چکیده
هدف این مقاله طراحی مخلوط بتن تقویت شده با فیبر با کارایی عالی (UHPFRC) و پاسخ آن به اثر ضربه ی پرتابه تغییرشکل پذیر و تغییر شکل ناپذیر را تشریح می کند. UHPFRC یک دسته از کامپوزیت سیمانی را نشان می دهد که در آن پاسخ تنش-کرنش در کشش متحمل رفتار کرنش سختی می شود که همراه با ترک های چندگانه است که منجر به یک میزان کرنش بالا قبل از شکست می شود. استحکام فشاری مخلوط حاصل UHPFRC به بالاتر از 130 MPa می رسد و استحکام کششی مستقیم در محدوده ی 10 MPa بود. مخلوط های متعدد UHPFRC با محتوای مختلف فیبر در معرض اثر پرتابه ی تغییرشکل پذیر قرار گرفتند. مشاهده شد که نمونه ی دارای 2 درصد حجمی فیبر دارای مقاومت بهینه در مقابل ضربه ی پرتابه ی تغییر شکل پذیر داشت.ورقه هایی با 2 درصد فیبر در معرض ضربه ی یک پرتابه ی تغییرشکل ناپذیر قرار گرفتند. بعلاوه، پاسخ ورق های ساخته شده از بتن های تقویت شده با فیبرهای سنتی (FRC) نیز بحث شد. بزرگی خسارت بر اساس عمق نفوذ، قطر دهانه و جرم از دست رفته ارزیابی شد.
1.مقدمه
افزایش نیاز به دوام، سلامت و ایمنی ساختارهای بتنی منجر به توسعه و پیشرفت بیشتر آن شده است. ساختمان های بلندمرتبه و دیگر سازه های دارای اهمیت استراتژیک مانند ساختمان های دولتی و برج های تلویزیون، نمادی از شهرهای توسعه یافته ی دنیا شده اند. با این حال، چنین سازه هایی توسط حوادث پرقدرت احتمالی مانند زلزله، انفجارهای گاز، برخورد ماشین و هواپیما و در سال های اخیر با حمله های تروریستی تهدید می شوند. مواد با تکنولوژی سطح بالا مانند UHPFRC برای کاربردهای که استحکام کششی و فشاری بالا، ضخامت کم و ظرفیت کم جذب انرژی لازم است ایده آل هستند. مثلا، استفاده از بتن استحکام بالا در سازه های بسیاری از آسمان خراش های دنیا جایز است. علاوه بر این، UHPFRC به طور چشم گیری مقاومت در مقابل انفجار را در پانل های روکش و دیوارها بهبود می بخشد در حالیکه ظاهر و ضخامت استاندارد خود را حفظ می کند.
UHPFRC می تواند یک کامپوزیت با حجم بالایی از فیبرهای فولادی، نسبت آب بندی کم، محتوای بالای میکروسیلیکا و عدم وجود دانه بندی درشت ( یعنی بزرگتر از 4 میلی متر) در نظر گرفته شود. این کامپوزیت دارای ویژگی های برجسته ماود مانند شکل پذیری خود-تحکیم، خواص مکانیکی خیلی بالا و نفوذپذیری کم که ناشی از مقاومت محیطی عالی است. استحکام های معمول در فشار 150-200MPa و در کشش تک محوره 7-15MPa است. هرچند، این مواد تحت کشش کرنش سختی و ظرفیت بالای جذب انرژی را از خود نشان می دهند. علاوه بر این، آنها رفتار سازه ای بهبودیافته تری در مقایسه با بتن معمولی را نشان می دهند، همچنین سرشکنی و گرشدگی کمتر تحت بار ضربه از خود به نمایش می گدذارند. مقاومت به ضربه ی بهبودیافته به منظور نفوذ عمق و قطر دهانه می تواند از نسبت آب-به-سیمان کاهش یافته و استحکام فشاری افزایش یافته بدست آید. افزودن فیبرهای فولادی به مخلوط به دلیل کاهش قطر دهانه است در حالیکه اثر چشم گیری روی عمق نفوذ ندارد.
2. بهینه سازی مخلوط
طراحی مخلوط و آماده سازی مخلوط
در حین مخلوط کردن UHPC، بسیار مهم است که به شکل پذیری خوب، توزیع دانه خوب و چگالی انباشتگی خوب دست یافت. در مقایسه بتن با استحکام معمولی، UHPC دارای اجزاء بیشتر و ذرات ریزتر است. محققین مختلفی توصیه کرده اند که ذرات خشک را، قبل از اضافه کردن آب و فوق روان کننده ها(HRWR)، با هم مخلوط کنید. این بدان دلیل است که ذرات ریز تمایل به آگلومره شدن دارند و و شکستن این آکلومره ها زمانی که خشک هستند آسان تر است. این رویه مخلوط کردن خاص به صورت زیر است: در گام اول سنگدانه ها (A) و فوم سیلیکا (SF) به مدت 5 دقیقه با هم مخلوط شدند. در گام دوم سیمان (C) و پودر شیشه (GP) به مدت 5 دقیقه دیگر با هم مخلوط شدند. در پایان فرآیند آب و HRWR اضافه شدند. مخلوط بعد از پنج دقیقه ی دوم مخلوط کاملا کارپذیر (شکلپذیر) بود.
3. خواص مکانیکی
استحکام فشاری و مدول الاستیسیته
استحکام فشاری و مدول قاطع الاستیسیته در استوانه هایی با قطر 100 میلی متر و ارتفاع 200 میلی متر اندازه گیری شدند. چون استحکام مواد کلاهک گذاری شده ی در دسترس (100 مگاپاسکال) به طور چشم گیری کمتر از استحکام های اندازه گیری شده ی مورد انتظار بود، بالای استوانه ها بریده و سنگ زده شدند. استحکام فشاری روی استوانه با افزایش یکنواخت بار با سرعت متوسط 36MPa/min تا سطح 70 درصد استحام فشاری مورد انتظار اندازه گیری شد. در این نقطه بارگذاری به کنترل تغییر شکل با یک سرعت 0.48 mm/min برای 2 دقیقه تغییر یافت که به منظور اندازه گیری رفتار پیک و پس از پیک انجام شد. سرعت به 1.2 mm/min افزایش یافت.
4. نتایج و بحث
خواص مکانیکی
جدول 3 کارپذیری، استحکام فشاری، استحکام خمشی، استحکام کششی مستقیم و مدول قاطع الاستیسیته ی مخلوط ی بهبود یافته ی UHPFRC با توجه به میزان محتوای فیبر را نشان می دهد. می تواند دیده شود که بیشترین استحکام فشاری متوسط 151.7 MPa بود که از محتوای 2 درصد حجمی فیبر بدست آمد. متناظر با آن بیشترین میزان مدول الاستیسیته متوسط برابر 56.9 GPa برای 2 درصد حجمی فیبر بود.
5. نتیجه گیری و چشم انداز فراتر
تحقیق انجام گرفته در اینجا نشان داد که بهبود یک UHPFRC بدون نیاز به عملیات های خاص مانند حرارت و فشار، ممکن و آسان است. همچنین نسشن داده شد که استفاده از تجهیزات آزمایشگاهی استاندارد مانند پِن میکسر افقی جهت آماده سازی کامپوزیت سیمانی با عملکرد بالا، ممکن است. با این حالف کنترل سختگیرانه ی فرآیند مخلوط سازی ضروری است مخصوصا زمان مخلوط سازی باید به شدت کنترل شود. استراتزی اولیه افزایش کارپذیری به وسیله ی بهینه سازی چگالی انباشت و استفاده از انواع مختلف HRWR بود. یک اندازه گیری گسترش خمیر در حین تستِ میز-سیلان ساده جهت فراهم کردن نشان دادن بهتر کارپذیری بدست آمد. بعلاوه، نتایج حاصل از سه نقطه خم سازی و تست های استحکام فشاری در حین بهینه سازی فرآیند مورد استفاده قرار گرفت. همه مواد مورد استفاده در این تحقیق به طور تجاری در کشور جمهوری چک موجود بود.
اصلی ترین یافته های تحقیق ما به صورت زیر است :
- یک بهینه سازی کامپوزیت سیمانی با عملکرد عالی با تست های آزمایش گاهی روی 24 نمونه مخلوط با توجه به استحکام فشاری، استحکام خمشی و کارپذیری، مود انجام قرار گرفت.
- افزودن فیبرها به مخلوط خواص مکانیکی را افزایش می دهد. با این حال میزان بیشتر از 2 درصد حجمی فیبر استحکام فشاری و مدول الاستیسیته را کاهش داد.
- استحکام مستقیم کششی در UHPFRC به نظر می رسد به طور تدریجی با افزایش محتوای فیبرها تا 3 درصد، افزایش یافته است.
- با یک افزایش در پارمترهای مکانیکی مورد هدف، UHPC و UHPFRC به کیفیت اجزاء، فرآیند مخلوط سازی، آماده سازی نمونه و عملیات های پخت حساس تر شدند.
- افزودن فیبرهای استحکام بالا به مخلوط رفتار ضربه ای از نظر عمق نفوذ در مقایسه با همتایان بتنی صفحه ای را تفزایش می دهد. با این حال، هر نوع افزایشی در محتوای فیبر به بالاتر از 1 درصد اثر چشم گیری روی عمق نفوذِ پرتابه ندارد.
- در مورد ورق های UHPFRC قطر دهانه 42 تا 50 درصد در مقایسه با نمونه های صفحه ای HHPC کاهش می یابد. علاوه بر این افزایش محتوای فیبر به بالاتر از 2 درصد اثر ی روی کاهش قطر دهانه ندارد، چون قطر دهانه در محتواهای 2 تا 3 درصد فیبر تمایل به ثابت ماندن دارد.
- بر اساس نتایج ارائه شده در اینجاف می تواند نتیجه گیری شود که افزودن فیبرهای استحکام بالا مقاومت به بارگذاری ضربه ای را افزایش می دهد. یافته شد که میران بهینه ی محتوای فیبر با توجه به خواص مکانیکی، کارپذیری و مقاومت به ضربه ی پرتابه، در محدوده ی 2 درصد است.
- تایید شد که UHPFRC دارای مقاومت به بارگذاری ضربه ای بالاتری در مقایسه با FRC سنتی است. بنابراین، پیاده سازی UHPFRC ممکن است منجر به المان های بتنی مقاومت بالا مانند پنل های پوشش و دیوارها در سازه های تولیدی مدرن شود در حالیکه ظاهر و ضخامت استاندارد آنها حفظ می شود.
- تحقیقات بیشتر روی اندازه گیری انرژی شکست ِ UHPFRC تحت نرخ کرنش های مختلف و بهینه سازی بیشتر زمینه ی کامپوزیت تمرکز خواهد کرد.
این مقاله ISI در سال 2014 در نشریه الزویر و در مجله بین المللی مهندسی ضربه، توسط دانشکده مهندسی عمران منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله طراحی مخلوط UHPFRC و پاسخ آن به اثر پرتابه در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.
