up
Search      menu
ساختمان و معماری :: مقاله شاتکريت نسوز PDF
QR code - شاتکريت نسوز

شاتکريت نسوز

خلاصه
اثرات آتش بر روي سازه هاي بتني با مقاومت متوسط NSC کمتر از 50Mpa از دهه 1950 مشخص مي باشد. اما تا به حال از تاثير آتش روي بتن با مقاومت بالا HCS و بتن با کارائي بالا HPC اطلاعات ناچيزي وجود داشته. اصولا بتن با کارايي بالا در مقايسه با بتن با مقاومت معمولي در برابر آتش حساس تر مي باشد و اين به علت تراکم بيشتر و وجود منافذ کمتر در اين بتن است. مطمئنا شاتکريت در دسته بندي بتن هاي با کارايي بالا قرار مي گيرد، پس شاتکريت هميشه در خطر اثرات آتش است. تا به حال تحقيقات بسيار کمي در رابطه با تاثير آتش روي شاتکريت انجام شده بود. اما به علت آتش سوزي هاي فاجعه آميز در تونل ها اهميت هاي زيادي براي تحقيق روي اين مساله پيدا شد. در اين مقاله استفاده از تکنولوژي آلومينات کلسيم و انواعي از الياف براي جلوگيري از ترکيدن و تخريب بتن در برابر آتش و تهيه مخلوط شاتکريتي که در برابر حرارت شديد و شوک هاي گرمايي مقاوم باشد، با آزمايشات متعدد مورد بررسي قرار گرفته.
مقدمه
براي کساني که در صنعت بتن فعاليت مي کنند حوادث ناگوار سال هاي اخير باعث ايجاد توجه زيادي روي تاثير آتش روي سازه هاي بتني گرديده است. پژوهشگران صنعت ساختمان و مهندسان عمران عموما اطلاعات نسبتا خوبي در رابطه با تاثير آتش بر بتن هاي با مقاومت متوسط در دست دارند (منظور بتن هاي با مقاومت تا 50Mpa مي باشد). ولي در مورد بتن هاي مقاومت بالا و بتن هاي با کارايي بالا HPC و تاثير آتش بر اين بتن ها اطلاعات بسيار کمي موجود مي باشد. به عنوان يک قانون، بتن هاي با کارايي بالا در حرارت شديد و شوک هاي حرارتي به علت ضريب تخلخل پايين و وجود منافذ کمتر و فشار نيروي بخار حساسيت بيشتري نسبت به بتن هاي با مقاومت معمولي NSC دارند. وقتي فشار درون منافذ زياد مي شود تنش کششي در بتن توليد مي شود و زماني که اين تنش از حد مجاز تجاوز مي کند ترکيدن و ورقه ورقه شدن بتن explosive spalling شروع مي شود. قسمتي از سطح داغ بتن که شديدا به بيرون رانده مي شود، باعث مي گردد سطح بيشتري از بتن در معرض آتش قرار گيرد. اين روند ادامه دارد تا نهايتا باعث آشکار شدن سيستم آرماتورها و تاثير مستقيم آتش روي آنها مي شود. انبساط سريع بعضي از سنگدانه ها با وزن متوسط و کمتر شدن فضا باعث تشديد اين پديده و کمک به از هم پاشيدن و ترکيدن لايه اي بتن مي گردد. بي شک به علت نوع بتن ريزي و خواص شاتکريت اين سيستم در رده بتن هاي پر مقاوت با کارايي بالا قرار مي گيرد و در نتيجه در معرض خطر تاثير آتش مي باشد. در اين مقاله استفاده از تکنولوژي پيشرفته آلومينات کلسيم همراه با الياف فولادي ضد زنگ و الياف مصنوعي ميکرو پلي پروپيلن در جهت مقاوم سازي و اصلاح خواص شاتکريت در جهت استفاده در شوک هاي حرارتي و صنايع سنگين با درجه حرارت بالا بحث مي شود.
شاتکريت و انواع آن
شاتکريت عبارت است از ملات و يا بتني که با فشار و سرعت بالا به سطح مورد نظر پاشيده مي شود که به دو نوع شاتکريت مخلوط تر (Wet Mix shotcrete) و مخلوط خشک (Dry Mix shotcrete) شناخته شده است. در شاتکرت با مخلوط خشک DMS مصالح شامل : ماسه و سيمان توسط پمپ شاتکريت بداخل لوله انتقال هدايت شده و به قسمت پاشنده ملات (Nozzel) منتقل مي گردد. آب مورد نياز در اين حالت در حين خروج مصالح از سر نازل به آنها اضافه مي گردد که با توجه به سرعت بسيار زياد خروج مصالح از سر نازل اين عمل در کسري از ثانيه صورت مي پذيرد که در اين حالت ممکن است آب به بعضي از دانه هاي سيمان نرسيده و در نتيجه اين دانه ها هيدراته نشوند بهمين دليل از روش DMS تنها در عمليات تثبيت قبل از اجراي لاينينگ تونل ها و کارهاي روکش و تعميراتي با صخامت کمتر از 10cm استفاده مي گردد. اما در روش WMS (مخلوط تر) شاتکريت با مخلوط تر بتن آماده به داخل پمپ شاتکريت ريخته شده و پس از عبور از لوله انتقال به سر نازل رسيده و از آنجا به کمک فشار باد کمپرسور به سطح زير کار پاشيده مي شود از اين روش در جاهايي مي توان استفاده کرد که مقاومت فشاري مورد نظر است. از طرفي ديگر در اين روش امکان اجراي بتني با ضخامت 50cm براي ديوار و 20cm براي سقف در يک مرحله به راحتي امکان پذير است.
مزيت اجرايي شاتکريت تر به خشک
در روش شاتکريت تر در اغلب موارد براي احداث سازه هاي بتني نيازي به قالب بندي نيست و در موارد خاص نيز استفاده از يک سپر چوبي براي عمليات استقرار بتن کافي مي باشد. شاتکريت مخلوط تر همچنين اين امکان را فراهم مي آورد تا ديگر اجراي سازه هاي بتني با اشکال منحني ، مدور و غير منظم مانعي بر سر راه طراحان و مجريان نباشد.
شاتکريت مخلوط تر با حداقل هزينه و سرعتي بسيار بالا که از خصوصيات اين روش است در عين . بالا بودن کيفيت مشکل را حل مي نمايد.
تثبيت کوهها ، و صخره ها با استفاده از پوشاندن آنها با يک شبکه مش و پاشيدن بتن بر روي آن ، محافظت از لوله هاي فولادي و افزايش ضخامت لوله هاي بتني يا پيچيدن يک شبکه مش به اطراف لوله و پاشيدن بتن و صيقلي کردن آن در محيط هاي خورنده و خطرناک در مقابل آتش سوزي ، روکش کردن ديوارها ، پايه پلها ، بدنه سدها و لاينينگ تونلها ، تثبيت جداره رود خانه ها و … از جمله ديگر توانايي هاي روکش WMS است.
لزوم مطالعه
اخيرا تحقيقات کمي بر تاثير آتش روي شاتکريت انجام شده است. به هر حال وسعت استفاده از اين سيستم به ويژه به عنوان ماده نسوز و آتش سوزي هاي فاجعه آميز در تونل ها در سراسر امريکا و اروپا جذابيت هاي جديدي را براي تحقيق روي شاتکريت در مواجهه با حرارت بالا و شوک هاي حرارتي ايجاد کرده است. با بررسي بيش از 23 آتش سوزي ايجاد شده توسط سوخت هاي هيدروکربن ، ديزلي و چربي هاي حيواني در تونل ها براي شبيه سازي اثر آتش روي شاتکريت نمودار تغييرات درجه حرارت با زمان سپري شده (RWS) توليد شد (شکل 1). با توجه به نمودار درجه حرارت آتش در هر دقيقه 200 درجه سانتيگراد افزايش يافته تا به 1100 درجه سانتيگراد برسد. يعني در 5 دقيقه دما از 200C به 1100C مي رسد .درجه حرارت نهايي در مي رسد .درجه حرارت نهايي در 1350C است که 2 ساعت تا رسيدن به اين دما طول مي کشد. يعني در مدت کوتاهي افزايش دماي شديدي را داريم که اين نشانگر وجود يک شوک حرارتي است.
عوامل موثر در آسيب رساندن آتش به شاتکريت
عمدتا خسارات و آسيب ها به شاتکريت با توجه به 2 عامل مجزا، کاملا مشخص است.
1- در حالت اول رطوبت در خلل و فرج بتن (کپيلاري ها) از سطح داغ بتن به خارج رانده مي شود و خمير شاتکريت دي هيدراته مي شود. وقتي اين اتفاق رخ مي دهد اتصال بين خمير سيمان و سنگدانه ها به علت تفاوت ضريب حرارتي از بين مي رود و شاتکريت به طور کامل توانايي سازه اي خود را از دست داده و لايه هاي نازک تر از بتن جدا مي شوند. اين نوع زوال به طور معمول براي آتش هايي که به آهستگي افزايش دما مي دهند همچون حالتي که در ASTM E119 توضيح داده شده اتفاق مي افتد. همانگونه که رطوبت در حفره هاي شاتکريت به بخار تبديل مي شود، فرصت براي خروج آن از سطح داغ بتن وجود دارد و در حقيقت انرژي که صرف تبديل رطوبت به بخار مي شود به کاهش ترکيدن و زوال لايه ها در آتش کمک مي کند.
2- در حالت دوم افزايش دما به سرعت صورت مي گيرد و رطوبت زمان لازم را براي خروج از سطح داغ بتن ندارد. زماني که تنش کششي درون حفره ها به حد نهايي خود برسد فشار ايجاد مي شود و در نتيجه لايه هاي بتن به صورت انفجاري شديدا کنده شده (explosibe spalling) و سطح جديدي در مقابل آتش قرار مي گيرد. ترکيدن و جدا شدن لايه ها اثر تخريبي بسيار شديد و عميقي روي سازه شاتکريت مي گذارد. اين مطالعه راه حل هاي عملي را براي رفع اين مشکل و رسيدن به يک شاتکريت نسوز ارائه مي دهد.
آزمايشات و راه حل ها
براي برطرف شدن نگراني آزمايشاتي جهت بررسي دقيق تر پديده و ارائه راه حل هاي عملي روي شاتکريت مسلح به الياف انجام گرفت. يک پانل مکعب به ضلع 1.45m و با ضخامت 15cm بتن پاشي گرديد و 28 روز قبل از آزمايش مورد عمل آوري قرار گرفت. طرح مخلوط پايه شاتکريت استفاده شده در همه پانل ها در جدول شماره 1 نشان داده شده است.
در مجموع از 4 پانل استفاده کرديم. يک پانل با يک مش فولادي در مرکز پانل آنگونه که در لاينينگ تونل ها استفاده مي شود و بدون استفاده از الياف.
پانل دوم با 40kg m3 الياف فولادي همانند آنچه در لاينينگ تونل ها استفاده مي شود بتن پاشي شد.
سومين پانل با 40kg m3 الياف فولادي بعلاوه 1.8kg m3 الياف نازک پلي پروپيلن (Micro PP) پاشيده شد.
چهارمين پانل با 9kg m3 الياف پليمري با کارايي بالا که در اندازه و شکل همانند الياف فولادي استفاده شده در پانل شماره 2 بودند بتن پاشي شد.
تمام پانل ها در معرض آتش شبيه سازي شده مطابق نمودار RWS قرار گرفتند. (شکل 1) کوره ويژه اي همانطور که در شکل شماره 2 نشان داده شده است به همراه استفاده از سوخت ديزلي جهت گستردن آتش روي نمونه ها طراحي گرديد. دو ترموکوبل در نزديکي پانل شاتکريت و به فاصله هاي 30mm و 70mm از سطح داغ بتن نصب گرديد که به کامپيوتر وصل شده و حرارت را در هر لحظه روي مانيتور نشان مي داد. در ابتدا پانل مسلح شده با مش فولادي مورد آزمايش قرار گرفت. بعد از فقط چند دقيقه در معرض آتش صداي ترکيدن و پرتاب شدن تکه هاي بتن روي زمين مشاهده شد. بعد از 15 دقيقه به خاطر نگراني از ترکيدن انفجاري قطعات بتن و آسيب رساندن به تجهيزات آزمايش، آتش را خاموش کرديم. عکس شماره 3 نشان دهنده قطعه پانل بعد از آزمايش است. حدودا نيمي از ضخامت پانل ( 7.5cmاز ضخامت پانل) به خاطر ترکيدن و کنده شدن لايه ها در مدت 15 دقيقه از بين رفت (شکل شماره 3).
پانل سوم با الياف فولادي به اضافه 1.8kg m3 الياف ميکرو پلي پروپيلن (Micro PP) به مدت 2 ساعت مورد آزمايش قرار گرفت. نمودار حرارت – زمان براي دو ترموکوبل در شکل شماره 4 نشان داده است. عکس سطح داغ اين پانل بعد از 2 ساعت در معرض آتش در شکل شماره 5 نشان داده شده است. مناطق کمي روي سطح بتن دي هيدراته و يا کنده شدند، و همچنين پانل متحمل هيچگونه آسيب ترکيدن انفجاري (Explosive Spalling) نشد.
پانل دوم شامل الياف فولادي و چهارمي شامل الياف Micro PP ولي بدون الياف Micro PP پس از آزمايش ترکيدن و تکه تکه شدن لايه‌اي (Explosive Spalling) وسيعي داشت. در حقيقت پانل با الياف Micro PP به 5 قسمت خرد شد.
نتيجه آزمايش
اين آزمايش نشان مي دهد استفاده از الياف نازک Micro PP با قطر حدود 30μm باعث کاهش شديد ترکيدگي و کنده شدن لايه هاي بتن در معرض آتش سوخت هاي هيدروکربني مي شود. الياف با گرم شدن منبسط مي شوند و به علت تفاوت کلي ضريب گرمايي الياف پلي پروپيلن و ماتريس شاتکريت باعث ايجاد درزهاي کوچکي در ماتريس بتن شده که اين درزها باعث سهولت خروج بخار و در نتيجه کاهش شديد فشار سيستم مي شوند.
اين آزمايش نشان مي دهد در صورتي که در شاتکريت از تکنولوژي مشابهي استفاده کنيم احتمالا محصولي ضد آتش خواهيم داشت. علاوه بر اين در نمودار (Explosive Spalling) آزمايش بيانگر اين موضوع است که الياف فولادي ماکرو و ماکرو پلي پروپيلن روي ترکيدن انفجاري لايه هاي بتن آزمايش بيانگر اين موضوع است که الياف فولادي ماکرو و ماکرو پلي پروپيلن روي ترکيدن انفجاري لايه هاي بتن (Explosive Spalling) در نمودار آتش RWS تاثيري ندارد. اين احتمالا بيشتر به علت تفاوت در تعداد الياف در ماتريس بتن است. بيشتر از 114 ميليون الياف در هر کيلوگرم از الياف Micro PP در مقابل 20000 تا 30000 الياف در هر کيلوگرم از الياف Micro PP استفاده شده است و اين تفاوت زيادي است.
تکنولوژي آلومينات کلسيم و موارد استفاده از آن در شاتکريت نسوز
در بسياري از موارد از شاتکريت براي کارهاي تعميراتي در جاهايي استفاده مي شود که محدوديت زماني براي برگشت و سرويس دهي دوباره در مدت 24 ساعت و يا کمتر دارند. در نتيجه ما به شاتکريتي با خواص نسوز و در عين حال رسيدن به مقاومت مناسب جهت سرويس دهي در مدتي کوتاه داريم. راه حل مکمل ديگري که در عين حال که به صورت فوق العاده اي به خواص نسوز بتن کمک مي کند، در روند رسيدن سريع به مقاومت مناسب نيز به ما ياري مي رساند استفاده از سيمان کلسيم آلومينات به عنوان مصالح بيندر در سيستم نسوز مي باشد، اما شناخت کمتري در مورد شاتکريت نسوز با کارايي بالا آميخته با سنگدانه آلومينات کلسيم همراه با سيمان آلومينات کلسيم در دست مي باشد. اضافه کردن اين سنگدانه فوق العاده باعث بالا رفتن خواص شاتکريت براي تحمل و دوام در محيط هاي صنعتي مي شود. اين پديده ذوب است که مي تواند براي توليد سنگدانه آلومينات کلسيم به کار گرفته شود. در پروسه ذوب جايي که کوره ارتعاشي بزرگي با مقدار بسيار دقيقي از مواد خام اوليه، هيدروکسيد آلومينيم بوکسيت و سنگ آهک تغذيه مي شود و يک حمام گداخته از آلومينات کلسيم شکل مي گيرد، يکدفعه سرد مي شود. آلومينات کلسيم خام به قطعه هاي بزرگ گوشه دار بسيار متراکم و سخت تبديل مي شود که اگر خرد و دانه بندي شود يک سنگدانه بسيار عالي با دوام و خواص منطبق براي استفاده در شاتکريت نسوز خواهد بود. سنگدانه هايي که به وسيله ذوب توليد مي شوند شهرت خاصي به خاطر مقاومت بالا و ضريب تخلخل بسيار پايين دارند.
وقتي به نسبت مناسب در شاتکريت مسلح به الياف فولادي و Micro PP، مخلوط سيمان کلسيم آلومينات و سنگدانه کلسيم آلومينات و يا سيستم کلسيم آلومينات خالص اضافه شد باعث به وجود آمدن بتني زودگير با مقاومت بالا، بتني با مقاومت نهايي سريع، مقاوم و عايق عالي در برابر شوک هاي حرارتي تا 1100 درجه سانتيگراد و مقاومت سايشي بسيار خوب خواهيم داشت. در اين مخلوط ها اتصال سنگدانه ها به هم به صورت مکانيکي همچون اتصال شيميايي بين سيمان و سنگدانه به صورت بسيار خوبي باعث کمک به بالا بردن مشخصات کلي سيستم مي شود. در صنايع سنتي با درجه حرارت بالا ( آهن، فولاد و آلومينيم ) شاتکريت نسوز الياف فولادي و ميکرو پلي پروپيلن پايه ريزي شده بر مبناي سيستم آلومينات کلسيم خالص جهت تعمير و محافظت از بارانداز هاي زغال، چاله هاي سرباره و روکش ناوه هاي نورد استفاده مي شود. هر کدام از موارد استفاده با توجه به توانايي مواد براي به دست آوردن مقاومت سريع، عايق و مقاومت در برابر گرما و شوک هاي حرارتي، تاب آوردن در برابر استفاده مکرر مکانيکي و سايش انتخاب مي شوند.
بيشتر موارد استفاده صنعتي اين مواد در جاهايي است که علاوه بر داشتن خاصيت نسوز، محدوديت زمان براي برگشت و سرويس دهي دوباره در مدت ساعت و يا کمتر دارند. سيستم آلومينات کلسيم خالص اين قابليت را دارد که در کمتر از 24 ساعت به مقاومت بالاي 51Mpa دست پيدا کند.
نتيجه گيري
از آزمايش ذکر شده و يافته هاي ديگر مي توان دريافت که استفاده از هر دو نوع الياف فولادي و ميکرو پلي پروپيلن نازک در سازه هاي پيش ساخته و لاينيگ تونل ها توصيه مي شود.
قابليت بالاي بتن هاي پرمقاومت با کارايي بالا براي ترکيدن و کنده شدن لايه اي (Explosive Spalling) در آتش مي تواند با استفاده درست و به موقع از الياف ميکرو پلي پروپيلن تسکين يابد.
الياف فولادي ماکرو و ماکرو پلي پروپيلن روي ترکيدن انفجاري لايه هاي بتن (Explosive Spalling) در نومدار آتش RWS تاثيري ندارد. اين احتمالا بيشتر به علت تفاوت در تعداد الياف در ماتريس بتن است. بيشتر از 114 ميليون الياف در هر کيلوگرم از الياف Micro PP در مقابل 20000 تا 30000 الياف در هر کيلوگرم از الياف Micro PP استفاده شده است و اين تفاوت زيادي است.
در محيط هاي مخرب که بتن هاي معمولي به سرعت از بين مي روند با اضافه کردن مقدار مناسبي آلومينات کلسيم به شاتکريت مسلح به الياف فولادي + ميکرو پلي پروپيلين در عين حال که محصولي کاملا ضد آتش خواهيم داشت، در مدت بسيار کوتاهي مقاوم و آماده سرويس دهي مي شود.
ترکيب شاتکريت مسلح به الياف فولادي و ميکرو پلي پروپيلن و آلومينات کلسيم به صورت موفقيت آميزي با متدهاي کار شاتکريت تطبيق داده شده و مزاياي خود را در بسياري مراجع صنعتي به اثبات رسانده. وقتي يک ماده شاتکريت مشخص براي استفاده و مقاصد نسوز بررسي مي شود اين خيلي مهم است که فقط درجه حرارت محيط درگير در نظر گرفته نشده ، بلکه فاکتورهاي ديگر محيط عملياتي که مي تواند منجر به خرابي هاي زودرس شود نيز مد نظر قرار گرفته شود. اين عوامل مي تواند شامل شوک هاي حرارتي ، سايش ، سوء استعمال مکانيکي و حملات شيميايي باشد. شاتکريت نسوز طراحي شده بر مبناي سنگدانه آلومينات کلسيم خالص و سيمان آلومينات کلسيم مي تواند شرايط سرويس دهي طولاني را در محيط هاي سنگين صنعتي پرتکاپو و سخت فراهم کند. استفاده موفقيت آميز محدوده گسترده اي از صنايع، ماوراء فولاد و آهن را براي تقاضاي استفاده از چنين تکنولوژي ترغيب کرده و بي شک نياز آنها را برآورده خواهد کرد.
اينکار بيمه خيلي ارزاني است که مي تواند زندگي کساني را که سعي دارند از آتش فرار کنند و کساني را که با آتش مقابله مي کنند تضمين کند. براي جلوگيري از متلاشي شدن فاجعه آميز ساختمان ها و همچنين کاهش هزينه هاي فوق العاده تعميرات و نجات جان انسان ها و به هم ريختگي اقتصاد از اين امکانات استفاده کنيد.
مراجع
1. Tatnall . P , “Shotcrete in fires : Effect of fibers on explosive spalling” shotcrete Magazine Fall 2002.
2. Malhotra, H.L. , “Effect of temperature on the compressive strength of concrete” Magazine of concerete research, V.8, No.23, 1956pp. 85-94
3. مهمدي کرتلايي ، سيامک ، روش جا گذاري بتن بدون قالب بندي ، برشور فني وندشيمي ، زمستان 1380 ، صفحۀ 6
4. Wu, B.; Su, X.; Li, H.; and Yuan, J., “Effect of High Temperature on Residual Mechanical Properties of Confined and Unconfined High-Strength Concrete,” ACI Materials Journal, V. 99, No. 4, July-Aug., 2002, pp.
399-407.
5. Fitzgerala . M , and Tlley .J ,and Alt.C “calcium Aluminate technology and its application in refractory shotcrete” shotcrete Magazine Summer 2002.
6. تکنسين پايه بتن 1 بتن کارگاهي ACI صفحات 25 تا 27 .
7. نويل، آدام ، چالشي براي کساني که با بتن سر و کار دارند ، مجله تکنولوژي بتن ، سال اول ، شماره 1 ، صفحه 7 تا

توليد کلينکر در صنعت سيمان، طي واکنش هاي متعدد شيميائي درون کوره صورت مي گيرد. به دليل بالا بودن دماي ذوب مواد معدني مورد استفاده در توليد کلينکر، جهت ...

امام سجاد (عليه السلام) تداوم بخش اهداف حسيني از بزرگترين حوادث تلخ جهان اسلام که همواره ياد و خاطر آن، قلب و جان آدمي را به درد مي آورد، حادثه جانسوز ...

● دياتوميت دياتوميت ها، سنگ هاي رسوبي متشکل از ذرات ريز و بي شکل سيليسي مي باشند که در اثر مکانيزم تجمع پوسته يا اسکلت هاي فسيل شده جلبک ها و گياهان و ...

آجر سنگي است ساختگي (مصنوعي) که نوع رسي آن از پختن خشت (گل شکل داده شده) و نوع ماسه آهکي آن از عمل آوردن خشت ماسه آهکي (که از فشردن مخلوط همگن ماسه سي ...

● دياتوميت دياتوميت ها، سنگ هاي رسوبي متشکل از ذرات ريز و بي شکل سيليسي مي باشند که در اثر مکانيزم تجمع پوسته يا اسکلت هاي فسيل شده جلبک ها و گياهان و ...

● مراحل ساخت پي در ساختمان ▪ قالببندي بعد از اين مرحله نوبت به قالب بندي مي رسد . قالب هايي که براي عمليات بتني ساخته مي شوند اغلب چوبي مي باشند ولي ب ...

دانلود نسخه PDF - شاتکريت نسوز