مقاله خواص مکانیکی بتن پلاستیک حاوی کائولینیت ، متاکائولن و الیاف پلی پروپیلن

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

خواص مکانیکی بتن پلاستیک حاوی کائولینیت، متاکائولن و الیاف پلی پروپیلن

چکیده

خاک طبیعی موجود در محل پروژه ها، همواره برای استفاده مناسب نمی باشد و ممکن است در اثر اعمال بار نشست های قابل توجهی در خاک نا مرغوب بوجود آید. تقویت خاکهای ضعیف و نامناسب جهت بکارگیری در شیروانیها، پی ها، بستر جاده ها، سدها و ... برای ایجاد پیکربندی خاکی با ویژگیهای دلخواه، امری ضروری است. پدیده استفاده از الیاف، جهت ارتقای خصوصیات رفتاری مواد گوناگون، یک ایده قدیمی می باشد.فامکان ساخت و استفاده از بتن های شکل پذیر در اعضای سازه ای همواره مورد توجه محققین بوده است. از طرفی استفاده از بتن پلاستیک به عنوان ماده پرکننده و شکل پذیر در صنعت ساخت امری رایج است. این بتن از آن جهت پلاستیک نامگذاری شده است که دارای قابلیت تغییر شکل زیاد و پلاستیسیته بالایی است. از الزامات اصلی بتن های پلاستیک مدول ارتجاعی پایین، تغییر شکل زیاد و نفوذپذیری کم می باشد. همچنین لازم است بتن پلاستیک دارای مقاومت کافی جهت تحمل بارهای وارده باشد. مشکل اصلی در استفاده از بتن پلاستیک مقاومت فشاری پایین آن می باشد. از اهداف اصلی در این مطالعه ، بررسی عملکرد کائولینیت و متاکائولن به عنوان جایگزین بنتونیت و تاثیر الیاف پلی پروپیلن در بتن پلاستیک بوده است. از طرفی بررسی منابع فنی نشانگر این است که کاربرد دوده سیلیسی و متاکائولن در بتنهای معمولی تاثیر عمده ای در افزایش مقاومت فشاری بتن دارد. با توجه به اینکه این نوع بتن می تواند تغییر شکل های بیشتری نسبت به بتن معمولی تحمل کند استفاده از این نوع بتن در سازه می تواند باعث کاهش خسارت در هنگام زلزله گردد. در این مطالعه سعی بر این شده تا تاثیر مقادیر 30,5 ، 35,1 ، 38,12 و 41,17 کیلوگرم بر متر مکعب کائولینیت و متاکائولن و درصدهای حجمی 0,1 ، 0,15 ، 0,2 و 0,25 الیاف پلی پروپیلن بر روی بتن پلاستیک مورد بررسی قرار گیرد. بررسی نتایج آزمایش ها نشان می دهد که 38,12 کیلوگرم بر متر مکعب متاکائون و کائولینیت مقدار بهینه بوده ومقاومت فشاری و کششی را بهبود می بخشد و با اضافه نمودن الیاف پلی پروپیلن مقاومت کششی بهبود یافته و مقاومت فشاری افت خواهد کرد.

کلمات کلیدی: بتن پلاستیک، کائولینیت، متاکائولن، الیاف پلی پروپیلن، خصوصیات فیزیکی و مکانیکی

1

1. مقدمه

جلوگیری از فرسایش ذرات ریز پیمخصوصاً در ناحیه زیر پنجه سد در نتیجه برای کنترل تراوش از پی سد روشهایی برای کاهش آب از پی با تلفیق روشهای هدایت و زهکشی آب به کار می روند. روشهای کاهش تراوش شامل پرده تزریق، دیوارهای جدا کننده بتونی، دیوارهای جداکننده خاکی، پوشش بالادست، سپر کوبی، زهکش های عمودی و چاه های زهکشی است.

دیوارهای آب بند دارای خصوصیات انعطاف پذیری بالا، نفوذپذیری کم و مقاومت فشاری متناسب با فشار اعمالی بوده و از اینرو در مناطقی که پی سست، ضعیف و نفوذپذیری بالایی دارند بکار میروند. مراحل ساخت دیوارهای آب بند شامل احداث دیوار رآهنما و سکوی کار، حفاری ترانشه، اضافه کردن گل حفاری 1جهت پایداری دیواره ها و در نهایت پرکردن آن با مصالح مناسب میباشد. این مصالح پر کننده میتواند سنگدانه های مخلوط شده با گل بنتونیت، مخلوط سیمان و بنتونیت به صورت گل روان و یا بتن پلاستیک2 باشد .[1]

2. معرفی بتن پلاستیک

بتن پلاستیک بتنی است که از ترکیب آب، سیمان و بنتونیت، شن و ماسه و گاهی خاک رس بدست می آید، علاوه بر این مصالح ممکن است از برخی مواد مضاف نیز جهت اصلاح خصوصیات آن استفاده شود. عاملی که باعث بروز خصوصیات متفاوت از بتن معمول در بتن پلاستیک می شود حضور رس بنتونیت در این بتن می باشد وجه تمایز این بتن و بتن معمول در حضور بنتونیت در مخلوط و نسبت آب به سیمان بالای این بتن می باشد. بنتونیت موجود در بتن باعث می گردد که بتن پلاستیک شکل پذیری بیشتری از خود نشان داده و همچنین باعث افزایش نفوذپذیری می گردد که البته این افزایش بسیار ناچیز است. حضور رس منجر به کاهش مقاومت فشاری بتن پلاستیک می گردد و به این نکته باید توجه داشت که افزایش مقاومت، کاهش شکل پذیری را به دنبال دارد که مطلوب نمی باشد.[2]

3. برنامه آزمایشگاهی

در تحقیق پیش رو هدف، بررسی تاثیر کائولینیت به عنوان تنها رس مورد استفاده (بدون استفاده از رس بنتونیت) ، متاکائولن و الیاف پلی پروپیلن بر خصوصیات بتن پلاستیک می باشد. برای این منظور از مقادیر 30,5 ، 35,1 ، 38,1 و 41,2 متاکائولن و کائولینیت و همچنین از الیاف با درصد های حجمی 0,1 ، 0,15 ، 0,2 و 0,25 جهت بررسی خصوصیات بتن پلاستیک حاوی کائولینیت و متاکائولن و الیاف پلی پروپیلن استفاده شده است. در ادامه ابتدا تعداد و ابعاد نمونه های ساخته شده معرفی می گردد سپس به معرفی مصالح به کار گرفته شده در آزمایش پرداخته می شود و در آخر نتایج حاصل از آزمایشا ها ارائه خواهد گردید.

4. مصالح مورد استفاده

4,1. سنگدانه

از آنجایی که حدود 75 درصد حجم بتن را سنگدانه در بر می گیرد، انتخاب نوع سنگدانه و حداکثر اندازه دانه ها از اهمیت خاصی برخوردار است. سنگدانه ها نه تنها در مقاومت بتن بسیار موثرند ، بلکه دوام و پایداری بتن نیز تا حد زیادی تحت تاثیر این مصالح قرار دارد. شن و ماسه مورد استفاده در این تحقیق از نوع شکسته بوده و از معدن باز قلعه سنگر واقع در استان گیلان تهیه گردیده است. حداکثر اندازه دانه های شن 5،12 میلی متر می باشد همچنین برای دستیابی به دانه بندی پیشنهادی استاندارد

[3] ASTM C33 03 ماسه مصرفی با گذراندن از الک شماره 4 اصلاح گردید است. منحنی دانه بندی ماسه مصرفی در شکل 1 ارائه گردیده است.

شکل - 1 منحنی دانه بندی ماسه مصرفی

4,2. سیمان و میکرو سیلیس

در این پژوهش از سیمان پرتلند تیپ 2 محصول کارخانه هگمتان همدان با وزن مخصوص 3,11 گرم بر سانتی متر مربع استفاده شده است. میکرو سیلیس مورد استفاده در این پژوهش دارای وزن مخصوص 2,17 گرم بر سانتی متر مربع می باشد. مقدار مصرف میکرو سیلیس 15 درصد می باشد که به صورت وزنی جایگزین سیمان شده است. مشخصات شیمیایی سیمان و میکرو سیلیس مصرفی در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول -1 مشخصات شیمیایی سیمان و میکرو سیلیس

کائولینیت مورد استفاده در این مطالعه از شرکت صنایع خاک چینی ایران تهیه گردیده است ، رنگ آن سفید مایل به زرد بوده و وزن مخصوص آن 2,4 گرم بر سانتی مترمکعب است. ترکیب های شیمیایی کائولینیت مصرفی مطابق جدول 2 است.

جدول 2 آنالیز شیمیایی کائولینیت

.4,4 متاکائولن
برای بهبود خصوصیات بتن از پوزولان متاکائولن استفاده شده است.متاکائولن مصرفی از کارخانه شرکت سنگ و صنعت کاویان است و وزن مخصوص آن 2,4 گرم بر سانتی مترمکعب بوده است.مقدار مصرف متاکائولن به میزان 50 درصد از خاک رس مصرفی بوده، به طور مثال اگر مقدار خاک رس مصرفی در طرح اختلاط 30,5 کیلوگرم بر متر مکعب است، نیمی از آن کائولینیت و نیم دیگر متاکائولن مصرف گردیده است. ترکیبات شیمیایی متاکائولن مصرفی در جدول3 آمده است.

جدول 3 ترکیبات شیمیایی متاکائولن مصرفی

در این مطالعه الیاف مورد استفاده جهت تسلیح ، الیاف پلی پروپیلن با طول 12 میلی متر بوده که از شرکت شیمی ساختمان تهیه شده است. مشخصات الیاف مصرفی در جدول 4 آمده است

جدول 4 مشخصات الیاف پلی پروپیلن مصرفی

5. طرح اختلاط

مواد تشکیل دهنده بتن پلاستیک سیمان ، سنگدانه و دوغاب کائولینیت می باشد .علاوه براین از متاکائولن ، میکروسیلیس و الیاف پلی پروپیلن جهت اصلاح خصوصیات آن استفاده شد. بدین منظور کائولینیت و متاکائولن با نسبت 1:1 با یکدیگر ترکیب شده است. با توجه به شیوه های اجرایی بتن پلاستیک که به صورت جایگزینی گل حفاری پر کننده و نگهدارنده موقت حفاری با بـتن پلاسـتیک و عمـدتا بـه شـیوه ترمی(قیف و لوله)می باشد. در عمل امکان تراکم روی بتن وجود نداشته، لذا مخلوط هایی با روانی بسیار بالا مـورد اسـتفاده قـرار مـی گیرنـد. حـداقل اسلامپ مجاز برای بتن پلاستیک 15 سانتی متر و محدوده معمول مورد استفاده در پروژه ها 15-22 سانتی متر می باشد.[4]

در انتخاب نوع مصالح و طرح اختلاط بتن پلاستیک عوامل متعددی نظیر میزان نفوذناپذیری مورد نظر، شرایط ساختگاه، دسترسی به مصالح در محل، جنبه های اقتصادی و اجرایی موثر هستند. طرح اختلاط هایی که در این مقاله بررسی می شوند به شرح جدول 5 می باشد.

جدول:5 مقادیر اجزا مخلوط های ساخته شده

: S.F میکروسیلیس ، : C سیمان ، : W آب ، : SP فوق روان کننده ، : PP الیاف پلی پروپیلن

6. تهیه نمونه های آزمایشگاهی

اولین گام در هر نوع کنترل و برای هر محصول مانند بتن، نمونـه گیـری یـا نمونـه بـرداری از آن می باشد به نحوی که نمونه را بتوان معرف و نماینده مجموعه اصلی دانست وگرنه نمی توان به نتیجه لازم یعنی کنترل آن محصول دست یافت و قضاوتی را در مورد مجموعه به انجام رسانید و ارائه داد.

ابعاد نمونه هایی که در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته به قرار ذیل است :

نمونه های مکعبی 10*10*10 سانتی متر: از این نمونه ها برای انجام آزمایش مقاومت فشاری مطابق استاندارد ASTM C39 [5] در سنین 7 ، 28، 42 ، 90 روزه استفاده شده است.

نمونه های استوانه ای 30*15 سانتی متر: از این نمونه ها برای انجام آزمایش مقاومت کششی غیر مستقیم و آزمایش مدول الاستیسیته به ترتیب بر طبق استاندارد های [6] ASTM-C496-96 و [7] ASTM-C469 -94 و در سن 28 روزه انجام شده است.

نمونه های منشوری 28*7*7 سانتی متر : از این نمونه ها برای انجام آزمایش مقاومت خمشی نمونه های مکعب مستطیلی مطابق استاندارد [8] ASTM C293 در سن 28 روزه استفاده شده است.

تمامی نمونه ها یک روز پس از بتن ریزی و پس از باز کردن قالب آنها برای انجام آزمایش های فوق در حوضچه آب و در دمای 2

20 ± درجه سانتی گراد نگهداری شده اند.

7. نحوه ساخت بتن پلاستیک

برای ساخت بتن پلاستیک یک ساعت قبل از ساخت نمونه ها کائولینیت را به همراه آب در میکسر ریخته و مخلوط می کنیم و پس از آن دوغاب حاصله را در داخل سطلی تخلیه می کنیم. برای ساخت بتن ابتدا شن و ماسه مصرفی ریخته شده در مخلوط کن برای مدت 2 دقیقه مخلوط می شود سپس ، سیمان و میکروسیلیس طرح اضافه شده و برای 2 دقیقه دیگر مخلوط می شود و پس از آن دوغاب آماده شده اضافه می شود و به مدت 2 دقیقه مخلوط می شود. بعد از روان شدن بتن الیاف پروپیلن در مدت 3 تا 5 دقیقه اضافه می شود و در صورت نیاز از فوق روان کننده استفاده می شود. پس از مخلوط شدن کامل از بتن آزمایش اسلامپ گرفته می شود تا از تطبیق آن با محدوده مجاز اسلامپ برای بتن پلاستیک که بین 15 تا 22 سانتی متر است اطمینان حاصل شود. برای ریختن بتن در قالب ابتدا یک لایه از بتن را درون قالب ریخته و ویبره می کنیم و سپس لایه دوم ریخته می شود.

8. آزمایش های بتن سخت شده

8,1 آزمایش مقاومت فشاری

نتایج آزمایش مقاومت فشاری می تواند تحت تاثیر تغییرات در نوع نمونه آزمایش ، اندازه نمونه ، نوع قالب ، عمل آوری ، پرداخت سطح انتهایی ،درجه صلبیت دستگاه آزمایش و روند اعمال تنش قرار بگیرد. به این دلیل آزمایش باید از یک استاندارد به خصوص پیروی کند. در این تحقیق آزمایش مقاومت فشاری مطابق با استاندارد ASTM C39 بر روی نمونه های مکعبی انجام شد.

برای محاسبه ی مقاومت فشاری نمونه استاندارد مکعبی از رابطه ی (1) استفاده شده است:

رابطه ی (1)

که در آن مقاومت فشاری بتن بر حسب مگاپاسکال ، P نیروی فشاری حداکثر بر حسب نیوتن، A سطح مقطع بتن بر حسب میلیمتر مربع است.

8,2 آزمایش مقاومت کششی

این روش آزمایش برای تعیین مقاومت کششی بتن به روش دو نیم شدن استوانه ای ، به کار می رود. برای انجام این آزمایش نمونه استوانه ای را به طور افقی در امتداد محور خود در دستگاه آزمایش قرار می دهیم. بار پیوسته و با سرعت ثابتی به نمونه اعمال می شود. تنش فشاری سبب ایجاد کشش یکنواختی در راستای عمود بر امتداد قطر قائم می شود. مقاومت کششی از رابطه ی (2) بدست می آید

رابطه ی (2) =

که در آن معرف تنش کششی بر حسب مگاپاسکال و P معرف بار شکست بر حسب نیوتن و L معرف طول نمونه بر حسب میلیمتر و D معرف قطر نمونه بر حسب میلیمتر می باشد.

6