الیاف کربن (Carbon)
الیاف کربن در درجه اول به دلیل مقاومت و سختی بالا برای کاربردهای صنایع هوافضا تولید شده اند. در مقایسه با اکثر انواع دیگر الیاف مصنوعی ، الیاف کربن گران هستند و همانطور که قبلا در مورد الیاف آرامید ذکر شد ، این توسعه تجاری محدودی دارد. با این حال ، تحقیقات آزمایشگاهی برای تعیین خصوصیات فیزیکی بتن مسلح با الیاف کربن (CFRC) ادامه یافته است .
الیاف کربن دارای مقاومت کششی و مدول الاستیک بالا هستند که در جدول 4.1 نشان داده شده است. آنها همچنین نسبت به بیشتر مواد شیمیایی بی اثر هستند. الیاف کربن مبتنی بر پلی اکریلونیتریل (PAN) توسط نخ پلی اکریلونیتریل کربن دار در دمای بالا تولید می شود در حالی که بلورهای گرافیت حاصل را با فرایندی به نام "کشش گرم" تراز می کند. آنها به صورت الیاف HM (مدول بالا) یا الیاف HT (مقاومت در برابر کشش بالا) تولید می شوند و از نظر خصوصیات فیزیکی به منبع مواد و میزان کشش گرم بستگی دارند. آنها به اشکال مختلف در دسترس هستند.
نشان داده شده است که می توان الیاف کربن را از سطح زغال سنگ و نفت تهیه کرد که نسبت به الیاف پلی اکریلونیتریل مورد استفاده برای ساخت الیاف کربن مبتنی بر PAN ، قیمت کمتری دارند. الیاف پایه ای نیز در دو نوع تولید می شوند. الیاف عمومی (GP) از سطح ایزوتروپیک (ساختار الیاف غیرمحور) ساخته شده اند و از نظر مقاومت کششی و مدول الاستیک کم هستند. الیاف با کارایی بالا (اچ پی) از مسیوفاز (الیاف بسیار گرا) ساخته می شوند که الیافی با مقاومت کششی بالا و مدول الاستیک بالا تولید می کنند.
الیاف کربن به طور معمول در سیم بکسل ها (رشته ها) تولید می شود که ممکن است حاوی 12000 رشته جداگانه باشد. تووس ها معمولاً قبل از استفاده در CFRC برای تسهیل نفوذ ماتریس سیمان و به حداکثر رساندن اثر الیاف از قبل پخش می شوند.
بتن مسلح با الیاف کربن
بتن مسلح با الیاف کربن (CFRC) ممکن است توسط ریخته گری دسته ای ساخته شود. الیاف کربن را می توان به عنوان الیاف جداگانه در ماتریس سیمان قرار داد. الیاف گنجانیده شده در طی فرآیند مخلوط دسته ای به طور تصادفی در طول مخلوط جهت گیری می شوند.
به دلیل مساحت زیاد الیاف ، دستیابی به ترکیبی رضایت بخش از الیاف کربن خرد شده ، سیمان و آب دشوار است. با استفاده از یک میکسر نوع پایه قابل انعطاف با انرژی بالا ، افزودن متیل سلولز و استفاده از یک ماده ضد کف کننده برای از بین بردن تشکیل حباب هوا ، می توان به پراکندگی یکنواخت الیاف کربن مدول کم ناپیوسته دست یافت. گزارش شده است که استفاده از بخار سیلیس متراکم به همراه دوز مناسب مواد روان کننده به عنوان راهی موثر برای دستیابی به توزیع یکنواخت در خمیر سیمان گزارش شده است .
اثرات جهت گیری و توزیع الیاف در کامپوزیت های بتن مسلح با الیاف کربن گزارش شده است . نتایج آزمون ضربه ابزار با استفاده از الیاف کربن با مدول کم ، افزایش قابل توجهی در مقاومت در برابر ضربه و انرژی شکستگی نسبت به کسر حجمی الیاف استفاده شده را نشان می دهد .
پس از ذخیره نمونه ها در آب در دمای 64 و 122 درجه فارنهایت (18 و 50 درجه سانتیگراد) به مدت یک سال احتباس قدرت با افزایش سن اندازه گیری شد .تغییر کمی در قدرت گزارش شده است. این روند با گزارش تأیید شد که هیچ گونه کاهش قابل توجهی از مقاومت برای نمونه های ترکیبی ذخیره شده در زیر آب در 140 درجه فارنهایت (60 درجه سانتیگراد) به مدت یک سال مشاهده نشد. این نمونه های کامپوزیت با استفاده از روش آبگیری شده با اسپری تولید شده و از دو طول مختلف الیاف ، 0.43 اینچ (11 میلی متر) و 1.25 اینچ (32 میلی متر) استفاده کردند و حاوی 0.6 تا 1.3 درصد الیاف وزن بودند .
در گزارش دیگر ، اطلاعات مربوط به چندین ویژگی مهندسی دیگر CFRC نشان داده است که افزودن الیاف کربن منجر به بهبود مقاومت در برابر ضربه ، مقاومت در برابر شکست و پایداری ابعادی می شود. مقاومت در برابر ضربه و مقاومت در برابر شکست کامپوزیت ها با افزایش محتوای الیاف افزایش می یابد. انقباض اندازه گیری شده کامپوزیتهای حاوی تقریباً 6 درصد الیاف کربن با مدول بالا از نظر حجم ، یک دهم ماتریس سیمان تقویت نشده بود. به همین ترتیب ، انبساط کامپوزیت های ذخیره شده در آب نیز کمتر از ماتریس سیمان تقویت نشده بود. کاهش فشار خزش نیز به دلیل افزودن الیاف کربن مشاهده شد.
همین مطالعه همچنین اثرات اضافه شدن الیاف کربن بر خزش ناشی از بارهای ثابت و خستگی ناشی از بارهای دینامیکی را بررسی کرد . نتایج آزمایشات بار دینامیکی نشان می دهد که کامپوزیت های CFRC در ابتدا به دلیل خستگی قدرت کاهش یافته و سپس در مقداری مقاومت محدود می شوند. مشخص شد که این مقاومت محدودیت بسیار بیشتر از مقاومت ترک خوردگی ماتریس است. نتایج آزمایشات بار استاتیک حتی در مواردی که تنش وارده از مقاومت ترک خوردگی ماتریس کمتر بود ، نشان دهنده کاهش نهایی مقاومت در اثر بارهای پایدار است .
مطالعه دیگر تأثیر مقاومت در برابر کشش الیاف کربن پایه پیچ مدول پایین را بر مقاومت خمشی کامپوزیت های CFRC گزارش کرده است . جدول 4.3 مقاومت کششی ، مدول الاستیک و کشیدگی برای هر یک از انواع الیاف در نظر گرفته شده در آزمایشات را نشان می دهد. شکل 4.4 منحنی های تنش-انحراف خمشی به دست آمده برای کامپوزیت های حاوی هر نوع الیاف را نشان می دهد. با توجه به نتایج ، مقاومت کششی الیاف باید بیشتر از 93 ksi (640 MPa) باشد تا ماتریس سیمان به طور مثر تقویت شود. ترکیبات حاوی 3 درصد الیاف کربن از نظر حجم بودند. الیاف به طول 40/0 اینچ (10 میلی متر) بودند و به طور تصادفی در ماتریس سیمان پراکنده شدند.
شکل 4.4 - تنش خمشی معمول در برابر منحنی انحراف برای کامپوزیت های حاوی 3 درصد حجمی از الیاف کربن با مقاومت های مختلف کششی
تغییرات خرد و ساختاری متوسط در بتن تقویت شده با الیاف با عملکرد بالا الکتریکی با نانولوله های کربنی پراکنده
مطالعه ای با استفاده از ترکیب نانولوله های کربنی (CNT) و ایجاد تغییرات ساختاری در مقیاس خرد و متوسط ، کاربرد بالقوه روش پخت الکتریکی بر روی بتن تقویت شده با الیاف با عملکرد فوق العاده (UHPFRC) را بررسی کرد. افزودن CNT به طور قابل توجهی مقاومت الکتریکی UHPFRC را کاهش داد و دمای داخل UHPFRC تحت ولتاژ پایین تا 90 درجه سانتیگراد افزایش یافت. این عمل پخت الکتریکی را امکان پذیر می کند ، که می تواند اثری مشابه با پخت بخار داشته باشد اما به روش بسیار کارآمدتر. CNT های اضافه شده اندکی مانع واکنش هیدراتاسیون UHPFRC می شوند ، اما باعث تغییر شکل C- (A) -S-H می شود که متراکم تر ، سخت تر و پیچیده تر باشد که با مشاهده اتصال عرضی جزئی در C- (A ) -S-H و بعد فرکتال بالاتر سیستم جامد. نتایج این مطالعه برای استفاده از UHPFRC در شرایط میدانی و گسترش کاربرد CNT ها در مواد ساختاری امیدوار کننده است.
تولید بتن تقویت شده با الیاف با عملکرد بالا (UHPFRC) در محل عملاً چالش برانگیز است. این مطالعه اثر ترکیب نانولوله های کربنی (CNT) به UHPFRC را با توجه به امکان پذیر بودن روش پخت الکتریکی (EC) به عنوان جایگزینی برای پخت بخار (SC) ، همراه با تغییرات ساختاری در مقیاس خرد و متوسط بررسی کرد. در این آزمایش ، در کل 0.24 درصد وزنی از سوسپانسیون پراکنده CNT به مخلوط UHPFRC اضافه شد و دو نوع پخت (SC و EC) اعمال شد. سپس ، مکانیزم چگونگی استفاده از CNT ها برای فعال کردن EC و تأثیر بر روند هیدراتاسیون ارائه شد. بر اساس نتایج و تجربیات تجربی ، می توان نتیجه گیری زیر را انجام داد:
1) CNT پراکنده با ایجاد یک مسیر رسانا قوی در ماتریس بدون در نظر گرفتن محتوای آب (به عنوان مثال ، مرحله پخت) مقاومت الکتریکی UHPFRC را به طور قابل توجهی کاهش می دهد. در نتیجه ، مقاومت الکتریکی UHPFRC / CNT بدون توجه به روش پخت ، در طول پخت تا حد زیادی بدون تغییر باقی مانده است. ولتاژ کم 20 ولت برای تحقق بخشیدن به EC پیشنهادی برای کامپوزیت UHPFRC / CNT کافی بود.
2) CNT پراکنده در UHPFRC کمی مانع واکنش هیدراتاسیون اندازه گیری شده در 28 روز می شود. با این حال ، آنها محصولات هیدراتاسیون اصلی C- (A) -S-H را پیچیده تر می کنند ، زیرا محصولات هیدراتاسیون در امتداد CNT در جهت طولی ایجاد می شوند. علاوه بر این ، اتصال متقاطع نسبی بین زنجیره های سیلیکات C- (A) -S-H تحت حضور CNT ها مشاهده شد. و همچنین ، آنها با پل زدایی (ذرات سیمان اصلی را به یک شبکه تحمل باربری کند)محصولات هیدراتاسیون ، رشد میکرو ترک ها را سرکوب کردند. در نتیجه ، اصلاح ساختاری خرد و میان ساختار C- (A) -S-H منجر به افزایش خواص مهندسی UHPFRC / CNT می شود.
3) برای UHPFRC / CNT معالجه شده توسط EC حتی تغییرات ساختاری بیشتری نسبت به مورد UHPFRC / CNT درمان شده توسط SC نشان داد. میدان الکتریکی تشکیل شده در ماتریس در طی EC احتمالاً قطب یونی را فعال کرده و واکنش شیمیایی را در میان یون ها تسریع می کند ، و در نتیجه DOH بالاتر است. این تغییرات الكتریكی در واكنش شیمیایی UHPFRC باعث تغییر بیشتر ساختار مقیاس خرد و meso C-(A) -SH (یعنی سایتهای پیوند عرضی بیشتر و ابعاد بالاتر فركتال) به سمت بهبود خصوصیات مهندسی کامپوزیت UHPFRC / CNT می شود.
بر اساس این نتایج ، می توان پیشنهاد کرد که UHPFRC می تواند با استفاده از CNT ها و استفاده از EC به اندازه کافی در ساخت درست در محل ساخته شود. همراه با کاربرد برای UHPFRC ، روش پخت گزارش شده و اصلاحات ساختاری مبتنی بر CNT می تواند برای افزایش خواص مختلف مانند عملکرد مکانیکی و الکتریکی مواد سازه ای بیشتر پیاده سازی شود.
مراجع
ACI544.1R-96, "State of The Art Report on The Fiber Reinforced Concrete
Jung, Myungjun, et al. "Micro-and meso-structural changes on electrically cured ultra-high performance fiber-reinforced concrete with dispersed carbon nanotubes." Cement and Concrete Research 137 (2020): 106214.
دوستانتان را به خواندن این مطلب دعوت کنید:
