بخشی از مقاله
بررسی مقاومت فشاری بتن معمولی در برابر یخبندان
چکیده
بر خلاف دوام ذاتی بتن، سازههای بتنی زیادی یافت میشوند که خصوصیات خوبی از لحاظ دوام در مقابل یخبندان از خود نشان نمیدهند. آثار تخریب و گسیختگی بعد از چندین ماه از کاربری در این سازهها قابل روئیت میباشد. اهمیت این مساله تحقیقات زیادی را در زمینه دوام بتن در برابر یخبندان به خود جلب کرده است.
از مهمترین عوامل موثر در شکلگیری مقاومت فشاری بتن در حین یخبندان میتوان به سه عامل نسبت آب به سیمان، درصد هوای موجود در بتن تازه و تعداد سیکلهای یخزدن و آب شدن متوالی اشاره نمود. در تحقیق حاضر اثر متغیرهایی همچون نسبت آب به سیمان، درصد هوای موجود در بتن تازه و تعداد سیکلهای یخبندان، بر مقاومت فشاری بتن در برابر سیکلهای متناوب یخزدن و آب شدن مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور از چهار نسبت آب به سیمان 0/5، 0/6، 0/7 و 0/8 و چهار درصد مختلف هوا در بتن تازه به میزان 3، 4/5، 6 و 7/5 استفاده شد و مقاومت فشاری نمونهها بعد از 45، 100 و 150 سیکل یخزدن و آب شدن متوالی بدست آمد. جهت مقایسه، مقاومت فشاری نمونههای شاهد که دارای همان طرح اختلاط بودند و تحت اثر یخبندان قرار نگرفتند، در سنین 28، 46 و 63 روزه (همزمان با اتمام سیکلهای 45، 100 و(150 اندازه گیری شد. در مجموع 288 نمونه بتن معمولی ساخته و نمونهها تحت آزمایش ذوب و انجماد بر اساس استاندارد [1] ASTM C666B
قرار گرفتند. در نهایت حداکثر مقاومت فشاری برای بتن معمولی بعد از 45، 100 و 150 سیکل یخزدن و آب شدن، در نسبتهای آب به سیمان 0/5 تا 0/7 بازاء %4/5 هوای موجود در بتن؛ و در نسبت آب به سیمان 0/8 بازاء %7/5 هوای موجود در بتن حاصل شد. همچنین مشاهده شد که عموما ایجاد هوا در بتن تا 7/5 درصد، منجر به افزایش مقاومت فشاری بتن در حین یخبندان نسبت به حالتی که در مخلوط بتن ماده هوازا وجود نداشته باشد، میگردد.
کلید واژهها: بتن معمولی، دوام، سیکلهای یخزدن و آب شدن متوالی، مقاومت فشاری، مدل ریاضی تجربی، درصد هوا.
١
مقدمه
یخ زدن و آب شدن یکی از دلایل عمده خرابیهای بتن میباشد. این نوع خرابی در مناطق سردسیر ایران بخصوص در مناطق غربی و شمال غربی بسیار رایج میباشد. به منظور اعمال ضوابط فنی و رعایت اصول طراحی دوام سازههای بتنی، نیاز مبرمی به مدلهای ساده و کارا احساس میشود. از آنجایی که ابداع چنین روش هایی به تازگی مورد توجه قرار گرفتهاند، در این تحقیق سعی میشود، اثر پارامترهایی همچون نسبت آب به سیمان، درصد هوای موجود در بتن تازه و تعداد سیکلهای یخزدن و آب شدن متناوب بر مقاومت فشاری بتن معمولی مورد بررسی و مدلسازی قرارگیرد.
برنامه آزمایشها
مصالح
به منظور تنظیم طرح مخلوط بتن معمولی از مصالح ذیل استفاده گردید.
• سیمان نوع 1، با چگالی 3/15 و منطبق بر استاندارد .[2] ASTM C-150
• ریزدانه آهکی، با درصد خلوص بیش از (CaCO3>91%) %91 و دانه بندی در محدودۀ مجاز استاندارد ASTM، با
مدول نرمی 2/46، چگالی 2/478، جذب آب %1/6 و رطوبت طبیعی .%0/3
• درشت دانه شکسته آهکی، با درصد خلوص بیش از (CaCO3>96%) %96 و دانه بندی منطبق بر منحنی دانه بندی شمارۀ 8 استاندارد [3] ASTM C-33، با حداکثر قطر برابر 9/5 میلیمتر، چگالی 2/64، وزن مخصوص خشک و میله خوردۀ 1460kg/m3، جذب آب %0/7 و بدون رطوبت طبیعی.
• افزودنی هوازا، تشکیل شده از نوعی صمغ مرکب از مواد مصنوعی، بصورت مایع نسبتا غلیظ زرد رنگ، با چگالی 1/01 و با نام تجاری مادۀ هوازای سیکا، محصول کشور سوییس.
ساخت، عمل آوری و آماده سازی نمونهها
در این تحقیق جهت ساخت بتن از روش استاندارد [4] ACI 211 استفاده گردید. آزمایشها با به کارگیری یک نمونه ریزدانه، یک نمونه درشت دانه از گروه آهکی، یک نوع سیمان، چهار نسبت متفاوت آب به سیمان 0/5)، 0/6، 0/7 و (0/8، چهار درصد هوا 3)، 4/5، 6 و 7/5 درصد)، در سه سیکل یخزدن و ذوب شدن 45) سیکل همزمان با سن 28 روزۀ بتن، 100 سیکل و 150
سیکل) و با سه بار تکرار برای هر آزمایش انجام گرفت. نهایتا 16 طرح اختلاط برای بتن معمولی در نظر گرفته شد. جدول 1
نسبتهای وزنی طرح اختلاط بتن را نمایش میدهد. پس از ساخت بتن، آزمایش اسلامپ را مطابق استاندارد ASTM C-143
[5] و آزمایش تعیین درصد هوا را مطابق استاندارد [6] ASTM C- 231 بر بتن تازه انجام گرفت. جدول 2 میزان اسلامپ و درصد هوا را برای نمونهها ارائه میدهد. محدود بودن حجم دستگاهی که آزمایش یخ زدن و آب شدن با آن انجام میگرفت و همچنین محدود بودن نیروی اعمالی از طرف دستگاه بارگذاری موجب گردید تا در تحقیق حاضر از نمونههای مکعبی به ابعاد
70 میلیمتر استفاده گردد. بتن پس از قالبگیری تا 24 ساعت زیر گونیهای مرطوب قرار میگرفت و نمونهها تا 2 ساعت قبل از آزمایش درون حوضچههای آب بصورت مستغرق نگهداری میشدند که این مساله بر اساس توصیه استاندارد ASTM C192
انجام گردید .[7] نمونههایی که تحت اثر سیکلهای متناوب یخزدن و آب شدن قرار میگرفتند، به مدت 14 روز قبل از شروع آزمایش یخبندان درون حوضچههای آب بصورت مستغرق نگهداری شدند. آزمایش یخزدن و آب شدن طبق ASTM C-666B
بر روی نمونهها انجام گرفت. طبق توصیه های این استاندارد، هر سیکل یخزدن و آب شدن 3 ساعت به طول انجامید که در
%20 این زمان، نمونهها در حالت غیر انجماد قرار گرفتند و در %80 زمان فوق، نمونهها در حالت انجماد قرار گرفتند. به دلیل انجام سیکلهای یخبندان بوسیله نیروی انسانی و نیز به دلیل محدودیت زمان کاری آزمایشگاه، در هر شبانه روز تنها انجام سه
٢
سیکل ذوب و انجماد امکان پذیر بود؛ لذا در ساعات غیر اداری بنا به توصیه استاندارد ASTM C-666 نمونهها در حالت انجماد
قرار گرفتند. شکل 1 نحوۀ قرارگیری نمونهها در دستگاه یخزدن و آب شدن را نمایش میدهد.
جدول -1 نسبتهای وزنی طرح اختلاط بتن معمولی
جدول -2 اسلامپ و درصد هوای مخلوط بتن معمولی (N)
ارائه نتایج
٣
در انجام آزمایشهای مربوطه، بارگذاری نمونهها با دستگاه الکتروهیدرولیکی و با سرعتی به طور متوسط برابر /38 MPa/sec 0 انجام گرفت (شکل .(2 هنگام آزمایش مطابق استاندارد [8] ASTM C- 617، طرفین نمونهها با سولفور، کلاهک گذاری1
شدند تا سطوح اعمال بارکاملاً صاف و عمود بر طول نمونه گردند.
شکل -1 نحوۀ قرارگیری نمونهها در دستگاه یخزدن و آب شدن شکل -2 نحوۀ انجام آزمایش مقاومت فشاری
مقاومت فشاری بتن معمولی بعد از سیلکهای 45 (همزمان با سن 28 روزۀ بتن)، 100 و 150، انجام گرفتند. همزمان با انجام آزمایشهای فوق، آزمایش مقاومت فشاری روی نمونههای شاهد، جهت مقایسه با نمونههایی که تحت اثر یخبندان قرار میگیرند، انجام گرفت. قابل ذکر است که نمونههای شاهد از لحاظ طرح اختلاط مشابه نمونههای اصلی بوده ولی تحت اثر یخبندان قرار نگرفتند. جدول 3 مقاومت فشاری نمونههای بتن معمولی را تحت سیکلهای یخزدن و آب شدن نمایش میدهند. جدول 4 نیز مقاومت فشاری را برای نمونههای شاهد بتن معمولی ارائه میدهد. در این جدول f 'c7 بیانگر مقاومت فشاری در سن 7 روزۀ بتن میباشد وf 'c 28 ، f 'c 46 و f 'c63 به ترتیب بیانگر مقاومت فشاری بتن شاهد در سنین 28، 46 و 63 روزه (همزمان با اتمام سیکلهای 45، 100 و (150 میباشند.
تأثیر تعداد سیکلهای یخزدن و آب شدن بر مقاومت فشاری بتن در حین یخبندان
جدول 5 افت متوسط مقاومت فشاری بتن (متوسط، بازاء چهار درصد متفاوت هوای بتن تازه) را بعد از 45، 100 و 150 سیکل یخزدن و آب شدن متناوب را ارئه میدهد. جهت مقایسه، رشد متوسط مقاومت فشاری بتن شاهد (که تحت اثر یخبندان قرار نمیگیرد)، در اثر گذشت زمان در جدول 6 ارائه شده است. آنچه از دو جدول فوق استنباط میگردد، این است که عمل یخبندان نه تنها مانع از رشد مقاومت فشاری بتن در طول زمان میگردد، بلکه سبب افت مقاومت فشاری نیز میشود.
تأثیر نسبت آب به سیمان بر مقاومت فشاری بتن در معرض یخبندان
با تنظیم اشکال -3الف تا ج، اثر نسبت آب به سیمان را بر مقاومت فشاری بتن در حین یخبندان مورد بررسی قرار دادیم.
جهت مقایسه اثر نسبت آب به سیمان بر مقاومت فشاری بتن هنگامیکه بتن تحت سیکلهای یخبندان قرار نمیگیرد (بتن شاهد)، اشکال -4الف تا ج را مورد بررسی قرار دادیم. شکلهای -3الف، ب و ج، به ترتیب نشان دهندۀ مقاومت فشاری بتن در مقابل نسبتهای آب به سیمان بعد از 45، 100 و 150 سیکل یخزدن و آب شدن بوده و شکلهای -4الف، ب و ج به ترتیب
جدول -3 مقاومت فشاری نمونههای بتن معمولی بعد از سیکلهای یخزدن و آب شدن
٤
جدول -4 مقاومت فشاری نمونههای شاهد بتن معمولی
جدول -5 تاثیر تعداد سیکلهای یخزدن و آب شدن متناوب بر مقاومت فشاری بتن معمولی در معرض یخبندان
نشان دهندۀ مقاومت فشاری بتن شاهد در مقابل نسبتهای آب به سیمان بعد از 28، 46 و 63 روز (همزمان با اتمام سیکلهای 45، 100 و (150 میباشند. شکلهای -3الف تا ج نشان میدهند که در بتن معمولی بعد از 45، 100 و 150
سیکل یخزدن وآب شدن متوالی و به ازاء چهار درصد هوای 3 (در بتن بدون هوا و به صورت غیر عمدی)، 4/5، 6 و 7/5 (در بتن هوادار و بصورت عمدی)، به کارگیری نسبت آب به سیمان کمتر، بیشترین رشد را در مقاومت فشاری نهایی بتن ایجاد نموده است. مطابق اشکال مذکور هر چه تعداد سیکلهای یخبندان افزایش مییابد، اثر کاهش نسبت آب به سیمان بر افزایش مقاومت فشاری بتن (افزایش دوام) در حین یخبندان آشکارتر میگردد؛ لذا در اینجا میتوان به اهمیت نسبت آب به سیمان بر افزایش دوام بتن در برابر سیکل های متناوب یخزدن و آب شدن پیبرد. . شکل 5 اثر کاهش نسبت آب به سیمان را در افزایش دوام بتن در برابر یخبندان بعد از 150 سیکل متناوب ذوب و انجماد و برای بتن بدون مواد هوازا به تصویر میکشد. شکل 6 نیز این مطلب را برای بتن دارای 4/5 درصد هوا بعد از 100 سیکل ذوب و انجماد نمایش میدهد. شکلهای -7الف و ب نیز همین موضوع را از زاویهای دیگر برای بتن بدون مواد هوازا بعد از 150 سیکل متناوب یخزدن و آب شدن نشان داده و با بتن شاهد مقایسه میکند. اشکال فوق اثر کاهش نسبت آب به سیمان را از 0/8 به 0/5 در افزایش دوام بتن در برابر یخبندان به وضوح نمایش میدهند.
تأثیر درصد هوای بتن تازه بر مقاومت فشاری بتن در حین یخبندان
با تنظیم شکلهای -8الف تا ج، اثر درصد هوای بتن تازه را بر مقاومت فشاری بتن در حین یخبندان مورد بررسی قرار دادیم.
جهت مقایسه اثر درصد هوای بتن تازه بر مقاومت فشاری بتن هنگامیکه بتن تحت سیکلهای یخبندان قرار نمیگیرد (بتن شاهد)، شکلهای -9الف تا ج را مورد بررسی قرار دادیم. شکلهای -8الف، ب و ج بهترتیب نشان دهندۀ مقاومت فشاری بتن در مقابل درصد هوای بتن تازه بعد از 45، 100 و 150 سیکل یخزدن و آب شدن بوده، و شکلهای -9الف، ب و ج به ترتیب نشان دهندۀ مقاومت فشاری بتن شاهد در مقابل درصد هوای بتن تازه بعد از 28، 46 و 63 روز (همزمان با اتمام سیکلهای متناوب یخردن برابر با 45، 100 و (150 میباشند. شکلهای 8 نشان میدهند که در بتن معمولی بعد از 45، 100 و 150 سیکل یخزدن و آب شدن متوالی و به ازاء چهار نسبت آب به سیمان 0/5، 0/6، 0/7 و 0/8، به کارگیری 4/5 درصد هوا در بتن تازه بیشترین رشد را در مقاومت فشاری نهایی بتن ایجاد نموده و به کار گیری 3 درصد هوا (میزان هوای اتفاقی موجود در بتن بدون مواد هوازا)، کمترین رشد را در مقاومت فشاری نهایی بتن ایجاد نموده است. به عبارت دیگر میزان بهینه هوا برای رسیدن به مقاومت فشاری بالاتر برای بتنی که تحت سیکلهای متناوب ذوب و انجماد قرار میگیرد، 4/5 درصد میباشد.
