اویس افضلی ننیز1، علی معصومی2،  امیررضا پرندیان3 ، مهدی  نصرت آبادی4   1دانشجوی دکتری عمران-سازه ، دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی 2دانشجوی ارشد هوش مصنوعی، دانشگاه آزاد اسلامی 3 دكتری كسب و كار دانشگاه صنايع و معدن-  مشاور واحدتحقیق و توسعه   4کارشناس اجرایی عمران ، دانشگاه آزاد سیرجان

 

چكيده

نخستین استفاده از الیاف در شاتکریت مربوط  به سد Ririe در ایالت Idaho در سال 1972 میلادی با الیاف فولادی است. از آن زمان تاکنون استفاده از الیاف فولادی و پلیمری ماکرو (ماکروسنتتک) در شاتکریت خشک و تر به عنوان جایگزین آرماتورهای تک لایه یا دو لایه در حفاری معادن، تونل ها، پایدارسازی شیروانی ها رو به افزایش بوده است.

معمولا سطوح سنگی بدست آمده در اثر حفاری با انفجار، خشن و ناهموار هستند. در چنین مواردی عدم استفاده از مش باعث کاهش حجم شاتکریت الیافی موردنیاز برای پایدارسازی است. علت این موضوع آن است که شاتکریت دقیقا روی پروفیل حفاری‌شده اجرا می‌گردد و دیگر نیازی به پر کردن فضای پشت مش و یا پوشاندن روی آن نیست. علاوه بر این، استفاده از الیاف به‌جای مش میزان هدر رفت مصالح در اثر برگشت (Rebound) را کاهش داده و مانع ایجاد حفرات و یا فضای متخلخل پشت مش می‌شود.

مطالعات انجام‌شده نشان می‌دهد که در ضخامت یکسان، شاتکریت الیافی از لحاظ عملکرد سازه‌ای معادل مش است. علاوه بر این، الیاف سازه‌ای موجب بهبود طاقت (شکل‌پذیری) شاتکریت شده و در نتیجه شاتکریت می‌تواند تغییر شکل‌های به وجود آمده در معادن و تونل‌ها را بدون وقوع گسیختگی ترد و شکننده تحمل نماید. همچنین چسبندگی میان شاتکریت و زیر لایه سنگی معمولا در اثر استفاده از الیاف بهبود می‌یابد. علت این موضوع، حذف مش و در نتیجه اجرا و تراکم بهتر شاتکریت است. وجود مش سبب ایجاد حفرات و نواحی متخلخل شده و با تسهیل نفوذ آب، دوام درازمدت بتن را با مشکل روبرو می‌سازد.

الياف مختلفی را می‌توان جهت ساخت بتن اليافی بكار برد ولی بايد توجه داشت كه جهت بكار بردن هر كدام از آن‌ها نياز به اين است كه تعيين كنيم كدام نوع از الياف تركيب بهینه‌تری با توجه به مشخصات فرآورده و كاربری بنا به ما می‌دهد.

برای اين مهم ابتدا بايد با مشخصات فيزيكی و مكانيكی الياف آشنا باشيم تا با توجه به اين مشخصات بتوانيم از آن‌ها در ماتریس‌های سيمانی بهره كافی را ببريم. همچنین شناخت خواص مکانیکی بتن حاوی الیاف نیز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

این مقاله به بررسی خصوصیات عملکردی انواع مختلف الیاف پلیمری کورتا در شاتکریت الیافی تونل انتقال آب کرمان می‌پردازد. بدین منظور آزمون‌های خواص مکانیکی مختلفی بر روی نمونه‌های بتن حاوی اشکال مختلف الیاف پلیمری در سن 28 روز انجام شد. نتایج نشان می‌دهد که شاتکریت حاوی الیاف پلیمری پتانسیل خوبی برای کاربرد در پروژه‌های شاتکریت تونل دارد.

واژه‌های کليدی: بتن، شاتکریت الیافی، الیاف پلیمری

 

 

1- مقدمه

شاتكريت عبارت است از ملات و يا بتنی كه با فشار و سرعت‌بالا به سطح موردنظر پاشيده می‌شود و در حالت کلی  به دو نوع  شاتکریت تر و شاتکریت خشک تقسیم می‌شود. شاتکریت مسلح الیافی نیز یک نوع ملات یا بتن حاوی الیاف کوتاه گسسته است که با فشار هوای با سرعت‌بالا بر روی سطح مشخص پاشیده می‌شود [1]. استفاده از ترکیبات بتنی مسلح به الیاف امروزه در انواع مختلف سازه‌ها گسترش‌یافته است. کارایی و دوام بسیار بالای این نوع از مصالح، آن‌ها را به یک گزینه‌ی موثر برای بسیاری از طراحی‌ها تبدیل کرده است.

شاتکریت الیاف فولادی برای نخستین بار در سال 1971 صورت گرفت. از آن به بعد شاتکریت الیاف با استفاده از هر دو نوع الیاف فولادی و پلیمری با حداکثر 2 درصد حجمی به‌صورت گسترده در سرتاسر دنیا مورد استقبال واقع‌شده است و در دسته‌بندی کلی کاربرد بتن الیافی، شاتکریت الیاف در حدود 25 درصد کل  مصارف بتن الیافی را شامل می‌شود، بیشترین کار در شاتکریت الیافی برای تعمیر و بازسازی سازه‌های بتنی و آسترکشی تونل‌ها بوده است [1 و 2].

تحقیقات محققین نشان می‌دهد که انواع الیاف می‌توانند مقاومت سایشی، طاقت خمشی، جذب انرژی و  مقاومت کششی بتن را افزایش دهند [4,3].  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؛ بنابراین رشته‌های الیاف به‌طور فعال در کنترل  عرض ترک وارد عمل شده و قابلیت بهره‌برداری بتن را افزایش می‌دهند [5].

در حالت کلی، شاتکریت الیافی ممکن است همانند روش‌ها بتن مسلح الیافی معمولی و بتن ساده تست و مشخصه یابی شود هرچند که فدراسیون اروپایی از تولیدکنندگان و پیمانکاران تولید تخصصی برای سازه‌ها [6] روش‌هایی را برای آزمایش و مشخصه یابی برای آنچه که آن را بتن پاشیدنی  می‌نامند پیشنهاد کرده‌اند. به‌طور خاص، آن‌ها پیشنهاد کرده‌اند که طاقت شاتکریت الیافی می‌تواند توسط کلاس مقاومت باقی‌مانده (از آزمایش تیر) یا کلاس جذب انرژی (از آزمایش یک صفحه) تعیین شوند.

معمولا سطوح سنگی به‌دست‌آمده در اثر حفاری با انفجار، خشن و ناهموار هستند. در چنین مواردی عدم استفاده از مش باعث کاهش حجم شاتکریت الیافی موردنیاز برای پایدارسازی است. علت این موضوع آن است که شاتکریت دقیقا روی پروفیل حفاری‌شده اجرا می‌گردد و دیگر نیازی به پر کردن فضای پشت مش و یا پوشاندن روی آن نیست. علاوه بر این، استفاده از الیاف به‌جای مش میزان هدر رفت مصالح در اثر برگشت (ریباند) را کاهش داده و مانع ایجاد حفرات و یا فضای متخلخل پشت مش می‌شود. مطالعات انجام‌شده نشان می‌دهد که در ضخامت یکسان، شاتکریت الیافی از لحاظ عملکرد سازه‌ای معادل مش است. علاوه بر این، الیاف سازه‌ای موجب بهبود طاقت (شکل‌پذیری) شاتکریت شده و در نتیجه شاتکریت می‌تواند تغییر شکل‌های به وجود آمده در معادن و تونل‌ها را بدون وقوع گسیختگی ترد و شکننده تحمل نماید. همچنین چسبندگی میان شاتکریت و زیر لایه سنگی معمولا در اثر استفاده از الیاف بهبود می‌یابد. علت این موضوع، حذف مش و در نتیجه اجرا و تراکم بهتر شاتکریت است. وجود مش سبب ایجاد حفرات و نواحی متخلخل شده و با تسهیل نفوذ آب، دوام درازمدت بتن را با مشکل روبرو می‌سازد.

در طی سال‌های اخیر، استفاده از الیاف ماکرو مصنوعی مدول و مقاومت بالا در پروژه‌های شاتکریت الیافی دنیا رشد چشمگیری داشته است. علی‌رغم پروژه‌های گسترده آزمایشگاهی و اجرایی که در دنیا در این خصوص انجام‌شده متاسفانه در کشور ما تحقیقات چندانی در این خصوص انجام‌نشده است. شاتکریت الیاف پلیمری می‌تواند با مزایای ویژه خود کاربردهایی گسترده در سطح پروژه‌های تونل کشور داشته باشد.

دو موضوع مهم در مورد کاربرد الیاف مسلح کننده در بتن الیافی مورداستفاده روسازی‌های بتنی مطرح است. یکی نوع الیاف مورداستفاده و دیگری مقدار مصرف آن برای افزودن به بتن معمولی. الياف مختلفی را می‌توان جهت ساخت بتن اليافی بكار برد. بايد توجه داشت كه جهت بكار بردن هر نوع از الیاف  نياز به اين است كه تعيين كنيم كدام نوع از الياف تركيب بهینه‌تری با توجه به مشخصات فرآورده و كاربری بنا به ما می‌دهد. الیاف پلیمری با توجه به خصوصیات ویژه خود به دلیل شکل و هندسه الیاف، مواد شیمیایی تشکیل‌دهنده، خواص مکانیکی و نحوه قرارگیری و پخش یکنواخت یا غیریکنواخت آن در بتن می‌تواند باعث ایجاد عملکرد مختلفی  در بتن شود. ازاین‌رو استفاده از مقدار مشابه وزنی یا حجمی الیاف دارای اشکال مختلف موجب ایجاد خواص یکسانی نخواهد شد.

در این تحقیق به ارزیابی عملکرد الیاف پلیمری در شاتکریت الیافی در قالب دو فاز آزمایشگاهی و فاز اجرایی پرداخته‌شده است. بدین منظور در فاز آزمایشگاهی به بررسی نتایج خواص مکانیکی (مقاومت فشاری و خمشی) بر روی بتن حاوی سه تیپ مختلف الیاف پلیمری با اشکال مختلف انجام شد. با توجه به عملکرد مثبت بتن حاوی هر سه تیپ الیاف در تست‌های خواص مکانیکی استفاده از هر سه تیپ الیاف برای فاز اجرایی پیشنهاد شد. در فاز اجرایی به‌منظور مشاهده نحوه پخش و عملکرد الیاف، شاتکریت الیافی در محل پروژه انتقال آب کرمان مورد ارزیابی قرار گرفت.

2- فاز آزمایشگاهی

2-1- معرفی مصالح و طرح مخلوط ها

 

خصوصیات مصالح مصرف‌شده در این تحقیق در ادامه آورده شده است. مصالح سنگی مورداستفاده 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 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 نوع 2 تهران است. آزمایش فلورسانس اشعه‌ی ایکس (XRF) برای تعیین خواص شیمایی سیمان 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
2/0	9/0	7/3	7/2	1/4	5/3	2/64	7/17	درصد

 

الیاف کورتا، امباس و ویو سه تیپ انتخابی الیاف پلیمری هستند. تصاویر این الیاف در شکل 3 آورده شده است. مشخصات این الیاف در جدول 2 آورده شده است.

شکل 3- الیاف استفاده‌شده در این پژوهش

 

الیاف امباس

 

الیاف ویو

 

الیاف کورتا

 

جدول 2- خصوصیات الیاف استفاده‌شده در این پژوهش

طول mm	وزن مخصوص gr/cm3	مدول الاستیسیته MPa	مقاومت کششی MPa	جذب آب
54	0/91	7000	570	ندارد

مشخصات طرح مخلوط‌های مصرفی پروژه در جدول 3 آمده است.

 

 

جدول3- مشخصات طرح مخلوط‌ها

نام طرح	نوع الیاف	مقدار الیاف	شن (برحسب درصد مصالح سنگی)	ماسه(برحسب درصد مصالح سنگی)	سیمان (Kg)	نسبت آب به سیمان
PC	-	-	30	70	400	0/45
K1	کورتا	2	30	70	400	0/45
K2	کورتا	3	30	70	400	0/45
E1	امباس	2	30	70	400	0/45
E2	امباس	3	30	70	400	0/45
V1	ویو	2	30	70	400	0/45
V2	ویو	3	30	70	400	0/45

 

2-2- آزمایش‌ها و نتایج

2-2-1 مقاومت فشاری

به‌منظور 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 28 روز عمل‌آوری تحت آزمایش مقاومت فشاری طبق استاندارد BS 1881-116 قرار گرفتند.

نمودار شکل 3 نتایج آزمایش مقاومت فشاری و جدول 3 درصد افزایش مقاومت فشاری نمونه‌های الیافی نسبت به نمونه مرجع را نشان می‌دهد. نتایج به‌دست‌آمده از این آزمایش نشان می‌دهد تاثیر الیاف بر افزایش مقاومت فشاری بتن چندان قابل‌ملاحظه نیست. عامل اصلی بر مقاومت فشاری بتن مقاومت سنگ‌دانه‌ها، خمیر سیمان و اتصال بین این دو ناحیه است و افزودن الیاف درصورتی‌که نمونه‌ها به‌خوبی متراکم شده باشند تاثیر اندکی بر بهبود مقاومت فشاری و در مواردی نیز حتی کاهش مقاومت فشاری را به دلیل تخلخل ایجادشده ناشی از افزودن الیاف در پی خواهد داشت.

 

شکل 3- نتایج آزمایش مقاومت فشاری 28 روزه

 

جدول 3- درصد تغییرات مقاومت فشاری نسبت به نمونه شاهد

نام طرح	درصد تغییر
K1	5/2+
K2	4/6+
E1	6/5+
E2	5/7+
V1	2/7+
V2	0/5-

2-2-2 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. نمودار شکل 3 نتایج آزمایش مقاومت خمشی و جدول 4 درصد افزایش مقاومت خمشی نمونه‌های الیافی نسبت به نمونه مرجع را نشان می‌دهد.

 

شکل 4- نتایج آزمایش مقاومت خمشی 28 روزه

 

جدول 4- درصد تغییرات مقاومت خمشی نسبت به نمونه شاهد

نام طرح	درصد تغییر
K1	21/3+
K2	26/2+
E1	24/6+
E2	29/5+
V1	13/11+
V2	18/03+

 

همان‌طور که  نمودار شکل 4 مشاهده می‌شود مقاومت خمشی (مدول گسیختگی) در تمام طرح‌های حاوی الیاف پلیمری از مقاومت خمشی نمونه شاهد بیشتر شده است.  همچنین در مورد هر تیپ از الیاف استفاده‌شده، با افزایش میزان جایگزینی الیاف مقاومت خمشی افزایش‌یافته است به‌گونه‌ای که بیشترین مقاومت خمشی در نمونه حاوی 3 کیلوگرم الیاف امباس (E2) و کمترین آن در نمونه حاوی 2 کیلوگرم الیاف ویو (V1) مشاهده شد. همچنین اعداد جدول 4 تغییرات مقاومت خمشی نمونه های حاوی الیاف در مقایسه با نمونه شاهد را نشان می‌دهند.  مطابق جدول 4 مقاومت خمشی 28 روزه  نمونه‌های منشوری حاوی 2 و 3 کیلوگرم  الیاف پلیمری امباس به ترتیب 6/24  و 5/29 درصد نسبت به نمونه شاهد افزایش‌یافته است. این نتیجه نشان می‌دهد که الیاف در مقیاس میکروسکوپی موجب بهبود ناحیه انتقال و کنترل ریزترک‌ها شده‌اند.  

3- فاز اجرایی

پس از بررسی تست‌های انجام‌شده بر روی بتن حاوی سه تیپ مختلف الیاف پلیمری در تست‌های خواص مکانیکی استفاده از هر سه تیپ الیاف برای فاز اجرایی در پروژه انتقال آب کرمان پیشنهاد شد.

در این قسمت به  بررسی خصوصیات عملکردی الیاف پلیمری در شاتکریت الیافی تونل انتقال آب کرمان می‌پردازد. بدین منظور هر سه تیپ مختلف الیاف پلیمری بررسی‌شده در فاز آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار گرفت. شکل 7 تصاویری را از مراحل اجرای شاتکریت اجراشده با الیاف پلیمری در محل پروژه را نشان می‌دهد.

 

شکل7- تصاویری از اجرای شاتکریت الیافی پلیمری در محل تونل انتقال آب کرمان

 

با توجه به اینکه هر سه طرح مخلوط بتنی در مرحله آزمایشگاهی عملکرد مثبتی داشتند در فاز اجرایی جهت انتخاب طرح بهینه از بین سه تیپ الیاف مصرفی مواردی همچون مشخصات ظاهری بتن تازه اعم از کارایی و حالت خمیری، میکس مناسب مصالح و الیاف، عدم جداشدگی مخلوط حاصل، ریباند (ریزش الیاف)، نحوه قرارگیری الیاف و ترک‌خوردگی در هنگام پاشش مورد ارزیابی قرار گرفت. با مشاهدات و بررسی‌های انجام‌شده مشاهده شد که الیاف تیپ کورتا نسبت به دو تیپ الیاف مصرفی دیگر عملکرد بهتری دارند.

4- نتیجه و جمع بندی

استفاده از الیاف ماکرو مصنوعی مدول و مقاومت بالا در پروژه‌های شاتکریت الیافی دنیا رشد چشمگیری داشته است. علی‌رغم پروژه‌های گسترده آزمایشگاهی و اجرایی که در دنیا در این خصوص انجام‌شده متاسفانه در کشور ما تحقیقات چندانی در این خصوص انجام‌نشده است. شاتکریت الیاف پلیمری می‌تواند با مزایای ویژه خود کاربردهایی گسترده در سطح پروژه‌های تونل کشور داشته باشد.

در این تحقیق به ارزیابی عملکرد سه تیپ مختلف الیاف پلیمری (کورتا، امباس و ویو) در شاتکریت الیافی در قالب دو فاز آزمایشگاهی و فاز اجرایی پرداخته شد. نتایج تست‌های انجام‌شده در فاز آزمایشگاهی نشان داد که افزودن الیاف پلیمری تغییری در مقاومت فشاری ایجاد نکرده اما سبب بهبود نتایج مقاومت خمشی (مدول گسیختگی) نمونه‌های الیافی نسبت به نمونه شاهد شده است. در فاز اجرایی جهت انتخاب طرح بهینه از بین سه تیپ الیاف مصرفی موارد مختلفی همچون مشخصات ظاهری بتن، نحوه پخش الیاف،  ریباند (ریزش الیاف)،  نحوه قرارگیری الیاف  و ترک‌خوردگی در هنگام پاشش مورد ارزیابی قرار گرفت.

 

مراجع

 

[1] Arnon Bentur, Sidney Mindess, Routledge, Fibre Reinforced Cementitious Composites, Second Edition, November 16, 2006 by CRC Press.

[2] ACI Committee 506, Committee Report on Fiber Reinforced Shotcrete, ACI 506.1R, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 1998 .

[3]Bhikshma,V., Ravande,K., Nitturkar,K.,(2005).”Mechanical properties of fiber reinforced high
strength concrete”,Recent advances in concrete and construction, Chennai,pp 23-33.

[4] Permalatha, J., Govindraj, V., (2003). “Experimental studies on fiber reinforced concrete” proceedimg of the INCONTEST 2003, Coimbatore, 10-12 sept 2003, pp 462-468.

[5] EFNARC,European Specification for Sprayed Concrete, EFNARC,Farnham, Surrey, 1996.