دانلود فایل پژوهش: دانلود پایان نامه ارشد عمران سازه :بررسی تاثیر الیاف و مواد پوزولانی بر روی خواص مکانیکی بتن مسلح شده با الياف شیشه

پایان نامه

دانشگاه صنعتي اصفهان

دانشکده مهندسي عمران

مطالعه تاثیر الیاف و مواد پوزولانی بر روی خواص مکانیکی بتن مسلح شده با الياف شیشه

The effect of fiber and pozzolanic materials on the mechanical properties of glass fiber reinforced concrete

 

 

 

پايان‌نامه کارشناسي ارشد مهندسي عمران- سازه

 

 

 

استاد راهنما

       دکتر مرتضی مدح خوان

 

     1394  

 

بخش هایی از متن پایان نامه :

صفحه

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                                                                

فهرست مطالب هشت

چکیده…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….1                        

   فصل اول: مطالعه کلیات و اهداف تحقيق

1-1- مقدمه   2

1-2- بتن الیافی 3

1-3- الیاف مورد بهره گیری در بتن 3

1-3-1- الیاف طبیعی 4

1-3-2- الیاف فولادی 4

1-3-3- الیاف آرامید 5

1-3-4- الیاف کربن 5

1-3-5- الیاف شیشه 5

1-4- اهداف تحقيق 6

1-5- اختصار­ی فصل و مطالعه محتویات فصل­های بعد 7

فصل دوم: ویژگی­های بتن مسلح به الیاف شیشه

2-1- مقدمه   8

2-2- بتن مسلح به الیاف شیشه (GFRC) 8

2-2-1- ملاحظات اقتصادی بهره گیری از بتن مسلح به الیاف شیشه 9

2-3- روش­های ساخت بتن مسلح به الیاف شیشه 9

2-3-1- روش پیش مخلوط 9

2-3-2- روش اسپری 10

2-4- اقدام­آوری بتن مسلح به الیاف شیشه 11

2-4-1- اقدام­آوری مرطوب 12

2-4-2- اقدام­آوری با هوا 12

2-5- خواص مکانیکی 13

2-5-1- مقاومت فشاری 13

2-5-2- مقاومت کششی 13

هشت

2-5-3-   مقاومت خمشی 14

2-5-4- مقاومت ضربه 16

2-5-5- مدول الاستیسیته 16

2-5-6- طاقت     17

2-6- دوام     17

الف- مطالعه ﺗﺄثیر محیط قلیایی 17

ب- مطالعه ﺗﺄثیر فرآیند هیدراسیون سیمان 17

2-7- ﺗﺄثیر گذر زمان بر خواص مکانیکی GFRC 18

2-7-1- خصوصیات مکانیکی وابسته به ملات 18

2-7-2- خصوصیات مکانیکی وابسته به الیاف شیشه 18

2-8- مواد پوزولانی 19

2-8-1- انواع پوزولان­ها 20

2-8-2- ﺗﺄثیر مواد پوزولانی بر خصوصیات مکانیکی بتن 20

2-8-3- میکروسیلیس 21

2-8-4- متاکائولین 22

2-9- فناوری نانو 22

2-9-1- کاربرد فناوری نانو در بتن 22

2-10- اختصار­ی فصل 26

فصل سوم: مروری بر پیشینه­ی علمی موضوع

3-1- مقدمه   27

3-2- تاریخچه­ی تولید الیاف مقاوم در محیط قلیایی 27

3-3- بهره گیری از مواد پلیمری در بتن مسلح به الیاف شیشه 28

3-4- مطالعه مقاومت فشاری بتن مسلح به الیاف شیشه 32

3-5- بهره گیری از میکروسیلیس و متاکائولین در بتن مسلح به الیاف شیشه 34

3-5-1- ﺗﺄثیر مواد پوزولانی بر رفتار خمشی بتن مسلح به الیاف شیشه 34

3-5-2- ﺗﺄثیر مواد پوزولانی بر رفتار کششی بتن مسلح به الیاف شیشه 36

3-5-3- ﺗﺄثیر مواد پوزولانی بر روی طاقت بتن مسلح به الیاف شیشه 38

3-5-4- مطالعه مکانیزم شکست بتن مسلح به الیاف شیشه 38

3-6- بهره گیری از نانوسیلیس به عنوان جایگزین بخشی از سیمان در بتن 40

3-7- اختصار­ی فصل 41

نه

فصل چهارم: مشخصات مصالح و چگونگی ساخت نمونه­ها

4-1- مقدمه   42

4-2- مشخصات و ویژگی­های مصالح به کار رفته 42

4-2-1- سنگدانه­ها 42

4-2-2- مصالح ریز دانه 43

4-2-3- سیمان       45

4-2-4- آب         46

4-2-5- مواد پوزولانی 47

شما می توانید مطالب مشابه این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید                     

الف- میکروسیلیس 47

ب- متاکائولین 48

ج- نانوسیلیس 48

4-2-6- فوق روان­کننده 49

4-2-7- الیاف شیشه 50

4-3- طرح اختلاط 51

4-3-1- نحوه­ی محاسبه­ی طرح­های اختلاط 52

4-4- نحوه­ی اختلاط مواد و ساخت نمونه­ها 53

4-4-1- ساخت نمونه­ها در روش پیش مخلوط 53

4-4-2- ساخت نمونه­ها در روش اسپری 56

4-5- نام­گذاری طرح­های اختلاط 58

4-6- بیرون آوردن نمونه­ها از قالب و اقدام­آوری نمونه­ها 60

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را در شماره بندی انتهای صفحه بخوانید              

4-7- اختصار­ی فصل 61

فصل پنجم: نحوه­ی انجام آزمایش­ها و اظهار نتایج

5-1- مقدمه   62

5-2- مقاومت فشاری 63

5-2-1- نتایج مربوط به مقاومت فشاری 63

5-2-2- ﺗﺄثیر بهره گیری از مواد پوزولانی بر روی مقاومت فشاری 64

5-2-3- ﺗﺄثیر بهره گیری از الیاف شیشه بر روی مقاومت فشاری 65

5-3- آزمایش مقاومت خمشی 69

5-3-1- نتایج آزمایش خمش چهار نقطه­ای 70

5-3-2- مطالعه ﺗﺄثیر بهره گیری از مواد پوزولانی بر روی مدول گسیختگی بتن مسلح به الیاف شیشه 74

ده

5-3-3- مطالعه ﺗﺄثیر الیاف شیشه و روش­های تولید بتن مسلح به الیاف شیشه بر مدول گسیختگی 77

5-4- سهم پوزولان از مقاومت بتن 82

5-4-1- سهم پوزولان از مقاومت فشاری 83

5-4-2- سهم مواد پوزولانی از مدول گسیختگی 86

5-5- طاقت خمشی 90

5-5-1- مطالعه شاخص­های طاقت 91

5-5-2- مطالعه مقادیر مربوط به شاخص I5 در بتن مسلح به الیاف شیشه 94

5-5-3- مطالعه مقادیر شاخص I10 در بتن مسلح به الیاف شیشه 95

5-5-4- مطالعه مقادیر شاخص I20 در بتن مسلح به الیاف شیشه 97

5-5-5- نحوه­ی شکست نمونه­های خمشی 100

5-6- اختصار­ی فصل 102

فصل ششم: اختصار, نتایج و پیشنهادات

6-1- مقدمه   103

6-2- مروری اجمالي بر فعاليت­هاي انجام گرفته در تحقيق حاضر 104

6-3- نتایج به­دست آمده در این پژوهش 105

6-3-1- مقاومت فشاری 105

6-3-2- مدول گسیختگی 105

6-3-3- سهم مواد پوزولانی از مقاومت بتن 106

6-3-4- شاخص­های طاقت 106

6-4- پیشنهادات جهت انجام تحقیقات آینده 107

پیوست: نمودارهای بار- تغییر مکان. 108

مراجع…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..138

یازده
 
 

 

 

 

 

 

 

 

چکیده

خرابی و انهدام بتن به شدت به تشکیل ترک­ها و ریز ترک­ها بستگی دارد. با افزایش بار­گذاری, ریز ترک­ها به هم متصل شده و ترک­ها را تشکیل می­دهند. به ‌مقصود رفع این مشکل و همچنین ایجاد شرایط همگن، در چند دهه اخیر از یک­سری رشته‌های نازک که در تمام حجم بتن گسترده شده می باشد، بهره گیری می­گردد؛ که به آن­ها الیاف گفته می­گردد. مانند­ی پر کاربرد­ترین الیاف مورد بهره گیری در بتن, الیاف شیشه می­باشد. بتن مسلح به الیاف شیشه، ماده­ای کامپوزیت شامل یک ملات از سیمان هیدرولیکی و سنگدانه­ی ریز می باشد که با الیاف شیشه تقویت می­گردد. بهره گیری از الیاف شیشه در بتن باعث بهبود ویژگی­های بتن می­گردد که مانند می­توان به افزایش مقاومت کششی, افزایش مقاومت خمشی, بهبود مقاومت ضربه, افزایش میزان جذب انرژی, بهبود رفتار بتن در ناحیه­ی غیرخطی و شکل پذیری بالا تصریح نمود. از آنجا که خواص بتن مسلح به الیاف شیشه در ارتباط مستقیم با شرایط الیاف شیشه­ی بهره گیری شده در سطح بتن می­باشد, موضوعات مرتبط با عملکرد الیاف شیشه در طول زمان, همواره مورد توجه محققین بوده می باشد. عواملی همچون محیط قلیایی بتن و محصولات تولید شده ناشی از فرآیند هیدراسیون سیمان, در طول زمان با تخریب الیاف شیشه, باعث ایجاد تغییر در خواص مکانیکی بتن مسلح به الیاف شیشه می­شوند. در این پژوهش به مقصود کاهش ﺗﺄثیرات ناشی از محیط قلیایی بتن, از الیاف شیشه­ی مقاوم در محیط قلیایی و برای جلوگیری از ﺗﺄثیر مخرب فرآیند هیدراسیون سیمان, از مواد پوزولانی با درصد­های مختلف بهره گیری شده می باشد. به مقصود مطالعه مقاومت فشاری, مقاومت خمشی و شاخص­های طاقت در بتن تولید شده به دو روش پیش مخلوط و اسپری, 15 طرح اختلاط حاوی درصد­های مختلف الیاف شیشه و مواد پوزولانی (میکروسیلیس, متاکائولین و نانوسیلیس) در روش پیش مخلوط و 14 طرح اختلاط در روش اسپری, مورد آزمایش قرار گرفته می باشد. از نتایج بدست آمده چنین می­توان برداشت نمود که مقاومت فشاری در بتن مسلح به الیاف شیشه, تا حد زیادی به کیفیت ملات بستگی دارد. بر این اساس ملاحظه می­گردد که اضافه کردن الیاف شیشه باعث کاهش مقاومت فشاری بتن می­گردد. با در نظر داشتن این نتایج, کاهش مقاوت فشاری نمونه­های تقویت شده با الیاف شیشه در حضور مواد پوزولانی به حداقل می­رسد. در این شرایط مقاومت فشاری در بعضی از نمونه­های مسلح به الیاف شیشه و حاوی مواد پوزولانی, نسبت به نمونه­های شاهد افزایش یافته می باشد. با در نظر داشتن نتایج بدست آمده, مسلح کردن بتن به الیاف شیشه, باعث افزایش قابل توجه مدول گسیختگی می­گردد. مدول گسیختگی با افزایش میزان الیاف شیشه, آغاز روندی صعودی و سپس روندی نزولی طی می­کند. بهره گیری از مواد پوزولانی در نمونه­های تقویت شده با الیاف شیشه, باعث بهبود مدول گسیختگی می­گردد. همچنین کاهش مدول گسیختگی در طول زمان و با حضور مواد پوزولانی به حداقل می­رسد. در این پژوهش به مقصود مطالعه طاقت نمونه­های مسلح به الیاف شیشه از سطح زیر نمودار بار- تغییر مکان بهره گیری شده می باشد. به گونه کلی بهره گیری از الیاف شیشه در بتن, باعث افزایش طاقت بتن می­گردد. با در نظر داشتن نتایج بدست آمده ملاحظه می­گردد که با افزایش الیاف شیشه, هر سه شاخص طاقت افزایش می­یابد؛ هر چند در شاخص I5 این افزایش ناچیز می­باشد. در واقع این امر نشان دهنده­ی این می باشد که در جابجایی بزرگتر, جذب انرژی بیشتر توسط الیاف شیشه صورت می­گیرد. در بین نمونه­های مسلح به الیاف شیشه, بیشترین مقادیر مشخصه­ی خصوصیات مکانیکی, مربوط به طرح­های حاوی 10% و 15% متاکائولین می­باشد. بهره گیری از نانوسیلیس در طرح­های اختلاط, باعث کاهش شدید مقاومت فشاری, مقاومت خمشی و طاقت در بتن مسلح به الیاف شیشه می­گردد.

کلمات کلیدی: بتن مسلح به الیاف شیشه، میکروسیلیس، متاکائولین، نانوسیلیس، مقاومت فشاری، مقاومت خمشی، شاخص طاقت

 

 

1

 

فصل اول مطالعه کلیات و اهداف تحقيق

1-1-      مقدمه

توانایی سرویس دهی و افزايش ظرفيت باربري مصالح سازه­ای از دير باز به عنوان یک مسئله­ی مهم اقتصادی محسوب مي­شده می باشد.

بتن به عنوان یک ماده­ی سازه­ای پر کاربرد, امروزه به گونه گسترده مورد بهره گیری قرار می­گیرد. از سال 1992 تا 1993 میلادی، تنها در کشور آمریکا 63 میلیون تن سیمان پرتلند برای تولید 500 میلیون تن بتن مصرف شده می باشد؛ که این خود پنج برابر تولید فولاد، به صورت وزنی در مدت مشابه می باشد. در اغلب کشور­های جهان نسبت مصرف بتن به فولاد از 10 به 1 نیز فراتر رفته می باشد[1]. تا کنون تعاریف زیادی از بتن ارائه شده می باشد. بر اساس این تعاریف, بتن از سه ماده­ی اصلی تشکیل شده می باشد. این مواد عبارتند از: مواد سیمانی, آب که مواد سیمانی با آن واکنش داده و خاصیت چسبندگی پیدا می­کنند؛ و مواد پر کننده­ که حجم قابل توجهی از بتن را تشکیل می­دهند.

با وجود ویژگی­های قابل توجه این ماده مانند شکل­پذیری بالا, مقاومت و عمر زیاد, در دسترس و ارزان قیمت بودن, بتن ماده­ای ترد می باشد و تحت بارهای خمشی و کششی به شدت ضعیف اقدام می­کند.

آرماتور­های فولادی, بتن را تحت کشش مسلح می­کنند؛ اما تقریباً اثری بر طریقه گسترش ترک ندارند. به بیانی دیگر با رسیدن انتهای ترک به موقعیت آرماتورهای کششی، نرخ افزایش باز­شدگی دهانه­ی ترک و هم­چنین انتشار ترک کاهش یافته و سپس با عبور ترک از آرماتور، توسعه­ی ترک با نرخ بیشتری افزایش می­یابد. علاوه بر آن وجود آرماتور در نواحي خاص کششي، بتن را از حالت همگن و يکنواخت خارج کرده و فرض همگني بتن در روش­هاي آناليز را با اشکال مواجه مي­کند ]1[.

به گونه کلی خرابی و انهدام بتن به شدت به تشکیل ترک­ها و ریز ترک­ها بستگی دارد. با افزایش بار­گذاری, ریز ترک­ها به هم متصل شده و ترک­ها را تشکیل می­دهند [2]. به‌مقصود رفع این مشکل و همچنین ایجاد شرایط همگن، در چند دهه اخیر از یک سری رشته‌های نازک که در تمام حجم بتن گسترده شده، بهره گیری می گردد؛ که به آن­ها الیاف گفته می­گردد.

1-2-      بتن الیافی

با در نظر داشتن تعریف ACI 544.2R-89 [3], بتن اليافي بتني می باشد كه با سيمان هيدروليكي, مصالح سنگي ريزدانه و درشت­دانه ساخته شده و به ­وسیله­ی الیاف تقویت می­گردد.

كاربرد گسترده­ی بتن الیافی از اواسط سال 1960 براي روسازي جاده­ها، كف سالن­هاي صنعتي، جداره­ی كوره­ها و غیره, آغاز گردید [4]. مهمترین مشخصه­ی بتن الیافی, خاصیت جذب انرژی و انعطاف پذیری آن می باشد. به همین دلیل امروزه این بتن نقشی بسیار جدی در پیشرفت تکنولوژی بتن اعمال می­کند.

در کل از بتن اليافی مي­توان انتظار ارتقای پارامتر­هاي مرتبط با ضرايب باربري نظير مقاومت فشاري، کششي، خمشي، برشي و مقاومت در برابر خزش، سايش و فرسايش را داشت.

1-3-      الیاف مورد بهره گیری در بتن

همان­گونه که گفته گردید, با رسیدن تنش­های وارده به حداکثر مقاومت ملات, ترک­ها تشکیل می­شوند. در نهایت تجمع این ترک­ها در یک ناحیه باعث انهدام بتن می­گردد. در این شرایط بهره گیری از الیاف باعث جلوگیری از گسترش ترک­ها و اتصال آنها به یکدیگر می­گردد.

بهره گیری از الياف در بتن از حدود 50 سال پيش شروع گردید و روز­ به ­روز بر بهره گیری از این ماده در طرح­های اختلاط بتن افزوده می­گردد. مزاياي گوناگون كاربرد الياف در بتن نظیر افزايش مقاومت خمشی, افزايش مقاومت برشي, افزايش مقاومت كششي, افزايش مقاومت در برابر بارهاي ضربه­ای, افزايش ميزان جذب انرژي و افزایش مقاومت مقطع پیش روی ترک خوردگی, باعث شده که از الياف در تقويت و مرمت انواع سازه­هاي بتنی بهره گیری گردد [5].

انتخاب نوع الياف، تعيين کننده­ي خواص کامپوزيت­ها می باشد. امروزه به مقصود تقویت بتن از الیاف مختلفی منجمله الیاف فولادی, الیاف پلی­پروپیلن, الیاف آرامید (کولار), الیاف کربن و الیاف شیشه بهره گیری می­گردد (شکل 1-1).

الیاف مورد بهره گیری در بتن را می­توان از نظر جنس به 4 گروه زیر تقسیم نمود [6]:

  • مواد مصنوعی آلی مانند پلی­پروپیلن و کربن
  • مواد مصنوعی غیر آلی مانند فولاد و شیشه
  • مواد طبیعی آلی مانند سلولز
  • مواد طبیعی غیر آلی مانند آزبست

       
الف ب ج د

شکل ‏11 انواع الياف کامپوزيتي؛ الف) الياف شیشه؛ ب) الياف کربن؛ ج) الياف پلی­پروپیلن؛ د) الیاف فولاد [7 , 8]

1-3-1-      الیاف طبیعی

الیاف طبیعی مانند نارگیل، سیسال، تفاله­ی نیشکر، بامبو، کنف، کتان، چوب و الیاف گیاهی جهت تشخیص خصوصیات مهندسی و احتمال بهره گیری از آن­ها در ساختمان­سازی در 40 کشور مورد آزمایش قرار گرفتند. هرچند نتایج دلگرم کننده بود, اما به دلیل فعل و انفعال بین ملات سیمان و الیاف, ضعف­هایی در دوام آن­ها نظاره گردید. الیاف گیاهی استحکام بالایی ندارد و در اثر افزایش بارهای وارده با پارگی الیاف و یا با بیرون کشیده شدن آن­ها از درون ملات بتن، شکست در سازه بتنی ایجاد می­گردد [9].

 

1-3-2-      الیاف فولادی

امروزه الیاف فولادی به مقصود بهبود بخشیدن به خواص مکانیکی بتن، کاربرد وسیعی را در سازه‌های بتنی و بتن الیافی پیدا کرده­اند. بتن مسلح شده با الیاف فولادی می­تواند به­گونه موضعی و یا کلی جایگزین بتن مسلح شده با میلگرد­های فولادی گردد.

الیاف فولادی دارای اشکال متفاوتی می­باشند و به گونه معمول بر اساس روش تولید, این الیاف را به 4 دسته تقسیم می­کنند [10]:

  • کشیدن و بریدن سیم­های فولادی (الیاف سیمی)
  • نورد و برش ورق­های فولادی (الیاف برشی یا نواری)
  • استخراج شده از حالت مذاب (الیاف ریخته­گری)
  • تراشیدن سطح ورق­های فولادی (الیاف ماشینی)

مانند­ی موارد بهره گیری از الیاف فولادی عبارتند از: روکش جاده ها، شمع­ها, پی ماشین آلات, پوشش تونل­ها و سازه­های دریایی [11].

شکل ‏12 بهره گیری از بتن مسلح به الیاف فولادی در ساخت تونل CTRL در شهر لندن [12]

1-3-3-      الیاف آرامید

آرامید نوعی الیاف مصنوعی از مواد پلیمری می باشد که دارای مدول الاستیسیته­ی بالا می باشد. بهره گیری از الیاف آرامید به سال 1970 بر­می­گردد. این الیاف اولین بار توسط دوپنت در کشور آلمان با نام کولار ساخته گردید [13].

الياف آراميد تركيب آلي حلقوي از كربن, هيدروژن، اكسيژن و نیتروژن مي­باشد. دانسیته­ی کم و مقاومت کششی بالای این الیاف, موجب تشکیل یک ساختار مقاوم پیش روی ضربه می­گردد. مدول کششی و استحکام این الیاف با الیاف شیشه قابل مقایسه می باشد. اما به گونه معمول دانسیته­ی الیاف آرامید در حدود نصف دانسیته­ی الیاف شیشه می­باشد. پس می­توان از این الیاف به عنوان جایگزین مناسبی برای الیاف شیشه­ای که وزن پایین­تری برای آن مد نظر می باشد, بهره گیری نمود [14].

1-3-4-      الیاف کربن

الیاف کربن مانند­ی الیاف مصنوعی می باشد که از سال 1959 به صورت صنعتی تولید گردید. از آن وقت تا به امروز, این الیاف در زمینه­­های مختلف مورد بهره گیری قرار گرفته می باشد. این الیاف به دلیل وزن مخصوص کم, مقاومت بالا در محیط­های قلیایی, مقاومت حرارتی بالا و …., به عنوان یکی از اجزای مهم در تولید مواد کامپوزیت در صنعت هوا فضا, مورد بهره گیری قرار می­گیرد [15].

1-3-5-      الیاف شیشه

الیاف شیشه به عنوان مشهورترین تقویت کننده­ی مورد بهره گیری در بتن شناخته می­گردد. كاربرد این الیاف از سال 1950 در شوروي و انگلستان به‌گونه همزمان آغاز گردید [16]. به دلیل مقاومت کششی بالا, وزن مخصوص کم, جذب آب پایین, مدول الاستیسیته و وزن بالا, این الیاف از پتانسیل بالایی برای بهره گیری در بتن برخوردار می باشد. با در نظر داشتن کاربرد­های مختلف الیاف شیشه, این الیاف را به 4 دسته­ی A-GLASS, E-GLASS, S-GLASS و AR-GLASS تقسیم می­کنند [17].

(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)

تعداد صفحه :165