ارزيابي خواص بتن خود متراكم حاوي خاكستر بادي و الياف فولادي

هشتمين كنگره بين المللي مهندسي عمران
21 تا 23 ارديبهشت 1388 ، دانشگاه شيراز، شيراز، ايران
ارزيابي خواص بتن خود متراكم حاوي خاكستر بادي و الياف فولادي
علي اصغر مونسان 1، محمد مهدي خداويردي زنجاني 2،كيانوش سيامردي 3
-1 كارشناس مهندسي عمران دانشگاه صنعتي شريف و مدير عامل شركت آتي ساز
-2 كارشناس مهندسي عمران و مدير واحد تحقيقات بتن شركت آتي ساز
-3 كارشناس مهندسي عمران و كارشناس واحد تحقيقات بتن شركت آتي ساز
k.siamardi@gmail.com
خلاصه
بتن خود تراكم به عنوان بتني با كارايي و چسبندگي بالا شناخته مي شود كه بدون هيچگونه نياز به لرزاندن در قالب جاي گرفته و از كوچكترين
درزي عبور مي كند . افزودن الياف به بتن مشخصات مكانيكي را بالا مي برد در حالي كه كارايي را اندكي پايين مي آورد . در اين مقاله، نتايج
تحقيقاتي مطالعه بر روي مشخصات تازگي و مكانيكي بتن خود تراكم مسلح به الياف و پوزولان خاكستر بادي ارائه مي شود . فوق روان كننده با
در طرح مخلوط ها مورد استفاده قرار مي گيرد . در طرح VMA پايه پلي كربوكسيلات و به همراه ا فزودني اصلاح كننده ويسكوزيته (لزجت) يا
اختلاط خاكستر بادي به ميزان 50 % وزن سيمان جايگزين مي شود . دو نوع مختلف الياف از نوع فلزي از لحاظ شكل و هندسه مورد استفاده قرار
60 بوده است. به منظور تعيين ويژگي هاي بتن تازه، زمان رسيدن به قطر Kg/m گرفت. ميزان كلي الياف در اختلاط در هم ه نمونه ها ثابت و برابر 3
و مقدار هوا اندازه گيري شد و به منظور تعيين مشخصات بتن سخت شده آزمايشات V 50 سانتيمتر و قطر جريان اسلامپ، زمان تخليه بتن قيف
مقاومت فشاري، مقاومت كششي و سرعت پالس التراسونيك بتن انجام پذيرفت . مي توان نتيجه گرفت كه ميزان بالاي خاكستر بادي را مي توان
مسلح به الياف بكار برد . اگرچه كاهش مقاومت رخ داده كه بعلت خاكستر بادي درشت دانه با حجم بالا SCC بطور موفقيت آميزي در تهيه بتن
بوده كه با افزايش ميزان الياف مي توان اين نقص را برطرف نمود.
كلمات كليدي: بتن خود متراكم، الياف مسلح كننده، خاكستر بادي درشت دانه.
1. مقدمه
استفاده از بتن خود متراكم در صنعت ساختمان بسرعت در حال افزايش است چرا كه اين نوع بتن از ميان آرماتورها براحتي عبور كرده و تمام كنج قالب
ها را بدون نياز به لرزاندن و متراكم نمودن پر مي كند . بطور كلي با توليد نسل جديدي از مواد شيميايي با نام فوق روان كننده و كاهش قابل توجه نسبت
نيز امكان پذير شد [ 1]. به علاوه جايگزين سيمان با مواد سيماني ديگر نظير پ ودر سنگ آهك، پوزولان هاي SCC آب به مواد چسباننده ، توليد بتن
طبيعي و خاكستر بادي لزجت بتن را افزايش داده و هزينه بتن را كاهش مي دهد . در ميان اين مواد، خاكستر بادي به عنوان محصول فرعي نيروگاه هاي
توليد برق حرارتي طبق تحقيقات گذشته علاوه بر جايگزين سيمان تا ميزان زياد خواص مكانيكي بتن سخت شده را بهبود مي بخشد[ 2]. مزاياي اين ماده
به همراه كاهش حرارت هيدراتاسيون بتن هاي سنگين و افزايش دوام و بهبود خواص مكانيكي منجر به كاربرد آن در سازه ها و روسازي ها
گرديد[ 3و 4]. در اين مقاله، كاربرد خاكستر بادي در بتن خود متراكم حاوي الياف فولادي مورد مطالعه قرار مي گيرد.
بطور ذاتي بتن ت حت بار كششي ترد و شكننده است بنابراين مشخصات مكانيكي بتن توسط الياف هاي كوتاه كه بصورت تصادفي پخش شده
بهبود يافته و از تشكيل، پيشرفت و بهم پيوستن ترك خوردگي جلوگيري كرده و آن را تحت كنترل قرار مي دهد[ 5] . عملكرد و مشخصات بتن اليافي
بر اساس ويژگي هاي بتن و الياف تغيير مي يابد . ويژگي هاي الياف معمولاً متأثر از تمركز ، توزيع ، هندسه ، موقعيت مي باشد .استفاده از يك نوع الياف
ممكن است مشخصات مكانيكي مخلوط هاي بتني را تا اندازه اي بهبود بخشد . ولي تركيب دو نوع الياف در مخلوط، مي تواند بهبود بيشتر خواص
مكانيكي را من جر شود [ 6 و 7]. تحقيقات گذشته نشان مي دهد كه افزودن الياف فلزي در بتن امكان پذير بوده و ويژگي هاي مكانيكي را بهبود مي
با افزايش مقدار الياف و نسبت لاغري (طول به قطر ) كاهش مي يابد . البته در مورد مخلوط هاي ، SCC بخشد[ 8 و 9]. در اين مخلوط ها، كارايي بتن
مشخصات مكانيكي از قبيل شكل پذيري، چقرمگي، مقاومت SCC با ن سبت هاي مناسب ، كارايي كاهش نمي يابد . افزودن الياف فلزي به بتن SCC
كششي، مقاومت در برابر ضربه و خستگي را بهبود مي بخشد . علاوه بر خاكستر بادي، دو نوع الياف فلزي با اندازه هاي متفاوت در ساخت بتن بكار برده
هشتمين كنگره بين المللي مهندسي عمران
21 تا 23 ارديبهشت 1388 ، دانشگاه شيراز، شيراز، ايران
كنترل SCC ، 500 بو ده كه 50 % وزن سيمان با خاكستر با دي جايگزين شده است . به منظور مقايسه Kg/m شد. عيار موارد سيماني (سيمان+پوزولان) 3
و فوق روان كننده مي باشد. VMA بدون خاكستر بادي نيز تهيه گرديد. افزودني هاي شيميايي در اين مخلوط ها شامل
2. مصالح مورد استفاده
3030 مي باشد كه تركيب شيميايي آن در جدول 1 cm2/g 3150 و سطح مخصوص بلين kg/cm داراي وزن مخصوص 3 I الف) سيمان پرتلند نوع
ارائه شده است.
2100 مي باشد. بر اساس آزمايشات دانه بندي سيمان، kg/cm 2420 و وزن مخصوص 3 cm2/g ب) خاكستر بادي: داراي سطح مخصوص
.( 46 % مي باشد(شكل 1 # پودر سنگ آهك و خاكستر بادي، خاكستر بادي درشت دانه تر از دو نوع ديگر بوده كه در صد مانده آن روي الك 45
جدول 1- آناليز شيميايي سيمان پرتلند، خاكستر بادي و پودر سنگ آهك(%)
آناليز شيميايي سيمان پرتلند خاكستر بادي پودر سنگ آهك
54.97 11.31 61.94 CaO
0.01 49.55 18.08 SiO2
0.17 13.34 5.58 Al2O3
0.05 8.51 2.43 Fe2O3
0.64 4.10 2.43 MgO
0.00 1.70 2.54 SO3
0.00 1.99 0.99 K2O
0.00 3.08 0.18 Na2O
43.66 2.74 4.40 LOI
شكل 1- توزيع اندازه ذرات سيمان، پودر سنگ آهك و خاكستر بادي
مورد استفاده قرار گرفت كه وزن مخصوص آنها بترتيب 7,85 و (SF و ديگري مستقيم ( 2 (SF ج) الياف: الياف فلزي سيلندري يك نوع با انتهاي قلابدار ( 1
6ميليمتر و نسبت طول به عرض 37,5 است. ، SF 30 ميليمتر و نسبت طول به عرض 50 و طول نوع 2 ،SF 7,17 مي باشد. طول نوع 1
د) سنگدانه ها : سنگدانه ها از نوع ماسه و سنگ آهك شكسته از يك معدن تهيه شده است . دانه بندي سنگدانه در جدول 2 ارائه شده است . ماكزيمم اندازه
سنگدانه 19 ميليمتر بود كه وزن مخصوص 2,7 براي درشت و ريز دانه است و جذب آب براي درشت دانه و ريز دانه بترتيب 0,5 و 1,2 % مي باشد.
هشتمين كنگره بين المللي مهندسي عمران
21 تا 23 ارديبهشت 1388 ، دانشگاه شيراز، شيراز، ايران
مورد استفاده VMA ، ه) افزودني هاي شيميايي : فوق روان كننده بر پايه پلي كربوكسيلات در همه مخلوط هاي بتني بكاربرده شد . علاوه بر فوق روان كننده
قرار گرفته كه در جدول 3 ارائه شده است.
جدول 2- دانه بندي سنگدانه
در صد عبور كرده (mm) اندازه الك
ريز درشت
100 100 19
58.6 100 12.7
35.8 100 9.5
0 96.9 4.75
- 85.5 2.36
- 68.3 1.18
- 42.3 0.6
- 17.4 0.3
- 3.7 0.15
جدول 3- ويژگي افزودني هاي شيميايي
مقادير جامد(%) اجزاي اصلي PH افزودني شيميايي وزن مخصوص
40 پلي كربوكسيلات 7-5 فوق روان كننده 1,08
20 كربوهيدرات پايدار 0 1,00 VMA
3. روند اختلاط و آزمون هاي آزمايشگاهي بتن خود متراكم اليافي با پوزولان خاكستر بادي
الف) نسبت هاي اختلاط در جدول 4 ارائه شده است . همانطور كه قابل مشاهده است، 5 نمونه بتن ساخته شده است كه دو نوع طرح مخلوط كنترل
هيچگونه الياف فلزي ندارد . به لحاظ كاربرد خاكستر بادي، يك مخلوط كنترل با سيمان پرتلند معمولي و ديگري با 50 % جايگزين خاكستر بادي با
سيمان ساخته شد.
(Kg/m جدول 4- مشخصات اختلاط( 3
كد مخلوط آب سيمان خاكستر سنگدانه الياف فلزي
بادي
پودر
سنگ
SF2 SF آهك ريز درشت 1
فوق
روان
كننده
VM
A
كنترل با
(PC) سيمان
6,25 5,5 0 0 539 905 70 0 500 250
كنترل با خاكستر
بادي جايگزين
(FA) شده
6,25 5,5 0 0 529 888 70 250 250 230
خاكستر بادي و
(SF الياف بلند( 1
6,25 5,5 0 60 530 889 70 250 250 226
خاكستر بادي و
الياف كوتاه و
(SF بلند & 1
SF2)
6,25 5,5 30 30 550 925 70 250 250 205
خاكستر بادي و
(SF الياف كوتاه( 2
6,25 5,5 60 0 549 924 70 250 250 205
هشتمين كنگره بين المللي مهندسي عمران
21 تا 23 ارديبهشت 1388 ، دانشگاه شيراز، شيراز، ايران
ب) آماده سازي و قالب گيري نمونه ها : عمليات اختلاط حدود 5 دقيقه بكمك مخلوط كن با ظرفيت 70 ليتر انجام شد. سنگدانه درشت و ريز
را ابتدا باهم در حالت خشك مخلوط كرده سپس مصالح ريزدانه (چسباننده و پركننده ه ا) رابه همراه يك سوم آب در ظرف مخلوط كن مي ريزيم . در
آخر آب و افزودني هاي شيميايي كه از قبل مخلوط شده را به بتن اضافه مي كنيم . پس از اينكه اختلاط تمام شد، آزمايشات مربوط به بتن تازه انجام مي
150 و 6 نمونه استوانه اي mm شود. لازم بذكر است كه در هيچيك جداشدگي و آب انداختگي مشاهده نگرديد . از هر مخلوط 6 نمونه مكعبي
100 بدون هيچگونه تراكمي قالب گيري شد . نمونه هاي مكعبي براي آزمايش التراسونيك و فشاري و استوانه اي براي آزمون كششي مورد *200
95 % قرار مي ± 22 درجه سلسيوس و رطوبت 5 ± استفاده قرار گرفت. پس از خارج كردن نمونه ها از قالب ، آنها را به منظور عمل آوري در دماي 2
. [ شكل انجام پذيرفت[ 10 و 11 و 12 V بصورت آزمون جريان اسلامپ و قيف EFNARC دهيم. آزمون هاي بتن خود متراكم تازه بر اساس استاندارد
4. نتايج آزمون هاي بتن تازه و سخت شده
1. ويژگي هاي بتن خود متراكم تازه .4
نسبت آب به سيمان بالاتري را دارد اما در مخلوط كنترل داراي (PC) مشخصات بتن تازه در جدول 5 ارائه شده است . مخلوط كنترل داراي سيمان
اين نسبت كاهش يافته است . استفاده از خاكستر بادي درشت دانه تر ميزان آب را براي كارايي لازم كاهش مي دهد . افزودن الياف (FA) خاكستر بادي
به علت داشتن قطر و اندازه كوچكتر ميزان آب را كاهش مي دهد[ 4 و 13 ] . در شكل SF ميزان آب اختلاط تحت تأثير قرار نداده در حالي كه 2 SF1
2 نحوه انجام آزمون هاي كارايي بتن خود متراكم حاوي خاكستر بادي و الياف فلزي نشان داده شده است.
جدول 5- مشخصات بتن تازه
ضريب الياف جريان اسلامپ w/p* كد مخلوط
T50cm (mm) قطر
زمان قيف
ثانيه) )V
ميزان هوا(%)
2,5 4,3 2,9 560 0 0,44 (PC) كنترل با سيمان
كنترل با خاكستر بادي جايگزين
(FA) شده
1,8 2,4 2,0> 690 0 0,40
خاكستر بادي و الياف
(SF بلند( 1
4,2 2,8 2,0> 660 42 0,40
خاكستر بادي و الياف كوتاه و
(SF1& SF بلند( 2
4,5 4,0 2,0> 630 35 0,36
خاكستر بادي و الياف
(SF كوتاه( 2
3,6 2,7 2,0> 700 29 0,36
شامل پودر سنگ، سيمان و خاكستر بادي مي باشد. P*
شكل 2- آزمون هاي كارايي بتن خود متراكم حاوي الياف فلزي و خاكستر بادي
هشتمين كنگره بين المللي مهندسي عمران
21 تا 23 ارديبهشت 1388 ، دانشگاه شيراز، شيراز، ايران
2. ويژگي هاي بتن سخت شده .4
مشخصات بتن سخت شده در جدول 6 ارائه شده است . مقاومت كششي و فشاري در سنين 28 و 56 روز و سرعت پالس التراسونيك در سنين 7و 28 و
56 روز اندازه گيري شده است . اگرچه نسبت آب به سيمان كاهش يافته ولي جايگزيني سيمان با خاكستر بادي درشت دانه مقاومت كمتري در سنين 28
مقاومت SF و 56 روزه را نتيجه داده است . اين كاهش 43 % در سن 28 روزه و 31 % در 56 روزه بوده است . بر اساس شكل 3 با افزايش حجم الياف 2
وكاهش در نسبت آب SF فشاري اندكي افزايش يافته ا ست. همانطور كه در شكل 4 مشاهده مي گردد، كاهش مقاومت كششي در اثر افزايش الياف 2
كه وظيفه افزايش مقاومت كششي را دارد، مي باشد. SF به سيمان رخ مي دهد. اين كاهش بعلت عدم وجود الياف بلندتر 2
جدول 6- مشخصات بتن سخت شده
كد مخلوط مقاومت فشاري
(MPa)
(m/s) سرعت پالس التراسونيك (MPa) مقاومت كششي
56 28 14 28 روزه 56 روزه 28 روزه 56 روزه 7
4609 4578 4570 4562 3,68 3,58 41,7 40,7 (PC) كنترل با سيمان
كنترل با خاكستر بادي
(FA) جايگزين شده
4564 4436 4260 4161 3,34 2,82 28,6 23,3
خاكستر بادي و الياف
(SF بلند( 1
4317 4157 4007 3963 3,69 3,10 24,5 19,6
خاكستر بادي و الياف
(SF كوتاه و بلند & 1
SF2)
4383 4249 4100 3970 3,82 3,40 26,1 22,8
خاكستر بادي و الياف
(SF كوتاه( 2
4506 4359 4224 4142 3,23 3,08 31,8 22,5
انجام مي گردد . بر اساس شكل 5 در اثر پيوستگي SCC به منظور تعيين ميزان سخت شدن مخلوط (UPV) سرعت پالس التراسونيك
PC نسبتاً متفاوت است. مخلوط كنترل FA وPC هيدراتاسيون، سرعت پالس ها براي كل مخلوط ها افزايش يافته است. شيب نمودار براي مخلوط هاي
پس از 7 روزگي كه عكس FA شيب كمتري دارد كه نشان دهنده رخداد بيشتر عمل هيدرتاسيون تا سن 7 روزگي بود ه، با اين حال در مخلوط هاي
العمل هيدراتاسيون ادامه مي يابد، شيب بيشتر شده است.
شكل 3- اثر الياف فلزي بر مقاومت فشاري
هشتمين كنگره بين المللي مهندسي عمران
21 تا 23 ارديبهشت 1388 ، دانشگاه شيراز، شيراز، ايران
شكل 4- اثر الياف فلزي بر مقاومت كششي
SCC شكل 5- افزايش مقاومت مخلوط هاي
5. نتيجه گيري
با تمام خواص آن در حالتي كه به آن الياف افزوده مي شود، وجود دارد . SCC بر اساس نتايج مي تو ان بطور خلاصه بيان كرد كه امكان دستيابي به بتن
با SCC براي حاصل شدن مخلوط VMA را منجر مي شود . بنابراين، مقدار فوق روان كننده و SCC استفاده از خاكستر بادي، افزايش كارايي بتن
تعديل مناسب خا كستر بادي كاهش خواهد يافت . مقاومت به علت فعاليت كمتر پوزولان كاهش يافته كه توسط افزودن مقدار قابل توجهي الياف فلزي
تازه و سخت شده را تحت تأثير قرار مي دهد ولي در مورد تازگي كاهش ميزان SCC ويژگي هاي مخلوط SF كوچكتر جبران مي شود. الياف 2 SF2
آب براي همان ميزان كارايي مورد نياز است.
6. مراجع
1. H. Okamura, M. Ouchi, (1999), “Self compacting concrete: development, present use and future.”
Proceedings of the First RILEM International Symposium on Self-Compacting Concrete, pp. 3–14.
هشتمين كنگره بين المللي مهندسي عمران
21 تا 23 ارديبهشت 1388 ، دانشگاه شيراز، شيراز، ايران
2. A. Bilodeau, V. Sivasundaram, K.E. Painter, V.M. Malhotra, (1994), “Durability of concrete incorporating
high volumes of fly ash” from sources in U.S. ACI Mater. J. 91, pp. 3–12.
3. A. Bilodeau, V. M. Malhotra, (2000), “High-volume fly ash system: concrete solution for sustainable
development. ” ACI Mater. J. 97, pp. 41–48.
4. N. Bouzoubaâ, M. H. Zhang, V. M. Malhotra, (2001), “Mechanical properties and durability of concrete
made with high-volume fly ash blended cements using a coarse fly ash. ” . Cem. Concr. Res. 31, pp. 1393–
1402.
5.D.J. Hannant, (1987), “Fiber Cements and Fiber Concrete, ” Wiley, Chichester,.
6. A. Bentur, S. Mindess, (1990), “Fiber Reinforced Cementitious Composites”, Elsevier, London.
7. B. Mobasher, C.Y. Li, (1996), “Mechanical properties of hybrid cement-based composites, ” ACI Mater. J.
93 (3) 284-292.
8. K. H. Khayat, Y. Roussel, (1999), “Testing and performance of fiber-reinforced, self-consolidating
concrete.” Proceedings of the First RILEM International Symposium on Self-Compacting Concrete, pp.
509–521.
9. P. Grouth, D. Nemegeer, (1999), “The use of steel fibres in self-compacting concrete.” Proceedings of the
First RILEM International Symposium on Self-Compacting Concrete, pp. 497–507.
10. S. Nagataki and H. Fujiwara, (1995), “Self-compacting property of highly-flowable concrete.” in: V.M.
Malhotra (Ed.), Am. Concr. Inst. SP 154, pp. 301–314.
11. EFNARC, “Specification & Guidelines for Self-Compacting Concrete” (2002).
12. K. H. Khayat, Z. Guizani, (1997), “Use of viscosity-modifying admixture to enhance stability of fluid
concrete.” ACI Mater. J. 94 4, pp. 332–341.
13. A. Yahia, M. Tanimura, A. Shimabukuro, Y. Shimoyama, (1999), “Effect of rheological parameters on
self compactability of concrete containing various mineral admixtures.” Proceedings of the First RILEM
International Symposium on Self-Compacting Concrete, pp. 523–535.