طراحی بتن سبک ساختماني با مقاومت بالا

  محمد مهدي حيدري

1- عضو باشگاه پژوهشگران جوان دانشگاه آزاد اسلامي واحدكاشان و دانشجوی دکترای سازه های آبی دانشگاه آزاد اسلامي واحد علوم و تحقیقات خوزستان         

چكيده

در این مقاله از نتایج مطالعه آزمایشگاهی برای طراحی بتن سبک ساختماني با مقاومت بالا (SLWHSC) ساخته شده با و بدون تركيب ملاط سه گانه خاکستر بادى - بخار سیلیس به عنوان مصالح دانه اي انجام شده است. در مخلوط ها ، سنگ بازالتي متخلخل (سرباره) نيز بعنوان مصالح استفاده شد. مخلوط بتن  با سرباره  سبک وزن ساخته شده و نيزمخلوط ديگر بتن با سرباره كه  شامل 20 ٪ خاکستر بادي و  10 ٪ بخار سیلیس به عنوان جایگزین سیمان ، آماده شد. دو نمونه بتن با وزن طبیعی نيز آماده شد تا مقایسه صورت گيرد. مقاومت فشاری 28 روزه و وزن مخصوص خشك بتن سبك ساختماني (SLWC) متغير و بترتيب 28 تا37 مگاپاسکال و 1800 تا 1860 كيلوگرم بر مترمكعب بود. نتایج آزمایشگاهي نشان داد که بتن سبك ساختماني SLWC  ساخته شده با سرباره در 28 روزمقاومت 30 مگاپاسکال دارد.  با این حال ، به نظر می رسد استفاده از مواد افزودنی معدنی برای ساخت SLWHSC با مقاومت  35 مگاپاسکال و یا بالاتر الزامي است .

سوالات تحقيق:

در این مقاله از نتایج مطالعه آزمایشگاهی برای طراحی بتن سبک ساختماني با مقاومت بالا (SLWHSC) ساخته شده با و بدون تركيب ملاط سه گانه خاکستر بادى - بخار سیلیس به عنوان مصالح دانه اي انجام شده است. در مخلوط ها ، سنگ بازالتي متخلخل (سرباره) نيز بعنوان مصالح استفاده شد.

پیشنهاد می‌کنیم محصول گروت را هم بررسی کنید.

روش تحقیق:

مخلوط بتن  با سرباره  سبک وزن ساخته شده و نيزمخلوط ديگر بتن با سرباره كه  شامل 20 ٪ خاکستر بادي و  10 ٪ بخار سیلیس به عنوان جایگزین سیمان ، آماده شد. دو نمونه بتن با وزن طبیعی نيز آماده شد تا مقایسه صورت گيرد. مقاومت فشاری 28 روزه و وزن مخصوص خشك بتن سبك ساختماني (SLWC) متغير و بترتيب 28 تا37 مگاپاسکال و 1800 تا 1860 كيلوگرم بر مترمكعب بود.

نتیجه گیری:

نتایج آزمایشگاهي نشان داد که بتن سبك ساختماني SLWC  ساخته شده با سرباره در 28 روزمقاومت 30 مگاپاسکال دارد.  با این حال ، به نظر می رسد استفاده از مواد افزودنی معدنی برای ساخت SLWHSC با مقاومت  35 مگاپاسکال و یا بالاتر الزامي است .

كلمات كليدي: بتن سبک با مقاومت بالا ، سرباره ، خاکستر بادي، بخار سیلیس.

1. مقدمه

نیروهای زلزله ، که بر سازه ها و ساختمان ها در مهندسی عمران موثر هستند، متناسب با جرم چنین سازه و ساختمان هستند. بنابراین ، کاهش جرم سازه يا ساختمان از بيشترين اهمیت در کاهش خطر لرزه ای را داراست. این مورد می تواند با استفاده از بتن سبک در ساخت و ساز ، حاصل شود. سازه های بتنی سبك (SLWC ) همچنین دارای مزیت های بارز نسبت مقاومت به وزن بالاتر ، ظرفیت بهتر کرنش کششی ، ضريب انبساط حرارتی پایین تر ، عايق صدا و گرمايي بالاتربدليل وجود فضاي خالي در مصالح سنگدانه سبک وزن مي باشد (تاپكو 1997، خيط و هاكو 1998). علاوه بر این ، تاپكو (1997) گزارش کرد که کاهش وزن مرده ساختمان با استفاده از بتن سبک می تواند منجر به کاهش سطح مقطع فولاد تقویت شده ستون ها ، تیرها ، صفحات و فونداسيون ها شود. این احتمال نيز وجود دارد كه کاهش تقویت فولاد نيز داشته باشيم.  بطور كلي مطالعات كمي در مورد بتن سبک وزن انجام شده است. به عنوان مثال ، خيط و هاكو (1998) مطالعه اي روي اثرعمل آوردن اولیه بتن بر مقاومت ابتدايي و خصوصیات فیزیکی بتن سبک انجام دادند.  آنها بتن سبکي با مقاومت فشاری 50 مگاپاسکال از نمونه مکعبي و با وزن مخصوص 1800 كيلوگرم بر مترمكعب توليد كردند. الدواج و همکاران (1999) بتن سبک را در مناطق ساحلی با استفاده از مصالحي با وزن مخصوص هاي مختلف ، از جمله آجر سبک شکسته ، رس سبك منبسط شده و ماسه با وزن نرمال و با استفاده از مصالح سبك طبیعی (بدون بتن سبك) مورد مطالعه قرار دادند. آنها بتن سبک با مقاومت فشاری 22 مگاپاسکال از نمونه استوانه اي و وزن مخصوص خشك 28 روزه  1520 كيلوگرم بر مترمكعب را تهيه كردند. علاوه بر این ، دميربوگا و همکاران (2001)  نتایج یک مطالعه آزمایشگاهی گسترده ای که شامل ارزیابی تاثير مصالح پرليت  و مواد افزودنی معدنی روي مقاومت فشاری بتن هاي با تراکم کم بود را ارائه دادند. آنها به این نتیجه رسیدند که افزودن مواد افزودنی معدنی در بتن سبک تولید شده با مصالح پرليت افزایش مقاومت فشاری را به همراه دارد. راسيگنولو و همکاران (2003)  نتایج SLWC ساخته شده با خاک رس منبسط شده را ارائه دادند. در مطالعه آنها ، مقدار سیمان 440 تا 710 كيلوگرم بر مترمكعب متغير بود. آنها گزارش دادند مقاومت فشاری و وزن واحد خشک28 روزه نمونه بترتيب  5/39 - 6/53 مگاپاسکال و متغيراز 1460 تا 1605 كيلوگرم بر مترمكعب بوده است. علاوه بر این ، آلتون و هاكتانير(2001) پیشنهاد استفاده از کامپوزیت بتن مسلح در اعضای سازه را دادند. بتون مسلح کامپوزیت متشکل از 2 لایه ، لايه پایین تر از بتن معمولی (NWC) و لايه بالاتر به عنوان یک لایه SLWC ، که هر دو در مرحله مرطوب كار كذاشته مي شوند ، SLWC روي NWC قرار مي گيرد. آنها گزارش داده اند که عناصر كامپوزيت بتن مسلح شبيه به اعضاي بتن مسلح معمولي رفتار مي كنند، البته با اين مزيت كه وزن مرده كاهش يافته است.  اگر چه گزارش های موجود متعددی در منابع در مورد استفاده از مصالح سبک در تولید SLWC و یا بلوکهای بتنی سبک (Alduai الدواج و همکاران 1999 ؛ دميربوگا و همکاران 2001 ، خيط و هاكو1998 ، آلتون و هاكتانير2001، راسيگنولو و همکاران 2003 ) وجود دارد، معدود مطالعات منتشر شده ای وجود دارد که از سنگ بازالت در SLWC استفاده شده باشد. مطالعات در SLWC ساخته شده با سیمان مخلوط سه تایی - پرواز خاکستر و بخار سیلیکا بسیار نادر است.

این مطالعه 2 هدف را مدنظر دارد. هدف اول طراحی SLWC با استفاده از سرباره است ، که از مزایای آن کاهش وزن مرده سازه ها خواهد بود. دوم ، برای به دست آوردن مخلوط SLWC اقتصادی تر و سازگار با محیط زیست با استفاده از تركيبي از مواد معدنی خاکستر بادى و بخار سیلیس است.

 مواد مورد استفاده در تحقیق

سیمان

سیمان مورد استفاده استاندارد ASTM  نوع يك سیمان پرتلند معمولي ( با  NPC.، 5/42 نيوتن بر ميليمترمربع) بود. چگالى نسبي سیمان استفاده شده 15/3 بود. از ابتداي ساخت سیمان تا انتها 4 تا 5 ساعت هر مرحله بود. مساحت سطح ويژه در هر گرم 3140 سانتي متر مربع بود و تركيبات شيميايي آن طبق جدول 1 در نظر گرفته شد.

خاکستر بادي

خاکستر بادي در نظر گرفته شده شامل مقدار بسیار زیادی کلسیم و سولفات است. خاکستر بادي ازکلاس C  بوده ، به اين دليل كه آن از زغال سنگ به دست آمده بود (استاندارد ASTM C618، 1991). ترکیب شیمیایی آن در جدول 1 ارائه شده است. چگالى نسبي آن 70/2 بوده و مساحت سطح ويژه در هر گرم 2900 سانتي متر مربع است . مقدار خاکستربادي باقیمانده روي الک45 ميكرومتر 14 درصد بود. برخی از دستورات استاندارد  (ASTM C618, 1991; BSI 3892, 1992; EN 450, 1994) و خواص خاکستر بادي در جدول 2 داده شده است.

  جدول 1- ترکیب شیمیایی سیمان ، خاکستربادي و بخار سیلیس (درصد)

بخار سیلیکا

ترکیب شیمیایی اکسید بخار سیليس در جدول 1 داده شده است. چگالى نسبي و وزن مخصوص آن بترتيب32/2 و 245 كيلوگرم بر مترمكعب بوده است. مقاومت پوزولانی شاخص فعاليت 122 درصد در 28 روز بود. میزان بخار سیلیس باقیمانده در روي الک45 ميكرومتر 8 درصد بود.

مصالح دانه اى

مصالح سرباره شكسته در تولید بتن سبک وزن مورد استفاده قرار گرفت. سرباره از ذخایر طبیعی به دست آمد. وزن مخصوص خشک ، مقاومت فشاری و مدول الاستیک سرباره با توجه به كميته بین المللی مکانیک سنگ (ISRM, 1981 ) اندازه گيري و بترتيب 1518 كيلوگرم بر مترمكعب ، 3/28 مگاپاسکال و 3/11 گيگا پاسكال به دست آمد. چگالى نسبي سرباره ساييده شده 59/2 بود. مجموع کف سرباره شكسته بر اساس اندازه جداسازي شد. با استفاده از الك هاي استاندارد به 6 گروه از  0 بر 025/0 میلی متر ، 25/0 بر 5/0 میلی متر ،5/0 بر 1 میلی متر ،1 بر 2 میلی متر ، 2 بر 4  میلی متر،4 بر 8  میلی متر و 8 بر 16 ميليمتر است. ترکیبی از این 6 گروه با تركيباتي مطابق با استاندارد ها ساخته شده است.

   جدول2- حدود استاندارد برای ترکیب شیمیایی و خصوصیات فیزیکی خاکستر بادي

مصالح دانه اي برداشتي از رودخانه هاي طبیعی در ساخت NWC مورد استفاده قرار گرفت. مقدار جذب ماسه 5/1 درصد و چگالى نسبي در سطح اشباع خشک در شرايط (SSD) 65/2 بود. ذرات شن با حداکثر اندازه اسمی 16 میلیمتر و با جذب 1 درصد بود و چگالى نسبي در شرايط (SSD) 73/2 بود. از مصالح طبیعی در روش درست مثل سرباره براي مصالح دانه اي سبك وزن استفاده شد.

 پیشنهاد می‌کنیم محصول ژل میکروسیلیس را هم بررسی کنید.

3. تركيب مخلوط بتنی  و تهيه نمونه

نسبت سرباره بسیار سبک در مخلوط بتن 1 به 50/2  وزن  NPC  و مصالح مخلوط با سرباره است. مقدار تقریبی NPC ، 500 كيلوگرم بر مترمكعب است. مخلوط سه گانه SLWC با استفاده از20 درصد خاکستر بادي و 10 درصد بخارسيليس بعنوان جايگزين وزني NPC  تهيه شد. نسبت آب به ملاط(W/B)  مقدار ثابت 55/0 نگه داشته شد. دو نمونه NWC نیز برای اهداف مقایسه اي تولید شد. یکی ازNWC با نسبت(W/B)  برابر 55/0 و نمونه ديگر با نسبت 45/0 ساخته شد .نمونه NWC  اولي مشابه نسبت(W/B) آزمايش  و دومي به مقدار مشابه اسلامپ SLWCمنظور گرديد. جدول 3 ترکیب مخلوط های بتن تولیدي و آزمایش شده را نشان می دهد . M1 مطابق با بتن سبک كنترلي ساخته شده با NPC می باشد. M2 بتن سبک ساخته شده با مخلوط سه گانه شامل خاکستربادي و بخار سیلیس است. CM1 و CM2 نيز نمونه هاي NWC کنترلي مي باشند.

 جدول 3- ترکیب تقریبی مخلوط بتن در هر متر مکعب (کیلو گرم)

سه ودومخلوط بترتيب براي آزمايشSLWC و NWC درنظرگرفته شد. وزن مخصوص مرطوب وخشک بتن با توجه به استاندارد ASTM C138 (2002) و استاندارد ASTM C567 (2002) اندازه گیری شد. متوسط وزن مخصوص بتن مرطوب و خشک در جدول 4 ارائه شده است. مقاديراسلامپ بر اساس استاندارد ASTM C143 (2002) اندازه گیری و برایM1 ، M2 ، CM1 و CM2 بترتيب 2±7 ، 5/1±6 ،20< و5/1±8 سانتيمتر بود.

 جدول 4- وزن مخصوص مرطوب وخشک بتن(kg/m³)

نمونه هاي استوانه ای استاندارد با قطر 150 میلیمتر و ارتفاع 300 میلیمتر ، و نمونه هاي مكعبي با ابعاد  500 ×100 × 100  میلی متر ، از مخلوط بتن تازه آماده شده. فشردگی كامل نمونه ها با استفاده از ارتعاش انجام شد. پس از24 ساعت ، تمام نمونه ها آزمايش وسپس دردرجه حرارت ثابت و رطوبت نسبی (RH) در شرایط 20 درجه سانتيگراد و 65 درصد رطوبت نسبي مشابه شرايط محیط ساخت و سازدر نظر گرفته شد. مقاومت فشاری و خمشی نمونه هاي آزمايش شده بر اساس استاندارد ASTM C39 (2002) و استاندارد ASTM C78 (2002) به ترتیب اندازه گيري شد. برای هر یک از سن ، 9 و 6 نمونه ها براي اندازه گیری مقاومت فشاري و خمشی برای SLWC و NWC بترتيب اندازه گيري شدند.

4.  نتایج و بحث  

متوسط وزن مخصوص مرطوب و خشک مخلوط بتن M1 ، M2 ، CM1 و CM2 در جدول 4 با تنوع استاندارد داده شده است. مقایسه بین واحد وزن مخصوص خشک نمونه هاي SLWC (M1 و M2) ونمونه هاي NWC  (CM1 و CM2) نشان می دهد که نمونه هاي SLWC  از مزيت کاهش وزن مرده سازه اي تا حد20 درصد برخوردار است. این بدين معناست که درسازه یا ساختمان ساخته شده با SLWC ، نیروهای زلزله وارده تا حدود 20 درصد کاهش مي يابد. علاوه بر این ، مخلوط سه گانه (M2) وزن مخصوص مرطوب و خشک پایین تر نسبت به نمونه مخلوط بتن سبک کنترلي (M1) دارد. متوسط مقاومت فشاری نمونه استوانه بتنی استاندارد در شکل 1 ارائه شده است. تغييرات استاندارد انواع مختلف مقاومت فشاری از 3 تا 9 درصد متفاوت است. شکل 1 نشان می دهد که سرباره بتن سبک (M1 و M2) با و بدون مواد افزودنی معدنی استحکام فشاری کمتري نسبت به نمونه بتني كنترليCM2 دارد. با این حال ، آنها مقاومت فشاری بالاتري نسبت به نمونه NWC کنترليCM1   3 روزه دارند. مخلوط سه گانه سرباره مخلوط با خاكستر بادي و بخار سیلیس بتني (M2) مقاومت فشاری بالاتري نسبت به بتن با سرباره و موادمعدني مصالح دانه اي (M1) در 7 روز و فراتر از آن را نشان مي دهد. علاوه بر این ، مقاومت فشاری مخلوط M1 مشابه نمونه CM1 در 7 روز و فراتر از آن است. با این حال ، این مخلوط ها  در تمام مراحل داراي مقاومت فشاري كمتري نسبت به نمونه بتني كنترلي  CM2 دارد.

نمونه M2  شانل خاكستر بادي و بخار سیلیس در بتن سبک ، مقاومت فشاري قابل مقایسه با نمونه بتني كنترلي CM2 7 روزه و بالاتر را نشان مي دهد. مخلوط CM2 در NWC مقاومت فشاری بالاتري نسبت به مخلوط CM1 در NWC دارد. این انتظار می رود ، زیرا نسبت آب به سیمان نمونه CM2 و CM1 بترتيب 45/0 و 55/0 بود. متوسط مقاومت خمشی كششي بتن در شکل 2 ارائه شده است. استاندارد مختلف مقاومت خمشی از 2 تا 7 متغير است. از شکل 2 دیده می شود که نمونه M1 داراي سرباره سبک و بتن مقاومت خمشي کششی بالاتر و قابل مقایسه اي با انواع دیگر نمونه هاي بتن 3 روزه دارد.

 شكل 1- مقاومت فشاري بتن نسبت به زمان

 شكل 2-  مقاومت خمشی کششی بتن در مقابل زمان

M2 مخلوط سه گانه سرباره سبك مقاومت خمشي کششی بالاتري نسبت به   M1، بلکه CM1 و CM2  7 روزه و بالاتر را نشان مي دهد. این به دليل  پوزولان و اثرات مصالح پركننده مخلوط سه گانه و همچنین بهتر شدن چسبندگي توسط سطح متخلخل مصالح سرباره سبک است . به طور کلی ، تمامي نمونه هاي ساخته شده داراي مقاومت خمشی کششی 28 روزه در محدوده 5/6  تا  8 مگاپاسکال است. بر اساس نتایج آزمایشگاهی ، مشخص مي شودکه مصالح سرباره سبک را می توان در ساخت SLWC با مقاومت فشاری استوانه اي30 مگاپاسکال و مقاومت خمشي کششی در حدود 7 مگاپاسکال 28 روزه مورد استفاده قرار داد. همچنین نتیجه مي شود که مخلوط سه گانه SLWC ساخته شده با مصالح سرباره مشخص را برای تولید ارزان قیمت و سازگار با محیط زیست SLWHSC استفاده كرد ، تا مقاومت فشاری 28 روزه 37 مگاپاسکال که بالاتر از 35 مگاپاسکال است، که به عنوان حد پاییني ازمقاومت فشاری برای SLWHSC (هولم  1994 ؛ هولم و برمنر 2000 ) است در نظر گرفت. در حاليكه حد پايين مقاومت بالاي بتن پیشنهاد شده توسط ACI 363R-92 (1992) براي بتن SLWC حاضر در نظر گرفته شد . بر اساس نتایج فوق ، میتوان نتیجه گرفت که SLWC با مقاومت فشاری استوانه از 30 مگاپاسکال(C30) را با استفاده ازسرباره استفاده كرد. علاوه بر این ، SLWC با مقاومت فشاری استوانه 35 مگاپاسکال (C35) را می توان با مخلوط سه گانه و مصالح دانه اي سبك تولید كرد . بتن سبک حاضر را می توان به منظور کاهش خطران ناشي از زلزله مورد استفاده قرار داد .

5. نتيجه­ گيري

بر اساس نتایج کار تجربی حاضر ، مصالح دانه اي سرباره سبک را می توان در ساخت SLWC مورد استفاده قرار داد. استفاده از خاکستر بادي غیر استاندارد ، که كاهش هزینه ها و آلودگی محیط زیست را در بردارد  به نظر می رسد كه در مخلوط هاي سه گانه بتن اجرايي و عملياتي باشد. استفاده از مواد افزودنی معدنی می تواند بار مرده را كاهش و مقاومت را افزايش دهد. بنابراین ، امكان ساخت مخلوط سه گانه بتني با سرباره SLWHSC با مقاومت فشاري استوانه اي30 تا 40 مگاپاسکال وجود دارد. در نهایت ، مصالح دانه اي سرباره سبك را می توان به منظور کاهش نیروهای زلزله با استفاده از آن در ساخت SLWC و SLWHSC با وزن مخصوص خشک 1800 تا1860 كيلوگرم بر مترمكعب مورد استفاده قرار داد.

1. مراجع
2. ACI \State-of-the-Art Report on High-Strength Concrete", American Concrete Institute. 363R-92, 1992.
3. Alduaij, J., Alshaleh, K., Haque, M.N. and Ellaithy, K., \Lightweight Concrete in Hot Coastal Areas", Cement and Concrete Composites, 21, 453-
4. 458, 1999.
5. Al-Khaiat, H. and Haque, M.N., \E_ect of Initial Curing on Early Strength and Physical Properties of Lighweight Concrete", Cement and Concrete Research, 28, 859-866, 1998.
6. Altun, F. and Haktanir, T., \Flexural Behavior of Composite Reinforced Concrete Elements', ASCEJournal of Materials in Civil Engineering, 13, 255- 259, 2001.
7. ASTM, \Standard Test Method for Slump of Hydraulic Cement Concrete", Annual Book of ASTM Standards. C143/C143M-00, 2002.
8. ASTM, \Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens", Annual Book of ASTM Standards, C39/C39M-01, 2002.
9. ASTM, \Standard Test Method for Density Structural Lightweight Concrete", Annual Book of ASTM Standards. C567-00, 2002.
10. ASTM, \Standard Speci_cation for Fly Ash and Raw Calcined Natural Pozzolan for Use as a Mineral Admixture in Portland Cement Concrete", Annual Book of ASTM Standards. C618, 1991.
11. ASTM, \Standard Test Method for Flexural Strength of Concrete (Using Simple Beam with Third-Point Loading)", Annual Book of ASTM Standards. C78-02, 2002.
12. BSI, \Speci_cation for Pulverized-Fuel Ash for Use with Portland Cement", Part 1, London, 3892, 1992.
13. Demirboga, R., Orung, I. and Gul. R., \E_ects of Expanded Perlite Aggregate and Mineral Admixtures on the Compressive Strength of Low-DensityConcretes", Cement and Concrete Research, 31, 1627-1632, 2001.
14. Erdogan, T. Y., Admixtures for Concrete, The Middle East Technical University Press, Ankara, 1997.
15. European Standard, \EN 450-Fly Finitions, Requirement and Quality Control", Brussels.
16. Holm, T.A., \Lightweight Concrete and Aggregates", ASTM-Standard Technical Publication 169C, 1994.
17. Holm, T.A and Bremner, T.W., \State of the Art Report on High Strength, High Durability Structural Low-Density Concrete for Applications in Severe Marine Environments", US Army Corps of Engineers, Engineering Research and Development Center, 2000.
18. IMO., \Turkish Code of Eartquake for Buildings", Turkish Chamber of Civil Engineers, Ankara, 1997.
19. ISRM. \Rock Characterization Testing and Monitoring.
20. ISRM Suggested Methods", T.T. Brown (ed.), Pergamon Press, 1981.
21. Rossignolo, J.A., Agnesini, M.V.C. and Morais, J.A., \Properties of High-Performance LWAC for Precast Structures with Brazilian Lightweight Aggregates", Cement and Concrete Composites, 25, 77-82, 2003.