بتن الیافی را می توان به عنوان یک ماده کامپوزیتی متشکل از مخلوط سیمان، ملات یا بتن و الیاف مناسب ناپیوسته، گسسته و به طور یکنواخت پراکنده تعریف کرد.
بتن الیافی چیست؟
بتن الیافی (Fiber Reinforced Concrete) دارای انواع و خواص مختلف با مزایای بسیاری می باشد. مش های (meshe) پیوسته، پارچه های بافته شده و سیم ها یا میله های بلند جزء الیاف مجزا محسوب نمی شوند. فیبر یک قطعه کوچک از مواد تقویت کننده است که دارای ویژگی های خاصی است. آنها می توانند دایره ای یا مسطح باشند. فیبر (الیاف) اغلب با یک پارامتر مناسب به نام “نسبت ابعاد” توصیف می شود. نسبت ابعاد الیاف با توجه به نسبت طول آن به قطر آن مشخص شده که از 30 تا 150 متغیر است.
بتن الیافی (FRC) یک بتن حاوی مواد فیبری است که یکپارچگی ساختاری آن را افزایش می دهد و شامل الیاف گسسته کوتاه بوده که به طور یکنواخت توزیع شده و به صورت تصادفی جهت گیری می شوند. الیاف شامل الیاف فولادی، الیاف شیشه، الیاف مصنوعی و الیاف طبیعی است. در این الیاف مختلف، ویژگی بتن مسلح یا تقویت شده با بتن ها، مواد الیافی، هندسه، توزیع، جهت‌گیری و چگالی های مختلف تغییر می نماید. در اینجا یک سوال مهم مطرح می شود که نقش الیاف در بتن چیست و چه تاثیری دارد؟
الیاف معمولا در بتن برای کنترل ترک خوردگی ناشی از انقباض پلاستیک و خشک شدن انقباض استفاده می شود. همچنین نفوذپذیری بتن را کاهش داده و در نتیجه نشت آب را کاهش می دهند. برخی از انواع الیاف مقاومت بیشتری را در بتن و در برابر ضربه، سایش و شکستگی ایجاد می کنند. به طور کلی، الیاف مقاومت خمشی بتن را افزایش نمی دهند، بنابراین نمی توانند جایگزین آرماتورهای فولادی سازه ای یا خمشی شوند. برخی از الیاف باعث کاهش مقاومت بتن می شود. مقدار الیاف اضافه شده به مخلوط بتن به عنوان درصدی از حجم کل کامپوزیت (بتن و الیاف) اندازه گیری می شود که کسر حجمی (Vf) نامیده می شود. Vf معمولاً بین 0.1 تا 3 درصد است. نسبت ابعاد (l/d) با تقسیم طول فیبر (l) بر قطر آن (d) محاسبه می‌شود. الیاف با سطح مقطع غیر دایره ای از قطری معادل برای محاسبه نسبت ابعاد استفاده می کنند.
اگر مدول (modulus) الاستیسیته الیاف بیشتر از ماتریس باشد (چسباننده بتن یا ملات)، با افزایش مقاومت کششی ماده به حمل بار کمک می کنند. افزایش نسبت ابعاد فیبر معمولاً استحکام خمشی و مقاومت ماتریس را تقسیم می کند. با این حال، الیافی که بیش از حد طویل هستند، تمایل دارند در مخلوط به شکل “توپ” درآیند و در نهایت مشکلات ساز می شوند.برخی تحقیقات اخیر نشان می دهد که استفاده از الیاف در بتن تأثیر محدودی بر مقاومت ضربه ای مصالح بتنی دارد. این یافته بسیار مهم است زیرا به طور سنتی مردم فکر می کنند که شکل پذیری بتن زمانی که با الیاف تقویت می شود، افزایش می یابد. نتایج همچنین نشان می دهد که میکروالیاف در مقایسه با الیاف بلندتر از نظر مقاومت در برابر ضربه عملکرد بهتری دارند.
کاربرد انواع بتن الیافی
الیاف بتن در اندازه ها و اشکال مختلف موجود است. عوامل اصلی موثر بر خصوصیات بتن الیافی عبارتند از: نسبت آب به سیمان، درصد الیاف، قطر و طول الیاف. در زیر علاوه بر معرفی انواع مختلف بتن الیافی، کاربرد هر یک از آن ها و موارد استفاده آن ها در ساخت و ساز مورد بررسی قرار می گیرد.
-
بتن تقویت شده با الیاف فولادی (Steel Fiber Reinforced Concrete)
الیاف فولادی یک تقویت کننده فلزی بوده که افزودن مقدار معینی از الیاف فولادی در بتن می تواند تغییرات کیفی در خواص فیزیکی بتن ایجاد کند. الیاف فولادی می توانند منجر به افزایش مقاومت در برابر ترک خوردگی، ضربه، خستگی و خمش، استحکام و دوام به میزان زیادی گردد. برای بهبود عملکرد بتن الیافی در درازمدت، افزایش استحکام و مقاومت در برابر تنش، SFRC در سازه هایی مانند کفپوش، بتن پیش ساخته، پل ها، تونل سازی، روسازی سنگین و معدن مورد استفاده قرار می گیرد. انواع الیاف فولادی که توسط ASTM A820 تعریف شده اند عبارتند از نوع 1: سیم کشش سرد، نوع 2: ورق برش، نوع 3: استخراج شده با مذاب، نوع 4: برش آسیاب و نوع 5: سیم سرد اصلاح شده.
-
بتن تقویت شده با الیاف پلی پروپیلن (PFR)
بتن مسلح با الیاف پلی پروپیلن تحت عنوان هایی مانند پلی پروپن یا PP شناخته می شود. الیاف پلی پروپیلن مصنوعی بوده و در کاربردهای متنوعی استفاده می شود. این الیاف معمولا در بتن برای کنترل ترک خوردگی ناشی از انقباض پلاستیک و خشک شدن انقباض استفاده می گردد. همچنین نفوذپذیری بتن را کاهش داده و در نتیجه نشت آب را کاهش می دهند. الیاف پلی پروپیلن از گروه polyolefin ها بوده و تا حدی کریستالی و غیر قطبی است. خواصی مشابه پلی اتیلن دارد، اما در برابر حرارت سخت تر و مقاوم تر می باشد. این یک ماده ناهموار سفید با مقاومت شیمیایی بالا است. پلی پروپیلن از گاز پروپیلن در حضور کاتالیزوری مانند کلرید تیتانیوم ساخته می شود. فیبر پلی پروپیلن یک عایق حرارتی مناسب است و در برابر اسیدها، مواد قلیایی و حلال های آلی مقاومت زیادی از خود نشان می دهد.
-
الیاف کربن (Carbon fibers)
الیاف کربن دارای قطری حدود 5 تا 10 میکرومتر بوده و بیشتر از اتم های کربن تشکیل شده اند. الیاف کربن دارای چندین مزیت است از جمله سختی بالا، استحکام کششی بالا، وزن کم، مقاومت شیمیایی بالا، تحمل دمای بالا و انبساط حرارتی کم. الیاف کربنی معمولا با مواد دیگر ترکیب می شوند تا یک کامپوزیت را تشکیل دهند. هنگامی که این الیاف به یک رزین پلاستیکی آغشته و پخته می شود، پلیمر تقویت شده با فیبر کربن (اغلب به عنوان فیبر کربن نامیده می شود) تشکیل می دهد که نسبت استحکام به وزن بسیار بالایی دارد و بسیار سفت و سخت می باشد اگرچه تا حدودی شکننده است. الیاف کربن نیز با موادی همچون گرافیت ترکیب شده تا کامپوزیت های کربنی تقویت شده با تحمل حرارت بسیار بالا را تشکیل دهد.
-
بتن تقویت شده با الیاف شیشه (Glass Fiber Reinforced Concrete)
بتن مسلح با الیاف شیشه ماده ای است که از الیاف بسیار ظریف شیشه ای متعددی تشکیل شده است. الیاف شیشه خواص مکانیکی تقریباً مشابهی با سایر الیاف ها مانند پلیمرها و فیبر کربن دارد. اگرچه به سختی فیبر کربن نیست، اما در کامپوزیت ها بسیار ارزان تر و به طور قابل توجهی شکننده تر است. الیاف شیشه یک عامل تقویت کننده برای بسیاری از محصولات پلیمری محسوب می شود. برای تشکیل یک ماده کامپوزیت پلیمری تقویت‌شده با الیاف (FRP) بسیار قوی و نسبتا سبک به نام پلاستیک تقویت‌شده با شیشه (GRP)، که به نام فایبرگلاس نیز شناخته می شود، کاربرد دارد. این ماده حاوی هوا یا گاز کمی است یا اصلاً وجود ندارد، متراکم تر بوده و نسبت به پشم شیشه عایق حرارتی بسیار ضعیف تری می باشد. مقاومت کششی و چسبندگی الیاف شیشه ای بسیار بالاست.
-
الیاف پلی استر (Polyester fibers)
الیاف پلی استر در بتن الیافی برای ساخت کف های صنعتی و انبارها، روسازی ها، روکش ها و محصولات پیش ساخته مانند نمای بتنی پیش ساخته استفاده می شود. الیاف میکرو و ماکرو پلی استر در بتن برای ایجاد مقاومت بیشتر در برابر ایجاد ترک های انقباض پلاستیکی در مقابل پارچه سیم جوشی و برای افزایش سختی و توانایی ارائه ظرفیت سازه در صورت طراحی مناسب به ترتیب استفاده می شود. یکی از دلایل اصلی از الیاف پلی استر، سبک بودن آن است و به جهت بهبود شکل پذیری و کشش به بتن اضافه می گردد.
-
الیاف مصنوعی ماکرو (Macro synthetic fibers)
الیاف مصنوعی ماکرو از ترکیب چندین پلیمر ساخته شده است. در ابتدا از این الیاف بجای الیاف فولادی در برخی از کاربردها از جمله در بتن پاشیده شده استفاده می شد. اما تحقیقات نشان داد که آن ها می توانند در طراحی و ساخت دال های تکیه گاه زمین و طیف وسیعی از کاربردهای دیگر کورد استفاده قرار بگیرند. آن ها به ویژه برای ارائه آرماتورها در محیط های تهاجمی مانند سازه های دریایی و ساحلی مناسب هستند، زیرا دچار مشکلاتی از قبیل لکه شدن و پوسته شدن ناشی از خوردگی فولاد نمی شوند. علاوه بر این، به دلیل غیر رسانایی، در توسعه راه آهن سبک استفاده شده است.
-
الیاف طبیعی (Natural fibers)
الیاف طبیعی مستقیماً از یک منبع حیوانی، گیاهی یا معدنی قابل تهیه است. یک فیبر طبیعی ممکن است بیشتر به عنوان تجمع سلولی تعریف شود که قطر آن در مقایسه با طول ناچیز است. اگرچه طبیعت سرشار از مواد فیبری است، به ویژه انواع سلولزی مانند پنبه، چوب، غلات و کاه. استفاده از الیاف طبیعی در ساخت بتن توصیه می شود زیرا انواع مختلفی از این الیاف به صورت طبیعی و به میزان فراوانی موجود است. ایده استفاده از چنین الیافی برای بهبود استحکام و دوام مواد شکننده جدید نیست. به عنوان مثال، از کاه و موی اسب برای ساخت آجر و گچ استفاده می شود. الیاف طبیعی برای تقویت بتن مناسب هستند و در کشورهای در حال توسعه به راحتی در دسترس هستند.
-
الیاف سلولزی (Cellulose fibers)
الیاف سلولزی با اترها یا استرهای سلولز ساخته می شوند که از پوست، چوب یا برگ گیاهان یا سایر مواد گیاهی به دست می آیند. علاوه بر سلولز، این الیاف گاها دارای همی سلولز و لیگنین هستند و درصدهای مختلفی از این ترکیبات باعث ایجاد تغییر در خواص مکانیکی الیاف می گردد. کاربردهای اصلی الیاف سلولزی در صنایع نساجی به عنوان فیلترهای شیمیایی و به عنوان کامپوزیت های تقویت کننده الیاف به دلیل خواص مشابه با الیاف مهندسی شده، گزینه دیگری برای بیوکامپوزیت ها و کامپوزیت های پلیمری است.
در این مطلب کاربرد هر یک از انواع بتن الیافی مورد بررسی قرار گرفت. کاربرد بتن الیافی در بهره گیری از ویژگی های استاتیکی و دینامیکی مصالح به اعمال کننده و سازنده بستگی دارد. به طور کلی می توان گفت که برخی از حوزه های کاربردی بتن الیافی شامل این موارد می شود:
- باند فرودگاه
- پارکینگ هواپیما
- پیاده روها
- پوشش تونل
- تثبیت یا پایدارسازی شیب
- دیوار و لوله ها
- سدها و مخازن آب
- ساختار هیدرولیک
- عرشه های مرتفع
- جاده و پل ها
- طبقات انبار
- کفپوش بتنی کارخانه
- قطعات پیش ساخته و دال ها
- نیروگاه و پالایشگاه
مزایای بتن الیافی
بتن الیافی یکی از جدیدترین بتن هاست که عملکردی بهتر و مؤثرتر نسبت به سایر ترکیبات بتنی دارد. در ادامه با برخی از مزایای بتن الیافی آشنا می شوید:
- بتن تقویت شده الیافی ممکن است در مواردی مفید باشد که مقاومت کششی بالا و کاهش ترک خوردگی مطلوب باشد یا زمانی که نمی توان آرماتورهای معمولی را قرار داد.
- الیاف، مقاومت ضربه ای بتن را بهبود می بخشد، رشد ترک را محدود می کند و منجر به ظرفیت کشش بیشتر ماده کامپوزیت می شود.
- برای پروژه های صنعتی، از الیاف ماکرو سنتتیک برای بهبود دوام بتن استفاده می شود. این الیاف ساخته شده از مواد مصنوعی، بلند و ضخیم در اندازه هستند و ممکن است به عنوان جایگزینی برای تقویت میله یا پارچه استفاده شوند.
- افزودن الیاف به بتن مقاومت در برابر یخ زدگی آن را بهبود می بخشد و به حفظ استحکام و جذابیت بتن برای مدت طولانی کمک می کند.
- بهبود انسجام مخلوط، بهبود قابلیت پمپاژ در فواصل طولانی.
- افزایش مقاومت در برابر انقباض پلاستیک در طول پخت.
- نیاز به تقویت فولاد را به حداقل می رساند.
- عرض ترک را کنترل می کند، بنابراین دوام را بهبود می بخشد.
- جداسازی و نشتی آب را کاهش می دهد.
- FRC، سختی حدود 10 تا 40 برابری نسبت به بتن ساده دارد.
- افزودن الیاف باعث افزایش قدرت خستگی می گردد.
- الیاف باعث افزایش ظرفیت برشی تیرهای بتن مسلح می شود.
- فضاهای خالی هوا را کاهش می دهد و آب تخلخل ذاتی ژل را از بین می برد.
- الیافی مانند گرافیت و شیشه مقاومت بسیار خوبی در برابر خزش دارند، در حالی که این موضوع برای اکثر رزین ها صادق نیست. بنابراین، جهت گیری و حجم الیاف تأثیر قابل توجهی بر عملکرد خزش میلگردها دارد.
- بتن تقویت شده خود یک ماده مرکب است که در آن آرماتور به عنوان فیبر تقویت کننده و بتن به عنوان ماتریس عمل می کند. بنابراین ضروری است که رفتار تحت تنش های حرارتی برای دو ماده مشابه باشد تا تغییر شکل های تفاضلی بتن و آرماتور به حداقل برسد.
- مشخص شده است که افزودن الیاف کوچک، با فاصله نزدیک و پراکنده یکنواخت به بتن به عنوان ترک گیر عمل می کند و به طور قابل توجهی خواص استاتیکی و دینامیکی آن را بهبود می بخشد.
بتن تقویت شده با الیاف با گذر زمان و به سرعت در صنعت ساختمان سازی در حال رشد است و مورد توجه قرار گرفته و همچنین به دلیل داشتن ویژگی هایی مانند دوام بالا و ظاهر مناسب مزایایی فراوانی را برای پروژه های ساخت و ساز به ارمغان می آورد. بتن الیافی به دلیل کاهش زمان ساخت و ساز و هزینه های نیروی کار، توجه بسیار از معماران را به خود جلب کرده است. علاوه بر مسائل مربوط به کاهش هزینه، کیفیت مناسب برای ساخت و ساز از اهمیت بالایی برخوردار است و بتن الیافی نیز این مزایا را برآورده می کند.
– الیاف فولادی: یکی از الیافی است که در این بتن کاربرد زیادی دارد و ابعاد آن به این شرح است: قطر از هشت دهم الی یک میلی متر و طول 5 الی 6 سانتی متر.
– الیاف پلی پروپیلن: این الیاف پلی مری می تواند به راحتی ترک های ریز سطحی را از بین برده و حالت شکل پذیری بتن را به ارمغان آورد.
– الیاف شیشه ای: که به ان فایبر گلاس گفته می شود و به دلیل شکل پذیری و پایداری نسبتا بالایی که دارد امروزه کاربردهای زیادی بخصوص در نما و شتون های ساختمان دارد که برای آشنایی با این نوع بتن الیافی می توانید به صفحه جی اف آر سی مراجعه کنید.
– سایر الیاف: غیر از الیافی که به طور معمول در تولید بتن الیافی به کار می رود، تحقیقات همچنان در راستای استفاده از فیبرها و اجناس جدید برای ترکیب در این گونه از بتن ادامه دارد. تا بتوانند الیافی که مزایای بیشتری دارد و در عین حال فرآیند اختلاط راحت تری دارد، تولید شود.
اما اگر بخواهیم به اختصار توضیح دهیم چرا در تولید بتن از ترکیب الیاف استفاده می شود باید به موارد زیر اشاره کنیم؛
– باعث شکل پذیری و تورق بتن شده و مقاومت سایشی آن را بهبود میبخشد.
– بتن الیافی قدرت جذب انرژی بالایی دارد.
– مقاومت بتن الیافی در برابر تنش های وارده بیش از بتن معمولی است.
– این بتن خاصیت چشمگیری در تحمل بارهای وارده حتی پس از ترک حوردگی دارد.
– سرعت در اجرا نیز از جمله خصوصیاتی است که نباید از آن چشم پوشید.
– یکی دیگر از مزایای آن عایق بودن بتن الیافی در برابر حرارت و صوت می باشد.
چنانچه به خصوصیت انعطاف پذیری بتن الیافی اشاره کردیم، این گونه بتن تحت فشارهای خمشی دچار از هم گسیختگی نمی شود و علاوه بر آن پراکندگی الیاف در جهات گوناگون سبب شده که در صورت ایجاد ترک، این الیاف با توجه به پیوندی که بین خود برقرار می کنند، مانع گسترش آن می شوند.
کاربردهای بتن الیافی
همانطور که درباره همه مصالح ساختمانی صادق است، هر یک از این مصالح دارای قابلیت ها و سودمندی هایی می باشد که محدوده کاربرد و کاربری های ان را مشخص می کند و در کنار آن از ضعف هایی نیز برخوردار است که میدان عملکرد آن مصالح ساختانی را محدود می کند. در مورد بتن الیافی نیز وضع به همین منوال است و به جهت بهره مندی از مزایایی همچون مقاومت بالا، شکل پذیری، قابلیت جذب انرژی و مقاومت در مقابل ترک خوردگی که به آن ها اشاره شد، کاربردهای وسیعی خواهد داشت.
مقاومت بتن الیافی در برابر ضربه سبب شده که مهندسان و طراحان جهت ساخت مکان هایی که نیاز به پایداری در برابر ضربه دارند (مانند پایگاه های نظامی و محافظت از مواد منفجره و پناهگاه ها، ساخت باند فرودگاه ها، کف سازی کارخانه های صنعتی و …) به سمت استفاده از بتن الیافی گرایش پیدا کنند. همچنین مقاومت و دوام عمر بالای این نوع بتن سبب شده در ساخت تونل ها و سایر سطوح منحنی با پاشیدن بتن الیافی بر بدنه به استحکام آن بیافزایند.
معمولا در ساخت بتن ها لبه ها، زوایا و درزها اهمیتی دو چندان دارند که به دلیل خصوصیات سطحی ممکن است دچار ترک های عمیق شوند ولی استفاده از الیاف به طور خیره کننده ای میزان و عمق ترک ها را کاهش می دهد. و پخش نا همگون الیاف در این نوع بتن باعث می شود که مقاومت بتن الیافی تنها در جهتی خاص نباشد و بتواند نسبت به فشارهای تنشی، کششی و برشی در جهات مختلف از خود مقاومت نشان دهد.
اگر بخواهیم به یکی از محدودیت های کاربرد بتن الیافی اشاره کنیم به همین توزیع تصادفی الیاف در جهت های مختلف بر می گردد. از آنجایی که گفتیم این الیاف به طور کاتوره ای در سطح بتن پخش هستند بنابراین در همه جهات دارای مقاومت هستند ولی در یازه هایی که صرفا در جهت خاصی به بتن تنش یا کشش وارد می آید، استفاده از بتن الیافی ممکن است خیلی مطلوب نباشد و در این گونه موارد بهتر باشد از همان بتن های معمولی به سبک سنتی بهره مند شویم. برای مثال می توان به تیر ها و ستون ها اشاره کرد.
بدون دیدگاه