بخشی از مقاله
چكيده
امروزه استفاده از سازههاي بتني در دنيا به طور گسترده رواج يافته و به عنوان يكي از سازه هاي پر كاربرد شناخته مي شوند. در كنار تمام مزايايي كه مي توان براي المان هاي بتني برشمرد، معايبي نيز به چشم مي خورد كه همين امر محققين را به رفع اين معايب مجاب ميكند. يكي از رويكردهايي كه تا به امروز به طور جدي مورد توجه محققين قرار گرفته است استفاده از بتنهاي با قابليت شكل پذيري، انعطاف پذيري و افزايش ظرفيت كششي آنها است كه استفاده از بتنهاي اليافي در انواع مختلف و بتنهاي كامپوزيت سيماني مهندسي - ECC - بيشتر مورد توجه قرار گرفته است.
در اين مقاله به بررسي جامعي از بتنهاي كامپوزيت سيماني مهندسي پرداخته شده است كه بر پايه مطالعات آزمايشگاهي انجام شده توسط محققين ميباشد. بتنهاي كامپوزيت سيماني مهندسي يكي از ايدههاي نو و جذاب در صنعت بتنهاي سبك است كه كليد اصلي آن استفاده از سنگدانه هاي ريز با قطر حداكثر ١٠ ميلي متر بجاي سنگدانه هاي درشت دانه در بتنهاي معمولي است . همچنين به جهت افزايش قابليتهاي آن از اليافهاي پلي وينل الكل - PVA - استفاده ميشود.
اين نوع بتن با وزن كمتر و انعطاف پذيري بيشتر و كنترل عرض ترك به مقادير قابل توجه به نسبت بتنهاي معمولي به طور جدي مورد توجه در صنعت ساختمان سازي قرار گرفته است. اين نوع بتن با توجه به هزينة قابل توجهي كه دارند بيشتر در بحث بهسازي و مقاوم سازي سازههاي بتني مورد استفاده قرار خواهند گرفت. به دليل عملكرد سازه اي مطلوبي كه بتن ECC در بارگذاري چرخه اي از خود نشان داده است، اين نوع بتن به عنوان يكي از بهترين تكنولوژيهاي موجود در زمينه ساخت بتن هاي نوين معرفي شده است.
١- مقدمه
المانهاي بتني علاوه بر مزاياي بسيار زيادي كه دارند با معايبي نيز همراه خواهند بود كه از جملة آن ميتوان به ضعف در برابر كشش، تردي، شكل پذيري محدودتر و ... اشاره كرد. از اين رو محققين در دهههاي اخير به دنبال تكنولوژي پيشرفتهاي جهت رفع معايب ذكر شده بودهاند كه ماحصل برخي از اين تحقيقات را ميتوان به بتنهاي اليافي١ در انواع مختلف و بتنهاي كامپوزيت سيماني مهندسي٢ اشاره كرد كه به طور جدي در حال حاضر نيز مورد بررسي در رفتارهاي لرزه اي آنها در المانهاي سازهاي قرار دارند.
توسعة بتنهاي اليافي - FRC - در چندين مرحله توسط محققين مختلفي مورد بررسي قرار گرفته است. در دهة ١٩٦٠ ميلادي تحقيقات نسبتاً گستردهاي توسط رومولدي و همكاران ]١, ٢[ انجام گرفت كه در ذيل تحقيقات صورت گرفته، اثر بخشي اليافهاي فولادي كوتاه در كاهش تردشكني بتنها بررسي گرديد. همين رويكرد در تحقيقات بعدي نيز به كمك اليافهايي با جنسهاي متنوع نظير شيشه، اليافهاي كربني، اليافهاي مصنوعي و طبيعي و در سالهاي اخير استفاده از اليافهاي هيبريدي كه با ساير اليافها و با طولهاي مختلف تركيب ميشود مورد بررسي قرار گرفت.
با افزايش تحقيقات بر روي رفتار سازهاي بتنهاي اليافي، استاندارد ] Rilem TC٣[ استفاده از آنها را به عنوان يك روش نوين جهت طراحي سازههاي بتني پيشنهاد كرده است. با توجه به تحقيقات صورت گرفته بر روي بتنهاي اليافي مشخص شده است كه اين نوع بتنها با رفتاري شبه- ترد٣ و نرم شدگي٤ همراه خواهند بود كه نمونة آزمايش انجام شده بر روي اين نوع بتنها در شكل ١ نمايش داده شده است. با صرف نظر از شاخة نرم شدگي، بتنهاي اليافي FRC حتي با الياف استفاده شده با حجم كم، تركهاي ناشي از جمع شدگي بتن را به خوبي كنترل ميكنند ]٤.[ در آغاز دهة ١٩٨٠ ميلادي محققين علاقمند به بهبود رفتار كششي بتنهاي اليافي FRC بودند.
در بتنهاي اليافي FRC سختي مصالح افزايش مييابد ليكن هيچگونه تغييري در شكل پذيري ديده نميشود. طبق تعريف، شكل پذيري ظرفيت تغيير شكل كششي - كرنشها - با مشاركت آرماتورها در يك عضو بتني است. تلاشهاي اوليه جهت دستيابي به شكل پذيري كششي توسط اوستون و همكاران ]٥[ و پس از آن توسط كرنچل و استنگ ]٦[ انجام شد كه در نتيجة تحقيقات آنها مشخص شد كه چنانچه از اليافهاي پيوسته و منظم استفاده شود، شكل پذيري اين نوع بتنها تا ١٠٠ برابر بتنهاي معمولي قابل دستيابي است. از جملة اليافهاي پيوسته تقويت كننده مدرن امروزه ميتوان به اليافهاي نساجي اشاره كرد كه گاهاً ميتوان آنها را پيش تنيده نيز كرد ]٧, ٨.[ همچنين براي اين منظور تحقيقات بسيار گستردهاي جهت بهبود رفتار بتنهاي اليافي FRC انجام شده است.
با استفاده از مصالح مختلف جهت بهبود رفتار بتنهاي اليافي FRC ممكن است انواع مختلفي از بتنها را با رفتار متفاوت تهيه كرد كه عمدة اختلاف رفتاري آنها شكل پذيري كششي و اغلب همراه با سخت شدگي كرنشي بر خلاف رفتار نرم شدگي پس از تسليم ميباشد. نعمان و رينهارت ]٩[ همچين مصالحي را به نام بتن كامپوزيتهاي سيماني اليافي٥ - HPFRCC - طبقه بندي كردند. اين نوع بتنها فاقد مصالح درشت دانه هستند كه بنابراين بايد به الياف كه نقش چسبنده يا ملات تقويتي دارد توجه ويژهاي شود چراكه رفتار عضو بتني شديداً وابسته به آنها خواهد بود
شكل ١- نمودار تنش- كرنش تك محوره براي بتنهاي معمولي، بتن FRC و ] HPFRCC٤[
در شكل ١ تفاوت بين رفتار كششي اعضاي ساخته شده با بتنهاي معمولي، بتنهاي اليافي - FRC - و بتنهاي كامپوزيت سيماني اليافي - HPFRCC - كه نمونهها تحت تنش كششي تك محوره قرار گرفتهاند نمايش داده شده است. همانطور كه در اين شكل مشخص است، رفتار تردشكني بتن معمولي به شبه- ترد براي بتن اليافي و سپس به رفتار شكل پذير توسط بتنهاي كامپوزيت سيماني اليافي تبديل ميشود. همچنين رفتار ترد شكني بتن معمولي به رفتار نرم شدگي توسط بتنهاي اليافي و سپس به رفتار سخت شوندگي بعد از تسليم توسط بتنهاي كامپوزيت سيماني اليافي تبديل ميشود.
همانطور كه از شكل ١ پيداست، بتن معمولي تحت تنش كششي تك محوره پس از تسليم دچار گسيختگي ميشود و شكل پذيري بسيار محدودي خواهد داشت. اما در بتنهاي اليافي FRC بعد از تسليم با رفتار نرم شدگي همراه بوده و در نهايت با باز شدن ترك گسيختگي در يك ناحية ضعيف اتفاق خواهد افتاد. اما در بتنهاي كامپوزيت سيماني اليافي همانطور كه مشخص است پس از تسليم بر خلاف بتنهاي اليافي با سخت شدگي كرنشي مواجه شده و همين مسئله موجب افزايش شكل پذيري چندين برابر عضو و مانع از باز شدن عرض ترك - يا تركها - ميشود و به اصلاح ريزتركهايي در عضو به وجود خواهد آمد
در سالهاي اخير دو نوع از بتنهاي HPFRCC ظهور پيدا كرده است كه از جملة آنها ميتوان به بتنهاي داكتال١ اشاره كرد. بتن داكتال داراي مقاومت كششي بالايي تا 12MPa و انعطاف پذيري - شكل پذيري - ٠٢/٠ تا ٠٦/٠ درصد است ]١٠.[ همچنين نوع ديگري از اين بتنها ميتوان به بتنهاي كامپوزيت سيماني مهندسي ECC اشاره كرد. اين نوع بتنها كه اولين بار در دانشگاه ميشيگان امريكا توسعه يافت به طور متوسط داراي مقاومت كششي بين 4 تا 6MPa بوده و در مقابل نيز داراي شكلپذيري بسيار بالا بين ٣ تا ٥ درصد ميباشد ]١١, ١٢.[ در شكل ٢ نمودار تنش- كرنش براي اين دو نوع بتن نمايش داده شده است. براي بتن داكتال از نمونههاي مكعبي به ابعاد 70×70×160 mm استفاده شد ]١٠[ كه در شكل ٢-الف نمودار تنش-تغيير شكل براي آن نمايش داده شده است. همچنين در مدل بتن كامپوزيت سيماني مهندسي ECC از نمونه مكعبي به ابعاد 76×13×305 mm استفاده شد ]١٢[ كه نمودار تنش- كرنش آن در شكل ٢-ب نمايش داده شده است.
توسعه و گسترش تحقيقات در زمينة بتنهاي ECC به علت مزاياي منحصر به فردي كه دارند همچنان جزئي از كارهاي برتر دنيا در زمينه مهندسي سازه و زلزله شمرده ميشوند. تعدادي از سازههاي كاربردي ساخته شده با اين نوع بتن با مقياس واقعي توسط كشورهايي نظير ژاپن، كشورهاي اروپايي و امريكا مورد آزمايش قرار گرفته شدهاند. در اين مقاله به صورت خلاصه به مطالعات انجام شده بر روي بتنهاي ECC پرداخته ميشود كه علاوه بر اينكه خصوصيات بنيادي بتنهاي ECC شرح داده خواهد شد، در يك بخش به رفتار سازه اي المانهاي بتن مسلح كامپوزيت سيماني مهندسي R/ECC و در يك بخش به دوام و مقاومت بتنهاي ECC و R/ECC خواهيم پرداخت.
