پایان نامه اختلاط بتن خود تراکم با استفاده از نانو سیلیس و مقایسه مقاومت فشاری، کششی، انقباض و انبساط این بتن با بتن معمولی

پایان  نامه برای دریافت  درجه  کارشناسی ارشد ”M.Sc“

مهندسی  سازه 

چکیده :

بتن  پدیده  ای است  که  در محدوده  وسیعی از انواع  و اندازه  سازه  ها کاربرد دارد . باتوجه  به  پیشرفت  علم  و تکنولوژی در قرن  اخیر، علم   شناخت   انواع  بتن  و خواص  آن ها نیز توسعه  قابل  ملاحظه  ای داشته  است . امروزه انواع  مختلف  بتن  با مصالح  مختلف  تولید و استفاده  می شود و هر یک خواص  و کاربری مخصوص  به  خود را داراست  که  یکی از انواع  آن  بتن  خودتراکم  حاوی نانوسیلیس  می باشد. نانوسیلیس  به  صورت  ذرات  خشک  پودر و یا به  صورت  معلق  در مایع  محلول  قابل  انتشار می باشند. ذرات  نانوسیلیس  با جایگذار ی  در حفرات  ریز سیمان   با ایجاد ژل  سیل یس ی حاصل  از هیدراتاسیون  می توانند ساختار آن  را به  عنوان  فیلرهایی در ابعاد نانو بهبود بخشند.

در این  تحقیق  به  بررسی تأثیر نانوسیلیس  و میکروسیلیس  در خواص  فیزیکی و مکانیکی بتن  ها ی خودتراکم  از طریق  آزمایش  مقاومت  های فشاری و کششی غیر مستقیم ، مدول  الاستیسیته  و آزمایشات  کنترل  کیفیت  بر روی خواص  بتن  خودتراکم  تازه  (L-Box  ,  V-Fannel  ,  J-Ring)

می پردازیم . برای این  منظور در مجموع  تعداد ٢۴٠ قالب  مکعبی ١٠×١٠سانتیمتر به  منظور محاسبه  مقاومت  فشاری، تعداد ۴٠ قالب  استوانه  ای ٣٠×١۵سانتیمتر به  منظور اندازه  گیری مقاومت  کششی و محاسبه  مدول  الاستیسیته   ٢٨و ٩٠ روز مورد استفاده  و ارزیابی قرار گرفت  . تمام  نمونه  های آزمایشی ساخته  شده  جهت  انجام  عمل  هیدراتاسیون  در آب  نگهداری شدند. ضمنًا در ساخت  تمام  نمونه  های بتنی از پودر سنگ  آهک  به  عنوان  پر کننده  (فیلر) استفاده  گردید.

نتایج  بدست  آمده  حاصل  از آزمایشات  فیزیکی صورت  گرفته  همگی گویای این  مطلب  بود که بتن  خودتراکم  (معمولی، حاوی میکروسیلیس  و نانوسیلیس  ) نسبت  به  تغییرات  مقدار آب  بسیار حساس  است  و تغییرات  ناچیز هم  منجر به  آب  انداختگی با عدم  کارایی کافی در مخلوط  های تازه  می شود. از طرفی میانگین  قطر حاصل  از آزمایش J-RING بر روی نمونه  های بتن  تازه  خودتراکم  معمولی، حاوی میکروسیلیس  و نانوسیلیس  بترتیب  ٦٥،  ٥٧ و ٧٠ بدست  آمد که  نشان  دهنده  روانی بسیار بالا و نیز مقاومت  بسیار بالای این  بتن  ها در برابر جداشدگی بود. نتایج  آزمایش  L-BOX نیز گویای همین  مطلب  می باشد. 1

١-١) مقدمه

در سال  های اخیر نیاز به  احداث  ساختمانهائی که  حجم  زیادی دارند مانند سدها، پل  های بلند و  ...  روز  به  روز بیشتر می  شود.  بتن  یکی  از  معمولی  ترین  مصالحی  است  که  در  این  نوع  ساختارها مورد استفاده  قرار می گیرد. با گسترش  استفاده  از بتن ، ویژگی هایی همچون  پایداری و دوام ، کیفیت ، تراکم  و بهینه  سازی آن  از اهمیت  ویژه  ای برخوردار می شوند. ایجاد ساختار پایدار در بتن  نیاز به  تراکم  کافی توسط  کارگر ماهر و استفاده  از لرزاننده  دارد. کمبود کارگر ماهر در کشورها اغلب  موجب  نقص  و خطا در اجرای سازه  های مختلف  بویژه  سازه  های بتنی شده  است . مطالعات  زیادی به  منظور استفاده  بهتر از ویژگی های بتن  در صنعت  ساختمان  در بسیاری از کشورهای جهان  صورت  گرفته  است  و یکی از راه  حل  های مناسب  برای کاهش  دخالت  نیروی انسانی  در  ساختمان  جهت  دستیابی  به  پایداری  و  قوام  مناسب  که  سبب  افزایش  کیفیت  وسرعت  کارسازه  ای می شود را بکارگیری بتن  خودتراکم  معرفی کرده  اند.

بتن  خود تراکم  (Concrete Compacting Self) به  بتنی اطلاق  می شود که  بدون  اعمال  هیچگونه  انرژی خارجی و تحت  اثر وزن  خود متراکم  گردد. این  بتن  که  ماده  ای بسیار سیال  و روان  و مخلوطی همگن  است ، بسیاری از مشکلات  بتن  معمولی نظیر جداشدگی، آب  انداختگی، جذب  آب ، نفوذپذیری و... را رفع  نموده  و علاوه  بر این  بدون  نیاز به  هیچ  ویبره  داخلی یا ویبره  بدنه  قالب  تحت  اثر وزن  خود متراکم  می شود که  این  ویژگی کمک  شایانی به  اجرای عناصر سازه  ای بخصوص  با تراکم  زیاد  آرماتور خواهد  نمود  و  بتنی است  که  مثل  عسل  جریان  می یابد  و  پس  از قرارگیری، سطحی نزدیک  به  افق  می سازد. [١]

بتن  خودتراکم  علاوه  بر سیمان  پرتلند ،شن ،ماسه  و آب ، مصالح  دیگری از قبیل  فوق  روان  کننده  ها  و  مواد  سیمانی  متمم  و  پرکننده  های  بدون  اثر  سیمانی  و  افزودنیهای  اصلاح  کننده  ویسکوزیته ،  عوامل  محبوس  کننده  هوا،  کندگیر  کننده  ها  یا  عامل های  کنترل  هیدراتاسیون  جهت  بهبود  خواص  بتن  نیز  می  باشند.  عامل  بسیار  مهمی  که باعث  می  گردد  تا  بتن  خودتراکم  رفتار متفاوتی از دیگر بتن  ها داشته  باشد به  درصد مصالح  بکار رفته  در این  بتن  و نسبت  بکارگیری آنها در طرح  اختلاط  مربوط  می گردد.

١-٢) هدف  تحقیق

از مهمترین  عوامل  کیفیت  بتن  مقاومت  فشاری ، مقاومت  کششی غیر مستقیم   و مدول  الاستیسیته  می  باشد لذا مطالعاتی بر روی اجزاء بتن  خودتراکم  جهت  افزایش  این  فاکتو رها صورت  گرفته  است . طبق  نتایج  این  مطالعات  ، میکروسیلیس  و نانوسیلیس  در بتن  خودتراکم  باعث  افزایش  مقاومت  فشاری ، مقاومت  کششی غیر مستقیم   و مدول  الاستیسیته  شده  است .

با توجه  به  اینکه  فناوری نانو در سال  های اخیر وارد کشور ما شده  است  و مطالعات  چندانی بر روی آن  صورت  نگرفته  است  لذا بر آن  شدیم  تا خواص  م کانیکی و فیزیکی بتن  خودتراکم  حا وی نانوسیلیس ، بتن  خودتراکم  حاوی میکروسیلیس  و بتن  خودتراکم  معمولی را مقایسه  کنیم .

١-٣) روش  تحقیق

جهت  تعیین  مقاومت  فشاری بتن  از نمونه  های مکعبی (cm) ١٠×١٠×١٠ استفاده  بعمل  آمد .

همچنین  جهت  تعیین  مدول  الاستیسیته  بتن  و مقاومت  کششی غیرمستقیم  بتن  از نمونه  های استوانه  ای     

(cm) ٣٠×١۵ بهره  گرفته  شد.

در فصل  دوم  به  تحقیقات  و کارهائی که  تاکنون  بر روی بتن  خودتراکم  انجام  شده  اشاره  می شود.

در فصل  سوم  به  مصالح  مصرفی و آزمایشات  انجام  شده  پرداخته  خواهد شد.

در فصل  چهارم  شرح  و جزئیات  مربوط  به  آنالیز نتایج  بدست  آمده  ارائه  خواهد شد.

در فصل آخر نیز نتیجه  گیری و پیشنهاداتی جهت  مطالعات  آتی مورد بحث  قرار خواهد گرفت 

فصل  دوم

تاریخچه

بتن  خود تراکم

٢-١)  مروری بر تحقیقات  انجام  شده

٢-١-١)  تحقیقات  انجام  شده  در ژاپن

دراوایل  دهه  ١٩٨٠یکی  از  مهمترین  مسایلی  که  ذهن  مهندسان  عمران  ژاپن  را  به  خود مشغول  می داشت  کاهش  ساخت  سازه  های بتنی بادوام  دراین  کشور بود. دوام  بتن  به  طور مستقیم  به  عیار و  کیفیت  متراکم  کردن  مربوط  می شود  که  این  خود  می تواند  به  مهارت  فردی که  از وسایل  تراکم کننده  استفاده  می کند بستگی  داشته  باشد. مشکلات  واضح  در جذب  و نگهداشتن  کارگران  ماهر با مشکلات  دوام  بتن  وابسته  است . ولیکن  کاهش  تدریجی چنین  کارگرانی در اوایل  دهه  ١٩٨٠ مهندسین  ژاپنی را با کاهش  کیفیت  ساخت  سازه  های بتنی دراین  کشور مواجه  ساخته  بود. لزوم  ساخت  سازه  های پردوام  بدون  چنین  نیاز مبرمی به  کارگران  ماهر و مجرب ، مهندسان  ژاپنی را برآن  داشت  تا بتنی را ابداع  نمایند که  خود بتواند تحت  اثر نیروی وزنش متراکم  شده  و تمام  حفرات  و فضای قالب  را بدون  آنکه  نیازی به  تراکم  داشته  باشد پرکند. [٢]

نمونه  اولیه  این  بتن  که  بعدها با نام  بتن  خودتراکم  شناخته  گردید در سال ١٩٨٦ توسط اوکامورا در ژاپن  در پاسخ  به  تقاضای بالا برای بتن های بادوام  و کمبود  کارگران  متخصص پیشنهاد  گردید  و تحقیقات  بسیاری  به  منظور  بررسی  کارایی  بتن  خودتراکم  توسط  ازاوا  (Ozava) و  ماکاوا (Maekawa) در دانشگاه  توکیو انجام  شد. [٣]

در سال ١٩٨٨ این نوع بتن با بکارگیری مصالح  محلی در ژاپن ساخته شد و نتایج قابل قبولی را از نظر انقباض  در حالت  خشک  (shrinkage drying) و سخت  شده ، گرمای ایجاد شده  توسط  عملیات  هیدراتاسیون ، چگالی بعد از سخت  شدن  و در کل خواص فیزیکی و مکانیکی بتن ارائه  داد. این  بتن ، بتن  با قابلیت  اجرایی  بالا Concrete( HPC Performance Hight) مطرح  گردید.

اولین  مقاله  راجع  به  بتن  خودتراکم  توسط  ازاوا در دومین  کنفرانس  آسیای شرقی و اقیانوسه  در ژانویه  ١٩٨٩ ارائه  شد. ارائه  مقاله  به  وسیله  ازاوا در کنفرانس  بین  المللی ACI در استانبول  در سال  ١٩٩٢ به  گسترش  یافتن  این  ایده  و قبول  آن  توسط  جامعه  جهانی کمک  بسیاری کرد. دراین  مقاله  نامی از بتن  خودتراکم  آورده  نشده  و در تمام  موارد از بتن  فوق  به  عنوان  بتن  با قابلیت  اجرایی بالا یادشده  است . [٣]

اولین  مقاله  ای که  در آن  از عنوان  بتن  خودتراکم  (Concrete Compacting Self) استفاده  گردید، در سال  ١٩٩۵ در ژاپن  به  چاپ  رسید که  عمدتأ به  استفاده  از این  بتن  در ساخت  و سازهای عمرانی پرداخته  شده  بود. [۴]

بعد  از طرح  نخستین  نمونه  اولیه  این  بتن ،  تحقیقات  وسیعی پیرامون  بتن  خودتراکم  در نقاط  مختلف  ژاپن  توسط  دانشگاه  ها و مراکز تحقیقاتی در این  کشور آغاز گردید. استفاده  از بتن  خودتراکم  در سال  های اولیه  دهه  ١٩٩٠ رشد سریع  داشته  است ، بطوریکه  تنها در سال  ٢٠٠٠ میزان  حجم  بتن  خودتراکم  تولید شده  در کشور ژاپن  چیزی حدود۴٠٠٠٠٠m3 می باشد. [۵]

اولین  گردهمایی بین  المللی پیرامون  بتن  مذکور در دانشگاه  Kochi در ژاپن  در سال  ١٩٩٨ برپا گردید. در این  گردهمایی تمرکز مقالات  ارائه  شده  بر روی نحوه  گسترش  این  بتن  در سایر نقاط  جهان  بود که  شامل  تحقیقات  بر روی خواص  رئولوژیک  و همچنین  اجزاء تشکیل  دهنده  این  بتن  و نیز پیشنهاد  مدلی  برای طرح  اختلاط  بتن  مذکور می  گردید. [۶]  همچنین  در سال  ١٩٩٨ انجمن  مهندسین  عمران  ژاپن  (JSCE) کمیته  ای تحقیقاتی با هدف  بناکردن  اصول  اولیه  جهت  بکارگیری بتن  خودتراکم  در  کاربردهای عملی  تأسیس  نمود  تا  روند  استفاده  از  بتن  مذکور  را  در  ساخت  و سازهای عمرانی در این  کشور تسریع  بخشد. [٧]

دومین  سمپوزیوم  بین  المللی در ارتباط  با بتن  خودتراکم  در سال  ٢٠٠١ توسط  دانشگاه  توکیو برگزار گردید. در این  سمپوزیوم  در مجموع  ٧۴ مقاله  از ٢٠ کشور جهان  ارائه  شد که  عمده  تمرکز این  مقالات  بر روی موضوعاتی چون  دوام  بتن  خودتراکم  در درازمدت  و نیز هزینه  های بکارگیری بتن  مذکور در پروژه  های عمرانی قرار گرفت . [٨]

در سال  ٢٠٠٢ کنفرانسی با عنوان  سازه  های بتنی در قرن  ٢١ام  در کشور ژاپن  برگزار گردید که  شامل  ۶ مقاله  در ارتباط  با بتن  خودتراکم  بود که  از این  تعداد مقاله  ۴ مقاله  از کشور ژاپن  مطرح  شده  بود. در این  مقالات  عمدتأ به  این  اشاره  شده  بود که  زمینه  لازم  جهت  بکارگیری هرچه  بیشتر بتن  خودتراکم  در کاربردهای عملی در ژاپن  به  خوبی فراهم  شده  است .

اولین  کاربرد عملی بتن  خودتراکم  در ساخت  یک  ساختمان  در سال  ١٩٩٠ در ژاپن  صورت 

گرفت .  پس  از  آن  در  سال  ١٩٩١ از  این  بتن ،  جهت  ساخت  برج  های  پل  معلق  کابلی   Ohashi Shin-Kiba استفاده  به  عمل  آمد. [٢]

یکی از اولین  سازه  های حجیم  که  در ژاپن  مورد استفاده  و بهره  برداری قرار گرفت  و در

ساخت  آن  از بتن  خودتراکم  استفاده  به  عمل  آمد ساخت  دو لنگرگاه  پل  معلق  Akashi-Kaikyo بود.

مشخصات  این  پل  ٣ دهانه  که  در ۵ آوریل  سال  ١٩٩٨ ساخته  شده  در ادامه  آورده  شده  است .

• طول  سرتاسری  پل  : ٣٩٩١ متر (١٢٨٣١ فوت )

• طول  دهانه  مرکزی : ١٩٩١ متر (۶۵٣٢ فوت )

• طول  دهانه  های کناری : ٩۶٠ متر (٣١۵٠ فوت )

جهت  بکارگیری کامل  از بتن  خودتراکم ، سیستم  ساخت  جدیدی برای این  پروژه  تعیین  گردید. بتن  پس  از آماده  شدن  در میکسرهای بسیار بزرگ ، توسط  پمپ  های مخصوصی که  به  فاصله  ٣ متر از یکدیگر تعبیه  شده  بودند به  محل  مورد نظر جهت  بتن  ریزی انتقال  می یافت  که  حدود ٢٠٠ متر تا محل  ساخت  بتن  فاصله  داشت . از مزایای قابل  ذکر استفاده  از بتن  خودتراکم  در این  پروژه  می توان  به  کاهش  مدت  زمان  ساخت  پیش  بینی شده  به  میزان  ٢٠درصد از ٢.۵ سال  به  ٢ سال  و نیز کاهش  کارگران  مورد نیاز از ١۵٠ نفر به  ۵٠ نفر اشاره  نمود که  همگی بر مفید و مؤثر واقع  شدن  بتن  خودتراکم  در اجرای این  پروژه  دلالت  می داشت . [٢]

نمونه  دیگر استفاده  از بتن  خودتراکم  در دیواره  های مخازن  پروژه  عظیم  LNG شرکت  گاز

Osaka در ژاپن  می باشد که حجم  بتن  خودتراکم  مصرفی در این  پروژه  ١٢٠٠٠m3 می باشد. بتن 

ریزی این  پروژه  در سال  ١٩٩٨ تکمیل  شد. از مزایای استفاده  از بتن  مذکور دراین  پروژه :

• صرفه  جویی حدود ۶٧٪ در تعداد کارگران  

• صرفه  جویی حدود ١٨٪ در مدت  زمان  ساخت

• صرفه  جویی حدود ٢٩٪ در تعداد کارگاهها در مقایسه  با بتن  معمولی می باشد.

برج  Landmark مرتفع  ترین  برج  در ژاپن  بوده  و در یوکوهاما واقع  شده  است  . ساخت  این  برج  باارتفاع  ٢٩۵.٨ متر (٩٧٠ فوت ) و ٧٠ طبقه  با تعداد ٧٩ آسانسور در سال  ١٩٩٠ شروع  و مدت  ٣ سال  به  طول  انجامید . برای پرکردن  ٦٦ ستون  در نه  طبقه  ابتدایی آن  از بتن  خودتراکم  استفاده  شده  است . حجم  بتن  خودتراکم  مصرفی در این  پروژه  ٨٨۵m3 می باشد. شکل  (٢-١) تصاویری ازاین  برج  را نشان  می دهد.