آشنایی با بتن الیافی و خواص آن

در این نوشتار تصمیم داریم به تشریح بتن الیافی و انواع آن بپردازیم. سپس خواص بتن الیافی را بررسی خواهیم کرد و در انتها به ساخت بتن الیافی خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید.

پیشنهاد دانلود: جزوه تکنولوژی عالی بتن از دکتر رمضانیان پور

شکل 1 – بتن الیافی

بتن ساخته‌شده از سیمان هیدرولیکی، آب، شن و ماسه و الیاف تفکیک شده و مجزا، بتن الیافی نامیده می‌شود. الیاف در شکل‌ها و اندازه‌های متفاوت و از جنس فولاد، شیشه، مواد مصنوعی و مواد طبیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این‌وجود، در بیشتر اعضای سازه‌ای و غیرسازه‌ای، الیاف فولادی بیشتر از انواع دیگر الیاف استفاده می‌شود.

اهمیت

بتن معمولی، دارای تعداد زیادی ترک‌های مویین است که به‌دلیل توسعه سریع ترک‌های مویین تحت تنش‌های اعمال‌شده، مقاومت کششی بتن کم است. در ابتدا فرض می‌شد که با به‌کاربردن الیاف در فواصل نزدیک به یکدیگر، از توسعه ترک‌های مویین جلوگیری شده و در نتیجه، مقاومت‌های کششی و خمشی بتن به‌میزان زیادی افزایش می‌یابد.

همچنین الیاف، شروع ترک‌های کششی را به تأخیر انداخته و در نتیجه باعث افزایش مقاومت کششی بتن می‌شود. اما مطالعات نشان داده‌اند که استفاده از الیاف با حجم و اندازه‌های مختلف در ملات یا بتن باعث افزایش مقاومت آن‌ها، به‌میزان زیاد نمی‌گردد. با این‌ وجود، پژوهشگران، ‌بهبود زیادی را در رفتار بتن‌های الیافی، در مرحلة پس از ترک‌خوردگی پیدا کرده‌اند. به‌ عبارت دیگر، علی‌رغم آنکه مقاومت نهایی کششی به‌ میزان زیادی افزایش نمی‌یابد، اما کرنش کششی در هنگام گسیختگی افزایش می‌یابد. در نتیجه، در مقایسه با بتن ساده، بتن‌های الیافی سخت‌ترند و در مقابل ضربه مقاومت بیشتری دارند.

مکانیزم عمل

بتن الیافی ، بعد از ایجاد اولین ترک در خمیر سیمان، بار وارده را تحمل می‌کند، به‌شرط آنکه مقاومت الیاف در برابر بیرون کشیده‌شدن آن‌ها در اولین ترک، بیش از بار در هنگام وقوع اولین ترک باشد. در مقطع ترک‌خورده، خمیر سیمان هیچ کششی را تحمل نمی‌کند و الیاف، تمام بار وارد بر مقطع مرکب را تحمل می‌کند. با افزایش بار بر روی مقطع مرکب، الیاف تمایل دارند که تنش‌های اضافی را از طریق تنش‌های پیوستگی به خمیر سیمان منتقل کنند.

اگر این تنش‌های پیوستگی از مقاومت پیوستگی بیشتر نگردد، در خمیر سیمان ترک‌های دیگری نیز به‌ وجود می‌آید. این روند ترک‌خوردگی تا آنجا ادامه می‌یابد که الیاف شکسته شوند و یا اینکه به‌ علت از بین‌ رفتن پیوستگی، الیاف از درون بتن بیرون کشیده می شوند.

شکل 2 – بتن الیافی

بهینه سازی الیاف

از نقطه نظر مواد و سازه‌ای، نقطه تعادل ظریفی در بهینه سازی پیوستگی بین الیاف و خمیر سیمان وجود دارد. در صورتی که پیوستگی بین الیاف و خمیر سیمان ضعیف باشد، الیاف در نیرو های پایین بیرون کشیده شده و تاثیر چندانی در پرکردن فاصله بین ترک‌ها نخواهند داشت، لذا سختی سیستم افزایش پیدا نخواهد کرد. اگر پیوستگی بین الیاف و خمیر سیمان بیش از حد قوی باشد، ممکن است عمده الیاف قبل از آنکه انرژی زیادی را مستهلک کنند، می‌شکنند.

در حالت دوم الیاف مانند مواد اضافی غیر فعالی عمل می‌کنند که تاثیر قابل ملاحظه‌ای در بهبود خواص مکانیکی ندارند.  برای پرکردن فضای بین ریز ترک‌ها در مجموعه تحت بار و برای جلوگیری از تمرکز تنش بالا، لازم است تعداد زیادی الیاف کوتاه داشته باشیم. توزیع یکنواخت الیاف کوتاه می‌تواند مقاومت و شکل پذیری مجموعه را افزایش دهد. اما الیاف بلند برای پرکردن فضای بین ترک های بزرگ منفصل در نیروهای بالا لازم هستند. با این وجود، درصد حجمی الیاف بلند می‌تواند بسیار کمتر از الیاف کوتاه باشد.

شکل 3 – تاثیر الیاف ها بر ترک های میکروسکوپیک و ماکروسکوپیک

انواع بتن الیافی

یکی از انواع طبقه بندی بتن الیافی بر مبنای نسبت الیاف در داخل بتن است:

– حجم کم: حجم الیاف در داخل بتن کمتر از %۱ است.

– حجم متوسط: حجم الیاف در داخل بتن بین %۱ و %۲ است.

– حجم بالا: حجم الیاف در داخل بتن بیش از %۲ است.

بتن با الیاف کم

در بتن با حجم کم الیاف، که معمولا در دال‌ها و روسازی بکار می‌روند، الیاف عموما به منظور کاهش جمع شدگی استفاده می‌شوند. الیاف پراکنده مزیت های عمده‌ای نسبت به آرماتور فلزی دارد:

• الیاف به طور یکنواختی در سه بعد پخش شده و موجب توزیع متناسب باربری می‌شوند.
• الیاف در مقایسه با آرماتور حساسیت کمتری نسبت به خوردگی دارند.
• استفاده از الیاف می‌تواند هزینه‌های اجرایی مربوط به آرماتورگذاری را کاهش دهد.

بتن با الیاف متوسط

کاربرد این مقدار از الیاف موجب افزایش مدول گسیختگی، سختی، و مقاومت ضربه‌ای بتن می‌شود. این نوع از بتن‌ها در انواع مختلف سیستم های ساخت نظیر شات کریت کاربرد دارند. کاربرد این نوع بتن الیافی ، در سازه‌هایی که نیاز به قابلیت جذب انرژی بالا، افزایش ظرفیت در برابر بیرون پریدگی بتن و افزایش مقاومت خستگی دارند کاربرد دارد.

بتن با الیاف بالا

کاربرد حجم زیادی از الیاف منجر به سختی کرنشی مجموعه می‌شود. به خاطر این بهبود رفتار، معمولا این ترکیبات به عنوان بتن مسلح الیافی توانمند (High-Performance Fiber-Reinforced Composites) شناخته می‌شوند. در دهه گذشته و به واسطه پیشرفت های به وجود آمده، نسل جدیدی از این مواد با عنوان بتن مسلح الیافی فوق توانمند شناخته می‌شوند. (Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Composites)

خواص بتن الیافی

می‌توان گفت که تأثیر عمده الیاف، نه بر روی مقاومت بتن، بلکه بر روی طاقت خمشی آن است. اساساً مزیت عمده بتن الیافی، بهبود طاقت خمشی (کل انرژی جذب‌شده در هنگام شکست نمونه، در خمش) است. به‌ دلیل افزایش طاقت خمشی، مقاومت در برابر خستگی و مقاومت در برابر ضربه نیز به مقدار قابل‌ ملاحظه‌ای افزایش می‌یابند. مشخص شده است که حتی الیاف با مدول کم مانند نایلون و پلی پروپیلن در تولید اعضای بتنی پیش‌ساخته در معرض ضربه شدید، بسیار مؤثر بوده‌اند، هر چند تعیین کمّی میزان افزایش مقاومت ضربه‌ای انجام نشده است.

درخصوص مقاومت، نشان داده شده است که افزودن الیاف به تیرهای بتن‌آرمه معمولی، عمر آن را در برابر خستگی افزایش می‌دهد و تحت بارگذاری خستگی، عرض ترک کاهش می‌یابد. اگر جهت اعمال بار چرخه‌ای کاملاً تغییر کند، مقاومت خستگی در حدود %۷۰ مقاومت استاتیکی تحت بار چرخه‌ای، با‌‌ همان تعداد دور بارگذاری خواهد بود.

کارآیی بتن مسلح به الیاف، از هر نوعی که باشد، تابع حجم الیاف در بتن است. افزودن هر نوع الیاف به بتن ساده، از کارآیی آن می‌کاهد. از آنجا که وجود الیاف در بتن، پایداری توده بتن تازه را به‌ میزان زیادی افزایش می‌دهد، لذا استفاده از آزمایش اسلامپ، برای تعیین کارآیی بتن الیافی مناسب نیست. برای مثال، اگر به یک بتن با اسلامپ ۲۰۰میلی‌متر، به‌ میزان %۱/۵حجم آن، الیاف فولادی یا شیشه‌ای افزوده شود، اسلامپ مخلوط کاهش‌یافته و به‌ حدود ۲۵mm می‌رسد. اما با این‌ حال، جای دادن و متراکم کردن بتن از طریق ویبره کردن، می‌تواند رضایت‌بخش باشد، بنابراین، آزمایش وی‌بی (Vebe) برای سنجش کارآیی بتن الیافی مناسب‌تر است.

افزودن الیاف فولادی به بتن، اثر ناچیزی بر روی مدول ارتجاعی، جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن و خزش فشاری داد. خزش کششی تا حدی کاهش می‌یابد، ولی اگر از الیاف کربنی خیلی قوی استفاده شود، خزش خمشی به مقدار زیادی کاهش می‌یابد. با این‌ وجود، در اکثر تحقیقات، الیاف، به‌ دلیل حجم کم آن، فقط به‌ عنوان یک ماده صلب درون خمیر عمل کرده است بدون آن که اثر مهمی در پایداری ابعادی ماده مرکب داشته باشد.

معمولاً بتن مسلح به الیاف، با مقدار زیاد سیمان و نسبت کم آب به سیمان ساخته می‌شود. اگر بتن حاوی الیاف فولادی به‌ طور مطلوبی متراکم شده و عمل‌ آوری شود، تا زمانی‌ که الیاف توسط خمیر سیمان محافظت می‌شود، از دوام عالی برخوردار خواهد بود. در اکثر شرایط محیطی، به‌ خصوص در محیط‌هایی که کلرید وجود دارد، امکان زنگ‌زدگی الیاف واقع در حوالی سطح بتن وجود دارد، اما الیاف واقع در بخش درونی بتن بدون خوردگی باقی می‌مانند. به‌ دلیل تهاجم شیمیایی قلیایی موجود در خمیر سیمان، الیاف شیشه‌ای معمولی را نمی‌توان در بتن یا ملات با سیمان پرتلند استفاده کرد. زیرکُنیا و دیگر الیاف شیشه‌ای مقاوم در برابر قلیا از دوام بهتری در محیط قلیایی برخوردارند، اما دیده شده است که حتی این نوع الیاف نیز به مرور زمان دچار آسیب‌ تدریجی می‌شوند. به‌ همین‌ ترتیب، اکثر الیاف طبیعی، مانند کتان و پشم و بسیاری از پلیمرهای مصنوعی، در محیط قلیایی خمیر سیمان پرتلند دوام ندارند.

از آنجا که بتن معمولا مقید است، ترک خوردگی در آن طبیعی است، اما وجود الیاف تاثیرات مختلفی در ترک خوردگی دارد:

– امکان تعدد ترک خوردگی (تعداد ترک‌ها بیشتر می‌شود)

– امکان انتقال تنش کششی در سطح ترک‌ها وجود دارد، لذا مقاومت کششی بتن به محض ترک خوردگی از بین نمی‌رود.

– امکان انتقال تنش در مدت زمان طولانی وجود دارد، لذا امکان پرشدن/ترمیم ترک وجود دارد.

یکی از تاثیرات مهم حضور الیاف در بتن این است که با وجودی که به کاهش جمع شدگی کمک زیادی نمی‌کنند، اما تعداد ترک های بوجود آمده در اثر تنش های کششی را افزایش می‌دهند. افزایش تعداد این ترک‌ها به کاهش عرض متوسط آن‌ها منجر می‌شود که از لحاظ دوام پدیده‌ای مطلوب است.

ساخت بتن الیافی

پخش شدن یکنواخت الیاف فولادی در داخل مخلوط بتن از اهمیت زیادی برخوردار است.  این عمل می‌تواند در حین توزین اجزای بتن و یا حین مخلوط کردن بتن انجام شود. شیوه‌های متعددی در عمل پیاده شده‌اند که دو مورد کاربرد بیشتری دارند:

– اضافه کردن الیاف به بتن در حین اختلاط
– اضافه کردن الیاف به سنگدانه

در روش اول، بعد از آنکه همه اجزا بتن مخلوط شدند، الیاف به بتن اضافه می‌شود. اضافه شدن باید با نرخ ۴۵ کیلوگرم بر دقیقه و در حالی که مخلوط کن با حداکثر سرعت در حال دوران است انجام شود. الیاف نباید به صورت به هم چسبیده اضافه شوند. بعد از اضافه شدن کل الیاف، دور مخلوط کن کند شده و برای ۴۰ تا ۵۰ دوران دیگر ادامه پیدا کند.

در روش دوم، الیاف به سنگدانه‌ها اضافه می‌شود. این اضافه شدن می‌تواند پیش از ورود سنگدانه‌ها به داخل مخلوط کن و یا بعد از توزین آن‌ها انجام شود. اضافه کردن الیاف می‌تواند به صورت دستی و یا از طریق تسمه نقاله انجام شود. جریان طبیعی سنگدانه‌ها به بیرون از ترازوی توزین موجب پخش شدن الیاف می‌شود.

منبع: جزوه تکنولوژی عالی بتن از دکتر رمضانیان پور