تاثير الياف پروپيلن بر روي خواص بتن هاي با قدرت زياد

خلاصه:
علاوه بر خصوصيات خوب بتن بااستحكام بالا بعضي از خواص عملكرد ضعيف در مورد چكش خواري و مقاومت به آتش را دارد. اخيراً كاربرد الياف پلي پروپيلن براي برطرف كردن اين ضعف ها بوده است و ناشي از خواص عالي آنها و قيمت كم آنها مي باشد. استفاده از يك مقدار معين الياف در مخلوط بتن، ۲/۰ درصد حجم بر روي خواص مكانيكي اصلي بتن هاي با استحكام بالا تاثير نمي گذارد هم در بتن تازه و سخت شده ولي به شكست لاكتيل بتن ترد نيز منجر گرديد.

۱ـ مقدمه:
بتن با استحكام بالا مزاياي بسياري را در بهره برداري ناشي از خواص مكانيكي خوب و نفوذ پذيري كم و مقاومت بالاتر در برابر حملات مكانيكي يا شيميايي به ساختار بتن نشان مي دهد. با چنين خصوصياتي شخص اين ماده را استفاده مي كند بويژه براي سازه هايي كه تحت تاثير شرايط محيط مي‌باشند مثلاً سازه هاي دريايي و پل هاي بزرگ تا ظرفيت حمل بار ساختاري را افزايش دهد

درحالي كه دوام كافي براي سازه ها تضمين مي‌شود. اگرچه بتن با استحكام بالا مزاياي بسياري را دربارة خواص مكانيكي بتن و جنبه هاي اقتصادي ساختمان پيشنهاد مي كند، رفتار ترد ماده براي كاربردهاي زلزله باقي مي ماند. چون استحكام و چكش خواري آنها نسبت معكوس دارند، بتن هاي با استحكام بالا تردتر از بتن هاي با استحكام معمولي مي باشند. بخش الاستيك خطي در مرحلة قبل از اوج منحني تنش ـ كرنش يك بتن مسلح با استحكام بالا بسيار افزايش مي يابد. تقريباً ۹۵%

بار اوج. پس از حصول بار اوج منحني تنش ـ كرنش به سرعت افت مي كند كه براي يك ماده ترد نمونه مي باشد. انرژي جذب شده در طي فاز الاستيك به نسبت يكنواخت در آغاز ترك و انتشار آن در فرايند شكست، پراكنده نمي‌شود طوري كه يك رشد ترك پايدار تا شكست بتن، حاصل نمي شود. اين امر يك شكست شديد بتن را سبب مي شود و سطوح شكست زبر مي باشد ودرهم

قفل شدن سطوح ترك اساساً كاهش مي يابد. بعلاوه، نفوذ پذيري بسيار كم بتن با استحكام زياد باعث مشكلات بعدي مي گردد. يكي از آنها مقاومت به آتش است. در آتش دماي بتن بسرعت افزايش مي يابد. بنابراين بدليل مقدار خيلي كمي از سوراخ هاي موئينه. آب كه هنوز هيدراته نمي شود، مي تواند خودش را در بخش داخلي بتن حبس نمايد. در نتيجه، فشار بخار آب در حال توسعه نمي تواند بر روي تخلخل هاي موئينه ريلاكس شود كه تا حدي به تنش هاي كشش داخلي منجر

مي شود. در اين حالت، آب پيوند يافته شيميايي توسط فرايند هيدراسيون نيز مي تواند تبخير شود. براي غلبه بر چنين مشكلاتي، الياف پروپيلن اغلب در حال حاضراستفاده مي شوند كه ناشي از بهاي سودمند و خواص مفيد آنها است. الياف پروپيلن اساساً باعث مي شود كه رفتار چكش خواري زياد شود و از طرف ديگر براي بهبود مقاومت به آتش بتن با استحكام بالا بكار مي رود. چون الياف در ۱۶۰ درجه سانتي گراد ذوب مي شوند. آنها مجراهاي انبساطي زيادي در حالت آتش

سوزي توليد مي‌كنند و انتقال مايع و بخار براي رها شدن ف

شارهاي داخلي امكان پذير مي‌شود. ، اين امر مي تواند مانع از پوسته پوسته شدن سطح بتن
گردد، زيرا يك تخلخل اضافي در ساختار بتن وجود دارد كه در آن حجم آن براي مقدار الياف در مخلوط بتن تنظيم مي گردد. اگر حركات گاز در بخش داخل ساختمان بتن حبس گردد، آتش با ۳۰۰ درجه سانتي گراد مي تواند منجر به تنش هاي كششي داخلي حدود شود كه خودشان را دو برابر بيشتر در طي يك گرم كردن بعدي تا ۳۵۰ درجه سانتي گراد افزايش طول مي‌دهد. بنابراين اين تنش ها در استحكام تنش بتن به يك بتن در حدود بالغ مي گردد. پلي پروپيلن هيدروفوبيك مي

باشند كه آب جذب نمي كنند و خورنده نمي باشند. بعلاوه، الياف پلي پروپيلن داراي مقاومت خوب در برابر مواد قليايي، شيميايي و كلريد مي باشد و داراي هدايت حرارت كم است، با اين مشخصات الياف پلي پروپيلن تاثير چنداني بر روي تقاضاي آب بتن تازه ندارد. آنها هيدراسيون سيمان را مانع نمي شوند و تاثيرات تمام اجزاي سازنده در مخلوط هاي بتن را تاثير نمي گذارند. الياف در روش كشش سيم با مقطع دايره يا توسط الكترود كردن فيلم پلاستيك با مقطع مستطيلي توليد مي

شوند. آنها بصورت الياف تك يا دسته ظاهر مي شوند. الياف پلي‌پروپيلن با انبساط يك فيلم پلاستيك توليد مي شود كه به صورت نوارهايي جدا مي شود و بدان وسيله دسته هاي الياف شكل مي گيرند. كه مقطع مستطيلي دارند. اين دسته هاي الياف به طول هاي مشخص بريده مي شوند. الياف در ۵/۶ تا ۵/۶۳ ميلي متر طول دارند.

۲ـ اختلاط طراحي و آزمايش:
۱ـ۲ـ طراحي مخلوط: براي بررسي تاثيرات الياف پلي پروپيلن بر روي
خواص بتن هاي با استحكام زياد آزمايشات بسياري دربارة استحكام فشاري و مدول/الاستيسيته بر روي نمونه هاي بتن انجام شدند. انواع ذرات بازالت،دياباز،گرانوليت، سنگ آهك، كواتزريت، سپرنتين و استيتت در دو مخلوط مختلف قرار داشتند:
۱ـ بتن هاي معمولي و استحكام بالا ۲ـ بتن هاي استحكام بالا با استفاده از سيليس در دوغاب سوسپانسيون

شن ماسه از نواحي مختلف آلان جمع آوري شدند: باواريا، ساكسوني، تورنيجيا و رسه سيمان و سيمان براي مخلوط ها بكار برده شدند. ذرات درشت سنگ خرد شده با اندازة حداكثر اسمي ۱۶ ميلي متر و ذرات ريز، ماسة طبيعي معمولي از ( ساكسوني) بود. توزيع اندازه دانه مطابق با منحني هاي بين A و B براي بود. الياف پلي‌پروپيلن در حجمي بتن آميخته شدند كه معادل با بود. طراحي مخلوط براي اين برنامه تحقيق انتخاب گرديد. نسبت سيمان ـ آب از تا ، براي بتن هاي معمولي با استحكام بالا متغير بود و از تا براي بتن هاي استحكام بالا بود.

طراحي هاي مخلوط با درصد حجمي الياف پلي پروپيلن بود يا اليافي نداشت. مخلوط هاي داراي الياف پلي پروپيلن با تعريف شدند. نسبت هاي سيمان ـ آب شديداً به خصوصيات شن و ذرات ماسه بستگي داشت. بويژه دانسيته، جذب آب، و تخلخل و تميز بودن. همان نسبت حجم بين شن و ماسه در تمام طراحي هاي مخلوط استفاده گرديد طوري كه تاثير دانسيته متفاوت ذرات روي نسبت آب ـ سيمان مي توانست به حداقل برسد. براي ثابت نگه داشتن اين نسبت حجم، دانسيتة بزرگتر ذرات بطور متناسب براي مقدار ماسه توزيع گرديد. هر دانسيتة ذرات بزرگتر باشد. مقدار ماسه در بتن بيشتر است.
۲ـ۲ـ آزمايش: نمونه هاي مكعب ۱۰۰ ميلي متر از لحاظ استحكام فشاري و استوانه ها يا يك قطر ۱۰۰ ميلي متر و ارتفاع ۲۰۰ ميلي متر براي مدول الاستيسيته بتن آزمايش شدند. براي حصول منحني تنش ـ كرنش كلي نمونه هاي بتن تحت تنش هاي فشاري تك محوري مركزي، استوانه ها با يك نسبت قطر به ارتفاع ۱ به ۲ انتخاب شدند تا از تاثيرات انبساط تنش جانبي در لبه نمونه هاي بالايي و پاييني، پرهيز گردد. بنابراين. ابعاد با يك قطر ۱۰۰ ميلي متر و ارتفاع ۳۰۰ ميلي متر ثابت حفظ شدند، اين نمونه هاي استوانه أي امتحان شدند و از ماشين آزمايش هيدروليك سروو تهيه شده توسط Schenck استفاده گرديد. ماشين آزمايش داراي يك سختي‌ و حداكثر بار بود. اين وسيله قادر بود كه تاثيرات رفتار تغيير شكل، بتن هاي با استحكام بالا را با اندازه گيري كرنش طولي و كرنش محيطي، ثبت كنند و اين سيگنال ها را درتركيب براي كنترل كردن فشار تنظيم كرد. در نتيجه، از خرابي بسياري از نمونه ها مي توان پرهيز كرد كه منجر به يك انشعاب از منحني تنش ـ كرنش گردد.

۳ـ نتايج:
۱ـ۳ـ تاثيرات الياف پلي پروپيلن بر روي خواص بتن تازه
قابليت توليد بتن با استحكام بالا و تازه توسط مقدار بالاتر چسب و نسبت آب ـ سيمان پايين تر آن، ضعيف مي شود. أين امر مي تواند با استفاده از مقدار صحيح سوپر پلاستيسايزر به حداقل رسانده شود. پارامتر اصلي كه اغلب براي تعيين كارايي بتن تازه استفاده مي شود، آزمايش slump است. مقدار slump بستگي به جذب آب و تخلخل ذرات. مقدار آب در مخلوط. مقدار شن و ماسه و مواد ريز در مخلوط، شكل شن و ماشه و ويژگي هاي سطح مواد سازنده در مخلوط دارد. مقادير Slump

بطور چشمگيري با افزودن الياف پلي پروپيلن كاهش مي يابند. مخلوط بتن باعث افزايش چسبندگي و پيوستگي بتن تازه مي شود. در طي اختلاط حركت ذرات، الياف فيبريلاته جدا مي شوند، طوري كه آنها در داخل يك شبكه از رشته هاي الياف مرتبط و الياف مجزا، باز مي شوند. اين الياف بطور مكانيكي به خمير بتن قلاب مي شوند كه بدليل سطح مخصوص ويژه بزرگ آنها است. بدون فشرده

كردن، الياف با خمير سيمان ممكن است در مخلوط رخ دهد. در نتيجه، جدايش بدليل غلظت و تمركز غير يكنواخت اجزاي سازنده در مخلوط رخ داد. تمام اين موارد منجر به كاهش slump مي شود. اگر ريزش رخ دهد. يك لاية آب بر روي سطح بتن تازه و مجراهاي آب مي تواند توسعه داده شود، كه توسط آن تراوش آب مي تواند خمير سيمان ورودي را به سطح برساند. سپس يك لاية حاوي خمير

سيمان رقيق شده تشكيل گرديد كه منجر به تشكيل ترك هاي ريز اوليه مي شود. با اين حال، مخلوط بتن، با الياف پلي پروپيلن منجر به سرعت ريزش و جدايش كمتر گرديد و آنها بطور آهسته ت

ر در بتن ساده رخ داد. الياف نگاهداري، ذرات بتن را با يكديگر نگاهداري كرد و نشست ذرات را آهسته كرد. با استفاده از فشردگي سطح به مقدار كافي، بتن تازه بايد مجدداً با رضايت، جريان يابد و الياف پلي پروپيلن بطور يكنواخت در مخلوط پراكنده مي شود. الياف نبايد براي سطح شناور شوند و به كف بتن تازه انقباضي پلاستيك زود هنگام را با افزايش ظرفيت كشش بتن تازه كاهش دهند تا تنش هاي كششي ايجاد شده توسط تغييرات حجم نمونه را مقاومت نمايند. الياف توانستند اين تنش هاي كششي را بطور يكنواخت تري در سراسر بتن پراكنده و توزيع نمايند.

استحكام كششي بتن تازه درمراحل اوليه خيلي آهسته است. استحكام كششي بتن معمولي در طي ۴ ساعت اول تا‌ است. در همان هنگام، الياف تصادفي مي‌توانند تنش هاي الياف را عرضه كنند و استحكام كشش الياف برابر با است تمام تنش هاي ترك خوردن توسط الياف تحمل مي شوند، وقتي انقباض پلاستيك ترك خوردن كم مي شود، تعداد ترك ها در بتن هاي با استحكام زياد تحت

بارگذاري مي تواند كاهش يابد كه ناشي از كاهش ترك هاي منتشرة از ترك هاي انقباضي موجود مي باشد، اگر ترك هاي انقباضي هنوز شكل بگيرند، الياف اين ترك ها را پل مي زنند و طول و عرض آنها كاهش مي يابد. بعلاوه با نسبت سيمان ـ آب ثابت، مقادير مخلوط هاي بتن حاوي الياف پلي پروپيلن تحت تاثير انواع شن و ماسه نبودند. آنها در يك محدودة كوچك نوسان كردند. اين امر ابتدا توسط چسبندگي خوب در بتن تازه ايجاد گرديد كه توسط الياف پلي‌پروپيلن ايجاد شد. برعكس،

شن و ماسه و شكل آن به ارش بتن كمك مي نمايد، علاوه بر اين، ارزش مخلوط هاي بتن با قدرت بالا و با الياف پلي پروپيلن يا بدون آن كم شد، (درمقايسه با مخلوط هاي بتن معمولي با ستحكام بالا)، علت آن افزايش مواد ريز، ناشي از استفاده از سيليس و كاهش نسبت سيمان ـ آب در مقايسه با مخلوط بدون آن بود.

۲ـ۳ـ تاثيرات الياف روي خواص بتن سخت شده
خواص بتن سخت شده در اين برنامه تحقيق از نوع استحكام فشاري تك محوري و مدول الاستيسيته است، توليد بتن هاي با استحكام زياد با استحكام به افزودن Silica نياز دارد. در مخلوط هاي بتن B ، كلاس استحكام در تمام انواع شن و ماسه بدست آمد، در حاليكه اين امر براي تمام انواع ذرات در مخلوط هاي بتن‌ A قابل حصول نبود. با استفاده از انواع شن و ماسه، افزودن الياف پلي پروپيلن در بتن بر روي استحكام فشاري و مدول الاستيسيته بتن با استحكام زياد تاثير

چشمگيري نداشت. افزايش ميانيگين براي استحكام فشاري ۷ روزة بتن با انواع شن و ماسه گوناگون و از طرف ديگر كاهش متوسط بود. براي استحكام فشاري ۲۸ روزه. افزايش متوسط برابر با و كاهش متوسط‌ بود. بعلاوه، افزايش متوسط مدول الاستيسيته بتن با شن ماسه هاي مختلف حاوي الياف پلي‌پروپيلن و كاهش ميانيگين بالغ بر بود. يعني كه كاربرد الياف پلي‌پروپيلن به تنهايي منجر به تاثير كم بر روي استحكام فشاري و مدول الاستيسيتة بتن بجاي تاثير گذاري بر روي ساير

اجزاي سازندة بتن مي‌گردد. تاثيرات مثبت الياف پلي پروپيلن كه به افزايش خواص مكانيكي بتن با استحكام بالا كمك مي نمايند چنين است:
• الياف بصورت عامل تقويت ميكروسكوپي در بتن عمل مي كند. اين امر منجر به لنگر كردن مكانيكي بهتر الياف به بتن مي شود.

• الياف به صورت دستگير كننده هاي ترك عمل مي نمايند. اين امر ناشي از استحكام كشش بالاي آنها و استحكام مي باشد. الياف مانع از انتشار ترك ها توسط نگهداري زمينة سيمان با يكديگر و پل زدن ترك ها مي شود. بنابراين، ترك نمي‌توانند طولاني تر و پهن تر رشد كنند و به تدريج منتشر مي شوند.
• كرنش نهايي الياف، بتن را قادر به محدود كردن تغيير شكل هاي زياد بدون خرد شدن مي نمايد.
• الياف ممكن است ترك خوردن انقباضي پلاستيك زود هنگام را كاهش دهد. طوري كه تعداد ترك هاي تحت بارگذاري بدليل انتشار اين ترك هاي موجود، كاهش مي يابد.
• الياف ممكن است از تشكيل نوار برش واحد جلوگيري نمايد كه براي شكست بتن با استحكام بالا و ساده، نمونه مي باشد كه توسط شبكه‌اي كردن ترك هاي ميكروسكوپي، اين امر صورت مي گيرد كه دركل مش بتن پراكنده مي شود.
برعكس، تاثيرات منفي الياف پلي پروپيلن كه ممكن است منجر به كاهش خواص بتن با استحكام بالا شود، به شرح زير خلاصه مي گردد:

• الياف مانند آغازگر ترك ميكروسكوپي عمل مي كنند كه بدليل مدول الاستيسيتة پايين آنها است( در مقايسه با زمينه سيمان)، پيوند مكانيكي تشكيل شده با زمينة سيمان اكنون پايين است. از طرف ديگر، تشكيل زود هنگام ترك ميكروسكوپي نشان داده شده در شاخة صعودي منحني كرنش ـ تنش ممكن است انرژي پتانسيل الاستيك را پراكنده كند و سپس آنها را براي ايجاد سطح ترك جديد، جذب نمايد. نتيجه، بجاي افزايش استحكام حداكثرـ عبارت اند از: رفتار تغيير شكل و ترك خوردن بهبود يافته مي باشد.

• الياف باعث افزايش حجم تخلخل بتن با ايجاد عيوبات ميكروسكوپي در زمينة سيمان مي گردد.

۳ـ۳ـ تاثيرات الياف پلي پروپيلن روي خواص بتن با استحكام بالا:
در مقايسه با تاثيرات الياف پلي پروپيلن بر روي خواص بتن تازه و بتن سخت شده. خواص شكست بتن هاي با استحكام بالا بطور چشمگيري تحت تاثير الياف پلي پروپيلن بودند. رفتار شكست بتن هاي با استحكام بالا بطور موثر توسط كاربرد الياف اصلاح گرديد. گسيختگي نوار برش نمونه، ناشي از وضعيت كرنش مي تواند پرهيز شود

بجاي اين امر، تعداد زيادي از ترك طولي كه بطور اساسي در جهت
موازي با تنش هاي فشار خارجي قرار داشت در نمونه هاي بتن كلي تشكيل گرديد.
با عنايت به توسعة ترك خوردن، الياف پلي پروپيلن رفتار تغيير شكل بتن هاي با استحكام زياد را در ناحية پس از اوج بهبود بخشيد. تغيير شكل آن الستيك بالاتر در شاخه صعودي منحني تنش

ـ كرنش توانايي خوب الياف را براي ايجاد ترك خوردن ميكروسكوپي در پيوند ماتريس سيمان ـ الياف نشان داد قبل از اينكه به بار اوج برسد. تعيين مقدار . درناحية پس از اوج، بتن هاي حاوي الياف پلي پروپيلن استحكام باقيمانده و نرم كردن كرنش بزرگتر از بتن هاي ساده را نشان داد. اين امر مي تواند از شاخه نزولي منحني تنش ـ كرنش مشاهده شودنرم كردن كرنش بزرگتر به فرايند انتشار ترك ايجاد شده توسط الياف نسبت داه شد.