پایداری الیاف شیشه ای ضد قلیا در دراز مدت

به دنبال عرضه الیاف شیشه ای ضد قلیای Cem-FIL در سال 1971، دو رکت BRE و برادران پیلکینگتون به طور مستقل دست به آزمایش هایی در مقیاس بزرگ زدند تا پایداری مقاومت مخلوط های Cem-FIL را در دراز مدت و در معرض شرایط محیطی مختلف، تعیین کنند. در حال حاضر داده های آزمایش های پایایی مقاومت در مدت زمان 10 سال منتشر شده است. این داده ها در اشکال 1 تا 3 موجودند همان طور که در شکل 1 نشان داده شده است، تحت شرایط آب و هوایی طبیعی، مدول گسیختگی با زمان کاهش می یابد. پس از 10 سال از قرار گیری این نمونه ها در شرایط آب و هوای انگلستان، مشاهده شد که مدول گسیختگی تا مقداری نزدیک به مقاومت در حد تناسب الاستیک کاهش یافته است. به علاوه داده های نشان داده شه در شکل 2 حاکی از آن هستند که مخلوط های Cem-FIL که در آب C˚18 تا C˚20 قرار داده شده اند، در مدت زمان مشابه، کاهشی مشابه قبل در میزان MOR از خود نشان داده اند. با این حال همان طور که در شکل 3 دیده می شود، مخلوط های قرار گرفته در دمای C˚20 و رطوبت نسبی %40، با افزایش سن، افت نسبتاً کمی در مقاومت MOR نشان می دهند.

علاوه بر برنامه افزایش طبیعی سن نمونه ها در دراز مدت، برنامه هایی برای تسریع کهنگی نمونه ها ترتیب داده شد به طوری که با آن بتوان مشخصت دراز مدت نمونه ها را پیش از داده های کهنگی طبیعی ارائه نمود.

کهنگی تسریع شده به این صورت انجام می شود که مخلوط تا اتمام فرایند هیدراسیون سیمان در آبی با دمای افزایش یابنده شناور گردد. در هر حال کهنگی واقعی یک قطعه GFRC خاص، تنها با کاربری آن در شرایط محیطی واقعی محل، ممکن می شود. هر تلاشی که جهت تعیین خصوصیات رفتاری GFRC مسن با روش های تسریع کننده انجام شود، جواب های تقریبی به دست می دهد.

 

توجه : علائم مختلف نشان دهنده نتایج پنج منبع مشابه است.

شکل 1 مدول گسیختگی و حدتناسب الاستیک در مقابل سن برای مخلوط های ضدقلیای
 Cem-FIL1 که درشرایط آب وهوایی انگلستان قرارگرفته اند.

توجه : علائم مختلف نشان دهنده نتایج پنج منبع مشابه است.

شکل2 مدول گسیختگی و حد تناسب الاستیک در مقابل سن برای مخلوط های ضد قلیای
 Cem-FIL1 کهدرآب18 تاC˚20 قرار گرفته اند.

توجه : علائم مختلف نشان دهنده نتایج پنج منبع مشابه است.

شکل 3 مدول گسیختگی و حد تناسب الاستیک در مقابل سن برای مخلوط های ضد قلیای
 Cem-FIL1 که در هوایC˚20 با رطوبت نسبی 40% قرار گرفته اند.

داده های آزمایش کهنگی تسریع یافته برای صفحات GFRC، با داده های به دست آمده از نمونه های واقع در شرایط آب و هوایی طبیعی، همبستگی داده شده اند تا از این طریق بتوان پایایی دراز مدت را پیش بینی نمود. در تحقیقی که برادران پیلکینگتون انجام دادند این همبستگی برای اقلیمهای مختلف آب و هوایی در سراسر جهان صورت گرفت. براساس این تحقیقات می توان چنین پیش بینی نمود که در بسیاری از شرایط محیطی، MOR مخلوط های GFRC تا مقداری نزدیک به مقاومت PEL کاهش خواهد یافت. برای بسیاری از محصولات GFRC که در معرض شرایط بیرون قرار گرفته اند، این کاهش مقاومت می تواند تعیین کننده عمر مفید سازه باشد. با این حال تاریخچه بارگذاری صفحات GFRC و نیز تاثیر اصلاح سطوح این صفحات در این تحقیقات مدنظر قرار نگرفته اند.

به علاوه نشان داده شده است که کاهش مقاومت در اقلیم های گرم تر، با سرعت بیشتری صورت می گیرد. در شکل 4، داده های مقاومت خمشی برای مخلوط هایی که در انگلستان در معرض شرایط آب و هوایی قرار گرفته اند و مخلوط هایی که در آب با دمای فزاینده، دستخوش کهنگی تسریع شده بوده اند نشان داده شده است. این داده ها حاکی از آن هستند که به موازات آنکه دمای فرایند کهنگی تسریع شده، افزایش 
می یابد، افت مقاومت MOR سرعت بیشتری به خود می گیرد. لازم به توجه است که یک حد پایین تر برای مقاومت MOR وجود دارد. این حد پایین تر ذاتاً با PEL مخلوط، که خود معیاری از مقاومت ترک خوردگی ماتریس بتن مسلح است، برابر می باشد. سالهای بسیاری است که استفاده از روش های کهنگی تسریع یافته وسیله ای برای پیش بینی مقاومت شده است. مقاومت مدول گسیختگی که در شکل 4 نشان داده شده، برای مخلوط هایی است که در دماهای C˚50، C˚60 و C˚80 تحت فرایند کهنگی تسریع یافته قرار گرفته اند. این مقادیر با نتایج نمونه هایی که به مدت 10 سال در معرض شرایط واقعی آب و هوای انگلستان قرار گرفته اند، ترکیب شده اند. این کار با جایگزین کردن نتای مقاومت تسریع یافته در دماهای بالاتر در طول محور لگاریتمی زمان انجام می شود، به طوری که نتایج یاد شده با نتایج مقاومت مخلوط های قرار گرفته در شرایط آب و هوایی انگلستان مطابق و سازگار شوند.

                     شکل 4 MOR در مقابل سن برای مخلوط هایCem-FIL در شرایط آب و هوایی انگلستان

              شکل 5 داده های کهنگی تسریع یافته که برای پیشبینی مقاومت دراز مدت مخلوط های ضد قلیای Cem-FIL1 که در شرایط آب و هوایی انگلستان گرفته اند.

جهت مطالعه مقاله پایداری الیاف شیشه ای ضد قلیا در دراز مدت می توانید به وب سایت کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

خصوصیات بتن مسلح به الیاف اکریلیک

مقالات بسیار کمی در رابطه با خصوصیات بتن مسلح به الیاف اکریلیک منتشر شده است. اکثر تحقیقاتی که تاکنون بر روی خصوصیات AFRC انجام شده است متعلق به سازمان های تولید کننده الیاف بوده است. با این وجود مطالعات انجام شده توسط دنیل و اندرسون اطلاعات ارزشمندی درباره تاثیرات برخی عوامل تولید بر روی عملکرد ترکیبات مسلح به الیاف اکریلیک با مقاومت کششی بالای اوچست، Dolanit-10 فراهم کرده است
بررسی های دنیل و اندرسون، تاثیرات مقدار الیاف اکریلیک، مقادیر الیاف پردازش شده و نوع آن و نیز فشار تراکم وارده در حین ساخت را بر روی خصوصیات مکانیکی AFRC تعیین کرده است. در تلاشی که جهت شبیه سازی فرایند هاتس چک، انجام شد، ترکیباتی با استفاده از مکنده آب زدا و روش های تراکم ساخته شدند. فرایند هاتس چک، معمولاً برای تولید صفحات سیمانی- الیافی در مقیاس های بزرگ تجاری به کار می رود. نتایج آزمایش های مقاومت خمشی به عنوان مبنای ارزیابی عملکرد ترکیب به کار می رود. نتایج آزمایش های مقاومت خمشی به عنوان مبنای ارزیابی عملکرد ترکیب به کار گرفته شدند.
در یک سری از آزمایش ها، ترکیبات AFRC با درصدهای مختلف الیاف اکریلیک مورد مطالعه قرار گرفتند. الیاف اکریلیک در محدوده 1 تا 3 درصد وزنی قرار داشتند. الیاف پردازش شده در این نمونه ها شامل %1.5 وزنی خمیر سلولز و %1.5 وزنی خمیر پلی اتیلن بودند. متوسط مقاومت خمشی در مقابل مقادیر الیاف اکریلیک در شکل 1 نشان داده شده است. همان طور که در این شکل دیده می شود با افزایش مقدار اولیه الیاف اکریلیک، مدول گسیختگی MOR تمایل به افزایش، و حد تناسب الاستیک  PEL  تمایل به کاهش دارد.

بررسی ها همچنین نشان داده اند که درصد وزنی نهایی الیاف پردازش شده تاثیر کمی بر متوسط مقاومت خمشی ترکیب دارد. همچنین با افزایش فشار تراکم در طی فرایند ساخت از 500 به 1500psi ( 3.5 به 10.5Mpa )، متوسط مقاومت خمشی افزایش می یابد.

در مجموعه ای دیگر از آزمایش ها، Donalit-10 AFRC با نتایج آزمایش Manville Flexboard II (غیر آزبستی)، Eternit Shingles (غیر آزبستی( و صفحات سیمان آزبستی Monville Transite مقایسه شدند. نتایج مقاومت خمشی 28 روزه در جدول 1 نشان داده شده است. نمودار تنش خمشی در مقابل خیز در شکل 2 آمده است.

محتوای الیاف آکریلیک ، درصد حجمی

شکل 1 متوسط مقاومت خمشی در مقابل محتوای الیاف اکریلیک

جدول 1 ویژگی های شاخص الیاف آکریلیک

مخلوط	نوع محتوای الیاف، درصد وزنی	PEL،psi	MOR،psi
Dolanit-10 AFRC Manville Flexboard II Eternit Shingles Mnville Transite صفحات آزبستی، سیمانی	2 3- 4 2   16- 20	1200 1890 1050   4500	2000 2100 1495   4500

معادل  متریک : 1psi=6.895kPa

خیز،in

شکل 2  تنش خمشی در مقابل خیز برای Manville Flexboard II, Dolanit-10 AFRC وEternit Shingles و سیمان آز بستی.

همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، سیمان های آزبستی مصالحی با مقاومت بالا و شکننده هستند. هرچند خصوصیات ملات با اضافه کردن الیاف آزبستی بهبود می یابد، اما اگر طاقت پس ترک خوردگی توسط الیاف آزبستی تامین می شود، این بهبود خیلی کم خواهد بود. 

Manville Flexboard II, Dolanit-10 AFRC و Eternit Shingles طاقت پس ترک خوردگی و انعطاف پذیری بسیار بیشتری نسبت به سیمان های آزبستی در سن 28 روز نشان می دهد. دلیل این امر آن است که شکست ترکیب توسط مکانیزم تقویتی الیاف یا به عبارتی ترک خوردگی چند شاخه به همراه بیرون کشیدگی عمده الیاف کنترل می شود.

حتی اگر مقاومت های خمشی ترکیبات جایگزین آزبست قابل مقایسه با صفحات سیمان آزبستی نباشند، باز هم این ترکیبات دارای مقاومت کافی برای تامین عملکرد بسیار مطلوب در بسیاری از کاربردهای ساختمانی می باشند. به علاوه مزیت مهم طاقت پس ترک خوردگی که در ترکیبات با الیاف غیر آزبستی ایجاد 
می شود، در بسیاری از کاربردها ضروری است.

بتن مسلح به الیاف اکریلیک

در سال های اخیر محققان و تولید کنندگان الیاف بسیار علاقه مند شدند تا ترکیبات مسلح به الیاف را جایگزین سیمان های آزبستی کنند. خطرات سلامتی مربوط به آزبست های هوابرد در اکثر اوقات کاملاً مشخص شده است، با این حال صفحات سیمان های غیر آزبستی تنها به تازگی در دسترس می باشد. بتن مسلح به الیاف اکریلیک(AFRC مصالح نسبتاً جدیدی است که از قابلیت بالایی برای جایگزینی به جای سیمان های آزبستی برخوردار است. تاکنون هدف بیشتر تحقیقات انجام شده پیرامون AFRC، دستیابی به ترکیبات حاوی درصدهای بالای الیاف اکریلیک بوده که خصوصیات مکانیکی سازگار با خصوصیات مکانیکی سیمان های آزبستی داشته باشند. البته تحقیقات دیگری نیز با استفاده از درصدهای پایین الیاف اکریلیک (کمتر از %1 حجمی) برای کاربری های دال های همکف انجام شده است.

 

 الیاف اکریلیک

اکریلیک نوعی پلیمر مصنوعی ساخته بشر است که حداقل %85 وزن آن از واحدهای اکریلونیتریل تشکیل شده است. این تولید کننده ها شامل مونسانتو، امریکن سینامید، دانت، بسف و اوچست هستند. الیاف اکریلیک این تولید کننده ها، به ترتیب تحت نام تجاری اکریلن، کرسلن، اورلن، زفران و دولانی عرضه می شود.

خصوصیات عمومی الیاف اکریلیک در جدول 1 داده شده اند.

جدول 1 ویژگیهای شاخص الیاف اکریلیک

الیاف	وزنمخصوص	مقاومتکششی،ksi	مدولیانگ،ksi
اکریلیک	1.17	30- 145	2100- 2800

                                                                                        معادل متریک : 1psi=6.895KPa

همان طور که در جدول 1 مشخص شده است، الیاف اکریلیک با مقاومت های کششی در محدوده 30 تا 145ksi  ( 207 تا 1000Mpa ) ساخته می شوند. معمولاً الیاف اکریلیک به کار رفته در صنعت نساجی مقاومت کششی در محدوده  30 تا 50ksi  ( 207 تا 345Mpa ) دارند. با این همه صنایع الیاف اوچست، به طور انحصاری الیاف اکریلیک ویژه ای با مقاومت کششی بالا تولید کرده است تا جایگزین الیاف آزبستی در محصولات سیمان آزبستی شود. این الیاف اساساً مقاومت کششی بالاتری نسبت به الیاف مورد استفاده در کاربردهای نساجی تا ( 145ksi (1000Mpa )) دارند.

صنایع الیاف اوچست، در حال حاضر دو نوع الیاف آکریلیک تجاری با پر مقاومت تولید می کند که برای استفاده در کاربردهایی غیر از نساجی ساخته شده اند. این محصولات تحت نام تجاری Dolanit-10 و Donalit-VF11 به فروش می روند. Dolanit-10 و Donalit-VF11 الیاف کوتاه غیر موجی بست داری هستند که طولی بین 0.08 تا 0.95 اینچ ( 2 تا 24 میلیمتر( و قطری بین 0.0005 تا 0.0041 اینچ ( 0.013 تا 0.104 میلیمتر )دارند.

سایر خصوصیات الیاف اکریلیک با مقاومت کششی بالا که توسط اوچست، تولید شده اند، آنها را اختصاصاً برای استفاده در محصولات با پایه سیمانی مناسب می سازد. این خصوصیات شامل مقاومت بالا در مقابل اسیدها و قلیاها و مقاومت حرارتی خوب هستند. همچنین این الیاف غیر قابل احتراق بوده و به هنگام سوختن، غیر سمی هستند و به دلیل رشته رشته نشدن، ذراتی را که به لحاظ پزشکی در محدوده بحرانی قرار دارند، تولید نخواهند کرد.

 

 

ساخت بتن مسلح به الیاف اکریلیک

ویگ هاتس چک به طور تجاری و با به کار گیری فرایند مرطوب (فرایند هاتس چک) اقدام به تولید بتن مسلح به الیاف اکریلیک نمود. این فرایند تولید، شبیه فرایندی است که در تولید صفحات سیمان آزبستی در حدود سال 1900 به کار رفته است. برای تولید این ترکیبات در فرایند هاتس چک، الیاف ابتدا در مخلوط رقیق شده آب و سیمان پراکنده می شوند. در طی فرایند ساخت، بخش بزرگی از آب اولیه اختلاط از طریق یک مکنده آب زدا بیرون کشیده می شود. با روی هم ریزی متوالی لایه ها، به تدریج ضخامت مورد نیاز حاصل می شود. نهایتاً ترکیب به منظور چگال تر شدن، فشرده می شود و به این ترتیب آب بیشتری از مخلوط خارج می شود. ترکیبات تمام شده نسبت آب به سیمان بسیار پایین و مقاومت اولیه مناسبی دارند و در نتیجه می توان بلافاصله آن را جابجا کرد.

الیاف آزبستی به خوبی با فرایند هاتس چک، همسازی دارند زیرا این الیاف به دلیل اینکه با دقت و ظرافت رشته رشته می شوند، از ویژگی های تصفیه ای بسیار خوبی برخوردارند که باعث می شود ذرات سیمان به طور یکنواخت در دوغاب پراکنده شوند و از جداشدگی ذرات در طی آب زدایی جلوگیری شود. الیاف اکریلیک به دلیل خصوصیات سطح ویژه و قطر نسبتاً زیادشان نمی توانند چنین عملکردی داشته باشند. بنابراین لازم است به منظور دستیابی به یک ترکیب یکپارچه، الیاف “پردازش شده ای” علاوه بر الیاف اکریلیک به کار گرفته شود. معمولاً الیاف اکریلیک به میزان 1 تا %3 وزنی و الیاف پردازش شده به میزان 3 تا %6 وزنی به مخلوط اضافه می شود. خمیر نفوذ ناپذیر سلولزی و الیاف خمیری پلی اتیلن نمونه هایی از الیاف موثر پردازش شده هستند.

روان کننده ها و افزودنی های دیگر

روان کننده ها میزان آب مورد نیاز مخلوط را کاهش می دهند و کارایی را بهبود می بخشند، ملات چسبنده تر شده و بهتر در قالب جای می گیرد. روان کننده ها معمولاً نوعی رزین محلول نمکی هستند، رنگ آنها اکثر اوقات قهوه ای تیره است و بشکل مایع یا پودر برای مصرف بفروش می رسند. جهت استفاده از آن باید مطابق دستورالعمل سازنده عمل کرد. در صورتیکه بیش از مقدار مورد نیاز روان کننده به کار رود، هیچ وسودی ندارد و در عوض ممکن است ملات ضعیفتر شود، ولی عموماً حدود 250-300 m1 مایع به ازای هر 50 kg سیمان مصرف می شود، و یا 20-30 gr پودر در هر 50 kg سیمان بکار می رود. روان کننده مایه را باید ابتدا در آب مخلوط ریخته و بهم زده و سپس داخل مخلوط خشک ریخته شود، در صورتی که بهنگام کاربرد پودر روان کننده باید ابتدا آنرا با مصالح خشک مخلوط کرده سپس آب را به مخلوط خشک اضافه کنیم.

انواع دیگر افزودنی ها بتن، شامل مقاوم کننده ها، هوازاها، ضد یخ ها، ضد گرد و غبارها، تندگیر کننده ها و کندگیر کننده ها و رنگ کننده ها می باشند. در ملات کف سازی آجری در بسیاری مواقع از افزودنی رزین استایرن – بوتادین (SBR) بهنگام مخلوط کردن اضافه می کنند تا چسبندگی و مقاومت ملات افزایش یابد، هر چند که این کار ضروری نمی باشد.

جهت مطالعه مقاله روان کننده ها و افزودنی های دیگر می توانید به وب سایت کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

بتن مسلح به الیاف کربنی

الیاف کربنی که ابتدائاً به دلیل خصوصیت مقاومت بالا و قابلیت هایی در زمینه صنعت هوا فضا گسترش یافت، تاثیرات خود را به عنوان تقویت کننده در سات بتن های الیافی نشان داده است. در مقایسه با انواع دیگر الیاف، الیاف کربنی به طور قطع گرانتر هستند. به همین دلیل کاربرد تجاری آن محدود شده است. با این حال تحقیقات بیشتر آزمایشگاهی به منظور مشخص نمودن خصوصیات فیزیکی بتن مسلح به الیاف کربنی CER انجام شده است.

الیاف کربنی

الیاف کربنی دارای سختی بالا و مقاومت کششی بالا بوده و در برابر بیشتر مواد شیمیایی بی اثرند. الیاف کربنی از طریق ترکیب مواد آلی مناسب با زغال در دماهای بالا به شکل رشته ای تولید می شوند و سپس بلورهای گرافیت حاصله (کربن طبیعی که نرم و سیاه و براق است)با استفاده از روش کشیدن به حالت داغ، همراستا می شوند. این الیاف یا ب شکل الیاف نوع 1 ( مدول بالا( و یا نوع 2 )مقاومت بالا( تولید می شوند و خصوصیات فیزیکی آنها وابسته به منبع مصالح و میزان کشیدگی در حالت داغ است.

الیاف کربنی به شکل های مختلفی در دسترس هستند و ساختار رشته مانندی شبیه به آزبست ها دارند. برخی خصوصیات عمومی الیاف کربنی نوع 1 و 2 در جدول 1 داده شده اند.

الیاف کربنی متداول نوع 1 و 2 اساساً گرانتر از بسیاری از انواع دیگر الیاف از قبیل شیشه و فولاد هستند. البته ثابت شده است که الیاکربنی که از نفت خام و قیر زغال سنگ ساخته شده اند، خیلی کم هزینه تر از الیاف کربنی متداول ساخته شده از مواد آلی )معمولاً الیاف آکریلیک)می باشند. اما الیاف کربنی متداول نوع 1 و 2 ،  20 تا 40 برابر قوی ترند و مدول الاستیسیته ای تا 100 برابر بزرگتر از الیاف کربنی با پایه قیری دارند.

جدول 1 ویژگیهای شاخص الیاف کربنی

الیاف	مقاومت کششی، ksi	مدول یانگ، ksi	افزایش طول در شکست، %
کربن نوع 1 (مدول بالا) کربن نوع 1 (مقاومت بالا)	260 380	55100 33400	0.5 ~ 1.0 ~

                                                                               معادل متریک : 1ksi=6.895MPa

الیاف کربنی عموماً به صورت تارهایی )رشته هایی( تولید می شوند که ممکن است حاوی 12000 رشته منفرد باشد. تارهای الیاف کربنی به منظور سهولت رسوخ در ماتریس سیمان و تاثیر گذاری بیشتر، معمولاً قبل از مخلوط شدن در داخل CFRC، از هم باز می شوند. براون و هافورد آزمایش هایی بر روی الیاف کربنی انجام داده اند. در این آزمایش الیاف کربنی پیش از آنکه در مخلوط جای بگیرند، با رزین پلی وینیل استات PVA آغشته شدند. رزین PVA موجب پیوستگی تک رشته های نفرد با یکدیگر می شد  به طوری که دیگر احتیاجی به نفوذ ماتریس سیمان نبود. براون و هافورد با به کارگیری این روش به موفقیت های اندکی دست یافتند.