مقاله بتن الیافی

مقاله بتن الیافی

بتن اليافي در حقيقت نوعي كامپوزيت است كه با به كارگيري الياف تقويت­ كننده داخل مخلوط بتن، مقاومت كششي، برشی، سایشی و فشاري آن افزايش مي­يابد. اين تركيب كامپوزيتي، يكپارچگي و پيوستگي مناسبي داشته و امكان استفاده از بتن به عنوان يك ماده شكل­ پذير جهت توليد سطوح مقاوم پرانحنا را فراهم مي­آورد. بتن اليافي از قابليت جذب انرژي بالايي نيز برخوردار است و تحت اثر بارهاي ضربه­ اي به راحتي از هم پاشيده نمي­شود. شاهد تاريخي اين فناوري، كاربرد كاهگل در بناي ساختمان است. در واقع بتن اليافي نوع پيشرفته اين تكنولوژي مي‌باشد كه الياف طبيعي و مصنوعي جديد، جانشين كاه و سيمان جانشين گل به كار رفته در تركيب كاهگل شده‌اند.

امروزه با استفاده از انواع الياف شيشه، پلي‌پروپيلن، فولاد و بعضاً كربن، توليد انواع بتن­هاي كامپوزيتي در كاربردهاي مختلف صنعتي ممكن گرديده و به‌كارگيري آنها دركشورهاي پيشرفته دنيا مورد قبول بخش ساختمان و عمران واقع شده است.

بتن اليافي خواص مناسبي همچون شكل‌پذيري بالا، مقاومت فوق‌العاده، قابليت جذب انرژي و پايداري در برابر ترک خوردن را دارا مي­باشد كه متناسب با آنها مي­توان موارد كاربرد فراوانی براي آن يافت. به طور مثال در ساخت كف سالن‌های صنعتی، مي­توان از اين نوع بتن به جای بتن مسلح متداول سود جست اين نوع بتن از بهترين مصالح مورد استفاده در ساخت بناهاي مقاوم‌ به‌ ضربه، همچون سازه پناهگاه­ها و انبارهاي نگهداري مواد منفجره به شمار مي­رود و بناي شكل گرفته از بتن، قابليت فوق­ العاده ­ای در جذب انرژی ضربه دارد. همچنين در ساخت باند فرودگاه­ ها به خوبي مي­توان از اين نوع بتن كمك گرفت. موارد ديگري از به كارگيري اين بتن، ساخت قطعات پيش ساخته ساختماني همچون پانل های سايبان و يا پاشش بتن روي سطوح انحنا‌دار همچون تونل­ها مي­باشد. به‌كارگيري اين بتن در بنای يك سازه علاوه بر موارد ياد شده از مزايايي همچون عايق بودن سازه در برابر صدا و سرعت بالاي اجرا نيز برخوردار است.

اما از آنجا كه نحوه قرار گرفتن الياف داخل بتن كاملاً تصادفي مي­باشد، از اين بتن معمولاً نمي­توان به نحو مطلوبي در ساخت تيرها و ستون‌ها بهره گرفت و در اين نوع سازه­ ها استفاده از روش سنتي و شبكه­ بندي فولادي به‌صرفه­ تر و مناسب­ تر مي­باشد. لازم است به اين نكته توجه شود كه ناكارآمدی يك تكنولوژي جديد در نقاط ضعف خود نبايد مانع ناديده گرفتن كاربردهاي مناسب آن در نقاط قوت آن و عدم توجه به آن گردد.

 

ویژگی ها و کاربرد بتن الیافی

بتن فایبر دار

بتن الیافی 1 نوعی بتن است که ساخت آن از الیاف استفاده می کنند و سیمان، آب، سنگدانه و مواد افزودنی را همراه با الیاف مخلوط می کنند ، الیاف باعث افزایش پیوستگی، مقاومت کششی 2 ، کاهش ترک های بتن و افزایش نرمی بتن می گردد.

جنس الیاف و اندازه آنها به نوع مصرف بتن و مقاومت کششی مد نظر بستگی دارد. الیاف می تواند الیاف شیشه یا الیاف فلزی و یا الیاف پلیمری باشد و اندازه آنها معمولاً 3 الی 20 میلیمتر است .

دراين مقاله نيز سعي برآن شده كه با توجه قابليت اجرايي مطلوب وكارايي مناسب بتن الیافی و مقاومت بسيار بالا ( بخش سوم ) و مقاوم در برابر نيروهاي فشاري ( بخش چهارم ) وکششی و شکل پذیری (بخش پنجم ) و قابلیت جذب انرژی ( بخش ششم ) و پایداری در برابر ترک خوردن ، بر اهميت وكاربرد آن در پروژه ها تاكيد گردد.

 

مقدمه :

بتن الیافی در حقیقت نوعی کامپوزیت است که با به کارگیری الیاف تقویت کننده داخل مخلوط بتن، مقاومت کششی و فشاری آن، فوق‌العاده افزایش می یابد . این ترکیب کامپوزیتی، یکپارچگی و پیوستگی مناسبی داشته و امکان استفاده از بتن به عنوان یک مادة شکل 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 از هم پاشیده نمی شود. شاهد تاریخی این فناوری، کاربرد کاهگل در بنای ساختمان است. در واقع بتن الیافی نوع پیشرفتة این تکنولوژی می‌باشد که الیاف طبیعی و مصنوعی جدید، جانشین کاه و سیمان جانشین گل به کار رفته در ترکیب کاهگل شده‌اند.

 

امروزه با استفاده از انواع الیاف شیشه، پلی‌پروپیلن، فولاد و بعضاً کربن، تولید انواع بتن های کامپوزیتی در کاربردهای مختلف صنعتی ممکن گردیده و به‌کارگیری آنها درکشورهای پیشرفتة دنیا مورد قبول بخش ساختمان و عمران واقع شده است. بتن الیافی خواص مناسبی همچون شکل‌پذیری بالا، مقاومت فوق‌العاده، قابلیت جذب انرژی و پایداری در برابر ترک خوردن 8 را دارا می باشد که متناسب با آنها می توان موارد کاربرد فراوانی برای آن یافت. به طور مثال در ساخت کف 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 مقاوم‌به‌ضربه، همچون سازه پناهگاه ها و انبارهای نگهداری مواد منفجره به شمار می رود و بنای شکل 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 کمک گرفت. موارد دیگری از به کارگیری این بتن، ساخت قطعات پیش ساخته ساختمانی همچون پانل های سایبان و یا پاشش بتن روی سطوح انحنا‌دار همچون تونل ها می باشد. به‌کارگیری این بتن در بنای یک سازه علاوه بر موارد یاد شده از مزایایی همچون عایق بودن سازه در برابر صدا و سرعت بالای اجرا نیز برخوردار است. اما از آنجا که نحوه قرار گرفتن الیاف داخل بتن کاملاً 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 شبکه بندی فولادی به‌صرفه تر و مناسبتر می باشد. لازم است به این نکته توجه شود که ناکارآمدی یک تکنولوژی جدید در نقاط ضعف خود نباید مانع نادیده گرفتن کاربردهای مناسب آن در نقاط قوت آن و عدم توجه به آن گردد .تاکنون مشخص شده است که انواع الیاف ها 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 می تواند نقش مکملی برای میلگرد داشته باشد. الیاف فولادی با پخش ترکها مقابله می کنند ومقاومت بتن را در برابر خستگی ضربه جمع شدگی و تنشهای حرارتی 9 افزایش داده و بتن در همه مدهای شکست روی خواص مکانیکی بتن تاثیر مثبت می گذارد.از اهم متغیرهایی که بر خواص بتن با الیاف فولادی اثر می گذراند 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 می شود. 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 پایین تر 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 می شود. 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.

تاریخچه بتن الیافی:

مصری ها از کاه برای مسلح کردن آجرهای گلی استفاده می کرده اند شواهدی هست که در حدود 5000 سال قبل ، از الیاف آزبست در ساخت ظروف گلی استفاده شده است . در دهه ۱۹۵۰برای اولین بار در کشور شوروی و بعد درکشور امریکا در سال۱۹۶۰ تحقیقاتی انجام شده که 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 آن از سنگدانه های هوا ساز نیز استفاده می شودکاربرد 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 ودیوار های نما از این بتن الیافی خیلی استفاده می کنند. همچنین امروزه علم نانو نیز به کمک بتن الیافی و

صنعت ساختمان آمده وامروزه استفاده از انواع پلیمر والیاف در بتن به وسیله علم نانو رونق 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 است .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 آمده 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

 

نقش الیاف در بتن :

مزایا و نقش مهم الیاف در بتن الیافی باعث شده که مورد علاقه اکثر مهندسین و طراحان قرار بگیرد.امکان بکارگیری دراکثر مناطق جغرافیایی،استفاده از متریال طبیعی وارزان ، دارای هزینه کم در مقایسه با حجم زیاد عملیات و شکل پذیری آن با توجه به اشکال هندسی طرح وكارايي مناسب و مقاومت بسيار بالا و مقاوم در برابر نيروهاي فشاري وکششی وقابلیت جذب انرژی و پایداری در برابر ترک خوردن از ویژگی های بارز این نوع بتن می باشد

 

نحوه گسيختگي نمونه بتن معمولی نحوه گسيختگي نمونه بتن دارای الياف

مزایای این محصولات عبارتند از :

1.       كاهش ضخامت دال بتنی با حفظ استحكام آن.

2.       استحكام دال بتنی در گوشه ها و زوایای قائم دال بتنی.

3.       كنترل تركهای مویی در محدوده ی انقباض پلاستیك بتن.

4.       بهتر شدن خصوصیات فیزیكی ، شیمیایی و مكانیكی بتن .

–          كاهش تركهای انقباضی در زمان اولیه بتن ریزی.

5.       جلوگیری از خرد شدن بتن در اثر مواجهه با ضربه و بارهای دینامیكی.

6.       افزایش مقاومت فشاری بتن تا 1000 كیلوگرم بر سانتی مترمربع در آزمایش تك محوری.

 

انواع الیاف بتن :

·         الیاف فولادی با مقاومت كششی بسیار بالا به قطر 1 میلی متر و طول 5 سانتی متر ، قطر8/0 و 6 سانتی متر.

·         الیاف مصنوعی كه برای ارتقا و پایداری وعملكرد مكانیكی بتن ، بخصوص شاتكریت استفاده می شود.

·         الیاف شیشه ای كه جهت مسلح كردن بتن و افزایش مقاومت شیمیایی استفاده می شود .

·         الیاف پلی پرو پیلن كه به قصد كنترل تركهای مویی ، تقویت عملکرد پلاستیكی بتن در دراز مدت (پدیده خزش 10در بتن ) استفاده می شود

·         الیاف پلی پرو پیلن كه به قصد كنترل تركهای مویی ، تقویت عملکرد پلاستیكی بتن در دراز مدت (پدیده خزش در بتن ) استفاده می شود .

مزایای بتن الیافی در مقایسه با بتن بدون الیاف را می توان بطور خلاصه بشرح ذیل بیان داشت:

•    مقاومت د‍ر مقابل تورق وسایش

•    مقاومت در مقابل تنش های خستگی

•    مقاومت عالی در مقابل ضربه

•    قابلیت کششی وظرفیت زیاد تغییر شکل نسبی

•    قابلیت باربری بعد از ترک خوردگی

•    افزایش در میزان جذب انرژی

 

قابلیت انعطافی11 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.

موارد استفاده و محدودیت های كاربرد بتن الیافی :

هر فناوری همواره کاربردها و محدویت های خاص خود را دارد . بتن الیافی خواص مناسبی همچون شکل پذیری بالا ، مقاومت فوق العاده ، قابلیت جذب انرژی و پایداری در برابر ترک خوردن را دارا می باشد که متناسب با آنها می توان موارد کاربرد فراوانی برای آن یافت . بطور مثال در ساخت کف سا لن های صنعتی ، می توان از این نوع بتن به جای بتن آماتوری متداول سود جست این نوع بتن از بهترین مصالح مورد استفاده در ساخت بناهای مقاوم به ضربه ، همچون سازه پناهگاه ها وانبارهای نگهداری مواد منفجره به شمار می رود و بنای شکل 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 کمک گرفت . مواردی دیگری از به کارگیری این نوع بتن ، ساخت قطعات پیش ساخته ساختمانی همچون پانل های سایبان ویا پاشیدن بتن روی سطوح انحنادار همچون تونل ها می باشد . به کارگیری این نوع بتن در بنای یک سازه علاوه بر موارد یاد شده از مزایای همچون عایق بودن در برابر صدا وسرعت بالای اجرا نیزی برخودار است .

وجود الیاف در بتن ضمن افزایش مقاومت فشاری و كششی یكی از عوامل بسیار مهم در دوام بتن می باشد. خطاهای حین ساخت بتن در اختلاط مصالح سنگی، میزان سیمان و نسبت آب به سیمان، اهمیت وجود الیاف را بجهت كاهش تركهای مویی و اهمیت بهره مندی از آن آشكار می سازد.

پخش الیاف در حجم بتن بصورت نامنظم امكان مهار نیروهای داخلی را از جهات مختلف مهیا می سازد. ایجاد تنشهای برشی در گوشه و زوایای قائم بطور مثال نزدیكی درزها باعث ایجاد تركهای عمیق در دال بتنی میگردد كه با استفاده از الیاف می توان به نحو چشمگیری از ایجاد این تركها اجتناب نمود.

عموماً در صد حجم الیاف به بتن 3 ~ 1/0 درصد است ، اما از آنجا که نحوه قرار گرفتن الیاف داخل بتن کاملاً تصادفی می باشد ، ازاین بتن معمولاً نمی توان به نحو مطلوبی در ساخت تیرها وستون ها بهره گرفت ودر این نوع سازه ها استفاده از روش سنتی و شبکه بندی فولادی به صرفه تر و مناسب تر می باشد . لازم است به این نکته توجه شود که ناکارآمدی یک تکنولوژی جدید در نقاط ضعف خود نباید مانع نادیده گرفتن کاربردهای مناسب آن در نقاط قوت آن وعدم توجه به آن گردد.

 

استفاده و کاربرد بتن اليافي در ايران :

نظر به اینکه برخي از آئين نامه هاي جديد استفاده از الياف فولادي يا كربني به جای میلگرد در بتن وشاتکریت را مجاز دانسته اند اما فعلاً آئين نامه بتن ايران يا مبحث نهم مقررات ملي ايران چنين جوازي را صادر نكرده اند . اگرچه در كشور ما تحقيقات تئوري و فعاليت هاي تجربي نسبتاً مناسبي در زمينة گسترش و كاربرد تكنولوژي هاي بتن اليافي صورت گرفته است، اما حقيقت آن است كه گسترش اين فناوري بيش از همه وابسته به اعلام نياز از سوي صنعت و مقرون به‌صرفه‌نمودن كاربري آن از سوي محققان كشور مي باشد. چند سال پيش كنفرانسي در زمينه تكنولوژي بتن اليافي با هدف شناساندن فناوري مذكور، در دانشگاه صنعتي شريف برگزار گرديد. در اين كنفرانس، محققان و سخنرانان از مراكز مختلفي به ايراد سخنراني و ارايه مقاله پرداختند. به طور مثال در يك نمونه از كارهاي ارائه شده، مسئله به‌صرفه‌بودن استفاده از اين نوع بتن مورد بررسي و مطالعه كارشناسي قرار گرفته بود. حاصل اين بررسي مؤيد آن بود كه در بعضي پروژه هاي صنعتي، به‌كارگيري بتن اليافي نسبت به روش‌هاي متداول استفاده از شبكه بندي فولادي، بسيار اقتصادي تر، سريعتر و آسان تر مي باشد.

برگزاري اين كنفرانس اثرات مثبت زيادي در شناسايي و توسعة اين فناوري داشت. پس از آن، بخش هايي از صنعت و دانشگاه به بررسي امكان توليد الياف گوناگون بالاخص الياف شيشه و فولاد پرداختند. همچنين به تدريج بتن اليافي با الياف تقويت‌كنندة پلي پروپيلن به بازار مصرف راه يافت و در انجام پروژه هايي به كار گرفته شد. در مجموع قدم هاي مثبتي در اين جهت برداشته شده است اما سرعت اين حركت نسبتاً كند بوده است . بر اساس مطالب ياد شده بتن اليافي با مزاياي ويژه خود مي تواند کاربردهاي وسیعی داشته باشد ، لیکن جهت به کار گيري آن در ايران لازم است که دو نكته اساسي در نظر باشد .

مورد اول:

لازم است که حداقل مقاومت براى بتن در کليه سازه هاي بتني اعمال شود , که اين خود در کيفيت بتن، بدون واردکردن هيچگونه الیافی نفش موثر دارد . بدین معنی که باید اول کیفیت بتن بدون الیاف را ارتقا دهیم .

مورد دوم :

نظر به اينكه بايد از پديده »گلوله شدن 12 « در بتن اليافي جلوگيري به عمل آيد ، لذا لازم است نحوه صحيح مخلوط کردن الياف با بتن و همچنين استفاده از روان سازها جهت افزایش کارایی فراهم گردد. لازم است به این صنعت نو پا با کاربردهاي فراوان ، توجه بيشتري معطوف شود و الياف مختلف اعم از مصنوعي ( مانند پلی پروپیلن )و فولادي ، به شكل مطلوب و با کيفيت مناسب ساخته شوند. سرمايه گذاري جهت ساخت الياف و اينكه صنعت پتروشيمي به ساخت الياف پلي پروپيلن و صنعت فولاد به ساخت الياف فولادي مبادرت ورزند ، مي تواند راه گشا باشد .

انواع الیاف ها:

–          الیاف شیشه ای

–          الیاف کربن

–          الیاف سنتتیک

–          الیاف پروپیلن

انواع الياف فولادي و ويژگيهاي آنها:

الياف فولاي داراي شكل و قطرهاي گوناگوني بوده ونحوه ساخت آنها نيز متفاوت است. الياف فولادي كه در حال حاضر در بازارهاي جهاني موجود است، عمدتاً بر اساس چهار روش زير توليد مي‌شوند:

–كشيدن و بريدن سيمهاي فولادي (الياف سيمي) با سطح مقطع دايره‌اي

– نورد و برش ورق‌هاي فولادي (الياف برشيي) با سطح مقطع مستطيلي

– با استفاده از مواد مذاب (الياف ريخته‌گري) با سطح مقطع هلالي

–تراشيدن سطح ورقهاي فولادي (الياف ماشيني) با سطح مقطع هلالي، مثلثي يا تاب خورده

همچنين با توجه به شكل‌پذيري فولاد، به راحتي مي‌توان گيرداري الياف را در بتن تأمين كرد. به همين منظور مي‌توان شكلهاي مختلف از قبيل انتهاي خميده، انتهاي قلابدار، دم پهن، موجدار، خورده تراشه نامنظم و… را توليد كرد.

مهمترين شركتهاي توليد كننده الياف فولادي در جهان عبارتند از: شركتهاي دراميكس، ويراند، هاركس و فايبركان به ترتيب، به كشورهاي بلژيك، ايتاليا، آلمان و آمريكا تعلق دارند. براي روشن شدن تأثير شكل الياف فولادي بر روي مقاومتهاي مكانيكي بتن الياف‌دار، كومولوس تحقيقاتي بر روي انواع الياف فولادي انجام داد كه مشخصات 4 نوع از آنها عبارتند از:

1.       الياف با انتهاي قلاب‌دار، طول 50 ميليمتر و قطر 4/0 ميليمتر.

2.       الياف موجدار با طول 25 ميليمتر و قطر 25/0 ميليمتر.

3.       الياف صاف با مقطع گرد، طول 30 ميليمتر و قطر 3/0 ميليمتر.

4.       الياف صاف با مقطع گرد، طول 20 ميليمتر و قطر 2/0 ميليمتر.

خواص بتن الیافی :

– مقاومت استاتیکی : الیاف فولادی ، مقاومت خمشی 13نخستین ترک بتون الیافی را تا چندین برابر مقاومت نخستین ترک بتون معمولی افزایش می دهد . اضافه کردن الیاف به بتون علاوه بر اینکه از نظر افزایش مقاومت های استاتیکی بتون مؤثر است ، در ایزوتروپی و همگنی جسم بتون نیز تأثیر بسزائی دارد . تأثیر الیاف فولادی در مقاومت استاتیکی14بتون شامل مقاومت خمشی ، فشاری ، برشی و شکافتگی می باشد که هر کدام از این مقاومت ها در بخش های بعدی شرح داده خواهد شد .

– مقاومت خمشی :خاصیت مهم بتن الیافی مقاومت خمشی زیاد و مقاومت در مقابل ترک خوردگی است که این خاصیت راه حل مناسبی برای کاهش خاصیت تردی و شکنندگی بتن خالص است .

 

– مقاومت برشی : الیاف فولادی می تواند جایگزین خاموت ها در تیرهای بتونی شود ، بدون اینکه در ظرفیت نهائی برشی ، کاهشی به وجود آید . الیاف فولادی علاوه بر اینکه مقاومت برشی بتن را افزایش بتون را افزایش می دهد ، تیرهای بتون آرمه را در مقابل گسیختگی ناگهانی در ناحیه کششی تقویت می کند . این مزیت عمدة الیاف فولادی در افزایش مقاومت برشی بتن است که باعث می شود از کاربرد خاموت بعنوان آرماتور برشی صرفنظر گردد.

 

– مقاومت پیچشی : در رابطه با مقاومت پیچشی 15 الیافی تحقیقات خاصی صورت نگرفته است . در یک مورد خاص بررسی هایی که توسط شرکت Bekaert در بلژیک انجام یافته ، مقاومت پیچشی بتن الیافی را 5/1 تا 2 برابر بتن خالص ذکر کرده است .

 

– مقاومت ترک خوردگی :الیاف نه تنها بر روی مقاومت بتن خالص تأثیر بسیار مثبتی دارد بلکه بعنوان یک عامل باز دارنده ترک نیز عمل می کند . بدین معنی که با شروع ترک خوردگی ، الیاف نقش خود را در دوختن ترک و محدود کردن اندازه ترک بازی کرده و از ادامه ترک خوردگی حتی با ادامه بارگذاری جلوگیری بعمل می آورد .

 

– پوسیدگی و زنگ زدگی الیاف فولادی : مطالعات اخیر نشان می دهد که اثر خوردگی و پوسیدگی آب شور روی ملات سیمانی (سیمان پرتلند) مسلح به 2 درصد حجمی الیاف فولادی ناچیز بوده است ، بطوریکه بعد از 90 روز قرار گرفتن در داخل و خارج آب نمک اشباع شده ، هیچ تغییری در مقاومت خمشی بتن الیافی مشاهده نگردید .

مقاومت فشاری یک ملات الیاف دار که بطور مداوم و به مدت 10 سال در آب دریا غوطه ور بوده است از 582 کیلوگرم بر سانتی متر مربع به 7/495 کیلوگرم بر سانتی متر مربع کاهش یافت که این کاهش در حدود 15 درصد است ، این در حالیست که تحت همان شرایط ، مقاومت ملات 40 درصد کاهش یافته بود . مقاومت خمشی ملات الیاف دار نیز بعد از 10 سال 31 درصد تنزل کرده و به مقدار 3/105 کیلوگرم بر سانتی متر مربع رسیده بود.

–قابلیت هدایت حرارتی : الیاف فولادی ضریب هدایت حرارتی بتن را ۲۵ تا۵۰ درصدافزایش می دهند. همچنین این الیاف باعث افزایش مقاومت بتن در تغییرات ناگهانی و زیاد درجه حرارت می شود.

 

رفتار بتن اليافی در برابر نيروها:

نتايج ارزيابی رفتار الياف به منظور کنترل ترک هاى ناشى از جمع شدگى 16در بتن استاندارد و خودتراکم مختصرا به صورت زير می باشد.

اگر بتن از جمع شدن باز داشته شود ، تنشهای کششی ايجاد شده در آن باعث ترک خوردگی مقطع می شوند . در بتن استاندارد با نسبت آب به سیمان بالاتر از 45 درصد جمع شدگی ناشی از خشک شدن به عنوان مهمترین دلیل ایجاد ترک در سنین اولیه توصیف شده است . دربتن خودتراکم در سنین اولیه به دلیل چسبندگی بالاى مواد ريز موجود ، جمع شدگی و خزش بيشترى نسبت به بتن استاندارد مشاهده می شود ولی در مرحله سخت شدن تاخيرى در شروع جمع شدگی بتن خود تراکم به وجود می آید که به دلیل پایین بودن سرعت تبخير از سطح خارجی اعضاء بتنى می باشد. جمع شدگى ناشی از خشک شدن از همان ابتدا یعنی زمان هاى اوليه بتن ريزى و حتی قبل از افزايش ظرفيت مکانيکى بتن آغاز می شود که بستگی به خواص بتن (طرح اختلاط، طريقه ى بتن ريزى و روش های عمل آوری ) شکل وچگونگی اعضاء بتنی وشرایط محیطی (دما، رطوبت مربوطه، سرعت باد) دارد. .چون جمع شدگی به دلیل کمبود آب درون بتن به سطح اعضاء تحمیل می شود ، کرنش در این قسمت از اعضاء ایجاد شده وترک هائی با منشاء خشک کردن انقباض 17 از نواحى سطحی که 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 یک محیط مهاجم بیشترین آسیب را در اثر به وجود آمدن ترک ها می بینند واین امر با عبور هوا از روی نمونه ها ی تازه تشدید می یابد 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 توان سه 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.

 

بتن بدون الیاف ، بتن با الیاف

 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.

 

نکات اجرایی :

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 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.

 

نوآوری ها در زمينه بتن اليافی :

بتن و فولاد دو نوع مصالحی هستند که امروزه بیشتر از سایر مصالح در ساختمان انواع بناها از قبیل ساختمان پلها،ساختمان سدها، ساختمان متروها،ساختمان فرودگاه ها و ساختمان بناهای مسکونی و اداری و غیره به کار برده می شوند.و شاید به جرأت می توان گفت که بدون این دو پیشرفت جوامع بشری به شکل کنونی میسر نبود.با توجه به اهدافی که از ساخت یک بنا دنبال می شود،بتن و فولاد به تنهایی و یا به صورت مکمل کار برد پیدا می کنند. فولاد به لحاظ اینکه در شرایط به دقت کنترل شده ای تولید می شود و مشخصات و خواص آن از قبیل تعیین و با آزمایشات متعددی کنترل می شود،دارای کاربری آسانتر از بتن است. اما بتن در یک شرایط کاملا متفاوتی با توجه به پارامتر های مختلف از قبیل نوع سیمان،نوع مصالح و شرایط آب و هوایی تولید و استفاده می شود و عدم اطلاع کافی از خواص مواد تشکیل دهنده بتن و نحوه تولید و کاربرد آن می تواند ضایعات جبران ناپذیری را به دنبال داشته باشد.

با توجه به پیشرفت علم و تکنولوژی در قرن اخیر، علم شناخت انواع بتن و خواص آنها نیز توسعه قابل ملاحظه ای داشته است، به نحوی که امروزه انواع مختلف بتن با مصالح مختلف تولید و استفاده می شود و هر یک خواص و کاربری مخصوص به خود را داراست.هم اکنون انواع مختلفی از سیمانها که حاوی پوزولانها ،خاکستر بادی،سرباره کوره های آهن گدازی،سولفورها،پلیمرها،الیافهای مختلف،و افزودنیهای متفاوتی هستند،تولید می شد. ضمن اینکه تولید انواع بتن نیز بااستفاده از حرارت،بخار،اتوکلاو،تخلیه هوا،فشار هیدرولیکی،ویبره و قالب انجام می گیرد.

بتن به طور کلی محصولی است که از اختلاط آب با سیمان آبی و سنگدانه های مختلف در اثر واکنش آب با سیمان درشرایط محیطی خاصی به دست می آیدو دارای ویژگیهای خاص است.

اولین سؤالی که پیش می آید این است که چه رابطه ای بین تشکیل دهنده بتن باید وجود داشته باشد تا یک بتن خوب به دست آید و اصولا بتن خوب دارای چه شرایط و ویژگیهایی است. رابطه بین اجزاء تشکیل دهنده بتن،در خواص فیزیکی و شیمیایی و همچنین نسبت اختلاط آنها با هم است.چه اگر مصالح یا آب و سیمانی با خواصی مناسب بتن با هم مخلوط گردند و در شرایط و محیطی مناسب به عمل آیند،یقینا بتن خوبی حاصل می شودو اصولا بتن خوب، بتنی است که دارای مقاومت فشاری دلخواه و رضایت بخشی باشد. رسیدن به یک مقاومت فشاری دلخواه و رضایت بخش بدین معناست که سایر خواص بتن مانند مقاومت کششی، وزن مخصوص، مقاومت دربرابر سایش، نفوذ ناپذیری، دوام، مقاومت دربرابر سولفاتها و … نیز همسو با مقاومت فشاری، بهبود یافته و متناسب می شوند. اگر چه شناخت مصالح مورد مصرف در ساخت بتن و همچنین خواص مختلف بتن کار آسانی نیست اما سعی می شود به خواص عمومی مصالح و همچنین بتن پرداخته شود.

بتن اینک با گذشت بیش از 170 سال از پیدایش سیمان پرتلند به صورت کنونی توسط یک بنّای لیدزی، دستخوش تحولات و پیشرفتهای شگرفی شده است.در دسترس بودن مصالح آن، دوام نسبتاً زیاد و نیاز به ساخت و سازهای فراوان سازه های بتنی چون ساختمان ها، پل ها، تونل ها، سدها، اسکله ها، راه ها و سایر سازه های خاص دیگر، این ماده را بسیار پر مصرف نموده است.

اینک حدود سه تا چهار دهه است که کاربرد این ماده ارزشمند در شرایط ویژه و خاص مورد توجه کاربران آن گشته است. اکنون کاملاً مشخص شده است که توجه به مقاومت تنها به عنوان یک معیار برای طرح بتن برای محیطهای مختلف و کاربریهای متفاوت نمی تواند جوابگوی مشکلاتی باشد که در درازمدت در سازه های بتنی ایجاد می گردد. چند سالی است که مسأله پایایی و دوام بتن در محیط های مختلف و به ویژه خورنده برای بتن و بتن مسلح مورد توجه خاص قرار گرفته است.مشاهده خرابی هایی با عوامل فیزیکی و شیمیایی در بتن ها در اکثر نقاط جهان و با شدتی بیشتر در کشور های در حال توسعه، افکار را به سمت طرح بتن هایی با ویژگی خاص و با دوام لازم سوق داده است. در این راستا در پاره ای از کشورها مشخصات و دستورالعمل ها واستانداردهایی نیز برای طرح بتن با عملکرد بالا تهیه شده و طراحان و مجریان در بعضی از این کشورهای پیشرفته ملزم به رعایت این دستورالعمل ها گشته اند.

در مواد تشکیل دهنده بتن نیز تحولات شگرفی حاصل شده است. استفاده از افزودنی های مختلف به عنوان ماده چهارم بتن، گسترش وسیعی یافته و در پاره ای از کشورها دیگر بتنی بدون استفاده از یک افزودنی در آن ساخته نمی شود. استفاده از سیمان های مختلف با خواص جدید و سیمان های مخلوط با مواد پوزولانی و نیز زائده های کارخانه های صنعتی روز به روز بیشتر شده و امید است که بتواند تحولی عظیم در صنعت بتن چه از نقطه نظر اقتصادی و چه از نظر دوام و نیز حفظ محیط زیست در قرن آینده بوجود آورد. در سازه های بتنی مسلح نیز جهت پرهیز از خوردگی آرماتور فولادی از مواد دیگری چون فولاد ضد زنگ و نیز مواد پلاستیکی و پلیمری (FRP) استفاده می شود که گسترش آن منوط به عملکرد آن در دراز مدت گشته است. با توجه به نیاز روز افزون به بتن های خاص که بتوانند عملکرد قابل و مناسبی در شرایط ویژه داشته باشند،سعی شده است تا در این مقاله به پاره ای از این بتن ها اشاره گردد. کاربرد مواد افزودنی به ویژه فوق روان کننده ها و نیز مواد پوزولانی به ویژه دوده سیلیس در تولید بتن با مقاومت زیاد و با عملکرد خوب مختصراً آورده می شود. بتن های خیلی روان که تحولی در اجرا پدید آورده است و نیز بتن های با نرمی بالا برای تحمل ضربه و نیروهای ناشی از زلزله نیز از مواردی است که باید به آنها اشاره نمود. کوشش های فراوان برای مبارزه با مسأله خوردگی آرماتور در بتن و راه حل ها و ارائه مواد جدید نیز در اواخر سالهای قرن بیستم پیشرفت شتابنده ای داشته است که به آنها اشاره خواهد شد.

 

افزودنی های خاص در شرایط ویژه:

برای ساخت بتن های ویژه در شرایط خاص نیاز به استفاده از افزودنی های مختلفی می باشد. پس از پیدایش مواد افزودنی حباب هواساز در سالهای 1940 کاربرد این ماده در هوای سرد و در مناطقی که دمای هوا متناوباً به زیر صفر رفته و آب بتن یخ می زند، رونق بسیار یافت. این ماده امروز یکی از پر مصرف ترین افزودنی ها در مناطق سرد نظیر شمال آمریکا و کانادا و بعضی کشورهای اروپایی است.

ساخت افزودنی های فوق روان کننده که ابتدا نوع نفتالین فرمالدئید آن در سالهای 1960 در ژاپن و سپس نوع ملامین آن بعداً در آلمان به بازار آمد شاید نقطه عطفی بود که در صنعت افزودنی ها در بتن پیش آمد. ابتدا این مواد برای کاستن آب و به دست آوردن کارایی ثابت به کار گرفته شد و چند سال بعد با پیدایش بتن های با مقاومت زیاد نقش این افزودنی اهمیت بیشتری یافت. امروزه بتن های مختلفی برای منظور ها و خواص ویژه و نیز به منظور مصرف در شرایط خاص با این مواد ساخته می شود که ازمیان آنها به ساخت بتن های با مقاومت زیاد، بتن های با دوام زیاد، بتن های با مواد پوزولانی زیاد (سرباره کوره های آهن گدازی و خاکستر بادی) بتن های با کارایی بالا، بتن های با الیاف و بتن های زیر آب و ضد شسته شدن می توان اشاره نمود.

بتن های با کارآیی بسیار زیاد که چند سالی است از پیدایش آن در جهان و برای اولین بار در ژاپن نمی گذرد، تحول جدیدی در صنعت ساخت و ساز بتنی ایجاد کرده است. این بتن که نیاز به لرزاندن نداشته و خود به خود متراکم می گردد، مشکل لرزاندن در قالب های با آرماتور انبوه و محلهای مشکل برای ایجاد تراکم را حل نموده است. این بتن علیرغم کارایی بسیار زیاد خطر جدایی سنگدانه ها و خمیر بتن را نداشته و ضمن ثابت بودن کارایی و اسلامپ تامدتی طولانی می تواند بتنی با مقاومت زیاد و دوام و پایاپی مناسب ایجاد کند. در طرح اختلاط این بتن باید نسبت های خاصی را رعایت نمود. به عنوان مثال شن حدود 50 درصد حجم مواد جامد بتن را تشکیل داده و ماسه حدود 40 درصد حجم ملات انتخاب می شود. نسبت آب به مواد ریزدانه و پودری بر اساس خواص مواد ریز بین 9/0 تا 1 می باشد. با روش آزمون و خطا نسبت دقیق آب به سیمان و مقدار ماده فوق روان کننده مخصوص برای مصالح مختلف تعیین می گردد. از این بتن با استفاده از افزودنی دیگری که گرانروی بتن را می افزاید در زیر آب استفاده شده است.

بتن های با عملکرد و دوام زیاد:

از آنجا که رسیدن به مقاومت بالا در بتن از اهداف دست اندرکاران کارهای بتنی در دو دهه اخیر بوده است، ابتدا این نوع بتن با مقاومت بیش از MPA50 ساخته شد.با پایین آوردن نسبت آب به سیمان تا حد 3/0 رسیدن به چنین مقاومتهایی بسیار آسان است. برای ساخت بتن هایی با مقاومت بیشتر و در حد 110~80 Mpa و برای تقویت ناحیه فصل مشترک سنگدانه درشت و خمیر سیمان مواد سیلیسی فعال و غیر بلوری به نام دوده سیلیس به کار گرفته شد. همزمان سنگدانه هایی با مقاومت بیشتر و با دانه بندی مناسب تر و با کنترل حداکثر اندازه سنگدانه در این مخلوط ها به کار رفت.

از آنجا که در کاربرد این بتن گاه مقادیر بالایی سیمان و بیش از 400 کیلوگرم (حتی تا 500 کیلوگرم) مصرف می شد، علاوه بر گرانی این بتن، ترک هایی نیز حین ساخت به دلیل جمع شدگی پلاستیکی و ناشی از خشک شدن بیشتر این بتن ها و نیز ترک های حرارتی بوجود آمد. همچنین با افزایش این مقاومت تردی و شکنندگی بتن نیز افزایش یافت. چنین بتنی نمی توانست در شرایط محیطی سخت و محیطهای خورنده به علت وجود ترک های زیاد دوام قابل قبولی داشته باشد.

به منظور افزایش دوام حین افزایش مقاومت ضمن کاربرد دوده سیلیس و کم کردن آب و مصرف فوق روان کننده، مقدار سیمان کاهش یافته و در عوض مواد پوزولانی همچون دوده سیلیس، خاکستر بادی، سرباره کوره های آهن گدازی، خاکستر پوسته برنج و بالاخره پوزولان های طبیعی به صورت مواد ریزدانه جایگزین آن گردید. امروز شاهد ساخت بتن هایی با دوام که نفوذپذیری کمی دارند و در مقابل حملات شیمیایی کلرورها و سولفات ها و گاز کربنیک و بعضاً واکنش قلیایی پایدارتر می باشند، هستیم.

برای مصرف این بتن در سازه های بلند و رفع نقیصه شکنندگی در پاره ای موارد از الیاف های کوتاه استفاده شده تا بدین وسیله نرمی این بتن ها افزایش یابد. از مزایای عمده این بتن ها کاهش وزن ساختمان ها به علت کم کردن ابعاد ستون ها، صرفه جویی در میزان بتن و فولاد، کوتاه شدن دوران ساخت، تغییر شکل های وابسته به زمان کمتر و پایایی و داوم بشتر آنها می باشد.

به منظور کاستن وزن سازه های بتنی که با بتن با مقاومت زیاد ساخته می شوند چند سالی است که با مصرف بخشی از سنگدانه های سبک در آن، بتن های سبک تری تولید نموده اند. امروزه بتن هایی با وزن مخصوص 2 تن بر متر مکعب و مقاومت های 80~60 mpa در بعضی پروژه ها به کار رفته است. به علت دوام قابل قبولی که این بتن ها در آزمایشات متعدد از خود نشان داده اند مصرف آنها در چند سازه بتنی دریایی در محیط های خورنده در کشورهای نروژ، کانادا، ژاپن، آمریکا و استرالیا گزارش شده است.

در کشور ما نیز اخیراً با تولید دوده سیلیس در کارخانه های داخلی کاربرد این ماده در بتن آغاز گشته است. در چند پروژه در جنوب کشور که به علت داشتن آب و هوای گرم و محیطی خورنده برای بتن و نیز فولاد از سخت ترین شرایط محیطی برای بتن است، بتن با سیمان دارای حدود 7 تا 10 در صد میکرو سیلیس به عنوان جابگزین سیمان استفاده شده است. بایستی توجه داشت که به علت عدم آب انداختگی این بتن و واکنش های سریع و گرمای محیط خطر ایجاد ترک های پلاستیک در ساعات اولیه و سپس ترک های ناشی از خشک شدن و حرارتی در این بتن ها زیاد بوده و در صورت عدم کنترل و دقت و عمل آوری سریع و مناسب علیرغم مقاومت زیاد وجود ترک در این بتن ها سبب افزایش نفوذ پذیری آنها گشته و در نتیحه املاح و مواد خورنده به داخل بتن و خوردگی آرماتور خرابی بتن تشدید می گردد. در پاره ای از تونل های انتقال آب و نیز تونل سدها نیز از این ماده در طرح اختلاط بتن برای بتن پاشی پوشش استفاده شده است. پیوستگی خوب این بتن و کم شدن مصالح بازگشتی و مقاومت و دوام خوب از خصوصیات آن درپوشش تونل ها است. این ماده در لایه نهایی سرریز بعضی سدهای کشور نیز در حال استفاده و یا در آینده استفاده نخواهد شد. مصرف میکرو سیلیس در بتن سبب افزایش مقاومت سایشی و فرسایشی بتن می گردد.

بتن های با نرمی بالا:

امزوزه کار برد بتن با نرمی بالاتر که بتواند تغییر شکل های زیاد را بدون شکست تحمل نماید، مورد توجه قرار گرفته است. تحقیقات در خصوص تأمین نرمی لازم در بتن با الیاف های مختلف و حتی حذف آرماتور در حال انجام می باشد. هدف از کاربرد الیاف در بتن افزایش مقاومت کششی، کنترل گسترش ترک ها و افزایش طاقت بتن می باشد تا قطعه بتنی بتواند در مقابل بارهای وارده در یک مقطع ترک خورده تغییر شکل های زیادی را پس از نقطه حداکثر تنش تحمل نماید.

بتن با الیاف مختلف در سال های اخیر در سازه های عمده ای چون رو سازی راهها و فرودگاه ها، پی های عظیم با تغییر شکل های زیاد و به ویژه در پوشش بتنی تونل ها به کار رفته است. در ساخت پوشش تونل ها بتن الیافی با پاشیدن بر جداره شکل می پذیرد. اخیراً برای حذف ترک ها در پوشش تونل هایی که به صورت چند تکه پیش ساخته اجرا می شود از بتن بدون آرماتور و تنها الیاف استفاده شده و این نوع بتن سبب حذف ترک ها در حین عمل آوری و حمل و نقل قطعات و نصب آنها برای کامل کردن مقطع تونل های مترو شده است.

در نوع بسیار جدید بتن الیافی که می توان با آن به حداکثر نرمی در بتن رسید از روش ریختن دوغاب روی الیاف استفاده می شود . در این روش ابتدا الیاف ریخته شده و سپس فضای بین آنها با ملات دوغابی پر می شود. میزان الیاف در این بتن حدود 10 در صد می باشد که حدود 10 برابر میزان الیاف در بتن های الیافی متداول است. با این مصالح لایه های محافظی بدون ترک و تقریبا غیر قابل نفوذ می توان ایجاد نمود. به علت نرمی زیاد این قطعات ظرفیت تغییر شکل پذیری این قطعات به میزان ظرفیت دال های فولادی می رسد. مقاومت فشاری این نوع بتن حدود 110-85 مگا پاسکال و مقاومت خمشی حدود N/m 45-35 می باشد. از این قطعات می توان نه تنها به عنوان لایه های محافظ کوچک استفاده نمود بلکه در باندهای فرودگاه در برابر ضربات عملکرد خوبی نشان می دهند. در کارهای تعمیراتی دال ها می توان از آنها به عنوان لایه روی بتن قدیم و بدون درز و در زمان کوتاهی استفاده نمود.

 

آرماتورهای غیر فولادی در بتن:

در سال های اخیر استفاده محدودی از آرماتورهای غیر فلزی آغاز گشته است هر چند تحقیقات بر روی کاربرد وسیعتر آنها و عملکرد دراز مدت این نوع آرماتورها ادامه دارد این 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 اند.

خاصیت عمده این آرماتورها که سبب کار برد آنها شده است مقاومت در برابر خوردگی آنهاست که می تواند در محیط های بسیار خورنده دوام دراز مدتی داشته باشند. علاوه بر این مقاومت بالا، مقاومت به خستگی بالا، ظرفیت بالای تغییر شکل ارتجاعی، مقاومت الکتریکی زیاد و هدایت مغناطیسی پایین و کم این مواد از مزایای آنها شمرده می شود. البته این مواد معایبی چون کرنش گسیختگی کم و شکننده بودن و خزش زیاد و تفاوت قابل ملاحظه ضریب انبساط حرارتی آنها در مقایسه با بتن را به همراه دارند.

اخیراً از الیاف مختلف شبکه هایی بافته شده و به صورت یک شبکه آرماتور در سطح بتن برای کنترل ترک و کم کردن عرض آن و همچنین در دیوارهای نمای بتنی ازآن استفاده می کنند. تحقیقات روی کاربرد صفحات الیافی به جای صفحات فولادی برای تقویت قطعات خمشی و تیرها و دال ها به ویژه در پل ها ادامه دارد. این صفحات با رزین های اپوکسی به نواحی کششی از خارج اتصال داده می شود. 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.

 

توليد و اجراي بتن اليافي:

افزايش نسبت ظاهري (I/d) موجب تجمع و درگيري رشته‌هاي اليافي در يكديگر مي‌گردد. براي مخلوط يكنواخت نسبت ظاهري حداكثر به عدد 100 محدود مي‌شود.

چنانچه درصد حجمي الياف از 2 درصد افزايش يابد مشكلاتي در كيفيت بتن پديد مي‌آيد. الياف فولادي موجب كاهش در اسلامپ بتن مي‌شود.

تجربه نشان داده است كه نسبت آب به سيمان 4/0 تا 6/0 و مقدار سيمان بين 250 تا 450 كيلوگرم در متر مكعب مناسب است.

يك درصد حجمي الياف فولادي حدود 78 مي‌باشد و چنانچه بر اساس وزن مخصوص بتن محاسبه شود، اين مقدار حدود 3 درصد وزني خواهد بود. در بتن اليافي به منظور خارج كردن هوا، كاهش آب، افزايش كارآيي و كنترل انقباض معمولاً مواد مضاف مناسبي را مي‌توان مورد استفاده قرار داد. تجربه نشان داده است كه 25 تا 35 درصد خاكستر آتشفشاني به جاي سيمان تأثير مناسبي در افزايش كارآيي و زمان گيرش خواهد داشت.

طبق توصيه ACI – 211 مراحل طرح اختلاط به شرح زير خواهد بود:

اسلامپ متناسب با نوع كار و مقاومت مورد نياز مشخص گردد (براي بتن حجيم 25 تا 50 ميليمتر و براي تير و ستونها تا 100 ميليمتر). براي افزايش اسلامپ بدون كاهش مقاومت از فوق روان‌كننده استفاده مي‌شود.-

– 19) ميليمتر استفاده شود.

تعيين مقدار آب تابعي از اسلامپ، اندازه دانه‌ها و حباب‌هاي هواي لازم است. ميزان حباب هوا به شرايط جوي مرتبط بوده وبراي مناطق يخبندان بيشتر توصيه مي‌شود ولي موجب كاهش مقاومت مي‌گردد.-

بتن الیافی باید حاوی ریزدانه بیشتری باشد.

با در نظر گرفتن رطوبت موجود در سنگدانه ها میزان آب مصرفی اصلاح می شود.-

برای اختلاط یکی از سه روش ذیل انتخاب می شود:

الف) ابتدا سنگدانه ها با الیاف بر روی تسمه نقاله ترکیب شده و به مخلوط کن هدایت می شوند، سپس بقیه مصالح بتن به مخلوط کن اضافه شده و نهایتاً آب افزوده می گردد.

ب) ابتدا سنگدانه های ریز و درشت در مخلوط کن، مخلوط می گردند و در حین اختلاط، الیاف اضافه و سپس سیمان و بعد آب افزوده می شود.

پ) سنگدانه ها به همراه از آب در مخلوط کن ترکیب، سپس الیاف افزوده می گردد و آنگاه سیمان و مابقی آب به ترتیب اضافه می شود.

توضیح اینکه چنانچه الیاف فولادی چسبی استفاده شود، الیاف در آخرین مرحله به بتن افزوده می‌گردد.

در اجرای بتن باید توجه داشت که چنانچه ویبراسیون داخلی کنترل نشده باشد موجب جدایی الیاف می گردد، لذا همواره ویبره خارجی توصیه می گردد. همچنین بتن الیافی به زمان بیشتری جهت ویبره نیاز دارد. پرداخت سطح بتن الیافی بسیار مهم بوده و تأثیر بسزایی در کنترل ترکهای پلاستیک و خشک خواهد داشت. عمل آوردن و نگهداری بتن الیافی مشابه بتن معمولی است.

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. بتن الیافی خواص مناسبی همچون شکل‌پذیری بالا، مقاومت فوق‌العاده، قابلیت جذب انرژی و پایداری در برابر ترک خوردن را دارا می باشد که متناسب با آنها می توان موارد کاربرد فراوانی برای آن یافت. به طور مثال در ساخت کف 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 مقاوم‌به‌ضربه، همچون سازه پناهگاه ها و انبارهای نگهداری مواد منفجره به شمار می رود و بنای شکل 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 کمک گرفت. موارد دیگری از به کارگیری این بتن، ساخت قطعات پیش ساخته ساختمانی همچون پانل های سایبان و یا پاشش بتن روی سطوح انحنا‌دار همچون تونل ها می باشد. به‌کارگیری این بتن در بنای یک سازه علاوه بر موارد یاد شده از مزایایی همچون عایق بودن سازه در برابر صدا و سرعت بالای اجرا نیز برخوردار است

نخست آنكه هزينة استفاده از يك تكنولوژي، كاملاً وابسته به سطحي از آن تكنولوژي است كه نسبت به كسب و انتقال آن اقدام مي شود. كشورهاي پيشرفتة جهان كه تكنولوژي نوين خود را از سطوح اوليه تحقيقاتي كسب كرده اند، چون كاملاً بر تكنيك ها و دانش پايه اي آن واقف و مسلط هستند، متحمل هزينه هاي كمتري شده‌اند. آنها با تكيه بر همين آگاهي و اشراف، با بهبود فرايندها، قيمت نهايي را در طول زمان كاهش خواهند داد. اما اگر ما بخواهيم تمام اين تكنولوژي را صرفاً در سطح يك محصول آماده، به كشور وارد كنيم، طبيعي است كه متحمل هزينه هاي سنگيني خواهيم شد و محصول نهايي نيز به صرفه نخواهد بود.

دومين مسئله اي كه بايد در جهت ارزيابي اقتصادي يك تكنولوژي مورد توجه واقع شود، آن است كه اكتساب و پرورش يك تكنولوژي از سطوح نخست تحقيقات، نياز به يك سرمايه گذاري اوليه دارد. دستيابي به نحوه اجراي مناسب، تكنولوژي ساخت و آموزش و گسترش آن در جامعه، نيازمند صرف بودجه لازم توسط دست‌اندركاران و خصوصاً دولت مي باشد. اين هزينه ها بعداً در طول عمر تكنولوژي و اراية محصول به بازار جبران خواهد شد و نهايتاً به سوددهي منجر مي گردد. عدم پرداختن به تحقيق و توسعه و بهره گيري از تكنولوژي نوين، علاوه بر آن كه نمي تواند پاسخگوي نياز روز صنعت ساختمان باشد، در درازمدت، هزينه بسيار بالايي نيز به ما تحميل مي كند.

آخرين نكتة مورد توجه آن است كه سياست گذاري اصولي براي ايجاد يك شبكة كاري تكنولوژي جهت كاركرد مناسب و نيل به بهره وري اقتصادي، نقش حياتي در اكتساب صحيح يك تكنولوژي دارد. عدم وجود اين سياست ها باعث مي گردد تا حتي اگر يك مجموعه يا كارخانه بخواهد خود به سمت فناوري نوين روي آورد، متحمل هزينة مضاعف گزافي شود كه از توان آن مجموعه خارج باشد. براي آنكه كارخانه ها و صنعتگران بتوانند به عنوان يك جزء شبكة تكنولوژي در اين مسير گام بردارند، بايد ساير نهادها و اجزاي لازم نيز در شبكه حضور داشته و هماهنگ عمل كنند. ايجاد چنين شبكة منسجم، جز به اهتمام سياست‌گذاران و فرهنگ‌سازي ميسر نخواهد بود.

 

 

نتيجه گيري :

با توجه به خواص بتن مسلح به الیاف فولادی که در این مقاله شرح آن گذشت ، بطور یقین می توان اذعان کرد ، همانطوریکه بتن آرمه ای و فولادی در اجرای طرحهای مهم ، تحول بزرگی را بوجود آورده است ، استفاده از بتن الیافی نیز می تواند تحول چشمگیری در کم و کیف سازه های در درست اجراء یا طرحهای آینده کشور داشته باشد .با اتکاءبر ظرفیت کرنش پذبری بتن الیافی در فشار می توان از میزان آرمارتورهای محصور کننده در نواحی فشار کاست.مقاومت فشاری در بتن های الیافی به گونه ای است که می توان از ارماتورهای برشی را حذف کرده.مصالح بتن الیافی بر خلاف بتن معمولی قادر به تحمل تنش های کششی قابل ملاحظه در بارهای کششی می باشد .مقاومت کششی بتن در صورت استفاده از الیاف بعد از ترک خوردن افزایش می یابد اما این افزایش نمی تواند با افزایشی که آرماتور بندی معمولی ایجاد می کند. در پایان امید است مختصصان ومهندسان امر در جاهایيکه استفاده از این بتن از لحاظ فنی واجرایی منطقی به نظر می رسد از این روش جديد پيروي نمايند زيرا هم به نحو چشمگیری باعث تقليل هزينه ها اجرائي شده و هم در زمان كوتاهتري سازه ها به بهره برداري خواهند رسید .

 

زیر نویس ها:

1- Fiber Concrete

2- Tensile strength

3- High strenngth concretes

4- Compressive strength

5- Plasticity

6- Energy absorption capability

7- Continuity

7 Strain

8- Eating out

9- Thermal stresses

10- Creep

11- Flexibility

12- Balling

13- Flexural strength

14- Static resistance

15- Torsional resistance

16- Shrinkage

17-Drying Shrinkage

 

 

 

 

مراجع: 

1- N. Banthia, M. Sappakittipakorn, ‘Toughness enhancement in Steel Fibre Reinforced ConcreteThrough Fibre Hybridization’, 2007, Cementand Concrete Research.

2- Soroushian, P. and Bayasi, Z. Fiber-type effecctson the performance of steel fiberreinforced concrete.’ ACI Materials Journal, 88(2):129{134 (1991).

3- ACI544.1R-96, ‘State of The Art Report on The Fiber Reinforced Concrete

4- Victor C. Li, Gregore Fischer, 2002, ‘Advance Composite Material in Flexural Member for Auto-

Adaptive Structural Member’, Fiber Proceeding of 1th Fib Congress.

5- D.Saradhi Babu , K. Ganesh Babu , T.H Wee, T. (2004) Properties of lightweight expanded polystyrene

aggregate concretes containing fly ash. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH

7-مجله علمی- پژوهشی » عمران مدرس« دوره یازدهم، شماره3، پاییز 1390

8-مجموعه مقالات ارائه شده در چهارمين كنگره ملي مهندسي عمران ، دانشگاه تهران ، ارديبهشت 1387

9-استفاده از بتن اليافي در سيستم پوشش تك پوسته اي تونل ها نوشته مهندس مصطفي زمانيان ، دانشگاه صنعتي شريف و دکتر سيد حسن صحرانورد ، شرکت ساختماي بتون پاش

10- پرسش وپاسخ در مورد استفاده و کاربرد بتن الیافی- دکتر علیرضا خالو

11- مجموعه مقالات ارائه شده در وب سايت تخصصي عمران ومعماري

12- مجموعه مقالات ارائه شده در وب سايت معين عمران