Strengthening of reinforced concrete structure using sprayable fiber-reinforced cementitious composites with high ductility

مقدمه: محدودیت‌ها و فرصت‌های بتن مسلح

بتن مسلح یکی از پرکاربردترین مصالح در ساخت زیر ساخت‌های مدرن است، اما رفتار شبه‌ترد و ترک‌پذیری آن محدودیت‌های قابل توجهی ایجاد می‌کند. افزودن الیاف به بتن، مقاومت کششی را افزایش داده و شکنندگی را کاهش می‌دهد، اما بیشتر کامپوزیت‌های سیمانی مسلح به الیاف (FRCC) دارای ظرفیت کرنش کششی پایین هستند. کامپوزیت‌های سیمانی با انعطاف‌پذیری بالا (UHTCC) به دلیل رفتار چندترکی و سخت‌شوندگی کرنش، پتانسیل بالایی برای بهبود دوام و عملکرد مکانیکی سازه‌های بتنی دارند. با این حال، هزینه بالای الیاف پلیمری مورد استفاده در UHTCC استفاده کامل از این ماده در کل سازه را غیر عملی می‌کند. تکنیک‌های پاشش این مواد به ‌عنوان راهکاری مقرون ‌به‌ صرفه برای استفاده موضعی در نقاط حساس سازه پیشنهاد شده است.

ترکیبات مواد و روش‌های تولید UHTCC قابل پاشش

1. ترکیبات مواد:

1. • مواد اصلی شامل سیمان پرتلند، خاکستر بادی، ماسه سیلیسی ریز، فوق‌ روان‌کننده پلی‌کربوکسیلات، هیدروکسی‌پروپیل متیل‌سلولز (HPMC) و الیاف پلی‌وینیل الکل (PVA) با حجم 2 درصد هستند.
   • نسبت اختلاط: سیمان: آب: ماسه = 1: 0/3: 0/2.
   • حداکثر اندازه ماسه سیلیسی: 300 میکرومتر.
   • استفاده از HPMC برای کنترل گرانروی و پراکندگی بهتر الیاف.

2. فرآیند پاشش:

1. • استفاده از تجهیزات پنوماتیکی با جریان هوای 0/1 تا 0/3 متر مکعب در دقیقه و فشار 200 تا 600 کیلو پاسکال.
   • نرخ بازگشت مواد کمتر از 5 درصد است که نشان‌دهنده کارایی بالای روش است.
   • ضخامت لایه پاشش ‌شده معمولاً بین 20 تا 50 میلی‌متر است، که برای کاربردهای تقویتی و تعمیر مناسب است.

3. ویژگی‌های مکانیکی مواد پاشش‌شده:

1. • مقاومت فشاری UHTCC پاشش ‌شده بالاتر از نمونه‌های ریخته ‌شده به دلیل تراکم بهتر است.
   • فرآیند پاشش موجب کاهش تخلخل و افزایش چگالی ماتریس سیمانی می‌شود.
   • ظرفیت کرنش کششی و رفتار چندترکی در این مواد بهبود یافته است.

عملکرد مکانیکی UHTCC قابل پاشش

1. مقاومت فشاری:

1. • نمونه‌های پاشش ‌شده مقاومت فشاری بالاتری نسبت به نمونه‌های ریخته ‌شده دارند.
   • تراکم حاصل از فشار پنوماتیکی در حین پاشش به افزایش مقاومت فشاری کمک می‌کند.

2. مقاومت کششی:

1. • ظرفیت کرنش کششی نمونه‌های پاشش ‌شده به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.
   • رفتار چندترکی تقویت شده و توزیع یکنواخت الیاف در ماتریس به کاهش عیوب منجر می‌شود.

3. مقاومت خمشی:

1. • نمونه‌های پاشش‌شده توانایی تحمل بار خمشی بیشتری دارند.
   • انعطاف‌پذیری بالای این مواد امکان تغییر شکل بیشتری را فراهم می‌کند.

تقویت تیرهای بتن مسلح با UHTCC قابل پاشش

1. آزمایش خمش چهار نقطه:

1. • تیرهای بتن مسلح تقویت‌شده با لایه‌های UHTCC در ضخامت‌های 10 و 20 میلی‌متر مورد بررسی قرار گرفتند.
   • نتایج نشان داد که با افزایش ضخامت لایه، سختی و ظرفیت باربری تیرها به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.

2. کنترل ترک‌ها:

1. • ترک‌های موجود در بتن با اعمال لایه UHTCC به ترک‌های متعدد و با عرض کمتر تبدیل شدند.
   • عرض ترک‌ها در بتن اصلی تا 0/24 میلی‌متر و در لایه UHTCC تا 0/02 میلی‌متر کاهش یافت.

3. روش‌های پاشش:

1. • لایه‌های پاشش‌ شده به صورت تک ‌لایه و لایه‌ به ‌لایه (با فاصله زمانی یک روز) اجرا شدند.
   • نتایج نشان داد که ظرفیت باربری این دو روش تفاوت چندانی ندارد.

تحلیل نظری و مدل‌سازی

1. مدل‌های مواد:

1. • مدل دو خطی برای رفتار کششی و مدل پارابولیک برای رفتار فشاری بتن استفاده شد.
   • مدل‌سازی‌ها نشان داد که ظرفیت باربری تیرهای تقویت ‌شده به‌طور خطی با افزایش ضخامت و مقاومت کششی لایه UHTCC  افزایش می‌یابد.

2. نتایج تحلیل:

1. • پیش‌بینی‌های مدل تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی داشتند.
   • استفاده از لایه‌های UHTCC در بهبود مقاومت خمشی و کاهش عرض ترک‌ها مؤثر است.

کاربردهای عملی در چین

1. تقویت تونل زینلینگ:

1. • لایه 20 میلی‌متری UHTCC در ساخت دومین لایه تونل به‌کار رفت.
   • این لایه نقش محافظ در برابر ترک‌ها و افزایش دوام تونل را ایفا کرد.

2. تعمیر پل چانگ‌شانگانگ:

1. • ترک‌های خستگی خمشی در کف پل با لایه 20 میلی‌متری UHTCC تعمیر شدند.
   • این تعمیرات بدون وقفه در ترافیک و با دوام بالا انجام شدند.

نتیجه‌گیری و پیشنهادات آینده

1. نتیجه‌گیری:

1. • UHTCC  قابل پاشش به دلیل خواص مکانیکی برتر و توانایی کنترل ترک‌ها، ماده‌ای مناسب برای تقویت و تعمیر سازه‌های بتنی است.
   • این مواد می‌توانند دوام سازه را افزایش داده و هزینه‌های تعمیر و نگهداری را کاهش دهند.

2. پیشنهادات:

1. • بهینه‌سازی فرآیندهای تولید و پاشش برای کاهش هزینه‌ها.
   • مطالعه رفتار بلند مدت سازه‌های تقویت‌ شده با این مواد.
   • توسعه روش‌های جدید برای ترکیب این مواد با فناوری‌های دیگر، نظیر چاپ سه‌ بعدی بتن.