تاثیر میکروسیلیس بر مقاومت فشاری و کششی بتن سبک الیافی

نویسنده : کلینیک بتن ایران
تاریخ ثبت : 1397/07/08

تاثیر میکروسیلیس بر مقاومت فشاری و کششی بتن سبک الیافی

چکیده

امروزه استفاده از بتن سبک سازه ای در جهت کاهش بار مرده و بالا بردن ضریب اطمینان سازه ها در برابر بارهای لرزه ای از توجه روز افزونی برخوردار است. از طرفی استفاده از الیاف در بتن می تواند راه حل مناسبی جهت بهبود شکل پذیری و خواص مکانیکی باشد. محققین جهت بهبود عملکرد بتن حاوی سبکدانه، استفاده از الیاف پلیمری و فولادی را مورد مطالعه قرار داده و به کار بسته اند. بتن سبکدانه یکی از انواع بتن سبک می باشد که مقاومت آن در مقایسه با بتن های معمولی کمتر می باشد. یک راهبرد عملی جهت کسب حداقل مقاومت مورد نیاز برای این بتن، استفاده از افزودنی ها می باشد. یکی از این افزودنی ها میکروسیلیس می باشد. همچنین با جایگزین کردن مصالح ریزدانه طبیعی به جای ریزدانه سبک نیز تا حدودی می توان برمقاومت این نوع بتن افزود. این مقاله به بررسی تأثیر میکروسیلیس برخواص مکانیکی بتن الیافی (الیاف فولادی و پلی پروپیلن) حاوی سبکدانه اسکوریا می پردازد. میکروسلیس در مقادیر 10% و 15% جایگزین وزنی سیمان شده است. میزان الیاف فولادی و پلی پروپلین در این مطالعات به ترتیب برابر با (4/0% - 8/0%) حجم بتن و (2/0% - 4/0%) حجم بتن و با نسبت طول به قطر 5/62 و 60 می باشد. در این مطالعه 9 ترکیب مختلف بتن سبک حاوی درصدهای مختلف الیاف فولادی و پلی پروپیلن ساخته شد و تحت آزمایش های مقاومت فشاری، مقاومت کششی به روش دونیم شدن قرار گرفته اند که نتایج آزمایش ها بیانگر آن است که درصد بهینه میکروسیلیس 10 درصد می باشد. همچنین الیاف فولادی نسبت به الیاف و پلی پروپیلن تأثیر بهتری بر خواص مکانیکی بتن سبک می باشد .

1- مقدمه

ایران کشور لرزه خیزی می باشد که بر روی نوار زلزله هیمالیا آلپ که به آلپاید مشهور است قرار دارد. زلزله های طبس، رودبار، بم گواه لرزه خیز بودن ایران است. زلزله های اخیر در ایران نشان می دهد که اکثر خرابی های حاصل شده نه به خاطر آتش سوزی، سونامی و حوادثی از این دست بلکه به خاطر نیروی اینرسی زیاد ایجاد شده در سازه و عدم تحمل سازه برای این بار بوده است. ااستفاده از بتن سبک علاوه بر کاهش وزن بتن، کاهش هزینه در قالب بندی، کاهش ابعاد پی ساختمان، مقاومت بیشتر در برابر آتش، عملکرد بهتر در چرخه های ذوب انجماد را نسبت به بتن معمولی به همراه دارند.بتن سبک با توجه به ویژگی های خاصی که دارد دارای کاربردهای مختلف می باشد. از جمله کاربردهای این نوع بتن استفاده از آن در ساخت و سازهای بلند مرتبه، پل های با دهانه های بزرگ، سازه های دریایی، مصالح زیراساس برای روسازی راه، و نیز به عنوان جاذب انرژی در سازه های نظامی مدفون را می توان نام برد.چند راه برای تولید بتن سبک وجود دارد. حذف بخش ریزدانه از کل سنگدانه های موجود در بتن، که به آن اصطلاحاً بتن فاقد ریزدانه گفته می شود، راه دیگر تولید بتن سبک از طریق وارد کردن حباب های هوا با استفاده از افزودنی های شیمیایی و مواد کفزا که به آن بتن گازی یا بتن متخلخل (اسفنجی) گفته می شود و پرکاربردترین راه ساخت بتن سبک استفاده از سنگدانه های سبک در بتن است. 

طبق راهنمای ACI 213-87 بتن سبک سازه ای بایستی دارای مقاومت فشاری استوانه ای 28 روزه ای بیش تر از Mpa2/17 و وزن مخصوص خشک آن کمتر از kg/m31850 باشد. در کشور ایتالیا نیز مطابق آئین نامه های UNI 7548 حداکثر وزن مخصوص بتن سبک سازه ای را kg/m3 1850 می دانند. ولی در کشور لهستان و آلمان برطبق آئین نامه های PN-91 و DIN 4219 حداکثر وزن مخصوص بت سبک به kg/m3 2000  محدود شده است. در دیگر آئین نامه های اروپایی نظیر ENV 1992 و PREN 206 حداکثر وزن مخصوص بتن سبک سازه ای را به ترتیب برابر kg/m3 2000 و kg/m3 2100 می دانند.

مصرف بیشتر سیمان منجر به انتشار بیشتر گازهای گلخانه ای ازجمله CO2 ، آلوده شدن محیط زیست، ایجاد مشکلات پایداری ابعادی در بتن و غیره می شود. یکی از راه های برطرف کردن این مشکلات استفاده از مواد پوزولانی در بتن است که در سال های اخیر مورد توجه پژوهشگران زیادی قرارگرفته است. پوزولانها با ترکیب آهک هیدراته که حاصل از واکنش های هیدراته شدن فازهای اصلی سیمان بوده یا به صورت آزاد در سیمان وجود دارند، موجب تشکیل سیلیکات کلسیم هیدراته می شوند که برخلاف آهک هیدراته که قابل انحلال در آب است و ممکن است موجب تخریب بتن شود، ماده ای پایدار بوده و موجب بهبود خواص مکانیکی و شیمیایی خمیر سیمان می گردد.میکروسیلیس ماده ای بسیار ریز و آمورفی (غیر کریستالی) از جنس اکسید سیلیس که در فرایند تولید خود یا آلیاژهای عنصر سیلیسیم در کوره های الکتریکی به دست می آید. این ماده ذاتاً دارای خاصیت پوزولانی بسیار قوی می باشد که با استفاده از این خاصیت باعث بهبود ویژگی پایای و مقاومت بتن می گردد. با کاهش وزن (جرم حجمی) بتن، خواص مکانیکی آن نظیر مقاومت فشاری، مقاومت کششی، مدول گسیختگی و مدول الاستیسیته آن در مقایسه با بتن معمولی کاهش می یابد. یکی از روش های غلبه بر این ضعف، مسلح نمودن بتن به الیاف مناسب می باشد. در سال های اخیر مطالعات و پژوهش های فراوانی در ارتباط با بهبود مشخصات مکانیکی بتن صورت گرفته که از جمله آن ها می توان به مطالعات گسترده ای که درباره تکنولوژی بتن الیافی در جهان انجام گرفته اشاره نمود. در این زمینه تحقیقاتی توسط Şemsi Yazıcı همکارانش و Jianming Gao و همکارانش در زمینه تأثیر الیاف فولادی با نسبت های طول به قطر متفاوت بر روی خواص مکانیکی بتن انجام گرفته است که نکته مشترک همه این مقالات تأکید بر تأثیر مثبت الیاف فولادی بر خواص مکانیکی بتن سبک می باشد.

2- برنامه آزمایشگاهی

2-1- مصالحمورداستفاده

سیمان مورد استفاده در این تحقیق از نوع پرتلند نوع 2 تولید شده در کارخانه سیمان هگمتان بوده که دارای توده ویژه kg/m3 3150 و سطح مخصوص cm2/gr 2900 می باشد. همچنین از دوده سیلیس تولید شده در کارخانه صنایع فرو آلیاژ ایران (ازنا) به عنوان مواد پوزولانی در همه طرح ها استفاده شده است. توده ویژه دوده سیلیس استفاده شده kg/m3 2120 می باشد که مشخصات شیمیایی سیمان و دوده سیلیس در جدول 1 آمده است. همچنین ماسه مصرفی با قطر ذرات بین 0 تا 75/4 و از نوع رودخانه ای بوده که وزن مخصوص ظاهری در حالت SSD و جذب آب آن به ترتیبkg/m3  2520 و 3 درصد می باشد. به منظور کسب روانی مطلوب از فوق روان کننده P10-3R استفاده شده است که مشخصات آن در جدول شماره 2 آمده است. مشخصات الیاف فولادی و الیاف پلی پروپیلن در جدول 3 آمده است. همچنین دانه بندی و دیگر مشخصات ماسه و اسکوریای مصرفی در شکل 1 و 2 و جدول 4 و 5 آمده است.

جدول (1) :آنالیزشیمیاییسیمانودودهسیلیس

SO3 MgO Fe2O3 AL2O3 Cao SiO2  
43/2 55/1 82/3 95/4 24/63 54/21 سیمان
1/0 97/0 87/0 32/1 49/0 1/95 میکروسیلیس

جدول (3): مشخصات الیاف

نام الیاف فولدی الیاف پلی پروپیلن
شکل قلاب دار صاف
طول (mm) 50 12
قطر (µm) 800 200
چگالی (g/cm3) 7.85 0.9

جدول (2): مشخصت فوق روان کننده

نام P10-3R
نوع پلی کربوکسیلیک اثر اصلاح شده
ظاهر سبز تیره
چگالی (kg/m3) 1.1 ± 0.02
PH 7 ± 1
حالت فیزیکی مایع
طبیعت یونی آنیونی

 

شکل (1): دانه بندی ماسه

شکل (2): دانه بندی اسکوریا

جدول (4): دانه بندی سنگدانه

ASTM C330 اسکوریا (9.5 mm) ASTM C33 ماسه نام الک
100 100 - - 1/2 in (12.5mm)
80-100 83.5 100 100 3/8 in (9.5mm)
5-40 16.4 95-100 96 No.4 (4.75mm)
0-20 5 80-100 86.5 No.8 (2.36mm)
0-10 1.3 50-85 68.3 No.16 (1.18mm)
- - 25-60 46.5 No.30 (600 µm)
- - 10-30 10.6 No.50 (300 µm)
- - 2-10 3.5 No.100 (150 µm)

جدول (5): مشخصات فیزیکی سنگدانه

وزن مخصوص (kg/m3)              جذب آب (%)  
اشباع با سطح خشک (SSD) خشک 24 ساعته 30 دقیقه سنگدانه
2520 2380 3   ماسه
1650 1543 3/15 15/10 (mm 5/9) اسکوریا

2-2- طرحهایاختلاطوآمادهسازینمونهها

در این پروژه نسبت آب به مواد سیمانی در همه طرح ها ثابت و برابر 3/0 در نظر گرفته شده و به میزان 10 درصد از مواد سیمانی با دوده سیلیس جایگزین شده است. الیاف مورد استفاده در این پروژه الیاف فولادی قلاب دار با طول 50 میلی متر و الیاف پلی پروپیلن با طول 12 میلی متر می باشد. اختلاط بتن الیافی معمولاً به دو گونه متفاوت توسط محققین انجام می گیرد. بعضی ابتدا به اختلاط خشک الیاف با مصالح سنگی و سپس افزودن مواد سیمانی و آب پرداخته اند. اما بعضی دیگر ابتدا به ساخت بتن بدون الیاف پرداخته و در پایان، الیاف را به مخلوط اضافه می کنند. در این پژوهش ترتیب اختلاط مصالح برای ساخت بتن ها این گونه بود که ابتدا سبکدانه های خشک با قسمتی از آب اختلاط مخلوط شده که جهت پیش مرطوبی سبکدانه ها این مرحله تا 30 دقیقه به طول انجامید. سپس مواد سیمانی که شامل سیمان و دوده سیلیس می باشد به مخلوط اضافه شده و بعد از آن مقدار دیگری از آب به همراه فوق روان کننده به مخلوط اضافه گردید. در نهایت ماسه به داخل مخلوط کن ریخته شده و باقیمانده آب در حین اختلاط مصالح اضافه شد. در طرح های حاوی الیاف، الیاف به آرامی در مخلوط در حال چرخش پاشیده شد تا پراکندگی و یکنواختی مطلوب الیاف در کل بتن به دست آید. عملیات اختلاط به گونه ای انجام گرفت که آب معادل جذب آب نیم ساعته مصالح که قبلاً اندازه گیری شده است، جذب مصالح گردد. پس از ساخت بتن مطابق الگوی فوق، عملیات نمونه گیری جهت بررسی خواص مکانیکی انجام شده و پس از پر کردن قالب ها ، نمونه ها در دمای C˚ 2 ± 20 در محیط آزمایشگاه به مدت 24 ساعت نگهداری شده و بعد از گذشت این زمان و بازکردن قالب ها نمونه ها تا زمان آزمایش تحت عمل آوری مرطوب در دمای آزمایشگاه قرار گرفتند.
طرح های
اختلاط در جدول 6 آمده است

جدول(6):طرحهایاختلاط

الیاف فولادی الیاف پلی پروپیلن روان کننده اسکوریا ماسه آب میکروسیلیس سیمان  
kg/m3 kg/m3 kg/m3 kg/m3 kg/m3 kg/m3 kg/m3 kg/m3 کدطرح
0 0 5/2 676 705 150 0 500 1
0 0 4 661 705 150 50 450 2
0 8/1 4 657 705 150 50 450 3
4/31 8/1 5 649 705 150 50 450 4
8/62 8/1 6 641 705 150 50 450 5
0 0 5 653 705 150 75 425 6
0 8/1 5 650 705 150 75 425 7
4/31 8/1 6 641 705 150 75 425 8
8/62 8/1 7 633 705 150 75 425 9

3- جزییاتآزمونههاوآزمایشهایانجامشده

جهت بررسی خواص مکانیکی طرح های اختلاط ارائه شده آزمایش های مقاومت فشاری، مقاومت کششی به روش دونیم شدن برزیلی بر روی آزمونه های عمل آوری شده در شرایط مرطوب انجام گرفت. خلاصه ای از نوع، ابعاد آزمونه ها وروش های آزمایش در جدول شماره 7 آمده است.

جدول(7):خلاصهآزمایشهایبتنسختشده

نوع آزمون ابعاد آزمون (cm) بتن زمایش
مقاومت فشاری 10 × 10 × 10 28 روزه
مقاومت کششی (برزیلی) 15 × 30 Ø 28 روزه

4- نتایجآزمونهایبتنسختشده

4-1- مقاومتفشاری

نتایج نشان می دهد که در هرنه طرح می توان به مقاومت سازه ای حداقل دست یافت. شکل 3 و جدول 8 مقادیر مقاومت فشاری طرح های ساخته شده را نشان می دهد.

جدول(8):نتایجمقاومتفشاریبتن

9 8 7 6 5 4 3 2 1 طرح اختلاط
29 28.5 25.8 26.5 32 31.3 27.8 29 22 مقومت فشاری 28 روزه (MPA)

شکل (3): نمودار مقاومت فشاری

با توجه به نتایج مشاهده می شود که با جایگزینی میکروسیلیس به جای سیمان مقاومت فشاری افزایش می یابد که بیشترین افزایش آن در حدود 8/31% می باشد که مربوط به میکروسیلیس با درصد جایگزینی 10 درصد است. با افزایش میکروسیلیس از 10% به 15% مقاومت فشاری کاهش می یابد؛ لذا درصد بهینه میکروسیلیس 10% می باشد.تاثیر میکروسیلیس بر افزایش مقاومت فشاری در تحقیقات دیگران نیز آمده است. الیاف پلی پروپیلن موجب کاهش مقاومت فشاری گردیده و ترکیب الیاف فولادی و پلی پروپیلن موجب افزایش مقاومت شده است. تاثیر ناچیز الیاف برروی مقاومت فشاری در کارهای مطالعاتی دیگران نیز گزارش شده است. افزایش مقاومت فشاری تحت تاثیر الیاف فولادی را می توان بدین صورت توجیه نمود که وجود الیاف باعث به تاخیر افتادن رشد ریز ترک ها در بتن می گردد که در نتیجه باعث افزایش مقاومت و کرنش تحت بار حداکثر خواهد شد. اما دلیل کاهش مقاومت فشاری تحت تاثیر الیاف پلی پروپیلن را می توان در دشواری مخلوط کردن الیاف در بتن، افزایش حفرات، محبوس ماندن هوا و ایجاد فضای خالی به خاطر افزایش درصد حجمی الیاف دانست.

4-2- مقاومتکششیبهروشدونیمشدناستوانه

آزمایش مقاومت کششی برای تعیین مقاومت کششی بتن به روش دو نیم شدن نمونه های استوانه انجام شد. نمونه ها در سن 28 روزه مورد آزمایش قرار گرفتند. شکل 4 و جدول 9 مقادیر مقاومت کششی به روش دونیم شدن طرح های ساخته شده را نشان می دهد .

جدول (9):نتایجمقاومتکششیبهروشدونیمشدناستوانه

9 8 7 6 5 4 3 2 1 طرح اختلاط
3.41 3.16 2.98 2.79 3.97 3.72 3.3 3.11 2.49 مقومت کششی

شکل (4): نمودار مقاومت کششی

نمودار نشان می دهد که حضور الیاف باعث افزایش مقاومت کششی بتن گردید به طوری که با افزایش الیاف پلی پروپیلن از 0 به 8/1 کیلوگرم بر متر مکعب افزایشی در حدود 8/6 % به دست آمد. ترکیب الیاف فولادی و پلی پروپیلن سبب افزایش مقاومت کششی شده که بیشترین مقدار افزایش آن در حدود  28% می باشد و نشانگر حضور موثر الیاف فولادی در بهبود مقاومت کششی است که این افزایش مقاومت در کار محققین دیگر از جمله آقایان Chena و Liu در بتن سبک حاوی EPS و آقای Kayali و همکاران دیده شده است. علت افزایش مقاومت از طریق استفاده از الیاف فولادی می تواند افزایش تحمل کرنش کشش به هنگام شکافته شدن الیاف از طریق انتقال تنش ها از ماتریس به الیاف باشد. با جایگزینی میکروسیلیس به جای سیمان مقاومت کششی افزایش می یابد که بیشترین افزایش آن در حدود 25% می باشد که مربوط به میکروسیلیس با درصد جایگزینی 10 درصد است. همچنین با توجه به نمودار می توان دریافت که با افزایش میکروسیلیس از 10% به 15% مقاومت کششی کاهش یافته است . تاثیر میکروسیلیس بر افزایش مقاومت کششی در مطالعات دیگران نیز امده است.. همچنین CJelik و همکارش در مقاله ای به بررسی اثر میکروسیلیس و الیاف فولادی بر روی خواص مکانیکی بتن می پردازد و بیان می کند که اضافه کردن 5 و 10 درصد میکروسیلیس به همراه  1درصد الیاف فولادی در بتن سبب بهبود مقاومت فشاری و مقاومت کششی بتن می شود.

شکل(5):نمودارمقاومتفشاریبرحسبمقاومتکششی

شکل 5 نمودار مقاومت فشاری بر حسب مقاومت کششی می باشد. رابطه بین مقاومت کششی و مقاومت فشاری یکی از خواص مهم بتن است. با توجه به این موضوع انتظار می رود که این دو نوع مقاومت به طور نزدیکی با یکدیگر مربوط باشند. نسبت این مقاومت ها به سطح کلی مقاومت بستگی دارد. عوامل متعددی بر رابطه بین این مقاومت اثر می گذارند. از این عوامل می توان خواص سنگدانه های ریز، دانه بندی سنگدانه ها، سن بتن، روش عمل آوری نمونه ها و حضور الیاف را نام برد .در این تحقیق با توجه به حضور الیاف پلی پروپیلن در بتن مشاهده شد که این الیاف باعث افزایش مقاومت کششی و کاهش مقاومت فشاری گردیده است. لذا به همین دلیل ضریب همبستگی مقاومت های فشاری و کششی کمی پایین آمده است .

5- نتیجهگیری

- با جایگزینی میکروسیلیس به جای سیمان مقاومت فشاری افزایش می یابد که بیشترین افزایش آن در حدود  8/31% می باشد که مربوط به میکروسیلیس با درصد جایگزینی 10 درصد است .همچنین الیاف پلی پروپیلن موجب کاهش مقاومت فشاری گردیده و ترکیب الیاف فولادی و پلی پروپیلن موجب افزایش مقاومت شده است.

- با جایگزینی میکروسیلیس به جای سیمان مقاومت کششی افزایش می یابد که بیشترین افزایش آن در حدود 25% می باشد که مربوط به میکروسیلیس با درصد جایگزینی 10 درصد است. همچنین باتوجه به نمودار می توان دریافت که با افزایش میکروسیلیس از 10% به 15% مقاومت کششی کاهش یافته است .

- حضور الیاف باعث افزایش مقاومت کششی بتن گردید به طوری که با افزایش الیاف پلی پروپیلن از 0 به 8/1 کیلوگرم بر متر مکعب افزایشی در حدود 8/6% به دست آمد. ترکیب الیاف فولادی و پلی پروپیلن سبب افزایش مقاومت کششی شده که بیشترین مقدار افزایش آن در حدود 28% می باشد و نشانگر حضور موثر الیاف فولادی در بهبود مقاومت کششی است.

سایر مقالات
بررسی اثر افزودن نانو ذرات بر پارامترهای مقاومت و پایداری بتن خود تراکم(بخش2)
بررسی اثر افزودن نانو ذرات بر پارامترهای مقاومت و پایداری بتن خود تراکم(بخش2)

استفاده از یک رویکرد جامع و اصولی در مورد بتن و شناخت زیر ساخت آن در مقایسه ای کوچک، زمینه تولید بتنی با خاصیت خود تراکمی را فراهم مینماید. بتن های مذکور دارای دوام و پایداری بهتری نسبت به بتن های معمولی می باشند. هدف از نانو تکنولوژی، رویکردی جدید در رشته های مختلف علوم با تغییر و یا کنترل خواص و رفتار مواد و اشیا است.

ادامه مطلب
بتن مسلح به الیاف پلی استر
بتن مسلح به الیاف پلی استر
الیاف پلی استر اولین بار توسط شرکت فایبر- اد از شارلوت.ان.سی برای استفاده به عنوان مصالح تقویت کننده بتن توسعه یافت
ادامه مطلب
دال بتنی
دال بتنی

دال در ساختمان به عضوی از سازه گفته میشود که ضخامت آن نسبت به طول و عرضش کمتر بوده و اصولا بار ثقلی تحمل میکند.

ادامه مطلب