بخشی از مقاله
مقایسه تاثیر مواد پودري مختلف بر خصوصیات مکانیکی بتن خودتراکم (مطالعه موردي)
چکیده
به منظور تامین لزجت و قابلیت روانی بالاي خمیر بتن تازه خود تراکم، در این نوع بتن از نسبت مصالح درشت دانه، نظیر شن، در طرح اختلاط کاسته شده و در عوض مواد شیمیایی و پودري مختلف جایگزین آن میگردند. براي جلوگیري از وقوع پدیده ناپایداري مخلوط بتن تازه و جداشدگی دانهها از یکدیگر، از مواد پودري در طرح اختلاط بتن هاي خودتراکم استفاده می شود.
در این پژوهش از دو نوع ماده پودري که به وفور در منطقه غرب و شمال غرب ایران یافت می شود، استفاده شده است. با افزودن پودر سنگ چینی و میکروسلیس به مخلوط بتن خودتراکم، به بررسی و مقایسه تاثیر این دو پودر بر روي خصوصیات مکانیکی بتن خود تراکم پرداخته شده است. نتایج حاصل از آزمایشها نشان می دهد که در صورت استفاده از میکروسیلیس به میزان بهینه آن شاهد افزایش 38 درصدي در مقاومت فشاري و 24 در مقاومت کششی نمونه بتن ساخته شده خواهیم بود. همچنین به طور مشابه در صورت استفاده از پودر سنگ به میزان بهینه خود شاهد افزایش 7 درصدي مقاومت فشاري و 10 درصدي مقاومت کششی خواهیم بود.
واژه هاي کلیدي:
بتن خود تراکم، میکروسیلیس، پودر سنگ چینی، خواص مکانیکی
-1 مقدمه
توسعه روز افزون جوامع شهري و نیاز مبرم به ایجاد توسعه پایدار، لزوم استفاده از مصالح با دوام و با کیفیت را اجتناب ناپذیر کرده است. از این رو بتن به عنوان یکی از پر مصرفترین مصالح ساختمانی شناخته میشود. شاید بتوان گفت که صرفه اقتصادي استفاده از بتن در مقایسه با سایر مصالح نظیر فولاد موجب رواج آن گردیده است. به سبب افزایش کاربرد بتن ارائه راهکارهایی براي افزایش دوام و کیفیت آن، اهمیت ویژهاي مییابد. براي اینکه بتن بتواند به خوبی از عهده وظیفه تحمل نیروهاي وارد بر آن برآید، بایستی به صورت همگن و مناسبی متراکم و عمل آوري گردد. در مناطقی از سازه طراحی شده که تعدد و تراکم بالاي آرماتورها وجود دارد، استفاده از بتن معمولی و ویبراتور دشوار میباشد و بایستی از تکنولوژي جدیدي بنام بتن خود تراکم استفاده گردد.
بتن خود تراکم، اولین بار توسط پروفسور Okamura در سال 1986 پیشنهاد گردید و پس از آن بود که سایر محققان با انجام آزمایشهاي فراوان در صدد گسترش تکنولوژي و استفاده از این نوع بتن بر آمدند.[1] اولین کارگاه آموزشی معتبر که به بررسی مصالح مورد استفاده در بتن خودتراکم اختصاص داشت، در سال 1988 در دانشگاه تکنولوژي کوجی در کشور ژاپن برگزار گردید و مقالات متعددي در ارتباط با بتن خودتراکم در آن ارائه شد.[2] بتن خود تراکم به بتنی اطلاق میگردد که داراي روانی بسیار زیاد است و به سبب همین روانی زیاد است که در هنگام بتن ریزي، این بتن به آسانی مقطع قالب و همچنین درزهاي آن را به آسانی پر میکند.[3] روانی زیاد بتن خودتراکم همچنین موجب کاهش مصرف انرژي، نیروي انسانی و زمان ساخت میگردد4]و.[3
بتن خودتراکم در حالت تازه بایستی داراي خواص زیر باشد:[5]
الف: قابلیت جریان و عبور: توانایی جاري شدن بتن خودتراکم و عبور از تراکم آرماتورها تحت اثر وزن خود را گویند.
ب: قابلیت پرکنندگی: توانایی بتن خودتراکم در داشتن تغییر شکل عالی در هنگام عبور از میان آرماتورها که به واسطه این ویژگی میتواند تمام سطح قالب را بطور همگن و یکنواخت پر کند و سطحی هم تراز با افق بسازد.
ج: قابلیت پایداري: مقاومت بتن خودتراکم در برابر وقوع انواع جداشدگی و عدم بروز پدیده انسداد و قفل شدگی و حفظ همگنی خود در تمام مراحل ساخت و اجرا و بتن ریزي را گویند.
تمامی ویژگیهاي فوق موجب میگردد تا عملیات ویبره در کارگاه حذف گردیده و مشکلات ناشی از آن جمله جداشدگی، تراکم ناهمگن در نقاط مختلف سازه و در نتیجه مقاومت فشاري متفاوت در مقاطع مختلف و همچنین کرمو شدن بعضی مناطق به علت غیر قابل در دسترس بودن براي عملیات ویبره تا حد زیادي رفع میگردند.[6]
افزایش میزان فوق روان ساز در مخلوط بتن خودتراکم از یک حد معین موجب افزایش ناپیوستگی بتن میگردد. براي جبران این ناپیوستگی، معمولاً دو روش پیشنهاد میشود. نخست آن است که با افزایش مقدار ماسه و کاهش مقدار شن مخلوط را پایدار کنیم. این کاهش در میزان شن موجب کاهش در مقاومت فشاري میگردد که در این صورت باید میزان سیمان در مخلوط بتن را افزایش دهیم. افزایش میزان سیمان مصرفی موجب افزایش حرارت هیدراتاسیون و همچنین هزینه تولید بتن میگردد.[7]
راه حل دوم، استفاده از مواد مضاف پوزولانی نظیر میکروسیلیس، سرباره، خاکستر بادي و یا پودر سنگ به عنوان مواد پرکننده میباشد.[8] به عبارت دیگر، محققان همواره در تلاشاند با جایگزینی سیمان با موادي نظیر پوزولانهاي طبیعی و مصنوعی، مواد شبه سیمانی و بطور کلی سیمانهاي آمیخته، از میزان سیمان در مخلوط بتن بکاهند.[9] استفاده از این مواد، ضمن کمک به کاهش مصرف انرژي، موجب کاهش آلودگی هوا و کمک به حفظ محیط زیست میگردند.[10] فرایند تولید سیمان، موجب تولید
حدود 8 درصد گاز کربنیک تولید شده در جهان میشود.[11] بنابراین ترکیب آن بایستی بگونهاي باشد که کمترین میزان انرژي براي تولید آن مصرف شود و کمترین لطمه به منابع طبیعی وارد شود و در نهایت بهترین کارآیی ممکن از آن گرفته شود. جایگزینی بخشی از کلینگر سیمان با این مواد، علاوه بر کاهش هزینه تولید از نظر زیست محیطی به دلایل زیادي از جمله کاهش انتشار دي اکسید کربن بسیار مطلوب ارزیابی میگردد.
اولین گزارشهایی که در آنها از میکروسیلیس به عنوان پوزولان در کنار سیمان بهره گرفتهاند، به اوایل دهه 1950 بر می-
گردد.[11] در این پژوهش آزمایشگاهی از میکروسیلیس و پودر سنگ چینی بعنوان مواد پودري همراه با سیمان در مخلوط بتن خودتراکم استفاده شده است. پودر میکروسیلیس معمولاً به رنگ خاکستري روشن و یا به رنگ خاکستري سبز گونه مایل به آبی میباشد. میکروسیلیس یک محصول فرعی حاصل از عملیات احیاي کوارتز ناخالص با زغال سنگ در کوره قوس الکتریکی در جریان تولید آلیاژهاي سیلیس یا فروسیلیس میباشد. این ماده به صورت غبار اکسید شده از کورهها با دماي 2000 درجه سانتیگراد به هوا بر میخیزد. سپس این غبار سرد متراکم شده و میکروسیلیس حاصل میگردد.[12] در فرآیند تولید میکروسیلیس، ساختار کوره قوس الکتریکی اهمیت بسیاري دارد.[13]
میزان سیلیس موجود در میکروسیلیس بین 85 تا 98 درصد میباشد.[14] ذرات میکروسیلیس تقریبا 80 تا 100 برابر ریزتر از ذرات سیمان هستند و میتوانند به راحتی فضاي بین ذرات سیمان را پر کنند. پس از آن میکرو ساختار بتن چگال تر شده و در نتیجه مقاومت فشاري بتن بالاتر میرود.[15] اثر مطلوب میکروسیلیس را هنگامی که همراه با فوق روان ساز استفاده گردد، میتوان مشاهده کرد. در این حالت ذرات میکروسیلیس و سیمان بهتر در مخلوط بتن پخش میشوند.[16]
وانگکو و همکاران در مقاله خود گزارش دادند که در صورت استفاده از میکروسیلیس به میزان 10 درصد وزن سیمان در مخلوط بتن خودتراکم میتوان مقاومت آن را تا 35 درصد افزایش داد.[17] این افزایش مقاومت در سن 28 روزه بتن نسبت به مقاومت 7
روزه آن میباشد.
همچنین نتایج مطالعات صدیقی و همکاران حاکی از افزایش بیش از 45 درصدي مقاومت فشاري 28 روزه بتن در هنگام استفاده از میکروسیلیس در مخلوط بتن خودتراکم به میزان 8 درصد میباشد.[18]
علاوه بر میکروسیلیس، از پودر سنگ چینی نیز به عنوان فیلر در مخلوط بتن خودتراکم مورد استفاده گردیده است. این پودر سنگ با ابعاد بسیار ریز و رد شده از الک شماره 100 انتخاب گردیده است. در پژوهش سعی شده است تا امکان استفاده از این نوع پودر سنگ در مخلوط بتن خودتراکم و جایگزینی آن با میکروسیلیس بررسی گردد. این پودر سنگ از معدن محلی سلماس تهیه گردیده است و از این رو، هزینه آن در مقایسه با میکروسیلیس بسیار کمتر میباشد.
در این پژوهش آزمایشگاهی، میکروسیلیس و پودر سنگ چینی تهیه شده از معدن محلی جهت تولید بتن خودتراکم انتخاب گردید. هدف ار این پژوهش، مطالعه تاثیر این دو نوع فیلر بر خواص مکانیکی بتن خودتراکم، شامل مقاومت فشاري و کششی، میباشد. لازم به ذکر است که در این پژوهش به جهت هر چه دقیقتر شدن نتایج آزمایشها، از هر طرح اختلاط سه نمونه ساخته تهیه گردیده و نتایج ارائه شده میانگین مقاومت هر سه نمونه میباشد.
-2 برنامه آزمایشگاهی
در بخش آزمایشگاهی این پژوهش، چند طرح اختلاط بتن خودتراکم با عیار سیمان و نسبت آب به مواد پودري مختلف تهیه گردید. سپس با انجام آزمایشهاي مقاومت فشاري و مقاومت کششی بر روي این نمونهها، طرح اختلاط بهینه که داراي بیشترین
مقاومت با کمترین عیار سیمان بود، انتخاب گردید. سپس اقدام به ساخت نمونههاي اصلی با مقادیر متفاوت میکروسیلیس وپودر سنگ گردید. در ادامه آزمایشهاي مقاومت فشاري و کششی بر بروي نمونهها انجام گردید.
-1-2 مصالح مصرفی
-1-1-2 سیمان
سیمان مصرفی در این پژوهش از نوع سیمان پرتلند پوزولانی تیپ II بوده که از کارخانه سیمان صوفیان تهیه گردیده است.
همچنین جهت یکسان سازي سیمانهاي مصرفی در این پژوهش، تمامی پاکت هاي سیمان با یکدیگر مخلوط شدهاند. مشخصات و اجزاي تشکیل دهنده این سیمان بر طبق مشخصات ارائه شده توسط کارخانه سازنده مطابق جدول زیر میباشد.
-2-1-2 مواد افزودنی ( فوق روان ساز و سیال کننده بتن)
در این پژوهش از فوق روان کننده بر پایه پلی کربوکسیلات اتر استفاده گردید. بنابر توصیه سازنده، میزان مصرف فوق روان کننده بین 0,3 تا 2 درصد وزن سیمان می باشد. بر طبق پژوهشهاي انجام گرفته و نتایج مقالات ارائه شده، میزان بهینه فوق روان ساز در بتن خودتراکم به میزان 2 درصد وزن سیمان میباشد.
در این پژوهش، براي تولید بتن خودتراکم با ویژگیهاي قابل قبول، از ماده اصلاح کننده لزجت بتن یا VMA که در بتن هاي خود تراکم کاربرد دارد، استفاده گردید. بنابر توصیه سازنده مقدار مصرف این ماده 0,3 تا 0,7 درصد وزن سیمان میباشد که در این پژوهش به میزان 0,3 درصد وزن سیمان استفاده گردید.
-3-1-2 سنگدانه ها
جهت اجراي پژوهش آزمایشگاهی حاضر، از مصالح معدنی به شرح زیر که از منبع محلی(تبریز) تهیه گردیده است، استفاده شده است:
-1-3-1-2 سنگدانه درشت: سنگدانه شسکته براي بهبود مقاومت بتن منتاسب است زیرا گوشه دار بودن ذرات سبب قفل و بست بهتر ذرات با یکدیگر میشود. اما سنگدانه گرد گوشه جاري شدن بتن را بهبود میبخشد زیرا اصطکاك درونی را کاهش میدهد.
بطور کلی در بتن خودتراکم مقدار سنگدانه درشت کمتر از بتن معمولی میباشد.
-2-3-1-2 سنگدانه ریز: هر دو نوع ماسه شکسته و گرد گوشه در مخلوط بتن خودتراکم قابل استفاده میباشد. هر چه مقدار ماسه در مخلوط بیشتر باشد، مقاومت برشی مخلوط بیشتر میگردد. ماسه شکسته نیز در مقایسه با ماسه گرد گوشه مقاومت برشی بیشتري دارد.
بزرگترین اندازه اسمی سنگدانه ( Dmax ) مصرفی در طرحهاي اختلاط ارائه شده برابر 19 میلیمتر میباشد. آزمایش دانه بندي مطابق با استاندارد ASTM C33-87 براي شن و ماسه انجام گردید و مدول نرمی ماسه برابر 3 همچنین درصد خاك ماسه برابر
2 بدست آمد.
-4-1-2 مواد پرکننده (فیلر)
الزامات رئولوژي خاص بتن خودتراکم براي ایجاد روانی قابل قبول و پایداري مناسب و همچنین جهت کاهش میزان مصرف شن در مخلوط بتن، استفاده از فیلر الزامی است. در این پژوهش از پودر سنگ چینی که از معدن محلی (سلماس) تهیه شده بود، بعنوان فیلر استفاده گردید. اندازه فیلرها مطابق توصیه آیین نامه ACI کمتر از 125 میکرومتر میباشد. همچنین میکروسیلیس نیز در این پژوهش به عنوان یک فیلر دیگر مورد بررسی قرار گرفت. این میکروسیلیس از معدن ازنا لرستان تهیه گردیده است.
-5-1-2 نسبت هاي اختلاط
جهت اجراي این پژوهش 3 طرح اختلاط بهینه بتن خود تراکم با عیار سیمان 300، 350 و 400 کیلوگرم بر متر مکعب انتخاب گردید و پس از بررسی مقاومت فشاري 28 روزه آنها ( روش سعی و خطا) طرح اختلاطی با عیار سیمان 350 کیلوگرم بر متر مکعب و نسبت آب به سیمان 0,5 به منظور بررسی خواص مکانیکی بتن خود تراکم انتخاب گردید. بزرگترین اندازه اسمی سنگدانه مصرفی در این پژوهش 19 (Dmasx) میلیمتر می باشد. میزان میکروسیلیس مصرفی به ترتیب 6، 8، 10و 12 کیلوگرم در هر متر مکعب می باشد. همچنین میزان پودر سنگ مصرفی به ترتیب برابر 100، 150، 200 و 250 کیلوگرم در هر متر مکعب بتن میباشد. طرح هاي اختلاط استفاده شده در جدول 2 آمده است.
