بتن الیافی

از جمله مواد جدیدی كه جایگاه ویژه ای در ساخت و ساز به خود اختصاص داده، افزودني‌های بتن و الیاف تقویت كننده می باشد. استفاده از افزودنی های بتن باعث بهبود خواص مطلوب بتن، همچون مقاومت آن می گردد و در بعضی موارد با كاهش وزن بتن، مصالح بسیار سبكی را فرا راه مهندسین بنا قرار می دهد. بدون بهره گیری از این افزودنی ها بنای برج بزرگ میلاد در شهر تهران امكان پذیر نمی بود. الیاف تقویت كننده نیز از دیگر مواد عصر حاضر هستند كه كاربرد های فراوانی در قسمت های مختلف ساختمان یافته اند. این الیاف كه بیشتر شامل الیاف شیشه، پلی پروپیلن و گاه كربن نیز می شود، در ساخت انواع بتن های الیافی كاربرد فراوان دارد. همچنین از الیاف شیشه می توان در تولید آرماتورهای سبك و بسیار مقاوم در برابر خوردگی بهره برد. این الیاف جایگاه نسبتاً مناسبی در تعمیر بناها و تقویت سازه های صدمه دیده دارند و می توانند مقاومت پیچشی و برشی مناسبی پدید آورند. علاوه بر اینها از ورقه های پارچه‌ای فایبر گلاس نیز در تقویت انواع قطعات ساخته شده از بتن مسلح می توان استفاده نمود.

بتن الیافی در حقیقت نوعی كامپوزیت است كه با بكارگیری الیاف تقویت كننده داخل مخلوط بتن، مقاومت كششی و فشاری آن، فوق العاده افزایش می یابد. این تركیب كامپوزیتی، یكپارچگی و پیوستگی مناسبی داشته و امكان استفاده از بتن به عنوان یك ماده شكل پذیر جهت تولید سطوح مقاوم پرانحنا را فراهم می آورد. بتن الیافی از قابلیت جذب انرژی بالایی نیز برخوردار است و تحت اثر بارهای ضربه ای به راحتی ازهم پاشیده نمی شود. شاهد تاریخی این فن آوری، كاربرد كاهگل در بناهای ساختمان است. در واقع بتن الیافی نوع پیشرفته این تكنولوژی می باشد كه الیاف طبیعی و مصنوعی جدید، جانشین كاه، و سیمان جانشین گل بكار رفته در كاهگل شده است. امروزه با استفاده از الیاف شیشه، پلی پروپیلن، فولاد و بعضاً كربن، تولید انواع بتن های كامپوزیتی در كاربردهای مختلف صنعتی ممكن گردیده و بكارگیری آنها در كشورهای پیشرفته دنیا مورد قبول صنعت ساختمان واقع شده است.

موارد استفاده و محدودیت های كاربرد بتن الیافی

هر فن آوری همواره كاربرد ها و محدویت های خاص خود را دارد. بتن الیافی خواص مناسبی همچون شكل پذیری بالا، مقاومت فوق العاده، قابلیت جذب انرژی و پایداری در برابر ترك خوردن را دارا می باشد كه متناسب با آنها می توان موارد كاربرد فراوانی برای آن یافت. بطور مثال در ساخت كف سالنهای صنعتی، می توان از این نوع بتن به جای بتن آرماتوری متداول سود جست. این نوع بتن از بهترین مصالح مورد استفاده در ساخت بناهای مقاوم دربرابر ضربه، همچون سازه پناهگاه ها و انبارهای نگهداری مواد منفجره به شمار می رود و بناهای شكل گرفته از بتن، قابلیت فوق العاده ای در جذب انرژی ضربه دارد. همچنین در ساخت باند فرودگاه ها به خوبی می توان از این نوع بتن كمك گرفت. موارد دیگری از بكارگیری این بتن، ساخت قطعات پیش ساخته ساختمانی همچون پانل ها و یا پاشش بتن روی سطح انحنای یك سازه می باشد. علاوه بر موارد یاد شده می توان از مزایایی همچون عایق بودن سازه در باربر صدا و سرعت بالای اجرا نیز بهره مند گردید.

اما از آنجا كه نحوه قرار گرفتن الیاف داخل بتن، كاملاً تصادفی می باشد، از این بتن معمولاً نمی توان به نحو مطلوبی در ساخت تیرها و ستونها بهره گرفت و در این نوع سازه ها استفاده از روش سنتی و شبكه بندی فولادی به صرفه تر و مناسب تر می باشد. لازم است به این نكته توجه شود كه ناكارآمدی یك تكنولوژی جدید، نباید مانع نادیده گرفتن كاربردهای مناسب و نقاط قوت آن گردد.

   توجیه اقتصادی بتن الیافی

باید اعتراف كرد كه استفاده از بتن الیافی در همه موارد از بتن سنتی به صرفه تر نمی باشد. اما بر اساس برآورد هایی كه توسط بعضی از متخصصین كشور انجام گرفته است، در جاهایی كه سرعـــت اجرای بالا مدنظر است و یا نیاز به پاشــــش بتن (شات كریت) روی سطوح ویژه ای است، استفاده از این نوع بتن توصیه می گردد.
 اگر مي­بينيم كه در كشوري همچون تركيه، به‌كارگيري بتن اليافي به جاي روش‌هاي سنتي، مقرون‌به‌صرفه­تر از كشور ماست، ريشه­هاي آن را در سرمايه‌گذاري و تلاش سازمان‌يافته جهت اقتصادي نمودن استفاده از اين تكنولوژي جديد مي­توان يافت. اما اگر ما از روي‌آوردن به فناوري جديد به علت ريسك سرمايه‌گذاري پرهيز كنيم خواهيم ديد كه تكنولوژي سنتي در غياب بهره­گيري از فناوري نوين، رقم بسيار بالايي از سرمايه­هاي ما را به هدر خواهد داد. به طور مثال، ريزدانه­هاي توليد شده در كشور ما كه به روش‌هاي قديمي غيراستاندارد توليد مي­شوند، باعث افزايش درصد سيمان به كار رفته در بنا مي­شود و همين امر موجب ظهور ترك و ضايعات در بتن حاصل نيز مي­گردد. 

 بررسی رفتار بتن الیافی درترکهای بتن

بتن از سه عنصر اصلى شن و ماسه و سيمان تشكيل شده است كه در آن شن و ماسه توسط سيمان به يكديگر چسبانده مي شوند.اين ماده ساختماني داراى مزايا و معايبی است كه كاربرد ان را در مواردى لازم ومفيد و در موارد ديگر غير ممكن يا مضر می سازد. از جمله معايب بتن:مقاومت كششی بسيار ناچيز آن می باشد كه اين رفتار ترد و شكننده موجب شكست ناگهانی و فروريختن سازه های بتنی در هنگام زلزله می گردد. مشکل ترد بودن بتن را مى توان با مسلح كردن آن توسط آرماتور هاى فولادى در جهت نيروهای كششى برطرف نمود. اما در موارد متعددی جهت اين نيرو های كششی به طور دقيق معلوم نمی باشد.از طرفى در بتن تازه به دليل جمع شدگی ابعاد بتن تغييرپيدا كرده و ترك هايی به وجود مي آيند كه نتايج اين ترك ها در بتن سبب افزايش نفوذپذيرى، از بين رفتن سطح بتن، خوردگی آرماتورها و كاهش خواص مكانيكی مي باشد. يكی از راه حل های مناسب براى مقابله با این مشکلات استفاده از مقادير كم الياف به منظور كنترل رشد ترك وافزايش مقاومت كششى بتن می باشد. كاربرد الياف بطورفراگير از اوايل سال1960در كشور هاى صنعتی پيشرفته آغاز شده ودر طی اين 4 دهه جنس و شكل الياف و نحوه ساخت بتن اليافی بهبود يافته و كاربرد ان نيز فزونی يافته است.الیاف به کار رفته در بتن به جنس های مختلفی نظیر شیشه ، فولاد، کربن، پلی پروپیلن، کولار و غیره تولید می شوند که در این میان الیاف فولادی دارای مزایایی نسبت به سایر انواع می باشد که از جمله این موارد :1- دارای مدول الاستيسيته و کرنش شکست بالابوده که با توجه به قابليت شکل گيری مناسب و مقاومت کششی بالا از مناسبترين و اقتصادی ترين نوع الياف به حساب می آید 2- بالاترين افزايش را در مقاومت و شکل پذيری بتن ايجاد می کنند 3- به اشکال ظاهری گوناگون جهت بهبود رفتار بتن قابل ساخت هستند4 - اختلاط آنها با ديگر مواد بتن بسهولت انجام پذير است.

متن موجود نتايج ارزيابی رفتار الياف به منظور كنترل ترك هاى ناشى از جمع شدگى در بتن استاندارد و خودتراکم می باشد. اگر بتن از جمع شدن بازداشته شود ، تنشهای کششی ایجاد شده در آن باعث ترک خوردگی مقطع می شوند. در بتن استاندارد با نسبت آب به سيمان بالاتر از 45% جمع شدگى ناشى از خشك شدن به عنوان مهمترين دليل ايجاد ترك در سنين اوليه توصيف شده است .در بتن خود تراكم در سنين اوليه به دليل چسبندگی بالاى مواد ريز موجود, جمع شدگی و خزش بيشترى نسبت به بتن استاندارد مشاهده مى شود ولی در مرحله سخت شدن تاخيرى در شروع جمع شدگی بتن خود تراكم به وجود می آیدكه به دليل پايين بودن سرعت تبخير از سطح خارجي اعضاء بتنى می باشد. جمع شدگى ناشى از خشك شدن از همان ابتدا يعنى زمان هاى اوليه بتن ريزى و حتی قبل از افزایش ظرفيت مكانيكى بتن آغاز مى شودكه بستگی به:خواص بتن (طرح اختلاط، طريقه ى بتن ريزى و روش هاي عمل آورى) شكل و چگونگي اعضاء بتنى و شرايط محيطى (دما، رطوبت مربوطه، سرعت باد) دارد. چون جمع شدگى به دليل كمبود آب درون بتن به سطح اعضاء تحميل مى شود,كرنش در اين قسمت از اعضاء ايجادشده و ترك هائى با منشاء drying shrinkage از نواحى سطحی كه در تماس با محيط هستند آغاز مى شود,در نتيجه اعضاء با سطح خارجى بالا(مانند دال ها و پانل هاى پيش ساخته) در تماس با يك محيط مهاجم بيشترين آسيب را در اثر به وجود آمدن ترك ها مي بينند و اين امر با عبور هوا از روى نمونه هاى تازه تشديد مى يابد اما از نتايج آزمايش ها مشاهده مي شود كه با استفاده از مقادير مناسب الياف جمع شدگى و به تبع آن ترک ها به ميزان قابل توجهی كاهش مى يابند. براى كنترل ترك هاى بتن تحت اثر جمع شدگی دو روش متفاوت پيشنهاد می شود:1-اندازه گيرى كاهش جمع شدگى با توجه به حدود آب از دست رفته از سطح در معرض هوا(بدون پوشش)اعضاء2-توسط اتصال اجزا بتن كه مي تواند رشد ترك ها را كنترل کرده و از انتشار خرابى در اعضا در سنين اوليه جلوگيری کند.اولين روش بررسى نحوه ى عمل آورى بتن و آب نگهدارى و يا افزودني هاى تقليل دهنده ى جمع شدگى بوده كه هدف اين روش كاهش تنش كششي روی بتن است. دومين روش استفاده از افزودنی ها و اليافى هستند كه با بتن تازه تركيب مى شوند و ظرفيت مكانيكى مخلوط را در سنين كم تعيين كرده در نتيجه از رشد و انتشار ترك ها جلو گيرى مى كنند به اين معنا كه با حضور الیاف تعداد بيشتری ترک ايجاد شده و اين امر باعث انتقال تنشهای کششی از ميان ترکها و کاهش تمرکز تنش می شود. حركت ترك ها در هر دو نوع بتن استاندارد و خود تراكم جهت مشخصى نداشته و عمود بر هم از طرفى به طرف ديگر عبور مي كنند ولی در کل می توان3 حالت فشاری و کششی و برشی را برای حرکت ترک ها در نظر گرفت: 

همچنین با ورود الياف به بتن مستقل از مواد تشكيل دهنده 2 نوع وضعيت اصلى موازى و عمود بين ترك و الياف مشاهده می شود که در صورت عبورالیاف عمود بر لبه هاى ترک با پل زدن الیاف بین ترک ها يكپارچگی بتن تا تغيير شكلهای زياد حفظ شده و مقاومت خمشی و کششی به دليل خاصيت دوزندگی الياف بالا می رود . بنا به دلایل ذکر شده استفاده از آرماتورها از ديد گاه ميكروسكوپى در کنترل ترک ها مفيد واقع نشده و حتی در صورت بروز ترک با پدیده خوردگی مواجه می شوند و بتن کاملا از بین می رود. 

درصورتيكه با توزیع اتفاقی الياف در فواصل بسيار کوچکتر از فاصله بين آرماتورها،اندازه ترک ها کوچکتر شده و باعث کاهش نفوذپذیری و پایداری بتن در محیط های مهاجم می شود. در حالت كلى توزيع اتفاقی الياف در فواصل بسيار کوچکتر از فاصله بين آرماتورها باعث پخش و کوچکترشدن اندازه ترک ها شده و پس از ترک خوردن ، مقاومت كششى و خمشى به دليل خاصيت دوزندگی الياف بالا رفته و يكپارچگی بتن تا تغيير شكلهاى زياد حفظ می شود.

الیاف را ميتوان قبل,بعد يا در حين ميكس به مخلوط بتن اضافه كرد ولی براى آسانى پخش بايد به صورت خشك وارد مخلوط شود. البته بايد توجه داشت در فرآيند ساخت بتن اليافی بايد از ايجاد پديده گلوله ای شدن (Balling) كه به دليل استفاده از مقادير زياد و نادرست الياف رخ مى دهد جلوگيری بعمل آيد زيرا در اين صورت پديده انسداد در بتن صورت گرفته و اثر الياف عملا از بين خواهد رفت. به دليل اينكه مقدار الياف مورد استفاده در بتن برای جلوگیری از پدیده (Balling) بسیار كم مى باشد(تقريبا 0.1%), مقاومت فشارى به اندازه زيادی افزايش پيدا نمى كند زيرا الياف نيروى مكانيكى ماكروسكوپى نبوده و تنهايك نيروى كمكى محلى به حساب آورده مى شوند. براى مقايسه هزينه ساخت بتن اليافي با با بتن مسلح به آرماتور مي بايد مزاياى بتن اليافي از جمله مقاومت ضربه اى بسيار بالاتر، جمع شدگي و عرض ترك كمتر، دوام بيشتر و كاهش هزينه هاي مربوط به تعمير ، حفظ و نگهداري، كنترل شكستهاي موضعي، ايجاد ترك و گسترش ترك، عمر مفيد بيشتر، كنترل نفوذپذيرى بيشتر و بويژه زمان اجراى بسيار كمتر را (در مقايسه با بتن مسلح به ميلگرد) در نظر داشت.

همان طور که می دانیم گسیختگی مواد که به وسیله سیمان تهیه شده ومی شکنند به علت ترد بودن ان می باشد همان طو ر که قبلا" توضیح داده شد تقویت بتن توسط الیاف کوتاه به صورت تصادفی  ونا منظم می شد وباعث تثبیت ترکها واستحکام کششی بتن می شود

در دهه ۱۹۵۰برای اولین بار در کشور شو روی وبعد درکشور امریکادر سال۱۹۶۰ تحقیقاتی انجام شده در صورت استفاده از الياف فولادي در ماتريس شكننده، تمركز تنش در محل تركهاي بوجود آمده كاهش مي يابد . . .

این مواد یکی از پر مصرف ترین مواد در مناطق سرد نظیر شمال آمریکا و کانادا و بعضی کشورهای اروپایی است که همراه با ان از سنگدانه های هوا ساز نیز استفاده میشودکاربرد 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 خوردگیدر پل ودیوار های نما از این بتن الیافی خیلی استفاده می کنند.