ارزیابی خواص مکانیکی بتن الیافی قابل استفاده در ساخت قطعات تونل (سگمنت)
|
اویس افضلی ننیز1، علی معصومی2، امیررضا پرندیان3 ، مهدی نصرتآبادی4 1دانشجوی دکتری عمران-سازه ، دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی 2دانشجوی ارشد هوش مصنوعی، دانشگاه آزاد اسلامی 3 دكتری کسبوکار دانشگاه صنايع و معدن- مشاور واحد تحقیق و توسعه 4کارشناس اجرایی عمران ، دانشگاه آزاد سیرجان |
چكيده
با توجه به پیشرفت علم و تکنولوژی در قرن اخیر، علم شناخت انواع بتن و خواص آنها نیز توسعه قابلملاحظهای داشته است، بهنحویکه امروزه انواع مختلف بتن با مصالح مختلف تولید و استفاده میشود و هر یک خواص و کاربری مخصوص به خود را داراست. یکی از انواع بتنهای مدرن، بتن الیافی است. بتن الیافی در حقیقت نوعی کامپوزیت است که از الیاف رشتهرشته و جدا از هم که نقش مسلح کنندگی را در ماتریس بتن ایفا می کنند تشکیل شده است. این ترکیب کامپوزیتی، یکپارچگی و پیوستگی مناسبی داشته و امکان استفاده از بتن به عنوان یک ماده شکلپذیر را فراهم میآورد.
در بسیاری از قطعات پیشساخته بتنی هدف از مسلح سازی با کمک الیاف عمدتاً کنترل ترکخوردگی است، ترکها عموماً میتواند نتیجه بارهای پیرامونی (تغییرات دمایی، رطوبت و باد) و یا بارهای تصادفی ناشی از جابهجایی و یا مونتاژ کردن واحدهای پیشساخته باشند. از جمله دیگر مزایای استفاده از الیاف میتوان به بهبود مقاومت ضربه در کل حجم بتن، کاهش حساسیتهای مرتبط با آسیبهای ناشی از جابهجایی قطعات بهخصوص در لبههای قطعات اشاره کرد. کاهش نیروی کار و هزینههای مرتبط و بهبود ایمنی نیز مزیت مهم استفاده از الیاف مسلح کننده در قطعات پیشساخته تونل است.
استفاده از انواع مختلف الیافهای موجود نظیر الیافهای فولادی، پلیپروپیلن موجب بهبود خواص مختلف مکانیکی نظیر مقاومت کششی، کنترل ترکخوردگی، مقاومت سایشی، مقاومت در برابر ضربه و عدم جداشدگی اجزای بتن گردیده است. مسلح سازی با یک نوع الیاف ممکن است به بهبود خواص مطلوب تا یک سطح مشخص منجر شود. اصطلاح الیاف هیبریدی زمانی استفاده میشود که بهمنظور استفاده از مزایای هر نوع از الیاف در تقویت یک کامپوزیت از دو یا تعداد بیشتری از الیاف استفاده کنند که این امر سبب میشود از مزایای هرکدام از انواع الیاف استفاده شود. بنابراین استفاده از بتنی که حاوی الیاف هیبریدی باشد مزایای متنوعی را برای سازههای بتنی نظیر قطعات تونل به همراه خواهد داشت.
در این تحقیق اثر استفاده از الیاف پلیمری کورتا و فولادی را بر خواص بتن با هدف استفاده در ساخت قطعات تونل مورد ارزیابی قرار گرفت. بدین منظور طرح اختلاطهای مختلف بتن الیافی در نسبت آب به سیمان 0/4 طرح شد. همچنین بهمنظور استفاده از مزایای الیاف در ساخت قطعات از الیاف فولادی و پلیمری بهصورت هیبرید استفاده شد. آزمایشهای مقاومت فشاری 7 و 28 روزه، کششی 7 و 28 روزه و خمشی 28 روزه بر روی نمونهها انجام گرفت. نتایج نشان میدهد که استفاده هیبریدی از الیاف بهبود بیشتری در خواص مکانیکی در مقایسه با حالت استفاده از تک الیاف را سبب شده است. بیشترین تاثیر سیستم الیاف هیبریدی بر مقاومت خمشی و کششی بوده است.
واژههاي کليدي: بتن، قطعات تونل، سگمنت، الیاف پلیمری کورتا، الیاف فولادی
1- مقدمه
بتن دومین ماده پرمصرف دنیا است و ازآنجاکه بتن ذاتا مادهای ترد و شکننده بوده، مقاومت اندکی در برابر بارهای ضربهای و متناوب دارا است. ازاینرو اخیرا مطالعات گسترده و فراوانی پیرامون انعطافپذیری و افزایش جذب انرژی بتن صورت گرفته است. پخش تصادفی الیاف در بتن، بر بهبود خصوصیات مکانیکی بتن، بهعنوان یکراه حل موثر و اقتصادی برای کاهش بارهای خستگی و انتقال نیروی استاتیکی مطرحشده است[1]. بتن مسلح با الياف يا بتن اليافي بتني است که با سيمان هيدروليکي مصالح سنگي ريزدانه يا ريزدانه و درشتدانه و الياف مجزا و غير پيوسته ساخته میشود[2].
مسلح سازی با یک نوع الیاف ممکن است به بهبود خواص مطلوب تا یک سطح مشخص منجر شود. اصطلاح الیاف هیبریدی زمانی استفاده میشود که بهمنظور استفاده از مزایای هر نوع از الیاف در تقویت یک کامپوزیت از دو یا تعداد بیشتری از الیاف استفاده کنند که این امر سبب میشود از مزایای هرکدام از انواع الیاف استفاده شود.
بانتیان و گوپتا [3] بسته به مکانیسم درگیر عملکرد مشترک را به 3 گروه تقسیم کردند:
- هیبریدی مبتنی بر پاسخ سازنده الیاف؛ که یک الیاف قوی و سختتر بوده و مقاومت را فراهم میکند درحالیکه الیاف دیگر شکلپذیر بوده تا بتواند طاقت را در کرنشهای بالا و بازشدگی ترکها فراهم کند.
- هیبریدی مبتنی بر ابعاد الیاف؛ که در آنیک نمونه الیاف کوچکتر (از نوع میکرو یا مزو) و در مراحل اولیه بارگذاری کنترل میکرو ترکها را انجام میدهد و از همپیوستگی آنها جلوگیری کرده و بنابراین مقاومت در برابر نخستین ترکها را افزایش میدهد و الیاف دیگر که بزرگتر است (ماکرو الیاف) مکانیسم پل زدن بین ماکرو ترکها را فراهم کرده و طاقت در کرنشهای بالا فراهم میکند.
- هیبریدی مبتنی بر عملکرد الیاف؛ که یک نوع الیاف (الیاف اولیه) مقاومت و طاقت را در کامپوزیت سخت شده فراهم میکند درحالیکه نوع دوم الیاف خواص مناسب مخلوط تازه را فراهم میکند.
کوبایاشی و چو [4] نتیجه گرفتند که استفاده از ترکیب الیاف فولادی و پلیپروپیلن نواقص هرکدام از الیاف را پوشش داده و تنها مزایای آنها باقی میماند. نتایج مشابهی در پژوهش حسابا [5] و همکارانش برای کامپوزیتهای حاوی الیاف فولادی و پلیپروپیلن حاصل شد.
در بسیاری از قطعات پیشساخته بتنی هدف از مسلح سازی با کمک الیاف عمدتاً کنترل ترکخوردگی است، ترکها عموماً میتواند نتیجه بارهای پیرامونی (تغییرات دمایی، رطوبت و باد) و یا بارهای تصادفی ناشی از جابهجایی و یا مونتاژ کردن واحدهای پیشساخته باشند. از جمله دیگر مزایای استفاده از الیاف میتوان به بهبود مقاومت ضربه در کل حجم بتن، کاهش حساسیتهای مرتبط با آسیبهای ناشی از جابهجایی قطعات بهخصوص در لبههای قطعات اشاره کرد.
در سالهای اخیر استفاده از بتن الیافی در ساخت قطعات پیشساخته تونل (سگمنت) مورد توجه قرارگرفته است[6]. این قطعات از یکسو دارای شکل خمشدهای بوده و از سوی دیگر عمدتا در مرحله ساختوساز (جابجایی و مونتاژ) در معرض تنش قرار میگیرند؛ بنابراین، حفظ یکپارچگی ساختاری، محدود کردن ترکخوردگی بتن، عمدتا در مرحله عملآوری و نیز حمل و نصب قطعات که در آن در معرض بارهای ضربهای قرار میگیرند از اهمیت زیادی برخوردار است[7]. ازجمله مزایای مسلح سازی با الیاف این است که الیاف میتواند عملکردی معادل شبکههای میلگردی مرسوم داشته باشند و فرآیند تولید قطعات پیشساخته را تسهیل کنند. این مورد بهخصوص در قطعاتی که شکلهای پیچیدهتری دارند با حذف نیاز به جایگذاری شبکه میلگردی و قالبگیری بتن در اطراف آنیک مزیت مهم بشمار میرود. کاهش نیروی کار و هزینههای مرتبط و بهبود ایمنی نیز مزیت مهم استفاده از الیاف مسلح کننده در قطعات پیشساخته است.
از رو این با توجه بـه مزاياي ويژه و كاربردهاي وسيع بتن مسلح به الياف جاي آن دارد كه در ضمن شناخت بيشتر ايـن تكنولـوژي اقـدامات لازم بـراي بهکارگیری عملي در آن پروژههای سطح کشور صورت گيرد. بدین منظور تحقیق حاضر به اثر استفاده از الیاف پلیمری کورتا و فولادی بر خواص بتن با هدف استفاده در ساخت قطعات تونل میپردازد.
2- کار آزمایشگاهی
2-1- معرفی مصالح و طرح مخلوطها
در این قسمت خصوصیات مصالح مصرفشده آورده شده است. مصالح سنگی مورد استفاده از معدنی در غرب تهران تهیهشده است. شن مصرفی از نوع شن نخودی با چگالی و جذب آب به ترتیب برابر2/5 کیلوگرم در مترمکعب، و 2/5 درصد و نیز از نوع بادامی با چگالی و جذب آب به ترتیب برابر 2/6 کیلوگرم در مترمکعب، و2/0 درصد بوده است. مدول نرمی ، چگالی و جذب آب ماسه مصرفی به ترتیب برابر 3/5 ،2/6 کیلوگرم در مترمکعب و 2/9 درصد است. دانهبندی ماسه و شن مصرفی به ترتیب در شکلهای 1 و 2 نشان دادهشده است. نسبتهای دو نوع شن (80 درصد بادامی و 20 درصد نخودی) بهگونهای انتخاب شد که دانهبندی ترکیب آن دو نوع شن در محدوده استاندارد ملی 4977 قرار گیرد. همانطور که در شکل (2) مشخص است دانهبندی شن ترکیبی در محدوده استاندارد قرار دارد.

شکل1- منحنی دانهبندی ماسه مصرفی

شکل2- منحنی دانهبندی شن مصرفی
سیمان بکار گرفتهشده در ساخت کلیه نمونهها، سیمان نوع2 تهران است. آزمایش فلورسانس اشعه ی ایکس (XRF) برای تعیین خواص شیمایی سیمان، در محل آزمایشگاه تجزیه شیمیایی سازمان زمینشناسی و اکتشاف معدنی کشور انجامشده است. خواص شیمیایی این مواد در جدول شماره 1 آمده است. آب مصرفی در ساخت نمونهها آب شرب شهری است.
جدول شماره 1- ترکیب شیمیایی مواد سیمانی مورداستفاده
|
Na2O |
K2O |
SO3 |
MgO |
Fe2O3 |
Al2O3 |
CaO |
SiO2 |
نوع ترکیب شیمیایی |
|
0/2 |
0/9 |
3/7 |
2/7 |
4/1 |
3/5 |
64/2 |
17/7 |
درصد |
این الیاف با مدول و مقاومت بالا اختصاصا با نام الیاف کورتا برای مصرف در بتن تولید می شوند. همچنین مشخصات این الیاف در جدول 2 و جدول 3 آورده شده است.

الف- الیاف پلیمری کورتا

ب- الیاف فولادی
شکل 3- الیاف استفاده شده در این پژوهش (الف- الیاف پلیمری ب- الیاف فولادی)
جدول 2- خصوصیات الیاف پلیمری کورتا استفاده شده در این پژوهش
|
طول mm |
وزن مخصوص gr/cm3 |
مدول الاستیسیته MPa |
مقاومت کششی MPa |
جذب آب |
|
53 |
0/91 |
7000 |
600 |
ندارد |
جدول 3- خصوصیات الیاف فولادی استفاده در این پژوهش
|
طول mm |
وزن مخصوص gr/cm3 |
مدول الاستیسیته GPa |
مقاومت کششی MPa |
جذب آب |
|
50 |
85/7 |
200 |
1100 |
ندارد |
جدول 4- طرح مخلوطهای استفادهشده در این تحقیق را نشان میدهد. نسبت آب به سیمان در تمام طرحها ثابت و برابر 0/4 در نظر گرفتهشده است.
|
نام طرح |
سیمان |
آب |
ماسه |
شن |
الیاف فولادی% |
الیاف کورتا% |
فوق روان کننده |
|
PC |
450 |
180 |
768/1 |
1035 |
0 |
0 |
1/4 |
|
K-FRC |
450 |
180 |
768/1 |
1035 |
0 |
0/015 |
1/5 |
|
S-FRC |
450 |
180 |
768/1 |
1035 |
0/5 |
0 |
1/5 |
|
SK-FRC |
450 |
180 |
768/1 |
1035 |
0/5 |
0/015 |
1/6 |
2-2- مرحله ساخت و عمل آوری
عمل اختلاط توسط میکسر50 لیتری صورت گرفته است. وزن آب لازم برای رسیدن سنگدانه به حالت اشباع را به وزن آب آزاد اضافه کرده و سپس عمل اختلاط در چند مرحله صورت می پذیرد. نکته مهم در خصوص استفاده از الیاف این است که الياف به خاطر آساني پخـش بايـد بهصورت خشـك وارد مخلـوط شـود. در فرآينـد سـاخت بـتن اليـافي بايـد از ايجـاد پديـده گلولهای شـدن جلوگيري به عمل آيد. اين مشكل اغلب به دليل استفاده از مقادير زياد الياف بـا نسـبت طول به قطر بالا و يا اضافه كردن خيلي سريع الياف به مخلوطي كه آب كافي و يا كارايي كافي ندارد به وجود میآید.در اين پديده الياف نزديـك به هم جمع شده، سبب كاهش كارايي مخلوط بتن و در نتيجه كاهش مقاومت بتن سخت شده میشود. پس از ساخت و اطمینان از کیفیت بتن تازه، بتن درون قالب ریخته شد. پس از طی 24 ساعت قالب ها باز شده و نمونهها درون حوضچه آب به منظور عملآوری تا سنین مورد نظر قرار دادهشدهاند.
2-3- آزمایش ها
2-3-1 - مقاومت فشاری
به منظور بررسی تاثیر انواع مختلف الیاف روی مقاومت فشاری بتن از نمونههای مکعبی با ابعاد 150×150×150 میلیمتر استفاده شد. تمام نمونهها یک روز پس از ساخت قالب برداری شده و بعد از 7 و 28 روز عملآوری تحت آزمایش مقاومت فشاری طبق استاندارد BS1881-116قرار گرفتند.
- مقاومت خمشی
آزمون مقاومت خمشی (مدول گسیختگی) بر نمونههای منشوری شکل با ابعاد 600×150×150 میلیمتر بر اساس استاندارد ASTM C78 و در سن 28 روز انجام شد.
- آزمایش مقاومت کششی
از قالبهای استوانهای با ابعاد 150×300 میلیمتر برای ساخت نمونههای آزمایش مقاومت کششی استفادهشده است. این آزمایش بر طبق استاندارد ASTM C496 انجام شد.
3- بحث و بررسی نتایج
3-1- مقاومت فشاری
نمودار شکل 4 نتایج بهدستآمده از آزمایش مقاومت فشاری در سنین 7 و 28 روز را نشان میدهند. همانطور که در نمودار مشاهده میشود.
شکل 4- نتایج آزمایش مقاومت فشاری در سنین 7 و 28 روز
همانطور که نمودار شکل 4 مشاهده میشود مقاومت فشاری تمام طرحهای حاوی الیاف از مقاومت فشاری نمونه شاهد بیشتر شده است. نتایج گویای این امر است که مقاومت فشاری طرحهای حاوی فقط الیاف پلیمری کورتا افزایش قابلتوجهی نداشته اما در طرحهایی که در آنها از الیاف فولادی استفادهشده است مقاومت فشاری بهبودیافته است. همچنین بیشترین مقاومت فشاری در هر دو سن 7 و 28 روز در نمونههای حاوی الیاف به صورت هیبریدی (فولادی و پلیمری کورتا) حاصلشده بهطوریکه مقاومت فشاری نمونه هیبریدی در سنین 7 و 28 به ترتیب برابر 36/7 و 56/8 مگا پاسکال بوده است. نتایج بهدستآمده در پژوهشهای مختلف پیشین نشان میدهد که مقاومت فشاری بتن الیافی حاوی انواع الیاف تا حدود زیادی به میزان تراکم الیاف در محیط بتن بستگی دارد و درصورتیکه نمونهها تراکم کافی برخوردار باشند استفاده از الیاف میتواند منجر به بهبود حداقلی مقاومت فشاری شود.
3-2- مقاومت خمشی
در بین آزمایشهای خواص مکانیکی بتن الیافی، آزمایش مقاومت خمشی (مدول گسیختگی) که بر طبق استاندارد ASTM C78 انجام میشود از اهمیت بیشتری برخوردار بوده و معیار خوبی برای ارزیابی عملکرد الیاف به شمار می رود. بااینوجود انجام آزمایش مقاومت پس از ترکخوردگی الیاف (ARS) بر طبق استاندارد ASTM C1609 بهترین آزمایش برای ارزیابی عملکرد بتن الیافی و رفتار پس از ترکخوردگی این نوع بتن است[8]. نتایج آزمایش مقاومت خمشی (مدول گسیختگی) 28 روزه در نمودار شکل 5 آورده شده است. نتایج حاصل از این آزمایش نشان میدهد که مقاومت خمشی تمام طرحهایی که در آنها از الیاف (فولادی، پلیمری کورتا و هیبرید) استفادهشده از مقاومت خمشی نمونه شاهد ( بدون الیاف بیشتر شده است). بهترین نتایج آزمایش مقاومت خمشی 28 روزه در نمونههای حاوی الیاف هیبریدی (فولادی- پلیمری کورتا) و بعد از آن در نمونههای حاوی الیاف پلیمری کورتا به ترتیب با افزایش 28 و 23 درصدی حاصلشده است. استفاده هیبریدی سبب میشود که الیاف پاسخ و رفتار بهتر در کنترل میکرو و ماکرو ترکها داشته باشند.
شکل 5- نتایج آزمایش مقاومت خمشی در28 روز
3-3- مقاومت کششی
نمودار نتایج آزمایش مقاومت کششی ناشی از دونیم شدگی نمونه های بتن الیافی در مقایسه با نمونه شاهد در نمودار شکل 6 آورده شده است.
همانطوری که در نمودار مشاهده میشود، تقریبا همان رویهای که در مقاومت فشاری وجود داشته است برای مقاومت کششی نیز وجود دارد. بهگونهای که بیشترین مقاومت کششی غیرمستقیم در نمونه حاوی الیاف هیبرید و در سن 28 روز مشاهدهشده است. این بهبود مقاومت کششی میتواند به خاطر قابیلت الیاف در کاهش و کنترل ریزترکها در ماتریس خمیر باشد.
شکل 3- نتایج آزمایش مقاومت کششی در سنین 7 و 28 روز
4- بررسی اهمیت و جایگاه بتن الیافی در ساخت سگمنت های تونل
امروزه قطعات بتنی پیشساخته به دلیل کاهش زمان ساخت در صنعت ساختوساز ساختمانی جایگاه ویژهای به خود اختصاص داده است. قطعات بتنی مورداستفاده در تونلهای مکانیزه به نام سگمنت از جمله این قطعات هستند. در ساخت این قطعات به دلیل ضخامت پایین و انحنا باید نهایت دقت را به عمل آید. بروز ترکهای سطحی و عمقی در این قطعات از جمله معایب آنها است که بایستی از راهکارهای مختلف در جهت جلوگیری از بروز ترکها، پوستهپوسته شدن و شکستگیهای آنها جلوگیری شود. همچنین باید توجه داشت که برخی از تونلها با هدف انتقال آب ساختهشده و در اینگونه تونلها قطعات در مواجه مستقیم با آب قرارگرفته و با توجه به قرار گرفتن در محیط های سولفاتی و خورنده باید تمیهداتی جهت تقویت خواص و مقاومت در برابر خوردگی و نیز کنترل ترکهایی که سبب نفوذ مواد خورنده به داخل قطعات میشود صورت بگیرد.
یکی از راهکاری مناسب جهت تقویت و مسلح سازی مناسب و بهبود دوام سگمنت ها استفاده از بتن الیافی است. ازآنجاکه الیاف در جسم بتن، در همهی جهات پراکنده میشوند، در صورت تشکیل یک ترک، الیاف در جهات مختلف اتصالاتی را به وجود آورده و از گسترش بیشتر جلوگیری مینماید. الیاف میتوانند برای جلوگیری از ترک های پلاستیک، کنترل عرض ترکخوردگیها، افزایش طاقت و جذب انرژِی و درنتیجه مقاومت در برابر ضربههای احتمالی به سگمنت استفاده شوند.
همچنین نشان میدهد که استفاده از بتن مسلح الیافی در کنار آرماتورهای فولادی در ساخت سگمنت ها می تواند سبب کاهش قطر و نیز حذف میلگرد های مصرفی در ساخت سگمنت شود[9].
5- جمعبندی و نتیجهگیری
ازآنجاکه بتن ذاتا مادهای ترد و شکننده بوده، مقاومت اندکی در برابر بارهای ضربهای و متناوب دارا است. از این رو اخیرا مطالعات گسترده و فراوانی پیرامون انعطافپذیری و افزایش جذب انرژی بتن صورت گرفته است. استفاده از بتن الیافی در ساخت قطعات تونل یکی از مواردی است که اخیرا مورد توجه قرارگرفته است. نتایج تحقیق حاضر نشان میدهد که استفاده هیبریدی از الیاف فولادی و پلیمری کورتا سبب بهبود عملکرد بتن میشود.
6- مراجع
[1].علی امانی، حامد علیزاده، محمد قاسمی،" بررسی تاثیر الیاف ترکیبی بر میزان جذب انرژی بتن" ، هشتمین کنفرانس ملی سالیانه بتن ایران – تهران – 51مهرماه 1395
[2]. ACI Committee 544, State-of-the-art report on fibre reinforced concrete, ACI 544.IR-82, American Concrete Institute, Detroit, Michigan, 1982.
[3]. N. Banthia and R. Gupta, ‘Hybrid fiber reinforced concrete (HyFRC): fiber synergy in high strength matrices’, Mater. Struct. 37, 2004, 707–716.
[4]. K. Kobayashi and R. Cho, ‘Flexural characteristics of steel fibre and polyethylene fibre hybrid - reinforced concrete’, Composites. 13, 1982, 164–168.
[5]. S. Hasaba, M. Kawamura, T. Koizumi and K. Takemoto, ‘Resistibility against impact load and deformation characteristics under bending load in polymer and hybrid (polymer and steel) fiber reinforced concrete’, in G.C. Hoff (ed.) Fiber Reinforced Concrete, ACI SP-81, The American Concrete Institute, Detroit, MI, 1984, pp. 187–196.
[6]. Burgers, R., Walraven, J., Plizzari, G.A., Tiberti, G., 2007. Structural behaviour of SFRC tunnel segments during TBM operations. In: World Tunnel Congress ITA-AITES 2007, Praga, pp. 1461–1467.
[7]. Angelo Caratelli , Alberto Meda , Zila Rinaldi , Paolo Romualdi, Structural behaviour of precast tunnel segments in fiber reinforced concrete, Tunnelling and Underground Space Technology 26 (2011) 284–291.
[8]. ASTM C1609, Standard Test Method for Flexural Performance of Fiber-Reinforced Concrete (Using Beam With Third-Point Loading)
[9]. Antonio Conforti , Giuseppe Tiberti , Giovanni A. Plizzari , Angelo Caratelli , Alberto Meda , Precast tunnel segments reinforced by macro-synthetic fibers, Tunnelling and Underground Space Technology 63 (2017) 1–11
Persian (Iran)
English (US)
Arabic (اللغة العربية)
Deutsch (Deutschland)
Русский (Россия)
Français (France)
Español (España)
Português (Portugal)