رفتار الیاف کربن در بتن

رفتار الیاف کربن در بتن

خلاصه:

مقاله حاضر نتایج آزمایشات برای تعیین خواص و رفتار پیونذ الیاف کربن نشان می‌دهد. رفتار تحت بار حرارتی مورد مطالعه بوده است.

مقدمه:

بدلیل افزایش تقاضا برای استفاده از مواد جدید نیز خوردنده الیاف کربن توحه بیشتری را در حوزة طراحی پل به خود اختصاص می‌دهد. مزیت آن کاهش پوشش بتن بدلیل مقاومت به خوردگی در پوشش بتن و موارد مرتبط می‌باشد. برای رشته‌های پیش تنیده در بارهای زیاد و آنها با رشته‌های فولادی مقایسه می‌شوند. استفاده از تقویت با کربن غیرپیش تنیدة تهیه شده از مشی‌ها، هنوز رایج شده است. توسعة مش تقویت بافت شامل تعیین خواص الیاف و رفتار کوتاه مدت و بلندمدت در بتن می‌باشد. رفتار پیوند الیاف کربن غیرتلقیصی در بتن ، رضایتبخش نمی‌باشد زیرا الیاف داخلی در ناحیة پیوند می‌لغزند، آزمایشات با الیاف اپوکسی ادامه یافت. رزین اپوکسی باید پیوند الیاف با الیاف را بهبود بخشد و ظرفیت حمل بار توسط فعال کردن الیاف

بیشتر، بهبود یابد.

لایه‌بندی اپوکسی در الیاف کربن و بسته به مقدار الیاف در تماس با زرین اپوکسی است. در عکس REM نحوة پوشش اپوکسی الیاف کربن دیده می‌شود. در اینجا آزمایشات با انواع مختلف الیاف و مخلوط‌های شده و رفتار تحت عمل حرارتی ارائه می‌شوند.

2- آزمایشات PWlLOWT .

قبل از توسعه یک مش تقویت الیاف کربن، رفتار پیوند بین الیاف و بتن باید تعیین شود. بنابراین آزمایشات مختلفی انجام شدند. در این بررسی‌ها قطرهای الیاف با استحکام‌های بتن مختلف ترکیب شدند. نمونه‌های آزمایش در جایی بکار رفتند که آزمایش قبلاَ شرح داده شده است. آزمایشات پیوند در موخ‌شوله فور تکنیک، ویرت شافت‌اوند، کولتور(HTWK) لایپزیک انجام شدند. برای نعیین استحکام بتن نمونه‌ها 3 مکعب10/10/10cm³ برای هر مخلوط بتن تولید شد و پس از 28 روز قبل از آزمایشات، آماده گردیدند. در مرحله اول الیاف با ضخامت مختلف در ترکیب با استحکام‌های بتن بررسی شدند. جدول زیر آزمایشات انجام شده را نشان می‌دهد.

تمام نمونه‌ها دارای طول پیوند40 تا 50mm بودند.

برای حصول رابطه بین استحکام بتن و رفتار پیوند، آزمایشات شمارة 5 و 10 مقایسه می‌شوند. شکل‌های 2 و 3 نشان می‌دهند که استحکام پیوند در بتن با چهار برابر استحکام فشاری بالاتر، دو برابر می‌شود. منحنی‌های پیوند در نمودار‌های زیر دیده می‌شوند. X آزمایشات شماره 6 تا 15 منجر به شکست پیوند نشدند بلکه منجر به شکست کششی الیاف شدند.

نیروهای مربوط به استحکام کشش نظری الیاف بودند. از مقایسة 1 و3 مشاهده می‌شود که تاثیر یک زرین اپوکسی برروی رفتار پیوند می‌تواند بطور تجربی نشان داده شود. نیروی PWLLOWT در آزمایش 3 با استحکام بتن یکسان، دو برابر می‌شود. تاثیر انواع مختلف هندسة بکار رفته برای مش نمی‌توانست اندازه‌گیری شود. از این آزمایشات مشاهده می‌شود که یک استحکام پیوند کوچک کمتر از 50mm برای نیروی کششی الیاف در بتن با استحکام بالا چقدر است.

3- بررسی تاثیرات حرارتی روی رفتار پیوند الیاف لایه‌ای بطور مکانیکی:

3.1- علائم مقدماتی

توجه به بارهای حرارتی انجام گرفت زیرا ضریب انبساط حرارتی سیم‌هایCFK با بتن تفاوت دارد. در جهت شعاعی، ضریب‌ حرارتی بیشتر است ولی در جهت طولی سیم کمتر است. یعنی در دمای بالاتر سیم CFK باعث تنش‌های کششی شعاعی در بتن و تنش‌های برشی در منطقه پیوند می‌شود. اگر دما پایین آید، سیم بیشتر منقبض می‌شود و از بتن جدا می‌شود. دمای گرفتن بتن می‌تواند بیش از 60° باشد که بستگی به شرایط مرزی دارد.Setino  اگر اعضای بسیاری موجود باشد و سیمهای CFK با دمای گرفتن بالا تماس داشته باشد پیوند از بین می‌رود قبل از اینکه بار‌گذاری عضو صورت گیرد چون ابعاد نمونه‌های آزمایش خیلی کوچک هستند گرما خیلی سریع می‌تواند خارج شود بنابران این موضوع در آزمایشات واقعی رخ نداد.

3.2 – آزمایشات مقدماتی:

3.2.1.- بررسی مقدماتی آزمایش

تضمین رسیدن دمای محیط به منطقه تماس سیمهای CFK مهم است یعنی

شیب حرارت در داخل مونه باید صفر باشد لذا نمونه تهیه شده با همان ابعاد نمونة Pnllout بررسی گردید. پروپهای دما در محور وجود داشت و در نقطه‌ای بروی سطح سیلندر( استوانه) و 2 پروپ در حالت دهنده برای اندازه‌گیری دمای محیط وجود داشت. هدف تعیین حداقل اقامت نمونه در دمای محیط ثابت بود که در آن توزیع ثابت دما در نمونه رخ می‌دهد شکل 4 منحنیهای دمای نقاط اندازه‌گیری را در محدودة 0-36 ساعت و 0-4 ساعت نشان می‌دهد.در زوم(zoom) می‌توان مشاهداه کرد که تقریباَ هیچ تفاوتی بین نقطه مرکزی و کواتر یک چهارم وجود نداردو دمای داخلی برای دمای سطح در مدت 2ساعت می‌باشد. پس از 3/5 ساعت یک تفاوت ثابت k3/5 وجود دارد این تفاوت از این جقیقت ناشی می‌ِود که پرو پ زیر نمونه قرار گرفت و به عنصر گرم کردن  نزدیک بود و یک شیب حرارتی در هوای حالت‌دهنده( تهویه) وجود داشت. در این نتایج یک اقامت 4:25 ساعت در سطح دمای ثابت برای نمونه‌های آزمایش pull out انتخاب شد.

3.2.2- بررسی نظری:

مسئله انتقال حرارت می‌تواند بطور ریاضی توسط یک معادله دیفرانسیل

جزئی داده شود. چون دمای یک  و مطلق فقطط برای زمان بدست می‌آید یک حد معینی باید تعیین شود. انتقال حرارت در اجسام صلب می‌تواند در مختصات کلی توسط عبارت‌های زیر شرح داده شود:

معادله به شکل مختصات استوانه‌ای نوشته شده است ( شکل 5)

در معدلات اولیه و شرایط مرزی rباr جایگزین می‌شود. راه حل توسط بسط سریها ممکن است ضرایب و متغیرها بویژه معادلات حاوی توابع Bessel بستگی دارد. برای کار برد عملی نموگرام‌هایی وجود دارد که دما برروی سطح ر انشان می‌دهد، در محورذ مرکزی استوانه و دمای میانگین برای حصول یک دمای ثابت در نمونه بکار می‌رود:

 تعیین مقدار واقعی ضریب انتقال حرات مشکل است که هیچ ثابت فیزیکی ندارد ولی به هشرایط مرزی مختلف بستگی دارد مقدار برای   با تأثیر معکوس  انتخاب می‌شود که دورة گرم کردن را شرح می‌دهد. برای دوره سرد کردن مقدار نتایج کمتر است زیرا  به     هدایت حرارتی یک بعدی را در نظر بگیرید که منجر به نتایج زیر می‌شود:

برای تفاوت دما تا محور میانی   

برای تفاوت دمای میانگین کالریمتریک

برای حالت دو بعدی هدایت حرارت (V/Q) ، اقامت کاهش می‌یابد برای تفوت دمای میانگین کالریمتریک:

نتایج تابع دو بعدی با یافته‌های تجربی منطبق نمی‌باشد. یک تفاوت اقامت 10 دقیقه وجود دارد که توسط تعیین معین می‌شود.برای برآورد تأثیر  اقامت برای  محاسبه شد.

 در این حالی نتایج برای تفاو دمای متوسط کالریمتریک  حاصل گردید که با نتایج آزمایش منطبق است. بدلیل اینکه  یک فرض محافظه‌کارانه است یک اقامت برای کاربرد عملی در آزمایشات pull out بکار رفت.

3.3- آزمایشات تحت عمل حرارتی:

3.2.1- نتایج

د سری آزمایش برای بررسی رفتار پیوند تحت شرایط حرارتی متفاوت بررسی گردید برای ابعاد و شکل نمونه‌های را ملاحظه کنید.

شش نمونه با سیکلهای حرارت 61 قبل از آزمایش تماس گرفتند تا مدت 73  روز بدون هر نوع بارگذاری مکانیکی (شکل8 ). سپس یکسری آزمایش در °c  با استفاده از عایقکاری انجام شده سایر سریهای در دمای اتاق بررسی گردید.

شکل6 تأثیر دما بر روی رفتار پیوند را نشان می‌دهد نیروی پیوند نمونة توزیع شده 85% کاهش می‌یابد. اگر تحت دمای اتاق آزمایش گردد در مقایسه با این کاهش مقادیر پیوند فقط 50 % است. اگر با دمای نمونه ° c  آزمایش شود دما توسط کریستالهای کوچک یخ که سیم را با بتن پیوند می‌دهد می‌توانیم این موضوع را بررسی کنیم.

3.2.2- پارامترهای ماده:

مواد مرکب مثل CFRD آن ایزوتروپیک هستند ولی الیاف ارتوتروپیک می‌باشند. ماتریسها معمولاَ همگن و ایزوتروپیک هستند بنابراین خواص مکانیکی استحکام، مدول الیستیسه، انبساط حرارتی، ضریب انبساط رطوبت و سایر مواد توسط اندرکنش ماتریسها و الیاف تعیین می‌شوند. پارامترهای بالا از  برداشت می‌شوند، نسبت حجم الیاف بر اساس D/N 53568 تعیین می‌گردد و از مقادیر سیمهای CFK بالاتر است و به فرآیند تولید بستگی دارد. در آینده بهبود این نسبت برای مقدار  طرح ریزی می‌شود. با استفاده از این پارامترها، ضریب انبساط حرارتی می‌تواند توسط کاربرد اصطلاحات زیر محاسبه شود.

با تغییر دادن نسبت الیاف – حجم پارامترهای زیر برای CFK بدست می‌آیند.

باری حالت دو بعدی هدایت حرارت (V/Q) / اقامت کاهش می‌یابد.

 با تغیر دادن نسبت الیاف – حجم پارامترهای زیر برای  CFK بدست می‌آیند.

3.4- ساختار مکانیکی تحت عمل حرارتی:

برای حصول نتایج واقعی، ماتریس اپوکسی تحت بار حرارت بررسی شدند با استفاده از TMA ضریب انبساط حرارتی رزین اپوکسی در محدودة °     °  تعیین گردید. ساختار انبساط حرارتی خالصی تقریباَ خطی است لذا مقدار ثابت برای کاربردهای مهندسی عمران کافی می‌باشد. مقدار میانگین  می‌باشد . با دانستیه مقدار نسبت حجم و نسبت وزن رزین به سیم CFK ، ضریب انبساط حرارتی می‌توانند توسط معادلات 3,2 محاسب شوند. این ضریب محاسبه شده یک تقریب برای مقدار حقیقی است زیرا بستگی یه میزان پیوند عرضی رزین اپوکسی، نسبت ترکنندگی ابیاف  توزیع همگن رزین در سیمهای CFK دارد و فقط به رطوبت مربوط نمی‌شود. با این ضریب ، توزیع تنش در جهت شعاع و مماس می‌تواند با فرض حلقة انبساط یافتة بارگیری شده توسط تنش‌های شعاعی ثابت در حلقة داخلی با استفاده از معادله(4) ، محاسبه شود.

توزیع تنش در بتن تحت فرض یک تفاوت دمای 20k و پارامترهای ماده مطابق با جدول 1 می‌باشد  دردمای مماسی تنش‌های کششی می‌تواند به 3/22  برای و برای

 برسد تنشهای کششی شعاعی در بتن به در ناحیه تماس بتن و سیم CFK می‌رسد و بطور نمایی کم می‌شود حداکثر تنش ماکزیمم در بتن کمتر از استحکام کششی آن است و مساحت ناحیه تنش‌های کششی خیلی کوچک است که ناشی از نتایج نمایی است. بعضی تأثیرات بیشتر باعث کاهش پیوند می‌شود و یک سیم دایره‌ای ایده‌آل صحیح نیست ، بع شکل واقعی بصورت مستطیلی ‌تر است و تنشهای کششی را تولید می:ند در حالیکه از تنش‌های شعاعی خیلی یبشتر می‌باشند بعلاوه این مدل در نظر نمی‌گیرد که سیم از بتن در دمای پائین جدا شود و بدلیل  کمتر در مقایسه با بتن جابجایی‌های نسبی بین سیم و بتن وجود دارد و بتن استحکامش را تحت این شرایط عوض نمی‌کند و نیروهای پیوند متفاوت توسط خراب کردن ناحیة

پیوند ایجاد می‌شوند.

4- نتیجه:

استحکام پیوند با این موارد افزایش می‌یابد.

1-   ضخامت الیاف اگر الیاف در ماتریس‌های رزین اپوکسی فرو بروند.

2-    استحکام بتن

3- آزمایشات بعدی برای مش‌های الیاف کمربن برابب تعیین خواص پیوند آنها و ظرفبت حمل بار می‌باشد اگر بصورت  تقویت در بتن بکار برود.

4- نسبت به توانائی دوام بررسیهای بعدی تحت جنبة خارجی جذب آب توانائی دوام نسبت حجم – الیاف در حال پیشروی هستند.