0 تا 100 بتن الیافی (FRC)

مقدمه

بتن الیافی ماده‌ای متشکل از مواد فیبری است که یکپارچگی ساختاری آن را افزایش می‌دهد. الیاف اغلب در بتن برای کنترل ترک‌های ناشی از انقباض پلاستیک و خشک‌شدن انقباض مورداستفاده قرار می‌گیرد و می‌توانند دایره‌ای یا مسطح باشند و معمولاً یک‌سوم تا سه درصد کل مخلوط بتن را تشکیل می‌دهند. بتن الیافی یکی از بهترین مصالح ساختمانی است که به دلیل وجود الیاف زیاد سنتی و مدرن دارای خواص ساختاری بسیار قوی و یکپارچه است. به‌طورکلی انواع بتن در مراحل تشکیل دارای مواد اولیه مانند سیمان و ملات است. اما در بتن الیافی علاوه بر موارد ذکر شده از مواد دیگری به نام الیاف نیز استفاده می‌شود. رایج‌ترین الیافی که در تولید بتن استفاده می‌شود الیاف معمولی مانند فولاد و شیشه است، اما در حال حاضر به لطف پیشرفت علم و فناوری‌های جدید، پلی‌پروپیلن، پلی‌استر، سلولز، الیاف کربن و … است.

1. بتن الیافی (FRC) چیست؟

باگذشت زمان و افزایش جمعیت نیاز به پیشرفت در زمینه ساخت‌وساز، نگهداری و مقاوم‌سازی سازه‌های موجود و استفاده از تکنولوژی‌های نوین بیش از گذشته احساس می‌شود. از جمله تکنولوژی‌های نوینی که جایگاه ویژه‌ای در ساخت‌وساز به خود اختصاص داده است، افزودنی‌های بتن و الیاف تقویت‌کننده در غالب بتن الیافی است.

بتن الیافی در حقیقت نوعی بتن کامپوزیت است که نقش الیاف تقویت‌کننده داخل مخلوط بتن، در افزایش مقاومت کششی و فشاری بتن بسیار حائز اهمیت گردیده است. در نتیجه بسیاری از تحقیقات انجام شده روی این نوع از بتن، نشان می‌دهد که FRC در شرایط بارگذاری دینامیکی نسبت به سایر انواع بتن‌ها ویژگی‌های کنترل آسیب فوق‌العاده‌ای دارد.

این ترکیب کامپوزیتی، یکپارچگی و پیوستگی مناسبی‌ داشته و امکان استفاده از بتن به‌عنوان یک ماده شکل‌پذیر جهت تولید سطوح مقاوم پر انحنا را فراهم می‌آورد‌. بتن الیافی از نظر قابلیت جذب انرژی از مقدار بالایی نیز برخوردار است و تحت اثر بارهای ضربه‌ای به‌راحتی ازهم‌پاشیده نمی‌شود. مقاومت فشاری فوق‌العاده بالا از FRC با استفاده از دانه‌بندی مناسب که به طور همگن مخلوط شده باشند، به دست می‌آید. امروزه بتن الیافی با استفاده از انواع الیاف شیشه، پلی‌پروپیلن، فولاد و بعضاً کربن، تولید و استفاده از آن در کاربردهای مختلف صنعتی در کشورهای پیشرفته دنیا ممکن شده است.

2. کیفیت الیاف‌های به‌کاررفته در بتن به چه عواملی بستگی دارد؟

• نسبت‌های مخلوط بتن
• مشخصات هندسی الیاف فولادی
• نسبت طول به قطر الیاف
• مهار مکانیکی و زبری سطح الیاف
• مشخصات فیزیکی و جنس الیاف

3. انواع الیاف مورداستفاده در بتن الیافی کدام‌اند؟

1.3. الیاف فولادی

از ترکیب بتن معمولی با الیاف فولادی به‌صورت مسطح، پیچ‌خورده، موج‌دار، قلاب مانند و لبه‌دار بتن الیافی فولادی حاصل می‌شود که اغلب دارای قطری به‌اندازه 0.25 تا 0.76 میلی‌متر هستند. الیاف فولادی برای ایجاد بهبود در خواص بتن به طور وسیعی در سازه های بتنی و بتن مسلح کاربرد دارد. استفاده از الیاف بتن فولادی باعث افزایش استحکام سازه‌های بتنی می‌شود به این ترتیب میزان بازدهی افزایش خواهد یافت.

2.3. الیاف پلی‌پروپیلن

ز ترکیب پلی‌پروپلین با بتن برای تقویت کردن مخلوط سیمان و گچ و مسطح کردن بتن استفاده می‌شود. الیاف پلی‌پروپلین در برابر برش و سایش از مقاومت بالایی برخوردار هستند. این نوع الیاف آب گریز است و درصد جذب آن صفر است در نتیجه به افزودن آب اضافی جهت افزایش روانی بتن که منجر به کاهش نسبی مقاومت گردد , نیازی نیست. الیاف پلی پروپلین در برابر آتش سوزی مقاوم هستند.

3.3. الیاف شیشه‌ای

معمولاً از ترکیب بتن با رشته‌های نخی شکل شیشه حرارت داده شده بتن الیافی شیشه‌ای به دست می‌آید. تارهای بسیار باریک شیشه در قطر ثابت و طول‌های نامحدود تولید می‌شود که معمولاً قطری بین 5 تا 25 میکرون دارند. الیاف شیشه‌ای افزایش مقاومت کششی سازه بتنی را به همراه می آورد، هم‌چنین عایق حرارتی، رطوبتی و صوتی هستند. این نوع الیاف بر کاهش کارایی و اسلامپ بتن تازه به شدت تاثیر می گذارد، بنابراین برای رفع این مشکل باید از روان ساز های مناسب استفاده شود.

4.3. الیاف کربن

از مهم‌ترین مزیت‌های الیاف کربن می‌توان به استحکام خستگی بالا، مقاومت در برابر خوردگی و ضریب انبساطی پایین اشاره نمود.

5.3. الیاف مصنوعی

کولار، نایلون و پلی‌استر از جمله الیاف‌های مصنوعی هستند که قابلیت ترکیب‌شدن با بتن را دارند و معمولاً در قطرهای 0.02 تا 0.38 میلی‌متر در دسترس هستند. الیاف مصنوعی دارای نقطه ذوب بالایی هستند به همین دلیل در برابر حرارت بسیار مقاوم هستند. از جمله ویژگی‌های الیاف مصنوعی می‌توان به سبکی، استحکام‌پذیری و مقاومت در برابر خوردگی اشاره کرد.

6.3. الیاف آرامید

الیاف آرامید در شکل‌های مختلف وجود دارند و مانند الیاف‌های شیشه و کربن می‌توانند در ساخت کامپوزیت‌ها استفاده شوند. پلیمرهای آرامید دارای خصوصیاتی مانند نقطه ذوب بالا، سبکی و وزن کم، پایداری حرارتی بالا، استحکام کششی بالا، مدول بالا و مقاومت در برابر شعله هستند. این نوع الیاف شکل‌های مختلفی دارد و مقاومت در برابر شعله و غیرقابل‌حل بودن در بسیاری از حلال‌های آلی از خصوصیات بارز آنها است.

4. از بتن الیافی در کجاها استفاده می‌شود؟

بتن تقویت شده با الیاف کاربردهای مختلف دارد. از انواع الیاف بتن در ساخت پل‌های بتنی، فرودگاه‌ها، سازه‌های نظامی، جاده‌سازی و سنگ‌فرش پیاده‌روها، ساخت بتن سد، تونل، نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌ها، مخازن آب، دیوارهای حائل، فونداسیون، ساخت کف سوله‌های صنعتی و کفسازی صنعتی، انبارهای نگهداری مواد دارویی و غذایی، کف پارکینگ‌های طبقاتی، ساخت قطعات پیش‌ساخته ساختمانی و… استفاده می‌شود.

5. بتن الیافی چه مزایایی دارد؟

قابلیت انعطافی که بتن الیافی دارد همانند خواص مواد پلاستیکی باعث شده که بتن الیافی گسیختگی ناگهانی نداشته باشد. ازآنجاکه الیاف در جسم بتن در همه جهت‌ها پراکنده شده، در صورت تشکیل یک ترک در جهات مختلف الیاف اتصالاتی را به وجود می‌آورد و از گسترش ترک جلوگیری می‌نماید؛ بنابراین رشته‌های الیاف به‌ طور فعال در محدودکردن عرض ترک وارد عمل شده و با تشکیل ریزترک‌های زیاد قابلیت بهره‌برداری بتن را افزایش می‌دهند.

بتن الیافی دارای ویژگی‌های مکانیکی برتری از جمله مقاومت فشاری بیش از 150 مگاپاسکال، مدول الاستیسیته بالا، حد الاستیک بالا، سخت شدن کشش در تنش، انرژی شکست چندین برابر از مقادیر بتن سنتی و ظرفیت بالا پس از ترک‌خوردگی است.

در پایین به ذکر موردی برخی دیگر از مزایای بتن الیافی پرداخته شده است:

• افزایش در میزان جذب انرژی
• مقاومت بالا در مقابل سایش
• ظرفیت زیاد تغییر شکل نسبی
• مقاومت عالی در مقابل ضربه

6. نحوه عملکرد الیاف در بتن به چه صورت است؟

الیاف‌ها سنگ‌دانه ها را در برمی‌گیرند و از جداشدن سنگ‌دانه‌های درشت به دلیل لرزاندن و نیروی جاذبه زمین جلوگیری می‌کنند و پیوستگی بهتر را تضمین می‌کنند. در نتیجه یک مخلوط یکنواختی که از بتن و الیاف تولید می‌شود که در هنگام گیرش انتقال آهسته آب به سطح به‌آرامی صورت می‌گیرد و در نتیجه ترک‌ها در بتن کمتر می‌شوند.

7. روش استفاده از الیاف در بتن و میزان مصرف آن چگونه است؟

می‌توان الیاف را در هر زمان به میکسر اضافه نمود. همچنین می‌توان الیاف را در انتها به آب طرح اختلاط اضافه کرد و داخل میکسر ریخت که در این صورت باید برای رسیدن به مخلوط یکنواخت، ۳ تا ۴ دقیقه دیگر هم زدن ادامه یابد. درصورتی‌که می‌خواهید از بتن آماده استفاده کنید، می‌توانید الیاف را به‌تدریج داخل تراک‌میکسر بریزید و هم زدن در دور تند باید به‌قدری ادامه داشته باشد که از پخش کامل الیاف داخل بتن مطمئن شوید. مقدار مصرف الیاف باتوجه‌به عملکرد موردنظر، از ۰٫۶ تا ۳ کیلوگرم در مترمکعب متغیر خواهد بود.

8. بهبودیافتن خواص مکانیکی بتن با استفاده از بتن‌های الیافی

با استفاده از ۴ درصد الیاف استحکام خمشی بتن به میزان ۲٫۵ برابر افزایش می‌یابد. بتن حاوی مواد الیاف، دارای مقاومت در برابر شکست در اثر اعمال تنش حدود ۱۰ تا ۴۰ برابر نسبت به بتن ساده است. استحکام ضربه بتن الیافی به‌طورکلی ۵ تا ۱۰ برابر بیشتر از بتن ساده است که بسته به میزان الیاف مورداستفاده در بتن‌های مختلف متفاوت است.

9. آیا استفاده از بتن الیافی توجیه اقتصادی دارد؟

استفاده از بتن الیافی در همه موارد از بتن سنتی مقرون‌به‌صرفه نمی‌باشد. اما بر اساس برآوردهایی که توسط بعضی از متخصصین کشور صورت‌گرفته، در جاهایی که سرعت اجرای بالا مدنظر است و یا نیاز به پاشش بتن (شات‌کریت) روی سطوحی است که شبکه‌بندی‌‌های سنتی مشکل و زمان‌بر بوده یا جواب‌گوی کار نیست، هزینه استفاده از بتن الیافی نسبت به بتن سنتی کمتر است.

اما اگر ما از روی‌آوردن به فناوری جدید به علت ریسکی که در سرمایه‌گذاری وجود دارد پرهیز کنیم، خواهیم دید که تکنولوژی سنتی در غیاب بهره‌گیری از فناوری نوین، رقم بسیار بالایی از سرمایه‌های ما را به هدر خواهد داد. به طور مثال، ریزدانه‌هایی که به روش‌های قدیمی غیراستاندارد تولید می‌شوند، باعث می‌شود که درصد سیمان به‌کاررفته در بنا افزایش پیدا کند و همین امر موجب ظهور ترک و ضایعات در بتن حاصل شده می‌گردد.

10. نکات مهم در تولید و مصرف بتن الیافی در پروژه‌های اجرایی

بتن الیافی در سال‌های اخیر در دنیا و در داخل کشور طرف‌داران زیادی پیدا کرده که از دلایل آن می‌توان به دوام بیشتر، سهولت در اجرا و مصرف و ایجاد کاهش در هزینه‌های اجرایی و تعمیر و نگهداری اشاره کرد. به‌طورکلی از الیاف با انواع و جنس مختلفی می‌توان در بتن استفاده کرد که مشهورترین آن‌ها الیاف پلیمری با جنس پلی‌پروپیلن، پلی اولفین، الیاف کربن، الیاف بازالت، الیاف PVA و الیاف فولادی اشاره کرد. اما مصرف الیاف در بتن هم نیازمند رعایت الزاماتی است که اگر رعایت نشود ممکن است نتیجه موردنظر و دلخواه کسب نشود، ازاین‌رو دانستن نحوه و روش مصرف الیاف پلیمری یا فولادی در بتن یک امر واجب برای مصرف‌کنندگان اعم از پیمانکاران و کارفرمایان است. البته ذکر این نکته ضروری است که خود الیاف و جنس و کیفیت آن هم تأثیر زیادی در عملکرد و نتیجه نهایی دارد.

برخی از موارد ساده ولی مهم که باید هنگام مصرف الیاف در بتن رعایت شود عبارت‌اند از:

* اسلامپ بتن پیش از افزودن الیاف 6-8 سانتی متر باید باشد.

* با افزودن الیاف اسلامپ کاهش می‌یابد که باید از فوق روان‌کننده استاندارد برای جبران آن استفاده شود و از افزودن آب داخل تراک‌میکسر هنگام اجرا جدا خودداری شود.

* الیاف می‌تواند در کارخانه ساخت بتن و یا در محل پروژه در داخل تراک‌میکسر به بتن اضافه شود. در صورت اضافه‌کردن الیاف در تراک‌میکسر، باید 20% حجم بتن داخل تراک‌میکسر کمتر درنظر گرفته شود تا امکان اختلاط مناسب الیاف در داخل بتن در محل پروژه فراهم شود.

* الیاف به‌آرامی و به طور مثال هر 5 کیلوگرم در طول یک دقیقه به میکسر اضافه شود تا حجم زیادی از الیاف به یک باره وارد میکسر نشود.

* بعد از افزودن الیاف داخل میکسر، باید حداقل 5 دقیقه اختلاط میکسر با دور بالا ادامه پیدا کند. سپس روان کننده اضافه شود و در نهایت 5 الی 10 دقیقه مجددا با دور بالا اختلاط ادامه یابد.

* در صورت معطل شدن تراک‌میکسر برای تخلیه بتن در مواقعی که بیش از 15 دقیقه از اضافه‌کردن الیاف و روان کننده زمان گذشته بود، دور تراک‌میکسر را به حالت عادی بازگردانید.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

بتن الیافی یا بتن تقویت‌شده با الیاف یک ماده مرکب است که بتن سنتی را با الیاف تقویت‌کننده ترکیب می‌کند تا خواص مکانیکی را بهبود بخشد. با ترکیب الیاف، بر شکنندگی بتن سنتی غلبه کرده و مقاومت، استحکام کششی، سختی و استحکام را بهبود می‌بخشد. این ماده در بسیاری از بخش‌های ساختمانی از جمله عناصر پیش‌ساخته، فونداسیون‌ها، روسازی‌ها، کف‌های صنعتی و طرح‌های معماری استفاده می‌شود. بتن الیافی با توانایی خود در تحمل بارهای زیاد، مقاومت در برابر اصطکاک و ارائه سفارشی‌سازی زیبایی‌شناختی، به ابزاری مهم در روش‌های ساخت‌وساز مدرن تبدیل شده است. اگر قصد خرید بتن الیافی را دارید به نکات ذکر شده در این مقاله در مورد ویژگی‌های بهترین الیاف توجه کنید. بتن الیافی به دلیل کاهش زمان ساخت و هزینه‌های کار موردتوجه تولیدکنندگان بتن قرار گرفته است.

جهت آشنایی کامل با  “ 0 تا 100 بتن الیافی (FRC)” به جزوه “تکنولوژی عالی بتن” و جهت آشنایی بیشتر با قوانین و ضوابط مربوط به این مقاله به “مبحث پنجم: مصالح و فرآورده‌های ساختمانی | ویرایش سال ۱۳۹۶” در پکیج “مباحث مقررات ملی ساختمان” در بخش گنجینه فایل وب‌سایت مراجعه فرمایید.