مواد استعمال شاتكریت تقویتی با الیاف
شاتکریت الیافی در زمینههای تعمیر و مرمت شیب صخرهها، معادن، تونلها، سدها، نیروگاهها، پلهای قوسی، پوشش نازك روی ساختارهای كتیبهای شكل، سنگ غارهای زیرزمینی، مخازن نفت، بدنه كشتی، تثبیت ریزش خاك كوه كنار جاده، تعمیر سطوح ترك خورده بتن استفاده میشود.
تثبیت شیب دامنهها
یكی از كاربردهای وسیع شاتكریت مسلح با الیاف در ژانویه ۱۹۷۴ میلادی در طول رودخانه مارپیچی در ایالت واشنگتن كه سد كوچكی نزدیك رودخانه بود انجام شد. شاتكریت برای پایا ساختن یك قسمت خراب شده مربوط به شیب صخره بالای راه آهن (Camas prairie) استفاده شد كه كار شامل سنجش، نصب كردن راك بلتها و به كارگیری شاتكریت با حداقل ضخامت ۵/۲ اینچ ( ۶۳ میلیمتری) میشد.
كاربردهای زیرزمینی منتخب
در دسامبر ۱۹۷۲ شاتكریت الیافی، مسیری به طول ۴۰ فوت (۱۲ متر) در راهرو تونل اكتشافی معدن و در پایه كناری 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 مگاپاسكال) بود.
دستاوردهای جدید
تقویت شاتكریت با تقویت الیاف فولادی میكروسیلیس
پیشرفتهای زیادی در تكنولوژی شاتكریت در سالهای اخیر بوده است و تا از پراهمیتترین استفاده از بخار سیلیس كه در مخلوط ملاط سیمانی وارد شده و الیاف فولادی نیز استفاده میشود. بخار سیلیس یا میكروسیلیس یك محصول فرعی از صنعت فلز فراسیلیكون یك محصول فرعی از صنعت فلز فراسیلیكون است و یك پوزولان بسیار خوب است.
پوزولانها مواد سیمانی هستند كه در طول آبدهی سیمان با هیدروكسید كلسیم واكنش میدهد. بخار سیلیس به مقدار زیاد در حدود ۸ تا ۱۳ درصد وزن سیمان اضافه شده و شاتكریت موجود دارای مقاومت فشاری دو یا سه برابر مخلوطهای شاتكریت عادی است. این شاتكریت به شدت محكم، غیرقابل نفوذ و با دوام و پایدار است. مزایای دیگر این شاتكریت شامل كاهش خاصیت ارتجاعی، بهبود مقاومت خمشی، بهبود پیوستگی توده سنگ، قابلیت نگهداری لایههایی تا حدود ۲۰۰ میلیمتر ضخیم بعلت وجود چسبندگی شاتكریت است. هر چند، در موقعی كه از شاتكریت تر استفاده میشود این چسبندگی كارائی بتن را كاهش میدهد كه از مواد نرم كننده و افزودنیهایی برای بازسازی این كارائی بتن استفاده میشود.
الیاف پلی پروپیلن
الیافی كه در شاتكریت 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 مكعب از شاتكریت استفاده میشود. مزیت عمده این الیاف این است كه انبساط و انقباض بتن ناشی از ترك را كنترل میكند. هنگامی كه الیاف پلی پروپیلن استفاده شد خطر خاصیت ارتجاعی نیز كمتر شد. بیشترین طول مشخص شده متداول برای الیاف پلی پروپیلن ۵/۱ اینچ است. هرچند كه الیاف بلندتر نیز مشكلی ندارند.
الیاف شیشه
الیاف شیشهای از فلز زیركونیم قلیایی با مقاومت كه شیشه AR است ساخته میشوند. در الیاف شیشهای برای تقویت از پشم شیشه استفاده میشود كه در این حالت از ملاط سیمان پرتلند نباید استفاده شود. هنگامی كه شیشهای كوچكتر از ۰/۰۰۰۲ اینچ میشوند آنها معمولاً با هم اتصال داده میشود. در داخل اعضایی كه 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 شاتكریت 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 كوتاهتر به راحتی داخل سیستم پمپ میشوند. هرچند برای كارائی معادل نیاز خواهیم داشت. نسبت الیاف داخل شاتكریت بین ۵ تا ۲ درصد از حجم است.
روش جدید استفاده از الیاف فولادی دوبل به صورت قلابی (لنگری شكل)
تغییر شكلپذیری بالا و معین شاتكریت از الزاماتی است كه در تعمیر، نوسازی، تثبیت شیبها، نگهداری زمین و صخرهها و نیز كاربردهای دیگر باید رعایت شود كه در این صورت از الیاف فولادی در شاتكریت استفاده میشود كه روز به روز در حالت ارتقا یافتن است. همچنین این ترقی به گونهای است كه احاطه آن استفاده از الیاف در شاتكریت و حتی استفاده آن را در فرآیند خشك با الیاف با خاصیت ارتجاعی زیاد را نیز در برگرفته است اما بعلت فقدان تكنیك آزمایش استاندارد شده و نیز عدم فهم كامل از مكانیزم تقویت كردن در شاتكریت خشك كمتر استفاده میشود.
در زمینه خاصیت ارتجاعی، متأسفانه مواردی كه برای كاهش خاصیت ارتجاعی نیاز است اغلب با مواردی برخورد میشود كه باید سختی مواد مورد نیاز را بالا برد.
الیاف جدید از دو انكر دوبل اصلی برگرفته شده است و برای هر دو حالت كاهش خاصیت ارتجاعی و نیز افزایش سختی در شاتكریت سفت و محكم شده بهینهسازی كرده است.
- شاتكریت، هنگامی كه 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 شاتكریت تقویتی با الیاف چنگكی
- در هر دو حالت شاتكریت خشك و تر استفاده میتواند بشود.
- فضای كمتری نسبت به شبكه مش نیاز دارد.
- خاصیت ارتجاعی كمتر میشود.
- مصرف بتن در مدت كار كمتر است.
- كاهش نیروی انسانی
- بهبود مقاومت تركیدگی 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 شاتكریت الیافی به عنوان پوشش دائمی
امروزه در برخی از مناطق دنیا تحقیق برای استفاده از شاتكریت و بخصوص شاتكریت الیافی برای پوشش دائمی تونلها در حال انجام است و حتی بعضی از تحقیقات به نتایج مناسبی رسیده است اجرای شاتكریت به عنوان پوشش دائمی علاوه بر اینكه نیاز به قالب بندی را از بین میبرد. این امكان را به ما میدهد كه بتوانیم تحكیمات دائمی تونل را در زمان حفاری انجام دهیم بدین ترتیب از نظر زمانی و اقتصادی بسیار به صرفه خواهد بود.
كاربرد الیاف فولادی در شاتكریت تر برای پوشش تونلها
روش شاتكریت تر نسبت به شاتكریت خشك اهمیت بالایی از لحاظ خاصیت ارتجاعی و وضعیت كاری دارد. استفاده از افزودنیهای مختلف در بتن، میكروسیلیس، الیاف تقویت كننده، به اضافه بهبود روش عمومی، ممكن شده تا بتنی با ظرفیت مقاومتی بالا تولید شود. الیاف فولادی در شاتكریت تر در حدود ۴ سال قبل از نروژ مطرح شد و تاكنون بیشتر از ۵۰ درصد از شاتكریت بازار را از این الیاف استفاده میكنند.
نتایج آزمایشها یك تجزیه مهمی در برداشت كه نشان میداد الیاف فولادی (كه حجم معمولی آن كمی بیشتر از ۱ درصد كل است) با موفقیت میتوان جایگزین شبكه فلزی مش كرد كه ضخامت پوشش آن تا میزان ۱۰۰ تا ۱۵۰ میلیمتر میرسد و پوشش بگونهای است كه حداقل مقاومت تقریباً مساوی و شكلپذیری بیشتر میشود. استفاده از بتن مسلح با الیاف با یك مقاومت اولیه بالا توسط تجهیزات شاتكریت كه كنترل شود بطور قابل ملاحظهای تعلل در مورد شاتكریت را كاهش میدهد. استفاده از بتن مسلح با الیاف ۳ تا ۶ برابر بیشتر در پوشش در ضخامت یكنواخت 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 میكنید. استفاده از الیاف فولادی در شاتكریت در تركیبا با راك بلتها خیلی مناسب برای تركیب موقتی و نگهداری نهایی است.
شاتكریت الیافی در پوشش موقت
در صخرههای مشكلساز یكی از قسمتهای عملیات كار، نگهداری با سرعت است كه معمولاً فعالیتی بحرانی است.
مزایای اساسی شاتكریت الیافی در حالت تو برای نگهداری موقت
- افزایش سرعت در عملیات (۱۰ تا ۱۴ مترمكعب درهر ساعت با دستگاه خودكار)
- تقویت (فولادگذاری) به سرعت انجام میگیرد و یك اثر تقویت هم سریع است.
- مشكلات با پوشش آرماتورها در شاتكریت از بین میرود.
- بتن تازه شامل الیاف قبل از پمپ كردن به طور كامل با هم تركیب میشوند (ضریب آب به سیمان و مقدار الیاف ثابت هستند)
- شرایط كار بواسطه استفاده از دستگاه خودكار كنترل از راه دور در تمام مراحل مناسب و قابل اطمینان است.
- كاهش خاصیت ارتجاعی (۵ تا ۱۰ درصد)
یكی از نكات مهم در صخرههای تونل نگهداری تونل به صورت پایداری و مداوم است. به این معنی كه از جدا شدن یا ریزش سنگها جلوگیری كند. علاوه بر آن سرعت نگهداری شاتكریت الیافی حجم موردنیاز سنجیده شده را كاهش خواهد داد. در زمینهای نامناسب در سطوح متقاطع فرضی به راحتی ساخته و نگهداری میشود.
هر جا كه سرعت نگهداری بالاست در ابتدا مقاومتی بالا برای مخلوط باید مشخص شود. استفاده از سیمان پرتلند با سرعت سخت شدگی بالا، نرم كنندههای سریع، مواد افزودنی به شاتكریت و دمای بتن هم ۲۰ تا ۳۰۰ درجه پیشنهاد شده است.
اختلاف زیادی بین شاتكریت عادی و مسلح به الیاف است كه اثر پیآمد آن در شكلپذیری یا رفتار مشابه به شكلپذیریكه از گسترش ترك و بخش آن جلوگیری میكند. این نرمی بالا ظرفیت باربری را افزایش میدهد اما این در شروع بستگی زیادی به موقعیت بار و شرایط حدیدارد. نظریه تسلیم الاستیك و مدلهای مواد غیر الاستیك ( غیرخطی) و غیره باید در هنگام جستجو در ظرفیت باربری الیاف پوششی ترجیحاً تئوری الاستیته خطی استفاده گردد.
بطور كلی دوام بتن با كاهش نسبت آن به سیمان بهبود مییابد. استحكام سیمانهای مخصوص با آب و مایعات بهتر میشود. بعنوان مثال ملات سیمانی با سولفات پایدار، روشی دیگر برای افزایش فزاینده دوام استفاده از میكروسیلیس است. زمانی كه شاتكریت با مقاومت بالا نیاز باشد استفاده از میكروسیلیس نیاز است.
امروزه به رحال میكروسیلیس تقریباً در شاتكریت الیافی در حالت تر مورد استفاده قرار میگیرد.
