فوالذية جامعة الموصل / كلية الهندسة / قسم الهندسة المدنية

Transcript

1 The Iraqi Journal For Mechanical And Material Engineering, Vol.12, No.4,2012 االنكماش للخرسانة عالية المقاومة الحاوية فوالذية على غبار السليكا والياف د. سالم طيب يوسف استاذ مساعد طالب ماجستير جامعة الموصل / كلية الهندسة / قسم الهندسة المدنية الخالصة في هذا البحث تم عمل خمسة عشر مزجة خرسانية و اعداد نماذج اليجاد مااومة االنغاا و قياس االنكماش باستخدام خمس نسب من غبار السليكا و ثالث نسب من االلياف الفوالذية. و بناء على نتائج الد ارسة تم التوصل الى ان اغافة االلياف الفوالذية تؤدي الى تاليل االنكماش بعمر 90 يوم بحدود 59% بينما اغافة غبار السليكا تؤدي الى زيادة في االنكماش تصل الى 84%. تم ماارنة نتائج االنكماش مع أربعة نماذج معتمدة, األولى نموذج معادلة MC90-99( )CEB 1999( )Muller and Hillsdorf CEB و الثانية نموذج معادلة )GL2000( (Gardner 2004) والثالثة نموذج معادلة )B3( (Bazant and Baweja 1995, 2000( وال اربعة ( )ACI.ACI نتائج الماارنة اوغحت ان اقل مادار لالنكماش كانت لمعادلة.(ACI Committee 209 (1992 الكلمات الدالة: انكماش الخرسانة, خرسانة عالية المقاومة, االلياف الفوالذية, غبار السليكا Shrinkage of high strength concrete containing silica fume and steel fiber Dr. salim T. Yousif Assistant Prof. hisaan Shams-aldeen MSc Student University of Mosul/College of Engineering Abstract In this research, molds from fifteen concrete mixes were prepared to find the compressive strength and shrinkage using five levels of silica fume and three ratios

2 االنكماش للخرسانة عالية المقاومة الحاوية على غبار السليكا والياف فوالذية د. سالم طيب يوسف of steel fibers. Based on the results of the study, the addition of steel fibers lead to reduce the 90 days shrinkage up to 59%, while the silica fume lead to an increase in the shrinkage of the concrete up to 84%. Results were compared with shrinkage of four supported models, the first model of equation (CEB), second model of equation (GL2000), third model of equation (B3) and the fourth of (ACI ). Results of the comparison showed that the shrinkage by the ACI equation is the least. Keywords: Shrinkage, High strength concrete, Steel fibers, Silica fume 1- المقدمة عندما تتعرض الخرسانة المتصلدة -المعالجة فى الماء - للجفاف فإنها تفاد الماء الموجود فى الفجوات والشاوق الشعرية الداخلية وال تبدأ فى اإلنكماش إال إذا إستمر الجفاف بحيث تفاد الماء الموجود بالعجينة المتصلدة ذاتها وهو ما يعرف باإلنكماش نتيجة الجفاف ومن أهم وظائف الركام فى الخل ة تاليل إنكماش مونة االسمنت. واإلنكماش بالجفاف يبدأ بمعدالت عالية ويستمر لمدة ويلة ولكن بمعدل يتناقص بإستم ارر. ويمكن إفت ارض أن نصف االنكماش الكلى نتيجة الجفاف يحدث فى السنة األولى. يال االنكماش رديا مع نسبة حجم الخرسانة الى مساحة س حها. وال يسبب االنكماش مشاكل إال إذا كان هناك قيدا على الحركة حيث يسبب إجهاد شد داخل الخرسانة مما يؤدى إلى تشااها ويمكن التاليل من اآلثار الغارة لالنكماش عن ريق المعالجة الصحيحة والمبكرة للخرسانة. واالنكماش نتيجة فادان الماء للخرسانة يتأثر باالنكماش لعجينة االسمنت ومحتوى الماء والسمنت والخصائص الكيميائية للسمنت والمحتوى الهوائي للخل ة والمغافات و الظروف الجوية و كميات و خصائص الركام. قام الباحث ( )Miyazawa [1] بد ارسة االنكماش للخرسانة عالية المااومة وبر وبة محي ة مختلفة واستنتج الباحث أن تأثير الر وبة المحي ة على االنكماش للخرسانة العالية المااومة يختلف عن االنكماش للخرسانة االعتيادية ناصان في الكتلة وال ول للنموذج عندما تكون الر وبة الداخلية للخرسانة أعلى من الر وبة المحي ة و زيادة في الكتلة وال ول تحدث للخرسانة عالية المااومة عندما تكون الر وبة الداخلية للخرسانة أقل من ر وبة المختبر. درس الباحث )Rao( [2] تأثير غبار السليكا و نسبة الركام الناعم على االنكماش نتيجة فادان الماء ووجد ان زيادة غبار السليكا في المونة يزيد من االنكماش باالعمار المبكرة للخرسانة لكن ليس لها تأثير مهم على المدى البعيد. أجرى الباحث )Gettu( وآخرون [3] د ارسة عن سلوك الزحف واالنكماش للخرسانة عالية المااومة والحاوية على غبار السليكا حيث تم إعداد خمس مزجات خرسانية في المختبر وتحت ظروف جوية مسي رة

3 Dr. salim T. The Iraqi Journal For Mechanical And Material Engineering, Vol.12, No.4,2012 عليها و تم استخدام ماياس االنفعال الميكانيكي لاياس االنفعال بشكل دقيق وغعت الخرسانة في قوالبها لمدة اربع وعشرين ساعة في غرفة استنتج الباحث انه مع زيادة نسبة الى االنكماش الكلي. ذات ر وبة 95% وبدرجة ح اررة 21 مئوية لمدة يومين و من خالل الد ارسة كمية المونة التي تحوي على سمنت و غبار السليكا تزداد نسبة االنكماش التلاائي درس الباحث )Zhang( [4] و آخرون االنكماش للخرسانة عالية المااومة والخفيفة الوزن واستنتج الباحث من خالل الد ارسة أن االنكماش للخرسانة االعتيادية والحاوية على ركام كرنايت أعلى من الخرسانة خفيفة الوزن مع نفس نسب المزج في الشهور الستة األولى االنكماش يال مع انخفاض الوزن النوعي للركام بالتوافق مع زيادة مسامية وامتصاص الماء للركام االنكماش للخرسانة خفيفة الوزن أقل من الخرسانة االعتيادية في الشهور الستة األولى مع نفس مااومة االنغاا بثمان وعشرون يوما ولكن تكون أكثر بعد سنة. و اجرى الباحث )Myers( [5] وآخرون د ارسة حول قوى الشد الناتجة من االنكماش للخرسانة عالية المااومة والمتعرغة لمعالجة مسرعة باستخدم نسب ماء %)25-30(. اما الباحث )Gupta( [6] و أخرون د ارسو تأثير استبدال نسب من السمنت برماد المت اير و غبار السليكا في الخرسانة عالية المااومة و باستخدام نوعين من الحصى و الرمل و الحظ الباحثون أن االنكماش للخرسانة الحاوية على 10% رماد الفحم و غبار السليكا بأعمار مختلفة يكون أكثر بمادار %)10-6( من االنكماش للخرسانة التي ال تحتوي على رماد الفحم و غبار السليكا و االنكماش يزداد مع الزمن. تناولت المواصفة ) R )ACI [7] المتصلبة تحتوي المواصفة على اربعة رق للتمثيل االنكماش وهي كاالتي: أوال رق لتمثيل و حساب االنكماش و الزحف للخرسانة )92-209R )ACI و ثانيا Muller and Hillsdorf ( و ثالثا )Bazant- Baweja B3( (Bazant and Baweja 1995, 2000( )CEB MC99( )CEB 1999 و اربعا.(GL2000( المعادالت المعتمدة لل رق موغحة في الجدول )1( هذه المعادالت للخرسانة المعالجة بالر وبة و لمدة يوم واحد على االقل. الجدول )1( معادالت لحساب االنكماش MODEL Equation ACI 209R-92 B3 CEB MC90-99 GL2000

4 االنكماش للخرسانة عالية المقاومة الحاوية على غبار السليكا والياف فوالذية د. سالم طيب يوسف Where : Shrinkage strain at age of concrete (days) (days): Age of concrete measured from the start of drying and part. : Constants for a given member shape and size that define the time-ratio : Ultimate shrinkage strain for standard condition, in the absence of specific shrinkage data for local aggregate and condition and at ambient relative humidity of 40%, the average value suggested fot ultimate shrinkage strain, is (mm/mm) (in,in) : The time from the end of the initial curing. : Ultimate shrinkage strain : Humidity dependence factor : The time curve : National shrinkage coefficient : Coefficient describing the development of shrinkage with time of drying : Correction term for the effect of humidity : Correction term for the effect of time of drying 2- المواد و طرق العمل تم استخدام المواد المتوفرة محليا و المتمثلة بالماء و ذلك بعد ماارنتها مع المواصفات و بالشكل التالي: الركام الناعم الركام الخشن و االسمنت و المغافات : 1-2 االسمنت استخدم في هذا البحث سمنت ماردين تركي المنشأ متوفر محليا. يبين الجدول) 2 ( نتائج التحليل الكيميائي لالسمنت أما الجدول )3( فيبين الخصائص الفيزيائية لالسمنت و تم الفحص وفق المواصفة الع ارقية )IQS,No.5, 1984 ( 2-2: الركام الناعم: استخدم الركام الناعم المتوفر في من اة كنهش الاريبة من مدينة الموصل و بمعامل نعومة يبلغ )3.0( تم غسل الركام الناعم للتخلص من المواد ال ينية الوزن النوعي للركام الناعم كان. 2.6 الركام الناعم ذا تدرج م ابق للمواصفة الاياسية الع ارقية )1980.)IQS No.45

5 Dr. salim T. The Iraqi Journal For Mechanical And Material Engineering, Vol.12, No.4, : الركام الخشن: تم استخدام الحصى النهري المحلي المتوفر في أ ارف مدينة الموصل و بمااس أقصى للركام )10mm( تم غسل الركام الناعم للتخلص من المواد ال ينية يبين الجدول )4( الوزن النوعي للركام الخشن المستخدم في هذا البحث و االمتصاص الركام ذو تدرج م ابق للمواصفة الاياسية الع ارقية )1980.)IQS No : الماء استخدم ماء الشرب االعتيادي في مدينة الموصل في جميع المزجات الخرسانية المستخدمة في هذا البحث. 5-2: األلياف الفوالذية استخدمت ألياف فوالذية مصنوعة من الحديد ذات ما ع دائري و ذات شكل متموج )crimped( ب ول 50 ملم و ق ر 1 ملم و نسبة باعية 50 و الجدول )5( يبين مواصفات الياف الفوالذ. :6-2 الملدن الفائق Superplasticizer) ( استخدم ملدن باسم )51 )Glenium لتاليل ماء الخل ة بجرعة بالنسبة لوزن االسمنت مادارها بين )0.7%- 0.6%( و هذا الملدن يحسن خصائص الخرسانة و يؤدي الى قابلية تشايل أفغل و فترة رص اقل مع تحسن انهاء الس ح. : 7-2 غبار السليكا وهي هى مادة تتكون من حبيبات دقياة جدا مساحتها الس حية في ناتج ثانوى صناعة سبائك السيليكون والفيروسليكون. السليكا و الجدول )7( يبين الخصائص الكيميائية لابار السليكا. صممت المزجة الخرسانية عالية المااومة باالعتماد على تت اروح بين ) (m 2 /kg الجدول )6( يبين الخصائص الفيزيائية لابار المواصفة الجدول )8( يبين نسب المزج وكمية المواد للمتر المكعب الواحد من المزجة. [8]( ACI 211.4R-08) تم صب نماذج قياس 100 و ملم )نموذجين لكل مزجة( لاياس مادار االنكماش في الخرسامة باعمار 90,60,28,14,7,3,1 يوم بواس ة جهاز قياس االنكماش gage( )Dual و مكعبات قياس ملم ( ستة نماذج لكل مزجة( لاياس مااومة االنغاا 90 و 28 بعمر ثمانية وعشرون يوم للمكعبات. تم تسجيل درجة الح اررة كان معدل درجة الح اررة بحدود تاريخ انتهاء التر يب. 28 o c و اللر وبة النسبية بين يوم. فترة التر يب لنماذج االنكماش كانت سبعة ايام و والر وبة النسبية لارفة خزن نماذج االنكماش % حيث عمر نماذج االنكماش حسب من

6 د. سالم طيب يوسف االنكماش للخرسانة عالية المقاومة الحاوية على غبار السليكا والياف فوالذية الجدول )2( الخصائص الكيميائية للسمنت Chemical Value % Limits % Chemical Value % Limits % Composition Components SiO C 3 S AL 2 O C 2 S Fe 2 O C 3 A CaO C 4 AF MgO L.S.F SO Solid solution Free Lime Loss on ignition Insoluble residue Total الجدول )3( الخصائص الفيزيائية للسمنت Physical properties Test results Limits of Iraqi Specification NO.5/1984 Setting time (vicat s apparatus) Initial setting time, hrs: min. Final setting time, hrs: min. 1:20 2:40 1 hr 10 hrs Fineness 2% 10% Compressive strength 3days, N/mm days, N/mm

7 Dr. salim T. The Iraqi Journal For Mechanical And Material Engineering, Vol.12, No.4,2012 الجدول )4( الخصائص الفيزيائية الركام الخشن Physical properties Test results Specific gravity 2.63 Absorption 1% الجدول )5( مواصفات األلياف الفوالذية Fiber type Tensile strength (MPa) Young modulus (GPa) Ultimate Elongation percent Specific Gravity steel > الجدول )6( الخصائص الفيزيائية لغبار السليكا مع المواصفة C ASTM Physical properties Standard limits Specific surface area, min, (m 2 /g) Sternght activity Index with Portland cement at 7days, min. percent of control Percent retained on 45μm (No.325), max, % 10 7 SF الجدول )7( الخصائص الكيميائية لغبار السليكا Oxides Content (%) SiO Requirements of class pozzolan ASTM C

8 د. سالم طيب يوسف االنكماش للخرسانة عالية المقاومة الحاوية على غبار السليكا والياف فوالذية Al 2 O Fe 2 O Na 2 O 0.00 CaO 1.21 MgO 0.10 SO L.O.I الجدول )8( نسب المواد للخلطة المرجعية Weight percent% Superplastici er L/M 3 Wate r Kg/m 3 Sand Kg/m 3 Coars e Kg/m 3 Cemen t Kg/m 3 1:1.11:1.69:0.285: النتائج و المناقشة 1-3 مقاومة االنضغاط لابار السليكا و االلياف الفوالذية تأثير على مااومة االنغاا موغح في الشكل )1( و الجدول )13(. تبين النتائج ان اغافة غبار السليكا بنسب محددة تزيد مااومة االنغاا للخرسانة و عندما تزداد كمية غبار السليكا المغافة تؤدي الى ناصان في المااومة و النسبة المثلى لابار السليكا تتاير مع وجود االلياف الفوالذية, حيث ان النسبة المثلى كانت %10 في الخرسانية الخالية من االلياف الفوالذية عند عمر 90 يوم و %5 في الخرسانة الحاوية على االلياف الفوالذية. لابار السليكا تأثير على مااومة االنغاا من خالل التفاعل مع المركب هيدروكسيد الكالسيوم Hydroxide(CH)( )Calcium الناتج من تميؤ االسمنت وينتج المركب هايدريت سلكيات الكالسيوم Hydrates(CSH)( )Calcium Silicate التي بدورها تاوي الت ارب بين مونة االسمنت و الس ح الخارجي للحصى لابار السليكا تأثير في خصائص الخرسانة باتجاهين, من خالل تفاعل غبار السليكا مع المركب هيدروكسيد كالسيوم )CH( و من خالل ملء الف ارغات متناهية الصار. اما االلياف الفوالذية فأن تأثيرها واغح في زيادة مااومة االنغاا مع زيادة نسبتها في المزجة الخرسانية باياب 101

9 Dr. salim T. The Iraqi Journal For Mechanical And Material Engineering, Vol.12, No.4,2012 غبار السليكا اما بوجود غبار السليكا و بنسبة اكبر من %5 فان تاثيرها ينعكس سلبيا على مااومة االنغاا حيث تال المااومة بزيادة نسبة االلياف الفوالذية المت ارفاة مع زيادة غبار السليكا و كما مبين في الشكل )1(. 2-3 :االنكماش تأثير غبار السليكا من خالل الجدول )13( والشكل )2( يالحظ أن االنكماش للمزجة الخرسانية الحاوية على نسبة غبار السليكا )%5( و بدون ألياف فوالذية قد ازدت بمادار )%13( نسبة الى انكماش المزجة المرجعية هذه الزيادة في انكماش الخرسانة تصل الى )%84( عندما تكون نسبة غبار السليكا )%20( و بدون ألياف فوالذية نستنج من ذلك أن االنكماش يزداد بزيادة نسبة غبار السليكا السبب يعود إلى فعالية المواد البوزوالنية التي تحتويها غبار السليكا والتي تتفاعل بب ء مسببة تاليل الحجم الناتج من التفاعل و تسبب زيادة االنكماش نتيجة الجفاف] 12,11,10,9,8 [ 2-3: تأثير االلياف الفوالذية ان تأثير االلياف الفوالذية على انكماش الخرسانة معاكسة تماما لتأثير غبار السليكا, حيث ان اغافة االلياف الفوالذية يالل االنكماش كما يالحظ من الجدول )13( و الشكل )3(. انكماش الخرسانة الحاوية على الياف فوالذية بنسبة )%0.5( و بدون غبار السليكا كانت )%61( من انكماش المزجة المرجعية كما أن نسبة انكماش الخرسانة الحاوية على ألياف فوالذية بنسبة )%1( و بدون غبار السليكا بلات )%59( في حين أن مادار ناصان انكماش الخرسانة الحاوية على الياف فوالذية و على غبار السليكا تكون اقل نتيجة تأثير االخير في زيادة انكماش الخرسانة.

10 د. سالم طيب يوسف االنكماش للخرسانة عالية المقاومة الحاوية على غبار السليكا والياف فوالذية )CEB( الشكل )1( تأثير غبار السليكا و االلياف الفوالذية على مقاومة انضغاط الخرسانة وتم ماارنة النتائج لالنكماش مع أربعة نماذج لالنكماش )الشكل )4(( األولى نموذج معادلة و الثانية نموذج معادلة )GL2000( والثالثة نموذج معادلة )B3( وال اربعة ) )ACI [20] و من خالل مالحظة النتائج العملية و ماارنتها بالنتائج الناتجة من المعادالت أعاله نالحظ ان الايم العملية لالنكماش نتيجة الجفاف اعلى من تلك الناتجة من المعادالت والسبب ربما يعود إلى اختالف الظروف المحي ة بالنماذج كدرجة الح اررة و الر وبة النسبية عن الظروف الاياسية المعتمدة في المعادالت. كما ان الشكل )4( يبين ان معادلة ال ACI االعمار المبكرة و الايم الناتجة من معادلة المتادمة. B3 تع ي قيم لالنكماش اقل من باية المعادالت و خاصة في مااربة الى تلك الخاصة بمعادلة ال في االعمار ACI 180

11 Dr. salim T. The Iraqi Journal For Mechanical And Material Engineering, Vol.12, No.4,2012 الجدول )13( قابلية االنضغاط االنكماش للخرسانة Mix type M11 M12 M13 M21 M22 M23 M31 M32 M33 M41 M42 M43 M51 M52 M53 Silica Fume % Steel fiber % Comp. strength 28 days 90 days الشكل )2( االنكماش مع نسبة غبار السليكا و األلياف الفوالذية 188

12 د. سالم طيب يوسف االنكماش للخرسانة عالية المقاومة الحاوية على غبار السليكا والياف فوالذية الشكل )3( االنكماش مع األلياف الفوالذية و نسبة غبار السليكا الشكل )4( مقارنة االنكماش المحسوبة من معادالت مختلفة 4- االستنتاجات أ- اغافة غبار السليكا بنسب محددة تزيد مااومة انغاا الخرسانة و عندما تزداد كمية غبار السليكا المغافة عن النسبة المثلى تؤدي الى ناصان في المااومة بينما تعمل االلياف الفوالذية عموما على زيادة مااومة انغاا الخرسانة. 188

13 Dr. salim T. The Iraqi Journal For Mechanical And Material Engineering, Vol.12, No.4,2012 ب-اغافة غبار السليكا يزيد االنكماش عموما اعلى نسبة زيادة تحاات في االنكماش عند نسبة غبار السليكا 20% و بلات )84%( و أقل عند نسبة 5% و بلات )7%( وذلك لالنكماش بعمر تسعين ت-اغافة االلياف الفوالذية يالل االنكماش بشكل عام أقل انخفاض عند نسبة 1% بلغ ( 41% ) و يوما. بينما كانت نسبة االنخفاض) 39% ( في الخرسانة الحاوية على 0.5% الياف فوالذية ث-معادلة ال ACI تع ي قيم لالنكماش اقل من باية المعادالت و خاصة في االعمار المبكرة و الايم الناتجة من معادلة B3 مااربة الى تلك الخاصة بمعادلة ال ACI في االعمار المتادمة 5- المصادر 1- Miyazawa, S. & Tazawa E. "Shrinkage of High-Strength Concrete at Different Ambient Humidities" Preceeding of Second International Research Seminar in Lund, June18, 1999, pp Rao, G.A., "Long-Term Drying Shrinkage of Mortar- Influence of Silica Fume and Size of Fine Aggregate" Cement and Concrete Research, Vol. 31, 2001 pp Gettu, G. C., Aguado, A. & Toralles, B.M. "Creep And Shrinkage Of High Strength Concrete: An Experimental Analysis " Scientific and Technology, v.23, n.1, (2002), pp Zhang, M. H., Li L. & Paramasivam, P. "Shrinkage of high-strength Lightweight Aggregate Concrete Exposed to Dry Environment " ACI Materials Journal, March- April 2005,pp Myers, J. J. "Shrinkage Behavior of high strength concrete (HSC) subjected to Accelerated Curing " ASCE Journal Gupta, S.M., Sehgal, V.K. & Kaushik, S.K. "Shrinkage of High Strength Concrete" World Academy of Science Engineering and Technology ACI Committee 209 (2008) "Guide for Modeling and Calculating Shrinkage and Creep in Hardened Concrete", (ACI 209.2R-08), American Concrete Institute. 8- ACI Committee 211 (2008) "Guide for Selecting Proportions For High-Strength Concrete Using Portland Cement and Other Cementitious Materials" (ACI 211.4R- 08), American Concrete Institute. 9- ACI Committee 209 (2005) "Report on Factors Affecting Shrinkage and Creep of Hardened Concrete", (ACI 209.1R-05), American Concrete Institute. 10- ACI Committee 363 (2010) "Report on High-Strength Concrete" (ACI 363R- 10), American Concrete Institute. 11- ACI Committee E-701 (2001) "Cementitious Materials For Concrete", (ACI Education Bulletin E3-01), American Concrete Institute. 12- ACI Committee 234 (2000) "Guide for the Use of Silica Fume in Concrete" (ACI 234R-96), American Concrete Institute. 13- Samman, T. A., Wafa, F. F., Radain, T. A. "Mechanical Properties of Normal and High-Strength Concrete with Steel Fibers" JKAU:Eng.Sci.,vol.12,no.1,pp (1420 A.H./ 1999 A.D.). 188