخته جهت دریچههای انتقال تاسیسات برقی و آبی ایفا میکنند. ایراد وارده اساسی به این دالها که همواره محققین را در بدست آوردن راهی برای بهبود آن مصر ساخته است، هزینهی زیاد میلگرد به کار رفته در آنها، ضخامت زیاد این دالها در بارگذاریهای مختلف و در نهایت وزن بسیار زیاد آنها است. بنابراین ایده استفاده از دال بتنی که بتواند با حذف میلگرد و کاهش ضخامت بتن، عملکردی نظیر دالهای بتن آرمه ایجاد نماید، مناسب به نظر میرسید. لذا در این پژوهش از بتن فوق توانمند (UHPC) به جای بتنهای معمولی و نیز الیاف کربنی FRP به عنوان مسلح کننده استفاده گردید. دلیل استفاده از بتن فوق توانمند این بود که مقاومت فشاری این نوع از بتن به قدری است که میتوان ضخامت این دالها را تا حد زیادی کاهش دادنهایتاً. در این پژوهش 5 دال بتنی به ابعاد 380 x 190 x 31 mm ساخته شد و هر کدام به نحوی توسط ورق CFRP تسلیح شد و سپس در آزمایشگاه تحت بارگذاری چهار نقطهای قرار گرفت. نتایج آزمایشها توسط دستگاه Data Logger ثبت شد و در آن مقادیر بار و تغییر مکان کلیه دالها در هر لحظه بدست آمد. با توجه به نوع گسیختگی ایجاد شده برای کلیه دالها که همگی از نوع جدایش بتن از FRP در محل چسب بود، رابطهای بین سطح مقطع FRP و تنش برشی ایجاد شده در سطح مشترک بین بتن و FRP توسط نرم افزار MATLAB بدست آمد که توسط آن میتوان پیشبینیقریباًت دقیقی از میزان حداکثر بار قابل تحمل به ازای مقادیر مختلف سطح مقطع FRP بدست آورد. با مقایسه نتایج آزمایشگاهی و تئوری حداکثر بار قابل تحمل توسط هر دال، نمودار نسبت بار نهایی وارد شده آزمایشگاهی به بار نهایی تئوریک بر حسب سطح مقطع FRP ترسیم شد و در نهایت دال بتنی بهینه مورد آزمایش بدست آمد.
واژههای کلیدی: بتن فوق توانمند((UHPC، پلیمر تقویت شده الیافی((FRP، دال بتنی بدون میلگرد، تقویت خمشی
1
-1 مقدمه
امروزه بر اساس تکنولوژی رایج بتن، ساخت بتن های با مقاومتهای فشاری زیـاد امکـان پـذیر مـیباشـد. اگـر چـه اغلـب آییننامه های بتن هنوز مقاومت بتن مورد استفاده در سازه ها را به 60 MPa محدود می کنند، اما آیین نامهای جدید اخیراً حدی بالاتر از 105 MPa را نیز در نظر گرفتهاند. ساخت بتنهای با مقاومت زیاد و در حد 120 MPa و کاربرد آن در سـاختمانهـای بلند در کشورهای پیشرفته دنیا رواج یافته است. این مقاومت با اضافه نمودن مـواد ریز و فـعال به سیمان تا حدی افـزایش یافتـه که بتنهایی با مقاومـتهـای فشـاری بـین 30 MPa تـا 80 MPa و مقاومـتهـای کششـی بـین 15 MPa تـا 30 MPa در نمونه های آزمایشگاهی بدست آمده است. برای دستیابی به چنین مقاومت هایی لازم است تغییراتی در طرح اختلاط داده و از مواد افزودنی های جدیدی استفاده نمود. از عوامل مهم در رسیدن به چنین مقاومت هایی اسـتفاده از سـنگدانه هـای مقـاوم و کـاهش حداکثر اندازه سنگدانه در مخلوط بتنی برای همگنی بیشتر آن می باشد. همچنین با استفاده از مواد بسیار ریزدانه و با انـدازه هـای کمتر از دهم میکرون می توان مجموعه ای متراکم تر و با تخلخل بسیار کم که بالاترین وزن مخصوص را خواهد داشت، تهیه نمـود. در بتن های با مقاومت زیاد بایستی تا حد ممکن نسبت آب به سـیمان ( w/c) را کـاهش داد (امـروزه حتـی نسـبت w/c = 0/18 استفاده شده است) که در این حالت بعضی دانه های سیمان هیدراته نشده به صورت مواد ریزدانه پرکننده، دانسیته را افزایش داده در نتیجه سبب افزایش مقاومت می شوند. بدیهی است برای تأمین کارایی چنین مخلـوط هـایی بـا آب بسـیار کـم لازم اسـت از روانکنندهها، فوقروانکنندهها و پخش کننده ذرات ریز در بتن استفاده نمود.[6]
در این پژوهش هدف بدست آوردن مشخصات ابعادی و مصالح سازنده یک دال بتنی بدون میلگـرد جهـت مقـاوم سـازی میباشد. برای انتخاب دال بهینه به معرفی مشخصاتی از قبیل نوع دال جهت مدل سازی، بتن سازهای با دانهبنـدی مشـخص و در نهایت انتخاب مدل نهایی میباشد. بنابراین ایده استفاده از بتن UHPC1 بوجود آمدمعمولاً. مقاومت کششی بتنهـای UHPC، کم و شکست آنها تحت بارهای فشاری بسیار ترد میباشد. یک راه حل اساسی برای بهبود خصوصیات بتن، مسـلح کـردن آن بـا
استفاده از ورقهای FRP است. استفاده از ورقهای FRP نه تنها باعث بهبود مقاومت کششی میشود، بلکه باعث بهبود شکلپذیری و افزایش مقاومت خمشی نیز میگردد. بنابراین در پژوهش حاضر پس از مشخص شدن ابعاد و ضخامت دال، از ورق CFRP2 بـه صورت نوارهایی در زیر دال جهت تسلیح استفاده خواهد شد.
-1-1 بتن فوق توانمند UHPC
بتن فوق توانمند دسته جدیدی از بتن است که در سالهای اخیر، با رشد تکنیکهای تولید مواد سیمانی ریز توسعه یافته است. در مقایسه با سایر مصالح با پایه سیمانی معمولی، مشخصات ساختاری بتن فوق توانمند مانند یکنواختی اندازه ذرات، تخلخل و ساختارهای میکروسکوپی، بهبود یافته است. همچنین این نوع بتن به دلیل تخلخل و مویینگی کم، دارای دوام بسیار بالایی است. با توجه به مقاومت فشاری بسیار بالای این بتن و ویژگیهای دیگر آن چون جمع شدگی کم، این ماده میتواند مصالح خوبی جهت استفاده در اعضای پیش ساخته باشد. ابعاد، توزیع دانهبندی، شکل هندسی و خصوصیات ظاهری ذرات تشکیل دهنده UHPC از اهمیت بسیار زیادی برخوردار میباشد. ساختار UHPC به دلیل حجم زیاد مصالح سیمانی و نسبت آب به مصالح سیمانی پایین، بسیار متراکمتر از بتن معمولی بوده و برای اختلاط آن نیاز به انرژی و مدت زمان بیشتری است.[6]
مشخصات مصالح و طرح اختلاط ساخت بتن UHPC مورد استفاده در آزمایشها در جدول 1 نمایش داده شده است. به منظور تقویت جنبه کاربردی این پژوهش، از مصالح موجود در کشور استفاده شده است. سیمان مصرفی از نوع پرتلند تیپ I/525 تولید کارخانه سیمان تهران میباشد. همچنین از دو نوع میکروسیلیس محصول کارخانجات فروسیلیس سمنان و ازنا استفاده شد. در ساخت نمونههای آزمایشگاهی از فوق روان کننده با پایه پلی کربوکسیلات SPC10 که ساخت شرکت همگرایان تولید (CAPCO) میباشد استفاده شده است. سنگدانه مورد مصرف از نوع ریزدانه و جنس کوارتز (کارخانه جاده قوچان) با حداکثر ابعاد ذرات 4/75mm میباشد. مطالعات نشان میدهد که در بتن با مقاومت بسیار زیادمعمولاً از سنگدانه کوارتز استفاده میشود که دلیل آن سازگاری با خمیر سیمان میباشد.
1-2 الیاف کربنی FRP
استفاده از سیستمهای FRP برای بهسازی و تقویت سازههای بتنی از اواسط دهه 80 میلادی در اروپا و ژاپن آغـاز شـد. تکنولوژی استفاده از ورقهای FRP اولین بار در سال 1984 در سوئیس مورد استفاده قـرار گرفـت کـه در آن ورقهـای CFRP جهت مقاومسازی تیرهای بتنی آزمایش شد. بزرگترین مزیت ورقهای FRP داشتن نسبت مقاومت به وزن بالای آنها مـیباشـد. ورقهای FRP به طور معمول حداقل دو برابر و حتی میتوانند ده برابر مقاومت ورقهای فولادی را داشته باشند در صـورتی کـه وزن آنها تنها %20 وزن ورقهای فولادی میباشد. پلیمرهای مسلح، از الیاف بسیار نازکی تشکیل شدهاند که توسط مـاده زمینـه1 محصور میشوند. الیاف دارای جنسهای متفاوت بوده و به صورت قطعات کوتاه، رشتههای دراز و پارچههای بافته تولید مـیشـود. ضمینه در FRPها نقش محافظت از الیاف و انتقال تنش بین آنها را ایفا میکند و الیاف نقش باربری دارد.
-3-1 انتخاب FRP مناسب جهت مقاومسازی
به طور کلی، جهت قرارگیری الیاف در یک یا چند راستا از صفر، 90، 45 و 135 درجه میباشـد. بـه همـین ترتیـب نـوع بافتها نیز میتواند متغیر و به صورت تک جهتی 0) درجه)، دو جهتی (0/90) و (45/90)، سه جهتی (0/45/90) و چهـار جهتـی (0/45/90/135) باشد. با توجه به نمودار تنش-کرنش الیاف FRP، بهترین روش بافت برای رسیدن بـه بیشـترین ظرفیـت الیـاف مسلح کننده بافت تک جهته2 (کلیه الیاف در جهت اعمال نیرو یعنی حالت صفر درجه) میباشد.
-2 تشریح برنامه آزمایشگاهی
کارایی و مقاومت دو مشخصه مهم بتنهای فوق توانمند به شمار میروند . از آنجایی که روش تولید و عمـلآوری بـتن تـا حدی کاربرد آن را محدود میکند، هدف از انجام این پژوهش دستیابی به بتنی با کارایی مناسب و مقاومت بسیار بالا، بـا اسـتفاده از مصالح موجود در کشور و با روش مشابه با بتن معمولی میباشد. به این منظور با ایجاد تغییر در طرح مخلـوطهـای اولیـه چنـد طرح جدید انتخاب و از هر کدام نمونههای متعدد ساخته شد و در نهایت یک طرح که حداکثر مقاومت و کارایی را دارا مـیباشـد، برای تولید بتن دال مورد آزمایش انتخاب خواهد شد. مبنای پذیرش مخلوطهای آزمایشی مقاومت فشاری 7 روزه میباشد.[6]
-1-2 طراحی بتن با مقاومت بالا
به عنوان طرح اولیه از دو UHPC با نامهای PRC و DSP(Densit) کمک گرفته شد(جدول .(2 با توجه به طرح مخلوطهای اولیه تعداد 10 گروه طرح اختلاط مورد آزمایش قرار گرفت. در هر گروه با ثابت نگه داشتن مصالح خشک تشکیل دهنده (سیمان، میکروسیلیس و سنگدانه) مخلوطهای متعدد با نسبتهای W/(C+S.F) و S.P/(C+S.F) متغیر ساخته شد. در مجموع 10 طرح اختلاط مجزا بر اساس 10 مخلوط آزمایشی (Mix-A1…10) با استفاده از میکسر ساخته و آزمایش مقاومت فشاری روی نمونههای مکعبی با ابعاد 5 x 5 x 5 cm انجام گرفتنهایتاً. مخلوط آزمایشی Mix-A6 که نسبت به دیگر مخلوطهای آزمایشی دارای کارایی و مقاومت بیشتری بوده و تا حدودی شبیه به Densit است به عنوان طرح اختلاط برتر انتخاب گردید. در این مرحله نیز بر اساس طرح اصلی چند طرح اختلاط با مقادیر مختلف آب و فوق روان کننده ساخته شد. در نهایت Mix-A6-6 که دارای بیشترین مقاومت فشاری و کارایی بسیار خوب میباشد به عنوان طرح نهایی جهت ساخت دال مورد آزمایش خمش چهار نقطهای برگزیده شد. این مخلوط با مقادیر مختلف آب و انواع فوق روان کننده مورد آزمایش قرار گرفته و نتایج تعدادی از آنها در جدول 3 خلاصه شده است. در روابط بالا W بیانگر آب، C سیمان مصرفی، S.F میکروسیلیس و S.P فوق روان کننده است.[6]
2-2 رفتار تنش – کرنش Mix-A6-6
در بتنهای فوق توانمند به دلیل اتصـال قـوی بـین سـنگدانههـای کـوارتز و مـاتریس سـیمانی، ریزتـرکهـای Micro) (Cracks کمتری نسبت به بتن معمولی در ازای کرنش برابر تشکیل میشود. شاخه صعودی و نزولی منحنی تنش-کـرنش بـرای این مصالح دارای شیب بیشتری نسبت به بتنهای با مقاومت پایینتر است و کرنش نظیر تنش حداکثر با افزایش مقاومت فشاری، افزایش پیدا میکند.[6]
-3-2 تعیین ابعاد دال
بتنهای فوق توانمند به دلیل مقاومت فشاری بسیار بالایی که دارند، انعطافپذیریشان کمتر بوده و همین امر سبب گشته تا رفتار این نوع از بتنهااز حالت کاملاً غیر خطی خارج شده و رفتاری تقریباً خطی پیدا کنند. همانطور که بیان شد برای بهبـود خاصیت کششی بتنهای فوق توانمند و نیز افزایش شکلپذیری آن، این بتنها بایستی تحت اصلاح قرار گیرند که ایـن اصـلاحات توسط دانشمندان اعمال گردید که به شرح زیر میباشد:
-1 افزایش ضخامت دال تا حدی که خیز معقول و مجاز رخ دهد.
-2 دالهای مورد استفاده بایستی دارای وزن کم و با تسلیح کم طراحی شوند؛ چرا که دال اقتصادیتر، مقاطع کوچکتر و شکست نرمتر خواهد شد. امروزه سبکی، پیشساختگی و هزینه نصب آسان بسیار مهم بوده و این امر باعث شده که دال با تکیهگاهی ساده طراحی شده و ابعادش به گونهای مناسب جهت حمل به محل نصب باشد.
پس با توجه به آنچه تا بدین جا بیان شد، دال بتنی مورد نظر، یک طرفه، با ضخامت کم، تسلیح بهینـه بـا مـواد سـبک، ابعاد کوچک و قابل حمل و نقل میباشد. بهترین دال بدست آمده از نتایج آزمایشـگاهی بـا ضـخامت 31 mm، نسـبت طـول بـه عرض ( 380 x 190) 2 و مسلح شده با ورق CFRP بدست آمد که بر روی تکیهگاه ساده قرار گرفته است.
-4-2 تعریف مشخصات ماده مسلح کننده
ماده مسلح کننده در این پژوهش همان ورقهای CFRP میباشد که به صورت الیاف تک جهته بوده و سـاخت کارخانـه کوانتوم انگلستان است. این ورقهای FRP رفتاریکاملاً خطی و الاستیک داشته و تا نقطه گسیختگی بدون نقطه تسلیم میباشند. همچنین از رزین اپوکسی مخصوص ورقهای CFRP برای چسباندن آنها به دال بتنی استفاده خواهد شد. چسب مورد استفاده جهت نصب ورق CFRP از دو بخش رزین اپوکسی1 و سخت کننده2 تشکیل شده است که بایستی در موقع اسـتفاده، ایـن دو بـا نسبت 3 به 1 با یکدیگر مخلوط شده و پس از بدست آمدن چسبی یک دست، مورد استفاده قرار گیرنـد. در جـدول 4 مشخصـات فنی ورق CFRP و رزین اپوکسی مورد استفاده در این پژوهش ارائه شده است.
ساخت دال بتنی و عملآوری1
برای ساخت دالهای بتنی از همان طرح اختلاط Mix-A6-6 کـه دارای بیشـترین مقاومـت فشـاری 7 روزه بـود مـورد استفاده قرار گرفت. مراحل کار بدین صورت انجام گرفت که پس از ساختن بتن توسط میکسر، بـتن آمـاده طـی دو مرحلـه درون قالبهای چوبی از پیش آماده شده ریخته شد و در هر مرحله، قالبها روی میز لرزه قرار گرفت و به مدت 30 ثانیه لرزانده شد. در مجموع 5 دال بتنی با ابعاد یکسان (380 x 190 x 31 mm ) ساخته شد و به مـدت 28 روز در دمـای 25 ºC در حوضـچه آب آزمایشگاه بتن دانشکده عمران و نقشه برداری دانشگاه خواجه نصیر الدین طوسی قرار داده شد تا عملآوری به نحو صحیح انجـام گیرد.
-6-2 مسلح کردن دالها توسط ورق CFRP
پس از عملآوری، نمونهها از حوضچه در آورده شده و پس از خشک شدن، آماده مسلح کردن با ورق CFRP میگردنـد. در این مرحله بایستی سطحی از بتن که قرار است مسلح گردد، توسط دستگاه ساب یکنواخت گشته و کلیه نـاهمواریهـای آن از بین برود. همچنین توسط دستگاه ساب میتوان کل ضخامت دال بتنی را در صورتی که دارای ضـخامتهـای نـابرابر باشـند، هـم ضخامت نمود.
در این پژوهش، هر کدام از دالهای بتنی با تعداد لایههای متفاوت و مطابق با جدول 5 توسط ورقهـای CFRP مسـلح گردیدند.
-3 مراحل انجام آزمایش خمش چهارنقطهای
-1-3 معرفی تجهیزات مورد استفاده در آزمایش خمش چهارنقطهای
وسایل و تجهیزات مورد استفاده جهت انجام آزمایش خمش چهارنقطهای عبارتند از:
Data Logger -1 یا دادهنگار جهت ثبت مقادیر بار، میزان تغییر مکان و کرنش فشاری و کششی -2 دستگاه جک هیدرولیک متصل به Data Logger جهت اعمال بار
-3 دستگاه LVDT جهت ثبت تغیرمکانهای قائم دال
-4 سیستم مانیتورینگ جهت مشاهده همزمان بار اعمالی و تغیرمکانها
قبل از آغاز آزمایشها، دستگاه LVDT و هر کدام از کرنشسنجهای کششی و فشاری توسط کابل اتصال مخصوصی بـه دستگاه Data Logger متصل گشته و سپس مجموعه سیستم، جهت اعمال بار، داخل دستگاه جک هیدرولیکی قرار مـیگیـرد. سپس دستگاه LVDT جهت ثبت حداکثر تغیر مکان در مرکز دال قرار داده میشود. (شکل (2
