استاندارد ملی ایران 17817

استاندارد ملی ایران ،17817 فرآورده هاي بتنی پیش ساخته

هدف از تدوین این استاندارد، تعیین روشی برای طبقه بندی بتن مسلح شده با الیاف شیشه ای است. این طبقه بندی نیازهای فرآیندهای طراحی اجزای بتن مسلح شده با الیاف شیشه ای را برآورده می کند.

دانلود مقاله کامل از اینجا

بتن مسلح به الیاف شیشه ای

Aci549

بتن مسلح به الیاف شیشه ای
3-1- تاریخچه
عمده تحقیقات اولیه بر روی ترکیبات سیمانی و بتنی مسلح به الیاف شیشه ای (GFRC) در اوایل دهه ۱۹۶۰ انجام گرفت. در این تحقیقات از الیاف شیشه ای از جنس بوروسیلیکات (E – glass) و الیاف شیشه ای از جنس کربنات سدیم – آهک -سیلیکا (A – glass) استفاده شد. ترکیبات شیمیایی و خصوصیات بعضى الیاف شیشه ای به ترتیب در جداول 3-1 [3- 1و 3-2] و 3-۲. [3-2و 3-3] آمده است. نتیجه این تحقیقات آن بود که ترکیبات شیشه دار E-glass و A – glass که به عنوان الياف تقویتی به کار رفته بودند، به دلیل میزان بسیار بالای قلیای ماتریس سیمانی (PH >12.5)، مقاومت خود را نسبتا به سرعت از دست دادند. در نتیجه اولین ترکیبات E-glass و A -glass برای کاربردهای دراز مدت، مناسب نبودند.
جدول3-1-ترکیبات شیمیایی بعضی از انواع شیشه(%)

تحقیقات بعدی نشان دادند که با اصلاح ترکیبات مسلح به الیاف شیشه ای می توان دوام بتن را در دراز مدت بهبود بخشید. این ترکیبات، بتن های مسلح به الیاف شیشه ای ضدقليا (AR-glass) هستند.
جدول3-2-مشخصات بعضی از انواع شیشه ها

در سال ۱۹۶۷ ای. جی. ماجو مدار از موسسه تحقیقات ساختمان (BRE) در انگلستان، تحقیقات بر روی شیشه های ضد قلیا را آغاز کرد. وی موفق به دستیابی به نوعی ترکیب شیشه ای شد که حاوی %۱۶ زیر کوینا بود و در برابر قليا مقاومت بسیار خوبی از خود نشان می داد.
ترکیب شیمیایی و مشخصات این نوع شیشه ضدقليا (AR) به ترتیب در جداول 3-۱ و 3-۲ آمده است. موسسه ملی توسعه تحقیقات (NRDC) نیز حق امتیاز کاربری های این محصول را ثبت نمود.
شرکت های BRE و NRDC و شرکت انحصاری برادران پیلکینگتون درباره امکان انجام فعالیت های بیشتر جهت تجاری کردن این الیاف تبادل نظر کردند.[۴-۴] در سال ۱۹۷۱ دو شرکت برادران پیلکینگتون و BRE به همکاری پرداختند و نتایج تحقیقات خود را که در انحصار پیلکینگتون بود تحت نام تجاری FIL Cem-، برای فروش و عرضه در سراسر جهان ثبت نمودند.
از زمان معرفی Cem – FIL در سال ۱۹۷۱، دیگر تولید کنندگان AR-glass پا به عرصه ظهور گذاشتند. در سال ۱۹۷۵، شرکت شیشه نیپون الکتریک ، شیشه ضد قلیای خود را که حاوی حداقل %۱۹ زیر کوینا بود، عرضه کرد. این شیشه در ژاپن و با نام شیشه نیپون الکتریک (NEG) ضد قلیای 103-H تولید شد. در سال ۱۹۷۶ کارخانه الیاف شیشه ای اون کارتینگ در ایالات متحده با مجوز شرکت برادران پیلکینگتون شروع به کار کرد. محصول این شرکت تقریبا شبیه به Cem – FIL بود. این شیشه با نام تجاری الیاف ضد قلیای اون -کارنینگ به بازار عرضه شد اما تولیدات این کارخانه در سال ۱۹۸۹ متوقف گردید.
بتن های مسلح به الیاف شیشه ای ضد قليا، بتن هایی هستند که به مراتب بیشتر از بتن های شیشه ای معمولی مورد توجه تولید کنندگان قرار گرفته اند. در دهه گذشته از این نوع الياف به طور وسیع در صنعت ساختمان استفاده شده است.

3-2- ساخت GFRC
اساسا دو راه برای ساخت قطعات GFRC وجود دارد: این روش ها “اسپری” و “پیش آمیخته” هستند .
3-2-1- فرایند اسپری
از آنجا که GFRC اصولا در مقاطع نازک به کار می رود، ضروری است که در این صفحات، خصوصیات ترکیب در همه جهات یکنواخت باقی بماند. استفاده از اسپری بهترین روش برای این منظور است. در حال حاضر فرایند اسپری حجم قابل توجهی از همه کاربردهای GFRC را به خود اختصاص داده است در فرایند اسپری، ملات سیمان-ماسه و قطعات کوچک شیشه همزمان توسط تفنگ بتن پاش به سطح قالب پاشیده و انباشته می شوند. این فرایند را می توان به طور دستی یا اتوماتیک انجام داد. مقاطع مختلف با هر شکلی را می توان به این طریق بتن پاشی کرد. این مزیت، معمار را قادر می سازد تا قطعات زیبا و کارآمدی را طراحی و تولید کند. در این فرایند باید بتن را در چندین لایه ریخت. در هر لایه، تفنگ بتن پاش تقریبا ۳٫۲ تا ۶٫۴ میلیمتر ضخامت را پر می کند. مثلا برای یک لایه با ضخامت mm۱۳، دو تا سه بار بتن پاشی لازم است. پس از اتمام بتن پاشی باید بتن تازه با غلتک متراکم شود تا اطمینان حاصل گردد که بتن کاملا در همه گوشه های قالب نفوذ کرده و به شکل قالب در آمده است و نیز به این ترتیب هوای محبوس در بتن خارج شده و به پوشاندن الياف با خمیر سیمان کمک می شود.
در اولین تجربیات تولید این محصولات از فرایند آب زدایی استفاده می شد تا آب اضافه ای که برای تولید یک مخلوط قابل پاشیدن، در بتن به کار می رفت، از بتن خارج شود. آب زدایی باعث می شود که نسبت آب به سیمان کاهش و میزان قابلیت تراکم بتن افزایش یابد. در فرایند آب زدایی از مواد جاذب آب استفاده می شود. به این طریق که این ماده در سطح زیرین قالب نفوذپذیر کار گذاشته می شود تا آب اضافی بلافاصله پس از بتن پاشی از بتن خارج گردد. فرایند اسپری-آب زدایی خودکار بیشتر در جاهایی مناسب است که مخلوط از درون یک سیستم مکنده با استفاده از نقاله جابجا می شود.
در مورد محصولات GFRC ضد قليا، قالب ها معمولا یک روز پس از فرایند اسپری (بتن پاشی) باز می شوند. سپس این محصولات تا هنگامی که به مقاومت اولیه مناسبی برسند، عمل آوری می شوند. فرایند عمل آوری به دقت بالایی نیاز دارد. زیرا قطعات GFRC دارای ضخامت کمی هستند و اگر در موقع عمل آوری در شرایط جوی معمول قرار گیرند، نسبت به خشک شدن سریع و حصول ناقص مقاومت، حساسند. بنابراین برای حصول مقاومت کافی خمیر سیمان، توصیه می شود عمل آوری رطوبتی حداقل به مدت هفت روز صورت گیرد
]3-9[.
مشاهده شده است که مقاومت ۲۸ روزه طراحی مخلوط های حاوی حداقل %۵.۰ حجمی پلیمر جامد بدون عمل آوری رطوبتی، برابر و یا کمی بزرگتر از مخلوط های مشابه بدون پلیمر و با عمل آوری رطوبتی ۷ روزه است ]7-4[. این مسأله نشان می دهد که می توان به جای عمل آوری هفت روزه قطعات AR – GFRC ، حداقل %۵ حجمی پلیمر به آنها افزود.
3-2-2- فرایند پیش آمیخته
در این فرایند ابتدا سیمان، ماسه، الیاف شیشه ای و آب با هم مخلوط شده و سپس عمل بتن ریزی، قالب گیری فشاری، قالب برداری یا لغزاندن قالب از اطراف ملات انجام می گیرد. برادران پلیكینگتون ادعا می کنند که می توان تا ۵ در صد حجمی الیاف شیشه ای ضد قلیای Cem – FIL را با ملات سیمان و ماسه مخلوط کرد بدون آنکه پدیده گلوله ای شدن رخ دهد. [۴ – ۴] فرایند اختلاط باید به دقت انجام گردد تا از صدمه رسیدن به الیاف در شرایطی که ملات ماسه -سیمان در معرض سایش قرار می گیرد، تا حد امکان جلوگیری شود. می توان از روان کننده ها یا فوق روان کننده ها نیز استفاده کرد. این افزودنی ها باعث می شوند عمل افزودن و اختلاط الياف آسانتر شده و نسبت آب به سیمان تا یک حداقل مطلوب، پایین نگه داشته شود.

خصوصیات GFRC را بیشتر بشناسید

Aci549
3-3- خصوصیات GFRC
خصوصیات مکانیکی مخلوط های GFRC بستگی به میزان الياف و پلیمر (در صورت استفاده)، نسبت آب به سیمان، حفرات، میزان ماسه، جهت گیری الیاف، طول الياف و عمل آوری دارد. خصوصیات اولیه مخلوط های GFRC در فرایند اسپری، که در طراحی مدنظر قرار می گیرند عبارتند از مقاومت خمشی ۲۸ روزه در حد تناسب الاستیک (PEL) و مقاومت خمشی ۲۸ روزه مدول گسیختگی (MOR) ]3-8[. تنش PEL مقیاسی از تنش ترک خوردگی ماتریس است. مقاومت ۲۸ روزه PEL به عنوان تنش حدی در طراحی در نظر گرفته می شود تا از ترک خوردن ماتریس در اثر قالب برداری، حمل و نقل، جابجایی، نصب و یا بارهای سرویس جلوگیری شود.
شکل عمومی نمودار بار – خیز برای یک مخلوط GFRC 28روزه که تحت آزمایش خمش قرار گرفته، در شکل 3-۱ نشان داده شده است . همان طور که از این نمودار مشاهده می شود، مخلوطهای جوان GFRC دارای ظرفیت تحمل بار و کرنشی بسیار بیشتری از مقاومت ترک خوردگی ماتریس (PEL) می باشند. این ساز و کار که در ابتدای کار ایجاد مقاومت و انعطاف پذیری اضافی می کند، بیرون کشیدگی الیاف نامیده می شود. پس از اولین ترک، بخش عمده تغییر شکل ناشی از کشش الیاف می باشد. به موازات اینکه بار و تغییر مکان به روند افزایش خود بیش از حد تناسب الاستیک ادامه می دهند، الياف شروع به ناپیوستگی و در نتیجه لغزش یا بیرون کشیدگی جهت پل زدن بین ترک ها و مقاومت در برابر بار وارده می کنند. مقاومت در برابر بار در حین ناپیوستگی و بیرون کشیده شدن الیاف به دلیل اصطکاک بین الیاف شیشه ای و ماتریس سیمان، افزایش می یابد.[3-10 و3-11]
مقادیر مشخصات 28 روزه AR – GFRC با فرایند اسپری در جدول 3-۳ آمده است [3-8].

شکل3-1-نمودار عمومی بار-خیز برای GFRC 28 روزه تحت بارگذاری خمشی.
جدول3-3-مقادیر مشخصات مصالح در سن 28 روز

3-4- پایداری مقاومت در درازمدت
پایداری مقاومت مخلوطهای GFRC در درازمدت با انجام آزمایش هایی بر روی مخلوط های جوان و مسن تر تعیین شده است. اختلاف بین ظرفيت مقاومت و کرنش برای دو نمونه جوان و مسن تر، معیاری از پایداری مقاومت دراز مدت مخلوط می باشد.
بیشتر مخلوطهای GFRCکه برای کاربردهای تجاری تولید شده اند، در صورتی که در معرض شرایط محیطی بیرون قرار گیرند، با کاهشی در مقاومت و انعطاف پذیری با زمان مواجه خواهند شد. جهت تشریح افت در ظرفیت مقاومت و کرنش مخلوطهای GFRC دو تئوری پیشنهاد شده است. تئوری اول بیان می کند که حمله قلیاها به سطح الیاف شیشه ای باعث کاهش مقاومت کششی الياف شده و در نتیجه کاهش مقاومت مخلوط را به دنبال خواهد داشت. تئوری دوم نیز بر این پایه است که هیدراسیون مداوم سیمان در مخلوط های GFRCکه در داخل آب یا در مجاور شرایط آب و هوایی طبیعی قرار گرفته اند، تولید مواد هیدراته ای می کند که در درون گروه الياف نفوذ کرده، فضاهای خالی بین رشته های شیشه را پر نموده و از این طریق باعث افزایش چسبندگی به رشته های منفرد شیشه می گردد. مقاومت پیوستگی افزایش یافته بین الیاف و ماتریس، شکنندگی نام دارد. شکنندگی باعث افت در بیرون کشیدگی الیاف و ایجاد رفتار ترد همراه با کاهش مقاومت کششی می شود [۱۱-4] ،[۱۲-4] . هنوز کاملا روشن نشده است که علت اصلی کاهش مشخصات مکانیکی GFRC هجوم قلیاها و یا شکنندگی الیاف است. این امکان وجود دارد که هر دو پدیده، همزمان و با سرعت های متفاوت رخ دهند.
3-4-1- پایداری الیاف مقاومت شیشه ای ضدقلیا در درازمدت
به دنبال عرضه الیاف شیشه ای ضدقلیای Cem-FIL در سال ۱۹۷۱، دو شرکت 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 ۱۰ سال منتشر شده است [13-4] ،[1۴-۴]. این داده ها در اشکال ۴-۲ تا ۴-۴ موجودند. همان طور که در شکل ۴-۲ نشان داده شده است، تحت شرایط آب و هوایی طبیعی، مدول گسیختگی با زمان کاهش می یابد. پس از ۱۰ سال از قرارگیری 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 شده در شکل ۴-۳ حاکی از آن هستند که مخلوطهای Cem-FIL که در آب C° ۱۸ تا C° ۲۰ 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 ۴-۴ دیده می شود، مخلوط های قرار گرفته در دمای C ۲۰° و رطوبت نسبی %۴۰، با افزایش سن، افت نسبتا کمی در مقاومت MOR نشان می دهند [13-4].
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 مشخصات درازمدت 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 [15-4]،[16-4]. 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.

شکل3-2-مدول گسیختگی و حدتناسب الاستیک در مقابل سن برای کامپوزیت های AF-GFRC قرار گرفته شده درشرایط آب و هوایی انگستان

شکل3-3-مدول گسیختگی و حدتناسب الاستیک در مقابل سن برای مخلوط های AR-GFRC قرار گرفته شده در آب 20 درجه سانتیگراد

شکل3-4-مدول گسیختگی و حدتناسب الاستیک در مقابل سن برای مخلوط های AF-GFRC قرار گرفته شده در آب 20 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی 40 درصد

داده های آزمایش کهنگی تسریع یافته برای صفحات GFRC با داده های به دست آمد 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 اند. این همبستگی برای اقلیم های مختلف آب و هوایی در سراسر جهان صورت گرفت [15-4]. بر اساس 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 تأثير اصلاح سطوح این صفحات در این تحقیقات مدنظر قرار نگرفته اند.
به علاوه نشان داده شده است که کاهش مقاومت در اقلیم های گرمتر، با سرعت بیشتری صورت می گیرد [۴-۱۵]،[17-4]. در شکل ۴-۵، 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[15-4]. 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 ذاتا با PEL مخلوط، که خود معیاری از مقاومت ترک خوردگی ماتریس بتن مسلح است، برابر می باشد.
سال های بسیاری است که استفاده از روش های کهنگی تسریع یافته وسیله ای برای پیش بینی مقاومت شده است. مقاومت مدول گسیختگی که در شکل ۴-۵ نشان داده شده، برای مخلوط هایی است که در دماهای C۵۰° ، C ۶۰° و C ۸۰° تحت فرایند کهنگی تسریع یافته قرار گرفته اند. این مقادیر با نتایج نمونه هایی که به مدت ۱۰ سال در معرض شرایط واقعی آب و هوای انگلستان قرار گرفته اند، ترکیب شده اند (شکل ۴- ۶)،[18-4]. این کار با جایگزین کردن نتایج مقاومت تسریع یافته در دماهای بالاتر در طول محور لگاریتمی زمان انجام می شود، به طوری که نتایج ياد شده با نتایج مقاومت مخلوط های قرار گرفته در شرایط آب و هوایی انگلستان مطابق و سازگار شوند.

شکل 3-5-MOR در مقابل سن برای کامپوزیت های AR-GFRC قرار گرفته شده درشرایط آب و هوایی انگستان

شکل3-6- داده های کهنگی تسریع یافته برای پیش بینی مقاومت دراز مدت کامپوزیت های AR-GFRC قرار گرفته شده درشرایط آب و هوایی انگستان

در طول فرایند کهنگی مخلوط های GFRC، افتی در ظرفیت کرنش پذیری نیز مشاهده شد. نمودارهای تنش-کرنش نشان داده شده در شکل ۴-۷ مربوط به مخلوط هایی است به مدت زمان های ۲۸ روز و ۵ سال در کشش و خمش آزمایش شده اند. تمام مخلوط ها در آب تقريبا C ° ۲۰ قرار داده شده اند [۴-۱۹]، [۴-۲۰] .با توجه به شکل ۴-۷-الف مخلوط های جوان که در سن ۲۸ روز آزمایش شده اند، ظرفیت کرنش پذیری ای در حدود % ۱برای هر دو آزمایش کشش و خمش از خود نشان می دهند. مخلوطهایی که به مدت ۵ سال در آب C° ۲۰ کهنه شده اند، کاهشی اساسی در ظرفیت کرنش پذیری نشان می دهند (شکل ۴-۷-ب).

شکل3-7- نمودار کلی تنش- کرنش در کشش و خمش برای AR-GFRC قرار گرفته شده درشرایط آب و هوایی انگستان

روش های طراحی GFRC

Aci 549

3-6-روش های طراحی  GFRC

 در ایالات متحده تاکنون تنها روش های طراحی پانل های دیوار مخلوط های AR-GFRC توسعه یافته است. سطوح تنش طراحی بر مبنای پیش بینی خصوصیات دراز مدت تعیین می شود. هیچ روش طراحی قطعی ای برای مخلوط های GFRC وجود ندارد تا بتوان از طریق آن حفظ شدن ممکن مقاومت در دراز مدت را حساب کرد. تا به امروز روش هایی که برای طراحی پانل های AR – GFRC استفاده می شده برای پانل های P-GFRC نیز کاربرد داشته است. مقاومت خمشی دراز مدت مخلوط های AR-GFRC که در معرض شرایط طبیعی آب و هوای محیط قرار گرفته اند، با زمان کاهش می یابد تا به عددی نزدیک و نه کمتر از تراز مقاومت در حد تناسب الاستیک در سن بالا  (PEL) برسد. مقاومت PEL مخلوطهای GFRC        ضد قلیا با افزایش سن نمونه اندکی کاهش می یابد. با این حال طراحی با این فرض انجام می شود که مدول گسیختگی دراز مدت (MOR در سن بالا) مساوی با PEL در ۲۸ روز است [6-4].

در هنگام طراحی پانل های GFRC، باید حداقل بارهای آیین نامه ساختمان، همچنین شرایط و ملاحظات اضافی برای بارهای سرویس در نظر گرفته شود. ضرایب بار و ترکیب بارهای زیر باید به عنوان یک حداقل مدنظر قرار گیرند.

[(بزرگترین M یا T)۱٫۶ + (بزرگ ترین W, L یا E  1.1 ) 1.7+D1.4[0.75

که در آن:

 D: بار مرده

E: بار زلزله

L: بار زنده

 :M نیروهای خود – کرنش و تأثیرات ناشی از انقباض یا انبساط به دلیل تغییرات رطوبت

T : نیروهای خود- کرنش و تأثیرات ناشی از انقباض یا انبساط به دلیل تغییرات دما

W: بار باد

3-6-1- تنش های طراحی

3-6-1-1- خمشی

با توجه به تئوری خطی تنش و کرنش در خمش، تنش های ناشی از بارهای ضریب دار نباید ازتجاوز کند

که در آن، : ضریب تقلیل مقاومت

: ضریب شکل

 : مدول گسیختگی (دراز مدت) فرضی و یا مقاومت خمشی نهایی

ضریب تقلیل مقاومت  برابر با 0.۶۷ رو در نظر گرفته می شود. مقدار این ضریب با تجربه و قضاوت به دست آمده و مقدار دقیقی نیست. ضریب شکل نیز یک ضریب تقلیل دهنده برای تخمین باز توزیع تنش که در مقاطع عرضی بخصوصی رخ می دهد، می باشد. در آزمایش اصلی مقاومت در خمش برای مخلوط های GFRC از یک نمونه مستطیلی صلب استفاده می شود. ضریب شکل برای این مقطع عرضی، که برای طراحی پانل های پوسته ای تک نیز استفاده می شود، برابر ۱٫۰ است. ضریب شکل برای مقاطع بال دار، قوطی، و I شكل برابر با 0٫۵ پیشنهاد شده است. اگر مقادیر دیگری از طریق آزمایش به دست آمده باشند، می توان از آنها نیز استفاده نمود.

مدول گسیختگی (دراز مدت) فرضی () برای مقاصد طراحی باید یکی از مقادیر کوچکتر زیر باشد:

1300psi  (9mPa)

که در آن

: متوسط مقاومت ۲۸ روزه PEL۲۰ آزمایش متوالی

 : متوسط مقاومت ۲۸ روزه MOR ۲۰ آزمایش

t =” t استودنت”، یک ثابت آماری که بخشی از آزمایش هایی را که زیر  می افتند، مجاز می داند. این مقدار برای ۲۰ آزمایش پیشنهادی، ۲٫۵۳۹ است.

 = به ترتیب ضریب پراکندگی مقاومت های آزمایشی PEL و MOR می باشند.

3-6-1-2- برشی

مرجع [6-4] بیان می کند که برش مستقیم به ندرت در طراحی اعضای GFRC کنترل کننده است. برش میان پوسته ای به ندرت در طراحی کنترل کننده است مگر این که نسبت دهانه به ارتفاع برشی کمتر از ۱۶ باشد. برش های در صفحه که در دیافراگم ها و جان ها ایجاد می شوند به ندرت در طراحی کنترل کننده است. با این وجود تنش های برشی در صفحه باید بر مبنای تنش های کششی اصلی که به تنش های مجاز کششی محدود می گردند، کنترل شوند. تنش کششی مجاز برابر با   فرض می شود.

3-6-1-3- خیز

به طور کلی خیز ناشی از بار سرویس به  دهانه محدود می شوند. در صورتی که تحقیقات نشان دهند که ساختمان مجاور با این خیز صدمه نمی بیند، می توان مقدار مجاز خیز را افزایش داد.

3- 6- 2- اتصالات

چندین روش برای متصل کردن پانل های GFRC به ساختمان وجود دارد. جزئیات اتصال باید برای حرکت سه بعدی تدارک دیده شود تا خزش، تغییرات دما و رطوبت، رواداری کارگاهی و تغییرات ابعاد در قاب           سازه ای ساختمان، سازگاری داشته باشند.

هر تولید کننده لازم است اتصالات تولیدات خود را آزمایش کند تا داده های آزمایش را برای استفاده در طراحی آماده نماید. مقادیر آزمایش با یک ضریب اطمینان مناسب کاهش می یابند تا مقاومت اتصالات برای استفاده در طراحی معین شوند.

3 – 7 -کاربرد GFRC

موارد کاربرد قطعات GFRC در روسازیهای جاده ها، پیاده روها و پل ها، کف سالن های صنعتی، پی ماشین الات معمولی و ارتعاشی، روسازیهای مورد نیاز برای بارهای بسیار سنگین و وزنه های افتان، تقویت روکش کف های موجود، صنایع نظامی، سر ریز سدها، حوضچه های آرامش و همچنین بتن الیافی پاشیدنی در محافظت از پایداری شیب های صخره ها و سنگ ها، الاینینگ تونل ها، شافت معادن، سازه های پوسته ای، تعمیرات و … می باشد. [۴-۴]،[8-4]،[ 9-4]

در بسیاری کاربردها به جنبه ضد حریق بودن توجه می شود. ممکن است استفاده از برخی افزودنی ها در تولید محصولات GFRC، خصوصیات ضد حریق آن را تحت تأثیر قرار دهد. به ویژه استفاده از پلیمر لاتکس در تولید قطعات GFRC اصلاح شده با پلیمر، منجر به محصولی قابل اشتعال می شود. [10-4]

بتن مسلح به الیاف شیشه E اصلاح شده با پلیمر(P-GFRC)

Aci 549

3-4-2- بتن مسلح به الیاف شیشه E اصلاح شده با پلیمر(P-GFRC)

در سال ۱۹۷۹ نوع دیگری از بتن های مسلح به الیاف شیشه ای معرفی شد [21-4] .این محصول از الیاف E-glass  مدفون شده در ماتریس سیمانی، ماسه و پلیمر تشکیل یافته بود. این سیستم GFRC توسط معادن ایالت داچ[1]  (DSM) توسعه پیدا کرد و توسط فورتون یکی از شعب سین رس که خود بخشی از گروه DSM بود، به بازار عرضه شد. علت افزودن پلیمر به سیستم ماتريس – الیاف شیشه ای آن بود که پایداری دراز مدت، بهبود بخشیده شود. ایده ای که در پشت استفاده از پلیمر برای دستیابی به پایداری مقاومت GFRC در دراز مدت وجود داشت در زیر شرح داده شده است [22-4] ،[23-4].

در هر دسته الیاف شیشه ای، به طور کلی ۲۰۴ تک رشته شیشه وجود دارد. قطر هر تک رشته تقریبا ۱۰ میکرون است. فاصله بین رشته های شیشه نیز تنها ۲ تا ۳ میکرون می باشد. قطر متوسط ذرات سیمان تقریبا ۳۰ میکرون است. بنابراین بیشتر ذرات سیمان نمی توانند به فضای بین الیاف شیشه ای یک دسته راه یابند. با این حال بعضی گمان می کنند که شکل گیری محصولات هیدراسیون سیمان، مخصوصا هیدروکسید کلسیم  که می تواند در این فضاها صورت گیرد، علت اصلی شکنندگی و کاهش مقاومت مخلوط با زمان است.

در تلاشی جهت کاهش شکنندگی فیزیکی و هجوم شیمیایی الیاف شیشه ای، ذرات پلیمر به سیستم الياف E – glass، سیمان، ماسه و آب وارد شد. قطر این ذرات پلیمری تنها کسری از میکرون است. بنابراین این ذرات می توانند به فضای بین رشته های شیشه نفوذ کنند. پس از این که شیشه و ملات حاوی پلیمر در ترکیب با هم قرار گرفتند، دسته های شیشه به علت نیروی مویینگی که در فضاها شکل می گیرد، آب را به خود جذب می کند. آب، ذرات پلیمر را با خود به داخل این فضاها می برد. با خارج شدن آب به دلیل تبخیر یا هیدراسیون سیمان پرتلند ذرات پلیمر به هم می چسبند. نتیجه این عمل، تشکیل یک غشای پلیمر است که درون و اطراف تک رشته های شیشه درون هر یک از دسته های شیشه، گسترش می یابند.[۴-۱۰]،        [22-4] ،[24-4].

غشای پلیمر دو عمل انجام می دهد. اولا از تک رشته های شیشه در برابر حمله احتمالی قلیاها محافظت      می کند و در ثانی بخشی از فضای خالی بین رشته ها را پر می کند و از این طريق اثر شکنندگی الیاف را کاهش می دهد [22-4]،[24-4] .

داده های پایایی دراز مدت سیستم P – GFRC فورتون تحت شرایط هوازدگی طبیعی، تنها برای ۴ سال در دسترس است. با این حال نتایج مطالعات کهنگی تسریع یافته موجود می باشد. در شکل ۴-۸ مقاومت کششی در برابر مدت زمان کهنگی تسریع یافته برای دو نوع الياف P – GFRC فورتون و Cem – FIL1 رسم شده است [24-4]. خصوصیات اختلاط برای هر مخلوط در جدول ۴-۵ نشان داده شده است. همه مخلوط ها در آب C۵۰° کهنه شده اند. مقاومت کششی نهایی (UTS) و نقطه غیر خطی شدن (BOP)، برای هر مخلوط ترسیم شده است. این نتایج بیان می کنند که  P – GFRC فورتون، خصوصیات پایایی دراز مدت بهتری از الیاف ضد قلیای Cem – FIL1 در کشش مستقیم دارد. این مسأله با آزمایش کردن تفاوت بین UTS و BOP در شرایط کهنگی برای هر مخلوط نشان داده شده است. با این حال بهبود مقاومت و انعطاف پذیری P – GFRC در دراز مدت نسبت به AR-GFRC ممکن است نتیجه ای از خصوصیات بهبود یافته ماتریس با اعمال پلیمر باشد و احتمالا شاخصی از تأثير الياف شیشه ای نیست. دانیل[2] در تحقیقات خود نشان داده است که الیاف E-glass که به طور کامل با غشای پلیمر محافظت نشده اند، پس از کهنگی تسریع یافته، به شدت اسید سابی می شوند.

 

3-4-3- پیشرفتهای اخیر برای بهبود پایایی GFRC

نشان داده شده است که استفاده از الیاف شیشه ای ضد قليا و اصلاح ماتریس با پلیمر به مقدار زیاد، سرعت افت مقاومت مخلوطهای GFRC را کاهش می دهد. با این حال این پیشرفت ها به طور کامل مسأله پایایی درازمدت را حل نکرده اند. در حال حاضر سیستم های تجاری در دسترس الياف ضد قلیا و P – GFRC، افت زیادی در مقاومت و انعطاف پذیری از خود نشان می دهند که سرعت این افت به شرایط محیطی بستگی دارند. همه این روش ها یکی از دو روش اصلاح الیاف شیشه ای و اصلاح ماتریس سیمانی را شامل می شوند.

3-4-3-1- اصلاح الیاف شیشه ای

از زمان معرفی الیاف شیشه ای ضد قلیا در سال ۱۹۷۱ تلاش های زیادی برای بهبود بیشتر الیاف شیشه ای جهت استفاده در GFRC صورت گرفته است. بیشتر این تلاش ها مستقیما در جهت بهبود تجاری الیاف شیشه ای ضد قلیا به وسیله استفاده از پوشش های مخصوص الياف انجام شده است. این پوشش های مخصوص برای کاهش نزدیکی الیاف شیشه ای با هیدروکسید کلسیم است. هیدروکسید کلسیم یکی از محصولات واکنش هیدراسیون و علت اصلی شکنندگی الیاف است. NEG AR-glass, Cem-FIL2 مثال هایی از الیاف شیشه ای هستند که دارای فواید بالقوه پوشش های مخصوص می باشد. داده های پایداری مقاومت در درازمدت برای الیاف ضد قلیای Cem -FIL2 نشان می دهد که مقاومت با سرعتی کمتر از مخلوط های Cem – FILI کاهش می یابد. با این حال از آنجا که پیش بینی مشخصات دراز مدت مصالح بر مبنای همبستگی داده های کهنگی تسریع یافته یا داده های کهنگی طبیعی صورت گرفته، هنوز بسیار زود است که بتوان به طور دقیق پیش بینی کرد که الیاف ضد قلیایCem-FIL2  چگونه به طور مؤثر یک مخلوط با پایه سیمانی را مسلح خواهد کرد [18-4].

هیاشی[3] ، ساتو[4] و فوجی[5] از شرکت شیشه الکتریکی نیپون کشف کرده اند که برخی مواد آلى ضدقلیا که به عنوان پوشش الیاف شیشه ای ضدقلیای عادی به کار می روند، به طور قابل ملاحظه ای باعث بهبود در حفظ مقاومت کششی الیاف خواهند شد. شکل ۴-۹ پایایی بهبود یافته مقاومت رشته های الیاف ضدقلیای عادی وقتی که از پوشش آلي ضدقليا استفاده شده باشد، نشان می دهد. همان طور که در شکل ۴-۱۰ دیده            می شود، آزمایش های مقاومت خمشی که بر روی مخلوط های کهنه GFRC حاوي الياف ضد قلیای پوشش دار انجام شده، تصدیق می کند که حفظ مقاومت بهبود یافته الياف منجر به حفظ مقاومت خمشی بهبود یافته مخلوطهای GFRC خواهد شد [25-4].

شکل3-8-مقاومت کششی رشته های الیاف شیشه ای با پوشش های مختلف قرارگرفته شده در خمیر سیمان معمولی در دمای 80 درجه ی سانتیگراد

روشی توسط بنتور[6] و دایاموند[7] توسعه یافت که در آن میکروسیلیکا به طور مستقیم در فضاهای بین تک رشته های شیشه در الیاف شیشه ای سرگردان وارد شده بود. کشف شده است که با غوطه ور کردن دستی این الیاف در دوغاب تجاری میکروسیلیکا، فضاهای بین تک رشته های شیشه ای به میزان کافی با میکروسیلیکا پر می شود. نتایج آزمایش های انجام شده بر روی مخلوط های کهنه که با الیاف نفوذی در دوغاب میکروسیلیکا تولید شده اند، کاهش عمده در سرعتی نشان داده است که در آن افت مقاومت رخ می دهد [26-4]. با این حال هنوز مشخص نشده است که آیا این روش در فرایند تولید اسپری، عملی است یا خیر.

شکل3-9-تنش خمشی کامپوزیت های  GFRCحاوی الیاف شیشه ضدقلیا    با پوشش آلی قرار گرفته در آب 80 درجه سانتیگراد

3-4-3-2- اصلاح ماتریس سیمانی

سال های بسیار محققان مختلف تلاش کردند تا با تغییر ماتریس سیمان بر مسأله پایایی مقاومت GFRC فایق آیند. بیشتر این تلاش ها در جهت کاهش یا حذف شکل گیری هیدروکسید کلسیم که در طی فرایند هیدراسیون تولید می شود، صورت گرفت.

استفاده از سیمان پر آلومین و سیمان سوپر سولفاته نشان دهنده اولین تلاش ها در جهت اصلاح ماتریس سیمان است. هر چند هر دو این سیمان ها تا اندازه ای در بهبود پایداری مقاومت مخلوطهای GFRC در دراز مدت مؤثر بودند، با این حال اثرات نامطلوب دیگری نظیر افزایش خلل و فرج و افت مقاومت ماتریس سیمان مشهود بود[27-4].

یک راه حل جدیدتر استفاده از سیلیکاهای آهکی فعال به عنوان افزودنی های سیمان است. دوده سیلیکا و متاکائولینیت هر دو عامل های موثری برای واکنش اولیه و حذف هیدروکسیدهای کلسیم هستند. با این حال برای این که بتوان به کاهش عمده ای در میزان هیدروکسید کلسیم دست یافت باید این مواد را در درصدهای بسیار بالا به کار برد[25-4]. این روش ها برای شرکت دادن درصدهای بالایی از سیلیکا در ماتریس سیمان بدون مسأله جداشدگی توسعه یافتند. با این وجود شرکت دادن درصدهای بالا میکروسیلیکا به عنوان روشی مقرون به صرفه در بهبود پایایی دراز مدت GFRC شناخته نشده است.

بیشتر پیشرفت های جدید در زمینه بهبود پایایی مقاومت GFRC در دراز مدت، تا حد زیادی سیمان CGC را توصیه می کنند. CGC یک سیمان كم قلیا است که شرکت ژاپنی سیمان چی چی بو [8]با همکاری شرکت شیشه الکتریکی نیپون آن را توسعه دادند. سازندگان این سیمان ادعا می کنند که در طی فرایند هیدراسیون آن، هیدروکسید کلسیم تولید نمی شود. همان طور که در شکل ۴-۱۱ دیده می شود، آزمایش های انجام شده بر روی مخلوط های GFRC که با سیمان CGC و الياف ضد قلیا ساخته شده اند، نشان می دهد که مقاومت اولیه ۲۸ روزه حتی پس از قرار گیری مخلوط در شرایط کهنگی تسریع شده حفظ می شود                [25-4 ]، [ 26-4]. در هر حال استفاده از سیمان CGC در مخلوط های ساخته شده با الیاف E-glass منجر به بهبود پایایی مقاومت در دراز مدت نشده است [25-4].

3-5- دوام یخ زدن و آب شدن

 بر روی دوام يخ زدن و آب شدن هر دو مخلوط AR-GFRC و P – GFRC مطالعاتی انجام شده است.    [11-4]،[23-4] . در تحقیقی که دنیل انجام داد، نشان داده شده است که الیاف شیشه ای ضد قلیا در مقایسه با ماتریس مسلح نشده، به طور مؤثری از ماتریس سیمان در برابر خرابی های شدید یخ زدن و آب شدن محافظت می کند. کهنگی تسریع یافته نمونه های GFRC ضد قليا تأثیر بر مقاومت در برابر یخ زدن و آب شدن نداشته است [11-4]. جاکوبز[9] نتیجه گیری کرد که مقاومت مخلوطهای P – GFRC در برابر یخ زدن و آب شدن رضایت بخش است، که البته این مسئله به دلیل جذب آب کمتر و انعطاف پذیری بیشتر           مخلوط های اصلاح شده با پلیمر میباشد [23-4].

الیاف های شیشه ای

الیاف های شیشهای
کامپوزیت های سیمانی تقویت شده با الیاف شیشه ای عمدتا به منظور تولید اجزای پوسته ای نازکتوسعه یافته اند، که حاوی یک مادهِی چسباننده یا خمیر مالت و حدود 5 درصد حجمی الیاف میباشند کاربردهای دیگری نیز برای این محصول در نظر گرفته شده است، از جمله ایجاد پیوند بین میلگردهای تقویتی والیاف های پیوستهی شیشهای و اشباع کردن آن ها با مواد پالستیکی ]2 ]جهت پخش شدن در بتن در حین اختالط ، یا ساختن قطعات صلب کوچک مشابه و نیز اشباع کردن آن ها با اپوکسی ]3 . ]هرچند در عمل کاربرد اصلی تقویت بتن با الیاف شیشه در پوسته های نازک است و این مسئله موضوع مورد بررسی در این فصل میباشد.

به چنین سیستم هایی GRC( سیمان تقویت شده با الیاف شیشه( یا GFRC( بتن تقویت شده با الیاف شیشهای( میگویند.
الیاف های شیشه ای بدین ترتیب تولید میشوند که ابتدا شیشهی ذوب شده در کف یک مخزن پالتینی داغ یا بوشن به شکل تارهای نازک در میآید. معموال تعداد 202 تار شیشه ای به طور همزمان به دست آمده و درحین خنک شدن بیرون از مخزن داغ به جامد تبدیل میشوند ]5 ،2 ]؛ سپس این تارهای شیشه ای را دور یک استوانه جمع کرده و به صورت رشته ای شامل 202 عدد تار در می آورند. ساختار یک رشته الیاف مشابه این، درشکل 1-1 نشان داده شده است.
قبل از پیچاندن تارها به دور استوانه، آن ها توسط یک الیه آهار پوشانده میشوند که از آن ها در برابر اثرات هوازدگی و ساییدگی محافظت کرده و همچنین آن ها را به صورت رشته ای به یکدیگر متصل میکند. رشته های متعددی به هم پیچیده شده تا یک کالف را تشکیل دهند. این مرحله از ساخت را طوری تنظیم میکنند که حین تولید GRC ،کالف میتواند در هنگام ترکیب با ماتریس، بدون اینکه به تارهای مجزا تبدیل شود به صورت رشتههای مجزا در بیاید. الیاف ها را می توان به صورت پیوسته یا قطعه قطعه شده به بازار عرضه کرد و یا می توان آن ها را به شکل حصیر درآورد )شکل 1-2 .)برای تقویت سیمان معموال حصیر را با سوراخ هایی که اندازهی آن ها به اندازه ی کافی بزرگ باشد میبافند تا امکان نفوذ ذرات سیمان در آن وجود داشته باشد.

دانلود مقاله کامل