مقدمه
آتش از شدیدترین شرایط بارگذاری برای سازه‌های بتنی است و اعضا باید الزامات مقاومت در برابر آن را تأمین کنند. بتن خودتراکم با مقاومت زیاد (حدود ۸۰ مگاپاسکال) مزایایی چون عدم نیاز به تراکم دارد و تمام سطح آرماتورها را پوشش می‌دهد، اما شکننده‌تر از بتن معمولی است و جمع‌شدگی بیشتری نشان می‌دهد. افزودن الیاف فولادی به‌طور تصادفی می‌تواند مقاومت و انعطاف‌پذیری را افزایش داده و از شکنندگی جلوگیری کند. با این حال، استفاده گسترده از این الیاف به‌دلیل هزینه و مسائل زیست‌محیطی محدود است. جایگزینی مؤثر آن، پسماند الیاف فولادی بازیافتی از کارخانه‌های تایر است. استفاده از 1 درصد حجمی این الیاف در پژوهش حاضر نشان داد حالت شکست تیرها می‌تواند حتی بدون خاموت از برشی به خمشی تغییر کند.
مطالعات پیشین تأیید کرده‌اند که الیاف فولادی موجب کاهش عرض ترک، بهبود رفتار خمشی و افزایش شکل‌پذیری می‌شود؛ هرچند تحت تنش برشی زیاد جایگزین کامل خاموت‌ها نیست. در سازه‌های بلند، پل‌ها و شمع‌ها که بتن خودتراکم با مقاومت زیاد به‌کار می‌رود، آتش تهدیدی جدی محسوب می‌شود، زیرا دمای مقاومت بتن و فولاد را کاهش داده و پیوند میلگرد و خمیر سیمان را تضعیف می‌کند. تحقیقات نشان داده‌اند که الیاف فولادی می‌تواند از پوسته‌پوسته شدن و انفجار بتن در دماهای زیاد جلوگیری کرده و رفتار سازه‌ای را بهبود دهد.
با وجود این، مطالعات مستقیم روی تیرهای بتن خودتراکم با مقاومت زیاد در شرایط آتش محدود است. در این پژوهش، رفتار تیرهای بدون خاموت تقویت‌شده با ۱ درصد الیاف فولادی بازیافتی در دمای محیط، پس از حرارت‌دهی تا ۶۰۰ درجه سلسیوس به‌مدت ۶۰ دقیقه و نیز تحت بارگذاری همزمان حرارتی-مکانیکی (آتش مستقیم) بررسی شد. نتایج به اثر الیاف فولادی بر مقاومت، سختی، شکل‌پذیری و حالت شکست تیرها و نیز تفاوت عملکرد نمونه‌های حرارت‌دیده و تحت آتش مستقیم پرداخت.
روش تحقیق
برای تولید بتن خودتراکم با مقاومت زیاد از سیمان پرتلند نوع I مطابق ASTM C114، میکروسیلیس مطابق ASTM C1240، سنگدانه‌های درشت و ریز مطابق ASTM C33 با وزن مخصوص به ترتیب 65/2 و 6/2 گرم بر سانتی‌متر مکعب و فوق‌روان‌کننده نوع G مطابق ASTM C494 استفاده شد. سنگدانه درشت شن شکسته محلی با حداکثر اندازه ۱۰ میلی‌متر و جذب آب 44/0 درصد و سنگدانه ریز ماسه طبیعی با حداکثر اندازه 75/4 میلی‌متر، جذب آب 1 درصد و مدول نرمی 7/2 انتخاب گردید. برای افزایش مقاومت کششی و برشی، الیاف فولادی بازیافتی حاصل از ضایعات تایر به میزان 1 درصد حجم بتن، معادل حدود ۸۰ کیلوگرم بر متر مکعب، در دو حالت تک‌طول و ترکیبی به مخلوط افزوده شد. مطابق شکل 1 میلگردهای آجدار گرید ۶۰ مطابق ASTM A615 با قطرهای ۶ و ۱۲ میلی‌متر و مقاومت تسلیم متوسط به ترتیب ۵۱۵ و ۵۸۰ مگاپاسکال نیز برای آرماتورگذاری طولی مورد استفاده قرار گرفت.
فرایند مخلوط‌کردن بتن طی حدود ۷ دقیقه در چند مرحله انجام شد. ابتدا سنگدانه‌ها به مدت ۳۰ ثانیه مخلوط شدند و سپس سیمان و میکروسیلیس افزوده شد و پس از ۶۰ ثانیه مخلوط‌کردن، ۷۰ درصد آب اضافه گردید. در ادامه، فوق‌روان‌کننده در بخش باقیمانده آب حل شد و به‌تدریج به مخلوط افزوده شد و عملیات مخلوط‌کردن برای ۱۲۰ ثانیه ادامه یافت. در مرحله پایانی، الیاف فولادی به‌تدریج وارد مخلوط شدند و پس از ۱۲۰ ثانیه مخلوط‌کردن و ۳۰ ثانیه استراحت، مخلوط آماده گردید. سه طرح مخلوط شامل نمونه شاهد بدون الیاف، نمونه حاوی الیاف ترکیبی و نمونه حاوی الیاف تک‌طول ساخته شد. نتایج آزمایش‌های رئولوژی شامل جریان اسلامپ، آزمون جعبه L، قیف V و آزمون جداشدگی نشان داد که افزودن الیاف موجب کاهش محدود روانی و قابلیت عبور و افزایش ویسکوزیته و مقاومت در برابر جداشدگی می‌شود، به‌گونه‌ای که تنها مخلوط نمونه حاوی الیاف تک‌طول در آزمون قیف V فراتر از حدود تعیین‌شده در EFNARC 2005 قرار گرفت. برای بررسی رفتار سازه‌ای، ۹ تیر بتن مسلح با ابعاد ۱۵۰×۱۷۰×۱۱۰۰ میلی‌متر ساخته شد. تمامی تیرها دارای ۲ میلگرد ۶ میلی‌متری در ناحیه فشاری و ۳ میلگرد ۱۲ میلی‌متری در ناحیه کششی بودند و پوشش بتن برای آرماتورهای فوقانی، تحتانی و جانبی ۲۰ میلی‌متر در نظر گرفته شد. به‌منظور حذف نقش خاموت‌ها در مقاومت برشی، تنها در نزدیکی تکیه‌گاه‌ها سه خاموت ۶ میلی‌متری قرار داده شد. تیرها تحت بارگذاری چهار نقطه‌ای با دهانه خالص ۱۰۰۰ میلی‌متر و طول دهانه برشی ۳۰۰ میلی‌متر آزمایش شدند.
برنامه آزمایش شامل سه گروه بود. در گروه R1 تیرها تحت بارگذاری خمشی در دمای محیط آزمایش شدند و به‌عنوان نمونه شاهد در نظر گرفته شدند. در گروه R2 تیرها در کوره الکتریکی با دمای ۶۰۰ درجه سلسیوس به مدت یک ساعت حرارت داده شدند و پس از خنک‌سازی طبیعی تحت بارگذاری قرار گرفتند. و مطابق شکل 2 گروه R3 تیرها تحت بارگذاری چهار نقطه‌ای همزمان با حرارت ناشی از مشعل قرار گرفتند تا شرایط واقعی آتش‌سوزی شبیه‌سازی شود. این تقسیم‌بندی امکان ارزیابی رفتار تیرها در شرایط عادی، پس از حرارت‌دیدگی و تحت اثر همزمان حرارت و بارگذاری را فراهم ساخت.
نتیجه‌گیری
در این تحقیق، افزودن الیاف فولادی ضایعاتی به بتن خودتراکم پرمقاومت موجب بهبود قابل‌توجه رفتار سازه‌ای آن از نظر چقرمگی، شکل‌پذیری، مقاومت در برابر آتش و نحوه گسیختگی شد. این برنامه آزمایشگاهی نشان داد که الیاف فولادی ضایعاتی می‌تواند با موفقیت به‌عنوان الیاف در تولید بتن خودتراکم پرمقاومت الیافی مورد استفاده قرار گیرد و کاربرد سازه‌ای داشته باشد. این بتن توانست تا حدود ۸۵ دقیقه بدون شکست، مقاومت در برابر آتش را تأمین کند، حتی زمانی که دمای آرماتور از ۴۰۰ درجه سلسیوس فراتر رفت.
ضروری است که ویژگی‌های مقاومت باقیمانده نرمال‌شده این ماده در نظر گرفته شود تا بتوان کاهش خواص مکانیکی و سازه‌ای را به‌وضوح مشاهده کرد. این خواص پس از قرارگیری در معرض دمای ۶۰۰ درجه سلسیوس به مدت ۶۰ دقیقه، کاهش چشمگیری داشتند. نمای ظاهری این تیرها در شکل 3 مشخص شده است. در این دما، برای تیرهای حرارت‌داده‌شده در کوره، بار نهایی حدود 27 درصد نسبت به تیرهای بدون حرارت کاهش یافت. همچنین، شاخص چقرمگی تیرهای شاهد بدون الیاف، تیر حاوی الیاف ترکیبی و تیر حاوی الیاف تک‌طول به ترتیب ۳۹، ۴۳ و ۳۳ درصد نسبت به تیرهای بدون حرارت کاهش نشان داد. شاخص شکل‌پذیری این تیرها نیز به ترتیب ۶۱، ۶۷ و ۵۰ درصد نسبت به تیرهای بدون حرارت کاهش یافت.
با این حال، آزمایش‌های سازه‌ای تا شکست نشان داد که الیاف فولادی ضایعاتی در جلوگیری از کاهش مقاومت تیرهای بتن خودتراکم با مقاومت زیاد پس از قرارگیری در معرض دماهای بالاتر از ۶۰۰ درجه سلسیوس مؤثر نبود. در این سطح، کارایی سازه‌ای الیاف به‌طور قابل‌توجهی کاهش یافت و ظرفیت مکانیکی بتن خودتراکم با مقاومت بالا به‌شدت افت کرد.
علاوه‌براین، نتایج آزمایش‌ها نشان دادند که افزودن ۱درصد الیاف فولادی در تیرهای تحت بارگذاری حرارتی- مکانیکی (شبیه‌سازی آتش)، تغییرمکان نهایی آزمونه‌های حاوی الیاف ترکیبی و تک‌طول را به‌ترتیب حدود ۱۰۰ و ۸۳ درصد افزایش داد. این امر شاخص چقرمگی را به‌ترتیب ۱۴۲ و ۹۲ درصد و شاخص شکل‌پذیری را ۷۶ و ۶۵ درصد بیشتر از آزمونه‌های شاهد کرد. بنابراین، استفاده از الیاف فولادی می‌تواند خواص مکانیکی و سازه‌ای بتن خودتراکم پرمقاومت را در برابر آتش بهبود دهد، هرچند این اثر تنها تا ۶۰ دقیقه قرارگیری در دمای ۶۰۰ درجه سلسیوس پایدار بوده و پس از آن کارایی الیاف کاهش می‌یابد؛ موضوعی که نیازمند پژوهش‌های بیشتر است.
تمرکز این مطالعه بر مقایسه رفتار تیرها در دو حالت حرارت‌دهی کوره‌ای و بارگذاری حرارتی-مکانیکی بود. نتایج نشان داد ظرفیت سازه‌ای در حالت دوم کاملاً از بین رفت، در حالی‌که تیرهای کوره‌ای تنها بخشی از ظرفیت خود را از دست دادند. علاوه‌براین، الگوهای گسیختگی نیز یکسان نبودند، به‌گونه‌ای که آزمایش کوره‌ای توان بازتاب شرایط واقعی آتش را نداشت. لذا توصیه می‌شود در مطالعات آینده از روش بارگذاری حرارتی-مکانیکی استفاده شود. علت این تفاوت به ماهیت آزمایش بازمی‌گردد؛ تیرهای کوره‌ای به‌دلیل فاز خنک‌سازی بخشی از ظرفیت خود را بازیابی می‌کنند، در حالی‌که در بارگذاری حرارتی-مکانیکی، خزش و کرنش گذرا در دماهای بالا شرایط بسیار سخت‌تری ایجاد می‌کند.
دانلود نسخه کامل مقاله