بتن یکی از پر مصرفترین مصالح ساختمانی است که بعلت قیمت پایین، استفاده آسان و قابلیت پاسخگویی به شرایط مورد نیاز بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. از زمان کاربرد بتن توسط رومی ها تا سال 1824 و ساخت سیمان پرتلند توسط جوزف اسپدین، بشر بخصوص در قرن های اخیر بدنبال بهتر کردن خواص بتن بودند، و از چسبنده ها، افزودنی ها و مصالح سنگی مختلف استفاده کردند که به هدفشان دست یابند.
امروزه طیف گسترده ای از مواد و روش ها برای بهبود خواص بتن سیمانی (بتن سیمان پرتلند) و یا جایگزین استفاده سیمان در بتن وجود دارد که بسته به مقاومت های مکانیکی و شیمیایی مورد نیاز و مسائل سازه ای و شرایط موجود، متناسب با هزینه ها انتخاب می شوند. بهبود خواص بتن به دو روش کلی : 1- تسلیح کردن بتن با بهره گرفتن از الیاف و میلگرد که عمدتاً جهت بهبود مقاومت خمشی و شکل پذیری بتن 2- بهبود کیفیت خود بتن از طریق افزودن مواد شیمیایی، پوزولان ها و فیلر ها صورت می گیرد.
پلیمر بعنوان یک گزینه برای میل به این هدف (بهبود خواص بتن) چندین دهه است که مورد توجه قرار گرفته است. مواد پلیمری به هر دو روش جهت بهبود خواص بتن بکار می روند. مواد پلیمری جامد و سخت شده بصور ت الیاف (مانند پلی پروپیلن) و یا میلگرد های FRP[1] بتن را تسلیح می کنند. فرایند پلیمریزاسیون و سخت شدن در کارخانه های سازنده انجام می شود و موادی با ویژگی های مشخص در اختیار استفاده کننده قرار می گیرد. بور، کربن، شیشه و پلی آمید مهمترین موادی هستند که از آن ها الیاف تهیه می شود. میلگرد های FRP کربنی (CFRP[2]) و شیشه ای (GFRP[3]) از الیاف به همراه ماتریکسی از مواد پلیمری (مانند اپوکسی) ساخته می شوند. علاوه بر استفاده در مهندسی عمران از الیاف (کامپوزیت های پلیمری) در زمینه های دیگر از جمله مهندسی هوا فضا (ساخت شاتل)، حمل و نقل ( ساخت ماشین و هواپیما)، کالا های ورزشی (ساخت راکت و چوب اسکی)، ماشین آلات و ابزار ها (تیغه های توربین، چرخ دنده ها) و غیره استفاده می شود [1].
برای بهبود کیفیت بتن ساخته شده می توان از مواد پلیمری بصورت غیر جامد استفاده کرد. این مواد در مدت عمل آوری بتن سخت شده و با تشکیل شبکه های درهم تنیده با شبکه سیمانی خواص مقاومتی بتن را بهتر می کنند. بتن پلیمر تزریقی (PIC[4]) و بتن سیمان- پلیمر (PCC[5]) از این جمله اند. نوع پلیمر و درصد اختلاط آن بر مقاومت نهایی بتن بسیار مؤثر است. توسعه و تحقیق فعال در مورد کامپوزیت های بتن- پلیمر در آلمان ، امریکا ، انگلستان ، ژاپن و روسیه تقربباً از 80 سال پیش آغاز شد و اکنون بطور گسترده در مصارف گوناگون بکار گرفته می شوند. بعنوان مثال حجم پلیمر استفاده شده فقط در ملات پلیمر- سیمان (PCC) در ژاپن در اواخر قرن بیستم به بیش از 100000 تن در یکسال رسیده است [2].
بطور کلی دلایل گسترش استفاده از سازه های کامپوزیتی عبارتند از:
1- کارایی ، که موجب می شود معماری های زیبا در ساختمان بوجود آید
2- مقاومت در برابر شرایط جوی
3- مقاومت در برابر خوردگی در محیط های خورنده
4- ساختمان هایی که کاربرد فلز در آن ها مجاز نیست.
بتن پلیمری (PC[6]) از صورت های استفاده غیر جامد پلیمر در بتن است که موجب اصلاح کیفیت بتن (سیمانی) نشده ، بلکه خود دارای یک بایندر پلیمری چسبنده است که جایگزین سیمان می گردد و پس از سخت شدن مصالح سنگی را در کنار یکدیگر نگه می دارد. بتن پلیمری دارای خواص مقاومتی به مراتب بالاتر از بتن سیمانی است و می تواند در صورت عدم توانایی بتن (سیمانی) در ارائه مقاومت لازم جایگزین خوبی برای آن باشد. کاربرد در اعضای سازه ای با مقاومت فشاری و بخصوص کششی بالا، و نیز نفوذپذیری کم و مقاومت شیمیایی بالا آن را گزینه مناسب برای ساخت سازه در سواحل، مناطق سردسیر، مجاری آب و فاضلاب، مخازن آب و مواد شیمیایی می کند. داشتن میرایی بالا (حدود چهار برابر فولاد) موجب استفاده آن در ساخت بستر برای وسایل و ماشین آلات مکانیکی با ارتعاش زیاد شده است. علاوه بر مزیت های فوق داشتن مقاومت های ضربه ای و سایشی و غیره زمینه های کاربردی زیادی از جمله در راهسازی و روکش پل ها را برای بتن و مواد پلیمری به همراه دارد. اما گران بودن مواد پلیمری، ضعف در برابر دما های بالا، تا حدی سمی بودن و یا داشتن مشکلات زیست محیطی برای بعضی پلیمر ها یا عامل های عمل آوری (هاردنر یا سخت کننده) یا مواد افزودنی را می توان از معایب و نقاط ضعف آن دانست.
با توجه به زلزله خیز بودن و بالا بودن هزینه و زمان ساخت در کشورمان بکارگیری مواد پیش ساخته و سبک بشدت در صنعت ساختمان سازی احساس می شود. تکنولوژی که سال هاست در کشور های پیشرفته بخصوص امریکا مورد استفاده قرار می گیرد. سبک بودن، مقاومت مکانیکی و شیمیایی بالا، مدت عمل آوری پایین از اثرات کاربرد مواد پلیمری در این محصولات است. بکارگیری فوم های پلی استایرن در سقف های تیرچه بلوک و دیوار های پیش ساخته در ایران روند روبه رشدی دارد.

پلیمرها دارای انواع و ویژگی های مختلف هستند و به دو گروه ترموست (گرما سخت) و ترموپلاست (گرما نرم) تقسیم می شوند. در ساخت بتن پلیمری معمو لاً از پلیمرهای ترموست استفاده می گردد. اما بیشتر پلیمر های مورد استفاده در بتن پلیمر- سیمان ترمو پلاست هستند. معیارهایی همچون سخت شدن در دمای اتاق، مقاومت در برابر آتش، مسائل زیست محیطی و مسائل اقتصادی در کنار خواص مکانیکی قرار گرفته و مصرف کنندگان را به سمت انتخاب پلیمری از بین انواع پلیمرها رهنمون می کنند [3].

مطابق آزمایشات و تحقیقات گسترده صورت گرفته توسط محققین در مورد بتن پلیمری، بر حسب نوع و مقدار مواد پلیمری (رزین و سخت کننده) و افزودنی ها، تغییرات گسترده ای در مقدار مقاومت و ویژگی های برجسته بتن پلیمری رخ می دهد. بعنوان مثال مقدار مقاومت فشاری در بتن پلیمری می تواند بین 50 تا 160 مگا پاسکال باشد. لذا در این پایان نامه سعی شده است فاکتور های مؤثر بر مقاومت بتن پلیمری (بخصوص مقاومت های فشاری و خمشی) مورد مطالعه قرار گیرد.

1-1 اهداف تحقیق

• اثر دانه بندی مصالح بر مقاومت ملات پلیمری. بدین منظور از سه دانه بندی: مانده روی الک نمره 16، گذشته از الک نمره 16، ترکیب 60% مصالح عبور کرده از الک نمره 16 با 40% باقیمانده روی الک (وزنی) استفاده شده است.
• بررسی اثر نسبت اختلاط سخت کننده- رزین. از 5 نسبت اختلاط مختلف: 10%، 13%، 16%، 19%، 22% در ساخت نمونه ها استفاده شد. نسبت اختلاط پیشنهادی از طرف شرکت سازنده برابر 16% است.
• نشان دادن تأثیر نوع سخت کننده بر روی مقاومت بتن پلیمری: از دو نوع سخت کننده آمینی برای سه درصد مختلف رزین استفاده شد.
• بررسی اثر دو نوع فیلر خاکستر پوسته برنج و خاکستر ساقه جارو که از پسماند های محصولات کشاورزی بدست آمدند بر خواص مقاومتی بتن پلیمری: نمونه ها در سه درصد پلیمر مختلف (13 ، 4/18 ، 23) و با درصد های مختلف فیلر ساخته شدند.
• بررسی اثر حلال بر مقاومت فشاری و خمشی بتن پلیمری: ازحلال استون- تولوئن (به نسبت 50%- 50%) برای کاهش ویسکوزیته پلیمر استفاده شد. نمونه ها از دو نوع رزین اپوکسی مختلف و نیز از دو درصد مختلف پلیمر (8 و 10) ساخته شدند.

1-2 ساختار پایان نامه
در فصل اول مقدمه ای از کلیات و ضرورت های تحقیق و مطالبی برای آشنایی اولیه با مواد پلیمری ارائه گردید.
در فصل دوم توضیحاتی در مورد پلیمر ها بخصوص رزین اپوکسی و نیز خصوصیات بتن های حاوی پلیمر ارائه شده است.
در فصل سوم روند انجام آزمایشات و طریقه تهیه و مشخصات مواد مورد نیاز و بکار رفته در ساخت نمونه ها تشریح گردید.
نتایج بدست آمده و بحث در مورد آن در فصل چهارم بیان شد.
خلاصه نتایج به همراه پیشنهادات در فصل پنجم آمده است.

2- فصل دوم: ادبیات موضوع و مروری بر مطالعات انجام شده
 
2-1 بتن سیمانی
بتن شامل یک بایندر چسبنده سیمانی همراه با سنگدانه است که برای سخت شدن به آب نیاز دارد. خواص مکانیکی بتن متأثر از خواص ترکیبات سیمان، نوع و دانه بندی سنگدانه، مقدار و کیفیت آب، حرارت، رطوبت و عمل آوری است. هیدراته شدن ذرات سیمان در مجاورت آب موجب تشکیل شبکه ای سخت و محکم گشته که سنگدانه ها را احاطه می کند [4]. در ادامه مطالبی در مورد اجزاء تشکیل دهنده و خصوصیات مقاومتی بتن سیمانی به اختصار بیان می شود.
سیمان: سیمان از مخلوط مواد آهکی با موادی شامل اکسیدهای سیلیس ، آلومینیوم و آهن (مانند رس) و پختن آنها تا مرحله کلینگر بدست می آید. تر کیبات سیمان در مجاورت آب هیدراته شده و تولید C3S2H3[7] و هیدروکسید کلسیم[8] می کنند.ترکیب C3S2H3 عامل اصلی گیرش سیمان می باشد.
سنگدانه: حدود 75% حجم بتن را تشکیل می دهد. سنگدانه ها بر اساس نوع کانی های تشکیل دهنده، شکل ظاهری و بافت سطحی در گروه های مختلف طبقه بندی می شوند. با توجه به اینکه تنش های وارد بر سطح تماس یک دانه ممکن است بالاتر از تنش فشاری وارده باشد مقاومت لازم برای سنگدانه ها باید از مقاومت

این مطلب را هم بخوانید :

فرآورده های لبنی

 بتن بالاتر باشد (مقاومت یک سنگدانه مناسب تا حدود MPa 80 می رسد). وجود مواد آلی، ناخالصی های نمکی و رس یا ذرات بسیار ریز در سنگدانه بر بتن تأثیر منفی دارد.

آب: به منظور هیدراته شدن سیمان و ایجاد گیرش بکار می رود و نیز بر کارایی و ایجاد تراکم بهتر مؤثر است. آبی که pH آن بین 6 تا 8 بوده و طعم شوری نداشته باشد برای استفاده در بتن مناسب است. آب داخل بتن به سه بخش : آب ترکیب ، آب ژلی و آب حفرات موئینه تقسم می شود. با افزایش نسبت آب به سیمان بر حفرات موئینه افزوده شده که این افزایش حفرات موجب کاهش مقاومت بتن می شود.
پوزولان: به موادی که به تنهایی خاصیت گیرش و سیمانی شدن ندارند اما در مجاورت آب با هیدروکسید کلسیم حاصل از هیدراتاسیون واکنش داده و ترکیباتی با خاصیت سیمانی تشکیل می دهند اطلاق می شود. خاکسترهای آتشفشانی، رس پخته و خاکستر بادی از جمله پوزولان هایی هستند که در بتن استفاده می شوند.

2-1-1 خصوصیات بتن سیمانی (بتن سیمان پرتلند)
مقاومت های فشاری: تقریباً کلیه خواص بتن مرتبط با مقاومت فشاری بتن است و با افزایش مقاومت فشاری، مقاومتهای کششی، خمشی، سایش، خستگی، نفوذپذیری و … بتن بطور غیر خطی افزایش می یابد. بنابراین مقاومت فشاری معیار خوبی برای بیان کیفیت بتن است. مقاومت در بتن تابع زمان است و با گذشت زمان افزایش می یابد که این افزایش در ابتدا سیر صعودی بیشتری دارد. برای نمونه ها با ترکیبات سیمانی مختلف مقاومت های بدست آمده در زمانهای برابر متفاوت است. مثلاً [9]C3A  موجب افزایش مقاومت سنین اولیه بتن می شود اما این ترکیب در مجاورت سولفات تولید سولفو آلومینات کلسیم کرده که برای بتن مضر است به همین خاطر از این ترکیب در سیمان های ضد سولفات کمتر استفاده می شود و این عمل موجب دیر گیر شدن این تیپ از سیمان گشته است [5].
مقاومت کششی و خمشی: مقاومت کششی با افزایش مقاومت فشاری با نسبت کمتری افزایش می یابد. برای بتن با مقاومت پایین نسبت مقاومت کششی به فشاری حدود است که با افزایش مقاومت فشاری این نسبت کاهش می یابد [4]. از عوامل مؤثر بر این نسبت رطوبت می باشد. مقاومت فشاری بتن در حالت خشک از مرطوب بیشتر می باشد ولی مقاومت کششی (مستقیم) تغییر چندانی نمی کند. هرچند مقاومت کششی مستقیم