مکانیک شکست بتن الیاف مسلح:
مطالعه ی آزمایشگاهی اثر جنس، هندسه و ترکیب الیاف مختلف
خالد سنگین آبادی1، روح اله رستمی2، نبرد حبیبی3، داود مستوفی نژاد4*، محمد ذره بینی
1-دانشجوی دکتری مهندسی عمران، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران
2-دانشجوی دکتری مهندسی نساجی، دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
3- استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران
4-استاد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
5-دانشیار، دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
چکیده
در سال های اخیر استفاده از الیاف پلیمری گسترش قابل توجه ی در مسلح سازی بتن داشته است. نقش اصلی الیاف در رفتار پس از ترک خوردگی بتن بروز می نماید. بررسی دقیق رفتار ترک خوردگی مستلزم به کارگیری مفاهیم مکانیک شکست در فرآیند شکست و گسترش ترک تیرهای بتنی می باشد. به این منظور در این تحقیق 14نمونه ی بتنی به ابعاد 400×100×100 میلی متر که در مرکز وجه کششی خود دارای شکافی به عمق 35 میلی متر می باشند؛ تحت آزمایش خمش چهار نقطه ای قرار گرفتند. در این نمونه ها جنس، هندسه و درصد ترکیب الیاف مختلف، متغیر در نظر گرفته شد. نتایج نشان می دهد که الیاف ماکرو پلی پروپیلن با وجود افزایش مقاومت خمشی، تاثیرقابل توجه ی بر افزایش شکل پذیری بتن ندارند. الیاف میکروپلی استر و پلی پروپیلن عملکرد مناسب تری در حین ترک خوردگی بتن داشته و برای نمونه های حاوی این الیاف در هنگام آغاز ترک خوردگی افت ناگهانی قابل توجه ی در باربری صورت نمیگیرد. همچنین نتایج نمونه های مرکب حاوی الیاف ماکرو پلی پروپیلن و میکرو پلی استر نشان داد که گرچه با افزایش درصد الیاف ماکرو مقاومت خمشی ترک خوردگی افزایش می یابد؛ اما شاخص های شکل پذیری با کاهش رو به رو می شوند. با در نظر گرفتن مجموع ویژگی ها، نمونه ی با نسبت الیاف ماکرو پلی پروپیلن به الیاف میکرو پلی استر 3به2 بهترین عملکرد را خواهد داشت.
کلمات کلیدی:مکانیک شکست،بتن الیاف مسلح،پلی پروپیلن،پلی استر، شکل پذیری.
Fracture mechanics of fiber reinforced concrete: Experimental study of
composition, geometry and hybridization of fibers
Khaled Sanginabadi1, Rohallah Rostami2, Nabard Habibi3, Davood Mostofinejad4*, Mohammad
Zarrebini5
1- PhD candidate in Structural Engineering, Department of Civil Engineering, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
2- PhD candidate in Textile Engineering, Department of Textile Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
3- Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
4- Professor, Department of Civil Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
5- Associate Professor, Department of Textile Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
ARTICLE INFOABSTRACT
Received: 20/04/2018
Revised: 09/07/2018
Accepted: 17/08/2018
Using of polymeric fibers for reinforced concrete structures has
significantly developed in recent years. Polymeric fibers start their
contribution in the behavior of concrete members after cracking. In order
to a careful investigation into post-cracking behavior need to apply fracture
mechanic concept (growth of cracks) in reinforced concrete members. For
this purpose, in this research 14 concrete prisms (100×100×400 mm in
dimensions) with 35 mm notch depth (at the center of tensile side) for four-
point flexural strength test were fabricated. Fiber composition, geometry
and hybridization percent were varied in these samples. Derived outputs
illustrated that macro polypropylene (PP) fiber has no significant effect on
concrete ductility, whereas it leads to increase the flexural strength. But
micro polyester (PET) and PP fibers have more effective performance
during forming cracks in concrete members. PET and PP fibers have a
more suitable function during concrete cracking and the samples
containing these fibers have no significant drop in their bearing while the
cracking is started. In addition, samples reinforced with PP and PET fibers
indicated that by increase in macro fibers, the flexural strength were
increased where as ductility indices decreased. In general, samples
reinforced with %60 of PP macro fibers and %40 PET micro fibers have
the best performance
.
Keywords:
Fracture Mechanics
FRC
Polypropylene
Polyester
Ductility
All rights reserved to Iranian Society of Structural Engineering.
doi: 10.22065/jsce. 2018.127799.1533
*Corresponding author: Davood Mostofinejad.
Email address: dmostofi@cc.iut.ac.ir
1-مقدمه
مزایای سازههای بتن آرمه نسبت به دیگر سازهها، سبب شده که امروزه بتن به یکی از پر کاربردترین مصالح ساخت وساز تبدیل شود. بتن در کنار مقاومت فشاری مناسب، شکل پذیری، مقاومت کششی و خمشیکمیدارد. به این منظور در چند سال اخیر با اضافهکردن الیاف پلیمری به بتن و ساخت بتنهای الیاف مسلح، تا حدود زیادیضعفهای مذکور بهبود یافته است. عمده مزیت الیاف و نقش آنها در بهبود ضعفهای بتن، به عملکرد این الیاف در هنگام ترک خوردگی بتن مربوط میباشد. الیاف در بتن الیاف مسلح به صورت تصادفی و در جهت های مختلف توزیع میگردند؛ از این رو میتوانند با ایجاد پل بین دو لبهی ترک، در نواحی و جهتهای مختلف مانع ازایجاد و رشد ترکشوند [1.]
ترکهای بتن از نظر مقیاسی در دو مقیاس میکرو و ماکروطبقه بندی میشوند. گسترش و به هم پیوستن ترکهای میکرو، ترکهای ماکرو را شکل میدهند. از این رو بهتر است الیاف نیز در دو مقیاس مختلف در بتن مورد استفاده قرارگیرند. الیاف در دو ردهیالیاف میکرو با طول کمتر از30میلیمتر و الیاف ماکرو با طول بیش از30میلی متر(و کمتر از76میلیمتر)طبقه بندیمیشوند. الیاف میکرو نقش کنترل ترک را برعهده داشته و به دلیل خصوصیات مکانیکیپاییننسبت به الیاف ماکرو،نقش تعیینکنندهایرادر بهبود خصوصیات کششی و خمشی بتنندارند. الیاف ماکرو به دلیل دارا بودن خصوصیات مکانیکی مناسب،عالوه بر کنترل ماکرو ترکها،موجبتسلیح و ارتقای خصوصیات مکانیکی بتننیز میشوند [2].
عملکرد الیاف در هنگام ترک خوردگی بتن به عوامل متعددی وابسته میباشد. از جملهی این عوامل جنس الیاف، طول و سطح مقطع الیاف، جهت گیری الیاف و چسبندگی بین الیاف و ماتریس سیمانی هستند. در تحقیقات متعدد و به کمک روشها و آزمونهای مختلفی اثر این عوامل مورد ارزیابی قرار گرفته شدهاست. با توجه به مطرح شدن مکانیزم ترک خوردگی، روشهای بر پایهی مفاهیم علم مکانیک شکست میتوانند مفید واقع شوند. در این راستا تحقیقات آزمایشگاهی و تحلیلی بسیاری بر پایهی مفاهیم مکانیک شکست انجام شده است [2.]
هوان و همکاران در سال2007، به بررسیرفتار شکست اعضای بتن مسلح توسط الیاف مصنوعی پرداختند. در این تحقیق ابتدا شکل بهینهی الیاف مورد بررسی قرار گرفته و سپس به صورت تئوری و آزمایشگاهی به بررسی مقاومت ترک خوردگی و رفتار پس از ترک خوردگی بتنهای الیاف مسلح پرداخته شده است. نتایج نشان میدهد که منحنیهای بار-باز شدگی دهانهی ترک1(CMOD) و جا به جایی-CMOD حاصل از مدل این محققین بسیار به نتایج آزمایشگاهی نزدیک است [3.]
در سال2010بنکاردینو و همکاران، در تحقیقی آزمایشگاهی مشخصات شکست بتن الیاف مسلح را مورد بررسیقرار دادند. در این تحقیقاز الیاف پلی پرویلن به طول19میلی متر و الیاف فوالدی به طول50میلی متر استفاده شد. نتایج نشان دادکه انرژی شکست وابسته به میزان الیاف مصرفی میباشد. به گونهای که با افزایش میزان الیاف انرژی شکست افزایش یافته، که این افزایشبرای بتنهای مسلح به الیاف فوالدی بیشتر میباشد [4.]
در سال2012کاگیانو و همکارن، رفتار شکست تیرهای بتنی مسلح به مخلوط الیاف میکرو و ماکرو فوالدی را بررسی کردند. در حالی که نتایج نشان داد مقاومت ترک خوردگی و رفتار پس از ترک خوردگی به شدت وابسته به حجم الیاف است؛ اما میزان ترکیب الیاف میکرو و ماکرو تاثیر قابل مالحظهای بر مقاومت ترکی خوردگی و شکل پذیری پس از ترک خوردگی ندارد [5.]
آلبرتی و همکارن در سال2016، با انجام تحقیقی گسترده مکانیک شکست بتن مسلح به الیاف پلی الفین رابا بررسی مشخصات بتن، جهت بتن ریزی، طول الیاف و اندازهی نمونهها انجام دادند. به عنوان نمونه نتایج این تحقیق نشان میدهد که استفاده از الیافی با طول بزرگتر، به علت جهت گیری و توزیع مناسبتر، تا حدود زیادی اثر بیرون کشیدگی الیاف را جبران نموده است، اما طول الیاف تاثیر قابل توجهی بر مقاومت پسماند ندارد و تنها مقداریCMODرا کاهشمیدهد [6.]
با وجود انجام تحقیقات گسترده، به علت عدم قطعیت نتایج و پارامترهای متعددی که در رفتار شکست بتن تاثیر گذار هستند، انجام تحقیقات بیشتر الزم به نظر میرسد. از این رو در تحقیق حاضر مطالعهی آزمایشگاهیمکانیک شکست تیرهای بتن مسلح به الیاف انجام گردید. پارامترهای مورد بررسی جنس الیاف، هندسهی الیاف و ترکیب الیاف با جنسها و هندسههای مختلف میباشد. برای نمونه های مورد آزمایش منحنیهای بار-جا به جایی، بار-CMODو بار-باز شدگی نوک ترک2(CTOD) استخراج گردید.به کمک این منحنیها پارامترهای مرتبط با رفتار شکست محاسبه و مورد بررسی قرار گرفت.
به منظور دست یابی به میدان جا به جاییها از روش سرعت سنجی تصویری ذرات (PIV) که مبتنی بر پردازش تصویر دیجیتال است، استفاده گردید. روشPIVبرای اندازه گیری جا به جاییها در تحقیقات مکانیک سیاالت و مکانیک خاک به کار برده می شود. حسینی و همکاران در سال2012با انجام صحت سنجیهای الزم برای اولین بار از این روش در تحقیقات سازهای استفاده کردند [7.]
جهت بررسی رفتار پس از ترک خوردگی بتن مسلح به الیاف، نمونههای استاندارد، چیدمان انجام آزمایش وشرایط استاندارد خاصی تعریف می گردد. این شرایط استاندارد توسط آیین نامههای ملی و بین المللی مختلفی پیشنهاد میگردد. از جملهی مهمترین این آیین نامه ها میتوان بهUNI 11039-2[8] وEN 14651[9] اشاره نمود. در استاندارهای مذکور آزمایش خمش سه نقطهی و یا چهار نقطهای برای تیری دارای شکاف در وجه کششی معرفی شده است. به همین منظور در این تحقیق نیز با استناد به آیین نامههای فوق از آزمایش خمش چهار نقطهای با شکاف در وجه کششی استفاده گردید.
2-مراحل آزمایشگاهی
2-1مشخصات نمونه هاو طرح اختالط بتن
به منظور بررسی مقایسهی تاثیر الیاف ماکرو پلی پروپیلن و میکرو پلی استر بر رفتار بتن مسلح شدهبه الیاف،7طرح مختلف بتنی ساخته شد. هر طرح شامل دو نمونهی استوانهای و دو نمونهی منشوری میباشد. نمونههای منشوری به ابعاد400×100×100میلی متر به منظور انجام تست خمش چهار نقطهای و نمونههای استوانهای به ابعاد300×150میلی متر جهت تعیین مقاومت کششی برای هر طرح استخراج گردید. هم چنین مطابق شکل1-الف در مرکز وجه کششی نمونههای منشوری شکافی به عمق35میلی متر ایجاد گردید.
طرح اختالط برای همهی نمونهها با استفاده از آیین نامهیACI-211[10]انجام شده است.نسبتهای طرح اختالط بتن شامل 379کیلو گرم بر متر مکعب سیمان تیپ1ویژه،757کیلو گرم بر متر مکعب درشت دانه،917کیلو گرم بر متر مکعب ریز دانه و220کیلو گرم بر متر مکعب آب میباشد. بزرگترین بعد درشت دانه5/9میلی متر و بزرگترین بعد ریز دانه75/4میلی متر است. بعد از اتمام اختالط، بتن در قالبهای فلزی منشوری و استوانهای ریخته شد. پس از24ساعت قالبها باز شده و نمونهها به مدت28روزدر شرایط استاندارد در داخل آزمایشگاه عملآوری گردید. بعد از اتمام عمل آوری، به منظور عملکرد مناسب روشPIVبر سطحی از نمونهها کهتحت خمش خالص قرار دارد (یک سوم میانی) به کمک پنج رنگ سفید، آبی، قرمز، سبز و سیاه بافت رنگی مناسب ایجاد گردید.
2-2مشخصاتالیاف
الیاف مورد استفاده از جنس پلی پروپیلن وپلی استر و به میزان ثابت6کیلو گرم بر متر مکعب انتخاب گردید. درمقیاس میکرو الیاف پلی استر و پلی پروپیلن به طول18میلی متر و در دنیر12تهیه گردید. الیاف ماکرو نیز از جنس پلی پروپیلن و در طول33میلی متر انتخاب گردید. خصوصیات الیاف به کار رفته طبق استاندارد3822ASTM D[11] اندازه گیری شده و در جدول1ارائه گردیده است.
2-3مشخصات و طبقه بندی نمونه ها
نمونه ها در دو سری کلی ساخته شد. سری اول فقط شامل الیافی از یک جنس و طول، و سری دوم به صورت ترکیبی از الیافی با دو جنس و طول مختلف میباشد. نام گذاری سری اول به صورتX-Y-nمیباشد. اگر الیاف میکرو باشد،Xبه صورتmicro، و اگر ماکرو باشد به صورتmacroاست.Yنیز جنس الیاف را نشان میدهد که اگر پلی استر باشدPETو اگر پلی پروپیلن باشدPPاست.nنیز شماره تکرار آزمایش میباشد (1یا2.)
سری دوم از نمونهها به صورت ترکیبیاز دو نوع الیاف ساخته شد. نام گذاری این نمونهها به صورتblend-x-y-nنوشته شد.X بیانگر درصد الیاف ماکرو پلی پروپیلن از کل الیاف به کار رفته وyبیان گر درصد الیاف میکرو پلی استر از کل الیاف میباشد.nنیز شماره تکرار آزمایش میباشد (1یا2). به طور مثلنمونهیblend-80-20-1بیانگر این است که این نمونه مرکب بوده و از کل الیاف80درصد آن ماکرو پلی پروپیلن و20درصد میکرو پلی استر است. هم چنین نمونه تکرار شمارهی1میباشد.
2-4 دستگاهانجام آزمایشها
تست خمش چهار نقطهای در دانشگاه صنعتی اصفهان و به کمک دستگاه تافنس ساخت شرکتELEبا ظرفیت50کیلو نیوتن (شکل1)
انجام گردید. در این تحقیق در کلیهی نمونهها بارگذاری منشور بتنی به صورت کنترل جا به جایی و با سرعت3/0میلی متر بر دقیقه انجام شد.
مقاومت کششی شکافتگی نمونههایبتنی با استفاده از تست برزیلی اندازه گیری گردید. به این منظور نمونهها داخل قاب مخصوص قرار گرفته و با استفاده از دستگاه جک فشاری ساخت شرکتELEبا ظرفیت2هزار کیلو نیوتن تحت بارگذاری قرار گرفت.
برای عکس برداری متوالی از سطح نمونهها در حین انجام تست و استفاده از تکنیکPIV، دوربینNikon 5200با رزولوشن24مگاپیکسل مجهز به لنزNikkor 18-135 mmمورد استفاده قرار گرفت.
شکل1: الف-ابعاد و چگونگی اعمال بار ؛ ب-دستگاه انجام تست خمش چهار نقطهای و متعلقات تصویر برداری
3-نتایج و بحث
نتایج حاصل از آزمایش خمش و کشش برای تمامی نمونهها در جدول2آورده شده است.برای هر نمونه مقاومت کششی در روز آزمایش خمش اندازه گیری شده است.در شکل3به منظور مقایسهی مناسب نتایج، نمودار بار نهایی و مقاومت کششی آمده است. قابل مشاهده است که الیاف ماکرو تاثیر قابل توجهی بر مقاومت کششی و باربری نهایی تیردارند. به گونهای که نمونهیmacro-PPکه تمام الیاف آن ماکرو میباشد؛ به ترتیب89و99درصد مقاومت کششی و باربری نهایی بیشتری نسبت به نمونهیmicro-PETدارد. این در حالی است که با افزایش درصد الیاف میکرو پلی استر نسبت به الیاف ماکرو پلی پروپیلن، مقاومت کششی و باربری نهایی کاهش مییابد. به عنوان مثال نمونهی blend-80-20که80درصد از کل الیاف آن، ماکرو پلی پروپیلن و20آن میکرو پلی استر است نسبت به نمونهیblend-20-80(80درصد الیاف میکرو پلی استر،20درصد الیاف ماکرو پلی پروپیلن) به ترتیب31و22درصد مقاومت کششی و باربری نهایی بیشتری دارد.
هم چنین مقایسهی نمونههایmicro-PPوmicro-PETنشان میدهد که الیاف پلی پروپیلن عملکرد مناسبتری در رفتار کششی و خمشی بتن دارند. شکل4گسیختگی نمونه را در لحظهی نهایی نشان میدهد.
3-1رفتار شکست بتن الیافی
جا به جایی وسط تیر و باز شدگی نوک و دهانهی ترک میانی، از پارامترهای تأثیر گذار بر رفتار تیر بتنی الیاف مسلح میباشند.با ترسیم منحنیهای بار-جا به جایی، بار-CMODو بار-CTODاین تاثیرات مورد بررسی قرار میگیرد. به همین منظورجهت ارزیابی دقیق کلیهی جا به جاییها و تغییر شکلها از روش پردازش تصویرPIVاستفاده گردید.جهت ارزیابی جا به جایی و تغییر شکل، در عکس مرجع یک سوم میانی تیر (ناحیهی خمش خالص)پچ بندی میشود. به منظور حذفحرکت احتمالیتیربتنیو تغییرشکلهای تکیه گاهی، یک پچبندیبه ابعاد128×128پیکسلبر رویکل یک سوم میانی تیر، و دو پچبندیبه همین ابعاد در طرفینقسمت میانی تیرو بر روی تکیه گاههاایجاد گردید.از این طریق تمام جا به جاییها یک سوم میانی تیر حاصل میگردد. از طرفی با توجه به ثبت بار در هر لحظه توسط بار سنج، رسم منحنیهایمذکور ممکن میشود. برای تمام نمونهها، این منحنیها استخراج گردید. جهت تحلیل مناسبتر منحنیها، برایهر نمونه منحنی میانگین تکرار اول و دوم رسم گردیده است.
3-1-1اثر جنس و هندسهی الیاف
باتوجه به شکل4نمونههای حاوی الیاف میکرو پلی استر، میکرو پلی پروپیلن و ماکرو پلی پروپیلن رفتار و شکست متفاوتی دارند.کیلو نیوتن به بار4کیلو نیوتن کاهش مییابد. این در حالی است که نمونههایmicro-PPوmicro-PETبا وجود باربری نهایی کمتر، پساز شکست و وقوع اولین ترک، افت ناگهانی قابل توجهی در باربری ندارند. در این نمونهها پس از اولین ترک بار به آرامی کاهش مییابد. در لحظهی نهایی باربری نمونههایmacro-PP،micro-PPوmicro-PETبه هم نزدیک بوده (در حدود2کیلو نیوتن) و جا به جایی نهایی وسط تیر به ترتیب0/7،9/5و4/5میلی متر میباشد.
شکل4-ب بیانگر عملکرد بهتر نمونهیmicro-PETنسبت به نمونههایmicro-PPوmacro-PPمیباشد. در لحظهی نهایی برای این نمونه میزانCMODبرابر5/6میلی متر است. این در حالی است که این عدد برای نمونههایmicro-PPوmacro-PPبه ترتیب برابر 9/6و8/8میلی متر میباشد. هم چنین شکل4-ج نیز عملکرد بهتر نمونهیmicro-PETرا نشان میدهد. با توجه به این شکل میزان CTODبرای نمونههایmicro-PET،micro-PPوmacro-PPبه ترتیب برابر7/5،5/6و8/7میلی متر میباشد. بنابراین میزانCMODو CTODنمونهی حاوی الیاف میکرو پلی استر به ترتیب26و27درصد نسبت به نمونهی حاوی الیاف ماکرو پلی پروپیلن کمتر است. این عدد نسبت به نمونهی حاوی الیاف میکرو پلی پروپیلن به ترتیب5و12میباشد.
3-1-2اثر ترکیب الیاف
شکل5جهت مقایسهی رفتار شکست نمونههای با میزان متفاوتی از الیاف میکرو پلی استر و ماکرو پلی پروپیلن آمدهاست. بر اساس این شکل هرچه مقدار الیاف ماکرو افزایش مییابد (و الیاف میکرو کاهش)؛ شکست ناگهانی و افت محسوس باربری نمود بیشتری مییابد. به طوری که نمونهیblend-20-80(20درصد الیاف ماکرو و80درصد الیاف میکرو) نسبت به نمونهیblend-80-20(80درصد الیاف ماکرو و20درصد الیاف میکرو)42درصد افت باربری کمتری دارد. روند مشابهی برای میزان نهاییCTODمشاهده میشود. این در حالی است که با افزایش میزان الیاف میکرو پلی استر، مقدار نهاییCMODروند کاهشیجزئی دارد. نمونهیblend-60-40(60درصد الیاف ماکرو پلی پروپیلن،40درصد الیاف میکرو پلی استر) نسبت به نمونهیmicro-PET(100درصد الیاف میکرو پلی استر)59درصد افزایش در مقدارCTODرا نشان میدهد. این عدد برای مقدارCMOD50درصد میباشد.
3-2پارامترهای شکست بتن الیافی
3-2-1بر اساسUNI 11039-2[8]
UNI 11039-2[8] پارامترهایی را جهت ارزیابی رفتار پس از ترک خوردگی تیرهای بتنی تعریف میکند. این پارامترها به کمک
نمودارهای بار-تغییر شکل و بار-CTODمحاسبه میگردد. به عنوان نخستین تعریف میتوان به مقاومتاسمی ترک خوردگی اشاره نمود که
مطابق رابطهی1تعریف میشود.
در رابطهی(1)،IfPبار متناظر ترک خوردگی (نیوتن)،bعرض نمونه (100میلی متر)،hارتفاع نمونه (100میلی متر)،lطول
نمونه (300میلی متر) و0aارتفاع شکاف (35میلی متر) میباشد. هم چنین برای بیان مقاومت متوسط ترک خوردگی برایCTODدر بازهی آغاز ترک خوردگی (0CTOD) تاCTODبرابر6/0میلی متر (0.6CTOD) و نیزCTODبین6/0تا3میلی متر به ترتیب دو پارامتر به شکل روابط(2)و(3)تعریف میگردد.
در این روابط تمام پارامترها مشابه رابطهی(1)تعریف میگردد. هم چنین پارامترهای1Uو2Uنیز مطابق شکل6و روابط(4)و
(5)محاسبه میگردند. این آیین نامه جهت بیان میزان شکل پذیری شاخصهای شکل پذیری0Dو1Dرا ارائه میدهد (به ترتیب روابط(6)و(7).)
متوسط پارامترهای مربوطبه روابط1تا7برای برای تمام نمونهها محاسبه شده و در شکل7ارائه گردیده است. مطابق این شکل گرچه نمونهیmicro-PPدارای مقاومت ترک خوردگی باالتری میباشد؛ اما جذب انرژی و فاکتورهای شکل پذیری قابل توجهی ندارد. این در حالی است که نمونههای مرکب (blend) ازلحاظ فاکتورهای شکل پذیری و جذب انرژی عملکرد بهتری نسبت به نمونههای غیر مرکب دارند. با توجه به تمام پارامترهای مورد بحث و بر اساس شکل7، برآیند ویژگیهای نمونهیblend-60-40از سایر نمونهها مناسبتر میباشد.
3-2-2بر اساسEN 14651[9]
EN 14651[9] جهت ارزیابی رفتار پس از ترک خوردگی تیرهای بتنی تحت آزمایش خمش شاخصههایی را تعریف میکند. این پارامترها به کمک نمودارهای بار-تغییر شکل و بار-CMODاستخراج میگردد. به عنوان نخستین تعریف میتوان به مقاومت حد تناسب اشاره
نمود (رابطهی(8).)
در رابطهی(9)LF، حداکثر بار متناضر باCMODبرابر05/0میلی متر،bعرض نمونه (100میلی متر)،lطول نمونه (300میلی
متر) وsphفاصلهی بین نوک شکاف تا باالینمونه(65میلی متر) میباشد. هم چنین مقادیر مقاومت خمشی پسماند متناظر باCMODبرابر
5/0،5/1،5/2و5/3میلی متر با اندیسهای1R,f،2R,f،3R,fو4R,fنشان داده شده و از طریق رابطهی(9)محاسبه میشوند. تعریف پارامترهای
رابطهی(9)مشابه رابطهی(8)بوده وتعیینR,jFبر اساس شکل8میباشد. مقاومت حد تناسب و اندیسهای مذکور برای کلیهی نمونهها
محاسبه و مقادیر متوسط آن در شکل9آمده است.
شکل9نشان میدهد که نمونهیmacro-PP، مقاومت حد تناسب بسیار مناسبی نسبت به سایر نمونهها دارد. به طوری که مقاومت حد تناسب این نمونه نسبت به نمونههایmicro-PETوblend-20-80در حدود100درصد افزایش را نشان میدهد. ایندر حالی است که در اندیسهای تنش پسماند نمونههایblend-80-20وblend-60-40عملکرد بسیار مطلوبتری را نسبت به سایر نمونهها به خصوص نمونههای PP-macroوPET-microدارند. به طوری که اندیس2R,fدر نمونهی20-80-blendبیش از100درصد نسبت به نمونهیPET-micro افزایش دارد. شکل9بیانگر این موضوع است که عملکرد شکل پذیری نمونههای مرکب (blend) نسبت به نمونههای غیر مرکب مناسبتر میباشد.
4-نتیجه گیری
در این تحقیق به منظور بررسی رفتار شکست تیر الیاف مسلح به کمک مفاهیم مکانیک شکست14نمونهی منشوری ساخته شده و مورد آزمایش قرار گرفت. پارامترهای متغیر جنس، هندسهی الیاف و نحوهی ترکیب الیاف انتخاب گردید. خالصهی نتایج پژوهش حاضر به شرح زیر میباشد:
1-نمونههای حاوی الیاف ماکرو پلی پروپیلن از مقاومت ترک خوردگی و کششی باالتری نسبت به نمونههای حاوی الیاف میکروپلیاستر و پلی پروپیلن و یا ترکیب الیاف ماکرو و میکرو برخوردار هستند.
2-بتن الیافی حاوی الیاف میکرو پلی پروپیلن نسبت به بتن الیافی حاوی الیاف میکرو پلی استر عملکرد خمشی و کششی
مناسبتری دارد.
3-در بتنمسلح به الیاف ماکرو پلی پروپیلن با وجود باربری باالتر نسبت به بتنهای مسلح به الیاف میکرو پلی پروپیلن، پلی استر و یا ترکیب الیاف ماکرو و میکرو، پس از آغاز ترک خوردگی باربری دچار افت محسوس شده (تا67درصد) و شکست ناگهانی روی داد. در حالی که سایر نمونهها شکست به آرامی اتفاق افتاد و افت ناگهانی زیادی در باربری مشاهده نگردید.
4-نمونهای که تمام الیاف آن از الیاف میکرو پلی استر انتخاب گردید؛ عملکرد مناسبتری در باز شدگی دهانهو نوک ترک نسبت به نمونههای با الیاف ماکرو و میکرو پلی پروپیلن دارد. به طوری که میزانCMODبرای این نمونه به ترتیب نسبت به نمونهی حاوی الیاف ماکرو و میکرو پلی پروپیلن،26و5درصد کاهش نشان داد. این عدد برای میزانCTODبه ترتیب27و12میباشد.
5-از لحاظ فاکتورهای شکل پذیری نمونهی حاوی60درصد الیاف ماکرو پلی پروپیلن و40درصد الیاف میکرو پلی استر و نمونهی حاوی80درصد الیاف ماکرو پلی پروپیلن و20درصد الیاف میکرو پلی استر عملکرد بسیار مطلوبتری نسبت به سایر نمونهها دارند. نمونههای مذکور به عنوان بهترین درصد ترکیب از الیاف میکرو و ماکرو معرفیگردید.
مراجع
[1] di Prisco, M. Plizzari, G. Vandewalle, L. (2009). Fiber reinforced concrete: new design perspectives. Materials and
Structures, 42(9), 1261–81.
[2] Afroughsabet, V. (2016). High-performance fiber-reinforced concrete: a review. materials science, Vol. 51, pp. 6517–
6551.
[3] Byung, H. Ji, C. Young, C. (2007). Fracture behavior of concrete members reinforced with structural synthetic fibers.
Engineering Fracture Mechanics, Vol. 74, pp. 243–257.
[4] Bencardino, F. Rizzuti, L. Spadea, G. Swamy, R. (2010). Experimental evaluation of fiber reinforced concrete fracture
properties. Composites Part B: Engineering, Vol. 41, pp. 17–24.
[5] Caggiano, A. Cremona, M. Faella, C. Lima, C. Martinelli, E. (2012). Fracture behavior of concrete beams reinforced with
mixed long/short steel fibers. Construction and Building Materials, Vol. 37, pp. 832–840.
[6] Alberti, M. Enfedaque, A. Gálvez, J. (2016). Fracture mechanics of polyolefin fibre reinforced concrete: Study of the
influence of the concrete properties, casting procedures, the fiber length and specimen size. Engineering Fracture Mechanics,
Vol. 154, pp. 225–244.
[7] Hosseini, A. Mostofinejad, D. Hajialilue-bonab, M. (2012). Displacement and strain field measurement in steel and RC
beams using particle image velocimetry. Engineering Mechanics, Vol. 4, pp. 1–10.
[8] UNI 11039-2. 2003. Steel Fiber Reinforced Concrete—Part2: Test Method for Determination of First Crack Strength and
Ductility Indexes.
[9] EN 12390-3. 2009. Testing Hardened Concrete—Part3: Compressive Strength of Test Specimens.
[10] ACI Committee 211. ACI 211.1-91. 2002. Standard practice for selecting proportions for normal, Heavyweight, and
Mass Concrete, Farmington Hills, MI, USA.
[11] ASTM D 3822. 2014. Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers.