دانلود مقاله تاثیر الیاف پروپیلن بر روی خواص بتن های با قدرت زیاد

« تاثیر الیاف پروپیلن بر روی خواص بتن های با قدرت زیاد »

خلاصه:

علاوه بر خصوصیات خوب بتن بااستحکام بالا بعضی از خواص عملکرد ضعیف در مورد چکش خواری و مقاومت به آتش را دارد. اخیراً کاربرد الیاف پلی پروپیلن برای برطرف کردن این ضعف ها بوده است و ناشی از خواص عالی آنها و قیمت کم آنها می باشد. استفاده از یک مقدار معین الیاف در مخلوط بتن، 2/0 درصد حجم بر روی خواص مکانیکی اصلی بتن های با استحکام بالا تاثیر نمی گذارد هم در بتن تازه و سخت شده ولی به شکست لاکتیل بتن ترد نیز منجر گردید.

1 مقدمه:

بتن با استحکام بالا مزایای بسیاری را در بهره برداری ناشی از خواص مکانیکی خوب و نفوذ پذیری کم و مقاومت بالاتر در برابر حملات مکانیکی یا شیمیایی به ساختار بتن نشان می دهد. با چنین خصوصیاتی شخص این ماده را استفاده می کند بویژه برای سازه هایی که تحت تاثیر شرایط محیط می‌باشند مثلاً سازه های دریایی و پل های بزرگ تا ظرفیت حمل بار ساختاری را افزایش دهد درحالی که دوام کافی برای سازه ها تضمین می‌شود. اگرچه بتن با استحکام بالا مزایای بسیاری را درباره خواص مکانیکی بتن و جنبه های اقتصادی ساختمان پیشنهاد می کند، رفتار ترد ماده برای کاربردهای زلزله باقی می ماند. چون استحکام و چکش خواری آنها نسبت معکوس دارند، بتن های با استحکام بالا تردتر از بتن های با استحکام معمولی می باشند. بخش الاستیک خطی در مرحله قبل از اوج منحنی تنش کرنش یک بتن مسلح با استحکام بالا بسیار افزایش می یابد. تقریباً 95% بار اوج. پس از حصول بار اوج منحنی تنش کرنش به سرعت افت می کند که برای یک ماده ترد نمونه می باشد. انرژی جذب شده در طی فاز الاستیک به نسبت یکنواخت در آغاز ترک و انتشار آن در فرایند شکست، پراکنده نمی‌شود طوری که یک رشد ترک پایدار تا شکست بتن، حاصل نمی شود. این امر یک شکست شدید بتن را سبب می شود و سطوح شکست زبر می باشد ودرهم قفل شدن سطوح ترک اساساً کاهش می یابد. بعلاوه، نفوذ پذیری بسیار کم بتن با استحکام زیاد باعث مشکلات بعدی می گردد. یکی از آنها مقاومت به آتش است. در آتش دمای بتن بسرعت افزایش می یابد. بنابراین بدلیل مقدار خیلی کمی از سوراخ های موئینه. آب که هنوز هیدراته نمی شود، می تواند خودش را در بخش داخلی بتن حبس نماید. در نتیجه، فشار بخار آب در حال توسعه نمی تواند بر روی تخلخل های موئینه ریلاکس شود که تا حدی به تنش های کشش داخلی منجر می شود. در این حالت، آب پیوند یافته شیمیایی توسط فرایند هیدراسیون نیز می تواند تبخیر شود. برای غلبه بر چنین مشکلاتی، الیاف پروپیلن اغلب در حال حاضراستفاده می شوند که ناشی از بهای سودمند و خواص مفید آنها است. الیاف پروپیلن اساساً باعث می شود که رفتار چکش خواری زیاد شود و از طرف دیگر برای بهبود مقاومت به آتش بتن با استحکام بالا بکار می رود. چون الیاف در 160 درجه سانتی گراد ذوب می شوند. آنها مجراهای انبساطی زیادی در حالت آتش سوزی تولید می‌کنند و انتقال مایع و بخار برای رها شدن فشارهای داخلی امکان پذیر می‌شود. ، این امر می تواند مانع از پوسته پوسته شدن سطح بتن

گردد، زیرا یک تخلخل اضافی در ساختار بتن وجود دارد که در آن حجم آن برای مقدار الیاف در مخلوط بتن تنظیم می گردد. اگر حرکات گاز در بخش داخل ساختمان بتن حبس گردد، آتش با 300 درجه سانتی گراد می تواند منجر به تنش های کششی داخلی حدود  شود که خودشان را دو برابر بیشتر در طی یک گرم کردن بعدی تا 350 درجه سانتی گراد افزایش طول می‌دهد. بنابراین این تنش ها در استحکام تنش بتن به یک بتن  در حدود  بالغ می گردد. پلی پروپیلن هیدروفوبیک می باشند که آب جذب نمی کنند و خورنده نمی باشند. بعلاوه، الیاف پلی پروپیلن دارای مقاومت خوب در برابر مواد قلیایی، شیمیایی و کلرید می باشد و دارای هدایت حرارت کم است، با این مشخصات الیاف پلی پروپیلن تاثیر چندانی بر روی تقاضای آب بتن تازه ندارد. آنها هیدراسیون سیمان را مانع نمی شوند و تاثیرات تمام اجزای سازنده در مخلوط های بتن را تاثیر نمی گذارند. الیاف در روش کشش سیم با مقطع دایره یا توسط الکترود کردن فیلم پلاستیک با مقطع مستطیلی تولید می شوند. آنها بصورت الیاف تک یا دسته ظاهر می شوند. الیاف پلی‌پروپیلن با انبساط یک فیلم پلاستیک تولید می شود که به صورت نوارهایی جدا می شود و بدان وسیله دسته های الیاف شکل می گیرند. که مقطع مستطیلی دارند. این دسته های الیاف به طول های مشخص بریده می شوند. الیاف در 5/6 تا 5/63 میلی متر طول دارند.

2 اختلاط طراحی و آزمایش:

12 طراحی مخلوط: برای بررسی تاثیرات الیاف پلی پروپیلن بر روی

خواص بتن های با استحکام زیاد آزمایشات بسیاری درباره استحکام فشاری و مدول/الاستیسیته بر روی نمونه های بتن انجام شدند. انواع ذرات بازالت،دیاباز،گرانولیت، سنگ آهک، کواتزریت، سپرنتین و استیتت در دو مخلوط مختلف قرار داشتند:

1 بتن های معمولی و استحکام بالا 2 بتن های استحکام بالا با استفاده از سیلیس در دوغاب سوسپانسیون 

شن ماسه از نواحی مختلف آلان جمع آوری شدند: باواریا، ساکسونی، تورنیجیا و رسه سیمان  و سیمان  برای مخلوط ها بکار برده شدند. ذرات درشت سنگ خرد شده با اندازه حداکثر اسمی 16 میلی متر و ذرات ریز، ماسه طبیعی معمولی از  ( ساکسونی) بود. توزیع اندازه دانه مطابق با منحنی های بین A و B برای  بود. الیاف پلی‌پروپیلن در  حجمی بتن آمیخته شدند که معادل با  بود. طراحی مخلوط  برای این برنامه تحقیق انتخاب گردید. نسبت سیمان آب از  تا  ، برای بتن های معمولی با استحکام بالا متغیر بود و از  تا  برای بتن های استحکام بالا بود. 

طراحی های مخلوط با  درصد حجمی الیاف پلی پروپیلن بود یا الیافی نداشت. مخلوط های دارای الیاف پلی پروپیلن با  تعریف شدند. نسبت های سیمان آب شدیداً به خصوصیات شن و ذرات ماسه بستگی داشت. بویژه دانسیته، جذب آب، و تخلخل و تمیز بودن. همان نسبت حجم بین شن و ماسه  در تمام طراحی های مخلوط استفاده گردید طوری که تاثیر دانسیته متفاوت ذرات روی نسبت آب سیمان می توانست به حداقل برسد. برای ثابت نگه داشتن این نسبت حجم، دانسیته بزرگتر ذرات بطور متناسب برای مقدار ماسه توزیع گردید. هر دانسیته ذرات بزرگتر باشد. مقدار ماسه در بتن بیشتر است.

22 آزمایش: نمونه های مکعب 100 میلی متر از لحاظ استحکام فشاری و استوانه ها یا یک قطر 100 میلی متر و ارتفاع 200 میلی متر برای مدول الاستیسیته بتن آزمایش شدند. برای حصول منحنی تنش کرنش کلی نمونه های بتن تحت تنش های فشاری تک محوری مرکزی، استوانه ها با یک نسبت قطر به ارتفاع 1 به 2 انتخاب شدند تا از تاثیرات انبساط تنش جانبی در لبه نمونه های بالایی و پایینی، پرهیز گردد. بنابراین. ابعاد با یک قطر 100 میلی متر و ارتفاع 300 میلی متر ثابت حفظ شدند، این نمونه های استوانه أی امتحان شدند و از ماشین آزمایش هیدرولیک سروو تهیه شده توسط Schenck استفاده گردید. ماشین آزمایش دارای یک سختی‌ و حداکثر بار  بود. این وسیله قادر بود که تاثیرات رفتار تغییر شکل، بتن های با استحکام بالا را با اندازه گیری کرنش طولی و کرنش محیطی، ثبت کنند و این سیگنال ها را درترکیب برای کنترل کردن فشار تنظیم کرد. در نتیجه، از خرابی بسیاری از نمونه ها می توان پرهیز کرد که منجر به یک انشعاب از منحنی تنش کرنش گردد.

3 نتایج:

13 تاثیرات الیاف پلی پروپیلن بر روی خواص بتن تازه

قابلیت تولید بتن با استحکام بالا و تازه توسط مقدار بالاتر چسب و نسبت آب سیمان پایین تر آن، ضعیف می شود. أین امر می تواند با استفاده از مقدار صحیح سوپر پلاستیسایزر به حداقل رسانده شود. پارامتر اصلی که اغلب برای تعیین کارایی بتن تازه استفاده می شود، آزمایش slump است. مقدار slump بستگی به جذب آب و تخلخل ذرات. مقدار آب در مخلوط. مقدار شن و ماسه و مواد ریز در مخلوط، شکل شن و ماشه و ویژگی های سطح مواد سازنده در مخلوط دارد. مقادیر Slump بطور چشمگیری با افزودن الیاف پلی پروپیلن کاهش می یابند. مخلوط بتن باعث افزایش چسبندگی و پیوستگی بتن تازه می شود. در طی اختلاط حرکت ذرات، الیاف فیبریلاته جدا می شوند، طوری که آنها در داخل یک شبکه از رشته های الیاف مرتبط و الیاف مجزا، باز می شوند. این الیاف بطور مکانیکی به خمیر بتن قلاب می شوند که بدلیل سطح مخصوص ویژه بزرگ آنها است. بدون فشرده کردن، الیاف با خمیر سیمان ممکن است در مخلوط رخ دهد. در نتیجه، جدایش بدلیل غلظت و تمرکز غیر یکنواخت اجزای سازنده در مخلوط رخ داد. تمام این موارد منجر به کاهش slump می شود. اگر ریزش رخ دهد. یک لایه آب بر روی سطح بتن تازه و مجراهای آب می تواند توسعه داده شود، که توسط آن تراوش آب می تواند خمیر سیمان ورودی را به سطح برساند. سپس یک لایه حاوی خمیر سیمان رقیق شده تشکیل گردید که منجر به تشکیل ترک های ریز اولیه می شود. با این حال، مخلوط بتن، با الیاف پلی پروپیلن منجر به سرعت ریزش و جدایش کمتر گردید و آنها بطور آهسته تر در بتن ساده رخ داد. الیاف نگاهداری، ذرات بتن را با یکدیگر نگاهداری کرد و نشست ذرات را آهسته کرد. با استفاده از فشردگی سطح به مقدار کافی، بتن تازه باید مجدداً با رضایت، جریان یابد و الیاف پلی پروپیلن بطور یکنواخت در مخلوط پراکنده می شود. الیاف نباید برای سطح شناور شوند و به کف بتن تازه انقباضی پلاستیک زود هنگام را با افزایش ظرفیت کشش بتن تازه کاهش دهند تا تنش های کششی ایجاد شده توسط تغییرات حجم نمونه را مقاومت نمایند. الیاف توانستند این تنش های کششی را بطور یکنواخت تری در سراسر بتن پراکنده و توزیع نمایند. استحکام کششی بتن تازه درمراحل اولیه خیلی آهسته است. استحکام کششی بتن معمولی در طی 4 ساعت اول تا‌ است. در همان هنگام، الیاف تصادفی  می‌توانند تنش های الیاف  را عرضه کنند و استحکام کشش الیاف برابر با  است تمام تنش های ترک خوردن  توسط الیاف تحمل می شوند، وقتی انقباض پلاستیک ترک خوردن کم می شود، تعداد ترک ها در بتن های با استحکام زیاد تحت بارگذاری می تواند کاهش یابد که ناشی از کاهش ترک های منتشره از ترک های انقباضی موجود می باشد، اگر ترک های انقباضی هنوز شکل بگیرند، الیاف این ترک ها را پل می زنند و طول و عرض آنها کاهش می یابد. بعلاوه با نسبت سیمان آب ثابت، مقادیر مخلوط های بتن حاوی الیاف پلی پروپیلن تحت تاثیر انواع شن و ماسه نبودند. آنها در یک محدوده کوچک نوسان کردند. این امر ابتدا توسط چسبندگی خوب در بتن تازه ایجاد گردید که توسط الیاف پلی‌پروپیلن ایجاد شد. برعکس، انواع شن و ماسه بر روی مقادیر مخلوط های بتن ساده تاثیر گذاشتند. قدرت جذب آب و تخلخل شن و ماسه و شکل آن به ارش بتن کمک می نماید، علاوه بر این، ارزش مخلوط های بتن با قدرت بالا و با الیاف پلی پروپیلن یا بدون آن کم شد، (درمقایسه با مخلوط های بتن معمولی با ستحکام بالا)، علت آن افزایش مواد ریز، ناشی از استفاده از سیلیس و کاهش نسبت سیمان آب در مقایسه با مخلوط بدون آن بود.

23 تاثیرات الیاف روی خواص بتن سخت شده

خواص بتن سخت شده در این برنامه تحقیق از نوع استحکام فشاری تک محوری و مدول الاستیسیته است، تولید بتن های با استحکام زیاد با استحکام  به افزودن Silica نیاز دارد. در مخلوط های بتن B ، کلاس استحکام  در تمام انواع شن و ماسه بدست آمد، در حالیکه این امر برای تمام انواع ذرات در مخلوط های بتن‌ A قابل حصول نبود. با استفاده از انواع شن و ماسه، افزودن الیاف پلی پروپیلن در بتن بر روی استحکام فشاری و مدول الاستیسیته بتن با استحکام زیاد تاثیر چشمگیری نداشت. افزایش میانیگین برای استحکام فشاری 7 روزه بتن با انواع شن و ماسه گوناگون  و از طرف دیگر کاهش متوسط  بود. برای استحکام فشاری 28 روزه. افزایش متوسط برابر با  و کاهش متوسط‌ بود. بعلاوه، افزایش متوسط مدول الاستیسیته بتن با شن ماسه های مختلف حاوی الیاف پلی‌پروپیلن  و کاهش میانیگین بالغ بر  بود. یعنی که کاربرد الیاف پلی‌پروپیلن  به تنهایی منجر به تاثیر کم بر روی استحکام فشاری و مدول الاستیسیته بتن بجای تاثیر گذاری بر روی سایر اجزای سازنده بتن می‌گردد. تاثیرات مثبت الیاف پلی پروپیلن که به افزایش خواص مکانیکی بتن با استحکام بالا کمک می نمایند چنین است:

الیاف بصورت عامل تقویت میکروسکوپی در بتن عمل می کند. این امر منجر به لنگر کردن مکانیکی بهتر الیاف به بتن می شود.

الیاف به صورت دستگیر کننده های ترک عمل می نمایند. این امر ناشی از استحکام کشش بالای آنها و استحکام می باشد. الیاف مانع از انتشار ترک ها توسط نگهداری زمینه سیمان با یکدیگر و پل زدن ترک ها می شود. بنابراین، ترک نمی‌توانند طولانی تر و پهن تر رشد کنند و به تدریج منتشر می شوند.

کرنش نهایی الیاف، بتن را قادر به محدود کردن تغییر شکل های زیاد بدون خرد شدن می نماید.

الیاف ممکن است ترک خوردن انقباضی پلاستیک زود هنگام را کاهش دهد. طوری که تعداد ترک های تحت بارگذاری بدلیل انتشار این ترک های موجود، کاهش می یابد.

الیاف ممکن است از تشکیل نوار برش واحد جلوگیری نماید که برای شکست بتن با استحکام بالا و ساده، نمونه می باشد که توسط شبکه‌ای کردن ترک های میکروسکوپی، این امر صورت می گیرد که درکل مش بتن پراکنده می شود.

برعکس، تاثیرات منفی الیاف پلی پروپیلن که ممکن است منجر به کاهش خواص بتن با استحکام بالا شود، به شرح زیر خلاصه می گردد:

الیاف مانند آغازگر ترک میکروسکوپی عمل می کنند که بدلیل مدول الاستیسیته پایین آنها است( در مقایسه با زمینه سیمان)، پیوند مکانیکی تشکیل شده با زمینه سیمان اکنون پایین است. از طرف دیگر، تشکیل زود هنگام ترک میکروسکوپی نشان داده شده در شاخه صعودی منحنی کرنش تنش ممکن است انرژی پتانسیل الاستیک را پراکنده کند و سپس آنها را برای ایجاد سطح ترک جدید، جذب نماید. نتیجه، بجای افزایش استحکام حداکثر عبارت اند از: رفتار تغییر شکل و ترک خوردن بهبود یافته می باشد.

الیاف باعث افزایش حجم تخلخل بتن با ایجاد عیوبات میکروسکوپی در زمینه سیمان می گردد.

33 تاثیرات الیاف پلی پروپیلن روی خواص بتن با استحکام بالا:

در مقایسه با تاثیرات الیاف پلی پروپیلن بر روی خواص بتن تازه و بتن سخت شده. خواص شکست بتن های با استحکام بالا بطور چشمگیری تحت تاثیر الیاف پلی پروپیلن بودند. رفتار شکست بتن های با استحکام بالا بطور موثر توسط کاربرد الیاف اصلاح گردید. گسیختگی نوار برش نمونه، ناشی از وضعیت کرنش می تواند پرهیز شود

بجای این امر، تعداد زیادی از ترک طولی که بطور اساسی در جهت

موازی با تنش های فشار خارجی قرار داشت در نمونه های بتن کلی تشکیل گردید.

با عنایت به توسعه ترک خوردن، الیاف پلی پروپیلن رفتار تغییر شکل بتن های با استحکام زیاد را در ناحیه پس از اوج بهبود بخشید. تغییر شکل آن الستیک بالاتر در شاخه صعودی منحنی تنش کرنش  توانایی خوب الیاف را برای ایجاد ترک خوردن میکروسکوپی در پیوند ماتریس سیمان الیاف نشان داد قبل از اینکه به بار اوج برسد. تعیین مقدار . درناحیه پس از اوج، بتن های حاوی الیاف پلی پروپیلن استحکام باقیمانده و نرم کردن کرنش بزرگتر از بتن های ساده را نشان داد. این امر می تواند از شاخه نزولی منحنی تنش کرنش مشاهده شودنرم کردن کرنش بزرگتر به فرایند انتشار ترک ایجاد شده توسط الیاف نسبت داه شد. از طرف دیگر، استحکام باقیمانده بالاتر نشان داد که ظرفیت انتقال تنش بتن بتدریج کاهش یافت که ناشی از پل زدن ترک و فرایند قفل کردن ماده ایجاد شده توسط الیاف و همچنین ناشی از فرایند Pullont خود الیاف است. بنابراین، الیاف می‌توانند تنش ها را بر روی ترک های ماکروسکوپی منتقل کنند که با کاهش بار همراه است. این امر منجر به فرایند شکست پایدار می شود و بنابراین انرژی شکست بالاتر خواهد بود.

منحنی تنش کرنش بتن های با استحکام بالا حاوی الیاف پلی پروپیلن رفتار چکش خواری بهتر از بتن های ساده به سبب افزایش تغییر شکل تحت نیروهای فشاری در بار پس از اوج و قبل از اوج را نشان می دهد. این امر بدست آمده اگرچه حداکثر استحکام های فشاری کمی بیشتر یا کمتر از بتن های ساده آنها بود. درنتیجه، انرژی شکست بتن های با استحکام بالا حاوی الیاف پروپیلن شدیداً بهبود یافت  . الیاف به پراکندگی انرژی الاستیک جذب شده توسط آغاز تشکیل ترک ریز در ناحیه پیش از اوج، با ایجاد ترک های جدید و همچنین پل زدن ترک ها در ناجیه پس از اوج کمک کرد. انرژی شکست نمونه های بتن در معرفی فشردگی تک محوری توسط بکاربردن مدل (CDZ) از Markeset محاسبه گردید که قبلاً  شرح داده شد.