بررسی خواص مهندسی بتن سبک و مقاوم سازی آنها با FRP
چکیده
در سازه های بتنی، وزن بتن، سهم بزرگی از بار کلی سازه را تشکیل می دهد. بتن سبک دارای منافع زیادی از قبیل بار مرده کمتر، و در نتیجه کوچکتر شدن ابعاد سازه ای، پایداری و دوام بهتر می باشد. هدف از این تحقیق تهیه بتن سبک سازه ای با استفاده از نوع جدیدی از سبکدانه مصنوعی با نام پرلیکا و بررسی خواص مهندسی این بتن شامل خواص مکانیکی و دوام آن، و همچنین بررسی خواص مکانیکی حاصل ازمقاوم سازی این نوع بتن با الیاف FRP می باشد. با در نظر داشتن جنبه های اجرایی این نوع از بتن، ابتدا با استفاده از روش طرح اختلاط مبتنی بر ظرفیت مقاومتی، ۱۱ طرح اختلاط انجام و از هر طرح دو نمونه مکعبی به ابعاد ۱۵×۱۵×۱۵ سانتیمتر در سنین ۳ تا ۲۸ روز، با شرایط عمل آوری در آب معمولی تحت آزمایش مقاومت فشاری قرار گرفتند، پس از آن دو طرح اختلاط را که شرایط بتن سبک سازه ای را به نحو مناسب تری دارا بودند به عنوان طرح های بهینه انتخاب، و تحت آزمایش مقاومت فشاری با شرایط عمل آوری در آب معمولی در سنین ۳ تا ۹۰ روز قرار گرفتند. به جهت بررسی مقاومت این بتن ها در مقابل حملات مواد سولفاته، ۲۰ نمونه مکعبی از طرح های بهینه، در محلول ۵ درصد سولفات سدیم در سنین ۳ تا ۹۰ روز عمل آوری شده و پس از آن تحت آزمایش مقاومت فشاری قرار گرفتند. علاوه بر آن آزمایشات مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، جذب آب و نفوذپذیری آب، بر روی نمونه ها ۲۸ روزه عمل آوری شده در آب معمولی از طرح بهینه انجام گردید. به جهت بررسی اثر تقویت این بتن ها با الیاف FRP ، تعدادی از نمونه های استوانه ای ۲۸ روزه با الیاف کربن CFRP ، تقویت شده و مقاومت فشاری و کششی آنها مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته و در نهایت مقایسه ای بین ظرفیت باربری از نمونه ها به عمل آمد. نتایج تحقیق بیانگر این مطلب می باشد که با استفاده از دانه های سبک پرلیکا، امکان ساخت بتن های سبک سازه ای در محدوده وزن مخصوص بین ۱۷۵۰ تا ۱۸۵۰ کیلوگرم بر مترمکعب و با مقاومت فشاری بالا تا ۴۰ مگاپاسکال وجود دارد، همچنین این تحقیق بهبود دوام بتن های سبک پرلیکا را به دلیل نفوذپذیری و جذب آب کم و همچنین مقاومت مناسب در برابر مواد سولفاته، در شرایط محیطی شدید نشان می دهد، و چنانچه این بتن ها با الیاف CFRP تقویت شوند افزایش در مقاومت فشاری، مقاومت کششی و شکل پذیری آنها حاصل می گردد، و با افزایش در تعداد لایه های الیاف بر این افزایش مقاومت افزوده می گردد.
کلمات کلیدی: بتن سبکدانه سازهای، سبکدانه پرلیکا، سولفات سدیم، الیاف CFRP
بیان مساله
در بین انواع مختلف بتن، یکی از مواردی که بسیار گسترده و پر کاربرد می باشد، گونه های مختلف بتن سبک است. استفاده از بتن سبک در ساختمانها، به جهت کاهش وزن ساختمان، باعث تقلیل اثر نیروی زلزله می گردد. همچنین خواص جداکنندگی صوتی و حرارتی آن حائز اهمیت می باشد.
اگرچه حجیم بودن و وزن نسبتا زیاد سازه های بتنی در سازه هایی مانند سدها، شالوده ها، دیوارهای حایل و نظایر آن مزیت محسوب می شود اما در برخی کاربردهای سازه ای دیگر مانند ساختمانهای بلند مرتبه و پل های با دهانه بلند، باعث افزایش بارهای وارد بر سازه شده و مشکلاتی ایجاد می کند. با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران و پتانسیل لرزه ای بالای منطقه، بخصوص پس از وقوع زلزله های ویرانگر اخیر که متأسفانه حجم بسیار زیاد تلفات جانی و مالی در بر داشت، توجه زیادی بر روی تقویت سازه ها، برای رفتار مناسب تر در مقابل زلزله، معطوف گردیده است. در سالیان اخیر یکی از مهمترین دغدغه های مهندسین عمران در بخش طراحی و ساخت سازه های با کارایی لرزه ای مناسب تر، استفاده از مصالح ساختمانی سبک تر و در نتیجه کم کردن بار جانبی حاصل از زلزله می باشد. این موضوع بر اهمیت انجام چنین پروژه هایی دلالت دارد.
بتن به عنوان یکی از مصالح اصلی و ویژه در ساخت تقریبأ تمامی ساختمانها، چه به عنوان عضو سازه ای اصلی و چه به عنوان ملات بنایی و غیره، کاربری و اهمیت چشمگیری در صنعت ساختمان دارد و شاید به جرأت بتوان ادعا کرد که بیشترین کاربرد را از بین مصالح موجود دیگر در صنعت ساختمان داراست. بنابراین انجام تحقیقاتی در زمینه ارائه بتن با خواص مکانیکی و مقاومتی خوب و بخصوص با وزن کمتر، بسیار قابل توجه و حائز اهمیت می باشد.
در این پروژه، بتن سبک حاوی سبکدانه پرلیکا که یک نوع بتن ساخته شده با استفاده از سنگدانه های رس منبسط می باشد، به صورت تحقیقاتی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. یکی از روشهای ساخت بتن سبک، استفاده از سنگدانه های سبک برای ساخت آن می باشد، که در این میان سبکدانه پرلیکا که به عنوان نوعی پوکه صنعتی شناخته می شود، به عنوان سنگدانه در ساخت بتن سبک بکار می رود.
در این تحقیق، به بررسی خواص مهندسی بتن سبک سازه ای حاوی سبکدانه پرلیکا شامل آزمایشات مخرب مقاومت فشاری در سنین مختلف، آزمایش مقاومت کششی برزیلی، آزمایشات دوام شامل آزمایش مقاومت فشاری با شرایط عمل آوری در محلول ۵ درصد سولفات سدیم در سنین مختلف، آزمایش میزان جذب آب و میزان عمق نفوذ آب در نمونه های مکعبی ۲۸ روزه، آزمایشات مربوط به تعیین مدول الاستیسیته نمونه های استوانه ای ۲۸ روزه، و همچنین آزمایشات مقاومت فشاری و مقاومت کششی نمونه های استوانه ای ۲۸ روزه مقاوم سازی شده با الیاف کربن CFRP پرداخته شده است.
هدف از انجام این پروژه سعی در جهت دستیابی به حداکثر مقاومت و بهترین کیفیت از نظر دوام و خواص مکانیکی، با توجه به محدودیتهای موجود، مانند محدودیتهای زمانی، کیفیت مصالح، امکانات، مصالح وتکنولوژی موجود، می باشد.
اهمیت و ضرورت تحقیق
امروزه در سرتاسر جهان مهندسین دریافته اند که سبک سازی یکی از بهترین راههای علمی، عملی و اقتصادی برای کاهش خطرات ناشی از زلزله می باشد. ویژگی اصلی بتن سبک چگالی کمتر آن نسبت به بتن های سنتی است. این ویژگی بتن سبک به عنوان راه حلی مناسب برای کاهش مشکلات ناشی از وزن زیاد سازه های بتنی و در عین حال حفظ سایر مزیت های بتن توسعه یافته است. از سوی دیگر با توجه به آنکه سابقه تولید سبکدانه صنعتی در ایران به پیش از سی سال قبل بر می گردد و علاوه بر آن منابع عظیم سبکدانه های طبیعی در کشور وجود دارد، اما کاربرد بتن سبک سازه ای در ایران بسیار محدود بوده، و این موضوع دلایل متعدد دارد که یکی از مهمترین این دلایل عدم آشنایی جامعه مهندسی کشور با ویژگیهای این نوع از بتن ها است. در این تحقیق با بهره گیری از نوع جدیدی از سبکدانه صنعتی تولید داخل کشور با نام پرلیکا در ساخت بتن های سبک سازه ای، و همچنین بررسی خواص مهندسی این نوع بتن، امید است گامی برای گسترش هر چه بیشتر اطلاعات و افزایش دانش عمومی مهندسین و دست اندرکاران ساخت و ساز در کشور با خصوصیات و ویژگیهای بتن سبک سازه ای باشد.
فهرست مطالب
چکیده. ۱
فصل اول – کلیات… ۲
۱-۱- مقدمه. ۳
۱-۲- تعریف و بیان مسئله. ۴
۱-۳- ضرورت و اهمیت تحقیق.. ۵
۱-۴- فرضیات تحقیق.. ۵
۱-۵- اهداف تحقیق.. ۶
۱-۶- روش تحقیق.. ۶
۱-۷- ساختار پایان نامه. ۶
فصل دوم – مبانی نظری تحقیق.. ۷
۲-۱- مقدمه. ۹
۲-۲- بتن سبک…. ۹
۲-۲-۱- مقدمه. ۹
۲-۲-۲- تاریخچه کاربرد بتن سبکدانه. ۱۰
۲-۲-۳- تاریخچه بتن سبکدانه در عصر جدید ۱۱
۲-۲-۴- بتن سبک سازه ای در ایران: ۱۱
۲-۲-۵- روشهای تولید بتن سبک… ۱۲
۲-۲-۶- طبقه بندی بتن سبک بر مبنای مقاومت.. ۱۴
۲-۳- سبکدانه ها ۱۷
۲-۴- مزایای کاربرد بتن سبک…. ۱۷
۲-۵- مشخصات عمومی بتن سبک…. ۱۹
۲-۵-۱- مقدمه. ۱۹
۲-۵-۲- کارپذیری بتن تازه ۱۹
۲-۵-۳- چگالی. ۲۰
۲-۵-۴- مقاومت بتن سبکدانه سازه ای.. ۲۲
۲-۵-۵- مقاومت فشاری( ) ۲۲
۲-۵-۶- مقدار سیمان. ۲۴
۲-۵-۷- مقاومت کششی ( ) ۲۵
۲-۵-۸- منحنی تنش-کرنش ، مدول الاستیسته و نسبت پواسون بتن سبکدانه. ۳۰
۲-۵-۹- پایایی بتن سبک در برابر شرایط محیطی خورنده ۳۲
۲-۶- مشخصات سبکدانه ها و انواع آن. ۳۶
۲-۶-۱- مقدمه. ۳۶
۲-۶-۲- دانه بندی.. ۳۶
۲-۶-۳- چگالی سبکدانه ها: ۳۷
۲-۶-۴- چگالی توده ای.. ۳۸
۲-۶-۵- چگالی دانه ای: ۳۸
۲-۶-۶- جذب آب.. ۳۹
۲-۶-۷- سبکدانه های طبیعی: ۳۹
۲-۶-۸-سبکدانه های مصنوعی: ۴۰
۲-۷- پلیمر الیاف مصنوعی FRP.. 42
۲-۷-۱- تاریخچه. ۴۲
۲-۷-۲- ساختار مصالح FRP. 42
۲-۷-۳- رزین (مواد زمینه) ۴۳
۲-۷-۴- الیاف.. ۴۴
۲-۷-۵- ویژگی های فیزیکی. ۴۴
۲-۷-۶- ویژگی های مکانیکی. ۴۵
۲-۷-۷- مقایسه کامپوزیت های مختلف FRP. 46
۲-۷-۸- نصب.. ۴۷
۲-۷-۹- روش های نصب.. ۴۸
۲-۷-۱۰- مزایای استفاده از FRP در سازه های بتن آرمه. ۴۸
۲-۷-۱۱- برخی از موارد کاربرد FRP. 49
فصل سوم – مروری بر تحقیقات انجام شده. ۵۱
۳-۱- مقدمه. ۵۲
۳-۲- گزیده ای از تحقیقات انجام شده. ۵۲
۳-۳- نتیجه گیری.. ۵۷
چهارم – نحوهرایط آزمایش…. ۵۹
۴-۱- مقدمه. ۶۰
۴-۲- روش تحقیق.. ۶۰
۴-۳- محل آزمایش…. ۶۰
۴-۴- دستگاهها و ابزار مورد استفاده. ۶۲
۴-۵- مصالح مصرفی.. ۶۳
۴-۶- روش ساخت، قالب گیری و عمل آوری.. ۶۵
۴-۷- تعیین طرح اختلاط بهینه. ۶۵
۴-۸- محلول ۵ درصد سولفات سدیم.. ۶۵
۴-۹- آزمایش های انجام شده بر روی بتن سخت شده از طرح های بهینه. ۶۶
۴-۹-۱- آزمایش مقاومت فشاری.. ۶۶
۴-۹-۲- آزمایش مقاومت کششی. ۶۶
۴-۹-۳- آزمایش جذب آب بتن سخت شده ۶۷
۴-۹-۴- آزمایش عمق نفوذ آب.. ۶۷
۴-۹-۵- آزمایش تعیین مدول الاستیسیته. ۶۹
۴-۹-۶- آزمایشات مربوط به مقاوم سازی.. ۶۹
۴-۹-۶-۱- جزئیات نمونه های استوانه ای و نحوه مقام سازی و شکست آنها: ۷۰
۴-۱۰- آزمایشهای مقدماتی برای تعیین حدود مقادیر اختلاط بهینه: ۷۱
۴-۱۱- فرایند تعیین نسبت های اختلاط در روش طرح مبتنی بر ظرفیت مقاومتی.. ۷۲
۴-۱۲- طرح های مقدماتی برای تعیین حدود طرح اختلاط بهینه: ۷۷
۴-۱۲-۱- طرح اختلاط L01: 77
۴-۱۲-۲- طرح اختلاط L02: 79
۴-۱۲-۳- طرح اختلاط L03: 80
۴-۱۲-۴- طرح اختلاط L04: 80
۴-۱۲-۵- طرح اختلاط L05: 81
۴-۱۲-۶- طرح اختلاط L06: 81
۴-۱۲-۷- طرح اختلاط L07: 82
۴-۱۲-۸-طرح اختلاط L08: 82
۴-۱۲-۹- طرح اختلاط L09: 83
۴-۱۲-۱۰- طرح اختلاط L10: 83
۴-۱۲-۱۱- طرح اختلاط L11: 84
فصل پنجم – بررسی و مقایسه نتایج.. ۸۴
۵-۱- مقدمه. ۸۶
۵-۲- نتایج آزمایشات مقاومت فشاری طرح های مقدماتی.. ۸۶
۵-۲-۱- نتایج مقاومت فشاری مخلوط L01: 86
۵-۲-۲- نتایج مقاومت فشاری مخلوط L02: 87
۵-۲-۳- نتایج مقاومت فشاری مخلوط L03: 88
۵-۲-۴- نتایج مقاومت فشاری مخلوط L04: 89
۵-۲-۵- نتایج مقاومت فشاری مخلوط L05: 90
۵-۲-۶- نتایج مقاومت فشاری مخلوط L06: 91
۵-۲-۷- نتایج مقاومت فشاری مخلوط L07: 93
۵-۲-۸- نتایج مقاومت فشاری مخلوط L08: 94
۵-۲-۹- نتایج مقاومت فشاری مخلوط L09: 95
۵-۲-۱۰- نتایج مقاومت فشاری مخلوط L10: 96
۵-۲-۱۱- نتایج مقاومت فشاری مخلوط L11: 97
۵-۳- مقایسه نتایج آزمایش طرح های اختلاط مقدماتی.. ۹۸
۵-۴- تعیین طرح های اختلاط بهینه. ۱۰۱
۵-۵- نتایج آزمایش مقاومت فشاری طرح اختلاط بهینه L10.. 102
۵-۶- نتایج آزمایش مقاومت فشاری طرح اختلاط بهینه L11.. 106
۵-۷- نتایج آزمایش مقاومت فشاری نمونه های استوانه مقاوم سازی شده با الیاف CFRP.. 110
۵-۷-۱- مخلوط بهینه L10: 110
۵-۷-۲- مخلوط بهینه L11: 112
۵-۸- نتایج آزمایش کشش برزیلی.. ۱۱۵
۵-۸-۱- مخلوط بهینه L10: 115
۵-۸-۲- مخلوط بهینه L11: 117
۵-۹- نتایج آزمایش عمق نفوذ آب… ۱۱۹
۵-۱۰- نتایج آزمایش جذب آب… ۱۲۰
۵-۱۱- نتایج آزمایش مدول الاستیسیته و منحنی تنش-کرنش: ۱۲۰
۵-۱۲- جمع بندی و نتیجه گیری آزمایشات حاصل از طرح های اختلاط بهینه. ۱۲۲
فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات برای تحقیقات آتی.. ۱۲۴
۶-۱- مقدمه. ۱۲۵
۶-۲- جمع بندی.. ۱۲۵
۶-۳- نتیجه گیری.. ۱۲۸
۶-۴- پیشنهادات: ۱۲۸
منابع و مراجع. ۱۳۰
هنوز بررسی‌ای ثبت نشده است.