بخشی از مقاله
چکیده
امروزه استفاده از مصالح سبک بدلیل کاهش وزن و ابعاد سازه باربر و در نتیجه به حداقل رساندن نیروی زلزله و کاستن از هزینه های طرح بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در سالهای اخیر استفاده از بتن سبک در اشکال مختلف آن، به صورت بتن دانه سبک، بتن بدون ریزدانه و بتن با حباب هوا، بسیار رایج گردیده و با توجه به مزایای کمنظیر آن از قبیل وزن مخصوص کم و عایق حرارتی خوب در موارد متعدد جایگزین بتن معمولی گردیده است.
در این مقاله سعی بر آن است علاوه بر تعیین خواص سبکدانه های پوکه معدنی آذربایجان و سبکدانه لیکا ، با ساخت نمونه های مختلف بتنی، مشخصه های مقاومت فشاری،مقاومت کششی غیر مستقیم ومقاومت کششی ناشی از خمش نمونه های بتنی ساخته شده با این سبکدانه ها مورد بررسی قرار گرفته و با بررسی پارامترهای تاثیر گذار بر تولید و طرح اختلاط از جمله سیمان، سبکدانه در سه محدوده دانه بندی و آب به تعیین روابط بین اجزای تشکیل دهنده به کمک روش بهینه سازی گرادیان مزدوج پرداخته شود.
نتایج حاصل از آزمایش ها نشان می دهد که در شرایط یکسان نمونه های بتنی ساخته شده با لیکا جدا از وزن مخصوص کمتر، دارای مقاومت فشاری،مقاومت کششی و مقاومت خمشی بیشتری نسبت به بتن ساخته شده با پوکه معدنی آذربایجان می باشد و ساخت چنین بتنی برای کاربرد در اعضای غیر سازه ای و در بعضی موارد نیمه سازهای توصیه می شود.
مقدمه
بتن های سبک از لحاظ کاربرد به دو دسته کلی بتن های سبک سازه ای و غیر سازه ای تقسیم می شوند. بتن های سبک سازه ای طبق آیین نامه بتن ایران - آبا - باید مقاومت فشاری 28 روزه - نمونه استوانه ای استاندارد - بیشتر از160کیلوگرم بر سانتی متر مربع داشته باشد، اما بتن های دسته دوم - غیر سازه ای - اغلب جهت ساخت دیواره های جداکننده، شیب بندی بام ها، کف سازی ها، تیغه بندی های عایق صوت و غیره مورد استفاده قرار می گیرد.
با توجه به زلزله خیز بودن ایران، مسئله سبک سازی ساختمان ها از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. نظر به اینکه در کشور ما تاکنون تحقیقات جدی دراین مورد صورت نگرفته است. بتن، شامل سنگدانهها، سیمان و آب است از آنجایی که سنگدانهها 60 تا 70 درصد وزن بتن را به خود اختصاص می دهد لذا ایده سبکسازی آنها جهت تولید بتن سبک مطرح شده است. یکی از اصلیترین مشکلات در طراحی و اجرای ساختمانها، وزن قابل توجه بار مرده است که عمدتاً ناشی از وزن سقفها و دیوارهای جداکننده میباشد. بدیهی است که استفاده از مصالح سبک موجب کم شدن بار مرده و در نتیجه کاهش وزن تیرها، ستونها و پی میگردد که در نهایت به اقتصادی شدن طرح منجرخواهد شد.
به نظر می رسد که در مقایسه با بتن معمولی مدت زمان کمی است که بتن سبک مورد استفاده قرار گرفته است. شاید چنین گمان رود که استفاده از آن محدود به دهه های اخیر است اما برای دیدن اولین مرتبه استفاده از ملاتهای سبک باید به 1800 سال قبل یعنی قرن دوم میلادی برگردیم زمانیکه رومی ها برای ساختن گنبد معبد پانتئون - به قطر 43/6 متر - از ملات سبکی متشکل از دانه های سنگ پا استفاده کردند. یکی دیگر از نمونه های کاربرد موفق بتن سبک ساخت کشتی بتنی سلما - Selma - در جنگ جهانی اول می باشد که پس از گذشت حدود 60 سال این کشتی هنوز مورد بهره برداری قرار می گیرد.
از مهمترین تحقیقات انجام شده در خصوص بتن سبک و کاهش زلزله می توان به موارد ذیل اشاره نمود: اکبری مهر و کاظمی در سال 1389 اثرات فناوری های نوین تیغه بندی فضاهای داخلی ساختمان ها در کاهش وزن سازه و متعاقبا کاهش نیروهای زلزله را مورد بررسی قرار دادند - . - 7طراحی در سال 1389 کارکرد بلوک های ایرکریت در مقاوم سازی و سبک سازی سازه را بررسی نمود.
باقری و همکارانش در سال 1386 معماری سبک را به عنوان راهکاری برای ایمنی لرزه ای و کاهش وزن سازه پیشنهاد دادند - . - 9علیرضا حبیبی و همکارانش در سال 1392 رابطه مقاومت فشاری با مقاومت کششی و وزن مخصوص بتن سبک ساخته شده با پوکه معدنی منطقه کردستان را مورد بررسی قرار دادند نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد که با بکار بردن سبکدانه پوکه در طرح اختلاط بتن سبک به عنوان سنگدانه و ثابت نگه داشتن میزان سیمان و سایر مصالح مصرفی،ضمن کاهش وزن مخصوص بتن،در بیشتر موارد می توان به مقاومت فشاری مطلوبی دست یافت - . - 10
لزوم انجام تحقیق:
یکی از مناطقی که در آن سبکدانه های طبیعی یافت می شود منطقه آذربایجان می باشد که منابع آن در دامنه کوه سبلان بین سراب و اردبیل در گردنه شاهین یافت می شود و استفاده های زیادی از آن در بخش های غیر سازه ای در اکثر مناطق ایران به خصوص منطقه آذربایجان می شود. این در حالی است که هیچ نوع اطلاعات جامع و مفیدی در مورد این سبکدانه در مقایسه با سایر سبکدانه ها به لحاظ مشخصات آن از نظر کاربرد در ساخت اجزاء ساختمانی سبک وزن و همچنین استفاده در ساخت بتن سبک در قسمت های مختلف یک سازه وجود ندارد.
تحقیق حاضر عمدتا با هدف بررسی خواص نمونه های بتنی ساخته شده با پوکه معدنی آذربایجان و مقایسه آن با نمونه های بتنی ساخته شده با سبکدانه لیکا و یافتن روابط بین اجزای تشکیل دهنده بتن ساخته شده با این سبکدانه ها معطوف شده است.
-1مشخصات مصالح تشکیل دهنده بتن های سبکدانه با سبکدانه لیکا و پوکه معدنی آذربایجان از آنجایی که مشخصات سبکدانه های موجود در مناطق مختلف کشور متمایز از یکدیگر است این پژوهش با هدف بررسی خواص نمونه های پوکه معدنی آذربایجان و لیکا و همچنین ارزیابی آن به عنوان سبکدانه برای تولید بتن های سبک انجام گردیده است.
-1-1 سیمان
سیمان مصرف شده در ساخت نمونه های بتنی از سیمان پرتلند نوع اردستان بود. چگالی دانه ای این سیمان برابر 3,16 گرم بر سانتی متر مکعب می باشد.
-2-1 مشخصات سنگدانه ها
در تهیه نمونه های بتنی از سبکدانه ی لیکا و پوکه معدنی آذربایجان استفاده گردید.
-3-1 آب
برای انجام آزمایشها و ساخت نمونه های لازم، از آب شرب شهری استفاده شده است.
-4-1 تعداد و مشخصات نمونه ها
در ساخت نمونه های فشاری از قالبهای 10×10×10سانتیمتر استفاده گردید. هرچند که استاندارد ASTEM روش آزمایش استوانه ای را برای تعیین مقاومت فشاری معین نموده است و همچنین مقاومت مشخصه در آئین نامه بتن ایران - آبا - بر حسب نمونه ی استوانه ای 30×15 سانتی متری تعریف می گردد، اما به دلیل آنکه حداکثر اندازه دانه مورد استفاده در ساخت نمونه ها به حدود 4,75 میلی متر محدود شد استفاده از قالبی با ابعاد مذکور طبق آئین نامه ACI بلامانع می باشد.
برای تعیین مقاومت کششی غیر مستقیم نمونه های تهیه شده از قالبهای استوانه ای 30×15سانتی متر و روش آزمایش شکافت نمونه استوانه ای - آزمایش برزیلی - استفاده گردید. برای تعیین مقاومت کششی ناشی از خمش از نمونه های مکعب مستطیل به ابعاد 50×10×10 سانتی متری استفاده شده است و کلیه نمونه ها در سن 28 روز مورد آزمایش قرار گرفت.
-2 نحوه عمل آوری
نحوه عمل آوری به این صورت بود که نمونه های ساخته شده 24 ساعت در قالب و در محیط آزمایشگاه نگهداری شدند و سپس جهت عمل آوری در آب قرار گرفتند و یک روز قبل از انجام آزمایش از آب بیرون آورده شدند.
-3 تعیین مقدار سیمان
در تهیه نمونه ها از مقادیر سیمان 200 ، 250 و 300 کیلوگرم بر متر مکعب مورد بررسی قرار گرفت.
-4 تعیین نسبت آب به سیمان - - W/C
در طرح اختلاط نمونه ها، نسبت آب به سیمان ثابت 0/5 در عیارهای مختلف سیمان مورد ارزیابی قرار گرفتند.
-5بررسی خواص سبکدانه های مورد استفاده در این پژوهش:
در این بخش به خصوصیات سبکدانه های پوکه معدنی آذربایجان و لیکا از جمله وزن مخصوص، جذب آب و رطوبت نسبی پرداخته شده است.
-1-5 جذب آب و رطوبت نسبی سنگدانه ها -1-1-5 جذب آب سنگدانه ها
خصوصیات منافذ داخلی سنگدانه ها در مطالعه خواص آن ها بسیار مهم است. تخلخل، نفوذپذیری و جذب آب سنگدانه ها بر خواصی از سنگدانه ها مانند پیوستگی به خمیر سیمان، مقاومت بتن در برابر یخ زدن و آب شدن و همچنین بر ثبات شیمیایی و مقاومت در برابر سایش آن ها اثر دارد از آنجا که سنگدانه ها حجم بتن را تشکیل می دهد، واضح است که تخلخل سنگدانه ها سهم عمده ای در تخلخل بتن خواهد داشت.
وقتی که کلیه منافذ سنگدانه ها با آب پر شده باشند، گفته می شود که سنگدانه ها به حالت اشباع با سطح خشک - S.S.D - یا تعادل در آمده اند. در این حالت سنگدانه ها با خمیر سیمان از نظر رطوبتی در تعادل هستند یعنی نه به خمیر سیمان آبی می افزایند و نه آب آن را می گیرند. اگر سنگدانه هایی که به این حالت در آمده اند در هوای خشک آزاد، مثلا در آزمایشگاه، قرار داده شوند، قدری از آب داخل منافذ تبخیر می شود و سنگدانه ها کمتر از حالت اشباع - S.S.D - ، آب خواهند داشت و به این سنگ دانه ها سنگ دانه های خشک شده در هوا یا مرطوب می گویند.
خشک کردن طولانی مدت سنگدانه ها در گرمخانه سبب می شود که رطوبتی در آن ها باقی نماند.به این حالت سنگدانه ها»مغز خشک«می گویند.در این حالت خشک با حرارت دادن تغییری در وزن سنگدانه ایجاد نمی شود. در کارگاه معمولا سنگدانه ها در حالت مرطوب و خیس هستند و حالت های تعادل و خشک در آزمایشگاه ایجاد می شود.جذب آب سنگدانه ها را با سنجش افزایش جرم نمونه در گرمچال خشک شده ای که به مدت 24 ساعت در آب غوطه ور شده و سپس به حالت تعادل رسیده است، به دست می آید - آب روی سطح نمونه را می گیرند - . نسبت افزایش جرم، به جرم خشک نمونه را که بر حسب درصد بیان می شود، جذب آب نمونه می گویند.
اگر وزن سنگدانه ها در حالت تعادل S، و در حالت خشکD باشد جذب آب برابر است با: =درصد جذب آب [ - S-D - /D]×100 در این مرحله از پوکه معدنی آذربایجان و لیکا مورد استفاده در آزمایشات که در در سه رده دانه بندی بودن از هر رنچ دانه بندی مقدار 800 گرم برای هر یک از مصالح وزن شدند و جهت تعیین میزان جذب آب به مدت 24 ساعت در گرمخانه قرار داده شدند و سپس در یک مرحله به مدت 30 دقیقه و در مرحله بعدی به مدت 24 ساعت در آب غوطه ور شدند.
-1-2-5 جرم مخصوص ظاهری - دانه ای - اگر حجم مواد جامد به نحوی در نظر گرفته شود که شامل منافذ غیر قابل نفوذ، ولی بدون لوله های مویینه باشد، جرم مخصوص حاصل را جرم مخصوص ظاهری می گویند. در این صورت جرم مخصوص ظاهری برابر است با نسبت جرم سنگدانه های خشک شده در گرمخانه، با دمای 100تا 110 درجه ی سانتی گراد برای مدت 24 ساعت، به جرم آب هم حجم مواد جامدی که شامل منافذ غیر قابل نفوذ نیز باشد.
