نیاز به نگهداری و مستحکم سازی سازه، امروزه بیش از پیش بارز است و به دلیل افزایش بناهای بلند مرتبه نیز حائز اهمیت بیش تر می باشد. زلزله خیز بودن بسیاری از مناطق مسکونی یکی از دلایل این اهمیت است. حضور فناوری استفاده از الیاف به عنوان افزودنی در تولید بتن می تواند پاسخ قابل قبولی به این نیاز باشد و کیفیت خواص محصول را بالا ببرد. بکارگیری و افزودن الیاف به مواد اولیه تشکیل دهنده بتن، بتن الیافی نام دارد که در ادامه مقاله با آن بیش تر آشنا خواهید شد.
بتن تقویت شده با الیاف (FRC) بتنی است که برای افزایش دوام و یکپارچگی ساختاری بتن است. FRC دارای الیاف‌‌هاییست که به طور تصادفی جهت گیری شده و در عین حال به طور یکنواخت در سراسر بتن توزیع شده اند. این الیاف می توانند دایره ای یا مسطح باشند و اغلب یک تا سه درصد از حجم کل مخلوط بتن را تشکیل می دهند. از متداول الیاف مورد استفاده در بتن مسلح می‌توان به الیاف فولادی، شیشه‌ای، الیاف مصنوعی و طبیعی اشاره نمود که می‌توانند نفوذپذیری بتن را کاهش دهند و میزان آبی که از آن خارج می‌شود را محدود می‌کند. این امر منجر به کاهش بیشتر ترک خوردگی در حین عمل آوری می‌شود.
بتن الیافی چیست؟
بتن الیافی به نوعی کامپوزیت بتنی گفته می شود که توسط الیاف تقویت شده است. این الیاف به کار رفته در ساختار بتن، مقاومت کششی آن را افزایش داده، قابلیت جذب انرژی را به حداکثر رسانده و سبب یکپارچگی و پیوستگی هر چه بیش تر بافت آن می‌شوند. بدین شکل، محصول به دست آمده را می توان در نقش ماده ای شکل پذیر در راستای ایجاد سطوح دارای انحنا به کار برد. بتن الیافی در اثر ورود بار ضربه ای متلاشی نمی شود و ساختار خود را به خوبی حفظ می کند. این محصول را می توان نوع پیش رفته کاه گل دانست که در گذشته کاربرد داشته است؛ این بار با الیافی دیگر که نقش کاه را بازی می کنند و در دل سیمان (جایگزین گل) قرار می گیرند.
بتنی که از سیمان هیدرولیکی، شن، ماسه، آب و الیاف تشکیل شده باشد، بتن الیافی نام می گیرد. در ساخت این نوع بتن می توان به مانند بتن معمولی از پوزولان و دیگر مواد بهره گرفت. الیاف نیز در ابعاد و اشکال گوناگون مورد استفاده قرار می گیرند و معمولا از فولاد، پروپیلن، خمیر و … تولید می شوند.
به طور کلی، مقاومت کششی بتن به علت وجود ترک های ریز در ساختار آن و گسترش سریع این ترک ها در اثر تنش، کم است. تصور اولیه این بود که استفاده زیاد از الیاف در فواصل کمک می تواند سرعت تشکیل این ترک ها را کم کرده و مقاومت آن را بالا ببرد. بعدا مشخص شد این تصور اشتباه است و بالا بردن میزان الیاف مصرفی در ساختار بتن تاثیری در این رابطه ندارد؛ هر چند تاثیر آن را می توان پس از ایجاد ترک ها مشاهده کرد. این یعنی علی رغم عدم تغییر مقاومت کششی به مقدار زیاد، کرنش کششی در زمان متلاشی شدن ساختار زیاد می شود و بدین نحو است که بتن الیافی نسبت به بتن معمولی سخت تر و در برابر ضربه مقاوم تر است.
بتن الیافی در ویکی پدیا
در گذشته، الیاف نقش رفع مشکل شکنندگی ملات را ایفا می کردند. یکی از مشهورترین انواع الیاف، کاه است که قیمت مناسبی داشته و امروزه نیز کاربرد دارد. الیاف فولادی نوع دیگری از الیاف هستند که کاربردشان از اواسط قرن اخیر شروع شده و تاریخ مشخصی در رابطه با استفاده از این شیوه موجود نیست. و اما الیافی که به تازگی وارد عرصه ساخت و ساز شده اند، الیاف صنعتی اند و اکثرا در ساختار بتن به کار می روند.
افزودنی های بتن و الیاف مسلح کننده و تقویت کننده، حاصل فناوری نوین بوده و امروز جایگاه ویژه ای در صنعت ساخت و ساز دارند. این مواد در نقش تقویت کننده به ساختار بتن اضاقه می شوند و خواص مطلوب آن را بهبود می بخشند. از جمله مهم ترین این خواص باید به مقاومت آن اشاره کرد. علاوه بر این، الیاف می توانند وزن بتن را کاهش داده و یک محصول سبک را در اختیار مهندسین قرار دهند. در سال 1960، نوعی بتن به عرصه صنعت پا گذاشت که مقاومت برشی و کششی بالاتری نسبت به بتن معمولی داشت. ضخامت نهایی نوع الیافی بتن ضمن ارائه ضریب اطمینان قابل قبول، در رابطه با تحمل بارهای دینامیکی و استاتیکی نیز کاملا موثر عمل می کند. اگر سازه مورد نظر، یک سازه زیرزمینی باشد که در تماس مستقیم با رطوبت و خوردگی قرار دارد، اهمیت استفاده از این نوع بتن بیش تر خود را نشان خواهد داد. زلزله و ضربه نیز از دیگر مواردی به شمار می روند که بتن الیافی در برابر آن ها مقاومت مناسبی نشان می دهد؛ چرا که خصوصیات جذب انرژی خوبی دارد.
استفاده از بتن غیر مسلح جز در مورد سازه های وزنی توصیه نمی شود؛ چرا که این نوع بتن ذاتا ترد و شکننده است. این ایراد را می توان با کمک گرفتن از میلگردهای فولادی برطرف نمود؛ ولی باید در نظر داشت که میلگردها فقط قادرند بخش محدودی از مقطع بتن را تحت پوشش قرار دهند. این خود ایراد دیگری است که با معرفی الیاف قابلیت برطرف شدن را پیدا کرد. رشته های دراز و باریک الیاف در صورتی که به طور یکنواخت در تمام قسمت های بتن جای بگیرند، می توانند مشکل شکنندگی بتن را تا حدود زیادی برطرف ساخته و مقاومت آن را افزایش دهند. این گونه الیاف اکثرا در ساختار بتن و عموما ملات های سیمانی به کار می روند و از جنس شیشه، فولاد، نایلون، پلی اتیلن یا آزبست هستند.
کاربرد بتن الیافی چیست؟
- بتن الیافی دارای کاربردهای متنوعی است؛ از جمله:
- تسطیح اضافی برای بالا بردن مقاومت بتن و پایین آوردن میزان ترک ها
- تسطیح یکدست و ایزوتوپ (حاصل از پخش شدن مناسب الیاف در تمام حجم بتن)
- به حداکثر رساندن قدرت جذب انرژی توسط بتن
- مقاومت در برابر امواج انفجاری
- مقاومت در برابر بارهای ضربه ای
- تقابل با تنش های پیچیده
- صرفه جویی مالی در زمینه دستمزد قطعات پیش ساخته
- پایدارسازی دیوارهای ریزشی و شیب های سنگی
- اجرای عملیات خاک برداری
- اجرای ساختار فونداسیون ماشین آلات صنعتی و موتورها
- اجرای ساختار واکنشگاه اتمی
- اجرای آشیانه هواپیما و پناهگاه
- تولید قطعات مورد نیاز حفاری
- تولید تیر پیش تنیده و شمع ضربه گیر
- تولید قطعات نسوز
مزایای بتن الیافی چیست؟
بتن الیافی نسبت به نوع معمولی از مزایای متعددی برخوردار است. بعضی از این مزایا به شرح زیرند:
- مقاومت در برابر هوازدگی و سایش
- مقاومت در برابر تورق و تنش خستگی
- تحمل ضربه
- قابلیت کششی بالا
- قابلیت باربری قابل توجه پس از ایجاد ترک
- مقاومت برشی، خمشی و کششی مناسب
- طاقت بسیار بالا
در مقایسه با بتن معمولی، نوع الیافی بتن به خوبی قدرت تحمل تنش و کرنس کششی را داشته و در رابطه با بارهای کششی موفق عمل می کند. خصوصیات این محصول سبب می گردد ترک ها حالت متمرکز نداشته و پراکنده شوند. ماحصل این اتفاق، بالا رفتن میزان شکل پذیری اجزا و نیز پایداری هر چه بیش تر سازه بتنی است. از سوی دیگر، وجود کرنش پذیری در خصوصیات این بتن به ما امکان کاهش میلگردها در بخش های فشاری را می دهد. ضمنا مقاومت برشی بتن الیافی و رفتار این محصول به حذف میلگردهای برشی منجر می شود که امتیازی دیگر است.
از مزایای دیگر بتن الیافی، شکل پذیری قابل توجه آن، بالا رفتن مقدار تغییر فرم غیر الاستیک، ثبات میزان مقاومت و نیز یکپارچگی در حین این تغییر فرم است که عملکرد آسیب مدار نام دارد. بتن الیافی گزینه بسیار مناسبی برای اجرای عناصر جاذب انرژی در نقش کنترل غیر فعال و بهبود عملکرد لرزه ای سازه محسوب می شود.
مزیت دیگر، ظرفیت کاری بالای این بتن است. وقتی از ظرفیت کاری حرف می زنیم، منظور ظرفیتی است که یک جسم در زمینه به این دو مورد دارد:
الف) تبدیل کار خارجی به انرژی کرنشی موجود با امکان تغییر
ب) تبدیل کار داخلی با ایجاد ترک های جدید با رهاسازی و تغییر فرم رشته ها یا ایجاد حرارت
قابلیت دیگر بتن الیافی، انعطاف پذیری آن است که مثل خصوصیات مواد پلاستیکی عمل کرده و مانع گسیختگی ناگهانی این محصول می شود. با توجه به این که رشته های فولادی به شکل چند بعدی در ساختار بتن جای می گیرند؛ اگر ترکی ایجاد شود؛ از پیشروی و توسعه آن جلوگیری به عمل خواهد آمد. پس می توان این طور نتیجه گرفت که الیاف به شکل فعال نقش محدودسازی ترک ها را ایفا می کنند و هر چه این ترک های ریز زیادتر شوند، پتانسیل بهره برداری بتن را بالاتر می برند.
در نهایت، بتن الیافی را می توان یک محصول راه گشا برای افزایش کیفیت بتن و کاهش هزینه ها دانست.
چرا از الیاف در بتن استفاده می شود؟
ساختار بتن و نقشی که در سازه ایفا می کند، بر اساس نیاز سازه قابلیت تغییر را داراست. بر همین اساس، طراحی و به کارگیری این محصول نیز باید با توجه به این نیاز و هدف مورد نظر صورت گیرد. فرضا اجرای پایه های یک پل در زیر آب را در نظر بگیرید. مسلما چنین عملیاتی با اجرای فونداسیون و سازه در روی زمین متفاوت است و به دلیل شرایط متفاوت، نیازهای متفاوتی نیز دارد. قطعا می‌دانید که بتن معمولی بر خلاف مقاومت فشاری زیاد، از مقاومت کششی بسیار کمی برخودار است. این ضعفی است که صنعت در صدد جبران آن بر آمده و از این رو همواره جهت دست یابی به عملکرد لازم بتن و سایر محصولات مرتبط، گزینه های جدید به سرعت و به شکل پیاپی در حال عرضه هستند. یکی از این گزینه ها که نیاز بارز بتن به یکپارچگی را تامین می کند، استفاده از الیاف در ساختار آن است. این الیاف نقش مسلح سازی بتن را بر عهده دارند و معمولا در دو نوع طبیعی و مصنوعی موجود هستند.
با توجه به عدم توانایی مناسب بتن معمولی در زمینه مقاومت کششی، باید جهت تولید اجزای سازه ای و غیر سازه ای که علاوه بر مقاومت از لحاظ فشاری، نیازمند مقاومت کششی نیز هستند، از تقویت کننده استفاده کرد. یکی از این تقویت کننده ها که در صنعت ساخت و ساز شناخته شده و پیش تر نیز به آن اشاره گشت، میلگرد است. میلگردها برای بالا بردن کیفیت بتن در زمینه مقاومت، در ساختار آن قرار می گیرند؛ اما از آن جا که فقط در مرکز حضور دارند، قادر به پوشش دهی کامل تمام حجم بتن نیستند. از سوی دیگر، بتن به طور ذاتی از شرایط محیط تاثیر می پذیرد و به علت آسیب های وارده شکنندگی زیادی دارد. این جاست که راهکار دیگری مشکل را از میان می برد: استفاده از الیاف پراکنده جهت مسلح سازی تمام بتن.
کیفیت حاصل از حضور الیاف بتن در ساختار بتن الیافی، یکپارچگی دانه های تشکیل دهنده را حفظ می کند و این خصوصیتی است که این الیاف افزودنی را پرکاربرد کرده است. افزودن این الیاف به بتن نیز فرایند دشواری ندارد و به سادگی با حداقل هزینه قابل انجام می باشد. همچنین با کمک این الیاف می توان سرعت اجرای پروژه را بالا برد.
انواع الیاف مسلح کنده بتن الیافی کدام است؟
الیافی که برای تقویت بتن به ان افزوده می شوند، خود شامل چند دسته مختلف به شرح زیر هستند:
- الیاف چاپد فلزی:
تولید این الیاف چاپد فلزی با برش دادن سیم های فولادی در قطرها و طول های متنوع صورت می گیرد. قابلیت بهبود خواص مکانیکی بتن را داشته و دوام، جذب انرژی، سختی، خستگی و شکل پذیری آن را ارتقا می بخشند. از سوی دیگر به جلوگیری از ایجاد ترک کمک کرده و پیوستگی ساختار آن را به همراه دارند. از این الیاف در تولید قطعات بتنی پیش ساخته و ساخت پل‌ها، تونل ها و … بهره گرفته می شود.
- الیاف PP:
الیافی تک رشته ای با ترکیب پلیمری از نوع پلاستیکی و حاصل پلیمریزاسیون مونومرهای پروپن و ذوب ریسی هستند. این الیاف در نقش مسلح ساز برای جلوگیری از شکل گیری ترک و بهره¬برداری بهینه از خواص ذاتی بتن در ساختار آن به کار می روند.
- الیاف چاپد کربن:
الیاف کربنی عموما با دیگر مواد ترکیب و منجر به ایجاد کامپوزیت می شوند. این الیاف تنوع قطر 5 تا 10 میکرومتری داشته و سخت، سبک، مقاوم از نظر حرارتی، کششی و شیمیایی و دارای انبساط حرارتی پایین هستند. البته بتن حاوی کربن مقداری شکنندگی دارد. الیاف کربن در برابر خوردگی مصون بوده و از این رو در اجرای سازه های دریایی کاربرد دارند.
- الیاف ماکروسنتیک:
نام دیگرشان فیبر پلیمری است و در نقش افزودنی برای افزایش پایداری بتن کاربرد دارند. اکثرا از مواد خام نفتی تولید می شوند و حاصل کنار هم قرار گرفتن واحدهای کوچک پلمیر هستند. این الیاف مواردی مثل نایلون، پلی یورتان، پلی پروپیلن و نایلون را در بر می گیرند. پیش تر نقش مشابه الیاف فولادی را ایفا می کردند؛ ولی با گذر زمان و توسعه جهت اجرای دال تخت و دیگر موارد نیز مورد استفاده واقع شدند. این الیاف هم به سبب مقاومت در برابر ورقه ورقه شدن و لکه برداشتن، صلاحیت لازم جهت اجرای سازه در مناطق دریایی را دارند. دیگر کاربرد الیاف ماکروسنتیک، ساخت راه آهن سبک است؛ چرا که انرژی گرمایی و الکتریکی را عبور نمی دهند. این مواد به دلیل مقاومت در برابر گسیختگی برای ساخت تور و طناب ماهیگیری نیز مورد استفاده قرار می گیرند.
- الیاف چاپد شیشه AR:
الیاف چاپد شیشه در واقع الیاف خرد شده شیشه اند و در اثر برش رشته های پیوسته حاصل می شوند. عموما برای تقویت انواع کامپوزیت و رزین کاربرد دارند. وزن پایین، مقاومت بالا، مقرون به صرفه بودن و دوام، آن ها را به گزینه مناسبی جهت مستحکم سازی ساختمان ها، پل ها، تونل ها و منابع ذخیره نفت و گاز تبدیل کرده است.
- الیاف فورتا بتن:
الیافی شامل مواد گوناگون و تولید شده از کوپلیمر و پلی پرپیلن خالصند که به شکل رشته های تابیده در هم، شبکه ای و بسیار نازک تولید می شوند. عموما در جهت ساخت کف های بتنی مورد استفاده قرار می گیرند و مقاومت بتن را از لحاظ کششی و خمشی بالا می برند. کاربرد دیگرشان پیش گیری از ترک خوردگی و جمع شدگی بتن است که به بیش تر شدن طول عمر آن می انجامد. این الیاف برای اجرای کف های آسفالتی نیز قابل استفاده هستند.
معایب بتن الیافی چیست؟
موارد زیر از جمله معایب بتن الیافی به شمار می روند:
- تصادفی بودن فرم قرارگیری الیاف در ساختار بتن و عدم مطلوبیت کافی برای ساخت تیر و ستون
- مقرون به صرفه بودن تنها در پروژه های نیازمند به سرعت اجرای بالا
- سنگین تر بودن نسبت به نوع معمولی
مقدار الیاف مورد نیاز در بتن الیافی
مقدار مصرف الیاف در بتن الیافی باید طوری در نظر گرفته شود که مقاومت نهایی محصول پاسخگوی نیاز پروژه باشد. دست¬یابی به این مقدار نیازمند مطالعه و محاسبه بر اساس استانداردهاست؛ اما به طور کلی از نوع الیاف مصرفی تاثیر می گیرد.
| نوع الیاف | مقدار مصرفی (کیلوگرم/متر مکعب) |
| الیاف چاپد فلزی | 20 تا 60 |
| الیاف PP | 0.6 تا 3 |
| الیاف چاپد کربن | 0.6 تا 4.8 |
| الیاف ماکروسنتیک | 4 تا 8 |
| الیاف چاپد شیشه AR | 0.6 تا 2.5 |
| الیاف فورتا بتن | 2 |
قیمت بتن الیافی چقدر است؟
از دید کلان، هر چند بتن الیافی نسبت به بتن معمولی گران تر است؛ اما با مقاوم سازی سازه مورد نظر نسبت به عوامل مخرب، نقش مهمی در مستحکم سازی و جلوگیری از آسیب ها و هزینه های احتمالی آتی دارد. قیمت بتن الیافی و مقرون به صرفه بودن آن وابسته به فاکتورهای زیر است:
- مواد اولیه
- کیفیت تولید
- سرعت اجرا
معرفی استاندارد ASTM C1116
استاندارد ASTM C1116 معیار سنجش بتن الیافی است و اطلاعات لازم را در مورد آزمایش به کارگیری الیاف در اختیار می گذارد. تمام محصولات الیافی در کاربردهای خاص نیازمند در نظرگیری عملکرد فیزیکی و شیمیایی الیاف به کار رفته هستند. در این راستا، اگر کنترل ترک خوردگی و جمع شدگی مد نظر باشد، خصوصیات مربوط به مرور زمان مورد توجه بوده و در صورتی که تامین ظرفیت کششی و خمشی پس از ایجاد ترک هدف قرار گیرد، باید به عملکرد توجه شود.
مروری بر نکات اجرایی بتن الیافی
در زمان اجرای بتن الیافی به موارد زیر توجه کنید:
- شیوه اضافه کردن الیاف به میکسر و پرداخت سطح بتن را از قبل در نظر بگیرید.
- پس از افزودن الیاف به طور کامل، اطمینان حاصل کنید که جام تا 5 دقیقه با سرعت پایین به چرخش ادامه دهد.
- الیاف را در کنار سنگدانه و سایر مصالح را در مرحله بعد به میکسر وارد کنید.
- برای دقت بیش تر به کاتالوگ محصول مراجعه کنید.
- از گلوله شدن الیاف جلوگیری نمایید.
- الزامات ایمنی (استفاده از عینک و دستکش مخصوص) را رعایت فرمایید.
جمع بندی
بتن الیافی، محصولی نوین در ساخت و ساز است که توانسته با کاربرد گسترده خود جایگاه ویژه ای در این صنعت پیدا کند. این بتن در کنار تامین کیفیت مورد نظر سازه، با کاهش مدت زمان اجرای پروژه و هزینه نیروی کار از امتیازات قابل توجهی برخوردار است. همین امر سبب شده بتن الیافی جایگزین مناسبی برای بتن مسلح با میلگرد باشد و به عنوان یک افزودنی کارا هر روزه بیش تر مورد توجه قرار گیرد.