نوشته شده در دیدگاه‌تان را بنویسید

بررسی آزمایشگاهی مقاومت چسبندگی بتن الیافی پلی‌پروپیلن و میلگرد GFRP با قطرهای مختلف با استفاده از آزمایش بیرون کشیدگی

چکیده

استفاده از میگلردهای FRP در صنعت ساختمان‌سازی، از جمله روش‌های نوین ترمیم و مقاوم‌سازی در عصر حاضر محسوب می‌شود. از طرفی طرح اختلاط بتن و شکل سنگدانه‌ها و نحوه قرار گرفتن میلگردهای FRP در خواص مکانیکی بتن از اهمیت بالایی برخوردار می‌باشد. الیاف پلی‌پروپیلن به عنوان افزودنی، جهت مسلح نمودن انواع بتن و مخلوط‌های سیمانی و گچی مورد استفاده قرار می‌گیرد. مصرف الیاف پلی‌پروپیلن، باعث افزایش مقاومت خمشی، کششی، برشی و سایشی در بتن الیافی می‌شود. در این تحقیق ارزیابی آزمایشگاهی مقاومت چسبندگی با توجه به اندرکنش میان سطوح میلگرد GFRP با قطرهای مختلف و بتن الیافی پلی‌پروپیلن صورت گرفته است که با تست بیرون کشیدگی میلگرد GFRP از 4 نمونه استوانه‌ای 300*150 میلیمتر در آزمایشگاه انجام شده است. نتایج به دست آمده نشان داد که مقاومت چسبندگی میلگردهای GFRP و بتن الیافی پلی‌پروپیلن بیشتر از مقاومت چسبندگی میلگردهای فولادی با بتن معمولی می‌باشد. همچنین با افزایش قطر میلگرد، مقاومت چسبندگی میان بتن الیافی پلی‌پروپیلن و میلگردهای GFRP، 0.25 درصد کاهش می‌یابد.

مقدمه

الیاف پلی‌پروپیلن هنگام مخلوط شدن با بتن، باعث ته‌نشین شدن و افزایش وزن بتن نمی‌شود و محیط قلیایی بتن را از بین نمی‌برد. الیاف پلی‌پروپیلن با برش‌های طولی 12 و 18 میلیمتر، جهت مصارف بتن و با برش طولی 6 میلیمتری جهت ملات‌های گچی و نازک تولید می‌شوند. همچنین از الیاف پلی‌پروپیلن، به صورت بی‌رنگ و یا رنگی در پوشش‌های دیواری و رنگ‌های نیمه جامد، به عنوان تزئینات داخلی ساختمان استفاده می‌شود. به کارگیری بتن غیر مسلح به علت تردی آن به غیر از سازه‌های وزنی عملاً کاربرد چندانی ندارد. این عیب عمده بتن در عمل با مسلح کردن آن به وسیله میلگردهای فولادی یا آرماتور برطرف می‌گردد. اما از آنجا که آرماتور منحصراً بخش کوچکی از مقطع را تشکیل می‌دهد تصور اینکه مقطع بتن یک مقطع ایزو تروپ و هموژن است چندان صحیح نخواهد بود. به منظور ایجاد شرایط ایزوتروپی و نیز کاهش ضعف شکنندگی و تردی جسم بتن تا حد ممکن در چند دهه اخیر از رشته‌های نازک و نسبتاً دراز که در تمام حجم بتن به طور همگن و درهم پرداکنده می‌گردد استفاده می‌شود. کاربرد اینگونه رشته‌ها یا الیاف در بتن و به طور کلی در ملات‌های سیمانی که مورد استفاده است، می‌تواند الیاف شیشه‌ای، پلی اتیلنی، فولادی، آزبست و یا نایلونی باشد. در سال‌های اخیر مواد FRP به شکل‌های میگلرد تولید شده‌اند و در اعضای بتنی به جهت تقویت به جای فولاد مرسوم استفاده می‌شوند. این میلگردها دارای خواصی از قبیل: مقاومت کششی بالا، مدول الاستیسیته پایین‌تر نسبت به فولاد، دوام بالاتر، وزن سبک و نفوذپذیری الکترومغناطیسی هستند. میلگردهای GFRP با سطح صاف و همچنین آج‌دار برای بهبود چسبندگی در بتن تهیه می‌شود. مقاومت چسبندگی برای سازه‌های بتن آرمه از موضوعات مهم و بحرانی است. نیروهای به کار رفته در میان بتن و میلگردها به وسیله چسبندگی (عمل وابسته به خواص فیزیکی و شیمیایی اجسام)، اصطکاک و ظرفیت باربری (عمل‌های مکانیکی) انتقال پیدا می‌کنند. اولین بار مطالعات در زمینه چسبندگی میان بتن و میلگرد را آبرامز انجام داد. او توانست نشان دهد که در آرماتورهای آج‌دار، نیروها از آرماتور به بتن اطراف به صورت فشاری و مورب منتقل می‌شود. کیفیت بتن و نوع بتن، قطر میلگرد، نوع بارگذاری، پوشش بتن و همچنین هر گونه تغییرات در طرح اختلاط، روش انبار کردن و نگهداری از بتن نیز از عوامل تأثیر گذار بر روی پیوستگی است. برای بررسی میزان مقاومت چسبندگی میلگرد با بتن، یکی از ساده‌ترین و ارزان‌ترین و سریع‎‌ترین راه، آزمایش بیرون کشیدگی می‌باشد. در راستای تحقق هدف این تحقیق، 4 تست بیرون کشیدگی با میلگرد GFRP با قطرهای 8 و 10 میلیمتری و بتن الیافی پلی‌پروپیلن صورت گرفته است. اندازه این قالب‌ها، نمونه استوانه‌ای 300*150 میلیمتر بوده است. ضمن اینکه این نمونه‌ها تحت بارگذاری استاتیکی یکنواخت به صورت کنترل شونده مورد آزمایش قرار گرفته‌اند.

برنامه آزمایشگاهی

مصالح مصرفی

آب

سیمان مصرفی در نمونه‌های آزمایش این تحقیق، از نوع تیپ 2 بوده و کارخانه سازنده آن، آبیک می‌باشد. جدول (1) آنالیز شیمیایی و فیزیکی سیمان تیپ 2 را نشان می‌دهد.

چسبندگی بتن الیافی پلی‌پروپیلن و میلگرد GFRP 1 - مقاومت چسبندگی بتن الیافی پلی‌پروپیلن و میلگرد GFRP - 1

الیاف پلی‌پروپیلن

کاربرد الیاف پلی‌پروپیلن از ترک خوردگی و جمع‌شدگی بتن بخصوص در سنین اولیه آن جلوگیری می‌کند. تولید بتنی شکل‌پذیر با الیاف پلی‌پروپیلن در بتن الیافی دارای شکل‌پذیری بسیار زیادی می‌باشد و هرگز خرد نمی‌شود. الیاف پلی‌پروپیلن آب گریز است و درصد جذب آب آن صفر می‌باشد. بنابراین هرگز نباید از افزودن آب اضافی جهت افزایش روانی بتن استفاده کرد. الیاف را می‌توان در هر زمان به میکسر اضافه نمود. همچنین می‌توان الیاف را در انتها به آب طرح اختلاط اضافه نمود و داخل میکسر ریخت که در این صورت باید برای رسیدن به مخلوط یکنواخت، 3 تا 4 دقیقه دیگر هم زدن ادامه یابد. در صورت استفاده از بتن آماده، می‌توان الیاف را به تدریج داخل تراک میکسر ریخت و هم زدن در دور تند باید به قدری ادامه داشته باشد که از پخش کامل الیاف داخل بتن مطمئن شد. مقدار مصرف الیاف با توجه به عملکرد مورد نظر، از 0.6 تا 3 کیلوگرم در مترمکعب متغیر است. جدول شماره 2 مشخصات فنی الیاف پلی‌پروپیلن را نشان می‌دهد.

چسبندگی بتن الیافی پلی‌پروپیلن و میلگرد GFRP 2 - مقاومت چسبندگی بتن الیافی پلی‌پروپیلن و میلگرد GFRP - 2

سنگدانه‌ها

سنگدانه‌ها در بتن تقریباً سه چهارم حجم آن را تشکیل می‌دهند، از این رو کیفیت آن‌ها از اهمیت خاصی برخوردار است. در حقیقت خواص فیزیکی، حرارتی و پاره‌ای از اوقات شیمیایی آن‌ها در عملکرد بتن تأثیر می‌گذارد. دانه‌های سنگی طبیعی معمولاً به وسیله هوازدگی و فرسایش و یا به طور مصنوعی با خرد کردن سنگ‌های مادر تشکیل می‌شوند. بتن عموماً از سنگدانه‌هایی به اندازه‌های مختلف که حداکثر قطر آن بین 10 میلیمتر و 50 میلیمتر می‌باشد ساخته می‌شود. به طور متوسط از سنگدانه‌هایی با قطر 20 میلیمتر استفاده می‌شود. توزیع اندازه ذرات به نام “دانه‌بندی سنگدانه‌” مرسوم است. به طور کلی دانه‌های با قطر بیشتر از 4 یا 5 میلیمتر به نام شن و کوچکتر از آن به نام ماسه نامگذاری شده‎‌اند که این حد فاصل توسط الک 4.75 میلیمتری یا نفره 4 مشخص می‌گردد. حد پایین ماسه عموماً 0.07 میلیمتر یا کمی کمتر می‌باشد. مواد با قطر بین 0.06 میلیمتر و 0.02 میلیمتر با نام لای(سیلت) و مواد ریزتر رس نامگذاری شده‌اند. گل ماده نرمی است که شامل مقادیر نسبتاً مساوری ماسه و لای و رس می‌باشد. سنگدانه مصرفی در این آزمایش از نوع سنگدانه کوهی می‌باشد. در نمودار (1) منحنی دانه‌بندی ترسیم شده است.

منحنی دانه‌بندی - مقاومت چسبندگی بتن الیافی پلی‌پروپیلن و میلگرد GFRP - 3

عمل آوری

پس از بتن‌ریزی باید بلافاصله توجه لازم به فرآیند عمل‌آوری معطوف گردد، عمل‌آوری عبارت است از حفظ رطوبت بتن تا زمانی که واکنش بین سیمان و آب تکمیل شود. این عمل می‌توانند به وسیله عایق‌کاری موقت، پاشش آب یا تولید بخار صورت گیرد. از دیدگاه عملی، حفظ رطوبت بتن برای 7 روز توصیه می‌شود. در شرایطی که این کار ممکن نباشد حداقل زمان عمل‌آوری بتن نباید کمتر از 2 روز باشد. برای به دست آوردن مقاومت فشاری بتن، 6 نمونه شاهد مکعبی 15*15 سانتیمتر ساخته شده و پس از 28 روز نگه‌داری در آب توسط جک فشاری ملات شکن شکسته شد. مقاومت فشاری 28 روزه بتن برای هر نمونه اندازه‌گیری شده و میانگین آن‌ها ملاک مقاومت فشاری طرح اختلاط این آزمایش می‌باشد که معادل 50Mpa است.

نام‌گذاری نمونه

نمونه‌ها با حرف D نام‌گذاری شده است. همچنین مصالح مورد نیاز شامل سیمان، آب، سنگدانه و الیاف پلی‌پروپیلن می‌باشد.

ساخت نمونه‌ها

پس از به دست آوردن مقاومت فشاری بتن، ساخت نمونه‌ها با استفاده از قالب‌های استوانه‌ای 15*30، به طوری که میلگرد در وسط آن قرار گرفته شده‌اند انجام شد. قطر میلگردهای GFRP استفاده شده در این تحقیق به ترتیب 8 و 10 میلیمتر می‌باشد، که در مجموع 4 نمونه استوانه‌ای تهیه گردید.

آشنایی با آزمایش بیرون کشیدگی Pull out test

تاریخچه آزمایش بیرون کشیدگی

مقاومت چسبندگی در سازه‌های بتن آرمه از اهمیت زیادی برخوردار است. یکی از روش های به دست آوردن مقاومت چسبندگی، آزمایش بیرون کشیدگی می‌باشد. آقای آبرانز در سال 1913 برای اولین بار این آزمایش را انجام داد. در این قسمت به توضیح نمودار Pull out، انواع مودها، شکست و خرابی در این آزمایش، رابطه و نسبت تنش چسبندگی- لغزش در بتن‌های معمولی و خودتراکم پرداخته می‌شود.

مودهای خرابی و شکست در چسبندگی

گسیختگی چسبندگی میان فولاد و بتن معمولاً به وسیله دو مود شناسایی و مشخص می‌شود. به نام گسیختگی بیرون کشیدگی و گسیختگی به دو نیم شدن و شکافتن. اگر نسبت پوشش بتن به قطر میلگرد بزرگ باشد یا بتن درست و خوب محصور شده باشد. گسیختگی چسبندگی در مود بیرون کشیدگی به وقوع می‌پیوندد. پارامترهای مهمی که بر روی مقاومت چسبندگی بیرون کشیدگی تحت بارهای استاتیکی (یکنواخت) و سیکلی می‌تواند تأثیرگذار باشد، به وسیله الیگهاسن و همکارانش در سال 1983 امورد بحث و بررسی قرار گرفت. از طرفی دیگر اگر پوشش بتن کم باشد یا میلگردها فضای کمی داشته باشند، ترک‌های شکافی کششی گرایش به بیشتر شدن و توسعه یافتن می‌کنند و باعث به وجود آمدن گسیختگی به دو نیم شدن و شکافتن می‌کنند.

بیرون کشیدگی (Pull out)

پس از عمل آوری نمونه‌ها و 28 روز نگهداری در آب، نمونه‌ها تحت بارگذاری یکنواخت و یک طرفه، توسط دستگاه کشش مستقیم میلگرد که تحمل 100KN فشار را دارد قرار گرفته شد و عمل بیرون کشیدگی میلگردهای GFRP از داخل بتن الیافی پلی‌پروپیلن صورت پذیرفت. شکل 1، دستگاه آزمایش بیرون کشیدگی را نشان می‌دهد.

کشش مستقیم میلگرد - مقاومت چسبندگی بتن الیافی پلی‌پروپیلن و میلگرد GFRP - 4

لازم به ذکر است که میلگردها در فاصله d5 از طول میلگرد در استوانه‌های 30*15 سانتیمتری قرار گرفته‌اند و مدفون شده بودند. در نتیجه چسبندگی d5 برای میلگرد GFRP با قطر 8 میلیمتر، 4 سانتیمتر بوده است. به همین ترتیب برای میلگرد به قطر 10 میلیمتر، 5 سانتیمتر چسبندگی ایجاد شده است، مابقی میلگرد که در قالب قرار دارند با غلاف پلاستیکی از بتن جدا می‌شوند با این شرط که میلگرد در غلاف آزاد باشد. نمونه تست آزمایش بیرون کشیدگی در شکل 2 آمده است.

آزمایش بیرون کشیدگی میلگرد در تحقیق - مقاومت چسبندگی بتن الیافی پلی‌پروپیلن و میلگرد GFRP - 5

با استفاده از این آزمایش، از هر تست بیرون کشیدگی، مقدار بیشینه‌ی نیروی بین میلگردهای GFRP با قطرهای مختلف را از بتن الیافی پلی پروپیلن بدست آمد. همچنین با تعمیم دادن از رابطه زیر، می‌توان به میانگین تنش چسبندگی میلگردهای GFRP و بتن الیافی پلی پروپیلن برای هر نمونه دست یافت.

1 - مقاومت چسبندگی بتن الیافی پلی‌پروپیلن و میلگرد GFRP - 6

رابطه (1)

که در آن τ تنش چسبندگی ، p نیروی کششی، d قطر میلگرد و c ‘f مقاومت فشاری است. در جدول (3) نتایج به دست آمده از تست‌های بیرون کشیدگی ارایه شده است.

آزمایش بیرون کشیدگی - مقاومت چسبندگی بتن الیافی پلی‌پروپیلن و میلگرد GFRP - 7

نتیجه گیری

در طی آزمایش بیرون کشیدگی، مقاومت چسبندگی میان الیافی پروپیلن و میلگرد GFRP می‌توان به نتایج زیر رسید که با افزایش قطر میلگرد، مقاومت چسبندگی کمتر می‌شود. الیاف پلی‌پروپیلن به عنوان افزودنی، جهت مسلح نمودن انواع بتن و مخلوط‌های سیمانی و گچی مورد استفاده قرار می‌گیرد. مصرف الیاف پلی‌پروپیلن، باعث افزایش مقاومت خمشی، کششی، برشی و سایشی در بتن الیافی می‌شود. برای به دست آوردن مقاومت فشاری بتن، 6 نمونه شاهد مکعبی 15*15 سانتیمتر ساخته شده و پس از 28 روز نگهداری در آب توسط جک فشاری ملات شکن شکسته شد. مقاومت فشاری 28 روزه بتن برای هر نمونه اندازه‌گیری شده و میانگین آن‌ها ملاک مقاومت فشاری طرح اختلاط این آزمایش می‌باشد که معادل 50Mpa است. همچنین از تحقیقات به عمل آمده در مورد چسبندگی میلگردهای FRP با بتن الیافی پروپیلن، نتیجه گیری شده است که میلگردهای ساخته شده از الیاف FRP انعطاف پذیری یا تنش تسلیم کمتری نسبت به میلگردهای فولادی دارند. شایان ذکر است که با توجه به آزمایش‌های انجام شده، مقاومت چسبندگی میلگرد GFRP با قطرهای مختلف و بتن الیافی پروپیلن، 0.25 درصد کمتر از مقاومت چسبندگی میلگردهای فولادی با قطرهای مختلف است.

دانلود مقاله

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *