اثر الیاف فولادی بر رفتار بتون ها ، ورد 57 صفحه
بخشهایی از متن جهت اشنایی:
مقدمه :
هر چند که از بدو پیدایش بتون ، تحول اندکی در آن به وجود امده ، لکن طیف وسیع کاربرد بتون عملا ً بیانگر این مطلب است که مزایای بیشماری که این نوع مصالح از آن برخوردار است ، سایر موارد آن را تحت شعاع قرار می دهد .
در طراحی یک پروژه ،بکار گیری مصالح مناسب ،مقاوم و ارزان از مهمترین ظایف یک مهندس به حساب می آید.یکی از مهمترین و ارزان ترین مصالح موجود که در دنیا کار برد وسیعی دارد ،بتون است. مزایایی که بتون از آن برخوردار است باعث شده که مورد علاقه اکثر مهندسین ،طراحان و کارفرمایان باشد. از عمده ترین مزایای بتون ،امکان به کار گیری آن در اغلب مناطق جغرافیایی،استفاده از مصالح طبیعی و ارزان ،دارا بودن هزینه ی کم در مقایسه با حجم زیاد عملیات،شکل پذیری آن با توجه به اشکال هندسی طرح، امکان مکانیزه کردن عملیات عدم نیاز به نگهداری پر خرج بنا در طول عمر بهره برداری و ... است.
بکارگیری بتون غیر مسلح بعلت تردی آن به غیر از سازه های وزنی عملا ً کاربرد چندانی ندارد . این عیب عمده ی بتون در عمل ،با مسلح کردن آن به وسیله ی میله های فولادی یا آرماتور برطرف می گردد . امّا از انجایی که آرماتور منحصرا ً بخش کوچکی از مقطع را تشکیل می دهد ، تصور این که مقطع بتون یک مقطع ایزوتوپ و هموژن است ، چندان صحیح نخواهد بود.
به منظور شرایط ایزوتوپی و نیز کاهش ضعف شکنندگی و تردی جسم بتون تا حد ممکن ، در چند دهه ی اخیر از رشته های نازک و نسبتا ً درازی که در تمام حجم بتون ، بطور همگن و درهم پراکنده می گردد استفاده می شود.
کاربرد اینگونه رشته ها یا الیاف در بتون و بطور کلی در ملات ها قدمت تاریخی دارد.انواع الیافی که در ربع قرن اخیر بطور وسیع در بتون و ملات های سیمانی مورد استفاده قرار می گیرد ، الیاف شیشه ای ، پلی اتیلن ، فولادی ،آزبست و نایلونی می باشد که اثر هر یک از انواع الیاف بر خواص و تکنولوژی بتون مبحث جداگانه و طولانی به خود اختصاص میدهد.
در مجموعه ی حاضر منحصرا ً اثر الیاف فولادی بر رفتار بتون های مسلح به این نوع الیاف مورد بررسی و پژوهش قرار گرفته است.
کاربرد الیاف فولادی به منظور بهبود بخشیدن به خواص بتون ، کاربرد وسیعی را در سازه های بتونی و بتون مسلح پیدا کرده است.دلیل این کاربرد گسترده ،مزایای بیشمار فنی و اقتصادی در استفاده از الیاف فولادی در جسم بتون می باشد.
اثرات مثبت کاربرد الیاف فولادی به شرح ذیل می باشد:
- افزایش مقاومت خمشی
- افزایش مقاومت برشی
- افزایش مقاومت کششی
- افزایش مقاومت در برابر بارهای دینامیکی به ویژه بارهای ضربه ای
- افزایش مقاومت مقطع در قبال ترک خوردگی
- افزایش مقاومت در میزان جذب انرژی
- کاهش در میزان انقباض،خزش و سایش سطحی.
با توجه به این اثرات مهم در خواص بتون خالص ، تولید و کاربرد الیاف فولادی در کشورهای صنعتی جهان از طیف وسیعی برخوردار شده و در حال حاضر انواع الیاف فولادی با مشخصات فنی و موارد کاربرد گوناگون به صورت صنعتی تولید انبوه می گردد.
نظری گزرا به آمار مصرف الیاف فولادی در کارهای بتونی در کشورهای صنعتی نشان می دهد که تنها ظرف 10 سال گذشته بالغ بر چندین هزار متر مربع از کف سالن های صنعتی ، باند فرودگاه ها ، روسازی بزرگراه ها و... با بتون مسلح به الیاف فولادی اجرا شده است.
از انجایی که در ایران و سایر ممالک خاورمیانه الیاف از نوع فولادی تولید و یا وارد نمی شود ، اغلب مهندسین و مشاورین از چنین تکنولوژی وتکنیکی که به خواص و مقاومت بتون بهبود می بخشد ، بی اطلاع بوده و یا اطلاع کمی دارند، و افراد مطلع از وجود چنین تکنیکی ، کاربرد الیاف را به علت عدم دسترسی آسان و ارزان نبودن آن یک تکنیک لوکس در طرح های بتونی تلقی می کنند .
مجموعه ی حاضر تلاش دارد تا این تکنولوژی را که سالهاست در سایر کشورها مورد استفاده قرار می گیرد ، در ایران نیز بشناساند.
کاربرد بتون الیافی در وضع کنونی کشور به دلایل اقتصادی ،بخصوص از نظر تامین الیاف فولادی صنعتی چه به صورت وارداتی و چه تولیدی مقرون به صرفه نبوده و مشکلات تازه ای را در جهت وابستگی های جدید به کشورهای بیگانه در صنایع عمرانی به ارمغان خواهد آورد .
با توجه به فراوانی تفاله های صنعتی که از بابت مواد اولیه آن ها باالاجبار ارز زیادی از کشور خارج می شود و فضاهای زیادی در قطب های صنعتی و جوار جاده های کشور اشغال می شده و می شود ، این انگیزه را به وجود آورد تا با توجه به مزایای بتون مسلح با الیاف فولادی و نیاز به استفاده از این تکنولوژی در طرح های عمرانی کشور ، از این تفاله های صنعتی با توجه به دلایل فوق به عنوان الیاف فولادی استفاده می گردد.
نتایج بررسی ها و تحقیقات آزمایشگاهی که در این راستا در دانشگاه فنی تبریز در بررسی مقاومت های خمشی ، فشاری ، کششی ، برشی و شکافتگی در طول مدت بیش از یکسال انجام گرفت ، نشان میدهد که تاثیراین نوع الیاف فولادی در بالابردن مقاومت بتن بسیار چشمگیر و شایان توجه است . بکار گیری اینگونه زایدات و تراشه های فولادی به عنوان الیاف فولادی نه تنها از بعد افزایش خواص بتن خالص حائز اهمیت است بلکه از بعد اقتصادی و کاهش آلودگی محیت زیست نیز اثرات بسیار مثبت و رضایت بخشی را در بر خواهد داشت .
مزایای اقتصادی این طرح از نظر هزینه و مخصوصا ً ارز خروجی از کشور دارای اهمیت فوق العاده ای است . بدین معنی که 10الی 30 درصد وزن فولاد وارداتی حین ساخت قطعات مختلف صنعتی به تراشه های فولادی زاید تبدیل می شود . بعد از تولید این زایدات ، ضرورت بر حمل و دفن این مواد وجود دارد که هزینه مجددی را طلب می کند .
همچنین دور کردن و دفن این زایدات در محل های بخصوص ، اولا ً فضا و مکان بزرگی را اشغال می کند و ثانیا ً باعث آلودگی و بدی منظره ی محیط زیست می شود . حال اگر از این تراشه های فولادی _ که هزینه گرانی را به خود اختصاص می دهد _ به عوض پوسیدگی و آلودگی محیط زیست در بتون استفاده شود ، علاوه بر کاهش آلودگی محیط ریست ، مقاومت بتون را نسبت به بتون خالص افزایش داده ، همچنین با توجه به نتایج مطلوبی که از این تحقیقات بدست آمده میتوان کاهش هزینه های اجرایی ، امکان مکانیزه کردن روشهای اجرایی ، صرفه جویی در مصرف مصالح سنگی و سیمان ، کاهش هزینه های حمل مصالح به علت کاهش حجم کار ، امکان استفاده در صنایع ساخت بلوک و لوله های سیمانی مخصوصا ً در مناطق روستایی کشور ، ایجاد زمینه اشتغال افراد و... را انتظار داشت.
- بتون مسلح به الیاف فولادی
بتون الیافی ( الیاف فولادی ) شامل یک کالبد بتونی مرکب از سیمان ، مصالح سنگی ، آب و همچنین درصدی از الیاف فولادی کوتاه می باشد که بطور درهم و کاملاً اتفاقی و در جهات مختلف در مخلوط پراکنده شده که وجود الیاف فولادی مشخصات بتون را نسبت به حالت خالص بهبود می بخشد .
در این بررسی شبکه های آرماتور ، تورهای بافته شده و یا آرماتورهای نازک و دراز نمی تواند بعنوان الیاف های پراکنده و منفرد در بتون تلقی گردد
- مزایای بتون الیافی
بتون معمولی یک ماده نسبتاً ترد و شکننده است ، در حالی که بتون الیافی دارای مقاومت زیادتر و خاصیت جلوگیری از ترک خوردگی را دارد لذا نسبت به بتون معمولی دارای برتریت است .
مزایای بتون الیافی در مقایسه با بتون معمولی را می توان بطور خلاصه به شرح ذیل بیان داشت :
- مقاومت در مقابل تورق ، سایش و هوازدگی سطح
- مقاومت زیاد در مقابل تنش های خستگی
- مقاومت بسیار عالی در مقابل ضربه
- قابلیت کششی خوب ( ظرفیت زیاد کرنش )
- قابلیت باربری زیاد بعد از ترک خوردگی
- مقاومت کششی ، خمشی و برشی زیاد
- طاقت خیلی زیاد
- مقاومت خمشی
- کاربردهای بتون مسلح به الیاف فولادی
کاربردهای بتون الیافی به استعداد ، خلاقیت ، ابتکار طراح و مجری در استفاده از مزایای زیاد مقاومت های استاتیکی ، دینامیکی ، خاصیت جذب انرژی ، مقاومت خستگی و ... بستگی دارد . توزیع یکنواخت الیاف در جسم بتون ، مقطع ایزوتوپی را به وجود می آورد که مشابه با بتون آرمه معمولی نیز نمی باشد .
بتون مسلح به الیاف فولادی را می توان به تنهایی و یا به همراه بتون آرمه معمولی بکار برد . مواردی که می توان بتون الیافی را به تنهایی به کار گرفت ، عبارتند از :
- روسازی بتونی بزرگراه ها ، جاده ها و فرودگاه ها
- بلوک ها ، آبرو کناری در خیابانها و لوله های بتونی
- گاراژهای پیش ساخته
- فنداسیون ها
- دیواره و کف کانال ها
- قطعات پیش ساخته
- دریچه های بازدید و دیواره آنها
- در ساختمان تونل ها یا معابر معادن به صورت بتون پرتابی
- تثبیت شیب ها و همچنین تثبیت ترانشه های سنگی و ریزشی با بتون پرتابی
- کف سالن های صنعتی
به منظور بهبود در معیارهای تکنولوژیکی بتون ، الیاف را می توان با بتون آرمه معمولی و یا بتون پیش تنیده نیز بکار گرفت . این مواد عبارتند از :
- فنداسیون موتورها و ماشین آلات صنعتی بزرگ ( توربین ها ، پرس های بزرگ ، ژنراتورهای دیزلی و ... )
- دیوارهای حفاظتی ، پناهگاه ها و آشیانه هواپیماها
- سازه های راکتورهای اتمی
- قطعات مربوط به تونلسازی و حفاری معادن
- تیرهای پیش تنیده بتونی
- شمع های ضربه ای
- قطعات نسوز با الیاف فولادی اعلاء
بطور کلی هدف از کاربرد الیاف فولادی در بتون را می توان به شرح زیر بیان داشت :
الف – تسلیح اضافی ، جهت افزایش مقاومت بتون مسلح یا بتون پیش تنیده به منظور کاهش ترک خوردگی و افزایش قدرت جذب انرژی تحت اثر :
- بارهای ضربه ای
- موج های انفجاری
- وضعیت های پیچیده تنش
ب- جایگزین آرماتور در بتون آرمه معمولی به منظور :
- کاهش هزینه دستمزد قطعات پیش ساخته بتونی
- تثبیت و پایدار سازی شیب های سنگی و دیوارهای ریزشی خاکبرداری ها در مناطق مهم
ج – تسلیح منحصر به فرد و خاصیت یکنواخت و ایزوتوپ در نتیجه توزیع همگن الیاف در جسم بتون .
این موارد ، از جنبه های کلی کاربرد بتون الیافی در کارهای مهندسی می باشد . جهت روشن شدن مزایای بیشمار بتون الیافی که ممکن است دامنه کاربرد آن تنها از طریق ذهن انسان محدود شود ، ذیلاً شرح مبسوطی برای هر مورد ارائه می گردد .
ریشه لغوی
کلمه سیمان از یک لغت لاتین به نام سی‌منت ( cement ) گرفته شده است و ماده ای است که دارای خاصیت چسبانندگی مواد به یکدیگر است و در حقیقت ، واسطه چسباندن است.
سیمان در صنایع ساختمانی
در صنایع ساختمانی ، سیمان به ماده ای گفته میشود که برای چسباندن مصالح مختلف به یکدیگر از قبیل سنگ و شن ، ماسه ، آجر و غیره بکار می‌رود و ترکیبات اصلی این سیمان از مواد آهکی است. سیمانهای آهکی معمولا از ترکیبات سیلیکات و آلومیناتهای آهک تشکیل شده‌اند که هم به‌صورت طبیعی یافت می‌شوند و هم قابل تولید در کارخانجات سیمان‌سازی هستند.
تاریخچه
اگرچه از زمانهای بسیار گذشته اقوام و ملل مختلف به نحوی با استفاده از سیمان در ساخت بنا سود می‌جستند، ولی اولین بار در سال 1824 ، سیمان پرتلند به نام "ژوزف آسپدین" که یک معمار انگلیسی بود، ثبت شد. به لحاظ شباهت ظاهری و کیفیت بتن‌های تولید شده از سیمانهای اولیه به سنگهای ناحیه پرتلند در دورست انگلیس ، سیمان به نام سیمان پرتلند معروف شد و تا به امروز برای سیمانهایی که از مخلوط نمودن و حرارت دادن مواد آهکی و رسی و مواد حاوی سیلیس ، آلومینا و اکسید آهن و تولید کلینکر و نهایتا آسیاب نمودن کلینکر بدست می‌آید، استفاده میشود.
ساختار سیمان
اساسا سیمان با آسیاب نمودن مواد خام از قبیل سنگ و آهک و آلومینا و سیلیسی که به صورت خاک رس و یا سنگهای رسی وجود دارد و مخلوط نمودن آنها با نسبتهای معین و با حرارت دادن در کوره‌های دوار تا حدود 1400درجه سانتی‌گراد بدست می‌آید. در این مرحله ، مواد در کوره تبدیل به گلوله‌های تقریبا سیاه رنگی می‌شوند که کلینکر نامیده میشود.
کلینکر پس از سرد شدن ، با مقداری سنگ گچ به‌منظور تنظیم گیرش ، مخلوط و آسیاب شده و پودر خاکستری رنگی حاصل میشود که همان سیمان پرتلند است. با توجه به نوع و کیفیت مواد خام ، سیمان با دو روش عمده‌تر و خشک تولید میشود، ضمن اینکه روشهای دیگری نیز وجود دارد. البته امروزه عمومـا از روش خشک در تولید سیمان استفاده میشود، مگر در مواردی که مواد خام ، روش تر را ایجاب کند، زیرا در روش خشک ، انرژی کمتری برای تولید مورد نیاز است.
ترکیبات شیمیایی سیمان هیدراسیون سیمان حرارت هیدراسیون
نمونه برداری از سیمان پرتلند باید به یکی از روش های مندرج زیر انجام گیرد
اثر الیاف فولادی بر رفتار بتون ها
