شاتکریت با الیاف فولادی

امتیاز کاربران

ستاره فعالستاره فعالستاره فعالستاره فعالستاره فعال
 

 فصل دوم

شاتکریت با الیاف فولادی

 2-1- مقدمه

برای اولین بار در دهه 1970 میلادی، الیاف فولادی برای تقویت شاتکریت بکار گرفته شد و از آن زمان تاکنون، بجای شاتکریت معمولی که با توری سیمی تقویت می شود، به نحو گسترده¬ای از این نوع شاتکریت استفاده می¬کنند. نقش عمده تقویت کننده¬های شاتکریت آن است که خاصیت شکل پذیری مواد ترد و شکننده را افزایش می¬دهد. سیستم نگهداری هنگامی بار قابل توجهی را تحمل می کند که سنگهای اطراف زیرزمینی تغییر شکل می دهند. این امربه معنی آن است که تغییر شکلهای قابل توجه غیرالاستیک و با توزیع ناهمگن، ممکن است از حد مجاز تجاوز کنند و موجب شکستگی سیستم نگهداری شوند، مگر اینکه سیستم نگهداری آنقدر شکل پذیر باشد که خود را با این تغییر شکلها هماهنگ سازد.
هدف اساسی از طرح حائل در سازه¬های زیرزمینی، کمک به توده سنگ است که مقاومت برشی و محوری خود را حفظ و نگهداری کند. در هنگام احداث تونل، پیش از آغاز حفاری، توده سنگ در داخل پروفیل تونل، در تعادل با توده¬ای است که تونل را در بر گرفته و فشار داخلی نگهدارنده که بر سطح پروفیل مورد نظر حفاری وارد می شود، ‌برابر با تنش درجا است¬. هنگامی که در طول پیش می رویم، با فاصله گرفتن از سینه کار، محوریت ناشی از آن کاهش یافته، فشار حائل که توسط سنگ وارد می شد حذف شده است¬، بسته به کیفیت توده سنگ و سطح تنش، تغییر شکل شعاعی در دیواره¬ها و سقف تونل ایجاد می شود. این تغییر شکل¬، باعث وارد شدن بار به سیسستم حائل(که مشابه یک فنر سخت عمل می کند) و فعال شدن آن می شود. در صورتی که سیستم حائلی نصب نشود، تغییر شکل شعاعی در تونل افزایش می یابد و این خود باعث جدا شدن سنگها از لایه¬های بالایی و اضافه شدن وزن سربار ناشی از آنها خواهد شد و در نهایت سقف یا دیواره های حفاری فرو خواهد ریخت.امروزه استفاده از مجموعه های فولادی، سنگدوزها و شاتکریت به عنوان سیستم حائل متداول است . بکارگیری مجموعه های فولادی بطور سنتی رواج دارد و به تدریج در حال منسوخ شدن است . تنها مزیت استفاده از این مجموعه ها احساس ایمنی است که به تیم اجرایی و استفاده کنندگان از تونل القاء می کند. سنگدوزها (Rockbolts)عموماً برای پایدارسازی گوه های منفرد که پتانسیل جدا شدن از دیواره ها و سقف را دارند، بکار می روند.
برای بسیاری از مهندسین مشکل است که باور کنند یک لایه شاتکریت می تواند حائل مؤثری برای تونل باشد و عموماً ترجیح می¬دهند بجای شاتکریت از مجموعه های فولادی استفاده کنند. لیکن قیمت روبه افزایش فولاد و هزینه¬های زیاد کارگری که لازم است برای تولید و نصب این مجموعه¬ها صرف شود، این مهندسین را مجبور کرده انواع دیگر سیستم های حائل را جایگزین کرده و بپذیرند. مهندسینی که تجربه استفاده از شاتکریت را دارند، تردید نمی¬کنند که این مصالح، جایگزینی مناسب، عملی و ماندنی برای مصالح و روش سنتی است . شکل1-2 مقطع تونلی که در آن از شاتکریت به عنوان حائل استفاده شده است را بطور شماتیک نشان می دهد. شکل 2-1- مقطع تونلی با حائل شاتکریت

ایده استفاده از رشته های فولادی که مستقیماً با شاتکریت مخلوط شده و اجراء می شود ، توجه زیادی را به خود جلب، و تحقیقات زیادی در این زمینه طی دو دهه گذشته انجام شده است . در شکل 2-2 تا 2-4، نحوه اجرا دو نوع شاتکریت مذکور مقایسه شده است . شکل2-2- اجرای شاتکریت با الیاف فولادی شکل2 -3- اجرای شاتکریت با الیاف فولادی شکل2-4- اجرای شاتکریت بهمراه توری سیمی

2-2- شاتکریت با الیاف فولادی
شاتکریت با الیاف فولادی یا (Steel Fiber Reinforced Shotcrete (SFRSیا FiberCrete، به انواعی از شاتکریت اتلاق می شود. که درطرح اختلاط آنها، علاوه بر سنگدانه ها، الیاف ( Fiber) فولادی وارد می شود. نتیجه استفاده از این الیاف بالا رفتن مقاومت کششی، مقاومت خمشی، مقاومت دربرابرسایش، مقاومت دربرابرخستگی، مقاومت خزشی، مقاومت دربرابرShrinkage و دوام می باشد.
این روش¬، بیش از 20 سال است که به طور موفقیت آمیزی به عنوان سیستم حائل برای تقویت دیواره، کف و سقف تونلها و نیز تثبیت ترانشه ها مورد استفاده قرار می¬گیرد. با این وجود امکان سنجی استفاده از این تکنولوژی، مبنای مشخص و دقیقی نداشته و نیازمند بررسی¬های زمین شناختی، ژئوتکنیکی و قضاوت مهندسی است¬. همچنین ارزیابی های فنی- اقتصادی در مقایسه این روش با سایر روشهای کنترل تغییر شکل و سیستم حائل تونل برای تصمیم گیری ضروری می باشد. در شکل 2-5 نمونه اجرا شده SFRS نشان داده شده است .

شکل2-5- تونلی با SFRS Lining

رشته¬های فولادی از ظرفیت قابل ملاحظه ای برای نگهداری و حفظ یکپارچگی شاتکریت برخوردار هستند. این بدان معنی است که شاتکریت در محل خود خواهد ایستاد و علیرغم شکستگی، نقشی مفیدی بعنوان حائل ایفا خواهد کرد.
وود(wood) وهمکارانش (1993)، نتایج بررسیهایی را که در مورد نمونه های مختلف شاتکریت که با انواع مختلف الیاف تهیه شده و تحت طیف وسیعی ازآزمایشات قرار گرفته بود، این طور توصیف کردند که در این بررسیها، انواع هر دو نوع شاتکریت با دوده سیلیسی ساده و مجهز به الیاف فولادی که با دو روش خشک و تر تهیه شده بوده، به یک دیواره قائم پاشیده شد. در انواع شاتکریت¬های مجهز به الیاف فولادی¬، میزان الیاف مصرفی 60 کیلو گرم در متر مکعب(2.5 درصد) بود¬. دیواره ها¬، در شرایط آب و هوایی کنترل شده¬ای ( از نظر رطوبت نسبی ) قرار داشتند و پس از مدت 7 روز از زمان شاتکریت، آزمایشها نشان داد که افزودن الیاف فولادی به شاتکریت¬های با دوده سیلیسی، مقاومت فشاری و خمشی را تا حد 20 در صد افزایش می دهد. همچنین شکل پذیری شاتکریت را نیز تا حد قابل توجهی افزایش می دهند. البته استفاده از انواع الیاف (شکل2-7) درجات متفاوتی را از نظر بهبود کیفیت شاتکریت به دست می دهد. شکل2-6- کیسه محتوی شاتکریت از قبل تهیه شده که به وسیله یک نوار نقاله، قیف دستگاه تهیه شاتکریت را تغذیه می کند.

به عــــنوان مثال، مــقاومت فشاری هفت روزه شاتکریت های خشک و تر به ترتیب 30 و25 مگاپاسکال و مقاومت خمشی آنها 4 مگاپاسکال به دست آمد.

شکل2-7- انواع الیاف فولادی که درتهیه شاتکریت بکار می روند.

 

کمپن [compen] (1989) بر روی نمونه هایی از شاتکریت معمولی و شاتکریت مجهز به الیاف فولادی موسوم به درامیکس (Dramix) آزمایش خمش را انجام داد. بر اساس آزمایشهایی که بر روی نمونه های مکعب شکلی از شاتکریت اخیر انجام گرفت، مقاومت فشاری آنها معادل Mpa 50 به دست آمد. در شکل2-8 الیاف درامیکس و در شکل2-9، نتایج آزمایشات بر روی شاتکریت های مجهز به این نوع الیاف، نشان داده شده است. شکل2-8- الیاف فولادی درامیکس . رشته ها به وسیله نوعی صمغ که در آب حل می شود ، به هم متصل اند تا حمل آنها آسان وتوزیع آنها در شاتکریت ، یکنواخت باشد

 

شکل2-9- منحنی های بار- خیز در مورد قطعات شاتکریت ساده و مجهز به الیاف فولادی در آزمایش خمش

مقاومت اوج قطعات شاتکریتی که حاوی 1 و 5/1 درصد حجمی الیاف بود ، نسبت به انواع ساده به ترتیب 85% و 185% افزایش نشان داد و شکل پذیری این دو نوع شاتکریت نیز به ترتیب 20 و 30 برابر شد.

 

2-3-آزمایش SFRS
علاوه برآزمایشهای فوق، آزمایشهای متنوعی توسط استانداردهای اروپا، ژاپن ، آمریکا و اخیراً روش تعمیم یافته استرالیایی پیشنهاد شده است . این آزمایش ها کارآیی SFRS را بوسیله اندازه گیری مقاومت و سختی مواد تشکیل دهنده آن در تحمل نیروی خمشی، کششی و فشاری توصیف می کنند.

خلاصه ای از برخی از این آزمایشها در زیر آورده شده است :
ظرفیت خمشی SFRS را بعد از ایجاد ترک می توان بوسیله روشهای مختلف استاندارد ، بدست آورد. معمولاً از آزمایشهای تیر برای تعیین تغییر شکل پذیری خمشی استفاده می شود . تغییر شکلهای خمشی SFRS معمولاً در حدود 2 تا 3 میلیمتر در تیرهایی با 300 تا 450 میلیمتر طول است . برای گرفتن نتیجه مطلوب دست کم پنج نمونه لازم است .
آزمایش پانل EFNARC شامل یک پانل مسطح با مساحت cm2 600 و ضخامت mm 100 می باشد که در تمامی لبه ها تکیه گاه دارد. خمش در وسط اندازه گیری شده و انرژی جذب شده محاسبه می شود. ملاک کارآیی، انرژی جذب شده استاندارد (بر حسب ژول ) در تغییر شکلهای خمشی بیشتر از mm25 است. مکانیسم شکست پانل نشانگر رفتارلاینینگ(Lining)تونل است، و انجام آزمایش آن آسان تر و نتایج آنها مطمئن تر از آزمایش های تیر است.
آزمایش RPD ، در این آزمایش از یک پانل مدور به قطر mm 800 که در سه نقطه دارای تکیه گاه است، استفاده می گردد. با اعمال نیرو، تغییر شکل خمشی نقطه وسط اندازه گیری می شود، انرژی جذب شده محاسبه شده و نتیجه در تغییر شکل mm 40 به عنوان ارزیابی استاندارد گزارش می شود.

 

شکل2-10- نمونه های از آزمایش 3 نقطه ای بر روی بتن مسلح شده با الیاف فولادی – تکیه گاه ها بایستی کاملاً مفصلی بوده در جهت افق نیز عکس العملی نداشته باشند.

 

2-4- خصوصیات فنی SFRS
ــ پوشش شاتکریت در کاربردهای مختلف از mm125-30 اجراء شده است. اما در پروژه های تونلسازی این ضخامت بین mm150 - 50 متغییر است.
ــ استفاده از انواع افزودنیها درشاتکریت متداول است.ازمیان این مواد،زودگیرکننده ها(مانند کلرورکلسیم،کربنات سدیم،آلومینات سدیم وهیدروکسید کلسیم)،روان کننده ها،مواد پوزولانی و میکروسیلیس کاربرد بیشتری دارند. در کتب تخصصی مهندسی تونل برای هر کدام از این افزودنیها مقادیری توصیه شده است . برای مثال ترکیب مناسب شاتکریت با الیاف فولادی و افزودنیها، در جدول 2-1 پیشنهاد شده است.
البته اعداد مندرج در این جدول را باید به عنوان یک راهنمای کلی در نظر گرفت و در هر مورد با بررسی وضعیت موجود، ترکیب را بهینه کرد. در مورد سیستم خشک، بهتــر آن است که از مخلوطهای از قبل تهیه شده که در کیسه های 1500 کیلوگــرمی عــرضه مـــی¬شود، استفاده کرد.

 

ترکیب

شاتکریت خشک

شاتکریت تر

Kg/m3

در صد مواد خشک

Kg/m3

در صد مواد تر

سیمان

دوده سیلیس

خرده ستگ

الیاف فولادی

زودگیر کننده

روانساز

کاهش دهنده آب

هوای ورودی به مخلوط

 

آب

جمع

420

50

1670

60

13

ـــ

ــ

ــ

19

2.2

75.5

2.7

0.6

ــ

ــ

ــ

420

40

1600

60

13

6 لیتر

2 لیتر

در صورت لزوم

 

180

18.1

1.7

68.9

2.6

0.6

0.3

0.1

در صورت لزوم

 

7.7

در محل افشان کنترل می شود

2213

2321

100

جدول2-1- طرح اختلاط بتن مسلح شده با الیاف فولادی

الیاف فولادی برای استفاده در شاتکریت دارای اشکال مختلفی بوده که در طول ، مقطع عرضی و مقاومت کششی با هم فرق دارند. نتایج بررسی هایwood (1999) در مورد نمونه های مختلف شاتکریت که با انواع مختلف الیاف فولادی مسلح شده بودند، نشان می دهد که افزودن الیاف فولادی به شاتکریتهای با دوده سیلیسی، هر دو مقاومت فشاری و خمشی را تا حد 20 در صد افزایش می دهند و مقاومت در برابر فرسایش و ترک خوردگی را بطور چشمگیری افزایش می دهند. در صورتی که استفاده از تور سیمی جهت افزایش همین مقدار مقاومت فشاری و خمشی در شاتکریت ، طرح را غیر اقتصادی می کند.
در بیشتر تحقیقات و کارهای آزمایشگاهی اخیر، از رشته های فولادی به طول mm 25 و قطر mm25/0 و با نسبت 3 تا 6 در صد وزنی به سیمان و مصالح سنگی استفاده گردیده است . بررسی ها نشان می دهد که استفاده از الیاف فولادی بیش از این مقدار، آمیختن آن با شاتکریت و پاشیدن شاتکریت را با مشکل روبرو می کند. نیز اشکالات ناشی از کلاف و در هم پیچیده رشته ها و پس ریز شاتکریت تا 20٪ گزارش شده است . تحقیقات اخیری که توسط Sandell انجام شده ، نشان می دهد که مخلوط رشته ها با ملات در دهانه لوله پخش، اتلاف آنها را تا حدود 15٪ کاهش داده مشکلات مربوط به در هم پیچیده شدن رشته ها را نیز کم می کند.
ــ Sandell مقاومت خمشی 28 روزه شاتکریت مسلح با رشته های فولادی را MPa 8 گزارش می کند که در مقایسه با شاتکریت غیر مسلح با مقاومت MPa 5ــ2 قابل ملاحظه است.

 

2-5- کاربرد الیاف فولادی در بتن حجیم حاوی میکروسیلیس یکی از روشهای کنترل ترکهای حرارتی در بتن حجیم کاربرد الیاف فولادی است. در بتن مسلح به الیاف فولادی ، عرض ترکها محدود می شود و ترکها بصورت مناسب در سازه توزیع می شود. تحقیقات انجام شده بر روی رفتار فشاری و کششی بتنهای مسلح به الیاف فولادی (براده آهن) ساخته شده از بتن با مقاومت معمولی و بالا نشان می دهد که استفاده از الیاف در بتن، افزایش مقاومت کششی و فشاری را باعث شده و انعطاف پذیری در بتن را افزایش می دهد. همچنین مقاومت ثانویه ای در شاتکریت به سبب وجود الیاف ایجاد می شود. اضافه کردن 1.5٪ وزنی الیاف به بتن می تواند تا میزان 100٪ افزایش مقاومت ترکیدگی در شاتکریت بوجود بیاورد. بنابراین علاوه بر اینکه کاربرد میکروسیلیس 20٪ وزنی با w/c در محدوده 0.2 تا 0.4 در شاتکریت باعث کاهش ترکهای حرارتی می شود. بلکه می توان با کاربرد الیاف فولادی به میزان قابل توجهی از ایجاد ترکهای حرارتی جلوگیری کرد.(کاهش حبس حرارت هیدراسیون در داخل بتن حجیم).

 

2-6- تاثیر الیاف فولادی بر مشخصات مکانیکی شاتکریت و بتن
با رسیدن تنش به حداکثر مقاومت کششی خمیرسیمانی، تعداد زیادی ترک مویی در آن ایجاد(Micro Cracking) ، طول و ضخامت این ترکها با افزایش نیرو و پیوستن آنها به همدیگر شکل گرفته(Macro Cracking) و تجمع این ترکها(Localization) در یک ناحیه باعث شکست بتن می گردد. بنابراین نقش الیاف فولادی جلوگیری از طویل شدن این ترکها بوده و موجب اتصال و دوخته شدن انتهای ترکها به می شود (شکل 2-11) و در این شرایط بجای ترکهای ریز ممتد، تعدادی ترک منقطع دیده می شود(Multiple Cracking). این اثر تا زمان جدا شدن الیاف از زمینه یا بریده شدن آنها ، تشکیل ترکهای بزرگ و تجمع آنها را به تاخیر می اندازد. شکلهای 2-10و2-11 تاثیر الیاف بر رفتار بتن را نشان می دهند. شک2-11- نحوه عملکرد الیاف در دوختن ترکها

 

شکل2-12- تاثیر افزودن الیاف بر رفتار بتن

2-7- نرمی و انرژی شکست
یکی از نتایج بسیار مهمی که افزودن الیاف به شاتکریت ایجاد می کند افزایش نرمی ترکیب است که نقش مهمی در افزایش مقدار انرژی جذب شده دارد. بعنوان مثال درپدیده برخورد، یکی از اصلی ترین خواص مورد نیاز برای مقاومت هدف، داشتن نرمی بالا است. یک المان بتن با مقاومت بالا بدون استفاده از الیاف در صورت برخورد پرتابه ای با سرعت مشخص تحت مقدارمعینی انرژی شکست، خرد می شود وشکست آن بسیارآنی و ترد خواهد بود بطوریکه یکپارچگی المان ازبین می رود. اما همین المان درصورت داشتن الیاف، با مقدارانرژی بیشتری دچارشکست می شود و رفتارشکست آن نرم بوده ، بعد ازشکست یکپارچگی خود را حفظ می کند. نرمی ازآنالیز منحنی تنش – کرنش بدست می آید. نشانه نرمی پارامتر بدون بعدی است که شکل2-13 منحنی تنش – کرنش را نشان می دهد. این نشانه (نرمی) با تقسیم سطح زیر منحنی تنش – کرنش تا یک جابجایی مشخص بر سطح همان منحنی تا نقطه ایجاد اولین ترک بدست می آید. شکل2-13- تعریف نشانه نرمی

با صرفنظر از نرم شدگی کششی شاتکریت ساده نسبت به شاتکریت الیافی، نشانه نرمی برای بتن ساده 1 است. بعبارت دیگر فرض می کنیم بتن ساده به محض ایجاد اولین ترک، می شکند. نشانه نرمی برای بتنهای الیافی بسیار بزرگتراست و به موقعیت ترک، نوع الیاف، نسبت ظاهری، حجم و توزیع آنها بستگی دارد.(1999HARTMANNT.).
در یک سری آزمایشات انجام شده بر روی نمونه های شاتکریت الیافی با مقاومت بالا مشخصاتی مانند نشانه نرمی در مرحله شکست، نرمی مخصوص (نرمی شاتکریت الیافی) به ازای واحد مقاومت کششی یا فشاری آن و انرژی شکست مورد بررسی قرارگرفته است. مشخصات نمونه های آزمایشی در جدولهای 2-2و2-3داده شده است.

 

جدول2-2- طرح اختلاط نمونه های شاتکریت الیافی با مقاومت بالا

جدول2-3- مشخصات الیاف استفاده شده

نتایج بدست آمده از آزمایش برروی نمونه های mm80*500*500 و آزمایش مقاومت بر روی نمونه های مکعبی شکل mm150*150*150 و آزمایش مقاومت کششی و مدول الاستیسیته بر نمونه های استوانه ای mm300*150 در جدول 2-4 ارائه شده است.
جدول2-4- مشخصات مکانیکی نمونه ها انرژی شکت که همانند نرمی شکست می باشد، جزو خصوصیت مهمی از شاتکریت است. در جدول بالا دیده می شود که انرژی شاتکریت ساده N/m1.3 است و انرژی شکست نمونه های الیافی با افزایش حجم الیاف ، افزایش چشمگیری می یابد بطوریکه انرژی شکست بتن الیافی با مقاومت بالا،10500،14250،N/m51000 برای نمونه های دارایkg/m324،36و48 الیاف است. بعبارت دیگر مقدار بسیار زیادی انرژی،حدودN/m 51000 برای شکست بتن الیافی با مقاومت بالاو دارای kg/m348 الیاف فولادی لازم است. انرژی شکست برای غلبه بر اتصال و بیرون کشیدن دانه ها و الیاف مصرف می شود.در سطح گسیختگی مواردی از بریده شدن الیاف و موارد بسیار متعددی از بیرون کشیدگی الیاف از زمینه دیده می شود.(شکل 2-11)

2-8- نفوذپذیری
خصوصیات انتقالی مواد، بخصوص نفوذپذیری بر دوام و یکپارچگی سازه تاثیر بسزایی دارد. نفوذپذیری بالا، در اثر تخلخل یا ترک خوردگی برای عبور آب، کلرایدها و سایر مواد خورنده مسیرهایی ایجاد می کند. اگر مواد خورنده به اجزای تسلیح برسند آرماتورها به تدریج خورده شده و پایداری سازه به خطر می افتد. در مواردی که لایه های بتنی بعنوان حفاظ جلوگیری کننده از نشت پسابها و آلودگیهای سمی بکار می رودٰ نفوذ پذیری تقریبا" اصلی ترین پارامتری است که باید کنترل شود.
با توجه به همین اهمیت، آزمایش نفوذپذیری روی نمونه های شاتکریت الیافی با 1٪ و 0.55 ترک خوردگی انجام شده است. نمونه ها پس از ترک خوردن به طولهای معین، تحت آزمایش نفوذ آب با فشار پایین قرارگرفتند. به نظرمی رسد افزایش حجم الیاف، نفوذپذیری نمونه های ترک خورده را به علت دوختن ترکها، کاهش می دهد. در سایر تحقیقات وجود آستانه ای برای عرض ترک گزارش شده است که ترکهای زیر 100میکرون بر نفوذپذیری تاثیر چشمگیری دارد. این آستانه برای بتن الیافی نیز پذیرفته می شود چون الیاف فولادی تخلخل ترکیب را تغییر نمی دهد. ترکهای شاتکریت به میزان 62٪ و دربتن الیافی 55٪ از عرض ترکها بسته می شوند. این مقایسه نشان می دهد که بتن الیافی رفتار غیر الاستیک تری نسبت به بتن ساده دارد(رفتار شاتکریت الیافی پلاستیک بوده و در نتیجه جذب انرژی،تغییرشکل بیشتر می شود). درشکل زیرنفوذپذیری نمونه های مختلف شاتکریت که دارای ترکهایی به عرض های مختلف هستند نشان داده شده است. دو نکته مهم در این گراف دیده می شود:

Plain
Plain fit
0.6% steel
0.6% steel
1% steel

 

شکل2-14- تاثیرافزودن الیاف فولادی برنفوذپذیری: عرض ترک – لگاریتم ضریب تراوایی بتن و شاتکریت

الف) در ترک خوردگیهایی بزرگ افزودن الیاف بطور واضح نفوذپذیری را کاهش می دهد. علت این پدیده قطع شدن ترکها است. الیاف فولادی ترکها را در انتها بخیه می زنند و باعث کاهش طول و سطح موثر ترک در نفوذ پذیری می شوند. در این حالت بجای اینکه یک ترک طویل اما نازک در زمینه تشکیل شود چند ترک با طول کمتر ایجاد می شود. هر چند که این اثر با افزایش الیاف تقویت می شود اما نقطه بهینه ای وجود دارد که در ورای آن الیاف باعث افزایش نفوذپذیری می شود. نفوذپذیری با توان سوم عرض ترک متناسب است.
ب) با دقت بیشتر در شکل فوق در می یابیم که در ترکهای نازکتر از 100 میکرون افزودن الیاف تاثیری بر نفوذپذیری نگذاشته است. منابع دیگر نیز مرز10میکرونی را برای بتن نرمال بدون آرماتور و خمیرسیمان تایید کرده اند. 2-9- مزایای شاتکریت با الیافی فولادی
شاتکریت معمولی یک ماده نسبتا" ترد و شکننده است، در حالیکه شاتکریت الیافی چون دارای مقاومت زیادتر و خاصیت جلوگیری از ترک خوردگی را داراست، لذا نسبت به شاتکریت معمولی برتریت دارد.
مزایای شاتکریت الیافی در مقایسه با شاتکریت معمولی را می توان بطور خلاصه به شرح ذیل بیان داشت:
- مقاومت در مقابل تورق، سایش و هوازدگی سطح
- مقاومت زیاد در مقابل تنش های خستگی
- مقاومت بسیارعالی در مقابل ضربه
- قابلیت کشش عالی( ظرفیت زیاد تغییرشکل نسبی)
- قابلیت باربری زیاد بعد از ترک خوردگی
- مقاومت کششی ،خمشی و برشی زیاد
- قابلیت انعطاف پذیری
- یک مزیت بارز شاتکریت الیافی،ظرفیت کاری زیاد آن است.ظرفیت کاری دراین متن به مفهوم ظرفیت یک جسم به منظور تبدیل کارخارجی به:
الف) انرژی کرنشی ذخیره شده قابل تغییر
ب) کار داخلی، با تشکیل ترک های جدید ، تغییرشکل الیاف و همراه با تولید حرارت می باشد

خاک بستر روسازی روسازی
شکل2- 15

2-10- روشهای ساخت الیاف فولادی
الیاف فولادی دارای شکل و قطرهای متفاوتی بوده و نحوه ساخت آنها نیز متفاوت می باشد. الیاف فولادی که در حال حاضر در بازارهای جهانی وجود دارند، عمدتاً بر اساس چهار روش زیر تولید می شود:
- کشیدن و بریدن سیم های فولادی – الیاف سیمی
- نورد و برش ورق های فولادی – الیاف برشی یا نواری
- با استفاده از مواد مذاب – الیاف ریخته گری
- تراشیدن سطح ورق های فولادی با استفاده ازدستگاه صفحه تراش – الیاف ماشینی

2-11- کیفیت شاتکریت الیافی (الیاف فولادی)
بطور کلی کیفیت بتن الیافی می تواند به سه عامل عمده زیر بستگی داشته باشد:
1- نسبت های مخلوط شاتکریت
2- مشخصات هندسی الیاف فولادی
- نسبت طول به قطر الیاف
- مهار مکانیکی و زبری سطح الیاف
3- مشخصات فیزیکی و جنس الیاف فولادی
علاوه بر اشکال مختلف الیاف فولادی که در قبل ذکر شد، می توان از الیاف فولادی حلقوی شکل نیز نام برد که در افزایش مقاومت بتن تاثیر بسزایی دارد. جدول2-5- مشخصات انواع الیاف فولادی

2-12- کاربرد شاتکریت مسلح به الیاف فولادی
- تثبیت شیب ها ، ترانشه های سنگی و ریزشی
- ساختمان تونل ها یا معادن و کانالهای آبیاری
- کاربرد در مناطق زلزله خیز و گسلی
- پوشش لوله های فولادی ، رویه جداره های نسوز، سقفهای پوسته ای و ...
- تعمیر قسمت های آسیب دیده سازه های موجود(سدها ، پلها و ...)
- قطعات پیش ساخته مربوط به تونلسازی و حفاری معادن
- آسفالت الیافی شکل2-16- سگمنت های تولید شده با الیاف فولادی جهت لاینینگ تونل(Lining)

در زیر یکی از مهمترین کاربرد الیاف فولادی که در تولید قطعات بتنی پروژه تونل قمرود استفاده شده است تشریح و نتایج آن ارائه می گردد.
پروژه تونل انتقال آب انوج- قمرود که آب آن را ازسرشاخه های دز به رودخانه قمرود متصل می نماید،36کیلومتر طول دارد که 18 کیلومتر انتهایی تونل به روش حفاری مکانیزه توسط دستگاه حفر تونل با سپردوگانه(Double Shield) حفاری شده است وبرای نگهداری دائم جداره تونل از قطعات پیش ساخته بتنی (Segment) استفاده شده است، برای مسلح کردن سگمنتهای بتنی از شبکه های میلگرد فولادی ازنوع AIII با قطر10میلیمتراستفاده شده.لذا طی چند آزمایش بحث جایگزینی آرماتوربا الیاف فولادی درتولید سگمنتها بررسی گردیده که دراینجا به نحوه انجام این آزمایش ها و نتایج آنها پرداخته می شود.
در تونلسازی سنتی بعد از حفاری بعضاً بسته به نوع و کاربری تونل الزامات وپیش بینی های برای تحکیم دیواره ها نیاز می شود. آنچه که تا به حال مرسوم بوده به شرح زیر است.
تحکیم اولیه: شامل یک یا چند لایه مش و احتمالاً راک بولت.
تحکیم ثانویه : بتن مسلح شامل قالب گذاری ، آرماتوربندی دیواره تونل و بتن ریزی.
روش تحکیم بیان شده روشی زمان بر و طاقت فرسایی است . با پیشرفت صنعت تونلسازی در دنیا تکنولوژی ساخت تونل به روش مکانیزه وارد کشور شده است . نحوه آرایش سگمنتها در تونل به صورت هگزاگونال(شش ضلعی یا لانه زنبوری ) می باشد (شکل 2-16). سگمنت مورد نیاز در محل کارخانه سگمنت موجود در کارگاه تولید می شود. قطر تمام شده تونل 3.80 متر و ضخامت سگمنت 25 سانتیمتر می باشد. در این تحقیق نتایج آزمایشات جایگزینی آرماتور با الیاف فولادی در تولید سگمنتها بررسی می شود.

شکل2-17- نحوه آرایش سگمنتهای بتنی در تونل قمرود
2-13- تولید سگمنت مسلح شده با آرماتور در کارخانه تولید سگمنت کارگاه قمرود
2-13-1- مشخصات کلی سگمنت:
در تونل قمرود دو نوع سگمنت کف و بدنه داریم،که مشخصات آنها در جدول 2-6 ارائه شده است . جدول2-6- مشخصات سگمنتهای بتنی

 

2-13-2- مشخصات بتن:
طرح اختلاط بتن استفاده شده در تولید سگمنت های مسلح شده با آرماتور، با توجه به نحوه عمل آوری و نیروهای قابل توجهی که در سنین تازه بتن به آن وارد می شود به شرح جدول شماره 2-7 می باشد.

جدول2-7- مشخصات طرح مخلوط

2-13-3- فرایند تولید:
تولید سگمنت های بتنی شامل مراحل زیر است .
1ـ ساخت شبکه ای از آرماتورها (سبد) مطابق نقشه سازهای (شکل2-17)
2ـ آماده سازی قالبهای بتن و قراردادن سبدهای است در آنها
3ـ تهیه بتن در سیستم بچینگ پلانت(2-16)
4- بتن ریزی قالبها
5ـ عمل آوری در سیستم بخار(2-18)
6ـ خارج کردن سگمنت ها از قالب و دپوی موقت در محل کارگاه سگمنت

 

شکل 2-17- سبدهای آرماتور برای تولید سگمنت
2-13-4- نحوه عمل آوری سگمنت :
پس از بتن ریزی قالبهای سگمنت بر روی آنها پوشش برزنتی کشیده می شود و عمل آوری بتن تحت بخار انجام می شود . شروع عمل آوری تحت بخار از دمای معمولی بتن یعنی حدود 28 درجه سانتیگراد می باشد. دستگاه کنترل هوشمند سیستم بخار[programing logical control] طی مدت 1.5 ساعت دمای بتن را تا 65 درجه سانتیگراد افزایش داده و به مدت 3 ساعت در این دما ثابت نگه می دارد (شکل2-18). البته مدت زمان عمل آوری تحت دمای 65 درجه برای سگمنت کف، به علت حجم زیاد بتن آن 4 ساعت می باشد. پس از اتمام عمل آوری تحت بخار، سگمنت ها از قالب خارج سده و در محیط داخل کارخانه نگهداری می شوند تا بتدریج دمای آنها با دمای محیط کارخانه برابر شود (شکل 2-19). پس از طی 12 ساعت سگمنت های نگهداری شده در کارخانه به خارج از آن انتقال می یابند. شکل2-18- عمل آوری سگمنت درسیستم بخار

شکل2-19- اتمام فرایند عمل آوری و خارج کردن سگمنتها از قالب و حمل و چیدنمان آنها داخل کارگاه

2-13-5- تولید سگمنت با الیاف فولادی:
1- مشخصات الیاف مورد استفاده :
الیاف بکار رفته در این آزمایش به شرح جدول 2-8است .

جدول2-8- مشخصات الیاف فولادی در ساخت سگمنت آزمایشی

2- طرح مخلوط آزمایشی:
با توجه به این که در ساخت سگمنت با آرماتور. به دلیل ضخامت کم سگمنت و کمبود فضای خالی مورد نیاز به بتن با کارآیی بالا نیاز داریم لذا در ساخت سگمنت با الیاف این امکان فراهم شد تا نسبت آب به سیمان را بدون تغییر دیگر آیتمها کاهش دهیم. طرح مخلوطهای بکار رفته به شرح جدول 2-9 می باشد. جدول2- 9- طرح مخلوطهای بکار رفته
3- شرح انجام آزمایش:
برای تست جایگزینی الیاف فولادی بجای میلگرد فولادی، ابتدا مقداری از آرماتورهای سگمنت را با الیاف فولادی جایگزین نمودیم. بدین معنی که در ساخت سبد آرماتور،فقط دو ردیف از اطراف سگمنت را باقی گذاشته و در سایر نقاط آرماتورها را حذف نمودیم و بقیه قسمتها با الیاف فولادی جایگزین شده است(شکل 2-20). برای این منظور 3 عدد سگمنت بدنه و یک عدد سگمنت کف با عیار 30 کیلوگرم الیاف فولادی در هر متر مکعب بتن ساخته شده و تحت آزمایش قرار گرفتند. همچنین وزن قبلی سبدها و وزن جدید آنها مطابق جدول2-10می باشد.سایر شرایط بتن شامل نحوه عمل آوری و طرح اختلاط(جدول2-9 ) دقیقا طبق شرایط کارگاه و بدون تغییر باقی مانده است.

جدول 2-10- طرح مخلوطهای بکار رفته

شکل2-20- شبکه آرماتور و سگمنت تولید شده با میلگرد و الیاف فولادی
بعد از تولید سری اول سگمنت با میلگرد و الیاف فولادی ، در سری دوم برای ساخت سگمنت فقط از الیاف فولادی استفاده شد. پس از ریختن بتن درقالبهای بدون میلگرد وعمل آوری بتن تحت بخار، عملیات باز کردن قالب و بلند کردن سگمنت ها انجام شد. در حین بلند کردن سگمنت های بدون میلگرد، هیچگونه ترک خوردگی ظاهری مشاهده نگردید و سطح بتن نیزصاف تر ازنمونه های قبلی حتی صاف ترازسگمنتهای موجود در کارگاه ایجاد شد(شکل 2-21). شکل2-21- بتن ریزی قالب با بتن الیافی و سگمنتهای تولید شده با الیاف فولادی

4- بررسی نتایج آزمایش
4ـ1- معرفی نیروهای وارد بر سگمنت:
با توجه به اینکه طراحی سگمنت پروژه قمرود با حداقل آرماتور و فقط برای بارهای جابجایی سگمنت می باشد، در بررسی سگمنت های الیافی و میلگردی این پروژه، موارد تست مربوط به بارهای وارد به بتن در سنین اولیه و حین حمل و نقل سگمنت می باشد. می توان این بارها را به شرح زیر بر شمرد:
الف – اولین نیرویی که به سگمنت اعمال می شود، وزن خود سگمنت هنگام جدا شدن از قالب می باشد. در این لحظه بار وزن سگمنت باید توسط بتن و مسلح کننده تحمل شود. با توجه به اینکه فقط 4.5 ساعت از سن بتن می گذرد، عدم ایجاد ترک خوردگی در سگمنت از موارد مهم می باشد.
ب ـ نیروی بعدی هنگام چرخاندن سگمنت توسط جرثقیل به آن وارد می شود .در این لحظه یک بار ضربه ای به سگمنت وارد می شود، که مقدار آن بستگی به وزن سگمنت و مهارت اپراتور جرثقیل دارد.
ج ـ پس از خارج کردن سگمنت ها از قالب هنگام دپوی موقت در کارخانه در هر ردیف سگمنت های بدنه،3 سگمنت و در ردیف سگمنت های کف2 سگمنت روی هم قرار می گیرند. در این حالت سگمنت زیرین بیشترین بار را تحمل می کند. این بار در سن 4.5 ساعته به مدت 12 ساعت بر آن وارد می شود. پس از آن هنگام جابجایی و انتقال سگمنت به دپوی خارج کارخانه و همچنین انتقال به داخل تونل نیروهای مشابهی به سگمنت ها اعمال می شود که به علت هم مقدار بودن با نیروهای قبلی و گیرش بتن سگمنت ، براحتی تحمل می شوند.
د ـ پس از نصب سگمنت و هنگام پیشروی دستگاه حفاری، جکهای دستگاه نیروی فشاری به ضلع جانبی سگمنت اعمال می کنند. این نیروها در بخش طراحی سگمنت منظور شده است ، که به علت فشاری بودن آن بیشتر به بتن اعمال می شوند و مسلح کننده در تحمل آن نقش زیادی ندارد.
هـ ـ در نهایت بارهای سازند از اطراف به سگمنت ها اعمال می شوند، این بارها در بخش طراحی سگمنت موردبررسی قرار گرفته است . همان طور که پیش تر گفته شد بار سازند در طراحی سگمنت پروژه قمرود تعیین کننده نبوده و آرماتورسگمنت بر اساس حداقل میلگرد لازم طبق استاندارد منظور شده است .
لذا بیشترین نیرویی که به سگمنت اعمال می شود، نیروهای حین بلند کردن و جابجایی می باشد که عمدتاً در بخش کششی مهم هستند. یعنی مقاومت کششی بتن سگمنت در سنین اولیه مهم می باشد. با جایگزینی الیاف فولادی بجای میلگرد در سگمنت ها، تمام نیروی کششی به الیاف وارد می شود. لذا آزمایش تعیین مقاومت کششی بتن از اهمیت خاصی برخوردار است . شکل2-22- نیروهای وارد بر سگمنت حین بلند کردن، چرخیدن و دپوی موقت

4ـ 2ـ بررسی نتایج تاثیر نیروهای اولیه وارد بر سگمنت الیافی:
از بتن ساخته شده،4 نمونه استوانه ای جهت آزمایش مقاومت کششی و 6 نمونه مکعبی برای تست مقاومت فشاری بتن، نمونه برداری گردید. دمای بتن 24 درجه و دمای محیط 18 درجه سانتیگراد و اسلامپ نمونه ها بین 16 تا 19 سانتیمتر ثبت و مقرر شد از بقیه نمونه های مکعبی دو نمونه 7 روزه و دو نمونه بعدی 28 روزه تحت آزمایش فشاری و یکی از نمونه های استوانه ای نیز تحت نیروی کششی غیر مستقیم ( آزمایش برزیلی ) قرار گیرد. و3 نمونه دیگر برای آزمایشات 2 و 7 روزه در نظر گرفته شد ونتایج آزمایشات 2 روزه در جدول 2-11 و 2-12 آمده است . جدول2-11- نتایج آزمایش مقاومت فشاری 2 روزه برای نمونه های مکعبی

جدول2-12- نتایج آزمایش برزیلی 2 روزه برای نمونه های استوانه ای(کشش غیر مستقیم)
متوسط مقاومت فشاری بدست آمده از نمونه های مکعب kg/cm2193.5 بوده که از مقاومت مورد نیاز یعنی kg/cm2180 بیشتر است. جدول2-23- نمونه مکعبی در آزمایش فشاری و نمونه استوانه ای در آزمایش برزیلی

 

LOGOSlid

شرکت فنی مهندسی سورین

شرکت فنی مهندسی سورین با نگاه به چشم انداز متعالی خود و با توجه به ارزشها، ضمن رعایت اصول و استانداردهای علمی ومهندسی وفراترازآن، با در اختیار داشتن مجموعه­ای از متخصصین ژئوتکنیک و سازه، امکان ارائه و انجام هرگونه خدمات مشاوره، طراحی، اجرا ونظارت در بخش­های گودبرداری و پایدارسازی، سازه­های بتنی و سازه­های فولادی ساختمان دارا می باشد.

ارتباط با ما

تــهــران، جردن، بلوار گلشهر، برج آی تک، طبقه ششم، واحد 60

تلـفـکس:

                                                              29 500 220 - 021

                                                              19 500 220 - 021

  + اطلاعات بیشتر

 

 

 

 

whatsapp    Telegram  imo