با کاربرد بتن الیافی آشنا شوید

در این مطلب از خانه معماری قصد داریم شما عزیزان را با کاربرد بتن الیافی ویژگی ها و مزایا و خواص آن آشنا کنیم. با ما همراه باشید.

بتن الیافی چیست؟

تاریخچه استفاده از الیاف در ساخت و ساز به در دوران باستان می رسد. در گذشته از الیاف مختلف برای تقویت ملات های آجری و شکننده استفاده می شد و کاه معروف ترین و محبوب ترین آنها به دلیل ارزانی بود. در حال حاضر نیز ارزانترین نوع ملات در مناطق روستایی کشور است که در تقویت آجرهای خشتی و ملات کاهگل در اندودها در قبال ترک خوردگی که بعد از خشک شدن به وجود می‌آید، به کار می رود. استفاده از کاه، موی دم اسب و همچنین موی بز در آثار و بناهای قدیمی ایران ، به ویژه گنبدها ، از قدمت تاریخی برخوردار است. استفاده از الیاف فولادی از اواسط قرن گذشته آغاز شد و تاریخ دقیق این روش مشخص نیست. اما افراد مختلف از روش های مختلفی مانند استفاده از قطعات سیم یا برش فلزات در بتن استفاده می کنند.

سیمان یا بتن الیافی در واقع نوعی کامپوزیت است که با استفاده از الیاف تقویت شده در مخلوط بتن، خاصیت ارتجاعی و کششی آن بسیار افزایش می یابد. این ترکیب از کارایی و انسجام بالایی برخوردار است و امکان استفاده از سیمان به عنوان پایه برای تولید سطوح بتنی را فراهم می کند. سیمان الیافی همچنین توانایی جذب مقاومت در برابر کشش بالا را دارد و در اثر ضربه زیاد به راحتی نمی شکند. گواه تاریخی این فناوری استفاده از کاهگل در ساخت ساختمان است. در حقیقت ، الیاف سیمان و بتن الیافی نوع پیشرفته ای از این فناوری است که در آن الیاف اصلاح شده و ساخته شده جدید با کاه و سیمان به کار رفته در کاهگل جایگزین می شوند.

به عنوان مثال:

در ساخت کف انبارهای صنعتی می توان این نوع بتن را جایگزین بتن مسلح معمولی کرد که یکی از بهترین مصالح مورد استفاده در ساخت ساختمانهای مقاوم در برابر ضربه مانند سازه های پناهگاه و انبارهای نگهداری مواد منفجره محسوب می شود. سازه های ساخته شده از این نوع بتن از توانایی فوق العاده ای در جذب انرژی ضربه برخوردارند.

مزایا و ویژگی های بتن الیافی

مزایا و نقش مهم الیاف در بتن الیافی باعث محبوبیت بیشتر آن در بین مهندسان و طراحان شده است. امکان استفاده در بیشتر مناطق جغرافیایی ، استفاده از مواد طبیعی و ارزان قیمت ، هزینه کم در مقایسه با حجم زیاد عملیات و شکل پذیری آن به دلیل شکل های هندسی و عملکرد مناسب و مقاومت بسیار بالا در برابر نیروهای فشاری و کششی و توانایی جذب انرژی و پایداری ترک خوردگی خصوصیات برجسته این نوع بتن می باشد.

از جمله مزایای این نوع بتن در مقایسه با بتن معمولی می‌توان به: مقاومت زیاد در مقابل تنش‌های خستگی و در مقابل ضربه، قابلیت کششی خوب و قابلیت باربری زیاد بعد از ترک خوردگی، مقاومت کششی، خمشی و برشی زیاد طاقت خیلی زیاد اشاره کرد. بتن الیافی مقاومت بسیار زیادی در مقابل تنش‌ها و کرنش‌ها و کششی قابل ملاحظه در بارهای کششی دارد که در طراحی می توان از آن استفاده کرد. ترک خوردگی در این مواد از حالت ترک‌های متمرکز خارج شده‌ و بصورت ترک‌های متعدد ظاهر می شود که تاثیر بسزایی در افزایش شکل پذیری اعضا و مهمتر از آن در پایانی سازه‌های بتنی دارد. از آنجایی که بتن الیافی دارای ظرفیت کرنش پذیری در فشار است، می‌توان میزان آرماتورهای محصور کننده در نواحی فشاری را کاهش داد.

مقاومت برشی در این بتن‌ها و رفتار آنها طوری است کهامکان حذف آرماتورهای برشی وجود دارد. شکل پذیری در اعضای لرزه بر، افزایش میزان تغییر شکل‌های غیر الاستیک، عدم افت مقاومت و حفظ یکپارچگی در این تغییر شکل‌ها از دیگر مزایای این نوع بتن است که منجر به دست یابی به رفتار آسیب مدار می‌شود.

انواع بتن الیافی و عوامل کیفیت آن ها

بتن الیافی در انواع مختلفی وجود دارد: بتن با الیاف کم جهت کاهش میزان جمع شدگی در بتن، بتن با الیاف متوسط یا بتن الیافی معمولی برای اصلاح خواص سازه‌ای ‌ از قبیل: برش، عرض ترک و رفتار خمشی. بتن های الیافی به دسته های مختلفی تقسیم می شوند: بتن الیافی بر پایه مصالح شیمیایی ، بتن‌های حریره الیافی و مواد مرکب مهندسی بر پایه مصالح سیمانی که به بتن‌های الیافی ‌شکل پذیر نیز معروفند. عواملی از قبیل: نسبت‌های مخلوط بتن، مشخصات هندسی الیاف فولادی، نسبت طول به قطر الیاف، مهار مکانیکی و زبری سطح الیاف و همچنین مشخصات فیزیکی و جنس الیاف فولادی بر کیفیت بتن الیافی تاثیرگذارند.

انواع الیاف

الیاف شیشه‌ و الیاف فولادی

اضافه کردن الیاف شیشه به بتن، کاهش کارایی بتن را به همراه دارد. از این رو از روانسازهای مناسب استفاده می شود و اختلاط نیز باید به روی صحیح صورت گیرد. لازم است بدانید، الیاف شیشه‌ای در بتن تازه به یکدیگر چسبیده و گلوله می شوند. این پدیده به گلوله شدن الیاف معروف است. ابته راهکارهایی برای جلوگیری از وقوع این پدیده وجود دارد. به منظور بهبود خواص بتن ، الیاف فولادی کاربرد گسترده ای در سازه های بتونی و بتن آرمه پیدا کرده اند. الیاف فولادی در بتن منجر به افزایش مقاومت کششی بتن با استفاده از کاهش ایجاد ریزترک‌های حاصله از بارگذاری خارجی می شود.

الیاف پلی پروپیلن، الیاف آرامید و کربن

استفاده از الیاف پلی پروپیلن از ترک خوردن و جمع شدن بتن به ویژه در بتن تازه جلوگیری می کند. تولید بتن شکل پذیر با الیاف پلی پروپیلن در بتن الیافی شکل پذیری زیادی دارد و هرگز نمی شکند. الیاف پلی پروپیلن آبگریز است، به عبارتی میزان جذب آب آن صفر است. به همین دلیل هرگز برای افزایش جریان بتن، آبی به آن اضافه نکنید. پلیمرهای آرامید یا کولار در بسیاری از حلالهای آلی شناخته شده دارای خصوصیاتی از جمله نقطه ذوب زیاد ، پایداری حرارتی عالی ، بازدارندگی شعله و عدم حلالیت هستند. چگالی آن بین 12-14 / 6 kN / m3 است. مقاومت در برابر ضربه ، حساس نبودن به شکاف خواص الکتریکی و خود خاموش کردن از جمله خواص این الیاف است. الیاف آرامید به اشکال مختلف وجود دارد و مانند الیاف شیشه و کربن می توان از آن برای ساخت مواد کامپوزیتی استفاده کرد.

چگالی الیاف کربن، 22.7 کیلو نیوتن بر متر مکعب و شکل آن “بلوری” و ضخامت آن نازک تر از موی انسان و قطر آن 6-10 میکرومتر است. از مزایای اصلی آن می توان به: مقاومت و استحکام بالای خستگی ، مقاومت در برابر خوردگی و ضریب انبساط حرارتی پایین اشاره کرد. قیمت بالا، ولتاژ خطا یا کرنش در شکست و همچنین هادی الکتریکی بودن از معایب الیاف کربن به شمار می رود.

کاربردهای بتن الیافی و محدودیت ها

کاربردهای بتن الیافی عبارتند از: تسطیح اضافی برای افزایش مقاومت بتن مسلح برای کاهش ترک ها و افزایش جذب انرژی تحت بارهای شوک و ضربه ای ، امواج انفجاری و شرایط پیچیده تنش. جایگزینی برای بتن مسلح معمولی برای کاهش هزینه قطعات بتنی پیش ساخته ، تثبیت شیب ها و دیواره های سنگی و دیوارهای ریزشی ، حفاری در مناطق مهم ، تسطیح و یکنواختی بی نظیر و ایزوتوپ ها به دلیل توزیع همگن الیاف در بدنه بتن.

از آنجا که محل قرارگیری الیاف درون بتن کاملاً تصادفی است ، به طور معمول نمی توان از این بتن برای ساخت تیر و ستون استفاده بهینه کرد و با این نوع ساختار استفاده از روش سنتی و مش و شبکه بندی فولادی از صرفه اقتصادی و معقول تری برخوردار است. استفاده از بتن الیافی در همه موارد مقرون به صرفه تر از بتن معمولی نیست. با این حال ، طبق برآوردهای برخی از متخصصان کشور ، استفاده از این نوع بتن در مکانهایی که سرعت اجرای بالا در نظر گرفته می شود و یا اینکه بتن باید روی سطوح مخصوص پاشیده شود ، توصیه می شود.

خواص بتن الیافی

بتن الیافی دارای خواص گوناگونی است که در ادامه به بررسی آن ها میی پردازیم:

مقاومت استاتیکی و خمشی

الیاف فولادی در حقیقت منجر به افزایش چندین برابری مقاومت خمشی اولین ترک بتن الیافی مقاومت اولین ترک بتن معمولی می شود. افزودن الیاف به بتن در افزایش مقاومت استاتیکی بتن موثر است ، همچنین در ایزوتروپی و همگنی بدنه بتن نیز تأثیر بسزایی دارد. تأثیر الیاف فولاد بر مقاومت استاتیکی بتن شامل مقاومت در برابر خم شدن ، فشار ، برش و شکستگی است. یکی از خواص مهم بتن الیافی، مقاومت خمشی زیاد و مقاومت در برابر ترک است. این یک راه حل خوب برای کاهش شکنندگی بتن خالص می باشد.

مقاومت برشی و پیچشی

الیاف فولادی بدون کاهش ظرفیت برشی نهایی می توانند مهاربند را در تیرهای بتونی جایگزین کنند. الیاف فولادی علاوه بر افزایش مقاومت برشی بتن ، تیرهای بتن مسلح را در برابر خرابی ناگهانی در ناحیه کششی تقویت می کند. این مزیت اصلی الیاف فولاد در افزایش مقاومت برشی بتن است که از استفاده از چکش به عنوان تقویت کننده برشی جلوگیری می کند. همچنین مقاومت پیچشی بتن الیافی 1.5 تا 2 برابر بتن خالص است.

مقاومت ترک خوردگی و قابلیت هدایت حرارتی

الیاف نه تنها تأثیر بسیار مثبتی بر مقاومت بتن خالص دارد بلکه به عنوان یک بازدارنده ترک نیز عمل می کند. این بدان معنی است که با شروع ترک ، الیاف در دوخت ترک و محدود کردن اندازه ترک نقش دارند و از ادامه ترک حتی با بارگیری مداوم جلوگیری می کنند. الیاف فولادی هدایت حرارتی بتن را بین 20 تا 2 درصد افزایش می دهند. این الیاف همچنین مقاومت بتن را در برابر تغییرات ناگهانی و بزرگ دما افزایش می دهند.

پوسیدگی و زنگ زدگی الیاف فولادی

مطالعات اخیر نشان می دهد که اثر خوردگی و تجزیه آب نمک بر روی ملات سیمان تقویت شده یا همان سیمان پرتلند با فیبرهای فولادی 2٪ حجمی قابل اغماض است. بنابراین پس از 92 روز در داخل و خارج آب نمک اشباع تغییری در مقاومت خمشی ایجاد نمی شود هیچ بتن الیافی مشاهده نشده است.

بتن الیافی چه رفتاری در برابر نیروها دارد؟‌

در صورت جلوگیری از جمع شدن بتن ، تنش های کششی ایجاد شده در آن باعث خرابی مقطع می شود. در بتن استاندارد با نسبت آب / سیمان بالای 40٪ ، جمع شدگی ناشی از خشک شدن به عنوان مهمترین علت ترک خوردگی در سنین اولیه توصیف شده است. در بتن متراکم در سنین اولیه، به دلیل چسبندگی زیاد مواد ریز موجود ، انقباض و جریان بیشتری نسبت به بتن استاندارد دیده می شود. اما در مرحله سخت شدن ، تاخیر در شروع جمع شدگی بتن به دلیل وجود سرعت تبخیر کم از سطح خارجی اعضای بتونی است.

جمع شدگی ناشی از خشک شدن از همان ابتدا شروع می شود ، یعنی زمانهای اولیه بتن ریزی و حتی قبل از افزایش ظرفیت مکانیکی بتن ، که به خصوصیات بتن یعنی طرح اختلاط ، روش بتن ریزی و عمل آوری بتن ، شکل و فرم عناصر بتن و شرایط محیطی، دما ، رطوبت و همچنین سرعت باد بستگی دارد.

از آنجا که انقباض به دلیل کمبود آب در بتن به سطح عناصر تحمیل می شود ، در این قسمت از عناصر کشش ایجاد می شود و ترک ها با منشا جمع شدن خشک کننده از مناطق سطحی که با محیط در تماس هستند شروع می شود. در نتیجه در عناصر با سطح خارجی بالا (مانند دال ها و پانل های پیش ساخته) در تماس با یک محیط تهاجمی بیشترین تأثیر را در ایجاد ترک ها دارند و این با عبور هوا از طریق نمونه های جدید تشدید می شود. اما نتایج آزمایشات نشان می دهد که مقادیر مناسب الیاف از جمع شدگی و در نتیجه تعداد ترکها به طور قابل توجهی می کاهد.

‌روسازی بتن الیافی

یکی از موادی که می تواند جایگزین میلگرد در بتن مسلح شود ، الیاف است. تقویت بتن با الیاف به جای میلگردهای حرارتی باعث کاهش وزن بتن شده و آسیب های ناشی از خوردگی و فرسایش فولاد را کاملاً از بین می برد. امروزه ، استفاده از بتن الیافی به دلیل مزایایی که نسبت به بتن معمولی دارد ، بسیار افزایش یافته است. از مزایای آن می توان به جذب انرژی زیاد ، بهبود رفتار بتن در منطقه پس از اولین ترک و جلوگیری از بروز و گسترش ترک ها به دلیل جمع شدگی اشاره کرد. از طرف دیگر ، تقویت سازه های بتونی با الیاف یکی از روش های بهبود خواص مکانیکی و عملکرد خمشی و کششی است که از طریق آن مخلوط های شکننده رفتار کششی خاصی را نشان می دهند.

فضاهای پارکینگ به دلیل افزایش سرانه مالکیت اتومبیل امروزه از جمله موارد استفاده روزافزون است. شرایط طوری است که پارکینگ های عمومی کمتر از یک ساعت در روز بدون استفاده می مانند. بنابراین ، کفپوش ها و روسازی این سطح باید به گونه ای باشد که طول عمر طولانی داشته باشد و در طول دوره خدمات حداقل استهلاک را داشته باشد. دو نوع روسازی که در این سطوح استفاده می شود: کف آسفالت و بتنی است. نشت احتمالی سوخت و روغن از اتومبیل های پارک شده در پارکینگ منجر به تخریب روسازی های آسفالت و در نتیجه هزینه های بالای نگهداری و عدم توانایی کار در دوره بهسازی می شود.

بنابراین ، تمایل به استفاده از سطوح بتنی در چنین مکان هایی در حال افزایش است. اصول روسازی بتنی پارکینگ بسیار شبیه به طراحی جاده های شریانی و سطوح فرودگاه است و فلسفه آن گسترش بار در سطوح بسیار بزرگتر از روکش آسفالت است. در اینگونه سطوح از روسازی بتنی غیر مسلح استفاده می شود.

نکته

جایگزینی الیاف با آرماتور حرارتی دارای مزایای فنی و اقتصادی فراوانی است و باعث افزایش سرعت اجرا ، کاهش هزینه های اجرا و دستمزد ، کاهش عرض ترکهای ناشی از جمع شدگی و کنترل عرض ترک خوردگی انقباضی و انبساطی ، افزایش مقاومت در برابر ضربه ، خستگی و کاهش اثرات مضر جوی خواهد بود. بتن معمولی مورد استفاده در پیاده روها ماده ای شکننده است ، در حالی که پوشش بتن الیافی از نظر مقاومت بالاتر و کاهش خاصیت ترک خوردگی بهتر از بتن معمولی است.

انعطاف پذیری بتن الیافی از شکست ناگهانی بتن الیافی جلوگیری می کند. زیرا فولاد به صورت ابعادی یا بهتر بگوییم چند بعدی در بدنه بتن پخش می شود. وقتی ترکهای فیبری یا الیاف در جهات مختلف ایجاد می شوند ، اتصالاتی را ایجاد کرده که از گسترش ترک ها جلوگیری می کنند. بنابراین ، الیاف به طور فعال برای کاهش عرض شکافها کار می کنند و در ایجاد شکافهای نازک تاثیر زیادی دارند.

استفاده از بتن الیافی در ایران‌

استفاده از بتن الیافی می تواند کیفیت سازه های موجود یا برنامه های آتی در کشور را به شدت تغییر دهد. بسته به ظرفیت تبدیل الیاف بتن بارگیری شده ، می توان تعداد تقویت کننده ها را در مناطق تحت فشار کاهش داد. به دلیل مقاومت فشاری که در بتن الیافی وجود دارد، امکان حذف آرماتورهای برشی وجود دارد. برخلاف بتن معمولی ، مواد تقویت شده با الیاف می توانند در برابر بارهای لغزنده و کششی مقاومت کنند.

اگر از الیاف استفاده شود ، سختی و مقاومت کششی بتن بعد از ترک خوردن افزایش می یابد ، اما این افزایش با افزایش تولید شده توسط آرماتوربندی معمولی حاصل نمی شود. سرانجام ، ما امیدواریم که متخصصان از این رویکرد جدید در شرایطی که می توان از این بتن استفاده کرد ، استفاده نماید، زیرا هزینه های عملیاتی را بسیار کاهش می دهد و بهره برداری از سازه ها نیز در کوتاه مدت امکان پذیر خواهد بود.