بخشی از مقاله
خلاصه
مسلح کردن بتن به الیاف میتواند باعث بهبود عملکرد کلی بتن به خصوص کاهش شکنندگی و مقاومت در برابر ترکها شود. اکثر بتنهای الیافی دارای یک نوع الیاف بوده که میتوانند تا حد خاصی از نقایص بتن را جبران کنند. استفاده همزمان از 2 یا چند نوع الیاف در بتن منجر به بهبود سطح گستردهتری از خصوصیات بتن میشود. ترکیب صحیح الیاف در یک مخلوط منجر به برهمکنش مثبت الیاف شده که در نتیجه آن میتوان ترکیبی با عملکردی بهتر از نمونههای حاوی یک نوع الیاف را ساخت.
به این پدیده هم افزایی - synergy - میگویند. به این معنی که یک نوع از الیاف باعث بهبود عملکرد بتن در برخی از خصوصیات و جلوگیری از ایجاد ترکها با ابعاد خاص و در زمان خاص بوده و الیاف نوع دیگر همین وظیفه را در سطح دیگری انجام میدهند. در این مقاله با انجام آزمایشهای مقاومت فشاری، کششی و خمشی سعی بر انتخاب درصد بهینه الیاف و بررسی میزان افزایش مقاومت نمونههای بتن الیافی با توجه به نتایج آزمایشگاهی شده است.
.1 مقدمه
بتن مادهای شکننده با ظرفیت کرنشی پایین است. مسلح کردن بتن به الیاف کوتاه که به صورت نامنظم در بتن پخش شده اند میتواند باعث بهبود عملکرد کلی بتن به خصوص کاهش شکنندگی، افزایش مقاومت کششی، مقاومت در برابر ترک ها و افزایش چقرمگی شود. واژه - FRC - Fiber Reinforced Concrete یا معادل فارسی آن بتن الیافی، طبق تعریف انجمن بتن آمریکا فرآوردهای است سیمانی که از ماسه یا شن و ماسه به همراه الیاف مجزای کوچک تشکیل شده است.
الیاف مورد استفاده در بتن میتوانند باعث کاهش و جلوگیری از رشد ترکها در 2 سطح ماکرو و میکرو شوند. در سطح میکرو ترکها، الیاف باعث جلوگیری از شروع و رشد ترک شده که این وظیفه بر عهده الیاف نازک میباشد. بعد از ترکیب میکرو ترکها و تبدیل آن به ماکرو ترک، الیاف ضخیم باعث جلوگیری از انتشار بیشتر ترکها و ایجاد ارتباط و پلی بین 2 قسمت ترک میشوند. اکثر بتن های الیافی دارای یک نوع الیاف میباشند. اما، بتنی که حداقل حاوی دو نوع مختلف از الیاف باشد را بتن با الیاف ترکیبی مینامند.
استفاده همزمان از 2 یا چند نوع از الیاف در بتن می تواند باعث بهبود سطح گسترده تری از خصوصیات بتن شود. در این پژوهش از ترکیب الیاف فولادی و پلیپروپیلن با درصدهای مختلف برای ساخت بتن با الیاف ترکیبی استفاده شد که در مجموع 108 نمونه ساخته و مورد آزمایش قرار گرفتند. با ترکیب 0، ٪0/2 و ٪0/4 از الیاف پلیپروپیلن با 0، ٪0/5، ٪0/75 و ٪1 از الیاف فولادی، 12 نمونه بتنی مختلف ساخته شد و آزمایشهای مقاومت فشاری، کششی و خمشی بر روی آنها انجام شد. برای بالا بردن دقت آزمایشها از هر ترکیب 3 نمونه یکسان ساخته شده و میانگین مقاومت آنها به عنوان مقاومت نمونه گزارش میگردد.
استفاده همزمان از چند نوع الیاف در بتن برای اولین بار توسط Walton و [1] Majumdar صورت گرفت. آنها دریافتند که با ترکیب الیاف ارگانیک - پلیپروپیلن و نایلون - و غیر ارگانیک - شیشه و کربن - میتوان به بتنی با خصوصیات مکانیکی بهتر نسبت به بتنهای الیافی ساخته شده با استفاده از یک نوع الیاف دست یافت. بعد از آن، تحقیقات گستردهای بر روی بتن با الیاف ترکیبی صورت پذیرفت که در اکثر آنها الیاف فولادی، پلیپروپیلن و کربن مورد استفاده قرار گرفتند. Mobasher و همکاران [2] نشان دادندکه حضور یک نوع از الیاف به صورت موثر باعث به وجود آمدن شرایط برای استفاده بهینه از الیاف دیگر میشود.
اضافه کردن الیاف فولادی باعث کمک به مکانیزم جذب انرژی میشود در حالی که الیاف غیر فولادی نقش مهمی را در تاخیر ایجاد میکرو ترکها بازی میکنند. Banthia و [3] Gupta نیز با استفاده از 6 نوع مختلف الیاف و آزمایش بر روی 17 ترکیب متفاوت، نتایج قابل توجهی در حوزه بتن با الیاف ترکیبی بدست آوردند. طبق نتایج آنها در صورت ترکیب صحیح الیاف، میتوان شاهد برهمکنش مثبت الیاف و پدیده هم افزایی بود. ترکیب الیاف کاربردهای ویژهای در بتنهای خاص نیز داشته است. بتنهای فوقتوانمند رفتار شکنندهای دارند و به همین دلیل کاربرد الیاف برای رفع این نقصیه بسیار موثر میباشد. حجم قابل توجهی از الیاف کوتاه فولادی - ٪ - 4-6 برای این کار مورد نیاز است که هزینه ساخت این بتن ها را بالا میبرد.
Kim و همکاران [4] پیشنهاد دادند که برای کاهش میزان الیاف میتوان از ترکیب کردن الیاف با کاهش میزان آنها استفاده کرد. Vibhuti و همکاران [5] از دو نوع الیاف فولادی و پلیپروپلین برای ساخت نمونههای بتنی استفاده کردند. آنها مشاهده کردند که مقاومت کششی بتن در حالت استفاده از الیاف ترکیبی پس از 28 روز عملآوری نسبت به بتن معمولی ٪52/78 افزایش یافت در حالی که این افزایش مقاومت برای بتنهای حاوی الیاف فولادی و پلیپروپیلن به ترتیب ٪46 و ٪9 بود. همچنین مقاومت خمشی نمونه حاوی الیاف پلیپروپیلن ٪9/43، حاوی الیاف فولادی ٪17/93 و حاوی الیاف ترکیبی ٪25/34 نسبت به نمونههای فاقد الیاف افزایش یافت.
.3 مشخصات الیاف، طرح اختلاط و نامگذاری نمونهها
الیاف پلیپروپیلن مصرفی در پژوهش حاضر از نوع الیاف پیوسته میباشد. باید توجه شود که الیاف پلیپروپیلن به آهستگی به مخلوط بتن اضافه شوند تا از جمعشدگی حجم زیادی از آنها در یک نقطه جلوگیری شده و به صورت یکنواخت با ملات بتن ترکیب شوند. مشخصات فیزیکی این الیاف در جدول 1 آورده شده است. الیاف فولادی مورد استفاده از نوع الیاف دو انتها قلابدار و با نسبت ظاهری - حاصل تقسیم طول بر قطر الیاف - 62/5 میباشد که مشخصات فیزیکی آنها در جدول 2 ارائه شده است. این الیاف کمک زیادی در بهبود خصوصیات مکانیکی بتن دارند اما قیمت بالای آنها از جمله موانع اصلی برای کاربرد گسترده آنها در صنعت ساختمانی میباشد.
- 62/5 نسبت ظاهری
یکی از مهمترین بخشهای آمادهسازی آزمایشها، انتخاب طرح اختلاط مناسب میباشد. طرح اختلاطی که دارای ویژگیهای مورد نظر برای آزمایشها بوده و در تمام آزمایشها به صورت یکسان به کار برده شود. طرح اختلاط مورد استفاده در این پژوهش در جدول 3 ارائه شده است. در نامگذاری نمونهها P نماد الیاف پلیپروپیلن، S نماد الیاف فولادی و عدد ذکر شده بعد از این حروف درصد الیاف مورد استفاده در ترکیب میباشد. به عنوان مثال ترکیب P0.4S0.5 شامل ٪0/4 الیاف پلیپروپیلن و ٪0/5 الیاف فولادی میباشد.
.4 کارهای آزمایشگاهی
بدست آوردن نتایج با دقت مناسب و خطای پایین، یکی از مهمترین مراحل هر پژوهش به خصوص در پژوهشهای آزمایشگاهی میباشد. اگر چه وقوع خطا در هر مرحله از یک پژوهش آزمایشگاهی اجتنابناپذیر است، اما باید با شناخت عوامل تعیینکنندهی خطا و اعمال تمهیدهای لازم به منظور حذف آنها، سطح خطا را به حداقل ممکن کاهش داد. در این پژوهش سعی بر آن بود تا خطای عواملی مانند تفاوت در نوع مصالح مصرفی، نحوهی اختلاط مصالح، درجه حرارت هوا، رطوبت مصالح، ابعاد نهایی نمونهها، عملآوری نمونهها، سرعت بارگذاری، دقت مجموعهی دستگاه آزمایش و ثبت دادهها و عواملی از این قبیل، به حداقل کاهش یابد.
1-4 آزمایش مقاومت فشاری
آزمایشهای مقاومت فشاری انجام شده در این پژوهش با استفاده از آئیننامه [6] BS EN 12390-3:2009 انجام شد که آئیننامه اروپا برای آزمایش مقاومت فشاری نمونه سخت شده بتن میباشد. به منظور انجام آزمایش مقاومت فشاری، از نمونههای مکعبی با ابعاد 15* 15*15 cm استفاده شده است. پس از ساخت و عملآوری نمونهها در حوضچههای آب به مدت 28 روز، نمونهها از حوضچهها خارج شده و 3-2 ساعت خارج از حوضچه باقی ماندند تا به خوبی خشک شوند سپس نمونهها به کمک یک جک 200 تنی آزمایش شدند.
2-4 آزمایش مقاومت کششی
این آزمایش طبق آئیننامه [7] ASTM C496 یا همان آزمایش کشش برزیلی انجام شده است. در این پژوهش طبق ملزومات آئیننامه از نمونههای استونهای با قطر 15 cm و طول 30 cm استفاده شده است. نمونهها به مدت 28 روز درون حوضچههای آب عملآوری شده و به مدت 3-2 ساعت خارج از حوضچه نگه داشته میشوند تا کاملا خشک شوند. نمونهها ابتدا باید درون محفظه نگهدارنده قرار گیرند. سپس صفحه باربر اضافی به نحوی در بالای نمونه قرار میگیرد که تمام سطح نمونه را پوشش دهد.
