مقدمه و
کلیات
۱-۱٫ مقدمه
یکی از مشکلات مهم در طراحی لرزه ای و اجرای ساختمان ها، بخصوص ساختمان های مرتفع و پل های بزرگ بتنی وزن مرده قابل توجه بکار رفته در آن است. از این رو درصورت استفاده از بتن سبکی که دارای خواص مکانیکی مطلوب باشد، امتیازات قابل توجهی را میتوان به دست آورد که از جمله آن کاهش در بار مرده و نیروی زلزله و به تبع آن کاهش مقاطع در تیر، ستون، دال و پی و همچنین عملکرد بهتر از نظر عایق بندی حرارتی و مقاومت مطلوب در برابر آتش است که در نهایت به اقتصادی شدن طرح منجر خواهد شد. اما با توجه به اینکه خصوصیات مکانیکی بتن غالباً با وزن مخصوص آن نسبت مستقیم داشته لذا در بتن سبک به خاطر پایین بودن وزن مخصوص این نوع بتن از مقاومت کمتری برخوردار میباشد. بنابراین محققان همواره در صدد بوده اند تا با بهره گرفتن از مواد افزودنی به بتن سبک بتوانند خواص مکانیکی آن را بهبود بخشند.

( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

با پیشرفت تکنولوژی و دسترسی بشر به فناوری نانو به دلیل قابلیت های ویژه ای که پیش روی انسان قرار می دهد، لزوم استفاده از آن در صنعت بتن به شدت احساس می شود. علت توجه به فناوری نانو این است که با کاهش در اندازه ذرات، خصوصیات جدید و غیرعادی مکانیکی، الکتریکی، مغناطیسی و … مشاهده می گردد که در حالت عادی دستیابی به این ویژگی ها ممکن نمی باشد.
۱-۲٫ سبک سازی
سبک سازی یکی از مباحث نوین در علم ساختمان است که روز به روز در حال گسترش و پیشرفت می باشد. این فن آوری عبارتست از کاهش وزن تمام شده ساختمان با بهره گرفتن از تکنیک های نوین ساخت مصالح جدید و بهینه سازی روش های اجرا. کاهش وزن ساختمان علاوه بر صرفه جویی در هزینه زمان و انرژی، زیان های ناشی از حوادث طبیعی مانند زلزله را کاهش داده و صدمات ناشی از وزن زیاد ساختمان را به حداقل می رساند[۱]. سبک سازی و مقاوم سازی ساختمانها در برابر زلزله امری ضروری به شمار می رود و در این راستا ارتقاء سطح علمی و تخصصی در جامعه مهندسی کشور و آشنایی با سیستم ها و مصالح جدید ساختمانی امری اجتناب ناپذیر می باشد. از سوی دیگر حل مشکلاتی نظیر زمان طولانی اجرا و یا هزینه زیاد اجرای ساختمانها در بخش مسکن نیازمند ارائه راهکارهای گسترش استفاده از روش های نوین و مصالح ساختمانی جدید جهت کاهش وزن، کاهش زمان ساخت و نهایتاً کاهش هزینه اجرا می باشد. این امر به نوبه خود موجب بهینه سازی ساخت، افزایش تولید مسکن در کشور و رسیدن به شرایط مطلوبتر در اجرا خواهد بود. ضرورت امر سبک سازی با توجه به کاهش نیروی وارد بر ساختمان در برابر زلزله تبیین می گردد، یکی از روش های کاهش نیروی وارد بر ساختمان در زلزله و نیروی برشی پایه براساس اکثر آئین نامه های موجود از جمله استاندارد ۲۸۰۰ زلزله، کاهش وزن سازه می باشد. با توجه به اینکه ایران کشور زلزله خیزی است ساخت اماکن مسکونی با مصالح سبک باید به عنوان یک اصل پذیرفته شود.
۱-۳٫ بتن سبک
۱-۳-۱٫ تعریف
بتن سبک طبق تعریف مؤسسه بتن آمریکا ACI 116R-87عبارت است از: «بتنی که وزن مخصوص آن به طور محسوسی کمتر از وزن مخصوص بتنی است که با سنگدانه های طبیعی یا شکسته ساخته می شود».
۱-۳-۲٫ روش های ساخت بتن سبک
بتن سبک به ۳ روش مختلف ساخته می شود:
۱- با حذف ریزدانه از دانه بندی بتن، بتنی بدست می آید که در اصطلاح «بتن بدون ریزدانه» نامیده می شود.
۲- با جانشین کردن دانه های سنگی بتن معمولی با مصالح سنگی همانند سنگ پا، رس منبسط شده و یا پرلیت و غیره بدست می آید که در اصطلاح «بتن سبک» نامیده می شود.
۳- با ایجاد حباب هوا درون دوغاب سیمان، در هنگام گرفتن آن، ماده اسفنج مانندی که در اصطلاح به نام « بتن گازی» نامیده می شود‍[۲].
۱-۳-۳٫ خصوصیات بتن سبک
ترکیبات این بتن به گونه ای عمل می کند که حالت ضد رطوبت به خود گرفته و به مانند بتن معمولی که جذب آب دارد عمل نکرده و آب را از خود دفع می کند. این بتن تحت فشار مستقیم (پرس) ساخته می شود. بدلیل شکل گیری بتن در فشار، ساختار آن دارای یکپارچگی قابل قبولی است. بتن سبک در قالبهای طراحی شده توسط متخصصین، بصورت یکپارچه ریخته می شود. بدلیل یکپارچگی در نوع ساختمان بتن، قطعه تولیدی از استحکام بالایی برخوردار شده و مقاومت بالایی نیز در برابر زلزله از خود نشان خواهد داد. برای تقویت این بتن از یک یا چند لایه شبکه فلزی در داخل بتن استفاده شده که این حالت همانند مسلح کردن بتن معمولی بوسیله میلگرد می باشد. هزینه تولید این نوع بتن از دیگر مواد ساختمانی به نسبت ویژگی آن پایین تر است. زمان بسیار کمتری جهت تولید دیوارهای بتنی سبک یا قطعات دیگر لازم است. ضایعات مواد اولیه جهت تولید بتن سبک بسیار کمتر از بتن معمولی است، چون تمام مراحل تولید در محل مشخصی صورت گرفته و جهت تولید پروسه ای طراحی گردیده است[۳].
۱-۳-۴٫ مزایای بتن سبک
مزایای استفاده از بتن سبک عبارتند از:

1. 1. کاهش وزن سازه با توجه به وزن کم «در حدود ۳۰۰ تا ۱۷۵۰ کیلوگرم در متر مکعب» در مقایسه با بتن معمولی با وزن مخصوص kg/m³ ۲۴۰۰

۲- کاهش ابعاد عناصر سازه ای مانند تیر، ستون و پی و امکان استفاده از مقاطع کوچکتر
۳- کاهش نیروی زلزله وارد بر سازه
۴- کاهش بار وارد بر قالبهای بتنی به دلیل کاهش ابعاد و وزن مخصوص کم بتن های سبک
۵- بر خورداری از امتیاز سرعت در نصب و انطباق با هر نوع نقشه ساختمانی
۶- مقاومت زیاد بدلیل استفاده از مواد افزودنی
۷- بتن سبک از لحاظ انتقال حرارت و صدا عایق بهتری نسبت به بتن معمولی محسوب می شود[۴].
۱-۳-۵٫ معایب ساختمان های ساخته شده با بتن سبک
این ساختمانها دارای مشکلات ویژه ای هستند که به اختصار میتوان به نمونه های زیر اشاره نمود:

1. 1. مشکلات اتصال اعضاء سازه ای با هم

1. 1. مشکلات حمل و نقل

1. 1. مشکلات درز بندی اتصالات

1. 1. نیاز به گروه نصاب متخصص

1. 1. نگهداری تخصصی

1. 1. مشکل نصب اجزاء غیر سازه ای به دیوارها

۱-۳-۶٫ مشکلات طرح اختلاط بتن سبک و راه های مقابله با آن
با افزایش تقاضا برای مصرف بتن سبک، توجه به مشکلات طرح اختلاط آن، ریختن، متراکم کردن و عمل آوری آن نیز مطرح شد و سعی شد تا راه حل نیز برای آن ارائه گردد. یکی از مشکلات، کنترل کارآیی و در نتیجه کنترل نسبت آب به سیمان در بتن سبک می باشد. توصیه می شود سبکدانه ها در دو حالت کاملاً خشک و یا کاملاً پیش مرطوب شده به کار رود. اگر جذب آب سبکدانه ها خیلی زیاد باشد، روش پیش مرطوبی برای این بتن ها بکار می رود تا افت شدید اسلامپ را شاهد نباشیم. پیش مرطوبی به معنای افزایش رطوبت و آب جذب شده توسط سبکدانه است. اگر جذب آب سبکدانه کم باشد نیاز به پیش مرطوبی نمی باشد. مشکل جدا شدگی در محل و ریختن بتن سبک جدی است، برای همین توصیه می شود اسلامپ بتن (به جزء در مورد بتن های پمپاژی) از ۱۰ سانتی متر تجاوز نکند و مقدار مناسب آن ۵ تا ۵/۷ سانتی متر است. کاهش حداکثر اندازه سبکدانه مصرفی، افزایش عیار سیمان، کاهش نسبت آب به سیمان، بکارگیری مواد ریز پودری مانند پوزولان ها و سرباره ها و ترکیب پودر سنگ به همراه مصرف سبکدانه ها که چندان سبک نباشد میتواند مفید واقع شود و جداشدگی را محدود نماید. بکارگیری مواد حباب زا و ایجاد بتن حبابدار سبکدانه به خوبی در برابر جداشدگی بتن را پایدار می کند. مهم ترین مشکل در امر تراکم جداشدگی است. برای حل این مشکل بهتر است از لرزاندن بیش از حد خودداری شود. در بتن سبکدانه عملاً سبکدانه بالا آمده و شیره در زیر جمع می شود و اگر ماسه معمولی داشته باشیم در پایین جمع می شود. ضربه زدن برای تراکم به ویژه در دالها بهتر از لرزاندن می باشد. استفاده از شمشه و ماله لرزان برای پرداخت سطح بتن توصیه می شود. ماله های آلومینیومی و منیزیمی در پرداخت سبکدانه نیز مناسب می باشد. در عمل آوری نیز باید دقت کرد با اینکه بتن سبکدانه به دلیل اینکه خمیر سیمان می تواند از آب درون سبکدانه در طول زمان عمل آوری استفاده نماید به عمل آوری رطوبتی حساس نیست، اما این بدان معنا نیست که عمل آوری ضرورت ندارد. قسمت های سطحی بتن به دلیل جمع شدگی بیشتر ممکن است نیاز به عمل آوری زیادتری داشته باشد. این عمل آوری بیشتر جنبه حفاظتی دارد و کمتر بر پیشبرد هیدراتاسیون سیمان تأثیر می گذارد[۵].
۱-۴٫ پیشینه تحقیق
اولین گزارشهای تاریخی در مورد کاربرد بتن سبک و مصالح سبک وزن به روم باستان برمیگردد. در اوایل قرن بیستم پس از تولید سبکدانه های مصنوعی، بتن سبکدانه وارد مرحله جدیدی شد. در سالهای ۱۹۷۰ ساخت بتن سبکدانه پر مقاومت آغاز شد که نتایج آن در اوایل دهه ۹۰ منتشر گشت. J.M.Chi et al ضمن مطالعاتی درباره تأثیر خواص سنگدانه ها روی بتنهای سبکدانه نشان داده اند که مقاومت بتن توسط جزء ضعیفتر(سنگدانه ها) کنترل میشود[۳۲]. بررسی های V.Norok Shchenov و W.Whit نشان داد که با بهره گرفتن از سبکدانه های سیلیسی منبسط شده با مصرف سیمان تا kg/m³ ۵۲۰ و میکروسیلیس تا ۲۰ درصد وزن سیمان میتوان به مقاومتی معادل MPa5/70 دست یافت[۳۳]. تحقیقات J.A. Rossignolo و M.V.C. Agnesinin و J.A. Morias نشان داد که با بهره گرفتن از دانه های سبک برزیلی میتوان به مقاومت ۲۸ روزه معادل MPa 6/53 نایل شد[۳۴]. A.Kilic و C.D. Atis و E. Yasar و F. Ozcan نشان دادند که میتوان با دانه های بازالت-پومیس با مصرف سیمان با عیار kg/m³450 و ۱۰ درصد وزنی سیمان استفاده از میکروسیلیس بصورت جایگزین میتوان به مقاومت فشاری MPa8/43 با وزن خشک Kg/m³ ۱۸۲۰دست یافت[۳۵]. V.M. Malhotra نیز توانست با بهره گرفتن از سنگدانه های سنگ رسی منبسط شده به بتن سبکی با مقاومت فشاری MPa 70 که دارای وزن مخصوص Kg/m³ ۲۰۰۰ بوده دست یابد و به این نتیجه رسید که بهترین نسبت اختلاط هنگامی بدست می آید که از مواد سیمانی به میزان Kg/m³ ۵۰۰ متشکل از سیمان نوع سه طبق استاندارد آمریکا برای آزمایش مصالح و خاکستر بادی و محلول میکروسیلیس استفاده گردد[۳۶].Freeman و Wall (2003) نفوذ پذیری بتنهای سبک در مقابل یون کلراید را با بتنهای معمولی مقایسه کردند. این گروه در کار خود عملکرد بتنهای سبک با چهار طرح اختلاط را تحت آزمایش RCPT با بتنهای معمولی مقایسه کردند. نتایج کار حاکی از پایین تر بودن نفوذ کلراید در بتنهای سبک بود[۳۷]. Haque و Khaiat (1999) دوام بتنهای سبک را تحت شرایط محیطی مختلف با بتنهای معمولی مقایسه کردند. به این منظور این گروه تعدادی نمونه بتن سبک با مقاومت Mpa35 و Mpa50 و تعدادی بتن معمولی با مقاومت Mpa 50 را تحت شرایط محیطی دریایی گرم برای مدت ۲ سال قرار دادند. نتایج آزمایشها نشان میداد که نفوذپذیری آب و عمق کربناسیون در بتنهای سبک بیشتر از بتنهای معمولی بود و این امر مستقل از شرایط عمل آوری بود[۳۸]. Van Breugel و Taberi (2000) نفوذ کلراید را در تیرهای بتنی ساخته شده از بتن سبک بررسی کردند. این گروه اثر تنشهای ثانویه در تار بالای تیر تحت اثر خوردگی را بررسی کردند. نتایج کار نشان میداد که رفتار بتنهای سبک در مقایسه با بتنهای معمولی تحت اثر بارهای سیکلی و حرارتی در محیط خورنده تفاوت زیادی ندارد و در بعضی موارد عملکرد بتنهای سبک مناسبتر نیز بود[۳۹]. علی قدس (۱۳۸۷) اثر الیاف فولادی را بر دوام بتنهای سبک مورد بررسی قرار داد. او در کار خود اثر این الیاف را بر خواص مکانیکی بتن سبک تحت سیکلهای تر و خشک مورد بررسی قرار داد[۵]. رنجبر و همکاران (۱۳۸۸) دوام بتنهای سبک حاوی دانه های منبسط شونده پلی استایرن را در محیطهای حاوی کلراید مورد بررسی قرار دادند. این گروه بتنهای سبک حاوی میکروسیلیس را در محیط حاوی ۵% کلراید سدیم تحت سیکل تر و خشک قرار دادند و موقعیت این بتنها را با بتنهای معمولی مقایسه کردند[۶]. احمدی و سهرابی (۱۳۸۷) اثر پوزولان متاکائولن را بر خواص مکانیکی و دوام بتنهای سبک در شرایط خورنده بررسی کردند. این گروه در تحقیق خود دوام بتنهای سبک با چگالی ۱۵۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب را در منطقه خلیج فارس بررسی کردند. نتیجه کار حاکی از بالاتر بودن مقاومت فشاری و پاییین تر بودن درصد تخلخل در بتنهای حاوی متاکائولن نسبت به بتنهای معمولی بود[۷]. علی احمدوند با بررسی آزمایشگاهی کاربرد بتن سبک در دالهای مرکب نشان داد که سقفهای مرکب با بتن سبک در مقایسه با سقفهای مرکب دیگر سبکتر بوده و نقش دیافراگمی خوبی دارند[۸]. محمدرضا یدالهی با تهیه بتن سبک با بهره گرفتن از سبکدانه لیکا به بررسی مقاومت فشاری و خمشی و مدول گسیختگی و خزش این نوع بتن و مسائل اقتصادی پیرامون این بتن پرداخت که معلوم شد بتن لیکا تنها به لحاظ هزینه بتن مصرفی مقرون به صرفه نیست ولی هزینه های مربوط به آرماتور و آرماتوربندی را کاهش میدهد[۹]. عبدالناصر ریگی با بهره گرفتن از سبکدانه های طبیعی پامیس به ارزیابی خواص مقاومتی بتن ساخته شده پرداخت و حدود کاربرد بتن ساخته شده با این دانه ها را مشخص نمود[۱۰]. عباس ناصری به بررسی خواص مقاومتی بتن با سبکدانه اسکوریا پرداخت و نشان داد بتن سبکدانه اسکوریا در محدوده بتنهای سبک سازه ای قرار دارد و افزودن الیاف پروپیلن و الیاف فلزی نتایج مثبتی بر رفتار بتن سبکدانه اسکوریا دارد[۱۱]. مرتضی حسینعلی بیگی و همکاران با ساخت بتن سبک با مقاومت بالا با بهره گرفتن از دانه های سبک لیکا و پودر سنگ و میکروسیلیس نشان دادند میتوان به بتن سبکی با مقاومت فشاری مکعبی از ۳۴ تا ۷۱ مگا پاسکال دست یافت، همچنین ملاحظه گردید نقش پودرسنگ در کاهش تخلخل و افزایش مقاومت فشاری قابل ملاحظه است[۱۲]. اخیراً محققان شرکت وندیداد مستقر در مرکز رشد دانشگاه تهران با بهره گرفتن از فناوری نانو و تغییر واکنش شیمیایی بتن توانسته اند بتن سبک با مقاومت ^۲Kg/cm500 و وزن مخصوص ^۳Kg/cm 2/1 برای اولین بار تولید کنند که دارای کاربری سازه ای هم هست، یعنی میتوان از آن به عنوان سازه باربر استفاده کرد. بتنی که این محققان تولید کرده اند در برابر نیروی کششی و فشاری و نفوذپذیری و سایش بسیار مقاوم میباشد[۱۳] .
شکل (۱-۱). بتن ساخته شده توسط شرکت وندیداد[۱۳]
۱-۵٫ هدف پژوهش
از آنجا که بتن سبک سازه ای، با کم کردن بار مرده ساختمان و کاهش وزن تمام شده ساختمان نیروی زلزله را نیز کاهش می دهد اما سبک کردن بتن باعث ایجاد فضای خالی زیادی در آن میشود و در نتیجه کاهش مقاومت آن را به همراه دارد. برای حل این مشکل استفاده از مواد افزودنی نظیر فوق روان کننده برای کاهش آب مصرفی و پوزولان های ریزساختار مانند میکروسیلیس و نانوسیلیس برای پرکردن خلل و فرج های بتن و افزایش مقاومت آن در نظر گرفته می شود. هر چقدر مواد افزودنی به بتن ریزتر و در مقیاس نانو باشند، خواص چسبندگی و پرکنندگی بتن بیشتر شده و بتن مطلوبتری بدست می آید و با توجه به این مطلب که بسیاری از خواص بتن به عنوان یک ماده متخلخل از ساختارش در ابعاد نانو نشأت میگیرد، لذا امیدهای بسیاری برای استفاده از فناوری نانو در بهبود خواص بتن به وجود آمده و تحقیقات زیادی در کشورهای مختلف در حال انجام است. در تحقیق حاضر به منظور دسترسی به بتن های سبک با مقاومت بالا، طرحهای اختلاط با درصدهای متفاوت حاوی میکرو و نانوسیلیس ساخته شده (درصدهای ۰، ۲، ۴ و ۶ نانوسیلیس و ۰، ۷٫۵ و ۱۵ درصد میکروسیلیس) و خواص مکانیکی بتن همچون مقاومت فشاری، مقاومت کششی غیر مستقیم (آزمایش برزیلی)، آزمایش اولتراسونیک (برای مشخص کردن مدول الاستیسیته دینامیکی) و آزمایش جمع شدگی در سنین متفاوت ۷، ۲۸ و ۹۰ روزه بررسی و اندازه گیری شده و با خواص نمونه کنترل (منظور نمونه شاهد بدون نانوسیلیس و بدون میکروسیلیس) مقایسه کرده و طرح اختلاط بهینه در سه حالت:
الف- بتن سبک فقط حاوی نانوسیلیس با درصدهای مذکور
ب- بتن سبک فقط حاوی میکروسیلیس با درصدهای مذکور
ج- بتن سبک حاوی مخلوط میکرو سیلیس با نانو سیلیس
معرفی شده است.
یادآوری می شود معیار انتخاب طرح اختلاط بهینه بتن سبک باید شرایط زیر را برآورده سازد: