شاتکریت
مواد استعمال شاتکریت تقویتی با الیاف
شاتکریت الیافی در زمینههای تعمیر و مرمت شیب صخرهها، معادن، تونلها، سدها، نیروگاهها، پلهای قوسی، پوشش نازک روی ساختارهای کتیبهای شکل، سنگ غارهای زیرزمینی، مخازن نفت، بدنه کشتی، تثبیت ریزش خاک کوه کنار جاده، تعمیر سطوح ترک خورده بتن استفاده میشود.
تثبیت شیب دامنهها
یکی از کاربردهای وسیع شاتکریت مسلح با الیاف در ژانویه ۱۹۷۴ میلادی در طول رودخانه مارپیچی در ایالت واشنگتن که سد کوچکی نزدیک رودخانه بود انجام شد. شاتکریت برای پایا ساختن یک قسمت خراب شده مربوط به شیب صخره بالای راه آهن (Camas prairie) استفاده شد که کار شامل سنجش، نصب کردن راک بلتها و به کارگیری شاتکریت با حداقل ضخامت ۵/۲ اینچ ( ۶۳ میلیمتری) میشد.
کاربردهای زیرزمینی منتخب
در دسامبر ۱۹۷۲ شاتکریت الیافی، مسیری به طول ۴۰ فوت (۱۲ متر) در راهرو تونل اکتشافی معدن و در پایه کناری سد Rivie در Idaho استفاده شد. ضخامت ۳ اینچ (۷۷ میلی متر) بود و مقاومت خمشی ۳۴ روز مربوط به قطعه تیرها ۹۱۰ پوند بر اینچ مربع (۳/۶ مگاپاسکال) بود.
دستاوردهای جدید
تقویت شاتکریت با تقویت الیاف فولادی میکروسیلیس
پیشرفتهای زیادی در تکنولوژی شاتکریت در سالهای اخیر بوده است و تا از پراهمیتترین استفاده از بخار سیلیس که در مخلوط ملاط سیمانی وارد شده و الیاف فولادی نیز استفاده میشود. بخار سیلیس یا میکروسیلیس یک محصول فرعی از صنعت فلز فراسیلیکون یک محصول فرعی از صنعت فلز فراسیلیکون است و یک پوزولان بسیار خوب است.
پوزولانها مواد سیمانی هستند که در طول آبدهی سیمان با هیدروکسید کلسیم واکنش میدهد. بخار سیلیس به مقدار زیاد در حدود ۸ تا ۱۳ درصد وزن سیمان اضافه شده و شاتکریت موجود دارای مقاومت فشاری دو یا سه برابر مخلوطهای شاتکریت عادی است. این شاتکریت به شدت محکم، غیرقابل نفوذ و با دوام و پایدار است. مزایای دیگر این شاتکریت شامل کاهش خاصیت ارتجاعی، بهبود مقاومت خمشی، بهبود پیوستگی توده سنگ، قابلیت نگهداری لایههایی تا حدود ۲۰۰ میلیمتر ضخیم بعلت وجود چسبندگی شاتکریت است. هر چند، در موقعی که از شاتکریت تر استفاده میشود این چسبندگی کارائی بتن را کاهش میدهد که از مواد نرم کننده و افزودنیهایی برای بازسازی این کارائی بتن استفاده میشود.
الیاف پلی پروپیلن
الیافی که در شاتکریت استفاده میشوند طول آنها از ۵ تا ۵/۲ اینچ است. به طور معمول ۱ تا ۲ پوند از الیاف پلی پروپیلن در هر یارد مکعب از شاتکریت استفاده میشود. مزیت عمده این الیاف این است که انبساط و انقباض بتن ناشی از ترک را کنترل میکند. هنگامی که الیاف پلی پروپیلن استفاده شد خطر خاصیت ارتجاعی نیز کمتر شد. بیشترین طول مشخص شده متداول برای الیاف پلی پروپیلن ۵/۱ اینچ است. هرچند که الیاف بلندتر نیز مشکلی ندارند.
الیاف شیشه
الیاف شیشهای از فلز زیرکونیم قلیایی با مقاومت که شیشه AR است ساخته میشوند. در الیاف شیشهای برای تقویت از پشم شیشه استفاده میشود که در این حالت از ملاط سیمان پرتلند نباید استفاده شود. هنگامی که شیشهای کوچکتر از ۰/۰۰۰۲ اینچ میشوند آنها معمولاً با هم اتصال داده میشود. در داخل اعضایی که قطر آنها ۰/۰۰۰۵ تا ۰/۰۵اینچ است بر طول الیاف به طور نمونه ۱ تا ۲ اینچ است.
مقدار الیاف فولادی
طول الیاف فولادی در شاتکریت به طور نمونه ۱ اینچ و اما اغلب در حد فاصل تا ۵/۱ اینچ است. الیاف باید حداقل اینچ بیشتر از مقدار قطر بزرگترین اندازه مصالح دانهای باشد. الیاف کوتاهتر به راحتی داخل سیستم پمپ میشوند. هرچند برای کارائی معادل نیاز خواهیم داشت. نسبت الیاف داخل شاتکریت بین ۵ تا ۲ درصد از حجم است.
روش جدید استفاده از الیاف فولادی دوبل به صورت قلابی (لنگری شکل)
تغییر شکلپذیری بالا و معین شاتکریت از الزاماتی است که در تعمیر، نوسازی، تثبیت شیبها، نگهداری زمین و صخرهها و نیز کاربردهای دیگر باید رعایت شود که در این صورت از الیاف فولادی در شاتکریت استفاده میشود که روز به روز در حالت ارتقا یافتن است. همچنین این ترقی به گونهای است که احاطه آن استفاده از الیاف در شاتکریت و حتی استفاده آن را در فرآیند خشک با الیاف با خاصیت ارتجاعی زیاد را نیز در برگرفته است اما بعلت فقدان تکنیک آزمایش استاندارد شده و نیز عدم فهم کامل از مکانیزم تقویت کردن در شاتکریت خشک کمتر استفاده میشود.
در زمینه خاصیت ارتجاعی، متأسفانه مواردی که برای کاهش خاصیت ارتجاعی نیاز است اغلب با مواردی برخورد میشود که باید سختی مواد مورد نیاز را بالا برد.
الیاف جدید از دو انکر دوبل اصلی برگرفته شده است و برای هر دو حالت کاهش خاصیت ارتجاعی و نیز افزایش سختی در شاتکریت سفت و محکم شده بهینهسازی کرده است.
- شاتکریت، هنگامی که برای پوشش یا نگهداری سطح زمین استفاده میشود.
- اغلب در معرض خطر است که شامل حرکات شبه استاتیکی زمین و تغییر شکلهای ناشی از دینامیک در زمین است که اغلب بسیار باهمیت است.
- غالفگیر کننده نیست در مواردی که تغییر شکل مواد، سختی و انرژی جذبی اغلب در این شاتکریتهای تقویتی با الیاف نسبت به شاتکریتهای تقویتی با الیاف عادی بسیار بیشتر است.
- یکی از عوامل اصلی مربوط به روش شاتکریت خشک خاصیت ارتجاعی زیاد است. نزدیک به ۲۰ تا ۴۰ درصد از مواد و بالای ۷۵ درصد از الیاف ممکن است به علت خاصیت ارتجاعی از بین بروند.
- در جریان خاصیت ارتجاعی، خواص زیادی از الیاف از بین میرود و این اثر روی بتن میگذارد و در نتیجه زائد شده و از بین میرود.
- از بین رفتن الیاف بعلت این خاصیت ارتجاعی به این معنی قابل تعبیر است که خسارات عظیمی از جمله کاهش سختی، تغییر شکل پذیر و نیز مجموعه شکافی در ظرفیت باربری شاتکریت خواهد داشت.
- هنگامی که اثر خاصیت ارتجاعی بالا در شاتکریت خشک تأئید شد، با توجه به نظرات در مورد عوامل فوق، به این نتیجه رسید که مخلوطی طراحی شود (سیمان ـ مقدار بخار سیلیس یا Silica fume)، نسبت مصالح به سیمان و غیره و یا جابجایی متغیرها (فشار هوا و نیز حجم هوا ـ نوع نازل، فاصله یا جهت نازل و غیره) که در کنترل خاصیت ارتجاعی موثر باشد.
- در نوع الیاف، هر چند خاصیت ارتجاعی هر تار الیاف همیشه این شک را بوجود میآورد که شکل هندسی الیاف را در نظر میگیرند که تأثیر مثبت هندسه الیاف بر خاصیت ارتجاعی الیاف خوب درک نمی شود.
خاصیت ارتجاعی الیاف و کاهش آن
روشن است که میزان خاصیت ارتجاعی الیاف به طور جدی بر سختی آن اثر میگذارد که نتیجه آن این است که بر شاتکریت الیافی اثر کرده کاهش خاصیت ارتجاعی کلیدی است تا یک شاتکریت با سختی بسیار بالا داشته باشیم. برای یک طراحی معقول و منطقی شاتکریت از الیافی با هدف کاهش خاصیت ارتجاعی استفاده می شود.
مکانیزمهای مهاربندی الیاف
جدیدترین تکنولوژی در طراحی الیاف به دو قسمت و گروه بزرگ با توجه به مکانیزم مهاربندی تقسیم میشوند. الیافی که به انکر ساکن تکیه دارند و الیافی که به انکر قلابی یا انکر کشیده شده (متحرک) تکیه دارند.
انکرهای ساکن معمولاً از الیاف تغییر شکل یافته با یک قلاب یا مخروط مجاور که به انتهای هر کدام از آنها هستند تولید میشوند. در زیر تنش در یک ردیف الیاف (یعنی، در زیر تنش محوری) معمولاً انکری طراحی میشود تا در حداکثر مقاومت موجود در آن که در زیر مقاومت فولاد است گسیخته میشود.
هر چند این انکرهای ساکن بعد از گسیختگی یک حجم قابل ملاحظهای از تغییر مکان کششی را برای پایداری کاهش میدهد.
انکرهای قلابی یا کششی، از طرف دیگر، بطور کلی انتهای یک سری الیاف منظم کنار هم را طوری تشکیل میدهد تا در جریان کشش با یک اصطکاک زیادی شبکهای از الیاف را به خارج از بتن میکشاند. این نوع از الیاف معمولاً با یک مقاومت کششی ماکسیم پائین تر نسبت به انکر ساکن است. اما اثر آن در انتهای الیاف باعث پایداری تغییر مکان کششی زیاد میشود و بنابراین افزایش انرژی کششی در مرحله توسط انتها مصرف میشود
مزایای استفاده از شاتکریت تقویتی با الیاف چنگکی
- در هر دو حالت شاتکریت خشک و تر استفاده میتواند بشود.
- فضای کمتری نسبت به شبکه مش نیاز دارد.
- خاصیت ارتجاعی کمتر میشود.
- مصرف بتن در مدت کار کمتر است.
- کاهش نیروی انسانی
- بهبود مقاومت ترکیدگی صخره
- اطمینان بسیار بالا
الیاف تقویت شده اصلاحی در شاتکریت توصیف شده الیاف از دو انکر اصلی برگرفته شده است که هر دو انکر مرده و کششی در همان الیاف ترکیب شده است. انکر ساکن (مرده) در نتیجه تنشهای نهایی تا قسمت رابط سست در الیاف شکسته و گسیخته میشود. این عامل سپس به انکر کششی هدایت میشود و بدون گسیتخگی الیاف این انکر از طریق اصطکاک مقاومت کششی از خود نشان میدهد، انکر مرده نخست اطراف شکاف را استحکام میبخشد و انکر کششی ظرفیت کل جذب انرژی را بهبود میبخشد. همچنین الیاف برای کاهش خاصیت ارتجاعی در شاتکریت خشک متعادل میشوند و متناسب هستند. هنگامی که یک شاتکریت الیافی واقعی محقق میشود که خاصیت ارتجاعی کم و ترکیب با راه کار جدید انکرهای دوبل باشد.
استفاده از شاتکریت الیافی به عنوان پوشش دائمی
امروزه در برخی از مناطق دنیا تحقیق برای استفاده از شاتکریت و بخصوص شاتکریت الیافی برای پوشش دائمی تونلها در حال انجام است و حتی بعضی از تحقیقات به نتایج مناسبی رسیده است اجرای شاتکریت به عنوان پوشش دائمی علاوه بر اینکه نیاز به قالب بندی را از بین میبرد. این امکان را به ما میدهد که بتوانیم تحکیمات دائمی تونل را در زمان حفاری انجام دهیم بدین ترتیب از نظر زمانی و اقتصادی بسیار به صرفه خواهد بود.
کاربرد الیاف فولادی در شاتکریت تر برای پوشش تونلها
روش شاتکریت تر نسبت به شاتکریت خشک اهمیت بالایی از لحاظ خاصیت ارتجاعی و وضعیت کاری دارد. استفاده از افزودنیهای مختلف در بتن، میکروسیلیس، الیاف تقویت کننده، به اضافه بهبود روش عمومی، ممکن شده تا بتنی با ظرفیت مقاومتی بالا تولید شود. الیاف فولادی در شاتکریت تر در حدود ۴ سال قبل از نروژ مطرح شد و تاکنون بیشتر از ۵۰ درصد از شاتکریت بازار را از این الیاف استفاده میکنند.
نتایج آزمایشها یک تجزیه مهمی در برداشت که نشان میداد الیاف فولادی (که حجم معمولی آن کمی بیشتر از ۱ درصد کل است) با موفقیت میتوان جایگزین شبکه فلزی مش کرد که ضخامت پوشش آن تا میزان ۱۰۰ تا ۱۵۰ میلیمتر میرسد و پوشش بگونهای است که حداقل مقاومت تقریباً مساوی و شکلپذیری بیشتر میشود. استفاده از بتن مسلح با الیاف با یک مقاومت اولیه بالا توسط تجهیزات شاتکریت که کنترل شود بطور قابل ملاحظهای تعلل در مورد شاتکریت را کاهش میدهد. استفاده از بتن مسلح با الیاف ۳ تا ۶ برابر بیشتر در پوشش در ضخامت یکنواخت انجام میگیرد. هر چند هزینه مواد در بتن تقویتی با الیاف در حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد بالاتر از هزینه بتن با تقویت مش است محصول نهایی ۱۰ تا ۲۰ درصد ارزانتر در میآید. علاوه برآن نیز شما در وقت هم صرفهجویی میکنید. استفاده از الیاف فولادی در شاتکریت در ترکیبا با راک بلتها خیلی مناسب برای ترکیب موقتی و نگهداری نهایی است.
شاتکریت الیافی در پوشش موقت
در صخرههای مشکلساز یکی از قسمتهای عملیات کار، نگهداری با سرعت است که معمولاً فعالیتی بحرانی است.
مزایای اساسی شاتکریت الیافی در حالت تو برای نگهداری موقت
- افزایش سرعت در عملیات (۱۰ تا ۱۴ مترمکعب درهر ساعت با دستگاه خودکار)
- تقویت (فولادگذاری) به سرعت انجام میگیرد و یک اثر تقویت هم سریع است.
- مشکلات با پوشش آرماتورها در شاتکریت از بین میرود.
- بتن تازه شامل الیاف قبل از پمپ کردن به طور کامل با هم ترکیب میشوند (ضریب آب به سیمان و مقدار الیاف ثابت هستند)
- شرایط کار بواسطه استفاده از دستگاه خودکار کنترل از راه دور در تمام مراحل مناسب و قابل اطمینان است.
- کاهش خاصیت ارتجاعی (۵ تا ۱۰ درصد)
یکی از نکات مهم در صخرههای تونل نگهداری تونل به صورت پایداری و مداوم است. به این معنی که از جدا شدن یا ریزش سنگها جلوگیری کند. علاوه بر آن سرعت نگهداری شاتکریت الیافی حجم موردنیاز سنجیده شده را کاهش خواهد داد. در زمینهای نامناسب در سطوح متقاطع فرضی به راحتی ساخته و نگهداری میشود.
هر جا که سرعت نگهداری بالاست در ابتدا مقاومتی بالا برای مخلوط باید مشخص شود. استفاده از سیمان پرتلند با سرعت سخت شدگی بالا، نرم کنندههای سریع، مواد افزودنی به شاتکریت و دمای بتن هم ۲۰ تا ۳۰۰ درجه پیشنهاد شده است.
اختلاف زیادی بین شاتکریت عادی و مسلح به الیاف است که اثر پیآمد آن در شکلپذیری یا رفتار مشابه به شکلپذیریکه از گسترش ترک و بخش آن جلوگیری میکند. این نرمی بالا ظرفیت باربری را افزایش میدهد اما این در شروع بستگی زیادی به موقعیت بار و شرایط حدیدارد. نظریه تسلیم الاستیک و مدلهای مواد غیر الاستیک ( غیرخطی) و غیره باید در هنگام جستجو در ظرفیت باربری الیاف پوششی ترجیحاً تئوری الاستیته خطی استفاده گردد.
بطور کلی دوام بتن با کاهش نسبت آن به سیمان بهبود مییابد. استحکام سیمانهای مخصوص با آب و مایعات بهتر میشود. بعنوان مثال ملات سیمانی با سولفات پایدار، روشی دیگر برای افزایش فزاینده دوام استفاده از میکروسیلیس است. زمانی که شاتکریت با مقاومت بالا نیاز باشد استفاده از میکروسیلیس نیاز است.
امروزه به رحال میکروسیلیس تقریباً در شاتکریت الیافی در حالت تر مورد استفاده قرار میگیرد.