عمر مفید یک سازه به عنوان یکی از مهمترین عوامل در طراحی و اجرای پروژههای ساختمانی شناخته میشود. این عمر به عوامل متعددی از جمله مواد اولیه، شرایط محیطی، نوع بارگذاری و روشهای ساخت بستگی دارد. در این راستا، استفاده از الیاف فولادی به عنوان یک افزودنی در بتن میتواند تأثیر بسزایی در افزایش عمر مفید سازهها داشته باشد. در این مقاله، به بررسی تأثیر الیاف فولادی بر عمر مفید سازهها، مزایای استفاده از آنها و نحوه عملکرد این الیاف در بتن پرداخته خواهد شد.
از الیاف فولادی برای بهبود خواص مکانیکی و دوام بتن در سازههای مختلف استفاده میشود. الیاف فلزی یا فولادی معمولا به صورت ریز و کوتاه به اختلاط بتن افزوده میشود. در ادامه به تاثیر و نحوهی استفاده از الیاف فولادی در بتن میپردازیم.
بتن یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی در جهان است که به دلیل خواص مکانیکی و دوام بالا، در ساخت انواع سازههای ساختمانی و زیرساختی مورد استفاده قرار میگیرد. به منظور بهبود ویژگیهای بتن، استفاده از الیافهای مختلف به عنوان تقویتکننده در بتن رواج یافته است. در این مقاله، به بررسی انواع الیاف مورد استفاده در بتن و معیارهای انتخاب مناسبترین الیاف برای نیازهای خاص پروژههای سازهای خواهیم پرداخت.
بتن یکی از مواد ساختمانی پرکاربرد در ساخت و ساز است که از مخلوطی از سیمان، آب و سایر مواد پرشونده تشکیل شده است. بتن به دلیل ویژگیهای خاصی که دارد، از جمله قابلیت تحمل فشار بالا و مقاومت به زیانهای ایجاد شده توسط عوامل مختلف نظیر نور خورشید، باران، و تغییرات دما، در بسیاری از پروژههای ساختمانی به عنوان ماده سازهای استفاده میشود. با این حال، در برخی موارد، بتن ممکن است نتواند بارهای فشاری بالا و یا نیروهای کششی را به صورت قابل قبولی تحمل کند. به عنوان مثال، در ساختمانهایی که در مناطق زلزلهخیز قرار دارند، استفاده از بتن مسلح با الیاف فولادی میتواند به عنوان یک راه حل مناسب برای افزایش مقاومت به لرزه باشد. در این مقاله به بررسی تاثیر الیاف فولادی بر بتن پرداخته میشود.
الیاف فولادی مناسب استفاده در انواع بتن است. چون این الیاف از ترکهای ماکروسکوپیک جلویگیری میکند این الیاف را الیفا ماکرو میگویند
در دهه ۱۹۶۰، برای اولین بار از الیاف فولادی در صنعت ساختمان استفاده شد. این الیاف از فولاد کربنی و یا فولاد ضد زنگ تشکیل شدهاند و با اندازه مختلفی در دسترس هستند. الیاف فولادی میتوانند به صورت تکی یا به صورت بستهای در بتن معمولی یا بتن مسلح مورد استفاده قرار گیرند. این الیاف معمولاً در اندازههایی بین ۲۵ تا ۷۵ میلیمتر تولید میشوند.
بخش دوم: تاثیر الیاف فولادی بر ویژگیهای بتن
استفاده از الیاف فولادی در بتن، ویژگیهای بتن را به شدت بهبود میبخشد. در ادامه، به بررسی اثر الیاف فولادی بر ویژگیهای بتن میپردازیم:
۱- مقاومت به کشش:
یکی از مهمترین ویژگیهای بتن مسلح با الیاف فولادی، مقاومت به کشش است. افزودن الیاف فولادی به بتن میتواند مقاومت به کشش بتن را بالاتر ببرد. الیاف فولادی به صورت تصادفی در بتن پخش میشوند و باعث توزیع یکنواخت تنشها در ساختار بتن میشوند. به همین دلیل، بتن مسلح با الیاف فولادی میتواند نسبت به بتن معمولی با مقاومت به کشش کمتر، از پایداری و مقاومت بهتری برخوردار باشد.
۲- مقاومت به خوردگی:
افزودن الیاف فولادی به بتن میتواند مقاومت به خوردگی بتن را بهبود ببخشد. الیاف فولادی، به دلیل داشتن پوششی از اکسید آهن، به شدت مقاوم به خوردگی هستند. به همین دلیل، استفاده از بتن مسلح با الیاف فولادی، میتواند به طول عمر بیشتر و کاهش نیاز به تعمیر و نگهداری منجر شود.
۳- مقاومت به لرزه:
یکی از مزایای استفاده از بتن مسلح با الیاف فولادی، مقاومت به لرزه است. الیاف فولادی میتوانند به صورت منظم در ساختار بتن پخش شوند و توزیع یکنواخت تنشها را در ساختار بتن فراهم کنند. به همین دلیل، بتن مسلح با الیاف فولادی میتواند در مقابل لرزههای زمینلرزه مقاومت بیشتری داشته باشد.
۴- کاهش انقباض:
یکی از معایب بتن، انقباض است. انقباض بتن، پدیدهای است که به دلیل ترکهایی که در ساختار بتن پدید میآید، به وجود میآید. افزودن الیاف فولادی به بتن میتواند این پدیده را کاهش دهد. الیاف فولادی، به دلیل داشتن ضریب انبساط حرارتی کمتر نسبت به بتن، میتواند انقباض بتن را کاهش دهد و ترکهای کمتری در ساختار بتن ایجاد کند.
۵- افزایش مقاومت ضربهای:
یکی دیگر از مزایای استفاده از بتن مسلح با الیاف فولادی، افزایش مقاومت ضربهای است. الیاف فولادی به عنوان یک عامل پخش شونده در ساختار بتن، میتوانند باعث کاهش خطر شکست و خرد شدن بتن در برابر ضربههای مکرر شوند. به همین دلیل، استفاده از بتن مسلح با الیاف فولادی، میتواند به افزایش مقاومت بتن در برابر ضربههای مکرر و حملات پویا کمک کند.
۶- افزایش مقاومت در برابر حرارت:
افزودن الیاف فولادی به بتن میتواند مقاومت بتن در برابر حرارت را افزایش دهد. الیاف فولادی به دلیل داشتن ضریب هدایت حرارتی بالا، میتوانند باعث کاهش نرخ تغییر دما در ساختار بتن شوند. به همین دلیل، بتن مسلح با الیاف فولادی، میتواند در برابر حرارت و آتش مقاومت بیشتری داشته باشد.
۷- کاهش نفوذ آب:
افزودن الیاف فولادی به بتن میتواند نفوذ آب در بتن را کاهش دهد. الیاف فولادی، به دلیل داشتن پوششی از اکسید به سطح، میتوانند به عنوان یک لایه محافظ برای سطح بتن عمل کنند و باعث کاهش نفوذ آب به داخل ساختار بتن شوند. این مزیت به ویژه برای سازههایی که در شرایط آب و هوایی نامساعد ساخته میشوند، مانند پلها و تونلها، میتواند بسیار مهم باشد.
۸- کاهش وزن خشک بتن:
با افزودن الیاف فولادی به بتن، وزن خشک بتن کاهش مییابد. این به دلیل این است که الیاف فولادی، به طور معمول با وزن کمتری نسبت به بتن تولید میشوند و با توجه به حجم زیاد بتن در سازههای بزرگ، کاهش وزن خشک بتن میتواند موجب کاهش وزن کل سازه شود. این مزیت میتواند در سازههایی که نیاز به وزن کمتر دارند، مانند پلهای بلند و تونلهای عمیق، بسیار مفید باشد.
۹- کاهش هزینهها:
استفاده از بتن مسلح با الیاف فولادی میتواند هزینههای ساخت سازهها را کاهش دهد. این به دلیل این است که با استفاده از الیاف فولادی، میتوان در ساختار بتن از مقادیر کمتری فولاد استفاده کرد و در نتیجه هزینههای ساخت کاهش مییابد. همچنین، با کاهش وزن خشک بتن، هزینههای حمل و نقل نیز کاهش مییابد.
نتیجهگیری:
با توجه به مزایای فراوان استفاده از بتن مسلح با الیاف فولادی، میتوان نتیجه گرفت که این نوع بتن، یکی از بهترین گزینهها برای ساخت سازههای بتنی است. با توجه به کاهش وهزینهها، کاهش نفوذ آب و انقباض بتن، کاهش خرابیهای ناشی از زلزله، افزایش مقاومت در برابر خوردگی و غیره، این نوع بتن به صورت گستردهای در صنعت ساختمانی و عمرانی مورد استفاده قرار میگیرد.
همچنین، با توجه به این که این نوع بتن با استفاده از فولاد به جای فولاد درشت تولید میشود، میتواند در کاهش آلایندههای محیطی نیز مؤثر باشد.
با این حال، در استفاده از بتن مسلح با الیاف فولادی، باید به نکاتی همچون نوع الیاف فولادی، نسبت مقدار الیاف به بتن و نحوه مخلوط کردن الیاف و بتن توجه ویژه داشته باشیم. همچنین، برخی محدودیتهایی در استفاده از این نوع بتن نیز وجود دارد که باید در نظر گرفته شود.
به طور کلی، بتن مسلح با الیاف فولادی یکی از نوع بتنهای پیشرفته و کارآمد است که با توجه به مزایای فراوانی که دارد، مورد استفاده در ساخت سازههای بتنی واقع میشود. همچنین، با توجه به پتانسیل بالای این نوع بتن برای استفاده در آینده، تحقیقات بیشتری در این زمینه صورت میگیرد تا از قابلیتهای آن بهصورت بهینه استفاده شود.
بتن مسلح با الیاف فولادی به منظور بهبود بخشیدن به خواص بتن، کاربرد وسیعی را در سازههای بتنی و بتن مسلح پیدا کردهاست. دلیل این کاربرد گسترده مزایای بیشمار فنی و اقتصادی در استفاده از الیاف فولادی در جسم بتن میباشد. با توجه به این مزایای مهم در خواص بتن، تولید و کاربرد الیاف فولادی در کشورهای صنعتی جهان از طیف وسیعی برخوردار شدهاست، بهطوریکه در حال حاضر انواع الیاف فولادی با مشخصات فنی و کاربریهای گوناگون بهطور صنعتی تولید انبوه میگردد. بتن مسلح با الیاف فولادی شامل یک کالبد بتنی مرکب از سیمان، مصالح سنگی، آب و همچنین درصدی از الیاف فولادی کوتاه میباشد که بهطور درهم و کاملاً اتفاقی و در جهات مختلف در مخلوط پراکنده شده که وجود الیاف فولادی مشخصات بتن را نسبت به حالت خالص بهبود میبخشد.
خواص بتن مسلح به الیاف فولادی
بهطور کلی وجود الیاف فولادی در جسم بتن باعث افزایش مقاومت بتن میشود.
مقاومت خمشی
خاصیت مهم آن مقاومت خمشی زیاد و مقاومت در مقابل ترک خوردگی است که این خاصیت راه حل مناسبی برای کاهش خاصیت تردی و شکنندگی بتن خالص است.
مقاومت برشی
الیاف فولادی علاوه بر اینکه مقاومت برشی بتن را افزایش میدهد، تیرهای بتن آرمه را در مقابل گسیختگی ناگهانی در ناحیه کششی تقویت میکند. این مزیت عمده الیاف فولادی در افزایش مقاومت برشی بتن است که باعث میشود از کاربرد خاموت به عنوان آرماتور برشی صرفنظر گردد. در نتیجه در اجرای اینگونه تیرها بعلت افزایش مقاومت برشی، تیرهای بتن مسلح را طراحی کنیم.
مقاومت پیچشی
در رابطه با مقاومت پیچشی آن تحقیقات خاصی صورت نگرفتهاست. در یک مورد خاص بررسیهایی که توسط شرکت Bekaert در بلژیک انجام یافته، مقاومت پیچشی آن را ۱٫۵ تا ۲ برابر بتن خالص ذکر کردهاست.
مقاومت ترک خوردگی
در آزمایشهای خمشی، کششی و … بهطور استاتیکی ملاحظه میشود که الیاف نه تنها بر روی مقاومت بتن خالص تأثیر بسیار مثبتی دارد بلکه به عنوان یک عامل بازدارنده ترک نیز عمل میکند. بدین معنی که با شروع ترک خوردگی، الیاف نقش خود را در دوختن ترک و محدود کردن اندازه ترک بازی کرده و از ادامه ترک خوردگی حتی با ادامه بارگذاری جلوگیری به عمل میآورد. این درحالیست که در تیرهای بتن خالص با حداکثر ۱٫۰ میلیمتر تغییر شکل در وسط دهنه، نه تنها تیر دو تکه نمیشود، بلکه ترک از نصف ارتفاع تیر به بالا حرکت نکرده و با باز شدن ترک، الیاف این فاصله را به طرفین محل گسیختگی ارتباط داده و از فروریختن تیر جلوگیری میکند. مقاومت الیاف در قبال ترک در نمونههای کششی نیز شایان توجه است. بدین معنی که در کشش نیز بعد از ترک نخستین در کل مقطع که مربوط به بتن است، الیافها، دو طرف محل ترک را یکدیگر ارتباط داده و از گسترش و زیادشدن عرض ترک ممانعت به عمل میآورند. کیفیت ترک خوردگی در آزمایش شکافتگی نمونه استوانهای آن نیز جالب است. بعد از بار نهایی، نمونه بتن خالص از وسط و در امتداد قطر کاملاً گسیخته و دو تکه میشود در حالی که در نمونه بتن الیافی بدون آنکه نمونه از همدیگر جدا شود، آنقدر تغییر شکل میدهد که سطح مقطع دایرهای نمونه به سطح مقطع بیضوی تبدیل میشود.
خزش
در مورد خزش، نتایج حاصل از یکسری از آزمایشهای مشخص کردهاست که الیاف فولادی نوع سیمی تأثیر چندانی در میزان خزش ملات با سیمان پرتلند وجود ندارد.
اثر خورندگی و پوسیدگی آب شور روی ملات سیمانی (سیمان پرتلند) مسلح به ۲ درصد حجمی الیاف فولادی ناچیز بودهاست، بهطوریکه بعد از ۹۰ روز قرار گرفتن در داخل و خارج آب نمک اشباع شده، هیچ تغییری در مقاومت خمشی بتن الیافی مشاهده نگردید. آزمایشهای درازمدت در مورد دوام و پایداری بتن الیافی در آزمایشگاههای Battele، کلمباس ایالت لوهایو آمریکا، خورندگی خیلی کمی را در الیاف نشان میدهد، بهطوریکه بعد از ۷ سال تماس بتن الیافی با نمکهای ضد یخ هیچ اثر منفی در مقاومت خمشی وجود نداشتهاست. اما درصد زیاد کلراید محلول، باعث خوردگی الیاف در داخل یا نزدیک سطوح تماس شده بود. نتایج حاصل از یکسری از تحقیقات نشان میدهد، که قرار گرفتن ملات الیا فدار درمعرض فرسایش جوی و در یک محیط صنعتی به مدت ۱۰ سال در مقاومت ملات هیچ اثر منفی نداشتهاست. با توجه به این نتایج چنین استنباط میشود که خوردگی و پوسیدگی الیاف فقط به آن قسمت از الیاف محدود میشود که در سطوح خارجی قرار دارند و الیاف بتن هیچ نوع پوسیدگی را نشان نمیدهد. در تحقیقات دیگری که بر روی بتن الیافی در مورد تأثیر پوسیدگی الیاف انجام یافتهاست، نشان میدهد که بعد از ۵ سال تماس بتن الیافی با نمکهای ضد یخ، تغییر ناچیزی در مقاومت خمشی بتن الیافی نسبت به مقاومت قبل از تماس با نمکهای ضد یخ (مقاومت ۲۸ روزه) وجود داشتهاست. بررسی سطوح گسیختگی تیرهای بتن الیافی بلافاصله بعد از تعیین مقاومت خمشی نشان داده است که خوردگی الیاف فولادی فقط به ۴ میلیمتر عمق بتن در سطح خارجی (ناحیه پوشش) محدود میشود و در بخش داخلی مقطع نیز هیچگونه خوردگی و زنگ زدگی در رشتههای الیاف قابل مشاهده نیست.
قابلیت هدایت حرارتی
آزمایشها نشان میدهد که قابلیت هدایت حرارتی ملات با الیاف فولادی با ۴۰ تا ۱۲۰ کیلوگرم در متر مکعب در فشار اتمسفر، با افزایش مقدار الیاف، افزایش کمی را نشان میدهد. الیاف فولادی در بتن، علاوه بر افزایش قابلیت هدایت گرمایی، بهبود قابل توجهی را در مقاومت بتن در تغییرات ناگهانی و زیاد درجه حرارت به وجود میآورد.
مقاومت سایشی
نتایج بررسی مقاومت سایشی بتن الیافی توسط انجمن فولاد ایالت متحده نشان میدهد که عمق سائیده شده بتن الیافی با شن نخودی و الیاف در مقایسه با عمق سائیده شده دالهای ساخته شده از بتن خالص با شن درشت دانه ۲۷۰ درصد کمتر است. آزمایشهایی که اخیراً توسط گروهی از مهندسین انجام یافته پیشنهاد میکند که مقاومت سایشی بتن الیافی در معرض سایش رسوبات آب در سازههای هیدرولیکی تفاوت چندانی با بتن خالص ندارد. این آزمایشها همچنین نشان میدهد که وقتی فرسایش در نتیجه سایش تدریجی بتن به علت حرکت غلطکی ذرات و مواد ریزدانه با سرعت کم از روی سطح بتن است، میزان فرسایش به کیفیت مصالح سنگی و سختی سطح بتن بستگی خواهد داشت و در این حالت الیاف تأثیر چندانی ندارند. در واقع اگر کاربرد الیاف با یک نسبت آب به سیمان زیادتر و با حجم زیاد خمیر سیمان همراه باشد، افزایش کمی در مقدار فرسایش میتواند به وجود آید. اما وقتی فرسایش در نتیجه خلاء زایی یا سایش ناشی از سرعت زیاد جریان آب و ضربه اجسام و مواد شناور بزرگ جریان آب باشد، بتن الیافی مقاومت فرسایشی قابل توجهی را نشان میدهد.
مقاومت اصطکاکی و لغزشی
در یکسری از نمونههای دالی شکل آزمایشگاهی مقاومت اصطکاکی استاتیکی، لغزشی و غلطکی بتن الیافی و بتن خالص تحت شرایط یکسانی بهطور مقایسهای تحت آزمایش لغزشی قرار گرفته که حداکثر قطر مصالح سنگی بتن الیافی در این آزمایشها ۹٫۵ میلیمتر بودهاست. نتایج حاصل از این آزمایشها نشان میدهد که برای سطوح بتن خشک، ضریب اصطکاک استاتیکی (سکون) قبل از سایش یا تخریب سطح، مستقل از وجود الیاف بوده، اما مقاومت لغزشی و غلطکی سطوح الیاف دار نسبت به سطوح بتن خالص در شرایط خشک، مرطوب و یخبندان با فرسایشی یکسان ۱۵ درصد بیشتر بودهاست.
طاقت بتن الیافی
مهمترین اثر مثبتی که با افزودن الیاف فولادی در بتن به وجود میآید، انعطافپذیری جسم بتن و قابلیت بیشتر در جذب انرژی است. این خاصیت که به عنوان طاقت بتن الیافی تعریفمی شود، بارزترین مشخصه و وجه تمایز بتن الیافی با بتن خالص است.
نحوه ساخت الیاف فولادی
الیاف فولادی دارای شکل و قطرهای متفاوتی بوده و نحوه ساختمانها نیز متفاوت میباشد. الیاف فولادی که در حال حاضر در بازارهای جهانی موجود میباشند، عمدتاً بر اساس چهار روش زیر تولید میشود:
کشیدن و بریدن و فرم دادن رشته سیم های فولادی
نورد و برش ورقهای فولادی – الیاف برشی یا نواری
با استفاده از مواد مذاب – الیاف ریخته گری
تراشیدن سطح ورقهای فولادی با استفاده از دستگاه صفحه تراش- الیاف ماشینی
کاربردهای بتن مسلح به الیاف فولادی
مواردیکه میتوان بتن الیافی را به تنهایی بکار گرفته، عبارتند از:
روسازی بتنی بزرگراهها، جادهها و فرودگاهها
لولههای بتنی
گاراژهای پیش ساخته
فنواسیونها
دیواره و کف کانالها
قطعات پیش ساخته
دریچههای بازدید و دیواره آنها
در ساختمان تونلها یا معابر معادن به صورت بتن پاشی
تثبیت شیبها و همچنین تثبیت ترانشههای سنگی و ریزشی با بتن پرتابی
آسفالت الیافی
عناصر سازهای
سازههای ضد انجار و ضربه پذیر
پروژههای عایق حرارتی و نسو
پوستههای نازک و دیوارها
سازههای دریایی
کف سالنهای صنعتی
کاربرد الیاف فولادی در بتن پرتابی
بتن پرتابی یا بتن پاشی با الیاف فولادی، روشی است که در این روش، خمیر بتن و الیاف فولادی توسط پمپ با سرعت و فشار زیاد به سطوح مورد نظر پاشیده میشود. روش کاربرد معمولاً بدین نحو است که خمیر بتن از یک مجرا و الیاف فولادی با درصد مشخصی از مجرای دیگر، با سرعت زیادی خارج وبطور همزمان و لایه به لایه بر روی سطح مورد نظر پاشیده شده و در نتیجه در سطح کار پوشیده از بتن مسلح و الیاف فولادی میشود. البته گاهی خمیر بتن همراه با الیاف فولادی نیز میتواند از یک مجرا پوشیده شود. با استفاده از الیاف فولادی در روش بتن پرتابی میتوان از آرماتورگذاری شبکهای در محلهای مشکل (نظیر شیبهای تند، دیوارههای سنگریزهای، دیوارههای تونلها و …) خودداری کرد چراکه آرماتورگذاری در چنین مناطقی نه تنها خطرناک است، بلکه بعلت ناهمواربودن سطوح اینگونه محلها و سختی کار، آرماتوربندی کار پرهزینه و گرانی میباشد. بهطور کلی «روش بتن پرتابی با الیاف فولادی» را میتوان در عملیات زیر بکار گرفت:
تثبیت و پایدارسازی شیبهای سنگی خطرناک و غیر دسترس
تثبیت دیوارههای تونلهای معادن، کانالهای آبیاری و دیواره تونلهای سنگی
تعمیر قسمتهای آسیب دیده سازهای موجود (سدها، پلهاو…)
کاربرد در مناطق زلزله خیز و گسلی
پوشش لولههای فولادی، رویه جدارههای نسوز، سقفهای پوستهای و …
به کارگیری بتن غیر مسلح به علت تردی آن و ضعف در مقاومت کششی، کاربرد چندانی ندارد. این مشکل عمده، با مسـلح کـردن آن به وسیلۀ آرماتورها برطرف میگردد. ولی استفاده از آرمـاتور نیز مشکلاتی دارد. مهمترین عیب آرمـاتور ایـن اسـت کـه بخـش کوچکی از مقطع بتن را تشـکیل مـی دهـ د و باعـث غیـر همگنـی میشود.
در سازههای بتنی برای رسیدن بـه مقاومـت مـورد نیـاز و کـاهش تخلخـل و هـوای درون بـتن، همچنـین حصـول پایـایی، بـتن بـه روشهای مختلف لرزانده میشود. با استفاده روزافـزون از بـتن وکمبود کارگران مـاهر سـاختمانی و مشـکلات عدیـده در اجـرا ومتراکمسازی بتن، از جمله سروصدا و هزینۀ بالای امـور اجرایـی،تراکم بتن به طور کامل و رضایتبخش صـورت نگرفتـه و سـبب ایجاد مشـکلاتی در مقاومـت هـای مکـ انیکی بـتن مـی گـردد.