کاربرد بتن الیافی در سازه

بتن الیافی در دهه ۱۹۵۰ برای اولین بار در کشور شوروی و بعد درکشور امریکا در سال۱۹۶۰ تحقیقاتی انجام شد.

در صورت استفاده از الیاف فولادی در ماتریس شکننده، تمرکز تنش در محل ترک‌های بوجود آمده کاهش می‌یابد.

این مواد یکی از پرمصرف‌ترین مواد در مناطق سرد نظیر شمال آمریکا و کانادا و بعضی کشورهای اروپایی است که همراه با آن از سنگدانه‌های هواساز نیز استفاده می‌شود.

کاربرد صفحات با الیاف کربنی برای این تقویت بیشتر رایج گشته و در چندین پل در ژاپن و در بعضی کشورهای اروپایی از آن استفاده شده است.

به خصوص در ژاپن که به علت مقاومت در بتن الیافی در برابر خوردگی در پل و دیوارهای نما از این بتن الیافی خیلی استفاده می‌کنند.

همچنین امروزه علم نانو نیز به کمک بتن الیافی و صنعت ساختمان امده است.

استفاده از انواع پلیمر و الیاف در بتن به وسیله علم نانو رونق گرفته است.

تاریخ این علم بر می‌گردد به دوره ۷۰ که معرفی شده‌اند .

از فناوری sol-gel جهت انتشار (Disperse ) دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده است.

 یکی از شرکت‌های که در این علم پیشتاز است شرکت تویوتا ژاپن می‌باشد.

تکنولوژی نانو فلز آرتوناید که اخیرا الیاف تجاری نانو آلومینا را تولید کرده است، یکی دیگر از موفقیت کشورهای پیشرفته می‌باشد.

امروزه بسیاری از دانشگاهای دنیا سعی در استفاده از این دانش در صنعت ساختمان می‌باشد.

یکی دیگر از اختراعات در ژاپن جلوگیری از یخ زدگی بتن الیافی به وسیله علم نانو می‌باشد.

الیاف بتن در واقع نوعی کامپوزیت می‌باشد که با به کارگیری الیاف‌های تقویت‌کننده داخل بتن، مقاومت فشاری و کششی بتن افزایش می‌یابد.

این ترکیب کامپوزیتی، یکپارچگی و پیوستگی مناسبی‌ داشته و امکان استفاده از بتن به عنوان یک ماده شکل‌پذیر جهت تولید سطوح مقاوم پرانحنا را فراهم می‌آورد.

 الیاف بتن 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 الیاف بتن  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 برد 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.

بنای شکل گرفته از بتن، قابلیت فوق العاده‌ای در جذب انرژی ضربه دارد.

از نقطه نظر مواد و سازه‌ای، نقطه تعادل ظریفی در بهینه‌سازی پیوستگی بین الیاف و خمیر سیمان وجود دارد.

در صورتی که پیوستگی بین الیاف و خمیر سیمان ضعیف باشد، الیاف در نیروهای 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 شکل‌پذیری مجموعه را افزایش دهد.

اما الیاف بلند برای پرکردن فضای بین ترک‌های بزرگ منفصل در نیروهای بالا لازم هستند.

با این وجود، درصد حجمی الیاف بلند می‌تواند بسیار کمتر از الیاف کوتاه باشد.

• 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 جمع‌شدگی استفاده می‌شوند.

 الیاف پراکنده مزیت‌های 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 سیستم‌های 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 شناخته می‌شوند.

در دهه گذشته و به واسطه پیشرفت‌های به وجود آمده، نسل جدیدی از این مواد با عنوان بتن مسلح الیافی فوق توانمند شناخته می‌شوند.

• الیاف فلزی (فولادی)
• الیاف پروپلین
• الیاف آرامید (کولار)
• الیاف کربن
• بتن مسطح شده با الیاف شیشه‌ای (GFRC)

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 ازنظر افزایش مقاومت‌های استاتیکی بتن مؤثر است‌، در ایزوتروپی و همگنی جسم بتن نیز تأثیر بسزایی 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 ترک‌خوردگی است که این خاصیت راه‌حل 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 بتن‌آرمه 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 به‌عنوان آرماتور برشی صرف‌نظر ‌شود.

مقاومت پیچشی:

مقاومت پیچشی بتن الیافی را ۱/۵ تا ۲ برابر بتن خالص است.

مقاومت ترک‌خوردگی:

الیاف نه ‌تنها بر روی مقاومت بتن خالص تأثیر بسیار مثبتی دارد بلکه بعنوان یک عامل بازدارنده ترک نیز عمل می‌کند‌.

بدین معنی که با شروع ترک‌خوردگی، الیاف نقش خود را در دوختن ترک و محدود کردن اندازه ترک بازی کرده و از ادامه ترک‌خوردگی حتی با ادامه بارگذاری جلوگیری به عمل می‌آورد.

پوسیدگی و زنگ‌زدگی الیاف فولادی:

مطالعات اخیر نشان می‌دهد که اثر خوردگی و پوسیدگی آب‌شور روی ملات سیمانی (سیمان پرتلند) مسلح به ۲ درصد حجمی الیاف فولادی ناچیز بوده‌، به‌طوری‌که بعد از ۹۲ روز قرار گرفتن در داخل و خارج آب‌نمک اشباع‌شده، 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.

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 مخلوط‌کن 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 مخلوط‌کن 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 مخلوط‌کن 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.

• حذف میلگرد و آرماتور حرارتی در بتن و جایگزین نمودن الیاف بتن مناسب به عنوان مثال الیاف فولادی بتن یا الیاف پلیمری بتن و الیاف شیشه بتن
• سرعت بخشیدن به زمان اجرای پروژه به سبب حذف آرماتور حرارتی و جایگزینی الیاف بتن
• کاستن هزینه‌های جاری پروژه به سبب حذف نیروی کار جهت آرماتوربندی و کاستن هزینه‌های خرید آرماتور و الیاف فولادی بتن
• توزیع یکپارچه الیاف بتن در سازه بتنی و تحمل فشارهای مقطعی و سراسری در کل بتن
• بالابردن عمر بتن و جلوگیری از خستگی بتن و ایجاد مقاومت‌های ویژه بسیار بالا افزایش ضریب مقاومت بتن
• در مباحث مقاوم‌سازی بتن در سیکل‌های متناوب برودتی و حرارتی جلوگیری از حمله سولفات‌ها و مواد مخرب بتن

ازآنجاکه 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 شبکه‌بندی فولادی به‌صرفه‌تر و مناسب‌تر است.

استفاده از بتن الیافی در همه موارد از بتن سنتی به‌صرفه‌تر نیست.

اما بر اساس برآوردهایی که توسط بعضی از متخصصین کشور انجام‌گرفته، درجاهایی که سرعت اجرای بالا مدنظر است‌ یا نیاز به پاشش بتن (شاتکریت) روی سطوح ویژه‌ای است، استفاده از این نوع بتن توصیه می‌شود.

• توزیع مجدد بار افزایش شکل پذیری و سختی
• از بین بردن خوردگی دوام طولانی مدت
• کاهش هزینه نگهداری و مقاومت‌سازی
• از بین بردن انجام مش‌بندی فولادی
• کاهش زمان چرخه تولید
• افزایش سرعت تولید تا 50%
• افزایش محافظت در برابر جذب و ضربه
• کاهش 70% تولید کربن در مقایسه با فولاد
• امن‌تر و سبک‌تر از فولاد
• کاهش مصرف پمپ بتن و شیلنگ
• در بربابر امواج UV خورشید مقاومت‌تر است

• نوع و مقدار الیاف
• شکل الیاف
• طول الیاف
• مقاومت کششی الیاف
• مکانیزم مهاری الیاف
• نسبت ظاهری

• فولادی
• مصنوعی (پلی پروپیلن، پلی استر، نایلون)
• طبیعی (بازالت، شیشه، علف، لیف نارگیل)

• بعضی از الیاف مصنوعی مانند شیشه و اکثر الیاف طبیعی بامبو در محیط قلیایی بتن آسیب پذیرند.
  قبل از مصرف این نوع الیاف باید با پوشش‌های مناسب، سطح الیاف حفاظت شوند.
• برای انتخاب نوع و مقدار الیاف و حصول اطمینان از عملکرد الیاف، تولید‌کننده موظف می‌باشد.
• برای جلوگیری از قلوه‌شدگی بتن در هنگام آتش‌سوزی، بایستی از الیاف پلی‌پروپیلین به مقدار 35 درصد حجم بتن استفاده شود. البته تشخیص ضرورت مقاومت در مقابل آتش‌سوزی به عهده کارفرما می‌باشد.
• مقاومت پیوستگی الیاف و خمیر سیمان در بتن نباید در حد کم باشد که در بارهای کم، الیاف به آسانی از خمیر سیمان بیرون کشیده شود و در حد زیاد نباشد که الیاف بدون جذب انرژی شکسته شوند.

• در اجرای مخلوط بتن بایستی نحوه اجرای افزودن الیاف به مخلوط‌کن و پرداخت سطح بتن الیافی را در نظر گرفت.
• در هنگام افزودن الیاف به مخلوط‌کن و یا کامیون حمل بتن (تراک میکسر) باید ابتدا مخلوط بتن آماده شده و سپس الیاف به تدریج به مخلوط اضافه می‌شوند.

در این روش پس از افزودن کامل الیاف، باید چرخش جام به مدت ۵ دقیقه با سرعت کم ادامه یابد.

الیاف همراه با سنگدانه به جام مخلوط‌کن تغذیه شده و سپس بقیه مصالح مخلوط اضافه گردد.

• برای انتخاب روش افزودن الیاف به بتن بهتر است به کاتالوگ تولید‌کننده مراجعه شود.
• باید توجه کرد که نباید کلوخه شدن الیاف در مخلوط بتن رخ دهد.
• در پرداخت سطح بتن الیافی نباید از ماله چوبی استفاده کرد، بلکه بایستی از ماله فلزی آلیاژی بهره گرفت.
• همچنین در هنگام استفاده از الیاف به خصوص نوع فولادی باید الزامات ایمنی شامل عینک و دستکش صنعتی در حد مطلوب استفاده شود.

• نسبت‌های مخلوط بتن
• مشخصات هندسی الیاف فولادی
• نسبت طول به قطر الیاف
• مهار مکانیکی و زبری سطح الیاف
• مشخصات فیزیکی و جنس الیاف فولادی

امیدوارم این مقاله مورد توجه شما قرار گرفته باشد

نویسنده : سیدعلی منتظری

منبع : بخش مقالات تخصصی سایت استوارسازان

امیدوارم این مقاله مورد توجه شما قرار گرفته باشد