با توجه به تعاریف سازمان های جهانی حجم قابل توجهی از بتن را سه ماده‌ی سیمان،آب و سنگ دانه‌ها تشکیل میدهد. بتن پس از خشگ شدن در مقابل بارهای خمشی و کششی بسیار ضعیف عمل می‌کنند . برای این که این ضعفها در بتن برطرف گردد از مواد دیگری مثل میلگرد ،انواع الیاف،روان کننده‌‌ها و … نیز استفاده می‌شود.این مواد علاوه بر این که مقاومت بتن را افزایش میدهد، خواص فیزیکی بتن را نیز بهبود می‌بخشد.
تاریخچه استفاده از بتن الیافی
بتن یکی از مواد پر استفاده و مهم در صنعت ساخت و ساز است.ماده‌ی اصلی تشکیل دهنده‌ی ساختمان ها و سازه ها در اکثر کشورها بتن می‌باشد.مهندسین و متخصصین ساخت و ساز دلایل زیادی برای استفاده از بتن دارند که می‌توان به ارزان بودن، ساده بودن مراحل تولید بتن اشاره کرد.از دیگر مزیت های بتن می‌توان به شکل پذیری آن اشاره کرد که باعث می‌شود به راحتی انواع سازه ها را با آن ساخت.اما در مقابل خواص مفید، این ماده‌ی دوست داشتنی نقاط ضعفی نیز دارد. مهندسین و دانشمندان صنعت ساخت و ساز سعی کرده انند در طول سالیان این ضعف ها بتن را تقویت کنند و تا حدود زیادی نیز موفق بوده اند.یکی از ضعف‌های بتن که اغلب مشکل آفرین است مقاومت کششی خیلی پایین آن است.
با توجه تردی و شکنندگی بتن در مقابل نیروهای کششی، استفاده از بتن فقط در سازه‌های وزنی موثر خواهد بود.با توجه به نقاط قوت بتن محققان سعی کرده اند با افزودن موادی مثل میلگرد،الیاف بتن و … مقاومت کششی آن را افزایش دهند.با توجه به این که استفاده از میلگرد و ارماتور در برخی از سازه های به سختی امکان پذیر است بحث استفاده از انواع الیاف در بتن پیش آمده با این وجود استفاده از الیاف در بتن هایی که با میلگرد و ارماتور مسلح هستند اثر مثبتی روی بتن دارد.
استفاده از الیاف در بتن
با توجه به این که استفاده از الیاف در بتن اثرات خوبی روی بتن دارد معمولا از الیاف استفاده می‌کنند.اکثر ویژگی‌های بتن الیافی در مقایسه با بتن معمولی تغییرات و بهبود قابل توجهی دارد.
تغییراتی که در پارامترهای مکانیکی بتن الیافی به جود می‌اید می توان به مقاومت در مقابل تورق(ورقه ورقه شدن)، سایش و هوازدگی سطح، مقاومت زیاد در مقابل تنش های خستگی، مقاومت عالی در مقابل ضربه، ظرفیت زیاد کرنش، تحمل بارزیاد بعد از اولین ترک خوردگی، بهبود مقاومت کششی، خمشی و برشی زیاد و طاقت خیلی زیاد اشاره کرد. الیافها قادر به تحمل تنش ها و کرنش های کششی قابل ملاحظه در بارهای کششی هستند و می توان از آن ها در طراحی سازه‌های مختلف استفاده کرد.با افزودن الیاف به طرح اختلاط بتن مقاومت کششی آن افزایش می‌یابد.اما متاسفانه افزودن الیاف مشکلاتی مثل تخلخل زیاد دارد که باعث می‌شود مقاومت فشاری بتن تا حدودی کاهش یابد.با توجه به شرایط استفاده و خواص ذاتی، بتن به شدت آسیب پذیر است.با توجه به این که ترک ها با عث می‌شوند آب و یون مخرب کرید و سولفاتها به عمق بتن نفوذ کنند و این مواد می‌توانند بتن را به تدریج تخریب کنند و طول عمر سازه های بتنی را کاهش دهند.یکی از راه های جلوگیری از این تخریب و فرسایش این است که باید با افزودن برخی مواد به بتن از ترک خوردن بتن جلوگیری و مانع ایجاد تخلخل گردد.برای جلوگیری از ترک های کوچک و عمیق که دوام بتن را به صورت چشم گیری کاهش می‌دهند می‌توان از الیاف شیشه استفاده کرد.
روش های زیادی جهت افزایش و بهبود دوام بتن وجود دارد که در زیر لیست می‌کنیم
- روش‌های شیمیایی
- روش های فیزیکی
- خود ترمیمی بتن توسط باکتری
الیاف ایده آل برای افزایش مقاومت
رایج ترین الیاف جهت برای افزایش مقاومت بتن الیاف فولادی می‌باشد. اما امروزه مهندسان از الیاف‌های شیشه ،الیاف اجدار پلاستیکی و الیاف پلی پروپیلن نیز استفاده می کنند.بتن الیافی به طور گسترده در صنایع ساختمانی از جمله در احداث راه‌های صنعتی و فرودگاه تقویت و افزایش مقاومت قطعات پیش ساخته‌ی بتنی با ضخامت کاهش یافته استفاه می‌گردد. این الیاف ها جهت جلوگیری و کنترل پلاستیک شدگی در بتن استفاده می‌شدند.پس از تحقیقات بیشتر محققان متوجه شدند که الیاف بتن ظرفیت خمشی، ظرفیت جذب انرژی، انعطاف پذیری قبل از شکست نهایی، کاهش ترک‌خوردگی و دوام آن را افزایش می دهد.
خصوصیات و الیاف مناسب بتن
با توجه به ویژگی های بتن و در دسترس بودن مصالح بین را به یکی از مصالح پر مصرف در صنایع مختلف تبدیل کرده است. با این وجود برخی از ویژگی‌ها مانند شکنندگی و ترک هایی که در بتن به وجود می اید مشکلاتی ایجاد می کند.لذا متخصصین و مهندسین این عرصه تلاش می‌کنند این نقایص جبران نمایند.از اینرو از افزودنی های بتن استفاده می‌کنند.یکی از این افزودنی الیاف بتن می‌باشد.
انواع الیاف مورد استفاده در بتن
رشته های نازک و کوتاه را الیاف می نامند.ایده‌ی استفاده از الیاف جهت تغییر خصوصیات فیزیکی مواد گوناگون و افزایش مقاومت مواد ضعیف و شکننده سال ها پیش مطرح و استفاده گردید.
الیاف در صورت های گوناگونی در طول هزاران سال استفاده شده است.ابتدا کاه به عنوان الیاف برای جلوگیری از ترک و افزایش مقاومت آجر و گل های مورد استفاده در دیوارها و پشت بام ها به کار رفت. سپس از موی اسب برای جلوگیری ترک و تقویت گچ استفاده شد.در قرن نوزدهم برای مصلح کردن بتن از توعی پنبه‌ی نسوز استفاده شده است.
الیاف بتنی همان تکنولوژی کاهگلی هزارن سال پیش است که الیاف جایگزین کاه و بتن جایگزین گل شده است.که این الیاف شامل انواع الیاف مصنوعی و الیاف طبیعی می‌باشد.
تا کنون الیاف های گوناگون برای مسلح کردن بتن استفاده شده و قبل از بتن های مصلح رایج امروزی استفاده داشته است.صد سال پیش اولین الیاف که به شکل امروزی در بتن استفاده گردید، الیاف ازبست بوده است.
الیاف سلولزی و شیشه پنجال سال گذشته و الیاف پلی پروپیلن و الیفا فولادی در سی سال اخیر مورد استفاده قرار گرفته است.
مهمترین دلایل استفاده از انواع الیاف در بتن عبارتند از :
- جلوگیری از ترک‌های پلاستیک در بتن تازه
- بهبود و افزایش مقاومت کششی
- بهبود و افزایش مقاومت فشاری
- افزایش مقاومت در برابر ضربه و طاقت بتن
- کاهش ترک های بتن
- افزایش مقاومت در برابر خستگی
- کاهش ترک‌های حرارتی و ترک های حاصل از جمع شدگی
الیافی که در ساخت و ساز برای بتن استفاده می‌گردد در یکی از دسته بندی های مواد غیر طبیعی آلی مانند پلی پروپیلن یا کربن، مواد غیر طبیعی غیر آلی مانند الیاف فولادی یا شیشه، مواد طبیعی آلی سلولز یا سیسال و یا مواد طبیعی غیر آلی مانند آزبست.
طبق دسته بندی آئین نامه ACI 544.IR الیاف مورد استفاده در بتن در گروها‌ی الیاف فولادی، الیاف شیشه، الیاف مصنوعی و الیاف طبیعی قرار می‌گیرد.
الیاف طبیعی در بتن
این نوع الیاف بتن، الیاف‌هایی هستند که به صورت طبیعی در طبیعت موجود می‌باشند و بدون هیچ تغییر و فعل و انفعالی قابل استفاده هستند. الیاف نارگیل،سیسال(نوعی گیاه دراز برگ)تفاله نیشکر،بامبو،کنف، کتان، چوب و الیاف گیاهی از این جمله‌اند.
الیاف طبیعی در ۴۰ کشور به طور جداگانه تست و استفاده گردید.نتایج این تحقیقات مطلوب بوده اما متاسفانه موانعی مانند واکنش ساختار الیاف با خمیر بتن، پایین بودن مقاومت کششی خود الیاف و گیرایی کم با بتن بعد از خشک شدن لذا فعلا مورد استفاده قرار نگرفت. تعدادی از دانشمندان در حال بررسی و تحقیق در این مورد می‌باشد و امیدوار هستند که بتوانند روزی از این نوع الیاف در ساختمان سازی استفاده نمایند.
استفاده الیاف مصنوعی در بتن
الیاف مصنوعی یا غیر طبیعی به طور طبیعی در طبیعت وجود ندارد.لذا این الیاف در طول زمان توسط متخصصان و مهندسین ساخته شده است.در ساخت این نوع الیاف از پلیمرهای آلی استفاده شده است که داری فرمول‌های منحصر به فردی هستند.الیاف هایی که معمولا با بتن استفاده می‌شود عبارتند از الیاف اکریلیک، آرامید، کربن،الیاف پلاستیکی ، پلی استر، پلی اتیلن و الیاف پلی پروپیلن .
استفاده از الیاف فولادی در بتن
طبق آیین نامه ASTM A820 الیاف فولادی بر حسب روش تولید به ۴ نوع تقسیم شده است.
- سیم کشیده شده سرد
- برش ورق
- استخراج شده از حالت مذاب
- غیره
الیاف فولادی شکل پذیری بتن را در تمام حالت‌های بارگذاری افزایش میدهد.معمولا تاثیر الیاف فولادی در مقاومت فشاری،کششی، برشی و پیجشی متفاوت است.
در صورتی که در طرح اختلاط بتن از الیاف فولادی استفاده شود مقاومت فشاری بتن به میزان کم افزایش می‌یابد و به ندرت ۲۵ درصد افزایش پیدا می‌کند.
افزایش مقاومت در بتن هایی که در طرح اختلاط آنها از الیاف فولادی استفاده شده است به صورت کاملا مشهود و تاثیر گذار است.اگر ۱/۵ درصد حجمی الیاف فولاد مقاومت کششی بتن ۳۰ الی ۴۰ درصد بیشتر می‌شود.
مقاومت خمشی بتن حاوی الیاف فولادی در مقایسه با مقاومت کششی و فشاری افزایش بیشتر داشته است.لذا با افزودن الیاف فولادی به بتن تیرهای مسلح علاوه بر افزایش مقاومت خستگی، عرض ترک‌ها کم می‌شود.
بتن مسلح شده با الیاف فولادی
- بتنی که با استفاده از الیاف فولادی مسلح گردد ۳۰ تا ۴۰ درصد مقاومت کششی، ۵۰ تا ۷۰ درصد مقاومت فشاری و ۰ تا ۱۵ درصد مقاومت فشاری بتن افزایش می‌یابد.
- بتنی که با الیاف مسلح شده مقاومت آن در برابر کاویتاسیون، سایش ناشی از جریان آب با سرعت بالا و ضربه ناشی از نخاله‌ها به مقدار قابل توجهی افزایش می‌یابد.
- الیاف فولادی مقاومت و مدول برشی بتن را به نحو قابل توجهی افزایش میدهد.
- بتنی که با الیاف فولادی مسلح گردد دوامش بیشتر می‌شود.
- اگر بتن با الیاف فولادی مسلح شود سختی و طاقت بتن ۲/۵ برابر بتن معمولی و ۱/۵ برابر بتن معمولی است
- در دالهای بتنی کف‌ها(سالن‌‌های صنعتی،پمپ بنزین‌ها،جاده‌های بتنی و …) الیاف می‌توان به جای شبکه‌های فولادی از الیاف فولادی استفاده کرد.
- با استفاده از الیاف در بتن می‌توان هزینه‌های مربوط به تعمیر و نگهداری کف‌های بتنی را به نحو قابل توجهی کاهش داد.
- مدول الاستیسیته و ضریب پواسون در بتنی که مقدار الیاف فولادی کمتر از ۲ درصد باشد مانند مشابه بدون الیاف می‌باشد.
- الیاف عمر مفید بتن را افزایش میدهد.
کاربرد بتن مسلح شده با الیاف فولادی
با توجه به خواص شناخته شده و مفید بتن مسلح به الیاف فولادی این بتن در بسیاری از سازه ها استفاده شده است.
در زیر برخی از کاربردهایی که الیاف فولادی بیشترین استفاده را دارد لیست کرده‌ایم
- روسازی باند فرودگاه‌ها و بزرگراه‌ها
- بتن نسوز
- شمع‌ها
- در کف سازی های صنعتی که در معرض حرارت و ضربه هستند
- عرشه پل‌ها به عنوان پوشش در محل‌هایی کیر سازی آن اجراشده و سپس یک عرشه بتن مسلح روی ان اجرا می‌شود.
- سازه‌هایی که در نقاط زلزله خیز واقع شده‌اند
- شات کریت
- سازه‌های پوسته‌ای نازک و گنبدها
- سازه‌های هیدرولیکی(سد‌ها،سر ریزها و حوضچه‌های آرامش به خاطر مقاوم بودن در برابر پدیده ی کاویتاسیون)
- در تعمیرات قسمت‌های مختلف سازه‌ها
در آزمایش‌ها صنایع نظامی اثبات شده است که نمونه‌‌های مسلح شده با الیاف بتنی پخش شدگی و پراکندگی کمتری در مقایسه با دالهای معمولی و حتی دالهای مسلح به آرماتور های معمولی است.
الیاف شیشه‌ای در بتن
ار اوایل دهه‌ی ۱۹۶۰ تحقیقاتی روی الیافی از جنس بوروسیلیکات و الیاف شیشه‌ای از جنس کربنات سدیم انجام شد در این تحقیقا ت به این نتیجه رسیدند که مقاومت GFRC های ساخه شده بعد از گذشت مدت زمان کوتاهی با توجه به محیط قلیایی بتن کاهش می‌یابد.چون این دو نوع الیاف با توجه به حجم سیلیس موجود در محیط‌های قلیایی شدیدا ناپایدار بودند لذا استفاده از این نوع الیاف برای سازه‌هایی که قراره عمر طولانی مدت داشته باشند مناسب نیست. با ادمه‌ی این تحقیقات و تلاش برای از بین بردن مشکل مذکور این الیاف ها، الیاف شیشه‌ای تولید شد که در برابر محیط‌های قلیایی و محصولات GFRC پایاتر شد. لذا بتن‌های تولید شده با این الیافها AR-GFRC نام گرفتند.
در راس این تحقیقات دو بردارد انگلیسی تبار قرار داشتند که با همکاری موسسه تحقیقاتی ساختمان انگلستان حق انحصاری تولید محصولات الیاف مقاوم در برابر محیط های قلایی را به نام خود ثبت کردند.
آنها الیاف شیشه‌ای حاوی شانزده درصد زیرکونیوم را با مقاومت زیاد در محیط های قلیایی را تولید و به سراسر دنیا فروختند.
از آن پس استفاده از AR-glass در تولید GFRC ها افزایش یافت.اولین استاندارد مشخصات تولید الیاف شیشه‌ای در دهه‌ی ۱۹۷۰ تدوین شد و در دهه‌ی ۱۹۸۰ در چندین پروژه‌ی آمریکایی استفاده گردید.
ویژگی‌ها و خواص مکانیکی الیاف شیشه‌ای
الیاف شیشه‌ای با ایجاد یکپارچگی در بتن، خصوصیات آن را به نحو قابل ملاحظه‌ای بهبود می‌بخشد.
- الیاف موجب می‌شود مقاومت کششی،خمشی،فشاری افزایش چشم‌گیری داشته باشد.
- عرض ترک ها در بتن کم می‌شود و مقاومت بتن در برابر خستگی افزایش پیدا می‌کند
- داوم بتن را افزایش می دهد.
- انرژی را بهتر از بتن معمولی جذب می‌کند و در نتبجه در برابر بارهای داینامیکی و ضربه و انفجار مقاومت بیشتری دارد.
- هزینه‌های تعمیر و نگه داری بتن را کاهش می دهد
الیاف شیشه‌ای که در بتن به کار می‌رود باید در محیط‌های قلیایی پایدار باشد تا خاصیت خود را از دست ندهد. برای این که بتن را با الیاف شیشه‌ای مسلح نماییم باید نسب آب به سیمان آن نسبتا پایین باشد. با توجه به این که الیاف شیشه در تمام نقاط و جهات، بتن پخش می‌گردد و مقاومت خمشی الاستیک و نهایی بتن را افزایش میدهد اکثر اوقات در بتن های مسلح به الیاف شیشه از میلگرد استفاده نمی‌شود. لذا ضخامت و وزن بتن کاهش می یابد.
مقدار الیاف، جهت الیاف، طول الیاف، تخلخل، وزن مخصوص، مقدار ماسه مصرف شده، نحوه ی عمل آوری و جهت الیاف در مشخصات و مقاوت GFRC تاثیر گذار است.
بیشتر بخوانید: تاثیر فوق روان کننده بر بتن