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.

بتن مسلح با الیاف سلولز چوب

چوب عمدتاً شامل سلولز، همی سلولز و لیگنین می باشد. خصوصیات الیاف سلولز چوب تا حد زیادی تحت تاثیر روش استخراج الیاف و فرایند تصفیه قرار می گیرد. فرایندی که با آن چوب تبدیل به حجم بزرگی از الیاف می شود، خمیری کردن نام دارد. فرایند مکانیکی، شیمیایی یا نیمه شیمیایی خمیری شدن به طور تجاری برای استخراج الیاف سلولز چوب به کار رفته است.

به دلیل اینکه لیگنین، اثر منفی بر روی مقاومت سلولز چوب دارد، مطلوب است از فرایند خمیری که لیگنین را از الیاف سلولز جدا می کند، استفاده شود. استفاده از فرایند شیمیایی خمیری کردن بعث 
می شود که لیگنین باقیمانده، در الیاف سلولز به دست آمده، تا حدود زیادی کاهش یابد یا به کلی حذف شود. دو روش اصلی خمیری کردن شیمیایی، فرایند کرافت یا سولفات و فرایند سولفیت هستند.

فرایند کرافت، معمول ترین فرایند تولید الیاف سلولز چوب. این فرایند شامل پختن تراشه های چوب در محلولی از هیدروکسید سدیم، کربنات سدیم و سولفید سدیم می باشد. از طریق رنگبری، درجات مختلفی از الیاف سلولز چوب شامل تمامی یا برخی از سه عامل تشکیل دهنده آن (سلولز، همی سلولز و لیگنین) به دست می آید. رنگبری مقاری از الیاف چوب را که از مقادیر خاصی از تراشه های چوب به دست می آید، به شدت کاهش می دهد؛ با این حال لیگنین تقریباً به طور کامل از الیاف حذف می شود.

الیاف سلولز چوب در مقایسه با بسیاری از الیاف مصنوعی نظیر پلی پروپیلن، پلی اتیلن، پلی استر و آکریلیک، خصوصیات مکانیکی نسبتاً خوبی دارند. برای درجات انتخاب شده ای از چوب و فرایند خمیری می توان الیاف سلولز بدون لیگنین را با مقاومت کششی ای تا حدود ksi290 (Mpa2000)، تولید نمود. با استفاده از فرایند شیمیایی خمیری کردن چوب های متاول تر و ارزان تر، عموماً مقاومت کششی ای در حدود ksi73 (Mpa500) برای الیاف به دست می آید.

 ساختن بتن مسلح به الیاف سلولز چوب

ساخت ترکیبات حاوی الیاف سلولز چوب با روش های مختلفی امکان پذیر است. البته به منظور حصول یک ترکیب مقاوم و چگال، باید نسبت آب به سیمان پایین نگه داشته شود و الیاف باید به طور یکنواخت در ماتریس اطراف خود توزیع شوند. در روشهای معمول اختلاط، مقدار الیافی که می توانند در دال ماتریس، محدود می شود. بنابراین روش های ساختی که شامل اختلاط الیاف با ماتریس با مقادیر اولیه بالای آب و سپس به کارگیری فرایند آب زدایی هستند، بیشتر معمول و اثرگذار می باشند.

استفاده از  الیاف سلولز چوب که به طور کامل لیگنین آنها جدا شده است، بر عمل آوری ماتریس سیمان اثر گذار است. فروشویی الیاف داخل ماتریس سیمان از شکر یا دیگر ناخالصی های آلی می تواند به عنوان کندگیر کننده عمل کرده و یا حتی بکلی مانع از گیرش بتن گردد. استفاده از الیافی که لیگنین آنها از طریق فرایند شیمیایی قلیایی خمیری کردن به طور کامل جدا شده است، باعث حذف اندرکنش شیمیایی میان ماتریس سیمان و الیاف سلولز چوب می شود.

می توان از روش های عمل آوری با اتوکلاو در تولید ترکیبات بتنی مسلح به الیاف سلولز چوب بهره گرفت. یکی از محققین چنین نتیجه گیری کرد که ترکیبات مسلح به الیاف سلولز چوب بهره گرفت. یکی از محققین چنین نتیجه گیری کرد که ترکیبات مسلح به الیاف سلولز چوب اتوکلاو شده، نسبت به ترکیباتی که به طور معمول عمل آوری شده اند، پردوام تر می باشند. البته محققان دیگری هم دریافتند که ممکن است الیاف سلولز چوب به طور بالقوه تحت برخی شرایط عمل آوری با اتوکلاو، آسیب پذیر باشند.

خصوصیات بتن مسلح به الیاف چوب

خصوصیات مادی ترکیبات سیمانی مسلح به الیاف سلولز چوب بررسی شده اند. تاکنون اکثر کارهای تحقیقاتی بر روی ترکیبات مسلح به الیاف سلولزی ای انجام شده است که توسط فرایند خمیری کردن شیمیایی کرافت تولید شده اند. به طور کلی، بررسی ها نشان داده اند که با استفاده از الیاف سلولز چوب، می توان به افزایش سودمندی در مقاومت و سختی ترکیبات نائل شد. با این حال بتن مسلح به الیاف سلولز چوب تحت تاثیر برخی شرایط دچار افت مقاومت شده اند. عوامل کاهش دهنده مقاومت ترکیبات مسلح به الیاف سلولز چوب، موضوع تحقیقات مختلفی شده است.

تحقیقی که توسط گرام، یکی از اعضای موسسه سوئدی تحقیقات سیمان و بتن انجام شده است نشان می دهد که ترکیبات مسلح به الیاف سلولز چوب که در معرض چرخه های تکراری خشک و تر شدن قرار گرفته اند، متناسب با تعداد چرخه های اعمال شده، با افت مقاومت مواجه خواهند شد. مطابق فرضیه گرام، الیاف سلولز چوب از طریق رسوب ترکیبات آهکی در بطن الیاف (بخش توخالی درون الیاف) تبدیل به مواد معدنی می شوند. در اثتایی که مرز بین خمیر سیمان و الیاف چگال تر می شود و بطن الیاف با آهک پر می گردد، پیوستگی بین الیاف و ماتریس خیلی محکم تر می شود و در نتیجه انعطاف پذیری الیاف کاهش می یابد. گرام، نتیجه گیری کرد که با جایگزینی بخشی از سیمان پرتلند با سیلیکافیوم یا جایگزینی کامل آن با سیمان پر آلومین، قلیای ماتریس و بنابراین مقدار آهک آزاد کاهش می یابد.

تحقیق انجام شده توسط فدرس و ترام نشان داده است که خصوصیات مکانیکی ترکیبات مسلح به الیاف سلولز چوب با مقدار رطوبت ترکیب تغییر بسیار زیادی می کند. ترکیبات خشک شده در کوره مقاومت خمشی به مراتب بزرگتری نسبت به آنهایی که پیش از آزمایش در آب خیسانده شده بودند، نشان دادند. همچنین مشاهده شد که پیوستگی الیاف و ماتریس در ترکیباتی که در کوره خشک شده اند، بیشتر است. در ترکیبات خشک شده در کوره، الیاف به شکست بیش از بیرون کشیدگی تمایل داشتند در حالیکه در ترکیبات خیسانده شده در آب، بیرون کشیدگی الیاف عامل از بین رفتن پیوستگی بین ماتریس و الیاف بود. نمونه های آزمایشی با مخلوطی از سیمان پرتلند معمولی، سیمان پرتلند کم قلیا و ضد سولفات، میکروسیلیس و در برخی موارد خاکستر بادی ساخته شدند.

تحقیق انجام شده توسط شارمن و واوتیر نشان داده است که درجه کربناسیون ترکیبات مسلح به الیاف سلولز چوب بر روی خصوصیات ترکیب تاثیر داشته است. مدول گسیختگی، مقاومت کششی و خروج رطوبت از ترکیبات مسلح به الیاف سلولز چوب همگی در اثر کربناسیون ماتریس سیمان افزایش یافتند. نشان داده شد که درروش های عمل آوری با اتوکلاو، سرعت وقوع کربناسیون سیمان افزایش می یابد. بنابراین شارمن و واوتیر، نتیجه گیری کردند که در حالت سرویس ترکیبات اتوکلاو شده احتمالاً دوام بیشتری نسبت به ترکیباتی که به طور معمول عمل آوری شده اند، دارند.

آنادونین، مایی و کترل خصوصیات شکست ترکیبات سیمانی مسلح به الیاف سلولز چوب را بررسی کردند. تحقیق آنها نشان داده است که هنگامی که ترکیبات دچار شکست می شوند، ممکن است دو مد گسیختگی متفاوت رخ دهد: بیرون کشیدگی الیاف و شکست الیاف. همان طور که پیش از این گفته شد، تحقیق انجام شده توسط فدرس و ترام، نشان داده است که مد گسیختگی الیاف بستگی به مقدار رطوبت ترکیب دارد. شکست الیاف مد غالب گسیختگی، در ترکیبات حاوی رطوبت کمتر می باشد در حالی که با افزایش رطوبت، بیرون کشیدگی الیاف به تدریج مد غالب می شود. کوتس و کیقتلی از این نتیجه گیری حمایت می کنند.

به نظر می رسد که با تغییر میزان رطوبت الیاف، پیوستگی ماتریس و الیاف تغییر می کند. مد گسیختگی بیرون کشیدگی الیاف منجر به انعطاف پذیری و طاقت بیشتر ترکیب می شود. با این حال از دیدگاه مقاومت کل ترکیب، شکست الیاف مطلوب ترین مد گسیختگی است.

روش های بهبود پیوستگی بین الیاف سلولز چوب و ماتریس سیمان توسط کوتس و کمپبل بررسی شده اند. نتایج کار آنها نشان می دهد که هنگامی که برخی اصلاحات سطحی (عامل جفت کننده) بر روی الیاف انجام گیرد، بهبودهایی در الیاف سلولز چوب و ماتریس سیمان و در نتیجه مقاومت ترکیب حاصل می شود. چندین عامل جفت کننده مناسب کشف شده اند.

بتن مسلح به الیاف طبیعی

الیاف طبیعی مدت ها پیش از پیدایش بتن مسلح معمولی، به عنوان تقویت کننده بتن استفاده می شدند. خشت های تقویت شده با کاه و ماتریس های تقویت شده با موهای اسب تنها مثال های اندکی هستند که نشان می دهند چگونه الیاف طبیعی در گذشته به شکل تقویت کننده مورد استفاده قرار می گرفته اند. امروزه خصوصیات مهندسی بسیاری از الیاف طبیعی مورد مطالعه قرار گرفته اند تا به درستی روشن شود که آیا مناسب اختلاط با مصالح با پایه سیمانی هستند یا خیر.

به کارگیری الیاف طبیعی به عنوان تقویت کننده بتن مورد توجه بسیاری از کشورهای جهان سوم و کمتر توسعه یافته است که مصالح معمول ساختمانی در آنجا به راحتی در دسترس نیست و یا بسیار گران می باشد. بنابراین، توسعه مصالح ساختمانی نسبتاً ارزانتر از قبیل بتن مسلح با الیاف طبیعی بومی موجود موضوع بسیاری از تلاش های تحقیقاتی شده است.

الیاف طبیعی

الیاف طبیعی در اکثر کشورهای جهان سوم به راحتی در دسترس هستند. استخراج اغلب الیاف طبیعی، با هزینه های بسیار مناسب و با صرف انرژی کم یا پیش زمینه های تکنیکی اندک، انجام می شود. خصوصیات عمومی اغلب انواع مختلف الیاف طبیعی که به صورت آزمایشی یا به روش های دیگر در داخل بتن ریخته شده اند، در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول1 ویژگیهایشاخصالیافطبیعی

نوع الیاف	وزن مخصوص	مقاومت کششی،ksi	مدول یانگ، ksi	افزایش طول در شکست ،%
سلولز چوب سیزال نارگیل خیزران Jute آکوارا علف فیل	1.5   1.12-1.15 1.5 1.02- 1.04 0.96	44-131 41- 82 17- 29 51- 73 36- 51   26	1450- 5800 1890- 3770 2760- 3770 4790- 5800 3770- 4640 276- 464 716	3- 5 10- 25   1.5- 1.9   6/3

                                                                                      معادل متریک : 1ksi=6.895MPa

 

جهت مطالعه مقاله بتن مسلح به الیاف طبیعی می توانید به وب سایت کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

طرح مخلوط بتن چیست؟

روشهای تعیین نسبت مخلوط بتن براساس نشریه 101 موسوم به مشخصات فنی عمومی راه ها و نشریه 55 بشرح ذیل می باشد :
برای بتن های رده C12 و پایین تر می توان نسبتهای اختلاط را براساس تجارب قبلی و بدون مطالعه آزمایشگاهی تعیین کرد.
برای بتن های رده C25 و پایین تر می توان نسبتهای اختلاط جدول زیر را به عنوان راهنما ملاک قرارداد مشروط بر آنکه مصالح مصرفی مطابق مشخصات قید شده در این نشریه باشند.
برای بتنهای رده C30 و بالاتر نسبتهای بهینه اختلاط مصالح باید از طریق مطالعات آزمایشگاهی و تهیه طرح مخلوط بتن بدست آید.

نسبتهای تقریبی اختلاط برای یک متر مکعب بتن

رده بتن	سیمان تقریبی (کیلوگرم)	ماسه تقریبی (لیتر)	شن تقریبی (لیتر)
25 C	350	530	830
20 C	300	530	880
16 C	250	530	930
12 C	200	530	970
10 C	150	530	1050

کلیه ضوابط مربوط به مقاومت فشاری مشخصه بتن بر اساس آزمایشهای نمونه های استوانه ای به ابعاد 150x300 mm استوار است. در صورت استفاده از نمونه های استوانه ای یا مکعبی غیر استاندارد مقاومت آنها باید به مقاومت نظیر نمونه های مورد نظر تبدیل شود.

پس از معلوم نمودن وزن سیمان لازم در بتن، از روی جدول فوق حجم شن و ماسه لازم را بدست آورید.

جهت مطالعه مقاله طرح مخلوط بتن به صورت کامل می توانید به وب سایت کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

روان کننده بتن چیست

روان کننده بتن چیست

روان کننده یک افزودنی شیمیایی بتن است که به عنوان کاهنده آب و بالا بردن عدد اسلامپ بتن به کار برده میشود . بدیهی است که با بالا رفتن عدد اسلامپ بدون آنکه بتن خواص خود را از دست بدهد بتن روانتر شده و باعث میشود که به راحتی خلل و فرج محل ریخته شده را پر کند.

محاسن روان کننده بتن

از محاسن روان کننده بتن می توان به موارد زیر اشاره کرد

1-افزایش عدد اسلامپ و روانی بتن

2-کاهنده آب

3-کاهش عیار سیمان

4-افزایش مقاومت فشاری

5-قابلیت استفاده در بتن های با سنگ دانه های نامناسب

6-قابلیت استفاده در قالبهای نازک و پر میلگرد

7-قابلیت پمپاژ بتن

خواص روان کننده و معایب آن

با افزایش بیش از حد توصیه شده روان کننده‌ها به مخلوط بتن معمولاً آب انداختن بیشتر، جداشدگی و کندگیری بیشتری را شاهد خواهیم بو د. آب انداختن بیشتر باعث واپاشیدگی بتن میشود. .

مقادیر بیشتر استفاده از این افزودنی ها معمولا موجب کندگیری بتن می گردد . تعیین مقدار مطلوب استفاده از این افزودنی ها باید بر اساس مقادیر پیشنهادی توسط تولید کننده و با ساخت طرح اختلاط های آزمایشی با به کارگیری مصالح مورد استفاده در پروژه مورد نظر صورت پذیرد . استفاده از برخی از این افزودنی ها موجب ایجاد حباب هوا در بتن شده و این مسئله باید همواره در استفاده از این افزودنی های شیمیایی مورد توجه قرار بگیرد ترکیبات سازنده این افزودنی ها عمدتا ترکیبات آلی بوده که می توانند باعث ایجاد تاخیر در زمان گیرش بتن شوند. برای جبران چنین مشکلی در برخی از این افزودنی ها از مقادیر کمی ترکیبات تسریع کننده استفاده می شود.

 

انواع روان کننده بتن

 1-  فوق روان کننده کربوکسیلاتی 

 2- فوق روان کننده نفتالینی  

3- فوق روان کننده لیگنو سولفات

فوق روان کننده کربوکسیلات با فوق روان کننده های متداول دیگر در عمل متفاوت است . پایه فوق روان کننده کربوکسیلیک، اتر است و نیز دارای زنجیره های جانبی ملکولی هستند و میزان مصرف آن 2/1-5/. درصد وزن سیمان مصرفی میباشد و عدد اسلامپ را تا 12 افزایش میدهند. 

فوق روان کننده نفتالینی

فوق روان کننده بر پایه نفتالین به عنوان یک ماده ی کاهنده ی آب و دیرگیر شدن بتن است . این فوق روان کننده به منظور استفاده در مناطق معتدل و گرم مناسب است و میزان مصرف آن 1-8/. درصد وزن سیمان مصرفی میباشد و عدد اسلامپ را تا 18 افزایش میدهند. .  

فوق روان کننده لیگنو سولفات

فوق روان کننده لیگنو سولفات یک افزودنی مایع است که بر روی ذرات سیمان تاثیر می گذارد . این فوق روان کننده به صورت عامل روان کنندگی قوی بر روی ذرات سیمان می باشد و تاثیر کندگیری کنترل شده ای دارد و میزان مصرف آن 8/.-3/. درصد وزن سیمان مصرفی میباشد و عدد اسلامپ را تا 21 افزایش میدهند.