۱ مقدمه

کامپوزیتهای سیمانی مسلح الیافی (FRCC) درسالهای اخیر شاهد پیشرفتهای زیاد و چشمگیری بوده اند. عمدهی این پیشرفتها به سبب توسعهی هر چه بیشتر ملات، گونههای مختلف الیاف، اندرکنش ملات- الیاف، فرایند تولید کامپوزیت، درک مناسبتر در خصوص مکانیزمهای اصلی کنترل رفتار و بهبود مستمر میزان هزینههای اجرایی میباشد. علاوه بر آن میتوان به مواردی مانند معرفی نسل جدید مواد افزودنی (فوق روان کنندهها) با امکان دستیابی به مقاومتهای بالا همراه با کمترین کاهش در کارایی ملات، کاربرد ریز پرکنندهها مثل دوده سیلیسی و خاکستر بادی و فهم بهتر از چگونگی تاثیر آنها بر تخلخل، مقاومت و دوام ملات اشاره نمود. این موارد همگی باعث پیشرفتهای اساسی در ساخت و مدلسازی رفتار این کامپوزیتها شدهاند. نسبت دادن واژههای پیشرفته یا توانمند به مصالح مهندسی بیانگر تفاوت آنها با مصالح متداول و معمولی است که با توجه به آخرین فناوریها و موقعیت مکانی آنها در سازه بکار میرود. واژه توانمند (High Performance) به ردهی

پنجمین کنفرانس ملی زلزله و سازه ۳ و ۴ اردیبهشت ماه۱۳۹۳ ، جهاد دانشگاهی استان کرمان

خاصی از مصالح بتن الیافی اطلاق میشود که دارای رفتار سختشوندگی کرنش (Strain Hardening) تحت کشش پس از بروز اولین ترکخوردگیها هستند که همراه با شکلگیری ترکهای چندگانه (Multiple Cracking) و رسیدن به کرنشهای نسبتاٌ زیاد است. استفاده از مصالح توانمند به جای مصالح متداول از مدتها پیش مد نظر پژوهشگران قرار گرفته و مطالعات بسیاری را به خود اختصاص داده است. این مصالح علاوه بر افزایش ظرفیت سازهها در برابر زلزله، به تامین پایایی بیشتر سازهها در برابر عوامل مضر محیطی نیز کمک میکنند. یکی از این مصالح توانمند که در سالیان اخیر، پیشرفت چشمگیری داشته، کامپوزیتهای سیمانی مسلح الیافی توانمند (HPFRCC) می باشد.

در دههی۱۹۶۰، رامولدی و همکاران بررسی تاثیر الیاف فولادی بر کاهش شکنندگی بتن را در دستور کار قرار دادند۱] و .[۲ این روند با کاربرد سایر انواع الیاف ادامه یافت و در سالهای اخیر ترکیب انواع الیاف با طولهای مختلف در دستور کار قرار گرفت. گسترش دانش در خصوص چگونگی تاثیر الیاف بر ملات، منجر به تدوین توصیههایی در مورد طراحی سازهای توسط موسسه RILEM گردید۳] و .[۴ در اوایل دههی ۱۹۸۰، تولید یک مصالح بتن الیافی با رفتار کششی شکلپذیر مورد توجه قرار گرفت که شروع آن توسط اوستون و همکاران در سال ۱۹۷۱ بود.[۵] در سال ۱۹۸۹ کرنچل و استانگ با کاربرد مناسب الیاف بههم پیوسته به شکل-پذیری کششی ۱۰۰ برابر نسبت به بتن معمولی دست یافتند.[۶] در سال ۱۹۹۹ کورباچ و جسی و در سال ۲۰۰۳ نیز نامان و رینهارت و همکاران نوع جدیدی از بتن الیافی با الیاف بههم پیوسته تحت عنوان بتن مسلح بافته شده (TRC) را ارائه نمودند۷] و .[۸ نامان و رینهارت در سال ۲۰۰۳ مصالحی را معرفی نمودند که جدا از FRC ها طبقهبندی میشدند و شامل یک بخش سختشوندگی کرنش در منحنی تنش-کرنش کششی خود بودند و در رده مصالح توانمند (HPFRCC) قرار گرفتند. بیشتر اعضای ساخته شده با این مصالح، شامل ملات سیمانی بدون درشت دانه هستند و به همین دلیل ملات یا خمیر سیمانی مسلح شده توسط الیاف نام گرفتهاند۹] تا.[۱۴ هر چند (HPFRCC) دارای ویژگیهایی است که در بتن معمولی و FRC وجود ندارد اما به علت مسائل اقتصادی و اجرایی، کاربرد آنها بیشتر به امور تحقیقاتی و کاربردهای خاص محدود گشته است. منحنیهای تنش- کرنش کششی بتن معمولی، FRC و (HPFRCC) و نحوهی انهدام آنها در شکل ۱ با یکدیگر مقایسه شدهاند. همانگونه که در این شکل مشاهده میشود، تنها در مصالح (HPFRCC) ترکهای چندگانه تشکیل میگردد.

پنجمین کنفرانس ملی زلزله و سازه ۳ و ۴ اردیبهشت ماه۱۳۹۳ ، جهاد دانشگاهی استان کرمان

شکل : (۱) مقایسه رفتار کششی بتن معمولی، بتن الیافی و HPFRCC

.۲ برنامه آزمایشگاهی

در این تحقیق ۳ سری نمونه بتنی با نسبت آب به سیمان ۰/۳۸ ساخته شد. نمونههای ساخته شده بترتیب دارای %۰/۵ ، %۰/۷۵ و %۱ الیاف PP بودند. سه سری نمونه های بتنی بر حسب درصد الیاف نامگذاری شدند. نمونه های ساخته شده با %۰/۵ الیاف (HP-0.5) ، نمونه های با %۰/۷۵ الیاف (HP-0.75) و نمونه های با %۱ الیاف (HP-1) نامگذاری شدند. نتایج به دست آمده برای نمونههای بتنی با سن ۲۸ روزه میباشد. آزمایش مقاومت فشاری بر روی نمونههای مکعبی به ابعاد ۱۰۰mm مطابق با ASTM C39 انجام شد. همچنین آزمایش مقاومت خمشی بر روی نمونههای منشوری به ابعاد ۳۲۰×۸۰×۶۰mm مطابق با ASTM C78 انجام گردید.

.۳ طرح اختلاط و خصوصیات مصالح

در این کار آزمایشگاهی از سیمان پرتلند تیپ (ASTM Type II) II استفاده شد. خصوصیات سیمان استفاده شده در جدول ۱ نشان داده شده است. الیاف استفاده شده در این تحقیق از نوع PP میباشند. در جدول ۲ خصوصیات مکانیکی الیاف PP نشان داده شده است و به منظور افزایش کارایی بتن اختلاط از یک فوق روان کننده با نام تجاری Mape110 استفاده شد. رویه ساخت بتن به قرار زیر میباشد: ابتدا سیمان به همراه سنگدانهها به مدت یک دقیقه مخلوط شدند. در مرحله بعد روان کننده به همراه آب به مخلوط اضافه شده و به مدت دو دقیقه مخلوط شدند. در نهایت الیاف به مخلوط اضافه شد. درصد مصالح مورد استفاده برای ساخت نمونه ها در جدول ۳ نشان داده شده است.

جدول :(۱) خصوصیات سیمان مورد استفاده

Cement Composition
21.1 SiO2
4.37 Al2O3
3.88 Fe2O3
1.56 MgO
0.52 K2O
0.39 Na2O
63.33 CaO
51 C3S
22.7 C2S
5.1 C3A
11.9 C4AF
Physical properties
3.11 Specific gravity
3000 Specific surface (cm2/gr)

پنجمین کنفرانس ملی زلزله و سازه ۳ و ۴ اردیبهشت ماه۱۳۹۳ ، جهاد دانشگاهی استان کرمان

جدول :(۲) خصوصیات الیاف PP

۳ ) (kg چگالی (GPa)× مدول الاستیسیته (MPa)× مقاومت کششی ×رنگ (mm) × قطر (mm) × طول
m
910× ۱۰× ۸۰۰× ×سفید ۰/۰۱۸× ۱۲×

جدول :(۳) درصد مصالح مورد استفاده در هر مترمکعب بتن

SP Fine agg PP Fibers Cement ( Water ) Mix
( kg ) ( kg ) ( kg ) Label
( % ) No.
Cem ent
m 3 m3 m3

۳ ۹۸۰ ۰٫۵ ۹۸۰ ۰٫۳۸ HP-0.5 1
3 980 0.75 980 0.38 HP-0.75 2
3 980 1 980 0.38 HP-1.00 3
بتن آماده شده درون قالبهای مکعبی به ابعاد (۱۰۰mm) و همچنین قالب های منشوری

( ۳۲۰×۸۰×۶۰ mm) به ترتیب برای انجام آزمایش تست مقاومت فشاری و تست خمشی، ریخته شدند. و همه نمونهها قبل از باز کردن قالب به مدت ۲۴ ساعت در محیط %۱۰۰ مرطوب و در دمای ۲۳œC نگهداری شدند. پس از باز کردن قالب ها، نمونهها درون آب با دمای ۲۳œC به مدت ۲۸ روز قرار داده شدند. پس از گذشت ۲۸ روز از بتن ریزی، نمونهها مورد آزمایش قرار گرفتند.

.۵ بررسی مشاهدات و نتایج

.۱٫ ۵ مقاومت فشاری

آزمایش تعیین مقاومت فشاری نمونههای مکعبی بتنی بر طبق ASTM C39 انجام گردید. آزمایش با استفاده از یک ماشین تست دیجیتال استاندارد به ظرفیت ۲۰۰۰kN انجام شد. نمونهها و دستگاه تست در شکل ۲ نشان داده شدهاند.

پنجمین کنفرانس ملی زلزله و سازه ۳ و ۴ اردیبهشت ماه۱۳۹۳ ، جهاد دانشگاهی استان کرمان

شکل : (۲) نمونه های مکعبی ساخته شده و دستگاه تست مقاومت فشاری

نتایج آزمایش مقاومت فشاری بر روی نمونهها در جدول ۴ نشان داده شده است. همان طور که نتایج نشان می دهد، با افزایش درصد الیاف مقاومت متوسط فشاری افزایش می یابد. در شکل ۳ هیستوگرام (histogram) مربوط به نتایج به دست آمده از آزمایش مقاومت فشاری ۶۰ نمونه مربوط به سه طرح اختلاط نشان داده شده است. شکل ۳ نشان می دهد که نتایج هر سه سری بتن تقریبا دارای توزیع نرمال (normally distributed) میباشند و به خوبی بر منحنی توزیع نرمال منطبق هستند. نمونههای گروه((HP-1 در بین گروههای دیگر دارای میانگین مقاومت فشاری بالاتری میباشند.

گروه (HP-1) دارای بیشترین انحراف از معیار میباشد به طوری که انحراف از معیار این گروه به ترتیب %۱۰۴ و %۳۶ بیشتر از گروه (HP-0.5) و (HP-0.75) می باشد. همانطوری که ملاحظه میگردد با افزایش درصد الیاف، پراکندگی دادههای آماری مربوط به مقاومت فشاری بیشتر می گردد. همچنین ضریب تغییرات و انحراف از معیار نمونه ها با افزایش درصد الیاف افزایش می یابد.