امين اميدي
1-دانشجوي كارشناسي پيوسته عمران دانشگاه آزاد اسلامي واحد لارستان مركز خنج
چكيده مقاله
از آنجايي كه علم نانو و فناوري نانو يك زمينه ي فرارشته اي و فرابخش مي باشد علوم و صنايع مختلف از جمله مهندسي عمران متاثر از اين فناوري شده است. به وسيله ي مطالعات آزمايشگاهي انجام شده روي بتن با نانو سيليس رفتار اين ذرات مورد بررسي قرار گرفته كه جداول و ارقام نشانگر اين هستند كه ذرات نانو باعث بهبود خواص بتن مي شوند.
سوالات تحقيق:
در این مقاله، به كاربرد ذرات نانو در بتن پرداخته شده و در زمينه ي عواملي چون نفوذ پذيري آب در بتن، مقاومت سايشي، مقاومت فشاري و انعطاف پذيري در بتن روسازي مورد مطالعه قرار می گیرد.
روش تحقیق:
در اين آزمايش به مقايسه ي دو نوع بتن (بتن با نانو سيليس و بتن معمولي) پرداخته مي شود. برای آزمایش نفوذپذیری با بررسي ساختار ميكروسكوپي بتن با نانو سيليس از سيلندرهايي به اندازه های مشخص استفاده شده و با اضافه کردن پلی پروپیلن به بتن و ریختن آنها در قالبهاي مكعبي به اندازه های تعیین شده و با جايگزين كردن ذرات نانو نظير نانوسيليس آزمایش مقاومت فشاری ، مقاومت سايشي و انعطاف پذيري انجام می شوند.
نتیجه گیری:
طبق آزمایش های انجام شده روي بتن با نانو سيليس مي توان به افزايش مقاومت در برابر نفوذ پذيري آب در بتن يا همان آب بند شدن اشاره كرد كه با بررسي ساختار ميكروسكوپي بتن با نانو سيليس روشن مي شود كه خيلي متراكم تر و يك دست تر از بتن معمولي است و همچنين براي افزايش مقاومت سايشي از پلي پروپلين استفاده مي شود كه با جايگزين كردن ذرات نانو نظير نانوسيليس ، مقاومت سايشي ، فشاري و همچنين انعطاف پذيري بتن در مقايسه با پلي پروپلين افزايش شگرفي دارد.
كلمات كليدي : نانوسيليس ـ پلي پروپيلن ـ كلسيم هيدرات ـ كلسيم سيليكات هيدرات ـ نرمه خاكستر .
مقدمه
شايد توان نگرش جديد هزاره ي سوم در علوم فناوري را نانو دانست . فناوري نانو باعث شده است تا علوم مختلف با ديدگاههاي مبتني بر اين فناوري توسعه و پيشرفت شگرفي را شاهد باشند و از آنجايي كه علم نانو و فناوري نانو يك زمينه ي فرارشته اي و فرابخش مي باشد علوم و صنايع مختلف از جمله مهندسي عمران متاثر از اين فناوري شده است كه اول مقاله به كاربرد اين ذرات در بتن پرداخته شده و در زمينه ي عواملي چون نفوذ پذيري آب در بتن مقاومت سايشي مقاومت فشاري و انعطاف پذيري در بتن روسازي مورد مطالعه قرار گرفته كه اول به افزايش مقاومت در برابر نفوذ پذيري آب در بتن با بكارگيري نانو سيليس مي پردازد .
در اين آزمايش به مقايسه ي دو نوع بتن پرداخته مي شود 1. بتن با نانو سيليس 2. بتن معمولي كه براي تهيه اين دو نوع بتن از شن و ماسه هاي خوب دانه بندي شده استفاده شده كه با حداكثر اندازه ي mm25-5 و با مدول نرمي 7/2 از روان ساز اعلاء يا (super plusticizer) طوري اضافه مي شود که اسلامپ بين دو نوع بتن برابر شود و نسبت مخلوط كردن ذرات بتن در جدول شماره ي يك براي يك متر مكعب بتن و بر اساس اندازه گيري رطوبت آمده شده است . پیشنهاد میکنیم محصول را هم بررسی کنید.
| |
نانو سیلیس
kg/m3
|
سیمان
kg/m3
|
خاکستر
kg/m3
|
آب
kg/m3
|
ماسه
kg/m3
|
شن
kg/m3
|
روان ساز
kg/m3
|
حجم
kg/m3 اعلاا
|
| بتن معمولی |
0 |
389 |
80 |
190 |
645 |
100 |
2/5 |
2418 |
| بتن با نانوسیلیس |
13/9 |
370 |
79 |
188 |
647 |
1088 |
13/5 |
2400 |
جدول شماره 1_ نسبت اخطلاط ذرات بتن برای يك متر مكعب
هر دو نوع بتن در قالبهاي مكعبي به اندازه ي cm15×15×15 ريخته مي شوند و پس از 24 ساعت كه شكل گرفته از قالب ها بيرون آورده شده و براي عمل آوردن و نگهداري بتن در كابيني با رطوبت 95 % و دمايي در حدود 3+20 یا 3-20براي 28 روز نگهداري مي شود در اين آزمايش مقاومت فشاري بتن اندازه گيری ميشودكه اعداد به دست آمده در اين آزمايش براي هردو بتن در جدول شماره ي 2 نشان داده شده است . براي آزمايش نفوذ پذيري بتن از سيلندرهايي به ارتفاع mm150 كه قطر يك سر آن mm175 و قطر سر ديگر سيلندر mm185 براي اندازه گيري نفوذ پذيري بتن با نانو سيليس و بتن معمولي استفاده شده هر كدام از اين دو نوع بتن در شش سيلندر ريخته شده و پس از 24 ساعت شكل مي گيرند و براي curing يا نگهداري بتن آن را در يك كابين در ابتدا آب با فشار mpa1/0 به كف بتن ها پاشيده مي شود پس از 8 ساعت mpa1/0 به فشار آب اضافه مي شود اگر روي سطح بتن لكه هاي آب ديده شد پديده ي رسوخ آب در بتن صورت گرفته و اگر بين پديده در سه سيلندر از شش سيلندر پديدار شود آزمايش متوقف مي شود و فشار آب ثبت مي شود در انتهاي آزمايش سيلندرها از دستگاه بيرون آورده مي شود و هر كدام از آنها را دو نصف مي كنند تا ميزان عمق نفوذ آب در بتن اندازه گيري شود در بتن هاي معمولي در فشار mpa 5/0 در سه سيلندر اين پديده روئيت شد و در بتن هاي با نانو سيليس اين پديده در فشار mpa 2/3 در سه سيلندر اتفاق افتاد و سپس آزمايش متوقف شد ، كه عمق متوسط نفوذ پذيری در بتن معمولي cm6/14 و در بتن با نانو سيليس عمق متوسط نفوذ آب در بتن cm1/8 اندازه گيري شده كه در جدول 2 آمده است
|
عمق متوسط نفوذ پذيري
|
فشار آب
|
مقاومت فشاري (mpa) 28 روزه
|
اسلامپ
|
نوع بتن
|
|
6/14
|
5/0
|
44
|
175
|
بتن معمولي
|
|
1/8
|
2/3
|
5/47
|
175
|
بتن با نانو سيليس
|
جدول شماره 2_ مقاومت فشاري و عمق متوسط نفوذ آب
در ادامه ي بررسي ميكرو سکوپي اين دو نوع بتن از هر كدام از بتن ها تكه هايي به اندازههای mm5 با مدت نگهداري متفاوت جدا شده و داخلiso-proylalchohol انداخته مي شود براي متوقف كردن واكنش هيدراته شدن بتن در شكل 1 و 2 عكسهايي از بتن معمولي و بتن با نانو سيليس با مدت نگهداري 28 روزه به وسيله ي ميكروسكوپ الكتروني گرفته شده كه ذرات آن 2000 برابر بزرگتر شده اند . و شكل شماره ي 3و4 عكسهايي به ترتيب از بتن معمولي و بتن با نانو سيليس با مدت نگهداري 180 روزه است كه ذرات آن 5000 برابر بزرگ شده اند در عكس شماره ي يك ذرات flyash (نرم خاكستر) يا ( خاكستر آتشفشاني ) در چسب سيمان وجود دارند شكل شماره ي 2 نشان مي دهد كه واكنش هيدراتاسيون زيادي انجام شده و حاصل آن CSH يا كلسيم سيليكات هيدرات است عكس 1 و2 ثابت مي كند كه فعاليت هيدراتاسيون نرم خاكستر در بتن با نانو سيليس خيلي زودتر و سريعتر از بتن معمولي انجام مي گيرد .
عکس شماره _1 ميکروساختار بتن معمولی با مراقبت 28 روزه
عکس شماره2 _ميکروساختار بتن نانو سيليس با مراقبت 28 روزه
عکس شماره ي 3 بيانگر اين است كه در بتن معمولي كريستال هاي(oH)2 ca يا كلسيم هيدروكسيد هنوز وجود دارند و عكس شماره ي 4 نشان مي دهد كه در بتن با نانو سيليس عمل هيدراتاسيون در حجم بيشتري صورت گرفته و به علت توليد CSH كلسيم سيليكات هيدرات بتن با نانو سيليس خيلي فشرده تر از بتن معمولي است كريستال هاي بزرگتر مانند(oH)2 ca كلسيم هيدروكسيد در اين نوع بتن ناپديد شده اند .
كريستال هاي كلسيم هيدروكسيد به وسيله ي واكنش هاي شيميايي سيمان و آب تشكيل مي شود كه شش ضلعي است به همين دليل سطح تماس دانه هاي شن و ماسه را با چسب سيمان را كاهش مي دهد و باعث نفوذ پذيري آب در بتن مي شود نانو سيليس به خاطر سطح مخصوصش فعاليت بالايي دارد و مي تواند واكنش دهد و CSH يا كلسيم سيليكات هيدرات توليد كند و هيدروكسيد را كاهش دهد CSH منافذ را پر مي كند و بتن را متراكم نفوذ ناپذير و با دوام مي سازد .
عکس شماره3_ ميکروساختار بتن معمولی با مراقبت180 روزه
عکس شماره4 _ميکروساختار بتن نانو سيليس با مراقبت 180 روزه
در بتن روسازي يكي از عواملي كه مد نظر است مقاومت سايشي اين بتن است كه با آزمايش هاي مختلف ثابت شده كه با اضافه كردن پلي پروپيلن مقاومت سايشي اين نوع بتن افزايش مي يابد حال در اين آزمايش به مقايسه ي بتن ساده و بتن نانو سيليس و بتن پلي پروپيلن پرداخته شده است كه كداميك مقاومت سايشي بيشتري دارند . براي تهيه ي بتن ها از سيمان پرتلند و شن و ماسه ي خوب دانه بندي شده با اندازه هاي بين mm 25-5 استفاده شده و از ماده مضاف UFN براي پخش شدن نانو سيليس در بتن براي بالا بردن كارايي و از هوازدا براي كاهش مقدار حباب در بتن استفاده شده است در جدول شماره ي 3 نسبت مخلوط كردن مواد براي يك متر مكعب آمده است كه پس از تهيه كردن بتن ساده بتن با مواد پلي پروپيلن و بتن با نانو سيليس هر كدام را در قالبهايي به اندازه mm100×100×100 براي تست مقاومت فشاري در قالب هاي mm400×100×100 براي تست انعطاف پذيري و در قالبهايي به اندازه ي mm150×150×150 براي تست مقاومت سايشي مي ريزيم و پس از عمل ويبراسيون و براي خروج حبابها و فشرده شدن بتن ها و گذشت 24 ساعت براي شكل گيري در يك اتاق با رطوبت استاندارد و دماي 3+20c یا 3-20 نگهداری می شوند.
|
اسلامپ cm
|
Defoamer
|
UNF
|
نانو سيليس
|
پلي پروپلين
|
شن
|
ماسه
|
سيمان
|
آب
|
(kg / m3)
|
|
4-3
|
ـــ
|
4/5
|
ـــ
|
6/0
|
1260
|
650
|
360
|
151
|
بتن با پلي پروپيلن
|
|
3-2
|
216/0
|
4/5
|
6/3
|
ـــ
|
1260
|
650
|
4/356
|
151
|
بتن با نانو سيليس
|
|
6-5
|
ـــ
|
4/5
|
ـــ
|
ـــ
|
1260
|
650
|
360
|
151
|
بتن معمولي
|
جدول شماره 3_ نسبت مخلوط مواد برای يك متر مكعب
پس از اتمام مدت نگهداري بتن ها ماشين سايش روي سطح بتن گذاشته مي شود ماشين سايش قطري به اندازه ي mm75 دارد كه با حركت چرخشي عمل سايش را انجام مي دهد . در هنگام عمل سايش به وسيله فشار آب خاك هاي توليد شده بر اثر عمل سايش را پاك مي كنيم . عمق اوليه پس از 30 چرخش اندازه گيري مي شود پس از آن ماشين سايش 1000 دور مي زند و باز همه عمق سايش را اندازه گيري مي گيريم و پس از اينكه ماشين سايش 5000 دور مي زد عمق سايش به mm5/1 مي رسد و آزمايش متوقف مي شود .رابطه سايش (Ia) با عمق سايش (p) با تعداد دوران دستگاه به شكل زير است .
هر چقدر (Ia) مقاومت سايش بيشتر باشد مقاومت سايشي بين بيشتر است و زماني كه Ia بزرگتر از 60/1 برسد به مقاومت سايشي بتن مي توان اطمينان كرد در جدول شماره ي 4 مقاومت سايشي سه نوع از بتن اندازه گيري شده به كه به شرح زير است .
|
مقاومت سايشي سطح
|
انواع بتن
|
|
19/1
|
بتن معمولی
|
|
42/1
|
بتن با پلي پروپيلن
|
|
06/3
|
بتن با نانو سيليس
|
جدول شماه 4_ مقاومت سايشي
در جدول شماره ي 5 مقاومت فشاري و انعطاف پذيري بتن اندازه گيري شده كه به شرح زير است .
|
مقاومت فشاري (MPA)
|
انعطاف پذيري بتن (MPA)
|
|
|
08/59
|
46/4
|
بتن معمولي
|
|
02/61
|
99/5
|
بتن باپلي پروپلين
|
|
36/66
|
69/5
|
بتن با نانو سيليس
|
در جدول شماره ي 5_ مقاومت فشاري و انعطاف پذيري بتن
نتيجه گيري
نتيجه اي كه از آزمايش نفوذ پذيري آب به دست آمده اين است كه واكنش آب با سيمان كريستال هاي Ca(OH)2 كلسيم هيدروكسيد توليد مي شود كه شكل شش وجهي دارد و باعث مي شود تا سطح تماس دانه هاي ماسه و شن را با چسب سيمان كاهش دهد و حفره هايي در بتن ايجاد مي كند كه به نفوذ پذير بودن بتن كمك مي كند و نانوسيليس به خاطر واكنش پذيري بالاي خود با اين ماده واكنش مي دهد و توليد CSH كلسيم سيليكات هيدرات مي كند كه باعث پر كردن حفرات بتن مي شود و مقاومت نفوذ پذيري بتن را افزايش مي دهد و بتن نانو سيليس ضخيم تر از بتن معمولي است و آزمايش الكتروني روشن مي كند كه نانو سيليس متراكم و يكدستر از بتن معمولي است .در آزمايش مقاومت سايشي بتن روسازي با اضافه كردن نانو سيليس به بتن مقاومت سايشي به صورت چشم گيري افزايش مي يابد و حتي از بتن با پلي پروپلين هم مقاومت سايشي بيشتري دراد بنابراين بتن با نانو سيليس گزينه ي بهتري براي بتن روسازي استاما برای مکان هايي که به بتن با انعطاف پذيری نياز است بهتر است از بتن با پروپيلن استفاده کرد چون بتن نانو سيليس متراکم است و طبق جدول شماره (4) از انعطاف پذيری کمتری نسبت به بتن نانو سيليس برخوردار است.
