تاریخچه الیاف
در زمان‌های گذشته، از الیاف جهت تقویت ملات‌های ترد و شکننده استفاده می‌شد که مشهورترین و پرطرفدارترین به علت ارزانی‌کاه است. برای تقویت آجرهای خشتی و ملات کاهگل در اندودها در قبال ترک خوردگی که بعد از خشک شدن به وجود می‌آید، به کار رفته و در حال حاضر نیز ارزانترین نوع ملات در مناطق روستایی کشور است. استفاده از کاه و مخصوصاً موی دم اسب یا بز در بناهای قدیمی ایران به خصوص گنبدها سابقه طولانی و تاریخی دارد. کاربرد الیاف فولادی از اواسط قرن اخیر آغاز شده و تاریخ دقیقی در مورد استفاده از این روش در دسترس نیست ولی افراد مختلف با استفاده از روش‌های متفاوتی نظیر کاربرد تکه‌های سیم یا بریده‌های فلز در داخل بتن، امتیاز این نوع روش را به نام خود به ثبت رسانده‌اند.
بتن الیافی
بتن الیافی در حقیقت نوعی کامپوزیت است که با به کارگیری الیاف تقویت کننده داخل مخلوط بتن، مقاومت کششی و فشاری آن، فوق‌العاده افزایش می‌یابد. این ترکیب کامپوزیتی، یکپارچگی و پیوستگی مناسبی داشته و امکان استفاده از بتن به عنوان یک ماده شکل پذیر جهت تولید سطوح مقاوم پرانحنا را فراهم می‌آورد. بتن الیافی از قابلیت جذب انرژی بالایی نیز برخوردار است و تحت اثر بارهای ضربه‌ای به راحتی از هم پاشیده نمی‌شود. شاهد تاریخی این فناوری، کاربرد کاهگل در بنای ساختمان است. در واقع بتن الیافی نوع پیشرفته این تکنولوژی است که الیاف طبیعی و مصنوعی جدید، جانشین کاه و سیمان جانشین گل به کار رفته در ترکیب کاهگل شده‌اند. به طور مثال در ساخت کف سالن‌های صنعتی، میتوان از این نوع بتن به جای بتن آرماتوری متداول سود جست این نوع بتن از بهترین مصالح مورد استفاده در ساخت بناهای مقاوم به ضربه، همچون سازه پناهگاه‌ها و انبارهای نگهداری مواد منفجره به شمار می‌رود و بنای شکل گرفته از بتن، قابلیت فوق العاده‌ای در جذب انرژی ضربه دارد.
نقش الیاف در بتن
مزایا و نقش مهم الیاف در بتن الیافی باعث شده که مورد علاقه اکثر مهندسین و طراحان قرار بگیرد. امکان بکارگیری در اکثر مناطق جغرافیایی، استفاده از متریال طبیعی و ارزان، دارای هزینه کم در مقایسه با حجم زیاد عملیات و شکل پذیری آن با توجه به اشکال هندسی طرح و کارایی مناسب و مقاومت بسیار بالا و مقاوم در برابر نیروهای فشاری و کششی و قابلیت جذب انرژی و پایداری در برابر ترک خوردن، از ویژگی‌های بارز این نوع بتن است.
طبقه بندی کاربردی بتن الیافی
- با الیاف کم جهت کاهش میزان جمع شدگی در بتن ( ۱٪> حجم الیاف)
- با الیاف متوسط یا بتن الیافی معمولی جهت اصلاح خواص سازه‌ای نظیر برش، عرض ترک و رفتار خمشی (بیشتر در کف صنعتی به کار می‌روند)
این نوع از بتن‌ها خود به چندین دسته تقسیم می‌شوند.
- بر پایه مصالح شیمیایی
- بتن‌های حریره الیافی
- مواد مرکب مهندسی بر پایه مصالح سیمانی (بتن‌های الیافی شکل پذیر)
مزایا
مزایای این نوع بتن در مقایسه با بتن معمولی را میتوان بطور خلاصه به شرح ذیل بیان داشت.
- مقاومت زیاد در مقابل تنش‌های خستگی
- مقاومت بسیار عالی در مقابل ضربه
- قابلیت کششی خوب (ظرفیت زیاد کرنش)
- قابلیت باربری زیاد بعد از ترک خوردگی
- مقاومت کششی، خمشی و برشی زیاد طاقت خیلی زیاد
- این مصالح بر خلاف بتن معمولی قادر به تحمل تنش‌ها و کرنش‌ها کششی قابل ملاحظه در بارهای کششی است و میتوان از آن در
طراحی استفاده کرد. در این مواد، ترک خوردگی از حالت ترک‌های متمرکز خارج شده و بصورت ترک‌های متعدد ظاهر شده است. این رفتار در افزایش شکل پذیری اعضا و مهمتر از آن در پایانی سازه‌های بتنی تأثیرات چشمگیری دارد.
- با اتکا بر ظرفیت کرنش پذیری این مصالح در فشار میتوان از میزان آرماتورهای محصور کننده در نواحی فشاری کاست.
- مقاومت برشی در این بتن‌ها و رفتار آنها به گونه‌ای است که میتوان آرماتورهای برشی را حذف نمود.
- از دیگر مزایای استفاده این مواد شکل پذیری در اعضای لرزه بر، افزایش میزان تغییر شکل‌های غیر الاستیک، عدم افت مقاومت و حفظ یکپارچگی در این تغییر شکل‌ها است که منجر به دست یابی به رفتار آسیب مدار میشود.
عامل‌های کیفیت
به طور کلی کیفیت بتن الیافی می‌تواند به عامل‌های عمده زیر بستگی داشته باشد.
- نسبت‌های مخلوط بتن
- مشخصات هندسی الیاف فولادی
- نسبت طول به قطر الیاف
- مهار مکانیکی و زبری سطح الیاف
- مشخصات فیزیکی و جنس الیاف فولادی
الیاف شیشه
اضافه کردن الیاف شیشه به بتن به شدت بر کاهش کارایی بتن تازه تأثیر می‌گذارد. بنابراین باید از روانسازهای مناسب استفاده کرد و شیوه مناسب اختلاط را نیز تجربه کرد. همچنین الیاف شیشه‌ای به شدت تمایل دارند که در بتن تازه به یکدیگر چسبیده و گلوله شوند که به این پدیده گلوله شدن الیاف می‌گویند. واضح است که در صورت وقوع این پدیده، توزیع الیاف دیگر یکنداخت نبوده و بنابراین برای برطرف کردن آن باید چاره اندیشی کرد.
الیاف فولادی
الیاف فولادی به منظور بهبود بخشیدن به خواص بتن، کاربرد وسیعی را در سازه‌های بتنی و بتن مسلح پیدا کرده است. یکی از مهمترین نقش‌های الیاف فولادی در بتن افزایش مقاومت کششی بتن بوسیله کاهش ایجاد ریزترک‌های حاصله از بارگذاری خارجی است.
الیاف پلی پروپیلن
کاربرد الیاف پلی پروپیلن از ترک خوردگی و جمع شدگی بتن بخصوص در سنین اولیه آن جلوگیری می‌کند. تولید بتنی شکل پذیر با الیاف پلی پروپیلن در بتن الیافی دارای شکل پذیری بسیار زیادی است و هرگز خرد نمی‌شود. الیاف پلی پروپیلن آب گریز است و درصد جذب آب آن صفر است. بنابراین هرگز نباید از افزودن آب اضافی جهت افزایش روانی بتن استفاده کرد.
الیاف آرامید (کولار)
پلیمرهای آرامید دارای خصوصیاتی چون نقطه ذوب بالا و پایداری حرارتی عالی ومقاومت در برابر شعله و غیر قابل حل بودن در بسیاری از حلال‌های آلی شناخته شده‌اند. دانسیسته آن بین ۱۲ -۱۴/۶ کیلو نیوتن بر متر مکعب است. دارای خواصی چون مقاوت در برابر ضربه عدم حساسیت به شکاف خواص الکتریک- خود خاموش کنی از خصوصیات آن ماست. الیاف آرامید در شکل‌های مختلف وجود دارند و همانند الیاف شیشه و کربن می‌توانند در ساخت کامپوزیت‌ها مورد استفاده قرار گیرند.
الیاف کربن
دانسیسته آن ۲۲/۷ کیلو نیوتن برمتر مکعب بوده و شکل آن بلوری و ضخامت آن نازکتر از موی انسان و دارای قطر ۶ -۱۰ میکرو متر است. مزایایی اصلی آن، استحکام بالای خستگی، مقاومت در برابر خوردگی و ضریب انبساط حرارتی پایین است. معایبالیاف کربن قیمت بالا، کرنش در شکست، هادی الکتریکی است.
موارد کاربرد بتن الیافی
- تسطیح اضافی، جهت افزایش مقاومت بتن مسلح به منظور کاهش ترک خوردگی و افزایش قدرت جذب انرژی تحت اثر بارهای ضربه‌ای، موج‌های انفجاری، وضعیت‌های پیچیده تنش
- جانشین شدن به جای بتن آرمه معمولی به منظور کاهش هزینه دستمزد قطعات پیش ساخته بتنی، تثبیت و پایدارسازی شیب‌های سنگی و دیوارهای ریزشی، خاکبرداری‌ها در مناطق مهم، تسطیح منحصر به فرد و خاصیت یکنواخت و ایزوتوپ در نتیجه توزیع همگن الیاف در جسم بتن.
محدودیت‌های کاربرد
از آنجا که نحوه قرار گرفتن الیاف داخل بتن، کاملاً تصادفی است، از این بتن معمولاً نمی‌توان به نحو مطلوبی در ساخت تیرها و ستون‌ها بهره گرفت و در این نوع سازه‌ها استفاده از روش سنتی و شبکه بندی فولادی به صرفه‌تر و مناسب‌تر است.
استفاده از بتن الیافی در همه موارد از بتن سنتی به صرفه تر منیست. اما بر اساس برآوردهایی که توسط بعضی از متخصصین کشور انجام گرفته، در جاهایی که سرعت اجرای بالا مدنظر است یا نیاز به پاشش بتن (شاتکریت) روی سطوح ویژه‌ای است، استفاده از این نوع بتن توصیه میشود.
استفاده و کاربرد بتن الیافی در ایران
استفاده از بتن الیافی می‌تواند تحول چشمگیری در کم و کیف سازه‌های در دست اجرا یا طرح‌های آینده کشور داشته باشد. با اتکا بر ظرفیت کرنش پذیری بتن الیافی در فشار میتوان از میزان آرماتورهای محصور کننده در نواحی فشار کاست. مقاومت فشاری در بتن‌های الیافی به گونه‌ای است که میتوان آرماتورهای برشی را حذف کرد. مصالح بتن الیافی بر خلاف بتن معمولی قادر به تحمل تنش‌های کششی قابل ملاحظه‌ای در بارهای کششی است. مقاومت کششی بتن در صورت استفاده از الیاف بعد از ترک خوردن افزایش می‌یابد اما این افزایش نمی‌تواند با افزایشی که آرماتوربندی معمولی ایجاد می‌کند. در پایان امید است متخصصان امر در جاهایی که استفاده از این بتن از لحاظ فنی اجرایی منطقی به نظر می‌رسد از این روش جدید پیروی نمایند زیرا هم به نحو چشمگیری باعث تقلیل هزینه‌های اجرایی شده و هم در زمان کوتاه‌تری سازه‌ها به بهره‌برداری خواهند رسید.
خواص بتن الیافی
مقاومت استاتیکی
الیاف فولادی، مقاومت خمشی نخستین ترک بتون الیافی را تا چندین برابر مقاومت نخستین ترک بتون معمولی افزایش می‌دهد. اضافه کردن الیاف به بتن علاوه بر اینکه از نظر افزایش مقاومت‌های استاتیکی بتن مؤثر است، در ایزوتروپی و همگنی جسم بتن نیز تأثیر بسزائی دارد. تأثیر الیاف فولادی در مقاومت استاتیکی بتن شامل مقاومت خمشی، فشاری، برشی و شکافتگی است.
مقاومت خمشی
خاصیت مهم بتن الیافی 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 می‌تواند جایگزین خاموت‌ها در تیرهای بتنی شود، بدون اینکه در ظرفیت نهائی برشی، کاهشی به وجود آید. 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 صرف نظر شود.
مقاومت پیچشی
مقاومت پیچشی بتن الیافی را ۱/۵ تا ۲ برابر بتن خالص است.
مقاومت ترک خوردگی
الیاف نه تنها بر روی مقاومت بتن خالص تأثیر بسیار مثبتی دارد بلکه به عنوان یک عامل باز دارنده 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 بعمل می‌آورد.
پوسیدگی و زنگ زدگی الیاف فولادی
مطالعات اخیر نشان می‌دهد که اثر خوردگی و پوسیدگی آب شور روی ملات سیمانی (سیمان پرتلند) مسلح به ۲ درصد حجمی الیاف فولادی ناچیز بوده، به طوریکه بعد از ۹۲ روز قرار گرفتن در داخل و خارج آب نمک اشباع شده، هیچ تغییری در مقاومت خمشی بتن الیافی مشاهده نشد.
قابلیت هدایت حرارتی
الیاف فولادی ضریب هدایت حرارتی بتن را ۲۰ تا ۲ درصد افزایش می‌دهند. همچنین این الیاف باعث افزایش مقاومت بتن در تغییرات ناگهانی و زیاد درجه حرارت میشود.
رفتار بتن الیافی در برابر نیروها
اگر بتن از جمع شدن باز داشته شود، تنش‌های کششی ایجاد شده در آن باعث ترک خوردگی مقطع می‌شوند. در بتن استاندارد با نسبت آب به سیمان بالاتر از ۴۰ درصد جمع شدگی ناشی از خشک شدن به عنوان مهمترین دلیل ایجاد ترک در سنین اولیه توصیف شده است. در بتن خود متراکم در سنین اولیه به دلیل چسبندگی بالاى مواد ریز موجود، جمع شدگی و خزش بیشترى نسبت به بتن استاندارد مشاهده میشود ولی در مرحله سخت شدن تاخیرى در شروع جمع شدگی بتن خود تراکم به وجود می‌آید که به دلیل پایین بودن سرعت تبخیر از سطح خارجی اعضاء بتنى است. جمع شدگى ناشی از خشک شدن از همان ابتدا یعنی زمان‌هاى اولیه بتن ریزى و حتی قبل از افزایش ظرفیت مکانیکى بتن آغاز میشود که بستگی به
خواص بتن (طرح اختلاط، طریقه‌ى بتن ریزى و روش‌های عمل آوری،شکل و چگونگی اعضاء بتنی و شرایط محیطی (دما، رطوبت مربوطه، سرعت باد) دارد. چون جمع شدگی به دلیل کمبود آب درون بتن به سطح اعضاء تحمیل میشود، کرنش در این قسمت از اعضاء ایجاد شده و ترک‌هائی با منشاء خشک کردن انقباض از نواحى سطحی که در تماس با محیط هستند آغاز مى‌شود، در نتیجه اعضاء با سطح خارجى بالا(مانند دال‌ها و پانل‌هاى پیش ساخته) در تماس با یک محیط مهاجم بیشترین آسیب را در اثر به وجود آمدن ترک‌ها می‌بینند و این امر با عبور هوا از روی نمونه‌ها‌ی تازه تشدید می‌یابد اما از نتایج آزمایش‌ها مشاهده میشود که با استفاده از مقادیر مناسب الیاف جمع شدگى و به تبع آن ترک‌ها به میزان قابل توجهی کاهش مى‌یابند.
بتن بدون الیاف و بتن با الیاف
در صورتی که با توزیع اتفاقی الیاف در فواصل بسیار کوچکتر از فاصله بین آرماتورها اندازه ترک‌ها کوچکتر شده و باعث کاهش نفوذپذیری و پایداری بتن در محیط‌های مهاجم میشود. در حالت کلی توزیع اتفاقی الیاف در فواصل بسیار کوچکتر از فاصله بین آرماتورها باعث پخش و کوچکتر شدن اندازه ترک‌ها شده و پس از ترک خوردن، مقاومت کششی و خمشی به دلیل خاصیت دو‌زندگی الیاف بالا رفته و یکپارچگی بتن تا تغییر شکل‌های زیاد حفظ میشود.
نوآروی‌ها در بتن الیافی
بتن و فولاد دو نوع مصالحی هستند که امروزه بیشتز از سایر مصالح در ساختمان انواع بناها از قبیل ساختمان ، پل‌ها، ساختمان سدها، ساختمان متروها، ساختمان فرودگاه‌ها و ساختمان بناهای مسکونی و اداری و غیره به کار برده میشود. شاید به جرات میتوان گفت که بدون این دو پیشرفت جوامع بشری به شکل کنونی میسر نیست.
روسازی بتن الیافی
یکی از مصالحی که می‌تواند جایگزین میلگرد حرارتی در بتن‌های مسلح شود الیاف است. مسلح کردن بتن با الیاف به جای میلگرد حرارتی سبب کاهش وزن بتن شده و آسیب‌های ناشی از خوردگی و فرسایش فولاد را به طور کامل حذف می‌نماید. امورزه کاربرد بتن الیافی به دلیلی مزایایی آن نسبت به بتن نرمال گسترش فراوانی یافته است. از جمله مزایا میتوان میزان جذب انرژی بالا، بهبود رفتار بتن در ناحیه بعد از اولین ترک و جلوگیری از پیدایش و گسترش ترک‌های ناشی از جمع شدگی را نام برد. از طرفی مسلح سازی سازه‌های بتنی با الیاف یکی از روش‌های اصلاح خواص مکانیکی و بهبود عملکرد خمشی و کششی بوده که به واسطه آن مخلوط های شکننده تا حدی رفتار الاستیک از خود نشان می‌دهند.
پارکینگ‌های از جمله کاربری‌هایی هستند که امروزه و با توجه به افزایش سرانه مالکیت خودرو نیاز به آنها بیش از بیش احساس میشود. شرایط به گونه‌ای است که پارکینگ‌های عمومی در کمتر از ساعتی از شبانه روز بدون استفاده می‌مانند. بنابراین روسازی این سوطح باید به نحوی باشد که دور عمر بهره برداری طولانی مدت با حداقل بهسازی در دوره خدمت‌دهی داشته باشد. دو نو روسازی متداول که در این سطوح به کار می‌رود شامل روسازی‌های آسفالتی و بتنی می‌شوند. نشت احتمالی سوخت و روغن از خودروهای متوقف در پارکینگ باعث از بین رفتن روسازی‌های آسفالتی و در پی آن هزینه‌های بالای تعمیر و نگهداری و عدم امکان بهره‌برداری در طول مدت بهسازی را به دنبال دارد.
بنابراین گرایش به استفاده از سطوح بتنی در این چنین مکان‌هایی در حال افزایش است. اصول روسازی بتنی پارکینگ تا حد زیادی مشابه طراحی معابر شریانی و سطوح فرودگاهی است و فلسفه آن پخش بار در سطوح بسیار بزرگتر نسبت به روسازی‌های آسفالتی است. در چنین سطوحی از روسازی بتنی غیر مسلح استفاده میشود.
جایگزینی الیاف با آرماتورهای حرارتی مزایایی فنی و اقتصادی زیادی دارد و موجب افزایش سرعت اجرا، کاهش هزینه‌های اجرا و دستمزد، کاهش عرض ترک‌های ناشی از جمع شدگی و کنترل عرض ترک‌های انقباضی و انبساطی افزایش مقاومت روسازی در برابر ضربه، خستگی و کاهش اثرات نخرب عوامل جوی خواهد شد. بتن معمولی که در روسازی‌ها به کار می‌رود یک ماده ترد و شکننده است در حالی که روسازی بتن الیافی به لحاظ مقاومت زیادتر و خاصیت کاهش جلوگیری از احتمال بروز ترک، نسبت به بتن معمولی برتری دارد.
قابلیت انعطاف پذیری بتن الیافی همانند خواص مواد پلاستیکی باعث میشود که بتن الیافی گسیختگی ناگهانی نداشته باشد. از آنجا که فولادی در جسم بتن به طور سخه بعدی و به بیانی بهتر چند بعدی پراکنده می‌شوند. در صورت تشکیل ترک الیاف در جهات محتلف اتصالاتی را به وجود آورده و از گسترش ترک جلوگیری می‌نماید. بنابراین رشته‌های الیاف به طور فعال در محدود کردن عرض ترک‌ها وارد عمل شده و با تشکیل ریز ترک‌های زیاد همکاری می‌نماید.
توجیه اقتصادی بتن الیافی
استفاده از بتن الیافی در همه موارد از بتن سنتی به صرفه‌تر نیست. اما بر اساس برآوردهایی که توسط بعضی از متخصصین کشور انجام گرفته است در جاهایی که سرعت اجرای بالا مد نظر است یا نیاز به پاشش بتن (شات کریت) روی سطوحی ویژه‌ای است، استفاده از این نوع تبن توصیه میشود. بتن الیافی خواص مناسبی همچون شکل پذیری بالا، مقاومت فوق العاده، قابلیت جذب انرژی و پایداری در برابر ترک خوردن را دارا است. که متناسب با آنها میتوان موارد کاربرد فراوانی برای آن یافت. به طور مثال در ساخت کف سالن‌های صنعتی، میتوان از این نوع بتن به جای بتن آرماتوری متداول سود برد.
این نوع بتن از بهترین مصالح ساختمانی مورد استفاده در ساخت بناهای مقاوم به ضربه، همچون سازه پناهگاه‌ها و انبارهای مواد منفجره به شمار می‌رود. و بنای شکل گرفته از بن قابلیت فوق العاده‌ای در جذب انرژی دارد.
به کار گیری این بتن در بنای سک سازه علاوه بر موارد یاد شده از مزایایی همچون عایق بودن سازه در برابر صدا و سرعت بالای اجرا نیز برخوردار است.
نخست آنکه هزینه استفاده از یک تکنولوژی کاملاً وابسته به سطحی از آن تکنولوژی است که نسبت به کسب و انتقال آن اقدام میشود.
