براساس تعاریفی که از بتن ارائه شده، بتن تشکیل شده از سه ماده اصلی، که عبارتند از ترکیب شن، ماسه و سیمان با آب را تشکیل می دهند. بتن یکی از مهم ترین مواد ساختمانی است و مصرف آن در همه کشورها و مناطق جهان، به دلایل متعدد در حال افزایش است. اجزای آن همه جا در دسترس و نسبتا ارزان هستند و تولید آن ممکن است نسبتا ساده باشد. کاربرد آن انواع مختلفی از ساختمان ها و زیر ساخت های زیربنایی را پوشش می دهد. از ویژگی های مطلوب بتن قابلیت استفاده آن در هر شکل و قالب است اما از خواص نامطلوب آن می توان به مقاومت کششی خیلی پایین و مقاومت کم در برابر ترک خوردگی اشاره کرد. با توجه به مقاومت کششی بسیار پایین بتن و شکننده بودن آن ممکن است در صورت بروز وقایع طبیعی مانند زلزله یا طوفان‌های شدید سازه‌های بتنی دچار ریزش شوند. به منظور مقابله با این مشکل از الیاف استفاده می شود.
به کارگیری بتن غیر مسلح، به علت تردی و ضعف در برابر نیروهای کششی آن به جز سازه های وزنی، کاربرد چندانی ندارد. این عیب بزرگ بتن، در عمل با مسلح کردن آن به وسیله میلگرد های فولادی یا آرماتور بر طرف می شود، ولی از آن جا که از آرماتور نمی توان در مقاطعی مثل جداول بتنی استفاده کرد، به منظور ایجاد شرایطی برای استفاده بتن در جداول و نیز کاهش ضعف شکنندگی و تردی جسم بتن تا حد ممکن در چند دهه اخیر از رشته های نازک و نسبتا دراز الیاف که در تمام حجم بتن به طور همگن و درهم پراکنده می گردد استفاده می شود.
امروزه استفاده از الیاف در بهبود عملکرد بتن در سازه ها از روش های موثر است. ویژگی های مکانیکی بتن الیافی در مقایسه با بتن معمولی تغییرات قابل توجهی دارد. از جمله تغییرات در پارامترهای مکانیکی بتن الیافی می توان به مقاومت در مقابل تروق، سایش و هوازدگی سطح، مقاومت زیاد در مقابل تنش های خستگی، مقاومت بسیار عالی در مقابل ضربه، ظرفیت زیاد کرنش، قابلیت باربری زیاد بعد از اولین ترک خوردگی، مقاومت کششی، خمشی و برشی زیاد و طاقت خیلی زیاد اشاره کرد. الیاف قادر به تحمل تنش ها و کرنش های کششی قابل ملاحظه در بارهای کششی هستند و می توان از آن ها در طراحی سازه استفاده کرد. الیاف باعث افزایش مقاومت بتن در کشش می شوند اما از جمله عیوب چشمگیر بتن الیافی میزان تخلخل زیاد آن است که اثرات منفی بر مقاومت فشاری بتن دارد.
الیاف یکی از مصالح جدید ساختمانی است که امروزه در صنعت ساختمان‌سازی جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده است. با استفاده کردن از آن در کنار آرماتور می‌توان خصوصیات مهندسی بتن را تا حد قابل توجهی بهبود داد. با توجه به مقاومت پایین بتن در برابر ضربه و خاصیت شکنندگی آن از الیاف بتن به منظور بهبود ویژگی‌های مصالح ساختمانی قدیمی استفاده شده است.
انواع الیاف مصرفی در بتن
رشته های نازک و کوتاه با مقاومت کششی مطلوب را الیاف گویند. پدیده استفاده از الیاف، جهت ارتقای خصوصیات رفتاری مواد گوناگون و تقویت کردن مواد ترد و شکننده یک ایده قدیمی می باشد. در حدود ۳5۰۰ سال پیش از کاه به عنوان رشته های تقویت کننده گل و آجر استفاده می شده است. پس از آن از موی اسب جهت تقویت گچ در ساختمان استفاده شده است. همچنین کاربرد الیاف در دیوار چین در ۲۰۰۰ سال قبل موید این مطلب است که دانش مهندسی نساجی از زمان قدیم در کنار مهندسین عمران، در ارتقای عمر مفید سازه های گوناگون تاثیرگذار بوده است. شاهد تاریخی دیگر فناوری استفاده از الیاف، استفاده از پنبه نسوز جهت مسلح کردن مواد سیمانی در اواخر قرن نوزدهم و کاربرد کاهگل در بنای ساختمان است. در واقع بتن الیافی نوع پیشرفته این تکنولوژی می باشد که الیاف طبیعی و مصنوعی جدید، جانشین کاه و سیمان جانشین گل به کار رفته در ترکیب کاهگل شده اند. الیاف مختلفی چه طبیعی و چه ساخته شده به دست بشر در بتن ترکیب گردیده است که سابقه استفاده از الیاف طبیعی در بتن به قبل از پیدایش بتن های مسلح رایج بر می گردد اما جنبه های عملی و فنی سیستم های مسلح شده با الیاف گسترش پیدا نکرد. الیاف آزبست در حدود 1۰۰ سال اخیر برای مسلح سازی محصوالت بتنی مورد استفاده قرار گرفته است در حالی که الیاف سلولزی و شیشه ای در حدود 5۰ سال گذشته و الیاف پلی پروپیلن و فولادی در ۳۰ سال اخیر مورد استفاده قرار گرفته اند.
انواع الیاف مصرفی در بتن
مهم ترین هدف مهندسی نوین برای اصلاح خصوصیات بتن توسط افزودن عبارتند از :
- بهبود خصوصیات تغییر شکل و ترک های پلاستیک در مرحله بتن تازه و یا تا ۶ ساعت پس از قرارگیری در قالب
- افزایش مقاومت های کششی و خمشی
- افزایش مقاومت در برابر ضربه
- کنترل ترک خوردگی
- بهبود دوام بتن
- حذف ترک های حرارتی و ترک های ناشی از افت بتن
هرکدام از الیاف مورد استفاده در بتن را می توان در یکی از گروه های 1 مواد مصنوعی آلی مانند پلی پروپیلن یا کربن، مواد مصنوعی غیر آلی مانند فولادی یا شیشه، مواد طبیعی آلی سلولز یا سیسال و یا مواد طبیعی غیر آلی مانند آزبست جای داد. آئین نامه IR.544 ACI الیافی که در بتن مورد استفاده قرار گرفته است را به صورت الیاف فولادی، الیاف شیشه، الیاف مصنوعی و الیاف طبیعی دسته بندی می کند که در ادامه به معرفی مختصر هریک از این گونه های الیاف پرداخته می شود.
الیاف طبیعی در بتن
الیاف طبیعی مانند نارگیل، سیسال، تفاله نیشکر، بامبو، کنف، کتان، چوب و الیاف گیاهی جهت تشخیص خصوصیات مهندسی و احتمال استفاده از آن ها در ساختمان سازی در ۴۰ کشور مورد آزمایش قرار گرفتند. هرچند نتایج دلگرم کننده بود اما ضعف هایی در دوام آن ها مشاهده گردید که ناشی از فعل و انفعال بین خمیر سیمان و الیاف می باشد. هم اکنون تعدادی از محققان به دنبال چاره ای برای بهبود دوام این نوع بتن هستند .
معمولا پلی که الیاف گیاهی در دو طرف ترک جهت جلوگیری از شکست بتن می زند، محکم نبوده و با پارگی الیاف یا بیرون کشیده شدن آن از درون مالت بتن، باعث شکست سازه بتنی می گردد.
الیاف مصنوعی در بتن
الیاف مصنوعی الیاف ساخته دست بشر است که از تحقیقات و توسعه در صنعت پتروشیمی و نساجی حاصل شده است. الیاف مورد استفاده از پلیمرهای آلی که دارای فرمول های متفاوت می باشد .الیافی که سعی شده در بتن با سیمان پرتلند استفاده شود عبارت است از : اکریلیک، آرامید، کربن، نایلون، پلی استر، پلی اتیلن و پلی پروپیلن
انواع الیاف فولادی در بتن
آیین نامه A820 ASTM الیاف فولادی را بر حسب شیوه تولید به چهار گروه سیم کشیده شده سرد، برش ورق، استخراج شده از حالت مذاب و سایر حالات تقسیم می کند .
الیاف فولادی باعث افزایش شکل پذیری تحت تمام حالت های بارگذاری می شود و تاثیر آن در مقاومت، از جمله مقاومت های فشاری، کششی، برشی و پیچشی متفاوت است. مقاومت فشاری با حضور الیاف، تنها میزان کمی افزایش می یابد به طوری که این افزایش مقاومت به ندرت از ۲5 درصد بیشتر می گردد. افزایش مقاومت در کشش مستقیم، کاملا مشهود است به طوری که با افزایش 5/1 درصد حجمی الیاف فولاد، مقاومت کششی، ۳۰ تا ۴۰ درصد افزایش می یابد. افزایش مقاومت خمشی بیشتر از افزایش مقاومت فشاری یا کششی است .ثابت شده است که با افزودن الیاف فولادی به تیرهای مسلح، در عین افزایش مقاومت خستگی، عرض ترک ها نیز کاهش می یابد .
انواع الیاف مصرفی در بتن
مزایا و معایب
ماده از آن باعث افزایش مقاومت و انعطاف‌پذیری بتن میشود اما به کارگیری آن نیاز به دقت و مهارت بالا دارد. از طرف دیگر این نوع مواد در ساختمان سازی راه‌حل‌های مهندسی بهتری را در اختیار پیمانکاران قرار میدهد.
همانطور که میدانید مقاومت کششی بتن بسیار کمتر از مقامت فشاری آن است. مقاومت کششی بتن در حدود 10 درصد مقاومت فشاری آن است. به همین دلیل در محاسبات سازه های بتنی اغلب از مقاومت کششی بتن صرف نظر میشود.
برای جبران این ضعف از بتن مسلح استفاده می شود. از جمله مصالحی که برای مسلح کردن استفاده می شود الیاف بتن است.
یکی از این مواد نوعی الیاف پلیمری است به نام الیاف پلی پروپیلن، این مواد که در صنعت ساختمان استفاده بسیار زیادی دارد به الیاف PP نیز معروف است. افزودن الیاف PP به بتن همان کار آرماتور در بتن مسلح را انجام میدهد.
الیاف بتن در واقع موجب حفظ یکپارچگی دانه های بتن و درنتیجه افزایش مقاومت کششی آن می شود.
به روش‌های مختلفی می‌توان الیاف را به بتن اضافه کرد، اما باید این نکته را مد نظر قرار داد که در نهایت بتن حاصل شده باید یکنواخت باشد تا از جداشدن مواد جلوگیری شود. اغلب در زمان مخلوط کردن، بتن حالت گلوله‌ای به خود می‌گیرد. محاسبه صحیح نسبت ابعاد، حجم الیاف، اندازه و میزان درشت بودن آن از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. اغلب الیاف بتن در مقایسه با بتن معمولی نیاز به مقدار بیشتری سیمان دارد. به طور کلی باعث افزایش مقاومت فشاری میشود. با به کارگیری این نوع مواد میزان انعطاف‌پذیری سازه های بتنی تا حد قابل توجهی افزایش می‌یابد.
دلیل استفاده از الیاف در بتن
۱-حذف میلگرد و آرماتور حرارتی در بتن و جایگزین نمودن الیاف بتنی مناسب به عنوان مثال الیاف فولادی بتنی یا الیاف پلیمری بتنی و الیاف شیشه بتنی.
۲-سرعت بخشیدن به زمان اجرای پروژه به سبب حذف آرماتور حرارتی و جایگزینی الیاف بتنی کم کردن هزینه های جاری پروژه به سبب حذف نیروی کار جهت آرماتور بندی و کم کردن هزینه های خرید آرماتور و الیاف فولادی بتن توزین یکپارچه الیاف بتن در سازه بتنی و تحمل فشارهای مقطعی و سراسری در کل بتن.
۳-بالا بردن عمر بتن و جلوگیری از خستگی بتن و ایجاد مقاومت های ویژه بسیار بالا، افزایش ضریب مقاومت بتن در مباحث مقاوم سازی در سیکل های متناوب برودتی و حرارتی جلوگیری از حمله سولفات ها و مواد مخرب بتن.
مزایای بتن مسلح شده با الیاف فولادی
بتن مسلح به الیاف فولادی مقاومت کششی را ۳۰ تا ۴۰ درصد و مقاومت خمشی را 5۰ تا ۷۰ درصد و مقاومت فشاری را ۰ تا 15 درصد افزایش می دهد.
حضور الیاف در بتن مقاومت آن را در برابر پدیده کاویتاسیون، سایش ناشی از جریان آب با سرعت بالا و ضربه ناشی از نخاله ها به نحو قابل توجهی افزایش می دهد.
مقاومت در برابر خستگی با وجود الیاف در بتن افزایش یافته و عرض ترک و تغییر مکان ناشی از آن کاهش می یابد .الیاف فولادی مقاومت و مدول برشی بتن را به نحو قابل توجهی افزایش می دهد.
دوام بتن مسلح به الیاف فولادی بیشتر از بتن ساده است.
سختی و طاقت بتن با الیاف فولادی 2.5 برابر بتن معمولی و 1.5 برابر بتن با مقاومت بالاست. (سختی قابلیت جذب انرژی در برابر بارهای دینامیکی و ضربه است(.
الیاف فولادی می توانند جایگزین شبکه های فولادی در دال های بتنی کف ها شوند. )همانند روسازی بتنی سالن های صنعتی، روسازی بتنی جاده ها و(….
استفاده از الیاف در بتن، هزینه های مربوط به تعمیر و بهسازی کف های بتنی را به نحو قابل توجهی کاهش می دهد.
مدول االستیسیته و ضریب پواسون برای بتن الیافی با مقدار کمتر از ۲ درصد همانند بتن بدون الیاف است.
الیاف عمر مفید بتن را افزایش می دهد .
بتن الیافی
کاربرد بتن الیافی فولادی
امروزه بتن با مقاومت بالا مسلح به الیاف فولادی، با توجه به خواص منحصر به فرد در جهان شناخته شده و در چند سال اخیر در ساخت بسیاری از سازه ها مورد استفاده قرار گرفته و هم اکنون نیز به طور چشمگیری در ساخت سازه های بتنی از این ماده استفاده می شود. از جمله سازه هایی که از این بتن در آن استفاده شده عبارتند از
- روسازی باند فرودگاه ها و بزرگراه ها.
- بتن نسوز با استفاده از سیمان پرآلومین.
- شمع ها.
- کف های صنعتی به خاطر مقاومت در برابر ضربه و تغییرات حرارتی.
- عرشه پل ها به عنوان پوشش و روکش رویی در محل هایی که زیراساس اجرا شده و یک عرشه بتن مسلح روی آن اجرا می شود.
- سازه های واقع در نواحی زلزله خیر.
- بتن پاشی اولیه داخلی تونل ها و معادن.
- بتن پوششی – پایدار کردن شیب های سنگی و خاکی واقع در برش های بزرگراه ها و راه آهن و خاکریزها.
- سازه های پوسته ای نازک و گنبدها.
- سازه های هیدرولیکی – سدها، سرریزها و حوضچه آرامش به خاطر مقاوم بودن در برابر پدیده کاویتاسیون.
- تعمیرات از بتن مسلح به الیاف در تعمیرات اعضای مختلف سازه ای و سازه ها استفاده می شود.