آزمایشات و راه حل ها
برای برطرف شدن نگرانی آزمایشاتی جهت بررسی دقیق تر پدیده و ارائه راه حل های عملی روی شاتکریت مسلح به الیاف انجام گرفت. یک پانل مکعب به ضلع 1.45m و با ضخامت 15cm بتن پاشی گردید و 28 روز قبل از آزمایش مورد عمل آوری قرار گرفت. طرح مخلوط پایه شاتکریت استفاده شده در همه پانل ها در جدول شماره 1 نشان داده شده است.

جدول 1- طرح مخلوط شاتکریت، kg/cm3

در مجموع از 4 پانل استفاده کردیم. یک پانل با یک مش فولادی در مرکز پانل آنگونه که در لاینینگ تونل ها استفاده می شود و بدون استفاده از الیاف.
پانل دوم با 40kg/m3 الیاف فولادی همانند آنچه در لاینینگ تونل ها استفاده می شود بتن پاشی شد.
سومین پانل با 40kg/m3 الیاف فولادی بعلاوه 1.8kg/m3 الیاف نازک پلی پروپیلن (Micro PP) پاشیده شد.
چهارمین پانل با 9kg/m3 الیاف پلیمری با کارایی بالا که در اندازه و شکل همانند الیاف فولادی استفاده شده در پانل شماره 2 بودند بتن پاشی شد.

تمام پانل ها در معرض آتش شبیه سازی شده مطابق نمودار RWS قرار گرفتند. (شکل 1) کوره ویژه ای همانطور که در شکل شماره 2 نشان داده شده است به همراه استفاده از سوخت دیزلی جهت گستردن آتش روی نمونه ها طراحی گردید. دو ترموکوبل در نزدیکی پانل شاتکریت و به فاصله های 30mm و 70mm از سطح داغ بتن نصب گردید که به کامپیوتر وصل شده و حرارت را در هر لحظه روی مانیتور نشان می داد. در ابتدا پانل مسلح شده با مش فولادی مورد آزمایش قرار گرفت. بعد از فقط چند دقیقه در معرض آتش صدای ترکیدن و پرتاب شدن تکه های بتن روی زمین مشاهده شد. بعد از 15 دقیقه به خاطر نگرانی از ترکیدن انفجاری قطعات بتن و آسیب رساندن به تجهیزات آزمایش، آتش را خاموش کردیم. عکس شماره 3 نشان دهنده قطعه پانل بعد از آزمایش است. حدودا نیمی از ضخامت پانل ( 7.5cmاز ضخامت پانل) به خاطر ترکیدن و کنده شدن لایه ها در مدت 15 دقیقه از بین رفت (شکل شماره 3).

پانل سوم با الیاف فولادی به اضافه 1.8kg/m3 الیاف میکرو پلی پروپیلن (Micro PP) به مدت 2 ساعت مورد آزمایش قرار گرفت. نمودار حرارت – زمان برای دو ترموکوبل در شکل شماره 4 نشان داده است. عکس سطح داغ این پانل بعد از 2 ساعت در معرض آتش در شکل شماره 5 نشان داده شده است. مناطق کمی روی سطح بتن دی هیدراته و یا کنده شدند، و همچنین پانل متحمل هیچگونه آسیب ترکیدن انفجاری (Explosive Spalling) نشد.

پانل دوم شامل الیاف فولادی و چهارمی شامل الیاف Micro PP ولی بدون الیاف Micro PP پس از آزمایش ترکیدن و تکه تکه شدن لایه‌ای (Explosive Spalling) وسیعی داشت. در حقیقت پانل با الیاف Micro PP به 5 قسمت خرد شد.

شکل 2- نصب کوره آتش با سوخت هیدروکربن


شکل 3- پانل بدون الیاف : بعد از 15 دقیقه تست آتش

نتیجه آزمایش
این آزمایش نشان می دهد استفاده از الیاف نازک Micro PP با قطر حدود 30μm باعث کاهش شدید ترکیدگی و کنده شدن لایه های بتن در معرض آتش سوخت های هیدروکربنی می شود. الیاف با گرم شدن منبسط می شوند و به علت تفاوت کلی ضریب گرمایی الیاف پلی پروپیلن و ماتریس شاتکریت باعث ایجاد درزهای کوچکی در ماتریس بتن شده که این درزها باعث سهولت خروج بخار و در نتیجه کاهش شدید فشار سیستم می شوند.
این آزمایش نشان می دهد در صورتی که در شاتکریت از تکنولوژی مشابهی استفاده کنیم احتمالا محصولی ضد آتش خواهیم داشت. علاوه بر این در نمودار (Explosive Spalling) آزمایش بیانگر این موضوع است که الیاف فولادی ماکرو و ماکرو پلی پروپیلن روی ترکیدن انفجاری لایه های بتن آزمایش بیانگر این موضوع است که الیاف فولادی ماکرو و ماکرو پلی پروپیلن روی ترکیدن انفجاری لایه های بتن (Explosive Spalling) در نمودار آتش RWS تاثیری ندارد. این احتمالا بیشتر به علت تفاوت در تعداد الیاف در ماتریس بتن است. بیشتر از 114 میلیون الیاف در هر کیلوگرم از الیاف Micro PP در مقابل 20000 تا 30000 الیاف در هر کیلوگرم از الیاف Micro PP استفاده شده است و این تفاوت زیادی است.

شکل 4 - داده های ترموکوپل ها برای پانل شاتکریت مسلح با الیاف فولادی + الیاف پلی پروپیلن


شکل 5 - پانل شاتکریت مسلح با الیاف فولادی + Micro PP پس از 2 ساعت تست آتش

تکنولوژی آلومینات کلسیم و موارد استفاده از آن در شاتکریت نسوز
در بسیاری از موارد از شاتکریت برای کارهای تعمیراتی در جاهایی استفاده می شود که محدودیت زمانی برای برگشت و سرویس دهی دوباره در مدت 24 ساعت و یا کمتر دارند. در نتیجه ما به شاتکریتی با خواص نسوز و در عین حال رسیدن به مقاومت مناسب جهت سرویس دهی در مدتی کوتاه داریم. راه حل مکمل دیگری که در عین حال که به صورت فوق العاده ای به خواص نسوز بتن کمک می کند، در روند رسیدن سریع به مقاومت مناسب نیز به ما یاری می رساند استفاده از سیمان کلسیم آلومینات به عنوان مصالح بیندر در سیستم نسوز می باشد، اما شناخت کمتری در مورد شاتکریت نسوز با کارایی بالا آمیخته با سنگدانه آلومینات کلسیم همراه با سیمان آلومینات کلسیم در دست می باشد. اضافه کردن این سنگدانه فوق العاده باعث بالا رفتن خواص شاتکریت برای تحمل و دوام در محیط های صنعتی می شود. این پدیده ذوب است که می تواند برای تولید سنگدانه آلومینات کلسیم به کار گرفته شود. در پروسه ذوب جایی که کوره ارتعاشی بزرگی با مقدار بسیار دقیقی از مواد خام اولیه، هیدروکسید آلومینیم بوکسیت و سنگ آهک تغذیه می شود و یک حمام گداخته از آلومینات کلسیم شکل می گیرد، یکدفعه سرد می شود. آلومینات کلسیم خام به قطعه های بزرگ گوشه دار بسیار متراکم و سخت تبدیل می شود که اگر خرد و دانه بندی شود یک سنگدانه بسیار عالی با دوام و خواص منطبق برای استفاده در شاتکریت نسوز خواهد بود. سنگدانه هایی که به وسیله ذوب تولید می شوند شهرت خاصی به خاطر مقاومت بالا و ضریب تخلخل بسیار پایین دارند.

وقتی به نسبت مناسب در شاتکریت مسلح به الیاف فولادی و Micro PP، مخلوط سیمان کلسیم آلومینات و سنگدانه کلسیم آلومینات و یا سیستم کلسیم آلومینات خالص اضافه شد باعث به وجود آمدن بتنی زودگیر با مقاومت بالا، بتنی با مقاومت نهایی سریع، مقاوم و عایق عالی در برابر شوک های حرارتی تا 1100 درجه سانتیگراد و مقاومت سایشی بسیار خوب خواهیم داشت. در این مخلوط ها اتصال سنگدانه ها به هم به صورت مکانیکی همچون اتصال شیمیایی بین سیمان و سنگدانه به صورت بسیار خوبی باعث کمک به بالا بردن مشخصات کلی سیستم می شود. در صنایع سنتی با درجه حرارت بالا ( آهن، فولاد و آلومینیم ) شاتکریت نسوز الیاف فولادی و میکرو پلی پروپیلن پایه ریزی شده بر مبنای سیستم آلومینات کلسیم خالص جهت تعمیر و محافظت از بارانداز های زغال، چاله های سرباره و روکش ناوه های نورد استفاده می شود. هر کدام از موارد استفاده با توجه به توانایی مواد برای به دست آوردن مقاومت سریع، عایق و مقاومت در برابر گرما و شوک های حرارتی، تاب آوردن در برابر استفاده مکرر مکانیکی و سایش انتخاب می شوند.

بیشتر موارد استفاده صنعتی این مواد در جاهایی است که علاوه بر داشتن خاصیت نسوز، محدودیت زمان برای برگشت و سرویس دهی دوباره در مدت ساعت و یا کمتر دارند. سیستم آلومینات کلسیم خالص این قابلیت را دارد که در کمتر از 24 ساعت به مقاومت بالای 51Mpa دست پیدا کند.

شکل 6- مشکلات ناشی از حرارت در صنعت فولاد

نتیجه گیری
از آزمایش ذکر شده و یافته های دیگر می توان دریافت که استفاده از هر دو نوع الیاف فولادی و میکرو پلی پروپیلن نازک در سازه های پیش ساخته و لاینیگ تونل ها توصیه می شود.

قابلیت بالای بتن های پرمقاومت با کارایی بالا برای ترکیدن و کنده شدن لایه ای (Explosive Spalling) در آتش می تواند با استفاده درست و به موقع از الیاف میکرو پلی پروپیلن تسکین یابد.

الیاف فولادی ماکرو و ماکرو پلی پروپیلن روی ترکیدن انفجاری لایه های بتن (Explosive Spalling) در نومدار آتش RWS تاثیری ندارد. این احتمالا بیشتر به علت تفاوت در تعداد الیاف در ماتریس بتن است. بیشتر از 114 میلیون الیاف در هر کیلوگرم از الیاف Micro PP در مقابل 20000 تا 30000 الیاف در هر کیلوگرم از الیاف Micro PP استفاده شده است و این تفاوت زیادی است.

در محیط های مخرب که بتن های معمولی به سرعت از بین می روند با اضافه کردن مقدار مناسبی آلومینات کلسیم به شاتکریت مسلح به الیاف فولادی + میکرو پلی پروپیلین در عین حال که محصولی کاملا ضد آتش خواهیم داشت، در مدت بسیار کوتاهی مقاوم و آماده سرویس دهی می شود.

ترکیب شاتکریت مسلح به الیاف فولادی و میکرو پلی پروپیلن و آلومینات کلسیم به صورت موفقیت آمیزی با متدهای کار شاتکریت تطبیق داده شده و مزایای خود را در بسیاری مراجع صنعتی به اثبات رسانده. وقتی یک ماده شاتکریت مشخص برای استفاده و مقاصد نسوز بررسی می شود این خیلی مهم است که فقط درجه حرارت محیط درگیر در نظر گرفته نشده ، بلکه فاکتورهای دیگر محیط عملیاتی که می تواند منجر به خرابی های زودرس شود نیز مد نظر قرار گرفته شود. این عوامل می تواند شامل شوک های حرارتی ، سایش ، سوء استعمال مکانیکی و حملات شیمیایی باشد. شاتکریت نسوز طراحی شده بر مبنای سنگدانه آلومینات کلسیم خالص و سیمان آلومینات کلسیم می تواند شرایط سرویس دهی طولانی را در محیط های سنگین صنعتی پرتکاپو و سخت فراهم کند. استفاده موفقیت آمیز محدوده گسترده ای از صنایع، ماوراء فولاد و آهن را برای تقاضای استفاده از چنین تکنولوژی ترغیب کرده و بی شک نیاز آنها را برآورده خواهد کرد.

اینکار بیمه خیلی ارزانی است که می تواند زندگی کسانی را که سعی دارند از آتش فرار کنند و کسانی را که با آتش مقابله می کنند تضمین کند. برای جلوگیری از متلاشی شدن فاجعه آمیز ساختمان ها و همچنین کاهش هزینه های فوق العاده تعمیرات و نجات جان انسان ها و به هم ریختگی اقتصاد از این امکانات استفاده کنید.

مراجع
1. Tatnall . P , “Shotcrete in fires : Effect of fibers on explosive spalling” shotcrete Magazine Fall 2002.
2. Malhotra, H.L. , “Effect of temperature on the compressive strength of concrete” Magazine of concerete research, V.8, No.23, 1956pp. 85-94
3. مهمدی کرتلایی ، سیامک ، روش جا گذاری بتن بدون قالب بندی ، برشور فنی وندشیمی ، زمستان 1380 ، صفحۀ 6
4. Wu, B.; Su, X.; Li, H.; and Yuan, J., “Effect of High Temperature on Residual Mechanical Properties of Confined and Unconfined High-Strength Concrete,” ACI Materials Journal, V. 99, No. 4, July-Aug., 2002, pp.
399-407.
5. Fitzgerala . M , and Tlley .J ,and Alt.C “calcium Aluminate technology and its application in refractory shotcrete” shotcrete Magazine Summer 2002.
6. تکنسین پایه بتن 1 بتن کارگاهی ACI صفحات 25 تا 27 .
7. نویل، آدام ، چالشی برای کسانی که با بتن سر و کار دارند ، مجله تکنولوژی بتن ، سال اول ، شماره 1 ، صفحه 7 تا 8