کتاب نقش لاستیک به همراه نانوسیلیس در مقاوم‌سازی بتن

عنوان صفحه
مقدمه 9
فصـل اول 15
کلیات 15
بیان موضوع 17
اهداف مطالعه 18
فرضیات 18
فصـل دوم 19
تئوری و پیشینه‌ی علمی مطالعه 19
خواص بتن 21
مقاومت فشاری و کششی 21
مزایای بتن 22
معایب بتن 23
عوامل مؤثر در مقاومت بتن 23
نسبت آب به سیمان 23
سن 23
نسبت سنگدانه به سیمان 24
خواص سنگدانه 24
نسبت gel/space 24
اثر اندازه‌ی سنگدانه 25
روابط بین انواع مقاومت‌ها 25
مدول الاستیسیته 25
رابطه‌ی بین مدول الاستیسیته و مقاومت 26
عوامل مؤثر در مدول الاستیسیته (E) 26
دوام بتن 27
نفوذپذیری 27
مقاومت در دوره‌های یخ زدن و آب شدن 28
مقاومت در برابر سایش 29
نقش مواد افزودنی 30
نانوسیلیس 32
دسته‌بندی لاستیک مستهلک 36
مروری بر مطالعات انجام شده 39
فصـل سوم 43
مصالح مورد استفاده، طرح اختلاط‌ها و آزمایش‌ها 43
مصالح مورد استفاده و طرح اختلاط 43
سنگدانه 43
لاستیک 49
آب و سیمان 50
نانوسیلیس 50
فوقِ روان‌کننده 51
مشخصات نمونه‌های ساخته شده و طرح اختلاط‌ها 52
طرح اختلاط نهایی 53
روش ساخت مخلوط‌ها 55
آزمایش اسلامپ 55
عمل‌آوری و شرایط نگه‌داری 56
آزمایش‌ها 56
مقاومت فشاری 56
مقاومت کششی 58
فصـل چهارم 61
تجزیه و تحلیل نتایج آزمایش‌ها 61
مقاومت کششی 73
فصـل پنجم 79
نتيجه‌گيري و پیشنهادها 79
نتیجه‌گیری 79
پیشنهادها 81
منـابع و مآخـذ 83

 

 

خواص بتن

مقاومت فشاری و کششی

بتن مقاومت فشاری فوق‌العاده بالایی دارد و یکی از دلایل اصلی استفاده‌ی گسترده از بتن در ساخت و ساز، همین مقاومت فشاری بالای آن است؛ اما بتن حالتی ترد و شکننده دارد که باعث می‌شود مقدار مقاومت کششی آن در مقایسه با مقاومت فشاری‌اش، بسیار پایین‌تر باشد. بنا بر این تنش کششی را تا حد زیادی تحمل نمی‌کند و خیلی زود در راستای نیروهای وارد بر آن ترک می‌خورد. به همین دلیل، ضرورت دارد تا برای طراحی و ساخت یک سازه، میزان مقاومت کششی آن را بدانیم.

مقاومت فشاری یکی از مهمترین و مفیدترین خواص بتن می‌باشد. در اغلب کاربردهای ساختمانی بتن بعلت مقاومت بالای فشاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. در کاربرد‌های عمومی معمولا میزان مقاومت فشاری بعنوان معیاری برای اندازه گیری سایر ویژگی‌های بتن، مانند مقاوت کششی، خمشی و غیره ملاک عمل قرار می‌گیرد. هرچند هیچ گونه رابطه دقیقی بین مقاومت فشاری و مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، مقاومت به سایش و یا نفوذپذیری بیان نشده است.

اگر چه معمولا بتن به گونه ای طراحی نمی گردد که تنش کششی مستقیم را تحمل نماید، ولی دانستن مقاومت کششی بتن در تخمین باری که ترک ها در آن توسعه می یابند، با ارزش است.

 

مزایای بتن

1. بتن در مقایسه با مصالح دیگر مقاومت فشاری قابل قبولی دارد.
2. شکل پذیری خوبی دارد و با ساختن قالب مناسب تقریبا هر نوع مقطعی را می توان تولید نمود.
3. تمامی اجزای تشکیل دهنده بتن به جز سیمان، ارزان قیمت محسوب می شوند و در اکثر نقاط یافت می شوند.
4. مقاومت بسیار خوب در مقابل آتش.
5. مقاومت بسیار خوب در مقابل آب و رطوبت، همچنین محافظ آرماتور.
6. صلبیت بالای بتن آرمه.
7. بتن نسبت به فولاد نیاز به محافظت کمتری دارد.
8. عمر بتن در مقایسه با دیگر مصالح ساختمانی بیشتر می باشد و یك ساختمان بتن آرمه می تواند. برای همیشه بدون کاهش ظرفیت باربری مورد استفاده قرار گیرد.
9. اجرای سازه بتن آرمه در مقایسه با سایر مصالح نیاز به نیروی اجرایی با مهارت بالا ندارد.
10. در بعضی از موارد مثل پی، شمع و … به عنوان تنها گزینه ی اقتصادی محسوب می شود.

معایب بتن

مقاومت کششی بتن بسیار پایین بوده، حدوده 10% مقاومت فشاری آن می باشد.

 

عوامل مؤثر در مقاومت بتن

اگرچه تخلخل مهمترین عامل موثر در مقاومت بتن می‌باشد، ولی بعلت اینکه در مهندسی بسختی می‌توان تخلخل را اندازه گرفت یا محاسبه نمود (چون درجه هیدراسیون به درستی مشخص نمی‌شود) لذا مهمترین عوامل موثر در مقاومت بتن، نسبت آب به سیمان، درجه تراکم کیفیت سنگدانه (دانه بندی، مقاومت و سطح آن) اندازه سنگدانه، سن و دما می‌باشد. در ذیل تاثیر هرکدام از این عوامل بررسی می‌شود:

 

نسبت آب به سیمان

مقاومت بتن به مقاومت خمیر سیمان وابسته است. مقاومت سیمان با افزایش مقدار سیمان زیاد شده و با افزایش مقدار آب و هوا کاهش می‌یابد.

 

سن

با افزایش سن بتن، واکنشهای هیدراسیون بیشتر شده و در نتیجه چسبندگی اجزای بتن به همدیگر زیاد می‌گردد. معمولا مقاومت در 28 روز بعنوان مقاومت بتن در نظر گرفته می‌شود، اگرچه بعد از آن هم مقاومت بتن زیاد می‌گردد. بین مقاومت 7 روزه و 28 روزه روابط زیر برقرار است:

F₂₈ و f₇ مقاومت در 28 و 7 روز هستند. ثابتهای k₁ و k₂ به شرایط بستگی دارند و k₁ در محدوده 3/0 تا 8/0 و k₂ در محدوده 3 تا 6 می‌باشد.

نسبت سنگدانه به سیمان

با افزایش نسبت سنگدانه به سیمان، مقاومت فشاری کاهش می‌یابد.

خواص سنگدانه

اثر این خواص به شکل سنگدانه بر می‌گردد. سنگدانه‌های زاویه دار بدلیل تشکیل باند با بقیه بتن، مقاومت بالاتری ایجاد می‌کنند. همچنین سنگدانه‌های زاویه دار بعلت ایجاد گرادیان تنش و تاخیر در گسترش ترک سبب جلوگیری از شکست نهایی می‌شوند.

 

نسبت

این نسبت بعنوان نسبت حجم سیمان هیدراته شده به مجموع حجم‌های سیمانهای هیدراته شده و خلل و فرج‌های موئینگی می‌باشد. برای هیدراسیون کامل بصورت زیر محاسبه می‌شود:

که c وزن سیمان برحسب gr و w0 حجم اب مخلوط بر حسب میلی لیتر می‌باشد.

اثر اندازه‌ی سنگدانه

زمانی این تصور وجود داشت که سطح مقطع کمتر، نیاز به آب کمتر برای کارآیی دارد درنتیجه نسبت آب به سیمان کمتری لازم داشته و مقاومت زیاد می‌شود. ولی این دانه‌ها با سطح مقطع کمتر، سبب ایجاد پیوند ضعیف تر شده و مقاومت کم می‌شود لذا بایستی در مخلوط بتن، اندازه دانه‌ها به شکل بی رویه ای افزایش نیابد.

 

روابط بین انواع مقاومت‌ها

بین مقاومت فشاری و کششی و بین مقاومت فشاری و خمشی روابط خاصی وجود ندارد. ولی یک سری روابط آماری که این‌ها را به هم مربوط می‌کند بوجود آمده است؛ مثلا همانطور که قبلا گفته شد مقاومت کششی حدود  مقاومت فشاری و در محدوده مقاومت فشاری بالاتر از kg/cm² 250، مقاومت خمشی 8 تا 11 درصد مقاومت فشاری و در محدوده مقاومت فشاری کمتر از kg/cm² 250 که این مقدار 9 تا 8/12 درصد است.

 

مدول الاستیسیته

در تئوری فرض می‌شود که بتن مسلح ایزوتروپیک، همسان و الاستیک بوده و از قانون هوک پیروی می‌کند. ولی در حالت واقعی هیچ یک از این فرضیات بدرستی صدق نمی‌کند. بتن تحت بارگذاری تغییر شکل می‌دهد که به مقدار بارگذاری، سرعت بارگذاری ٍو فاصله زمانی بستگی دارد.

به عبارت دیگر، بتن رفتار تنش –کرنش پیچیده ای دارد. هنگام طراحی بتن با استفاده از تئوری الاستیک فرض بر این است که پیوند کامل بین فولاد و بتن برقرار می‌شود. تنش در فولاد m برابر تنش در بتن است که m نسبت مدول الاستیسیته فولاد به بتن است. (مدول الاستیسیته نسبت تنش به کرنش در حالت بارگذاری الاستیک است) بتن بعلت ناهمگنی ساختار، چند فازی بودن و ساختار ژل سیمان، رفتار تنش – کرنش ویژه ای دارد. بعلت این رفتار ویژه مدول الاستیسیته بتن به روش‌های مختلفی تعیین شده. چون هیچ قسمت نمودار خط راست نیست، پس مدول یانگ تعریف نمی‌شود. سه نوع مدول تعریف می‌شود:

مدول مماسی اولیه: که بر مبنای خط مماس بر نمودار تنش –کرنش در مبدا تعریف می‌شود. این مقدار در تنش‌های کم معتبر بوده و برای تنش‌های بالاتر گمراه کننده است.

مدول مماسی: در هر نقطه از نمودار نیز می‌توان مماسی رسم نمود که مدول مماسی گویند. این مقدار برای مقادیر بالاتر یا پایین تر از نقطه اندازه گیری شده، مقدار واقعی نمی‌دهد و مقدار بدست آمده فقط در نقطه‌ی اندازه گیری شده معتبر است.

مدول سکانت: از وصل کردن نقطه ای روی نمودار به مبدا حاصل می‌شود.

مدول الاستیسیته که معمولا بکار می‌رود مدول سکانت است. هیچ روش استانداردی برای مشخص کردن مدول سکانت وجود ندارد. بعضی اوقات در تنشهای در محدوده 30 تا kg/cm² 140 اندازه گیری می‌شود. همچنین می‌توان در تنشهای 35 و 25 و 15 و 50 درصد تنش کشش نهایی را اندازه گیری کرد. چون با افزایش تنش مدول سکانت نیز تغییر می‌کند پس بایستی تنشی که در آن مدول سکانت اندازه گیری می‌شود ذکر نمود.

مدول الاستیسیته می‌تواند در حالت فشاری، کششی یا خمشی اندازه گیری شود. مدول الاستیسیته در حالت کششی تقریبا برابر حالت فشاری است.

 

رابطه‌ی بین مدول الاستیسیته و مقاومت

در نسبتهای تنش – کرنش یکسان، بتن قوی تر کرنش بالاتری دارد. از طرف دیگر، بتن قوی تر مدول الاستیسیته بالاتری هم دارد. مدول الاستیسیته بتن با جذر مقاومت بتن تقریبا رابطه دارد.

 

عوامل مؤثر در مدول الاستیسیته (E)

همانطور که قبلا بیان شد مدول الاستیسیته به مقاومت بتن بستگی دارد که می‌تواند به صورتهای مختلفی، مثل نسبت آب به سیمان و… تعبیر شود.

در شرایط یکسان، بتن مرطوب دارای مدول الاستیسیته بالاتری نسبت به بتن خشک است. این موضوع برای مقاومت فشاری معکوس می‌باشد. می‌توان گفت که در شرایط مرطوب، بتن اشباع شده با آب کرنش کمتری دارد.

مخلوط غنی تر و بتن با سن بالاتر قوی تر بوده و مدول الاستیسیته بالاتری می‌دهد. کیفیت و کمیت سنگدانه‌ها هم بسیار موثرند چون این کیفیت و کمیت روی مقاومت بتن تاثیر گذاشته و آن هم در مدول الاستیسیته موثر است.

 

دوام بتن

غالبا دوام بتن از سه جهت فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی بررسی می‌گردد. این سه مورد عبارتند از:

• شیمیایی: بوسیله حمله سولفاتها، اسیدها، اب دریاها و همچنین کلراید که سبب خوردگی الکتروشیمیایی می‌گردند؛ ایجاد می‌گردد. در مورد حمله شیمیایی، نفوذپذیری بتن به این عوامل، مهمترین عامل آسیب پذیری آن می‌باشد.
• فیزیکی: بوسیله یخ زدن و اختلاف بین ویژگی‌های انتقال حرارت سیمان و سنگدانه حاصل می‌شود و از طریق مقاومت به دوره‌های یخ زدن–ذوب بررسی می‌گردد.
• مکانیکی: به وسیله سایش بررسی می‌شود.

 

نفوذپذیری

نفوذپذیری بتن، مهمترین عامل در میزان آسیب وارده براثر عواملی از جمله، سولفاتها، اسیدها، آب دریا و کلراید می‌باشد؛ زیرا در غالب این موارد حمله از درون توده بتن یا بتن مسلح صورت می‌گیرد؛ بنابراین، نفوذپذیری بعنوان توانایی عبور مایع و گاز درون بتن تعریف می‌شود.

هرچه نفوذپذیری بتن به این مواد کاهش یابد، آسیب پذیری بتن نیز کاهش یافته که سبب افزایش دوام بتن می‌شود.

برای انجام دادن آزمایش نفوذ پذیری، اطراف نمونه بتنی بسته شده و آب با فشار از بالای بتن، به آن وارد می‌شود. وقتی حالت پایدار ایجاد شد (برای آب حدود 10 روز و برای گاز چند ساعت می‌باشد) مقدار جریان آب به داخل بتن اندازه گیری می‌شود. نفوذپذیری بوسیله‌ی ضریب نفوذ تعریف می‌گردد:

hΔ کاهش ارتفاع نمونه در فشار هیدرولیک، dq/dt سرعت جریان آب، L ضخامت نمونه و A هم مساحت نمونه است. در این شرایط k، برحسب، m/sec یا Ft/sec تعریف می‌شود.

نفوذپذیری گاز هم در مواردی مانند بتن‌های مورد استفاده در فاضلاب یا ظروف هسته ای تحت فشار مهم است.

رابطه‌ی مشخصی بین نفوذ پذیری آب و گاز در بتن وجود ندارد. بطور کلی نفوذ پذیری آب و گاز به نسبت آب به سیمان و سن بتن بستگی دارد.

بدیهی است، هرچه تخلخل بتن بیشتر باشد، نفوذپذیری بالاتر است.؛ اما اگر خلل و فرج در بتن ریز و یا به هم متصل نباشدنفوذپذیری بشدت کاهش می‌یابد؛ مثلا دو بتن با تخلخل یکسان نفوذپذیری متفاوتی دارند.

در یک درجه هیدراسیون خاص، با کاهش نسبت آب به سیمان نفوذپذیری کم می‌شود. میزان کاهش نفوذ پذیری هنگامی که نسبت آب به سیمان کمتر از 6/0 باشد مشهود است. به همین علت برای کاهش نفوذپذیری از طریق بستن مسیرهای نفوذ آب، آیین نامه آبا توصیه کرده است که نسبت آب به سیمان از 48/0 تجاوز نکند. برای بتن در آب دریا این نسبت بایستی کمتر از 44/0 باشد. همچنین طبق این آیین نامه‌ها، حداکثر نفوذپذیری بتن m/sec ^11-10×105 پیشنهاد می‌گردد.

 

مقاومت در دوره‌های یخ زدن و آب شدن

یکی از مشکلات بتن ریزی در هوای سرد احتمال یخ زدگی آب تازه درون بتن می‌باشد. اگر بتنی که هنوز سخت نشده است یخ بزند آب تبدیل به یخ شده و حجم بتن زیاد می‌گردد. از طرفی آب لازم برای تبدیل سیمان به خمیر هم کاهش می‌یابد. حال اگر گرم شدن روی بدهد، بتن در حالت منبسط شده شروع به سخت شدن می‌کند و در نتیجه بتن تولید شده تخلخل زیادی خواهد داشت که این امر سبب کاهش مقاومت می‌شود. در یخ زدن و گرم شدن بعدی نیز این مراحل تکرار شده و اثر دوره‌های مختلف به صورت تجمعی روی بتن باقی می‌ماند. اگر یخ زدن پس از سخت شدن روی بدهد این امر سبب شکستن بتن نمی‌گردد. چون آب بتن به سبب واکنشهای هیدراسیون و مصرف شدن در خمیر سیمان کاهش یافته و از طرف دیگر آب موجود در حفره‌های کوچک تجمع می‌یابد (هرچه حفره کوچکتر باشد دمای یخ زدن آب پایین تر است) پس مقاومت بتن در برابر یخ زدگی و ذوب زیاد می‌گردد.

شایان ذکر است دوره‌های یخ زدگی و ذوب در بتنی که در شرایط نرمال و قابل قبول ساخته شده است در صورتی که آب موجود در آن زیاد باشد نیز می‌تواند تاثیر مخرب داشته باشد. آب یخ زده 9% افزایش حجم می‌یابد و فشار هیدرولیکی ایجاد شده سبب از هم گسیختن بتن می‌گردد.