عوامل موثر بر مدول ارتجاعی

عوامل موثر بر مدول ارتجاعی

در مصالح همگن بین وزن مخصوص و مدول ارتجاعی رابطه مستقیمی وجود دارد. در مصالح ناهمگن و چند فازی، نظیر بتن، نسبت حجمی، وزن مخصوص و مدول ارتجاعی مواد اصلی تشکیل دهنده و مشخصات ناحیه انتقال، تعیین کننده خواص ارتجاعی ماده مرکب می باشند. از آنجا که وزن مخصوص با تخلخل تناسب معکوس دارد، عواملی که موثر بر تخلخل سنگدانه، خمیر سیمان و ناحیه انتقال می باشند، مهم هستند. در بتن، وجود ارتباط مستقیم بین مقاومت و مدول ارتجاعی از این حقیقت ناشی می شود که هر دوی این خواص در بتن تحت تأثیر تخلخل مواد تشکیل دهنده آن قرار می گیرند، هر چند که این تأثیرات یکسان نیستند.

سنگدانه – در میان خواصی از سنگدانه درشت که مدول ارتجاعی بتن را تحت تأثیر قرار می دهند، تخلخل سنگدانه اهمیت بیشتری دارد. دلیل این امر آن است که تخلخل سنگدانه تعیین کننده مقاومت و سختی آن است که آن هم به نوبه خود کنترل کننده توانایی سنگدانه در مقید ساختن کرنش های خمیر می باشد. سنگدانه های متراکم وكم تخلخل، مدول ارتجاعی بالاتری دارند. به طور کلی هر چه میزان سنگدانه درشت با مدول ارتجاعی بالا در مخلوط بتن بیشتر باشد، مدول ارتجاعی بتن بالاتر خواهد بود. از آنجا که در بتن های با مقاومت پایین و متوسط، مقاومت بتن تحت تأثیر تخلخل سنگدانه نیست، لذا روشن می گردد که عوامل مختلف کنترل کننده مقاومت و مدول ارتجاعی این کار را به یک صورت و با یک روند انجام نمی دهند.

مغزه های به دست آمده از توده سنگها، مدول ارتجاعی سنگدانه های طبیعی با تخلخل کم نظیر گرانیت و بازالت را در حدود و این ضریب را برای ماسه سنگ ،سنگ آهک و شن با تخلخل های مختلف را در حدود  نشان داده است.

سنگدانه های سبک اغلب بسیار متخلخل می باشند و براساس میزان تخلخل آنها، مدول ارتجاعی شان بین  تا  است. به طور کلی بتن های با سنگدانه سبک دارای مدول ارتجاعی کیلوگرم بر سانتیمتر مربع می باشند که این مقادیر در حدود  درصد مدول ارتجاعی بتن با سنگدانه معمولی با مقاومت مشابه می باشند. سایر خواص سنگدانه نیز بر روی مدول ارتجاعی بتن اثر می گذارند. به عنوان مثال، حداکثر اندازه سنگدانه، شکل، بافت سطحی، دانه بندی و خواص کانیهای سنگدانه در ریز ترکهای ناحیه انتقال و در نتیجه در شکل منحنی تنش- کرنش موثر خواهند بود.

خمیر سیمان – مدول ارتجاعی خمیر سیمان از روی میزان تخلخل آن تعیین می گردد. عوامل موثر در کنترل تخلخل خمیر سیمان، نظیر نسبت آب به سیمان، میزان هوا، افزودنیهای معدنی و درجه هیدراتاسیون سیمان، در شکل (13-3) آورده شده اند. مقادیر مدول ارتجاعی خمیر سیمان هیدراته شده با تخلخل های مختلف، در حدود ذکر شده است. بایستی توجه داشت که این مقادیر شبیه مقادیری اند که برای مدول ارتجاعی سنگدانه های سبک به دست آمده است.

ناحیه انتقال – به طور کلی، فضاهای خالی، ریز ترکها و بلورهای هیدروکسید کلسیم بیشتر در ناحیه انتقال، در مقایسه با خمیر سیمان، دیده می شوند و بنابراین نقش عمده ای در تعیین منحنی تنش-کرنش بتن دارند. عوامل کنترل کننده تخلخل در ناحیه انتقال در شکل (13-3) آورده شده اند. در گزارشهای فنی، نشان داده شده است که مقاومت و مدول ارتجاعی بتن، به یک میزان تحت تأثیر سن عمل آوری قرار ندارند. در مخلوطهای بتنی با مقاومتهای مختلف، در سنین بالاتر مثلا ۳ ماه تا یکسال، مدول ارتجاعی با سرعت بیشتری نسبت به مقاومت افزایش یافته است (شکل 6-4). امکان دارد که تأثیرات مثبت افزایش چگالی ناحیه انتقال، بر اثر واکنشهای آهسته بین قلیائیهای خمیر سیمان و سنگدانه، بیشتر بر روی منحنی تنش – کرنش، در مقایسه با مقاومت فشاری بتن،تأثیر بگذارد.

شکل4-6-رابطه بین مقاومت فشاری و مدول ارتجاعی

پارامترهای آزمایش – نتایج آزمایشها نشان می دهد که مدول ارتجاعی نمونه های بتنی در شرایط مرطوب حدود ۱۵ درصد بیش از نمونه های مشابه در شرایط خشک بدون در نظر گرفتن تستهای اختلاط و سن عمل آوری، می باشد. جالب توجه است که مقاومت فشاری چنین نمونه هایی برخلاف نتیجه اشاره شده در بالا است، بدین معنی که مقاومت فشاری در شرایط خشک حدود ۱۵ درصد بالاتر را نشان میدهد. چنین به نظر می رسد که خشک شدن بتن تأثیر متفاوتی بر روی خمیر سیمان، در مقایسه با ناحیه انتقال، دارد و خمیر سیمان به علت افزایش نیروی واندروالسی محصولات هیدراتاسیون، مقاومت بیشتری را کسب می کند در حالی که ناحیه انتقال، به علت ایجاد ترکهای ریز، کاهش مقاومت از خود نشان میدهد. مقاومت فشاری با افزایش مقاومت خمیر افزایش می یابد اما مدول ارتجاعی به علت افزایش ریز ترکها در ناحیه انتقال، که بر منحنی تنش – کرنش اثر میگذارد، کاهش می یابد. توجیه دیگری برای این پدیده نیز وجود دارد. در یک خمیر سخت شده اشباع، آب جذب شده توسط ژلC-S-H ، تحمل بار می کند و لذا بر روی مدول ارتجاعی موثر واقع می شود، از طرف دیگر ایجاد فشار انفصالی (فصل ۲ را ببینید) در C-S-H سبب کاهش نیروهای جاذب و اندروالسی و در نتیجه کاهش مقاومت می شود.

میزان و درجه غیر خطی شدن منحنی تنش -کرنش بتن بستگی به سرعت بارگذاری دارد. در یک سطح تنش مشخص، سرعت توسعه ترکها و بنابراین مدول ارتجاعی به سرعت بارگذاری وابسته است. در بارگذاری سریع و آنی قبل از گسیختگی کرنش کوچکی بوجود می آید و لذا مدول ارتجاعی در این حالت خیلی زیاد است. در مدت زمانی که معمولا برای آزمایش نمونه های بتنی لازم است (۲ تا ۵ دقیقه)، کرنش در حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد افزایش می یابد و در نتیجه مدول ارتجاعی کاهش می یابد. در بارگذاری بسیار آهسته، کرنش های ارتجاعی و خزش بر روی هم اضافه شده و در نتیجه کاهش بیشتری را در مدول ارتجاعی ایجاد می کنند. در شکل (7-4)، کلیه عوامل ذکر شده در بالا، که بر روی مدول ارتجاعی بتن اثر می گذارند، به صورت نموداری خلاصه شده است.

شکل7-4- پارامترهای مختلف موثر بر مدول ارتجاعی بتن