نانو بتن ارتجایی با پایایی و دوام بالا

این مقاله توسط سید مهداد خاتمی و مازیار فیضی جمع آوری شده است.

بتن در 80 سال گذشته در بسياري از رشته هاي ساختماني كاربرد داشته و با عمر مفيد طولاني خود، جزو مصالح با دوام طبقه بندی میشود. به هر حال بتن در پروژه هاي صنعتي بكار برده شده و در معرض شرايط بسيار سخت محيطي قرار می گیرد و همواره به علت عدم تحمل بار کششی و کرنشی مناسب در معرض ضربات ، بسیار ضعیف عمل میکند حال آنکه می توان این مشکل را با مصالح امروزی و استفاده از نانو تکنولوژی و مصالح لاستیکی حل کرد و در راه بالا بردن تحمل بار دینامیکی به مقاومت مطلوب دست یافت.مي بايد سعي در انتخاب مصالح، نسبت هاي اختلاط و ساخت بتن كارگاهي را به گونه اي انجام دهيم كه باعث پيش گيري ترك خوردگي ساختار و سازه در زمان سرويس دهي شود. تا توسط نانو ذرات علاوه بر ضربه پذیر کردن بتن بر روی دوام آن نیز کار کنیم.

در این طرح سعی بر این است که علاوه بر پایایی بتن که همانا با ارتجاعی کردن آن امکان پذیر است نفوذ پذ یزی آن را نیز که دوام آن میباشد بالا ببریم.

خواص بتن حاضر:

این بتن می تواند در برابر تنش های وارده به آن بصورت ارتجایی عمل کرده و با تغییر شکلی که میدهد به صورت یک میراگرتمام نیرو های وارد بر آن را مستحلک کند. تغییر شکل های وارده بر بتن به صورت برگشت پذیر می باشد به این صورت که با اعمال نیرو به آن بعد از دادن تغییر شکل به وسیله نیروی وارده با برداشتن نیروی وارده از روی آن به شکل اولیه خود باز میگردد.این خاصیت بتن ارتجائی باعث ایجاد خاصیت ضربه پذیری به این بتن می گردد که در نمونه های مشابه موجود نمی باشد .

از خاصیت های دیگر این بتن که در نمونه های مشابه موجود نمی باشد تغییر شکل کنترل شده آن می باشد به این صورت که این بتن طوری ساخته شده است که به اندازه 10% طول خود در مقابل فشار تغییر شکل داده و بعد به صورت یک بتن صلب عمل کند و در این حالت می تواند مقاومت فشاری تا 50مگاپاسکال را تحمل کند که این خاصیت آن باعث میگردد جهت استفاده در دیوارهای غیر باربر ایده آل باشد و مقابل زلزله از خود مقاومت خوبی نشان دهد.

ساختار بتن :

در حال حاضر بتن ديگر همان مصالح ساختماني قديمي نيست. بسياري از مواد معدني و آلي جهت اصلاح خواص آن براي ساخت بتن دوره جديد به سيمان پرتلند اضافه مي شوند. برخلاف بتن ساخته شده فقط با سيمان پرتلند، خواص بتن دوره جديد به خاطر پيچيدگي خاص خود كاملاَ روشن و مدون نيست، ولي آناليز بسياري از مواد مصرفي فعال روي دوام بتن شفاف تر از قبل مي باشند.

Cement + Agregates + Water + Admixture or Adetives = Concrete

سيستم سخت شدن سيمان با آب :

تـركيـب سيـمان بـا آب منـجـر بـه تـشكيـل يـك كـنـگلـو مـراي سخت شده بـا سـاختـار پـيـچيـده و تركيبات شيميايي جديدي مي شود كه خمير سيمان سخت شده ناميده مي شود.

ساختار تخلخل موئينه :

سطح داخلي ذرات سيمان سخت شده در بتن تا حدود زيادي تعيين كننده ميزان يا شدت تداخل متقابل بتن با آب و هواي ميكروني محيط اطرافش مي باشد.

فـرآيند مخرب :

فعاليت مخربي در سطوح بين حدفاصل آب و هواي ميكروني محيط و بتن شروع مي شود و به طرف عمق و توده بتن (جسم بتن) از طريق خلل و فرجهاي موئينه منتشر شده و پيشروي مي كند. مساحت سطح داخلي خمير سيمان سخت شده چندين برابر مساحت سطح خارجي ساختار بتن است. اين مطلب بيانگر ميل بيشتر به آسيب ديدگي (شدت بيشتر آسيب ديدگي) حتي در زماني است كه لايه مواد عملاً درگير در تداخل شيميايي بسيار نازك باشد كه در مقايسه با نسبت سرعت نفوذ مواد آسيب رسان (مضر) به واكنش آنها سنجيده مي شود.

درجه تخريب ناشي از شكل هاي مختلف آسيب ديدگي اساساً به طور (Features) آسيب ديده ساختار بتن و بخصوص بوسيله ساختمان ظريف سيمان سخت شده تعيين يا تعريف مي شود

در این پروژه سعی شده است با آسیب شناسی درست از بتن بارهای دینامیکی و مکانیکی وارده بر بتن را از پایه و ریز ساختار آن که هما نا ریز ساختار نانو متری میباشد اصلاح کنیم و از ترگهای مخرب بتن در ساختار ژله ایی سیمان گرفته تا تحمل بار تحمیلی به سنگدانه ها را کنترل کنیم.

دسته بندي خلل و فرج خمير سيمان

در دسته بندي كلاسيك، پيش بيني شده است توسط Power, Brown yard، خلل و فرج ها به دو دسته زير تقسي

خلل و فرج هاي ژلي :

(Gel Pores) كه به همراه تشكيل محصولات هيدراسيون (ژل سيمان) تشكيل مي شوند كه خلل و فرج ساختاري محسوب مي شوند، در حاليكه خلل و فرج لوله هاي موئينه Capillary Pores به عنوان فضاهائي است كه با پر شدن آب بوجود آمده و باقي مي مانند.

خلل و فرج ميكروني (Micro Pores) :

تخلخل ساختاري را تشكيل مي دهند، در حاليكه، دلايل كافي وجود دارد كه شامل خلل و فرج Mesu نيز مي بـاشند. خلل و فـرج هاي Mesu و Macroهمگي سيستم خلل و فرج لوله هاي موئينه را تشكيل مي دهند.

سيستـم خلل و فـرج در خميـر سيـمان، يك سيــستم ادامـه دار (Continuation) را تشكيل مي دهد كه مي توان آن را با سيستم (MIP) Basic Mercury Inmison Porosity اندازه گيري كرد.

با ادامه و پيشروي هيدراسيون و يا كاهش نسبت آب به سيمان، حجم و اندازه خلل و فرج موئينه بطور محسوسي كاهش مي يابند.

اثر درجه حرارت عمل آوري روي خلل و فرج Effect of Curing Temprature :

توزيع خلل و فرج قوياً تحت تأثير درجه حرارت عمل آوري مي باشد و درجه حرارت بالا، حجم خلل و فرج (مزو Mesu) بزرگ را افزايش مي دهد. Increase the Volume of Large Mesu Pores

جريان در خلل و فرج موئينه Capillary Flow :

جـريـان در داخل خلل و فرج موئينه از قانون دارسي D’ ARCY LAWبراي جريان Laminarپيروي مي كند.

dq/dt = KA (Dh / L)

كه در آن dq/dt سرعت جريان و Aمساحت سطح مقطع نمونه و (Dh / L) گراديان هيدروليكي در آن مقطع است.

K ضريب ثابت اندازه گيري (Proportionality) است كه سهولت جريان آب را از ميان نمونه بيان مي كند.

با در نظر گرفتن این عوامل می توان دوام بتن را بالا برد حال برای بالا بردن میزان پایایی بتن می با یست بر روی دو فاکتور تخریبی فیزیکی بتن کار کرد دو عامل اصلی در تخریب و عدم پایایی بتن به شرح زیر است :

1- ضربه

این ضربات میتواند معمولا حاصل از بارهای دینامیکی و مکانیکی باشد.

2- انفجار

انفجار و آتش سوزی که میتواند ساختار حرارتی بتن را از بین ببرد و موجب تخریب آن شود

در زیر به مرور مواد مصرفی در بتن ارتجایی با دوام و پایایی بالا می پردازیم:

مطالعه ی مصالح مورد نیاز:

1-مصالح نانو مواد

2-سنگدانه

3-فوق روان کننده

4-سیمان

5- متاکائولن

6-الیاف

7- خرده لاستیک بازیافتی

8- سود سوز آور

9- لاتکس

10- کلرید منیزیوم

11-تتراسیکلین

12-مواد پلیمر

نمونه های آزمایشاهی:

1- تعداد نمونه ها:300

2- تعداد آزمایشات:17

3- تعداد مصالح نانو:3 نوع

الف ) نانو تیتانیوم

ب) نانو الیاف پلرون

ج) نانو آلومینا

4- انواع الیاف مصرفی :الف )فلزی ب)پلی پروپیلن ج)شیشه

5- مواد پلمری: 4 نوع

الف )پلی ارتان

ب) پلی اکرلیک اسید

ج)پلی امید

د)پلی استر

آزمایشات مرود نیاز:

1. آزمایش اندازه گیری کرنش

2. مقاومت کششی

3. مقاومت خمشی

4. مقاومت فشاری

5. جذب آب

6. مقاومت الکتریکی

7. نفوذ پذیری یون کلر

8. نفوذ پذیری هوا

9. نفوذ پذیری گاز اکسیژن

10. نفوذ ناپذیری آب

11. سایش بتن

12. تعیین پیک حرارتی بتن

13. مقاومت در برابر امواج

14. SEM

15. TEM

16. AFM

17. XRD

اهمیت استفاده از خرده لاستیک در بتن :

طبق آمار رسمی که در سال 2003 در کشور آمریکا اعلام شده میزان لاستیک تولیدی و بازیافتی به شرح زیر است:

تعداد لاستیک مستهلک تولیدی در هر سال

270 میلون تن

وزن تقریبی لاستیک مستهلک تولیدی

306میلیون تن

تعداد لاستیک مستهلک تلمبار شده

300میلیون

تعداد لاستیک مستهلک استفاده شده در کاربرد های

30 میلیون

مواد معمولی استفاده شده در ساخت لاستیک

1- لاستیک مصنوعی

2- لاستیک طبیعی

3- ذرات گوگرد

4-نفت خام

5-پلی استر و نایلن

6- رنگدانه :اکسید روی و دی اکسید تیتانیوم

7- کربن سیاه

8- سیمهای فولادی

9-اسید چرب

با توجه به موارد بالا اهمیت استفاده از خرده لاستیک در بتن را میتوان به راحتی حس کرد تا علاوه بر تاثیراتی که در محیط زیست میتواند داشته باشد در عملکرد بتن نیز مسمر ثمر میباشد.

اضافه کردن لاستیک در شرایط طبیعی به میزان 80% مقاومت فشاری بتن را پایین می آورد و مقاومت کششی بتن را نیز به میزا 39% کاهشمیدهد اما در رفتار ارتجایی بتن بسیار موثر است . امروزه با استفاده از مواد افزودنی به بتن میتوان به راحتی علاوه بر بالا بردن مقاومتهای کششی و فشاری، دوام و پایایی بتن را نیز به طرز شگفت انگیزی بهبود بخشید .

بزرگترین مشکل در عمر اظافه کردن لاستیک به بتن مسئله عدم چسبندگی ملکولهی سیمان به بتن میباشد که با عمل آوری این بتن در سود سوز آور به مدت 20 دقیقه میتوان این چسبندگی ذرات را به میزان 37% بالا بر همچنین با استفاده از لاتکس در بتن که ماده ایی سازگار با بتن است میتوان علاوه بر ضربه پذیر کردن بتن این چسبندگی را چندین برابر کرد و همانطور که مستحظر هستید با استفاده از اکسی کلرید منیزیم میتوان میزان چسبندگی لاتکس به ذرات پلاستیک را به میزان بسیار زیادی بالا یرد.

بتن حاوی لاستیک با عمل آوری توضیح داده شده در بالا دارای نفوذ پذیری بسیار بالایی می باشد که این مورد نیز استفاده از نانو ذرات به میزان بسیار بالایی این مشکل را بر طرف میکند.

1-1- تعیین مقاومت کششی به روش دو نیم کردن (برزیلی) :

مقاومت کششی روی آزمونه‌هایی به شکل استوانه 300×150 میلیمتر انجام گردید. این آزمون بر اساس استاندارد DIN EN 12390-6:2000 انجام و نتایج آن در جدول 1 ارائه گردیده است.

1-2- تعیین عمق نفوذ آب تحت فشار :

یکی از مهمترین پارامترهای مؤثر بر افزایش دوام بتن در برابر تهاجم مواد مضر (که از محیط نفوذ می‌نمایند)، کاهش نفوذپذیری بتن می‌باشد. در این راستا آزمون تعیین عمق نفوذ آب تحت فشار، جهت بررسی نفوذپذیری بتن تحت فشار آب می‌باشد. این آزمون طبق استاندارد DIN EN 12390-8:2000 و روی آزمونه‌های مکعبی به ابعاد 150×150×150 میلیمتر انجام گردید که نتایج آن در جدول 1 ارائه گردیده است.

1-3- نفوذپذیری کلرید در بتن به روش تسریع شده :

همانگونه که اشاره گردید بهبود پارامترهای نفوذپذیری بتن در افزایش دوام آن بسیار حائز اهمیت می‌باشد. آزمون نفوذپذیری کلرید، به منظور طراحی و بررسی عمر مفید (سرویس‌دهی) بتن در مقابل نفوذ یون کلرید مناسب می‌باشد. این آزمون بر اساس استاندارد ASTM C 1202-97 روی آزمونه‌های استوانه‌ای به قطر 100 میلیمتر و ضخامت 50 میلیمتر انجام می‌شود، نتایج آزمون در جدول 1 ارائه گردیده است.

جدول 1 – نتایج آزمون‌های مقاومت کششی، عمق نفوذ آب تحت فشار و نفوذپذیری یون کلرید

شناسه

مقاومت کششی

عمق نفوذ آب

شار عبوری

N/mm2

cm

Coulomb

نانو بتن ارتجایی

12

3/0

13

1-4 آزمایش سایش

آزمایش سایش طبق استاندارد EN 1338ازطریق ساییدن سطح رویی یک قطعه بتنی توسط یک جسم زبر فولادی به‌همراه یک ماده ساینده، تحت شرایط استاندارد انجام می‌شود.

ملحقات:

دستگاه دارای یک چرخ فولادی (Fe 690) طبق استاندارد EN 10025 می‌باشد که قطر آن 20 سانتیمتر و عرض آن 7 سانتیمتر است. همچنین دستگاه دارای قیفی است که درون آن ماده ساینده ریخته می‌شود. ماده ساینده مورد نیاز برای این آزمایش ماده Corundum(پودر آلومینا) با اندازه ذرات 80 میکرون طبق استاندارد FEPA 42F 1984 است. نازل خروجی دستگاه طوری طراحی شده است که بتواند 5/0-3 لیتر ماده ساینده را در هر دقیقه روی سطح در معرض سایش بریزد. دستگاه هنگامی کالیبره است که چرخ ساینده تحت اثر نیروی فشاری بتواند در تماس با سطح نمونه مرجع (جزء ملحقات دستگاه است) 75 دور در دقیقه بچرخد

روش آزمایش:

نحوة قرائت: توسط یک مداد و خط‌کش محدوده دو طرف بالا و پایین شیار ایجاد شده در اثر سایش چرخ گردنده کاملاً مشخص می‌گردد (L1,L2). سپس سه خط بر یک محور افقی که در وسط شیار ایجاد شده رسم شده، بطور عمودی مشخص می‌گردد (یکی کاملاً در وسط و دو تای دیگر به فاصله 10 میلیمتر از هر دو انتهای شیار). ماکزیمم مقدار این خطوط (AB, CD, EF) با دقت 5/0 میلیمتر بعنوان میزان سایش گزارش می‌گردد. در صورتیکه شیار ایجاد شده چهار گوش نباشد (اختلافی بیش از 5/1 میلیمتر بین دو عرض انتهایی شیار موجود نباشد) نتایج قابل قبول نیست و آزمایش باید مجدداً انجام گیرد.

?
نمودار 1- نحوه قرائت میزان سایش طبق استاندارد EN 1338

نتایج آزمایش سایش در جدول 2 مشاهده می‌گردد.

جدول2 - نتایج آزمایش سایش طبق استاندارد EN 1338

شناسه

میزان سایش (mm)

حداکثر

میانگین

بتن ارتجایی

20

5/17

بتن مشابه با این بتن در جهان و تفاوت آن با بتن حاضر:

دانشمندان دانشگاه ميشيگان گونه جديدي از بتن مسلح با الياف ساخته‌اند كه از بتن عادي 40 درصد سبك‌تر و در برابر ترك خوردن 500 بار مقاوم‌تر است.این بتن جديد كه "كامپوزيت سيماني مهندسي"، ناميده شده ، به دليل عمر طولاني در دراز مدت از بتن معمولي ارزان‌تر است.

عملكرد اين بتن جديد از يك طرف به دليل وجود الياف نازكي است كه 2 درصد حجم ملات بتن را تشكيل مي‌دهد و از طرف ديگر به اين خاطر است كه خود بتن از موادي ساخته شده است كه براي ايجاد حداكثر انعطاف‌پذيري طراحي شده‌اند. به گفته دانشمندان، بتن جديد كه "كامپوزيت سيماني مهندسي"، ناميده شده ، به دليل عمر طولاني‌تر در دراز مدت از بتن معمولي ارزان‌تر است. به گفته "ويكتورلي" استاد گروه مهندسي سازه "دانشگاه ميشيگان" و سرپرست تيم سازنده بتن، تكنولوژي كامپوزيت سيماني تاكنون در پروژه‌هايي در ژاپن، كره، سوئيس و ايتاليا به كار گرفته شده است. استفاده از آن در ايالات متحده به نسبت كندتر بوده.

اين در حالي است كه بتن متعارف داراي مشكلات بسياري از جمله نداشتن دوام و پايداري، شكست در اثر بارگذاري شديد و هزينه‌هاي تعمير در اثر شكست است.

به گفته "لي"، بتن نشكن يا انعطاف‌پذير به جز شن درشت از همان مواد تشكيل‌دهنده بتن معمولي ساخته شده است.

بتن نشكن كاملا شبيه بتن عادي است اما تحت كرنش‌هاي بسيار بزرگ، بتن كامپوزيت سيماني تغيير شكل مي‌دهد، اين قابليت از آن جا ناشي مي‌شود كه در اين نوع بتن؛ شبكه الياف داخي سيمان قابليت لغزيدن داشته و در نتيجه انعطاف‌ناپذيري بتن كه باعث تردي و شكنندگي است، از ميان مي‌رود.

امسال براي اولين بار، "اداره حمل و نقل ميشيگان" براي نوسازي قسمتي از عرشه پل "گرواستريت" بر فراز بزرگراه "4 و I" از كامپوزيت سيماني استفاده مي كند. دالي از جنس كامپوزيست سيماني جايگزين يك مفصل انبساطي در اين قسمت از پل خواهد شد تا با متصل كردن دال‌هاي بتني مجاور به هم، عرشه‌اي يكنواخت از بتن به وجود آورد. استفاده از مفصل انبساطي به عرشه بتني قابليت حركت در اثر تغييرات مي‌بخشد. اما در هنگام گير كردن مفصل‌ها، مشكلات زيادي پيش مي‌آيد.

اگر چه هنوز مطالعات دراز مدت زيادي براي تاييد عملكرد كامپوزيت سيماني مورد نياز است، مقايسه‌هاي انجام شده در "مركز سيستم‌هاي پايدار"، از "دانشده منابع طبيعي و محيط زيست"، به همراه گروه "لي"، نشان مي‌دهد كه در يك دوره 60 ساله، استفاده در عرشه پل، كامپوزيت سيماني نسبت به بتن عادي 37 درصد ارزان‌تر است، 40 درصد انرژي كمتري مصرف مي‌كند و باعث كاهش انتشار دي اكسيد كربن تا 39 درصد مي‌شود

حال آنکه بتن ساخته شده توسط تیم کاری مرکز تحقیقات بتن دانشگاه آزاد اسلامی قزوین که بنام این مرکز و سه تن از دانشجویان آن در کشور به ثبت رسیده دارای نفوذ پذیری بالا و همچنین قابلیت انعطاف پذیری می باشد و ضربه پذیری بسایر بالای آن نیز از دیگر خصوصیات اضافه شده به این بتن می باشد این در حالیست که بتن دانشمندان دانشگاه میشیگان آمریکا فقط قابلیت خرد شوندگی را با حذف درشت دانه و اضافه کردن الیاف کنترل کرده است.