بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به افزونی قیمت قیر و آسفالت در سالهای اخیر، استفاده از رویههای بتنی اهمیت بیشتری یافته است. استفاده از مواد مکمل یا جایگزین سیمان در بتن همواره مدنظر بوده است. استفاده از نانو مواد با توجه به اثر افزایشی بر دوام و مقاومت بتن مورد نظر بوده است. مهمترین چالشها در استفاده از نانو مواد توزیع مناسب و بهینه آنها میباشد. دراین تحقیق رفتار مکانیکی و دوام روسازی بتنی حاوی ذرات نانو کربنات کلسیم وخاکستر بادی بررسی میگردد. به همین منظور تعداد 64 نمونه بتنی 7 و 28روزه ساخته شدکه جهت بررسی رفتار مکانیکی آزمایشات مقاومت فشاری و کششی و خمشی تحت بارگذاریهای سه نقطهای و جهت بررسی دوام آزمایش عمق نفوذ تحت فشار آب انجام شد.
برای بررسی نحوه توزیع نانو مواد و اندازه آنها و ریزساختار نمونهها مشاهدات FESEM و جهت تعیین عناصر و واکنشهای آنها آنالیز XRD انجام شد. نتایج مقاومت فشاری نشان داد که نمونه بتنی حاوی خاکستر بادی دارای بیشترین مقاومت و با افزایش نسبت به نمونه شاهد به میزان 146 و 132 درصد بوده است 7 - و 28 روزه - . مقاومت کششی نمونه ها نیز در نمونه بتنی حاوی خاکستر بادی از همه بیشتر و به میزان 7,45 درصد نسبت به نمونه شاهد بوده است.
مقاومت خمشی تحت بارگذاری سه نقطهای نشان میدهد که نمونه شاهد دارای مقاومتی تقریباً برابر با نمونه حاوی خاکستر بادی و نانو میباشد . نتایج آزمایش تعیین عمق نفوذ نشان میدهد که نمونه دارای 1 درصد نانو، کمترین میزان نفوذ آب وتخلخل را داشته است. مشاهدات FESEM حاکی از پخش مناسب ذرات نانو مواد بوده است و آنالیز XRD افزایش تشکیل ژلهای آبپوش اضافی و کاهش هیدروکسید کلسیم و برتری ترکیب کوارتز را نشان میدهد.
.1مقدمه
افزایش هزینه ساخت انواع راه ها به دلیل بالا بودن قیمت قیر، در نهایت به کاهش نرخ رشد ارزش افزوده حمل و نقل در اقتصاد کلان کشور، کند شدن سرعت توسعه راهسازی و نبود توازن در توسعه کشور میانجامد. با توجه به وضعیت تولید سیمان در کشور و شرایط اقلیمی، روسازیهای بتنی میتوانند در بسیاری از راه های اصلی و فرعی کشور مورد استفاده قرار گیرد.از طرف دیگر با جایگزینی روسازی بتنی با بخشی یا کلی ازرویههای آسفالتی، فرصت افزایش صادرات قیر فراهم میگردد که موجب افزایش درآمد ارزی مهم و ارزشمندی برای کشور خواهد شد و هزینه های مربوط به مسائل زیستمحیطی که در تولید سیمان بر کشور تحمیل میگردد، نیز با مصرف سیمان در داخل جبران خواهد شد.
در بررسی اجزاء راه , روسازی راه و افزایش دوام آن و حفظ کیفیت بهره برداری آن همواره مورد توجه دستگاهها ومدیران دولتی بوده است .به دلیل هزینه های سنگین احداث و نگهداری راهها دوام وافزایش عمر مفید آنها اهمیت بسیار زیادی از نظراقتصادی و فنی دارد. دراین راستا بکارگیری تکنولوژیهای نوین ازجمله استفاده ازفناوری نانو درروسازی وعلی الخصوص در روسازیهای بتنی نقشی اساسی در افزایش عمر ودوام ومقاومت این نوع روسازی دارد . همه ویژگی های بتن ودیگرمصالح پایه سیمانی، ناشی از فرایند هیدراتاسیون آن است .درک بهتررفتار وساختاربتن در مقیاس نانو به ما کمک خواهد کرد تاویژگی مطلوب بتن بهبود یابد.افزایش دوام ،کاهش شکنندگی - تردی - ،افزایش مقاومت فشاری و کششی و... خواصی هستند که می توان با افزودنیهای نانو آنها رابرای بتن بهبود بخشید.
.2 مروری برخی مطالعات انجام شده درزمینه کاربرد نانوذرات دربتن
فعالیت های تحقیقاتی اخیر در زمینه نانو تکنولوژی در بتن شامل: بررسی ذاتی هیدراسیون در سیمان، تاثیر اضافه کردن نانو سیلیکا به بتن، اضافه کردن نانو ذرات به سیمان، بتن و پوشش های سیمانی و مشاهده تاثیرات آن ها بر رفتار و مشخصات ایجاد شده است. Ping duan وهمکاران در سال 2015 به بررسی اثر استفاده از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم در مقاومت فشاری بتن پرداختند که ملاحظه گردید که استفاده %5 از این نانو ذرات منجر به افزایش مقاومت 28 روزه بتن گردیدAnwar M. Mohamed [1 ] در سال 2014 به بررسی اثر استفاده از نانو رس ونانو سیلیس در مقاومت فشاری وخمشی بتن پرداخت که مشخص شد استفاده %3 از این نانو ها - با ترکیب %25 نانو سیلیس و%75 نانو رس منجر به افزایش مقاومت فشاری وخمشی بتن گردید.
در سال 2013 به بررسی اثر استفاده از خاکستر بادی ونانو ذرات دی اکسید تیتانیوم در خواص مکانیکی بتن های با مقاومت بالا پرداختند که مشخص شد که استفاده تا %4 وزنی سیمان منجر به افزایش دوام ومقاوت فشاری بتن گردید.[ 3 ] درسالHui Li 2003 بر روی نانو ذرات اکسید فلزات واسطه - نیمه هادی - در جهت کنترل ساختن بتن استفاده کرد. دراین زمینه از نانو ذرات Fe2O3 وFe3O4 استفاده کرده است. تا قبل از آن برای کنترل تنش، در سازه های بزرگ بتنی از بتن های هوشمند دارای فیبرهای نوری وحسگر پیزوالکتریک استفاده می شد.
در بتن های خودکنترلی از عناصر واسطه مانند Fe جهت کنترل تنش ها استفاده می شود.از مزیت های بتن هوشمند خودکنترل در مقایسه با بتن هوشمند می توان به قیمت به مراتب کمتر، مقاومت مکانیکی بیشتر، دوام بیشتر،وعدم فرسایش ناشی از نصب حسگرها را نام برد.دراین زمینه بتن حاوی نانو ذرات آهن بسیار موفق تر از بتن های هوشمندی که تاکنون شناخته شده اند عمل کرده است.در این نمونه ها به دلیل استفاده از اکسید ذرات آهن واینکه اصولاً در این نیمه هادی ها فاصله خالی انرژی موجود بین نانو ذرات در اثر اعمال تنش کم شده وباعث می شود الکترون راحت تر این فاصله انرژی را پشت سر بگذراند.
هدایت الکتریکی افزایش می یابد - کاهش مقاومت الکتریکی - ودلیل دوم اینکه با افزایش تنش فشاری نانو ذرات به یکدیگر نزدیک شده وتونل زنی الکترونی بین نانو ذرات راحت تر انجام می شود.وهدایت الکتریکی افزایش می یابد وبه عبارت دیگر مقاومت الکتریکی کم می شود. 5 ]،[4 درسال Zhenhua Li 2005 در دانشگاه Hangzhou چین درباره اثر افزودن نانو ذرات Al2O3 به بتن تحقیقاتی انجام داد.افزودن 5درصد نانو Al2O3 میزان افزایش مدول الاستیسیته را حدود 143درصد، در سن 28روز افزایش داده است.عملکرد این نانو در مقاومت فشاری در مقایسه با مدول الاستیسته متفاوت است. به گونه ای که استفاده از 3و5درصد نانوAl2O3 باعث کاهش مقاومت در سن 28روزاما استفاده از 7درصد آن سبب افزایش نسبی مقاومت در حدود 7درصد شد4 ]و[6
.3 روش اجرای تحقیق وبرنامه آزمایشگاهی
-1-3 سنگدانه های درشت وریز
درشت دانه وریزدانه - شن وماسه - مورد استفاده در بتن از معادن شرق تهران ،معدن شرکت شنزار واقع در پاکدشت - شریف آباد مطابق با ضوابط استاندارد ملی ایران 302 وASTM C127وASTM C128 تهیه گردید. حداکثر سایز سنگدانه مورد استفاده 25 میلیمتر انتخاب شد.9]،8،[7
-2-3 سیمان
سیمان مورد استفاده از نوع سیمان پرتلند تیپ 2 تولید کارخانه سیمان شرکت فراز فیروزکوه می باشد.
-3-3 فوق روان کننده
فوق روان کننده مورد استفاده از نوع نسل سوم بر پایه پلی کربوکسیلات های اصلاح شده بوده است.این محصول به رنگ سبزتیره وآنیونی وبه حالت مایع وبا PH حدود7 بوده و وزن مخصوص حدود 1,1 کیلوگرم در هر لیتر را دارا بوده است.از مهم ترین ویژگیهای این محصول سازگاری با ترکیبات شبه سیمانی ازقبیل خاکستر بادی ومیکروسیلیس وسرباره می باشد.که همزمان با آب اختلاط به درون میکسر آزمایشگاهی ریخته می شود.
-4-3 خاکستربادی
خاکستربادی مورد استفاده کلاس F با سایز دانه های ریزتر از 10میکرون ومیانگین 3میکرون تشکیل شده است.این ماده یک پوزولان آلومیناتی-سیلیکاتی است که ازخصوصیات مهم این محصول شکل کروی دانه ها،دانه بندی وترکیب شیمیایی آن است.نموداردانه بندی این محصول یک نمودار زنگوله ای شکل است که که دارای میانگین ابعاد 3,5میکرون است درحالی که میانگین ابعاد سیمان 12میکرون است.
-5-3 نانو کربنات کلسیم
نانو کربنات کلسیم بکار رفته در این تحقیق، به شکل پودر سفیدرنگ ودر بسته های 25گرمی تهیه گردید. همچنین مطابق با استاندارد ملی شماره 17222 جهت تعیین اندازه مواد نانو کربنات کلسیم از آزمون SEM و XRD استفاده گردید.[10 ]
-6-3 طرح اختلاط
روش محاسبه طرح اختلاط با استفاده از آیین نامه ACI 211-89 وبا رعایت الزامات زیر انجام گرفت:
· مجموع مواد سیمانی Kg/m" 400 درنظرگرفته شد.
· نسبت آب به مواد سیمان 0,35 درنظرگرفته شد. حداکثر سایز سنگدانه مورد استفاده 25 میلیمتر انتخاب شد.
