بتن های الیافی

رفتار و کاربردهای بتن الیافی

چکیده

استفاده از الیاف در بتن از چهل سال قبل آغاز شد و طی این سال ها استفاده و موارد کاربرد آن افزایش زیادی یافته است .الیاف در بتن سبب می شود تا شکنندگی به نحو قابل توجهی کاهش یافته و بتن الیافی رفتار شکل پذیری تحت بار های مختلف از جمله فشار ، کشش و ضربه از خود نشان دهد . الیاف از جنس مختلف شامل گیاهی ، مصنوعی و فلزی در بتن مورد استفاده قرار می گیرند . الیاف خواص مکانیکی بتن را تحت بار های فشاری ، کششی ، خمشی ، برشی ، دینامیکی و ضربه ای ، آبگرفتگی و خزش ، مقاومت در برابر یخ زدن و آب شدن ، سایش ، کاویتاسیون و فرسایش بهبود بخشیده و ماده ای یکپارچه فراهم می آورد . الیاف با زدن پل بین ترک ها یکپارچگی بتن را تا تغییر شکل های زیاد حفظ می کنند .

هم اکنون از بتن الیافی در کاربرد های مختلف از قبیل روسازیهای جاده ها ، پیاده رو ها و پل ها ، کف سالن های صنعتی ، پی ماشین الات معمولی و ارتعاشی ، روسازیهای مورد نیاز برای بار های بسیار سنگین و وزنه های افتان ، تقویت روکش کف های موجود ، صنایع نظامی ، سر ریز سد ها ، حوضچه های آرامش و همچنین بتن الیافی پاشیدنی در محافظت از پایداری شیب های صخره ها و سنگ ها ، لاینینگ تونل ها ، شافت معادن ، سازه های پوسته ای ، تعمیرات و مواد دیگر استفاده وسیع به عمل می آید . برای مقایسه هزینه ساخت بتن الیافی با بتن غیر مسلح یا بتن مسلح به میل گرد در اعضای سازه ای مختلف ، می باید مزایای بتن الیافی از جمله مقاومت ضربه ای بسیار بالا تر ، جمع دگی و عرض ترک کمتر ، دوام بیشتر و کاهش هزینه های مربوط به تعمیر ، حفظ و نگهداری ، کنترل شکست های موضعی ، ایجاد ترک و گسترش ترک ، عمر مفید بیشتر ، کنترل نفوذ پذیری ، شکل پذیری بیشتر و به ویژه زمان اجرای بسار کمتر را ( در مقایسه با بتن مسلح به میل گرد ) در نظر داشت . در این مقاله دلیل ضرورت استفاده از الیاف ، انواع مختلف الیاف ، نحوه ساخت ، خواص مکانیکی و کاربرد های بتن الیافی با توجه به نتایج کاربرد ها و پژوهش های انجام شده تا کنون و همچنین ملاحظات فنی – اقتصادی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است .

مقدمه و ضرورت استفاده از الیاف در بتن

بتن در درجه نخست از لحاظ مصالح سازه ای با تولید سالانه بیش از دو هزار و پانصد میلیون متر مکعب در سطح جهانی قرار دارد . به دلائل مختلف ، مقدار قابل توجهی از این بتن ترک می خورد . دلیل ترک خوردگی می تواند سازه ای یا غیر سازه ای باشد ، لیکن عمده ترک ها ناشی از ضعف ذاتی این ماده در کشش است . برای مثال ، جمع شدگی در بتن دارای قید ، ترک ایجاد می کند . بور کلی الیاف از گسترش ترک در بتن ، با فراهم آوری کپارچگی و نرمی بیشتر جلوگیری بعمل می آورد .

بکارگیری بتن غیر مسلح به جهت تردی آن ، عمدتاً در سازه های وزنی کاربرد دارد . این عیب اساسی بتن ، در عمل با مسلح کردن آن با استقرار آرموتور های فولادی در جهت نیرو های کششی برطرف می گردد . شایان ذکر است که در موارد متعددی جهت این نیروهای کششی بطور دقیق معلوم نیست . همچنین با توجه به اینکه آرماتور بخش کوچکی از مقطع را تشکیل می دهد . تصویر اینکه مقطع بتن یک مقطع هموژن و ایزوتروپ باشد ، هیچ نخواهد بود . به منظور ایجاد شریط ایزوتروپی و کاهش ضعف شکنندگی و تردی بتن تا حد ممکن ، در چند دهه اخیر استفاده از الیاف نازک و نسبتاً طویل در تمام حجم بتن پراکنده می شود ، متداول شده است . تکنیک مسلح به الیاف یا بتن الیافی عموماً بر مبنای پخش تصادفی الیاف در بتن می باشد . الیاف مقاومت کششی و شکل پذیری ملات و بتن را به نحو قابل توجهی افزایش داده و رفتار بتن را از حالت ترد به حالت نرم و شکل پذیر در می آورد . کاربرد الیاف به طور فراگیر از اوایل 1960 در کشور های صنعتی پیشرفته آغاز شد و در طی این چهار دهه جنس و شکل الیاف و نحو ساخت بتن الیافی بهبود یافته و کاربرد های آن نیز فزونی یافته است . هم اکنون الیاف به عنوان یکی از مواد ساختمانی همراه بتن در اکثر کشور ها به نحو چشمگیری مورد استفاده قرار می گیرد .

با توجه به موارد اشاره شده در بالا و کاربرد ها و مزایای قابل ملاحظه بتن الیافی ( که در متن مقاله به آنها اشاره خواهد شد ) جای آن دارد تا ضمن شناسایی این صنعت ، در سازه های مختلف بتنی کشور به کار گرفته شود . در این مقاله به انواع مختلف الیاف ، نحوه اخت ، خواص مکانیکی و کار برد های بتن الیافی ، به همراه ذکر مزایای بتن الیافی و چهار چوب ارزیابی اقتصادی آن پرداخته شده است .

انواع مختلف الیاف

استفاده از الیاف در بعضی کشور ها به چند هزار سال پیش بر می گردد . در آن زمان قطعات کوتاه ساقه های گیاهان خشک را به همراه آب و خاک به صورت مخلوطی از گل با لیف های خشک گاهی در ساخت دیوار و خشت استفاده می نمودند . ( به عنوان مثال کاه گل در ایران که هنوز هم به همین سبک عمل می شود . ) الیاف برای کنترل ترک در اثر تغییرات حجمی ناشی از انقباض و انبساط و تنش های حرارتی و نیز جهت افزایش مقاومت کششی ، نرمی و قابلیت جذب انرژی و فراهم آوری یک سیستم یک پارچه استفاده می شود . در حال حاظر صد ها نوع الیاف تولید می شود که فقط تعدادی از آنها برای استفاده در بتن مناسب می باشند .

الیاف گیاهی

به الیاف گیاهی و در بعضی موارد موی اسب و بز اصطلاحاً الیاف طبیعی اطلاق می شود . از الیاف گیاهی ( به غیر از پنبه و کتان و امثال آن ) در کشور های آسیایی دور و بویژه هند و برزیل در بتن استفاده می شود . از جمله این الیاف می توان به الیاف چتایی ( Jute ) سیسال ( Sisal) پوسته نارگیل (Coir  ) تفاله نیشکر (Bagasse ) کتان ( Flax ) و ... اشاره کرد . قابلیت بهبود رفتار بتن توسط این الیاف به طول ، شکل ظاهری و مقاومت کششی الیاف بستگی دارد . اگر چه از این گونه الیاف به ویژه در مناطق روستایی استفاده عمده به عمل می آید ، لیکن مقاومت کششی انها در مقایسه با دیگر انواع الیاف ( مصنوعی و فلزی ) پائین است . قالباً پلی که الیاف گیاهی در دو طرف ترک جهت جلوگیری از شکست کششی بتن می زنند مستحکم نبوده و با پارگی لیف یا بیرون کشیده شدن آن از درون ملات بتن شکست در سازه بتن ایجاد می گردد . از الیاف برگ نخل نیز می توان برای بهبود رفتار ملات سود جست . به طور کلی با توجه به اینکه الیاف گیاهی در تماس با رطوبت پایداری حجمی ندارند ، لذا لازم است تا قبل از استفاده از هر گونه الیاف گیاهی در ملات و بتن ، قابلیت جذب آن الیاف با اندود موادی از جمله سیمان روی سطح آنها محدود گردد. خصوصیات مربوط به برخی از الیاف در جدول 1 آورده شده است .

الیاف مصنوعی

در اوایل قرن بیستم با شکوفایی صنعت پتروشیمی ، ساخت انواع مختلف الیاف مصنوعی آغاز شد . برخی از این الیاف در صنایع مختلف از جمله پارچه بافی ( شامل ترویرا ، نایلن و کولار در ساخت جلیقه ضد گلوله ) و نیز جهت مسلح کردن و مقاوم نمودن برخی قطعات در صنایع اتومبیل و هواپیما سازی استفاده می شود . همچنین در مقاوم نمودن کاغذ های کافت از این گونه الیاف استفاده می شود . از دیگر محصولات صنعت پتروشیمی الیاف کربن و پلی پروپیلین می باشد که از الیاف کربن عمدتاً در کشور کانادا ، ژاپن و آمریکا و از الیاف پلی پروپیلین در کشور های مختلف استفاده می شود . از الیاف مصنوعی با مقاومت بالا نیز به همراه .یک رزین به هم چسبیده برای ساخت ارماتور های پلاستیکی با الیاف ( FRP ) استفاده به عمل می آید . در ساخت بتن از الیاف شیشه که به طور دسته ای ( هر دسته از چند صد رشته تشکیل شده است ) می باشد . استفاده زیادی می شود . استفاده از الیاف شیشه در ژاپن بیش از هر کشور دیگری است . تردی شیشه ، روش خاص و دقیقی را جهت ساخت و تراکم مخلوط بتن می طلبد .

از الیاف آزبست ، بتن سیمان از بست با نرمی مناسب تهیه می شود که در ساخت لوله ها و سقف با دهانه کم و غیره استفاده می شود . اگر چه از تولیدات سیمان – آزبست به طور گذشته ای در گذشته استفاده می شده است ، لیکن به علت خطرات ناشی از استنشاق الیاف آزبست ، به طور سریعی با دیگر کامپوزیت های پایه سیمان جایگزین شده اند .

الیاف فلزی

الیاف فلزی مورد استفاده در بتن عمدتاً از جنس فولاد و در برخی موارد از جنس مس می باشند . الیاف فولادی برای اولین بار در کشور آمریکا و در سال 1362 توسط رومالدی به ثبت رسید . اگر چه الیاف شیشه ، کربن ، پلی پروپیلین کاربرد های فراوانی دارندلیکن بیشترین کاربرد را الیاف فولادی نسبت به سایر الیاف دارند . این به سه دلیل است . اول اینکه الیاف فولادی بالا ترین افزایش را در مقاومت و شکل پذیری بتن را ایجاد می کنند . دوم اینکه به شکل ظاهری گوناگون جهت بهبود رفتار بتن قابل ساخت هستند و سوم اینکه اختلاط آنها با دیگر مواد بتن به سهولت انجام پذیر است و این الیاف به اشکال مختلف جهت ایجاد پیوند بهینه بین لیف و ملات بتن ساخته می شوند . ( شکل 1 ) این الیاف با مقاومت کششی نسبتاً بالا در شکل های مختلف به صورت های مستقیم و مستقیم قلابدار ، مستقیم دم پهن ، دندانه ای ، با انتهای برآمده ، پیچیده قلابدار ، و یا مقطع متغیر تولید می شود . سطح مقطع آنها معمولاً گرد ، مستطیل ، نیم گرد ، بی قائده و یا متغیر می باشد .

 برای بیان هندسه آنها از یک مقدار عددی به نام نسبت طول به قطر Aspect Ratio   که عبارت است از نسبت طول الیاف به قطر معادل مقطع استفاده می شود . این نسبت لازم است دارای مقدار معینی باشد تا اینکه نرمی بهینه ای با حفظ مقاومت کششی در بتن به وجود آورد . محدودیت های مربوط به نسبت طول به قطر در مورد کلیه الیاف باید در نظر گرفته شود . نسبت طول به قطر بهینه در اکثر الیاف حدود 50 الی 100 است .

خصوصیات مربوط به انواع الیاف مصنوعی و فولادی در جدول 2 ارائه شده است. از جدول مشاهده می گردد که بالا ترین مقاومت کششی مربوط به الیاف کولار است . لیکه نبه علت قیمت بسیار بالا ، از ان در بتن استفاده نشده است . پس از آن الیاف شیشه ، کربن و فولاد آزبست دارای مقاومت کششی بالایی هستند . در انتخاب نوع الیاف ، مدول الاستیسیته و کرنش شکست نیز حائز اهمیت می باشند . به عنوان مثال اگر چه کرنش شکست الیاف کربن بسیار پائین است ( حدود 5/1 تا 5/0 درصد ) لیکن به جهت مدول الاستیسیته بالا استفاده از آن در بتن مناسب است . همچنین از الیاف پلی پروپلین با مدول الاستیسیته بسیار پائین ، با توجه به کرنش شکست بسیار بالا ( 18-8 درصد ) از آن در بتن استفاده زیاد می شود . الیاف فولادی با مدول الاستیسیته و کرنش شکست بالا و بویژه با توجه به قابلیت شکل گیری مناسب و مقاومت کششی بالا از جمله مناسب ترین و اقتصادی ترین نوع الیاف به حساب می آید . در حال حاضر ، در درجه اول از الیاف فولادی و سپس از الیاف پلی پروپلین ، شیشه و کربن به نحو قابل توجهی در بتن استفاده بعمل می آید . الیاف کربن نسبت به الیاف پلی پروپلین و شیشه گران قیمت تر است .

طرح اختلاط و ساخت بتن الیافی

معمولاً بتن مسلح به الیاف فولادی همانند بتن ساده ریخته و تحکیم می شود . درصد بهینه الیاف به صورت حجمی بین 5/0 تا 0/2 ، با توجه به مقاومت و کارآیی بتن می باشد . روش بتن پاشی با الیاف به ویژه برای لایه های نازک کاربرد های فراوانی دارد . بتن پاشی با الیاف به دو صورت خشک یا تر انجام می شود . در روش خشک مخلوط خشک بتن ، الیاف و آب درست قبل از بیرون آمدن از نازل پاشیدن مخلوط می شوند . در روش تر باید توجه کافی جهت پخش یکنواخت الیاف به عمل آید . همچنین باید به طرح اختلاط در این روش توجه بیشتری داشت تا مخلوط بتن الیافی قابل پاشیدن باشد . الیاف فولادی تا 2 درصد حجمی را در دو روش خشک یا تر می توان در بتن پاشی به کار برد .

روش طراحی مخلوط های بتن مسلح به الیاف فولادی ( SFRC ) اساساً شبیه به طراحی بتن ساده است . با این وجود باید برخی ملاحضات برای پخش یکنواخت الیاف و جلوگیری از جدا شدگی یا پدیده گلوله ای شدن و ایجاد یک مخلوط کارا جهت ریختن ، تحکیم و پرداخت بتن به عمل آید . در فرآیند ساخت بتن الیافی باید از ایجاد پدیده گلوله ای شدن جلوگیری به عمل آید . در این پدیده الیاف نزدیک به هم جدا شده ، سبب کاهش کارآیی مخلوط بتن و در نتیجه کاهش مقاومت و نرمی بتن و سخت شده می شود . شایان ذکر است که احتمال ایجاد این پدیده در بتن ساخته شده با الیاف مصنوعی ( از قبیل پلی پروپلین ، شیشه یا کربن ) بیشتر است . برای دست یابی به خمیر کافی برای اندود نمودن سطح الیاف و ایجاد کارآیی مناسب ، مقدار سیمان مصرفی باید بین 56-330 و با نسبت آب به سیمان 4/0 تا 6/0 باشد . اندازه بزرگترین درشت دانه می تواند حد اکثر mm 25 باشد و نسبت ریز دانه به درشت دانه 75/0 – 55/0 است . استفاده از افزودنی های هوا ساز و کاهنده آب برای ساخت مخلوط های SFRC   توصیه می شوند .

برای دست یابی به بتن مسلح به الیاف با ظرفیت کرنشی ، مقاوم در برابر ضربه ، با قابلیت جذب انرژی و مقاومت کششی بیشتر لازم است مخلوط بتن با توجه به نوع و میزان الیاف و مواد یاد شده ساخته شود . بتن مسلح به الیاف شیشه به دو طریق پاشیدنی و مخلوط شده از قبل ساخته می شوند . در روش پاشیدنی ملات ماسه ، سیمان و الیاف شیشه به طور همزمان از تفنگ پاش روی سطح قالب ریخته می شوند . این روش می تواند با توجه به پیش ساخته بودن قطعه و یا در جا بودن آن به صورت اتوماتیک یا دستی انجام گیرد .

لایه ها با ضخامت mm 6- 3 پاشیده می شوند . در روش مخلوط شده از قبل ، سیمان ، ماسه ، الیاف شیشه و آب با هم مخلوط شده به صورت ملات در می آید . و سپس ریختن ، قالب ریزی با فشار ، اکسترود کردن ، یا با قالب لرزان محصول نهایی ساخته می شود . معمولاً تا 5 درصد حجمی الیاف شیشه را می توان ، بدون ایجاد پدیده گلوله ای شدن با سیمان و ماسه به صورت خمیر ملات در آورد . مخلوط کردن باید به طور دقیق کنترل شود تا جلو آسیب گرفته شود . از روان ساز ها و روان ساز های اعلاء معمولاً به همراه الیاف شیشه یا حفظ نسبت آب به سیمان پائین استفاده می شود .

نحوه ساخت بتن مسلح به الیاف پلی پروپلین بستگی به شکل اتصال الیاف با هم دارد . نحوه ساخت به صورت پاشیدنی و یا ریختن دستی است . تا 6 درصد الیاف به صورت پاشیدنی و تا 11 درصد با مخلوط کردن الیاف بریده شده در ماتریس یا نسبت آب به سیمان بالا و سپس خارج کردن آب اضافی با مکش و فشار مورد استفاده قرار گرفته است . معمواً الیاف پلی پروپلین پس از مخلوط کردن کلیه اجزاء اضافه می شوند . الیاف کربن به ماتریس سیمانی به صورت دسته یا الیاف بریده شده تکی اضافه می شوند . الیاف دسته ای معمولاً در جهت های خاص برای ایجاد رفتار بهینه قرار داده می شوند . الیاف بریده شده تکی به صورت کلی هنگام مخلوط کردن اضافه شده و بنابراین به صورت تصادفی جهت داده می شوند . برای ایجاد مخلوط یکنواخت از مخلوط کردن های ویژه باید استفاده شود تا بتن مسلح به الیاف کربن CFRC بنحو مطلوبی ساخته شود .

برای ساختن بتن مسلح به الیاف گیاهی ، نسبت آب به سیمان باید به مقدار پائینی محدود شده و الیاف به ور یکنواخت پخش گردد . بهترین روش ساخت ، مخلوط کردن الیاف با ماتریس با آب نسبتاً بالا در ابتدا و سپس خارج کردن آب اضافی است . که بسیار معمول و موثر است و  

منبع: pirestani.parsiblog.com