بخشی از مطلب
تاکنون مشخص شده است که انواع الیافها می توانند ظرفیت کرنش مقاومت
دربرابر ضربه میزان جذب انرژی مقاومت سایشی و مقاومت کششی بتن را افزایش
دهند. بطور کلی برای کاربرد در سازه الیاف فولادی میتواند نقش مکملی برای
میلگرد داشته باشد. الیاف فولادی با پخش ترکها مقابله میکنند ومقاومت بتن
را در برابر خستگی ضربه جمع شدگی وتنشهای حرارتی افزایش داده و بتن در همه
مدهای شکست روی خواص مکانیکی بتن تاثیر مثبت میگذارد.از اهم متغیرهایی که
بر خواص بتن با الیاف فولادی اثر میگذراند میتوان به خواص ماتریس بتن
بازدهی الیاف و مقدار الیاف اشاره کرد.تکنولوژی بتن پرمقاومت توسعه ای جدید
در صنعت ساخت سازه های بتنی محسوب میشود. در بتن سخت شده مقاومت و دوام دو
عامل اصلی بوده وهر چه مقاومت فشاری بتن بیشتر می شود بتن تردتر شده ودر
نتیجه مقاومت کششی آن به نسبت افزایش مقاومت فشاری افزایش نمی یابد و نیز
از تحمل کرنش پایینتر برخوردار است. بدین دلیل نیاز به استفاده از الیاف در
بتن پرمقاومت کاملا مشهود است .جهت افزایش مقاومت کششی و جلوگیری از گسترش
ترک و بویژه افزایش نرمی از الیاف در بتن استفاده میشود. مقدار افزایش با
تغییر این مقاومت ها بستگی به مقاومت بتن بدون الیاف شکل الیاف ودرصد الیاف
دارد.
بتن پرمقاومت شامل الیاف فولادی، ترکیبی است از سیمان، مصالح سنگی، آب، فوق
روان کننده، دوده سیلیس وهمچنین درصدی از الیاف فولادی که بطور درهم و
کاملا اتفاقی ودر جهات مختلف در مخلوط پراکنده شده است. وجود الیاف فولادی
مشخصات مکانیکی بتن را نسبت به حالت بهبود میبخشد. بتن پرمقاومت یک ماده
ترد وشکننده است در حالیکه افزودن الیاف فولادی به بتن پرمقاومت سبب بهبود
رفتار ترد بتن وتغییرمد شکست آن میگردد.
مزایای بتن الیافی در مقایسه با بتن بدون الیاف را می توان بطور خلاصه بشرح ذیل بیان داشت:
1. مقاومت در مقابل تورق وسایش
2. مقاومت در مقابل تنش های خستگی
3. مقاومت عالی در مقابل ضربه
4. قابلیت کششی وظرفیت زیاد تغییر شکل نسبی
5. قابلیت باربری بعد از ترک خوردگی
6. افزایش در میزان جذب انرژی
قابلیت انعطافی که بتن الیافی دارد همانند خواص مواد پلاستیکی باعث می شود
که بتن الیافی گسیختگی ناگهانی نداشته باشد. از آنجا که الیاف فولادی در
جسم بتن در همه جهات پراکنده می شود در صورت تشکیل یک ترک در جهات مختلف
الیاف اتصالاتی را بوجود آورده و از گسترش ترک جلوگیری می نماید. بنابراین
رشته های الیاف بطور فعال در محدود کردن عرض ترک وارد عمل شده و با تشکیل
ریز ترکهای زیاد قابلیت بهره برداری بتن را افزایش می دهند.
انواع الیاف و الیاف فولادی
انواع الیافی که در بتن استفاده می شود و در اشکال و اندازه های مختلفی
تولید می شود عبارتند از الیاف شیشه ای ، الیاف پلاستیکی و الیاف فولادی .
پارامتر مناسب که یک رشته از الیاف را تعریف می کند نسبت ظاهری می باشد که
نسبت طول الیاف به قطر معادل الیاف است. مقدار نسبت های ظاهری (l/d)
معمولاٌ بین 30 تا 100 است . در این تحقیق الیاف فولادی با نسبت(l/d) برابر
80 و 100 استفاده گردید.
مکانیزم عملکرد الیاف در بتن
بطور کلی برای کاربرد در سازه الیاف فولادی می توانند نقش مکملی برای
میلگرد داشته باشند.الیاف فولادی با پخش ترکها مقابله می کنند و مقاومت بتن
را در برابر خستگی ضربه جمع شدگی وتنشهای حرارتی افزایش می دهند.
الیاف فولادی می توانند در همه مدهای شکست روی خواص مکانیکی بتن تاثیر بگذارند.
مکانیزم تقویت را می توان بصورت زیر توجیه کرد:
تنشها بوسیله برش محیطی ودر صورتیکه رویه الیاف آجدار باشد بوسیله مقاومت
چسبندگی (درون سطحی) از ماتریس به الیاف منتقل می شود. بنابراین مادامی که
ماتریس بتن ترک نخورده است،تنش کششی بین الیاف و ماتریس تقسیم می شود. پس
از ایجاد ترک، همه تنش به الیاف انتقال می یابد.
بتن الیافی
مهمترین متغیرهایی که بر خواص بتن با الیاف فولادی اثر می گذارند عبارتند
از:خواص ماتریس بتن ، بازدهی الیاف ومقدار الیاف .بازدهی الیاف بوسیله
مقاومت الیاف در برابر بیرون کشیده شدن از مخلوط کنترل می شود این مقاومت
به چسبندگی بین الیاف و ماتریس بستگی دارد .برای الیاف با مقطع ثابت این
مقاومت با افزایش طول ،افزایش می یابد .بنابراین هر قدر طول بیشتر باشد اثر
آنها در بهبود خواص ماتریس بیشتر خواهد بود چون مقاومت در برابر بیرون
کشیده شدن متناسب با سطح مقطع دو جسم می باشد .
معمولا الیاف با سطح مقطع گرد و قطر کوچک بیشتر از الیاف با سطح مقطع گرد و
قطر بزرگتر بازدهی دارند. این امر به این خاطر است که الیاف دسته اول سطح
بیشتری در واحد حجم دارا می باشند بنابراین هر چه سطح تماس الیاف بیشتر
باشد (و یا به عبارت دیگر قطر آنها کوچکتر باشد) بازده چسبندگی آنها بیشتر
خواهد بود بنابراین روشن می شود که نسبت طول به قطر الیاف باید به اندازه
ای بزرگ باشد که در هنگام شکست ماتریس ، الیاف به حداکثر مقاومت کشش خود
نزدیک باشند، با این وجود در عمل این کار معمولا ممکن نیست .
بسیاری از محققین نشان داده اند در صورتیکه از روشهای عادی اختلاط استفاده
شود الیاف با نسبت طول به قطر بیشتر از100 باعث کم شدن کارآیی بتن به مقدار
قابل ملاحظه ای می شوند و یا بطور نا همگون در بتن توزیع می گردند .
بتن از سه عنصر اصلى شن و ماسه و سیمان تشکیل شده است که در آن شن و ماسه
توسط سیمان به یکدیگر چسبانده می شوند.این ماده ساختمانی داراى مزایا و
معایبی است که کاربرد ان را در مواردى لازم ومفید و در موارد دیگر غیر ممکن
یا مضر می سازد. از جمله معایب بتن:مقاومت کششی بسیار ناچیز آن می باشد که
این رفتار ترد و شکننده موجب شکست ناگهانی و فروریختن سازه های بتنی در
هنگام زلزله می گردد. < بتن از سه عنصر اصلى شن و ماسه و سیمان تشکیل
شده است که در آن شن و ماسه توسط سیمان به یکدیگر چسبانده می شوند.این ماده
ساختمانی داراى مزایا و معایبی است که کاربرد ان را در مواردى لازم ومفید و
در موارد دیگر غیر ممکن یا مضر می سازد. از جمله معایب بتن:مقاومت کششی
بسیار ناچیز آن می باشد که این رفتار ترد و شکننده موجب شکست ناگهانی و
فروریختن سازه های بتنی در هنگام زلزله می گردد. مشکل ترد بودن بتن را مى
توان با مسلح کردن آن توسط آرماتور هاى فولادى در جهت نیروهای کششى برطرف
نمود. اما در موارد متعددی جهت این نیرو های کششی به طور دقیق معلوم نمی
باشد.از طرفى در بتن تازه به دلیل جمع شدگی ابعاد بتن تغییرپیدا کرده و ترک
هایی به وجود می آیند که نتایج این ترک ها در بتن سبب افزایش نفوذپذیرى،
از بین رفتن سطح بتن، خوردگی آرماتورها و کاهش خواص مکانیکی می باشد. یکی
از راه حل های مناسب براى مقابله با این مشکلات استفاده از مقادیر کم الیاف
به منظور کنترل رشد ترک وافزایش مقاومت کششى بتن می باشد. کاربرد الیاف
بطورفراگیر از اوایل سال1960در کشور هاى صنعتی پیشرفته آغاز شده ودر طی این
4 دهه جنس و شکل الیاف و نحوه ساخت بتن الیافی بهبود یافته و کاربرد ان
نیز فزونی یافته است.شاهد تاریخی این فناورى کاربرد کاهگل در ساختمان ها می
باشد.در واقع بتن الیافی نوع پیشرفته این تکنولوژی می باشد که الیاف طبیعی
و مصنوعى جدید،جانشین کاه و سیمان جانشین گل به کار رفته در کاهگل شده
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 الاستیسیته و کرنش شکست بالابوده که با توجه به قابلیت شکل
گیری مناسب و مقاومت کششی بالا از مناسبترین و اقتصادی ترین نوع الیاف به
حساب می آید 2- بالاترین افزایش را در مقاومت و شکل پذیری بتن ایجاد می
کنند 3- به اشکال ظاهری گوناگون جهت بهبود رفتار بتن قابل ساخت هستند4 -
اختلاط آنها با دیگر مواد بتن بسهولت انجام پذیر است
متن موجود نتایج ارزیابی رفتار الیاف به منظور کنترل ترک 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 سیمان بالاتر از 45% جمع شدگى ناشى از خشک شدن به
عنوان مهمترین دلیل ایجاد ترک در سنین اولیه توصیف شده است .در بتن خود
تراکم در سنین اولیه به دلیل چسبندگی بالاى مواد ریز موجود, جمع شدگی و خزش
بیشترى نسبت به بتن استاندارد مشاهده مى شود ولی در مرحله سخت شدن تاخیرى
در شروع جمع شدگی بتن خود تراکم به وجود می آیدکه به دلیل پایین بودن سرعت
تبخیر از سطح خارجی اعضاء بتنى می باشد.
بتن الیافی
جمع شدگى ناشى از خشک شدن از همان ابتدا یعنى زمان هاى اولیه بتن ریزى و
حتی قبل از افزایش ظرفیت مکانیکى بتن آغاز مى شودکه بستگی به:خواص بتن (طرح
اختلاط، طریقه ى بتن ریزى و روش های عمل آورى) شکل و چگونگی اعضاء بتنى و
شرایط محیطى (دما، رطوبت مربوطه، سرعت باد) دارد. چون جمع شدگى به دلیل
کمبود آب درون بتن به سطح اعضاء تحمیل مى شود,کرنش در این قسمت از اعضاء
ایجادشده و ترک هائى با منشاء drying shrinkage از نواحى سطحی که در تماس
با محیط هستند آغاز مى شود,در نتیجه اعضاء با سطح خارجى بالا(مانند دال ها و
پانل هاى پیش ساخته) در تماس با یک محیط مهاجم بیشترین آسیب را در اثر به
وجود آمدن ترک ها می بینند و این امر با عبور هوا از روى نمونه هاى تازه
تشدید مى یابد اما از نتایج آزمایش ها مشاهده می شود که با استفاده از
مقادیر مناسب الیاف جمع شدگى و به تبع آن ترک ها به میزان قابل توجهی کاهش
مى یابند. براى کنترل ترک هاى بتن تحت اثر جمع شدگی دو روش متفاوت پیشنهاد
می شود:1-اندازه گیرى کاهش جمع شدگى با توجه به حدود آب از دست رفته از سطح
در معرض هوا(بدون پوشش)اعضاء2-توسط اتصال اجزا بتن که می تواند رشد ترک ها
را کنترل کرده و از انتشار خرابى در اعضا در سنین اولیه جلوگیری کند.اولین
روش بررسى نحوه ى عمل آورى بتن و آب نگهدارى و یا افزودنی هاى تقلیل دهنده
ى جمع شدگى بوده که هدف این روش کاهش تنش کششی روی بتن است. دومین روش
استفاده از افزودنی ها و الیافى هستند که با بتن تازه ترکیب مى شوند و
ظرفیت مکانیکى مخلوط را در سنین کم تعیین کرده در نتیجه از رشد و انتشار
ترک ها جلو گیرى مى کنند به این معنا که با حضور الیاف تعداد بیشتری ترک
ایجاد شده و این امر باعث انتقال تنشهای کششی از میان ترکها و کاهش تمرکز
تنش می شود.
حرکت ترک ها در هر دو نوع بتن استاندارد و خود تراکم جهت مشخصى نداشته و
عمود بر هم از طرفى به طرف دیگر عبور می کنند ولی در کل می توان3 حالت
فشاری و کششی و برشی را برای حرکت ترک ها در نظر گرفت:
همچنین با ورود الیاف به بتن مستقل از مواد تشکیل دهنده 2 نوع وضعیت اصلى
موازى و عمود بین ترک و الیاف مشاهده می شود که در صورت عبورالیاف عمود بر
لبه هاى ترک با پل زدن الیاف بین ترک ها یکپارچگی بتن تا تغییر شکلهای زیاد
حفظ شده و مقاومت خمشی و کششی به دلیل خاصیت دوزندگی الیاف بالا می رود .
بنا به دلایل ذکر شده استفاده از آرماتورها از دید گاه میکروسکوپى در کنترل
ترک ها مفید واقع نشده و حتی در صورت بروز ترک با پدیده خوردگی مواجه می
شوند و بتن کاملا از بین می رود.
درصورتیکه با توزیع اتفاقی الیاف در فواصل بسیار کوچکتر از فاصله بین
آرماتورها،اندازه ترک ها کوچکتر شده و باعث کاهش نفوذپذیری و پایداری بتن
در محیط های مهاجم می شود. در حالت کلى توزیع اتفاقی الیاف در فواصل بسیار
کوچکتر از فاصله بین آرماتورها باعث پخش و کوچکترشدن اندازه ترک ها شده و
پس از ترک خوردن ، مقاومت کششى و خمشى به دلیل خاصیت دوزندگی الیاف بالا
رفته و یکپارچگی بتن تا تغییر شکلهاى زیاد حفظ می شودالیاف را میتوان
قبل,بعد یا در حین میکس به مخلوط بتن اضافه کرد ولی براى آسانى پخش باید به
صورت خشک وارد مخلوط شود. البته باید توجه داشت در فرآیند ساخت بتن الیافی
باید از ایجاد پدیده گلوله ای شدن (Balling) که به دلیل استفاده از مقادیر
زیاد و نادرست الیاف رخ مى دهد جلوگیری بعمل آید زیرا در این صورت پدیده
انسداد در بتن صورت گرفته و اثر الیاف عملا از بین خواهد رفت به دلیل اینکه
مقدار الیاف مورد استفاده در بتن برای جلوگیری از پدیده (Balling) بسیار
کم مى باشد(تقریبا 0.1%), مقاومت فشارى به اندازه زیادی افزایش پیدا نمى
کند زیرا الیاف نیروى مکانیکى ماکروسکوپى نبوده و تنهایک نیروى کمکى محلى
به حساب آورده مى شوند. براى مقایسه هزینه ساخت بتن الیافی با با بتن مسلح
به آرماتور می باید مزایاى بتن الیافی از جمله مقاومت ضربه اى بسیار
بالاتر، جمع شدگی و عرض ترک کمتر، دوام بیشتر و کاهش هزینه های مربوط به
تعمیر ، حفظ و نگهداری، کنترل شکستهای موضعی، ایجاد ترک و گسترش ترک، عمر
مفید بیشتر، کنترل نفوذپذیرى بیشتر و بویژه زمان اجراى بسیار کمتر را (در
مقایسه با بتن مسلح به میلگرد) 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 الیاف فولادی در ماتریس شکننده،
تمرکز تنش در محل ترکهای بوجود آمده کاهش می یابد
بتن الیافی که به نام های زیر در جهان موجود است آرماتورها که معروف به
آرماتورهای با الیاف پلاستیکی (FRP) هستند از الیاف مختلفی چون الیاف شیشه
ای (GFRP) الیاف آرامیدی (Afrp) والیاف کربنی (CFRP) در یک رزین چسباننده
تشکیل شده انددر دنیا معروف است . 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 کنندهمچنین امروزه علم
نانو نیز به کمک بتن الیافی وصنعت ساختمان امده وامروزه استفاده از انواع
پلیمر والیاف در بتن به وسیله علم نانورونق گرفته است که تاریخ این علم بر
میگردد به دوره ۷۰ معرفی شده اند که از فناوری sol-gel جهت انتشار
(Disperse ) دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده استد یکی
از شرکت های که در این علم پیشتاز است شرکت تویوتا ژاپن می باشد تکنولوژی
نانو فلز آرتوناید که اخیرا الیاف تجاری نانو آلومینا را تولید کرده است
یکی دیگر از موفقیت کشور های پیشرفته می باشد که امروزه در این علم به دست
امده امروزه بسیاری از دانشگاه دنیا سعی در استفاده از این دانش درصنعت
ساختمان می باشدیکی دیگر از اختراعات در ژاپن جلوگیری از یخ زدگی بتن
الیافی به وسیله علم نانو می باشد
داله
بیشترین کاربردهای بتن مسلح به الیاف بویژه الیاف فولادی تاکنون در دالها ,
عرشه پلها , کف سازی فرودگاهها , پارکینگها و محیطهای در معرفی کاویتاسیون
و فرسایش بوده است . در پل سازی مهمترین کاربرد ان در سطوحی بوده که در
معرض خوردگی و فرسایش قرار دارند .
دالهای روی بستر
در مورد دالهاى روى بستر , نمونه هایی که خوب بررسی شده باشند اندک هستند.
اما در جاهایی که دال بتنی مسلح به الیاف فولادی تحت تاشیر عبور و مرور
اتوبوسهای سنگین قرار دارد , مشخص شده است که این نوع دال , با ضخامتی در
محدود 60 تا 75 درصد دالهاى غیرمسلح , عملکردی مشابه آنها دارند با استفاده
از این نوع بتن , پوشش باند فرودگاهها را میتوان به نحو قابل ملامحظه اى (
20 تا 60 درصد) نازکتر از پوششهای بتنی غیر مسلح مشابه اجرا کرد. خستگی
خمشی عامل مهمی است که بر عملکرد کفسازى اثر می گذارد , اطلاعات موجود نشان
میدهد که الیاف , مقاومت بتن را در برابر خستگی به نحو قابل ملاحظه ای
افزایش می دهند .
