ارزیابی مقاومت فشاری بتن خود تراکم حاوی مواد پودری مختلف از طریق روش امواج اولتراسونیک
چکیده
در این مقاله تاثیر مواد پودری مختلف نظیر متاکائولن، میکروسیلیس و پودر سنگ آهک با درصدهای مختلف بر روی رابطه بین سرعت امواج اولتراسونیک و مقاومت فشاری برای تخمین مقاومت بتن خود تراکم مورد توجه می باشد. درصدهای مختلف متاکائولن، میکروسیلیس و پودر سنگ آهک جایگزین سیمان در بتن خود تراکم می گردند. این مطالعه بر روی مخلوط های بتنی دارای جریان اسلامپ بین 680 تا 712 میلی متر متمرکز شده است. در این مطالعه مخلوط های بتنی با نسبت آب به سیمان 0،38 در نظر گرفته شده است. نیمی از نمونه ها در شرایط مرطوب و در سنین 3، 5، 7، 28 و 42 تهیه و نگهداری شدند و نیمی دیگر در شرایط هوای آزاد آزمایشگاه برای همان سنین نگهداری شدند. سپس در سنین یاد شده آزمایش های اولتراسونیک و آنالیز همبستگی نشان می دهد که تخمین مقاومت فشاری بتن از طریق سرعت امواج اولتراسونیک با ضریب مبستگی بالا بدست می آید. نتایج نشان داد با افزودن مواد پودری به بتن خود تراکم، میزان تخلخل کلیه نمونه ها بجز نمونه حاوی پودر سنگ آهک کاهش می یابد. مقاومت فشاری نمونه های حاوی 10 درصد متاکائولن در سن 42 روزه در شرایط نگهداری تر نسبت به بتن کنترل تا 15 درصد افزایش یافته اند.
1- مقدمه :
مقاومت فشاری یکی از مهمترین مشخصه های بتن است و ارزیابی کمی و کیفی ساز های بتن آرمه از طریق تعیین مقاومت بتن با انجام ازمایش بر روی نمونه های استاندارد انجام می پذیرد. لکن ممکن است این نمونه ها معرف مشخصات و خصوصیات واقعی بتن نباشد. از جمله عوامل موثر می توان به عدم توجه به شرایط عمل آوری واقعی بتن، تغییرات در نوع و مقدار مصالح از پیمانه ای به پیمانه دیگر و عدم توجه به نحوه انتقال بتن اشاره کرد. در تمام این موارد آزمایشات در جا ضرورت پیدا می کند. تاکنون روش های متعددی اعم از نیمه مخرب و غیرمخرب به منظور تخمین مقاومت واقعی بتن در سازه ابداع گردیده است. روش های نیمه مخرب باعث بروز خسارات کوچک و جزیی می شوند که البته در عملکرد سازه ای تاثیری ندارند اما می بایست بلافاصله نسبت به ترمیم بخش های آسیب دیده مبادرت ورزید زیرا از دیدگاه دوام بتن می تواند حائز اهمیت باشد. در این روش ها با توجه به اینکه پارامتری که اندازه گیری می شود با مقاومت بتن مرتبط می باشد، از قابلیت اعتماد بیشتری نسبت به روشهای غیرمخرب برخوردار است که می توان از میان این روش ها به روش های مغزه گیری، مقاومت نفوذ، بیرون کشیدگی و پاره شدگی اشاره نمود. در روش غیرمخرب هیچگونه آسیب سازه ای به عضو مورد نظر وار نمی شود و از نظر پایین بودن هزینه و زمان آزمایش و سهولت انجام آن مورد توجه مهندسین واقع شده است. اساسی ترین محدودیت روش های غیرمخرب در ارزیابی این است که خاصیتی که از بتن سنجیده می شود تحت تاثیر پارامترهای متعدد قرار دارد و از سویی ارتباط فیزیکی معناداری بین پارامتر سنجیده شده و مشخصه بتن مورد نظر وجود ندارد. لذا استفاده از این روش ها در ارزیابی خاصیت مورد نظر بتن (بویژه مقاومت فشاری) می تواند با خطای زیاد مواجه شود که مستلزم تهیه منحنی های کالیبراسیون برای هر نوع بتن مورد استفاده است. در میان انواع روش های غیرمخرب می توان به روش های چکش اشمیت و اولتراسونیک اشاره نمود. در جدول 1 تعدادی از آزمایش ها از نظر زمان، هزینه، سرعت و دقت ارزیابی مقاومت بتن دسته بندی شده اند.
جدول (1) مقایسه آزمایشها از نظر زمان، هزینه، سرعت و دقت ارزیابی مقاومت بتن
قابلیت اطمینان منحنی کالبیراسیون | قابلیت تفسیر نتایج | میزان آسیب به بتن | سرعت انجام ازمایش | هزینه | نام روش |
خوب متوسط متوسط متوسط ضعیف ضعیف | متوسط در بخشهای سطحی بتن در بخشهای سطحی بتن در بخشهای سطحی بتن خوب تنها در سطح بتن | متوسط کم کم کم بدون آسیب احتمالی | آهسته سریع سریع متوسط سریع سریع | بالا متوسط متوسط متوسط کم خیلی کم | مغزه گیری مقاومت نفوذ PULL OUT PULL OFF اولتراسونیک چکش ارتجاعی |
آزمایش اولتراسونیک یکی از مهمترین روش های غیرمخرب در ارزیابی مقاومت فشاری بتن در محل سرویس دهی بشمار می رود. این روش برمبنای عبور امواج ماورای صوت از نمونه می باشد و از آنجایی که مستقیماً با بتن در سازه ارتباط دارد و امواج در عمق بتن نفوذ می کند در مقایسه با آزمایش مکانیکی روی نمونه های کنترل ارجحیت دارد. سرعت امواج ماورای صوت تحت تاثیر خواص الاستیک و مکانیکی بتن است.
2- برنامه آزمایشگاهی
جهت بررسی رفتار بتن های مورد آزمایش پس از رسیدن به طرح اختلاط مناسب، نمونه های مکعبی ساخته شدند. سپس برای بررسی رابطه بین سرعت امواج اولتراسونیک و مقاومت فشاری و احتمال تخمین مقاومت بتن با استفاده از این روش در سنین 42، 28، 7، 5، 3 روزگی ابتدا آزمایش اولتراسونیک صورت پذیرفت و همچنین آزمایش مقاومت فشاری برای کل نمونه ها در دو حالت نگهداری تر و خشک انجام شده و نتایج آنها مورد بررسی قرار گرفت.
2-1- مصالح مصرفی:
سیمان مورد استفاده در این مطلعه، سیمان پرتلند تیپ دو بود که از کارخانه آبیک قزوین تامین شد. خصوصیات شیمیایی سیمان در جدول (1) آمده است. با توجه به اینکه درصد بالایی از حجم بتن را سنگدانه ها تشکیل می دهند، انتخاب نوع سنگدانه و حداکثر اندازه سنگدانه ها از اهمیت خاصی برخوردار می باشد. نمودار دانه بندی شن و ماسه مصرفی با توجه به استاندارد ASTM C 33 در شکل (1) نشان داده شده است.
شکل (1) منحنی دانه بدی مصلح سنگی مورد استفاده مطابق با استاندارد ASTM C 33
در این مطالعه از میکروسیلیس به عنوان یک پوزولان در تولید بتن استفاده شد. میکروسیلیس مورد استفاده در این مطالعه تولید کارخانه میکروسیلیس سمنان است که ترکیبات شیمیایی آن در جدول (1) ارائه شده است.
جدول (1) ترکیبات شیمیایی سیمان و میکروسیلیس
میکروسیلیس | سیمان پرتلند II | |
7.91 | 22 | SIO2 |
1.9 | 2.3 | Fe2O2 |
1 | 44.4 | AL2O2 |
1.68 | 9.64 | CaO |
1.8 | 1.42 | MgO |
0.1 | 0.27 | Na2O |
- | 0.58 | K2O |
- | - | P2O |
0.87 | 1.667 | SO2 |
2 | 1.3 | LiO |
کربنات کلسیم یا همان پودر سنگ آهک که با پایه پرکننده معدنی است به طور گسترده در بتن خود تراکم استفاده می شود که برای بهبود خواص رئولوژیکی بتن خودتراکم مناسب هستند. پودر سنگ آهک سبب افزایش سرعت هیدراتاسیون، افزایش شکل پذیری و پایداری بتن تازه ی خود تراکم می گردد. ترکیبات شیمیایی پودر سنگ آهک در جدول (2) ارائه شده است. متاکائولن یک سیلیکات آلومینیم آمورف سفید رنگ می باشد که دارای خواص پوزولانی می باشد. مشخصات متاکائولن در جدول (2) ارائه شده است.
جدول (2) ترکیبات شیمیایی پودر سنگ آهک و متاکائولن
متاکائولن | پودر سنگ آهک | ترکیب شیمیایی |
52.8 | 0.76 | Sio2 |
36.3 | 0.63 | Al2o3 |
4.21 | 0.7 | Fe2o3 |
0.81 | 12 | Mgo |
0.1 | 42 | Cao |
- | 2.27 | So3 |
آب مصرفی در این پروژه آب شرب شهرستان رشت می باشد. به دلیل اینکه این آب طعم و مزه خاصی ندارد و بطور کلی از لحاظ آشامیدنی مشکل خاصی ندارد لذا از آن می توان در ساخت بتن استفاده کرد. در این تحقیق از فوق روان کننده vand superplast (pce) استفاده شده است که این محصول از نسل جدید فوق روان کننده ها ویژه ساخت بتن خودتراکم بدون نیاز به ویبره و یا انرژی اضافی جهت تراکم و فاقد هرگونه جداشدگی می باشد. ویژگی های فوق روان کننده در جدول (3) آمده است.
جدول (3) ترکیبات شیمیایی فوق روان کننده
نوع | مایع |
---|
دانسیته | 01/0 + 2/1 |
رنگ | قهوه ای |
درجه قلیایی | 5/1 + 5/7 |
نقطه انجماد | در حدود 3- درجه سانتیگراد |
2-2- طرح اختلاط و آماده سازی نمونه ها
طرح اختلاط بتن خود تراکم طبق آیین نامه افنارک با در نظر گرفتن حداکثر اندازه اسمی سنگدانه 20 میلی متر برای نسبت آب به سیمان 38/0 انجام گرفت. در جدول (4) مقادیر مصالح مصرفی در یک متر مکعب بتن به ازای طرح های مختلف اختلاط ارائه شده است. طرح شماره 1 بتن بدون مواد پرکننده و بعنوان بتن ناظر نامگذاری شده است. در طرح شماره 2و3 متاکائولن با درصدهای 10 و 15 جایگزین سیمان شده است. در طرح های شماره 4و5 میکروسیلیس و پودر سنگ آهک با درصد 10 جایگزین سیمان شده اند.
جدول (4) مقادیر مصالح مصرفی در یک متر مکعب بتن به ازای طرح های مختلف اختلاط
GRAVEL | SAND | W/B | WATER | LP | SF | MK | Cement | |
820 | 942 | 0.38 | 175 | - | - | - | 460 | SCC |
806 | 962 | 0.38 | 175 | - | - | 46 | 414 | SCC M10 |
800 | 967 | 0.38 | 175 | - | - | 69 | 391 | SCC M15 |
809 | 948 | 0.38 | 175 | - | 45 | - | 415 | SCC SF10 |
818 | 939 | 0.38 | 175 | 43 | - | - | 418 | SCC LP10 |
فوق روان کننده مورد استفاده نیز تا 2 درصد سیمان بعلاوه پرکننده برای حصول روانی مورد نظر مورد استفاده قرار گرفت.
3- آزمایشات بتن سخت شده
مقاومت فشاری بتن در شرایط نگهداری خشک و مرطوب :
در این تحقیق مقاومت فشاری نمونه های مکعبی با ابعاد 15×15×15 در سنین 42، 28، 7، 5، 3 روز برای دو حالت عمل آوری مرطوب و خشک براساس استاندارد ASTM39 و با سرعت 250 کیلونیوتن بر دقیقه انجام گرفت. تاثیر پرکننده های مختلف بتن خودتراکم در سنین مختلف برمقاومت فشاری در جدول 5 نشان داده شده است. مقاومت فشاری بین 2/17 تا 1/48 اندازه گیری شده است. همانگونه که انتظار می رفت مقاومت فشاری کلیه نمونه ها با افزایش سن بتن بهبود یافته است. گذشته از این نمونه های حاوی متاکائولن اعاد بالاتری را نسبت به بتن های همسن خود بخود اختصاص داده اند.مقاومت فشاری بالای مخلوط های متاکائولن می تواند مرتبط باشد به :
1) اثر پرکنندگی ذرات متاکائولن 2) سرعت هیدراتاسیون بتن 3) واکنش پوزولانی متاکائولن و هیدروکسید کلسیم
جدول (5) مقاومت نمونه ها در شرایط نگهداری خشک
42 | 28 | 7 | 5 | 3 | سن بتن (روز) نام طرح |
40.8 | 37.1 | 26.4 | 22.9 | 18.2 | Control |
48.1 | 43.7 | 29.3 | 24.4 | 20.3 | Mk10 |
48 | 42.9 | 32.8 | 25.3 | 20 | Mk15 |
42.5 | 35.4 | 29.1 | 21.6 | 19.5 | Sf10 |
38.6 | 33.7 | 24.8 | 18.8 | 17.2 | LP10 |
همانگونه که از شکل ها مشخص است روند کسب مقاومت در 7 روز ابتدایی نمایان تر است. در بین مخلوط های مختلف بتن حاوی متاکائولن 10 و متاکائولن 15 درصد مقاومت های بالاتری را بخود اختصاص داده اند. بنا به ملاحظات اقتصادی متاکائولن درصد 10 می تواند درصد جایگزینی بهینه باشد. مخلوط پودر سنگ آهک نسبت به بتن کنترل مقاومت فشاری 42 روزه کمتری را دارا می باشد.
شکل (2) روند کسب مقاومت فشاری کلیه مخلوط ها در شرایط نگهداری خشک
مقاومت فشاری بتن در شرایط نگهداری تر
در جدول 6 کلیه اعداد مقاومت فشاری بتن در سنین 42، 28، 7، 5، 3 روزه در شرایط نگهداری مرطوب آورده شده است. منظور از شرایط مرطوب نگهداری نمونه ها در حوض های آب آهک اشباع می باشند. همانگونه که از اعداد بر می آید باتوجه به افزایش سن بتن مقاومت بتن افزایش یافته است. شیب شکل در سنین ابتدایی نیز تر بوده و مبین این مطلب است که عمده مقاومت نمونه ها در 7 روز ابتدایی شکل گرفته است. بتن حاوی پودر سنگ آهک نسبت به بتن کنترل اعداد کمتری را بخود اختصاص داده که نشان می دهد اگر به دنبال مقاومت بالا باشیم جایگزین مناسبی نیست.متاکائولن 10 درصد بیشترین عدد را به مانند نمونه های خشک دارا می باشد.
جدول (6) مقاومت فشاری نمونه ها در شرایط نگهداری مرطوب
42 | 28 | 7 | 5 | 3 | سن بتن (روز) نام طرح |
46.9 | 43.6 | 31.7 | 25.1 | 19.3 | Control |
53.8 | 51.7 | 32.1 | 27.9 | 21.4 | Mk10 |
53.7 | 50.3 | 37.3 | 29.9 | 20.8 | Mk15 |
49 | 41.9 | 33.1 | 24.2 | 20.7 | Sf10 |
42.7 | 39.5 | 29.9 | 21.7 | 18 | LP10 |
شکل (3) روند کسب مقاومت فشاری کلیه مخلوط ها در شرایط نگهداری مرطوب
سرعت امواج اولتراسونیک در شرایط نگهداری خشک
در این مطالعه جهت تعیین سرعت امواج اولتراسونیک از دستگاه pundit موجود در دانشگاه گیلان استفاده گردید. در جدول 6 سرعت امواج اولتراسونیک آزمایش شده برروی نمونه های مکعبی 15×15×15 در سنین 42، 28، 7، 5،3 روزگی و برای شرایط نگهداری خشک (شرایط دما و رطوبت آزمایشگاهی) برحسب کیلومتر برثانیه ارایه شده است.
جدول (7) سرعت امواج اولتراسونیک مخلوط ها برای شرایط نگهداری خشک
42 | 28 | 7 | 5 | 3 | سن بتن (روز) نام طرح |
4.296 | 4.202 | 4.004 | 3.799 | 3.683 | Control |
4.304 | 4.212 | 4.105 | 3.991 | 3.979 | Mk10 |
4.319 | 4.259 | 4.018 | 3.894 | 3.883 | Mk15 |
4.278 | 4.215 | 4.101 | 3.987 | 3.901 | Sf10 |
4.132 | 3.997 | 3.749 | 3.683 | 3.562 | LP10 |
تاثیر سن بتن بر روی سرعت امواج اولتراسونیک در شکل 4 نشان داده شده است. با افزایش سن بتن، سرعت امواج اولتراسونیک در بتن افزایش می یابد. در سنین اولیه تا 7 روز سرعت امواج در نمونه ها به سرعت افزایش می یابد و سپس این روند کاهش می یابد. به نظر می رسد این رابطه بین سرعت امواج و سن بتن به این دلیل باشد که حجم منافذ مویینه و حفره ها در خمیر سیمان با گذشت زمان و توسعه هیدراتاسیون کاهش می یابد و از مقاومت کاذب بتن در مقابل هدایت امواج کاسته می شود.
شکل (4) سرعت امواج در شرایط خشک
یک پیشنهاد کلی برای کلاس بندی کیفیت بتن توسط آقای وایت هارست ارائه شده است. که بتن ها طبق جدول زیر طبقه بندی می شوند.
جدول (8) کلاس بندی کیفیت بتن براساس سرعت امواج
عالی | 45 ثانیه و بالاتر |
خوب | 5/3 تا 5/4 ثانیه |
مورد تردید | 3 تا 5/3 ثانیه |
ضعیف | 2 تا 3 ثانیه |
خیلی ضعیف | زیر 2 ثانیه |
سرعت امواج اولتراسونیک در شرایط نگهداری مرطوب
در جدول 8 سرعت امواج اولتراسونیک آزمایش شده بر روی نمونه های مکعبی 15×15×15 در سنین 3، 42، 28، 7، 5 روزگی و برای شرایط نگهداری مرطوب (شرایط دما و رطوبت) برحسب کیلومتر برثانیه ارائه شده است.
جدول (9) سرعت امواج اولتراسونیک مخلوط ها در شرایط نگهداری مرطوب
42 | 28 | 7 | 5 | 3 | سن بتن (روز) نام طرح |
4.585 | 4.563 | 4.234 | 3.991 | 3.772 | Control |
4.707 | 4.617 | 4.315 | 4.107 | 3.982 | Mk10 |
4.634 | 4.620 | 4.295 | 4.002 | 3.970 | Mk15 |
4.637 | 4.608 | 4.290 | 4.124 | 3.957 | Sf10 |
4.528 | 4.322 | 4.009 | 3.879 | 3.650 | LP10 |
تاثیر سن بتن بر روی سرعت امواج اولتراسونیک در شکل 5 نشان داده شده است. با افزایش سن بتن، سرعت امواج اولتراسونیک در بتن افزایش می یابد. در سنین اولیه تا 7 روز سرعت امواج در نمونه ها به سرعت افزایش می یابد و سپس این روند کاهش می یابد.
شکل (5) سرعت امواج کلیه مخلوط ها در شرایط نگهداری مرطوب
آنگونه که در شکل مشاهده می شود سرعت اندازه گیری شده برای تمامی مخلوط ها بین 650/3 تا 707/4 کیلومتر بر ثانیه می باشد. به مانند مقاومت فشاری بتن حاوی متاکائولن 10 درصد بالاترین سرعت را دارا می باشد.براساس جدول 7 و کلاس بندی مربوطه کلیه مخلوط ها از کیفیت خوب و عالی برخوردارند.این امر را می توان به این شکل توجیه نمود که در شرایط عمل آوری خشک به علت وجود حفرات هوا که در اثر هیدراتاسیون ناقص در بتن باقی مانده اند، امواج صوتی قادر به عبور از حفرات نبوده و مجبور به دور زدن آنها می باشند که همین امر سبب افزایش زمان عبور امواج اولتراسونیک می شود.
4- رابطه سرعت امواج اولتراسونیک و مقاومت فشاری بتن
درخصوص رابطه سرعت امواج اولتراسونیک و مقاومت فشاری بتن باید گفت که هیچ رابطه نهایی شده مشخصی بین این دو پارامتر وجود ندارد. باتوجه به رابطه مدول الاستیسیته با مقاومت فشاری، سرعت امواج اولتراسونیک با مدول الاستیسیته و چگالی بتن نیز رابطه دارد که موارد فوق الذکر را می توان دلیلی برای سنجش سرعت امواج اولتراسونیک به منظور ارزیابی مقاومت بتن عنوان نمود. متد امواج اولتراسونیک براساس سرعت امواج در مواد بعنوان یک ابزار برای سنجش زمان گذار پالس از یک سمت ماده به سمت دیگر نمونه شناخته می شود. سرعت امواج را می توان با استفاده از رابطه زیر تعیین نمود.
V=X/T
که V سرعت امواج براساس کیلومتر برثانیه
و x فاصله دو طرف نمونه برحسب سانتی متر
T زمان گذر برحسب میکروثانیه
دمیربوجا همچنین رابطه کلی زیر را برای بتن های حاوی پرکننده های معدنی معرفی نمودند.
Fc=aebvc
رابطه بین مقاومت فشاری و سرعت امواج اولتراسونیک در شرایط عمل آوری خشک در نمونه های مکعبی استاندارد 15×15×15 در شکل های 6 تا 10 به نمایش در آمده است.
شکل 6- رابطه بین مقاومت فشاری و سرعت امواج اولتراسونیک برای بتن کنترل در شرایط خشک
شکل 7- رابطه بین مقاومت فشاری و سرعت امواج اولتراسونیک برای بتن حاوی متاکائولن 10 درصد در شرایط خشک
شکل 8- رابطه بین مقاومت فشاری و سرعت امواج اولتراسونیک برای بتن حاوی متاکائولن 15 درصد در شرایط خشک
شکل 9- رابطه بین مقاومت فشاری و سرعت امواج اولتراسونیک برای بتن حاوی میکروسیلیس 10 درصد در شرایط خشک
شکل 10- رابطه بین مقاومت فشاری و سرعت امواج اولتراسونیک برای بتن حاوی پودر سنگ آهک 10 درصد در شرایط خشک
همانگونه که مشاهده می شود ضریب همبستگی بزرگتر از 95/0 بدست آمد. رابطه بین مقاومت فشاری و سرعت امواج اولتراسونیک در شرایط عمل آوری مرطوب در نمونه های مکعبی استاندارد 15×15×15 در شکل های 11 تا 15 به نمایش در آمده است.
شکل 11- رابطه بین مقاومت فشاری و سرعت امواج اولتراسونیک برای بتن کنترل در شرایط مرطوب
شکل 12- رابطه بین مقاومت فشاری و سرعت امواج اولتراسونیک برای بتن حاوی متاکائولن 10 درصد در شرایط مرطوب
شکل 13- رابطه بین مقاومت فشاری و سرعت امواج اولتراسونیک برای حاوی 15 درصد متاکائولن در شرایط مرطوب
شکل 14- رابطه بین مقاومت فشاری و سرعت امواج اولتراسونیک برای بتن حاوی میکروسیلیس 10 درصد در شرایط مرطوب
شکل 15- رابطه بین مقاومت فشاری و سرعت امواج اولتراسونیک برای بتن حاوی 10 درصد پودر سنگ آهک در شرایط مرطوب
5- نتیجه گیری
1- در کلیه مخلوط ها بجز مخلوط حاوی پودر سنگ آهک مقاومت فشاری نسبت به بتن کنترل افزایش پیدا نمود. این مورد مبین این مطلب است که اگر به دنبال مقاومت فشاری بالا باشیم، پودر سنگ آهک جایگزین مناسبی نیست.
2- همانگونه که در مخلوط ها شاهد افزایش مقاومت فشاری بودیم، سرعت امواج اولتراسونیک نیز بوضوح افزایش پیدا نمود.
3- بتن خودتراکم حاوی 10 درصد متاکائولن در سن 28 و 43 روزه مقاومت فشاری بیشتری را نسبت به بتن حاوی 15 درصد از خود نشان داد.
4- رابطه بین سرعت امواج اولتراسونیک و مقاومت فشاری در بتن خودتراکم نمایی است ولی رابطه های مختلفی با ضرایب گوناگون برای پرکننده های گوناگون بدست آمد.
5- ضریب همبستگی بالای 9/0 نشان از یک رابطه خوب نمایی بین سرعت امواج و مقاومت فشاری است.