مقاله بتن مقاومت بالا با استفاده از پلیمرهای سوپر جاذب

بخشی از مقاله

بتن مقاومت بالا با استفاده از پلیمرهاي سوپر جاذب
چکیده
در این مقاله به بررسی ساخت بتن مقاومت بالا با استفاده از پلیمرهاي سوپر جاذب پرداخته خواهد شد. این پلیمرها کاربردهاي بسیاري در صنایع مختلف مانند کشاورزي، پزشکی و محیط زیست دارند. این مواد می توانند صدها برابر وزن خود آب جذب کنند. صنعت بتن نیز می تواند از این مواد به عنوان مواد مضاف در عمل آوري داخلی بتن استفاده کند. در این تحقیق پلیمر سوپر جاذب از نوع آ- 200 براي عمل آوري داخلی بتن و بررسی تاثیر آن بر مقاومت فشاري بتن مقاومت بالا مورد استفاده قرار گرفت. در گام اول بتن مقاومت بالا بدون استفاده از پلیمرهاي سوپر جاذب ساخته شد. سپس این پلیمرها به بتن اضافه شده و تاثیرات آن مورد مطالعه قرار گرفت. پلیمرها در دو حالت خشک و اشباع به مخلوط اضافه شدند. براي ساخت نمونه ها از قالبهاي مکعبی 10 10  10cm استفاده شد. نتایج نشان دادند که استفاده از این پلیمرها در شرایط خشک و مقدار مشخص موجب افزایش مقاومت فشاري نمونه ها و تولید بتن با مقاومت بالا می شود.
کلمات کلیدي: بتن، عمل آوري داخلی، بتن مقاومت بالا، پلیمرهاي سوپر جاذب (SAP)، مقاومـت فـشاري.

.1 مقدمه
تحقیق و توسعه در زمینه بتن مقاومت بالا (HSC) و کاربرد آن در پروژه هاي ساختمانی و صنعتی به صورت روزافزون در حال گسترش است.[1-3] با توجه به کاربرد زیاد این نوع بتن در نقاط مختلف دنیا تعاریف مختلفی از آن وجود دارد. براساس تعریف ACI 363 بتن با مقاومت بالا بتنی است که داراي مقاومت فشاري بالاتر از 420kg/cm2 براي بتن ساخته شده از سنگدانه هاي معمولی و 280kg/cm2 براي بتن ساخته شده از سنگدانه هاي سبک می باشد.[4] در کارگاههاي امریکاي شمالی معمولاً به بتن هاي با مقاومت فشاري 28 روزه بیش از42MPa بتن با مقاومت بالا گفته می شود. بکارگیري بتن مقاومت بالا در سازه هاي عمومی و سازه هاي بلند به عنوان معیاري براي سنجش میزان پیشرفت کشورها به حساب می آید.[5] از سال 1972 تا 1992 تنها در شهر شیکاگو بیش از 30 ساختمان بلند با ستونهایی از بتن با مقاومت 62MPa ساخته شده است. موارد مشابه بسیار بیشتري را نیز می توان در امریکا و کانادا نام برد.[3] یکی از مهمترین تفاوتها بین ترکیبات بتن معمولی و بتن مقاومت بالا استفاده از مواد مضاف شیمیایی و معدنی است. این مواد براي کاربردهایی نظیر کاهش نسبت آب به سیمان، کاستن از میزان مصرف سیمان، بهبود خواص رئولوژیکی بتن و بهبود شرایط عمل آوري بتن می باشند. براي بتن هاي معمولی، یکی از روشهاي بسیار موثر عمل آوري مرطوب در مجاورت آب است. علاوه بر این، عمل آوري از طریق منابع آب داخلی نیز می تواند انجام شود. این نوع از عمل آوري که به عمل آوري داخلی معروف است در دهه 90 رشد چشمگیري داشته است.[6] مؤسسه RILEM عمل آوري داخلی را به این صورت تعریف نمود: عمل آوري داخلی اشاره دارد به وارد کردن یک ترکیب به داخل بتن، بطوریکه بتواند به عنوان یک ماده عمل آورنده در داخل بتن قرار گیرد. این ماده می تواند یا یک سنگدانه باشد که در شرایط ویژه اي وارد بتن شده است(مثل حالت اشباع) و یا یک افزودنی ویژه باشد.[6] تعریفی که مؤسسه بتن آمریکا (ACI Committee 88) در مورد عمل آوري داخلی دارد، با تعریف ارائه شده توسط مؤسسه RILEM کمی متفاوت است. طبق این تعریف عمل آوري داخلی به فرایندي گفته می شود که عمل هیدراسیون به علت در دسترس بودن آب داخلی اضافی پیشرفت می کند که این آب قسمتی از آب مخلوط نمی باشد. عمل آوري داخلی یکی از انواع روشهاي عمل آوري بتن محسوب می شود که نیازي به عمل آوري به صورت خارجی نیست.[7] این روش که به روش شیمیایی خود عمل آورنده معروف است، شامل اضافه کردن یک مادة حل شونده در آب نظیر پلیمرهاي گلیکول (پلی اتیلن گلیکول) در طول فرایند مخلوط کردن بتن می باشد، که تبخیر آب از بتن سخت شده را به تأخیر می اندازد و یا کاهش می دهد. همچنین از اتلاف و جذب آب توسط لایه هاي زیرین بتن جلوگیري می کند. این افزودنی ها که شامل مواد حل شونده در آب هستند داراي گروههاي هیدروکسیل می باشند که حفاظت آبی را در بتن ارتقاء داده و باعث بالا رفتن درجه هیدراسیون بتن می شوند. پیوند هیدروژنی که بین گروههاي عاملی هیدورکسیل ایجاد می شود باعث افت فشار بخار آب و در نتیجه کاهش تبخیر آب خواهند شد. این مواد افزودنی مورفولوژي ژل C-S-H را تغییر می دهند و موجب کاهش قابلیت جذب بتن خواهند شد. مزیت هاي استفاده از این مواد زمانی مشهود است که نگهداري آب براي چنین مخلوطهایی، با بتن هاي معمولی مقایسه می شود که تمام نتایج حاکی از بهتر شدن شرایط می باشد. بتن هاي خود عمل آورنده در مقایسه با بتن هاي معمولی کمتر در معرض فرایند خود خشک شدگی قرار دارند. از طرفی در بتن هاي خود عمل آورنده شرایط هیدراسیون بهتر خواهد شد. این مطلب را هم می توان از مقایسه میزان نفوذ پذیري بتن هاي خود عمل آورنده با بتن هاي معمولی نتیجه گرفت زیرا که در این نوع از بتن ها میزان کاهش نفوذ پذیري با زمان بیشتر از بتن هاي معمولی است.[8] در این مقاله تاثیر استفاده از پلیمرهاي سوپر جاذب که باعث عمل آوري داخلی بتن می شوند را بر ساخت بتن با مقاومت بالا بررسی کرده و به مطالعه مقاومت فشاري ملات هاي آزمایشگاهی که با فرایند عمل آوري داخلی در دو حالت پلیمر خشک و پلیمر اشباع در مقایسه با نمونه هاي بدون پلیمرهاي سوپرجاذب پرداخته می شود.

.2 مصالح و مواد مصرفی
.2,1 پلیمرهاي سوپر جاذب
در این تحقیق به منظور بررسی امکان نگهداري داخلی بتن از سوپرجاذب A200 استفاده شده است. این سوپرجاذب نسبت به پلیمرهاي مشابه خارجی از خواص تورمی و استحکام جالب توجهی برخوردار بوده، بطوریکه کیفیت بسیار بالاي این سوپرجاذب و همچنین ارزان بودن آن نسبت به پلیمرهاي سوپرجاذب خارجی باعث گردیده بسیاري از شرکتهاي تولید محصولات کشاورزي از آن استفاده کنند. با استفاده از روش سعی و خطا مقادیر مختلفی از آن مورد استفاده قرارگرفت تا مقدار مناسب براي استفاده در بتن بدست آید. در این آزمایشها، اضافه کردن این مواد در دو حالت خشک و اشباع انجام شد. همچنین براي کنترل شرایط نمونه ها و مقایسه با شرایط نرمال نمونه هایی بدون استفاده از پلیمرهاي سوپرجاذب ساخته شدند. در حالت خشک سوپرجاذبها قبل از اضافه کردن آب به مخلوط اضافه می شدند. در این حالت مقدار آب اضافه شده به مخلوط بیش از میزان مورد نیاز در نظر گرفته شده است. مقدار آب اضافی با این فرض به مخلوط افزوده شد که متوسط جذب آب توسط سوپرجاذبها با متوسط ذرات 125ʽm در مخلوطهاي بتنی برابر 65g/g است. در حالت اشباع نیز طرح اختلاط هایی ساخته شد که در تمامی آنها میزان آب لازم براي اشباع190 برابر وزن آن برآورد شده است. در این آزمایشها از سوپرجاذب مانده برروي الک 100 و140 با میانگین اندازة ذرات 125ʽm استفاده شد. در حالت خشک مقداري آب اضافه 0/05 براي اشباع سوپرجاذبها به مخلوط اضافه شد. در این حالت سوپرجاذبها بعد از تمام شدن آب به مخلوط اضافه می شدند و زمان مخلوط کردن 5 دقیقه در نظر گرفته شد تا فرصت کافی به سوپرجاذبها براي جذب آب داده شود. در حالت اشباع نیز با توجه به اینکه میزان جذب این مواد (190g/g) اندازه گیري شده بود، ابتدا آنها را اشباع کرده و بعد از اضافه کردن آب به مخلوط اضافه می شدند.

براي تعیین میزان جذب آب سوپرجاذبها از دو آزمون روش کیسه چاي و روش الک استفاده شد. نتایج بدست آمده از این روشها در جدول 1 ارائه شده است. با توجه به اختلاف نتایج بدست آمده از دو روش، تصمیم گرفته شد که از نتایج روش الک استفاده شود. علت این امر نزدیک بودن نتیجه این روش به میزان جذب نهایی 190 g/g (اعلام شده توسط تولید کننده) است. نسبت وزنی سوپرجاذبهاي استفاده شده به وزن سیمان برابر 0/05 درصد می باشد.

.2,2 مصالح سیمانی
سیمان مورد استفاده در طرح اختلاط ها، سیمان تیپ II با چگالی ویژه 3/15 gr/cm3 و نرمی 3200 gr/cm2 می باشد. میکروسیلیس استفاده شده در این تحقیق، میکروسیلیس شرکت فروسیلیس ایران بوده و داراي 93/6 درصد سیلیس می باشد.

.2,3 فوق روان کننده
در این تحقیق از فوق روان کننده بر پایه پلی کربوکسیلیک اتر (مطابق با استاندارد (ASTM C494 استفاده شد. این فوق روان کننده داراي رنگ شفاف مایل به قهوه اي روشن بوده و وزن مخصوص آن 1/02 kg/lit می باشد. روش اضافه کردن فوق روان کننده به بتن کارآیی و مقاومت آنرا تحت تأثیر قرار می دهد. روش مشخصی براي تعیین مقدار فوق روان کننده وجود ندارد و به ناچار باید به روش آزمون و خطا مقدار آن را تعیین کرداصولاً. اگر مقاومت معیار اصلی باشد باید نسبت آب به سیمان را به حداقل ممکن رساند و بنابراین مقدار فوق روان کننده لازم، به حداکثر مقدارش می رسد. . در کلیه طرح اختلاط هاي ساخته شده که در آنها از فوق روان کننده استفاده شده است. قبل از اضافه کردن آب، فوق روان کننده با آب مخلوط شده، و سپس همراه با آب به بتن اضافه می شود.

.2,4 سنگدانه هاي مصرفی
سنگدانه هاي مورد استفاده در این تحقیق از نوع سیلیسی شکسته شده می باشد. دانه بندي و نسبت ترکیبات به صورت نسبت وزنی و بر اساس تجربیات گذشته انتخاب شدند. دانه بندي نمونه ها در حدود اندازه الک 8 الی 60 بر اساس استاندارد الک هاي ASTM انتخاب شده است. دانه هاي سیلیسی پس از شکستن و دانه بندي به دلیل ناخالصی زیاد شسته شده و پس از خشک کردن در آون و توزین بر اساس طرح اختلاط هاي مربوطه در ساخت ملات بکار می رفتند.

.2,5 برنامه آزمایشگاهی
براي ساخت نمونه ها ابتدا سنگدانه هاي سیلیسی دانه بندي شده و با وزن مشخص را همراه با میکروسیلیس در حالت خشک در جام مخلوط کن ریخته شدند تا پس از مخلوط شدن در جام، میکروسیلیس سطح خارجی سنگدانه ها را بپوشاند. سپس سیمان به داخل مخلوط کن اضافه می شد. پس از اضافه کردن سیمان، مخلوط آب و فوق روان کننده به آرامی به مخلوط اضافه می شود
(در مدت 3 دقیقه). در این مدت میکسر با سرعت کم در حال چرخیدن بود. دماي آزمایشگاه در زمان ساختتقریباً 20-2˚C
براي تمام نمونه ها اندازه گیري شده است. نمونه هاي ساخته شده با SAP به دو صورت خشک و اشباع به مخلوط اضافه می شدند، در حالت خشک مقداري آب اضافه(((w/b )e= 0.05 براي اشباع سوپرجاذبها به مخلوط اضافه می شد. در این حالت سوپرجاذبها بعد از تمام شدن آب به مخلوط اضافه می شدند. در این حالت زمان مخلوط کردن را به 5 دقیقه رسانده تا فرصت کافی به سوپرجاذب ها براي جذب آب داده شود. در حالت اشباع نیز با توجه به اینکه میزان جذب آب این مواد (190 g/g) اندازه گیري شده بود، ابتدا آنها را اشباع کرده که میزان این آب اضافه شده در جدول شماره 2 به صورت حاصل جمع همراه با نسبت آب به سیمان ارائه شده است. لذا پس از اشباع سوپر جاذبها در این آب به همراه نسبت آب به سیمان مربوط به آن طرح به مخلوط اضافه شدند. بعد از ریختن تمام مصالح در جام، مخلوط حاصل به داخل قالبهاي 10×10×10 cm ریخته و در 3 لایه همراه با ویبره متراکم شدند. بعد از 24 ساعت قالبها را باز و نمونه ها را پس از توزین در شرایط محیطی معمولی عمل آوري می شدند. مقاومت فشاري نمونه ها در سنین 7 و 28 روزه اندازه گیري شده است. از هر طرح اختلاط 2 نمونه ساخته و میانگین مقاومت فشاري آنها را گزارش شد.
براي سنجش تأثیر استفاده از مواد سوپر جاذب بر مقاومت فشاري، تمام نمونه هاي ساخته شده اعم از نمونه هاي بدون SAP و نمونه هاي حاوي SAP (در دو حالت پلیمر خشک و پلیمر اشباع با آب اضافه شده) در مجاورت هوا عمل آوري شدند. به این وسیله چون شرایط نگهداري براي تمامی نمونه ها یکسان است می توان امکان عمل آوري داخلی و اثر آن را بر نمونه هاي ساخته شده را مورد سنجش قرار داد. روشهاي عمل آوري که در سطح آزمایشگاه استفاده می شود با شرایط عمل آوري در کارگاه تا حد زیادي متفاوت می باشد. شرایط عمل آوري در کارگاهمعمولاً به صورت قرار گیري نمونه هاي در شرایط باز و یا عمل آوري تناوبی می باشد. به منظور اینکه بتوان حادترین شرایط موجود براي عمل آوري را ایجاد نمود در طرح اختلاطهاي ساخته شده، کلیه نمونه ها اعم از نمونه مرجع و نمونه سوپرجاذب دار در محیط باز و هواي باز بلافاصله بعد از قالب برداري قرار داده شدند.