خصوصیات فیزیکی بتن مسلح با الیاف فولاد
خواص الیاف
مقاومت الیاف ، سختی و توانایی اتصال الیاف با بتن از ویژگی های مهم تقویت الیاف هستند. پیوند به نسبت ابعاد فیبر بستگی دارد. نسبت ابعادی معمولی از حدود 20 تا 100 است ، در حالی که ابعاد طول از 0.25 تا 3 اینچ (6.4 تا 76 میلی متر) است.
الیاف فولادی دارای استحکام و مدول الاستیسیته نسبتاً بالایی هستند ، آنها توسط محیط قلیایی ماتریس سیمانی از خوردگی محافظت می شوند و پیوند آنها با ماتریس می تواند توسط لنگرگاه مکانیکی یا زبری سطح افزایش یابد. بارگذاری طولانی مدت بر خصوصیات مکانیکی الیاف فولادی تأثیر منفی نمی گذارد. در محیط های خاص مانند کاربردهای نسوز در دمای بالا ، ممکن است استفاده از الیاف فولاد ضد زنگ لازم باشد. درجه های مختلفی از فولاد ضد زنگ که به شکل الیاف موجود است ، در مقابل قرار گرفتن در معرض دمای بالا و محیط های بالقوه خورنده تا حدودی متفاوت پاسخ می دهند. کاربر هنگام طراحی با نسوز تقویت شده با الیاف فولاد برای کاربردهای خاص ، باید تمام این عوامل را در نظر بگیرد.
ASTM A 820 حداقل مقاومت در برابر کشش و خمش مورد نیاز برای الیاف فولادی و همچنین تحمل طول ، قطر (یا قطر معادل) و نسبت ابعاد را تعیین می کند. حداقل مقاومت تسلیم کششی مورد نیاز ASTM A 820 ، (345 Mpa) 50,000 psi است ، در حالی که مشخصات JSCE مورد نیاز psi 80،000 (552 MPa) است.
1- خصوصیات بتن مسلح با الیاف فولاد تازه مخلوط شده
خصوصیات بتن مسلح با الیاف فولاد ( SFRC ) در حالت تازه مخلوط آن تحت تأثیر نسبت ابعاد الیاف ، هندسه الیاف ، کسر حجمی آن ، نسبت ماتریس و ویژگیهای پیوند سطحی الیاف ماتریس قرار می گیرد .
برای برنامه های SFRC که به طور متداول قرار داده شده اند ، باید کارایی کافی را فراهم کرد تا بتوان با حداقل تلاش ، در عین توزیع یکنواخت الیاف و حداقل تفکیک و آب انداختگی ، جایگذاری ، تلفیق و اتمام را امکان پذیر کرد. برای یک مخلوط مشخص ، درجه تثبیت بر مقاومت و سایر خصوصیات ماده سخت شده تأثیر می گذارد ، همانطور که برای بتن ساده نیز تأثیر می گذارد.
در محدوده های معمول کسری حجمی که برای SFRC ریخته گری (فناوری ساخت ساختمان هایی است که دیوارها و اسلب های ساختمان ها در قالب در محل ریخته می شوند) استفاده می شود (0.25 تا 1.5 درصد حجمی) ، افزودن الیاف فولادی ممکن است کسری اندازه گیری شده کامپوزیت را در مقایسه با مخلوط غیر الیافی در محدوده 1 تا 4 اینچ (25 تا 102 میلی متر) کاهش دهد. از آنجا که در بیشتر برنامه های SFRC تراکم توسط لرزش مکانیکی توصیه می شود ، ارزیابی کارایی یک مخلوط SFRC با دستگاه اندازه گیری سنج Vebe است ، همانطور که در استاندارد انگلیس BS 1881 شرح داده شده است ، یا توسط ASTM C 995 زمان اسلامپ توصیه می شود . زمان Vebe و زمان اسلامپ در شکل 2.3 نشان داده شده است. علاوه بر ملاحظات فوق ، باید از بالا زدن الیاف خودداری شود. مجموعه ای از الیاف نازک فولادی بلند با نسبت ابعاد بیشتر از 100 ، اگر با هم تکان داده شوند ، تمایل به هم گره خوردن برای ایجاد یک حصیر یا گلوله دارند ، که جدا کردن آنها تنها با لرزش بسیار دشوار است. از طرف دیگر ، الیاف کوتاه با نسبت ابعاد کمتر از 50 قادر به انسداد نیستند و به راحتی توسط لرزش پراکنده می شوند.
شکل 2.3 - رابطه بین افت ، زمان vebe و زمان مخروط معکوس
مشخص شده است که تمایل یک مخلوط SFRC به تولید گلوله های الیاف در حالت تازه مخلوط تابعی از حداکثر اندازه و درجه بندی کلی سنگدانه مورد استفاده در مخلوط ، نسبت ابعاد الیاف ، کسری حجمی ، شکل الیاف و روش معرفی الیاف به مخلوط است. هرچه حداکثر اندازه دانه و نسبت ابعاد بزرگتر باشد ، کسر حجمی کمتری از الیاف را می توان بدون گرایش به گلوله اضافه کرد. 2 - خصوصیات کامپوزیت سخت شده
2.1 به عنوان یک نتیجه از طبیعت تدریجی کشش الیاف ، الیاف انعطاف پذیری پس از ترک را به ماتریس سیمانی منتقل می کنند که در غیر این صورت به صورت شکننده رفتار کرده و از کار می افتند.
بهبود شکل پذیری به نوع و درصد حجم الیاف موجود بستگی دارد . الیاف با مقاومت بیشتر در برابر کشیدگی با یک پروفیل موج دار ، تغییر شکل سطح ، یا لنگر انداز پایان یافته که با قلاب زدن یا بزرگ شدن انتهایی (شکل بیل یا استخوان سگ) تهیه می شود ، ساخته می شوند. این نوع از الیاف یکنواخت مستقیم و معادل همان طول و قطر موثر تر هستند. در نتیجه ، مقدار این الیاف مورد نیاز برای دستیابی به سطح معینی از بهبود مقاومت و شکل پذیری معمولاً کمتر از مقدار الیاف یکنواخت مستقیم است .
الیاف فولادی شکل پذیری بتن را تحت هر حالت بارگیری بهبود می بخشد ، اما اثر بخشی آنها در بهبود مقاومت در بین فشار ، کشش ، برش ، پیچش و خم شدن متفاوت است.
2.1.1 فشرده سازی : در فشرده سازی ، مقاومت نهایی تنها کمی تحت تأثیر حضور الیاف است ، با افزایش های مشاهده شده از 0 تا 15 درصد برای 1.5 درصد حجمی الیاف .
2.1.2 کشش مستقیم : در کشش مستقیم ، بهبود مقاومت قابل توجه است ، با افزایش 30 تا 40 درصدی برای افزودن 1.5 درصد حجمی الیاف در ملات یا بتن ، گزارش شده است .
2.1.3 برش و پیچش : الیاف فولادی به طور کلی مقاومت برشی و پیچشی بتن را افزایش می دهند ، اگرچه داده های کمی وجود دارد که دقیقاً با مقاومت برشی و پیچشی SFRC مقابله کنند ، در مقابل تیرهای تقویت شده ساخته شده با ماتریس SFRC و میله های تقویت کننده معمولی. نشان داده شده است که افزایش مقاومت SFRC در برش خالص به روش تست برش و در نتیجه درجه تراز شدن الیاف در ناحیه شکست برشی بستگی دارد . برای یک درصد حجمی الیاف ، این افزایش ها از ناچیز تا 30 درصد افزایش می یابد .
تحقیقات افزایش برش (کشش مورب) ظرفیت SFRC و تیرهای ملات را نشان داده است . الیاف فولادی هنگامی که برای تقویت یا جایگزینی رکاب های عمودی در تیرها استفاده می شوند ، چندین مزیت بالقوه دارند . این مزایا عبارتند از: (1) توزیع تصادفی الیاف در کل حجم بتن در فاصله بسیار نزدیکتر از عملی برای کوچکترین میله های تقویت کننده که می تواند منجر به ترک خوردگی توزیع شده با کاهش اندازه ترک شود. (2) مقاومت کششی اولین ترک و مقاومت کششی نهایی بتن ممکن است توسط الیاف افزایش یابد. و (3) مقاومت در برابر اصطکاک برشی با مقاومت در برابر کشش و توسط الیاف که باعث ترک خوردن می شوند ، افزایش می یابد.
الیاف فولادی در مقدار کافی ، بسته به شکل هندسی الیاف ، می توانند مقاومت برشی تیرهای بتنی را به اندازه کافی افزایش دهند تا از شکست کشش مورب فاجعه بار جلوگیری کرده و از شکست خمشی تیر جلوگیری کنند . شکل 2.4 مقاومت برشی را به عنوان تابعی از نسبت دهانه برش به عمق ، a / d ، برای تیرهای SFRC از چندین تحقیق منتشر شده نشان می دهد. بخش عمده ای از داده های آزمون موجود برای ظرفیت برشی تیرهای SFRC برای تیرهای کوچکتر از اندازه نمونه اولیه است. داده های آزمون محدود برای تیرهای اندازه نمونه اولیه نشان می دهد که الیاف فولاد به عنوان تقویت کننده برشی موثر می مانند . کاهش جزئی مقاومت برشی تیر مشاهده شده در این آزمایشات را می توان با کاهش مقاومت برشی با اندازه تیر مشاهده شده برای تیرهای بدون تقویت فیبر توضیح داد.
2.1.4 خمیدگی : افزایش مقاومت خمشی SFRC بسیار بیشتر از کشش یا فشرده سازی است زیرا رفتار انعطاف پذیر SFRC در سمت کشش یک تیر ، توزیع کشش و فشار تنش و فشار بیش از عمق عضو را تغییر می دهد. توزیع تنش تغییر یافته اساساً در ناحیه کشش پلاستیکی و در ناحیه فشرده سازی الاستیک است و در نتیجه منجر به تغییر محور خنثی به سمت ناحیه فشرده سازی می شود. اگرچه مطالعات اولیه این تصور را ایجاد می کرد که مقاومت خمشی با حدود 4 درصد حجم الیاف در یک ملات سیمان شن و ماسه می تواند بیش از دو برابر شود ، اما اکنون تشخیص داده شده است که وجود سنگدانه درشت همراه با مخلوط کردن و قرار دادن ملاحظات طبیعی حداکثر حجم الیاف عملی در بتن را به 5/1 تا 2 درصد محدود می کند
خلاصه ای از داده های مقاومت مربوطه نشان می دهد که مقاومت خمشی SFRC در حدود 50 تا 70 درصد بیشتر از ماتریس بتن مسلح در آزمون خمش است . استفاده از کسرهای حجم الیاف بالاتر ، یا بارگذاری در نقطه مرکزی ، یا نمونه های کوچک و الیاف بلند با تراز همبستگی قابل توجه الیاف در جهت طولی باعث افزایش درصد بیشتری تا 150 درصد می شود . در غلظت های کمتری الیاف ، ممکن است با استفاده از نمونه های پرتو افزایش قابل توجهی در مقاومت خمشی حاصل نشود.
2.2 رفتار تحت بارگذاری ضربه : برای توصیف رفتار بتن تحت بارگذاری ضربه ، دو پارامتر مهم مقاومت و انرژی شکستگی هستند. رفتار بتن تقویت شده با انواع مختلف الیاف فولادی و در معرض بارهای ضربه ای ناشی از بارهای انفجاری ، ماشین های ضربه ای وزن سبک ، ماشین های آزمایش ضربه شارپی(V-notch test) یا بارهای کششی و فشاری ، به روش های مختلفی اندازه گیری شده است . دو نوع مقایسه ممکن است انجام شود:
1. اختلافات بین SFRC و بتن ساده در بارگذاری کم اثر.
2. تفاوت بین رفتار SFRC تحت بارگذاری ضربه ای و تحت بارگذاری استاتیک.
از نظر اختلافات بین SFRC و بتن ساده تحت بار خمشی ، مشخص شده است که برای بتن با مقاومت طبیعی اوج بارهای SFRC حدود 40 درصد بیشتر از ماتریس ساده بود. برای بتن با مقاومت بالا ، بهبود مشابهی در بار پیک مشاهده شد. الیاف فولادی در اثر ضربه ، عامل شکستگی را با ضریب حدود 2.5 برای بتن با مقاومت عادی و با ضریب حدود 3.5 برای بتن با مقاومت بالا ، افزایش می دهند. با این حال ، بهبود مشاهده شده در اوج بار و انرژی شکستگی تحت ضربه در برخی موارد به طور قابل توجهی کوچکتر از آن بود که در بارگذاری استاتیک بدست آمد ، احتمالاً به دلیل افزایش شکستگی فیبر که تحت بارگذاری ضربه رخ داده است. الیاف فولادی در مقایسه رفتار SFRC تحت بار ضربه ای و رفتار آن در زیر بارگذاری ساکن ، بارهای پیک را برای بتن با مقاومت عادی 2 تا 3 برابر و برای بتن با مقاومت بالا 1.5 برابر می کنند. الیاف فولادی انرژی شکستگی را با ضریب حدود 5 برای بتن با مقاومت عادی و با ضریب حدود 4 برای بتن با مقاومت بالا افزایش دادند.
2.3 رفتار خستگی : مطالعات تجربی نشان می دهد ، برای نوع خاصی از الیاف ، افزایش قابل توجهی در مقاومت خستگی خمشی با افزایش درصد الیاف فولاد وجود دارد .
در صورت استفاده صحیح از مخلوط SFRC ، مقاومت خستگی در حدود 65 تا 90 درصد مقاومت خمشی ساکن در 2 میلیون سیکل هنگام استفاده از بارگذاری برگشت ناپذیر وجود دارد ، با کمی خستگی کمتر در صورت استفاده از برگشت کامل بار.
شکل 2.4 - رفتار برشی تیرهای تقویت شده SFRC
شکل 2.5 - شماتیک منحنی های انحراف بار و پارامترهای مقاومت
نشان داده شده است که افزودن الیاف به تیرهای تقویت شده متداول باعث افزایش عمر خستگی و کاهش عرض ترک تحت بارگیری خستگی می شود . همچنین نشان داده شده است که مقاومت خستگی تیرهای تقویت شده مرسوم ساخته شده با SFRC افزایش می یابد. تغییرات انحرافی حاصل همراه با خستگی نیز کاهش می یابد . در بعضی موارد ، مقاومت خمشی ساکن باقیمانده 10 تا 30 درصد بیشتر از تیرهای مشابه بدون سابقه خستگی بوده است. یک توضیح برای این افزایش این است که بارگذاری چرخه ای باعث کاهش تنش های اولیه کششی باقیمانده ناشی از جمع شدن ماتریس می شود .
2.4 خزش و جمع شدگی : داده های آزمایش محدود نشان می دهد که تقویت الیاف سیم فولادی در حجم کمتر از 1 درصد هیچ تأثیر قابل توجهی بر خزش و جمع شدگی آزاد ملات سیمان پرتلند و بتن ندارد.
2.5 مدول الاستیسیته و نسبت پواسون : در عمل ، وقتی درصد حجمی الیاف کمتر از 2 درصد باشد ، مدول الاستیسیته و نسبت پواسون SFRC به طور کلی با بتن یا ملات مشابه غیر الیافی مشابه برابر است .
2.6 چقرمگی : در اوایل توسعه SFRC ، مقاومت به عنوان مشخصه ای شناخته شد که SFRC را از بتن بدون الیاف فولادی به وضوح متمایز می کند .در شرایط ضربه ، می توان با تلاش برای شکستن بخشی از SFRC با چکش ، مقاومت را به لحاظ کیفی نشان داد. به عنوان مثال ، یک گلدان ملات تقویت شده با الیاف فولاد در برابر ضربات چکش متعدد مقاومت می کند قبل از اینکه سوراخ در محل برخورد منفجر شود. حتی در آن صورت ، بقیه گلدان یکپارچگی ساختاری خود را حفظ می کند. در مقابل ، یک گلدان مشابه ساخته شده از هاون بدون الیاف فولاد پس از یک ضربه چکش به چندین قطعه تبدیل می شود و یکپارچگی ساختاری خود را از دست می دهد.
در شرایط خم شدن آهسته ، با مشاهده رفتار خمشی تیرهای ساده پشتیبانی شده می توان مقاومت را از نظر کیفی نشان داد . یک تیر بتنی حاوی الیاف فولادی با توسعه تدریجی ترکهای منفرد یا چندگانه با افزایش انحراف آسیب می بیند ، اما حتی با انحراف قابل توجهی درجه ای از یکپارچگی سازه و مقاومت پس از ترک را حفظ می کند. یک پرتو مشابه بدون الیاف فولادی در یک انحراف کوچک با جدا شدن به دو قطعه ناگهان از کار می افتد.
این دو تظاهر ساده از چقرمگی نه تنها به شناسایی ویژگی چقرمگی به معنای کیفی کمک می کند ، بلکه نمونه ای از دو دسته تکنیک های آزمایش برای تعیین کمیت چقرمگی است. یعنی تکنیکهایی که شامل یک یا چند بار برنامه های کاربردی بار بالا ، یا یک برنامه کم سرعت بار هستند.
روش ترجیحی برای تعیین مقاومت SFRC بارگذاری خمشی است. این نشان دهنده وضعیت تنش در اکثر موارد مانند روسازی ، کفپوش و روکش های بتنی است. خم شدن آهسته نیز برای تعیین مقاومت ترجیح داده می شود زیرا نتایج مقادیر پایین تر هستند ، برای استفاده در طراحی بی خطر هستند. سایر آزمایشات کاملاً ابزار دقیقاً چنان پیچیده هستند که زمان و هزینه آن بسیار زیاد است .در روشهای استاندارد خمشی آهسته ، JSCE SF-4 و ASTM C 1018 ، اندازه گیری مقاومت از تجزیه و تحلیل منحنی انحراف بار همانطور که در شکل 2.5 نشان داده شده است. این روشهای آزمایشی روشی را برای مشخص كنندگان و طراحان فراهم می كند تا سطح مقاومت آنها متناسب با كاربرد آنها باشد. به عنوان مثال ، برای آسترهای تونل SFRC ، شاخص های مقاومت I5 و I10 گاهی مشخص شده است. همچنین ، از شاخص های چقرمگی و عوامل مقاومت باقیمانده مربوط به تغییر انحراف در نقطه پایان بالاتر و همچنین حداقل نیازهای مقاومت خمشی که در ASTM C 1018 شرح داده شده است نیز استفاده می شود. مقاومت خمشی معادل JSCE SF-4 گاهی اوقات به عنوان جایگزین برای طراحی روشهای مبتنی بر مقاومت ترک اول برای طراحی دال بر درجه استفاده می شود.
2.7 هدایت حرارتی : افزایش کمی در هدایت حرارتی ملات تقویت شده با الیاف فولادی با 0.5 تا 1.5 درصد حجمی الیاف با افزایش محتوای الیاف مشاهده شد .
2.8 مقاومت در برابر سایش : الیاف فولادی تاثیری در مقاومت در برابر سایش بتن توسط بقایای ذرات معلق در آب آهسته جریان ندارند. با این حال ، تحت جریان پر سرعت تولید شرایط حفره ای و نیروهای ضربه زیاد ناشی از آوار ، SFRC مقاومت در برابر تجزیه را به طور قابل توجهی بهبود داده است .مقاومت در برابر سایش از آنجا که مربوط به روسازی و سایش اسلب در ترافیک چرخ است ، تا حد زیادی تحت تأثیر الیاف فولاد نیست. آزمون های سایش استاندارد (ASTM C 779-روش C) بر روی نمونه های آزمایشگاهی این مشاهدات را تأیید می کند .
2.9 مقاومت در برابر اصطکاک و لغزش : اصطکاک استاتیک ، مقاومت در برابر لغزش و غلتش مقاومت SFRC و بتن ساده یکسان در قالب نمونه های دال در اندازه آزمایشگاه در یک تست لغزش مقایسه شده مقایسه شده .SFRC حداکثر دانه های اندازه 3/8 اینچ (9.5 میلی متر) داشت. نتایج آزمایش نشان داد که ضریب اصطکاک ساکن برای سطوح خشک بتنی ، بدون سایش ، فرسایش یا زوال سطح ، از محتوای الیاف فولاد مستقل است. پس از سایش و فرسایش شبیه سازی شده سطح ، سطوح تقویت شده با الیاف فولاد تا 15 درصد بیشتر از مقاومت در برابر لغزش و غلتش نسبت به بتن ساده در شرایط سطح خشک ، مرطوب و یخ زده برخوردار بودند.
مرجع
ACI544.1R-96, "State of The Art Report on The Fiber Reinforced Concrete
