دسته‌ها
مقالات

بتن الیافی

بتن الیافی

بتن الیافی

بتن الیافی، بتن ساخته شده از سیمان هیدرولیکی، آب، شن و ماسه و الیاف مجزا، نامیده می شود.در بتنهای الیافی، مانند بتن معمولی، می توان از پوزولانها و دیگر مواد مضاف استفاده کرد.

فهرست مطالب

تعریف و اهمیت

بتن ساخته شده از سیمان هیدرولیکی، آب، شن و ماسه و الیاف مجزا، بتن الیافی نامیده می شود.در بتنهای الیافی، مانند بتن معمولی، می توان از پوزولانها و دیگر مواد مضاف استفاده کرد. الیاف در شکلها و اندازه های متفاوت، و از جنس فولاد، پلمیری، شیشه و مواد طبیعی مورد استفاده قرار می گیرد. با این وجود، در بیشتر اعضای سازه ای و غیر سازه ای، الیاف فولادی بیشتر از انواع دیگر الیاف استفاده می شود.

بتن معمولی دارای تعداد زیادی ترک های مویین است. به دلیل توسعه سریع ترک های مویین تحت تنش های اعمال شده، مقاومت کششی بتن کم است. در ابتدا فرض می شد که با به کار بردن الیاف در فواصل نزدیک به یکدیگر، از توسعه ترک های مویین جلوگیری شده و در نتیجه مقاومتهای کششی و خمشی بتن به میزان زیادی افزایش می یابد. همچننین الیاف شروع ترک های کششی را به تاخیر انداخته  و در نتیجه باعث افزایش مقاومت کششی بتن می شود.اما مطالعات آزمایشگاهی نشان داده اند که استفاده از الیاف با حجم و اندازه های مختلف در ملات یا بتن باعث افزایش مقاومت آنها، به میزان زیاد نمی گردد.

با این وجود پژوهشگران، بهبود زیادی را در رفتار بتنهای الیافی، در مرحلۀ پس از ترک خوردگی پیدا کرده اند. به عبارت دیگر، علی رغم آنکه مقاومت نهایی کششی به میزان زیادی افزایش نمی یابد، اما کرنش کششی در هنگام گسیختگی افزایش می یابد. در نتیجه، در مقایسه با بتن ساده، بتنهای الیافی سخت ترند و در مقابل ضربه مقاومت بیشتری دارند.

مکانیزم بهبود رفتار و افزایش طاقت

منحنی متداول بار- تغییر شکل، برای بتن ساده و بتن الیافی در شکل 11-20 الف نشان داده شده است. هرگاه تغییر شکل مربوط به مقاومت خمشی نهایی بتن ساده زیاد تر گردد، گسیختگی ناگهانی رخ می دهد، ولی از سوی دیگر، بتن الیافی، حتی در تغییر شکلهای بسیار بیشتر از تغییر شکل نظیر شکست در بتن ساده، به تحمل بارها ادامه می دهد. نتایج ازمایش نمونه های شکسته بتن الیافی نشان می دهد که در این نوع بتنها، شکست به علت بیرون کشیده شدن الیاف یا ازبین رفتن پیوستگی رخ می دهد، در نتیجه برخلاف بتن ساده، نمونه بتن الیافی بلافاصله بعد از شروع اولین ترک، شکسته نمی شود. این رفتار تأثیر الیاف بر روی افزایش کار انجام شده تا هنگام شکست را، که طاقت نامیده می شود، نشان می دهد.

طاقت، باسطح زیر منحنی بار- تغییر شکل نشان داده می شود. براساس نظریه شاه، مکانیزم افزایش طاقت بتن الیافی به شرح زیر است:

بتن الیافی، بعد از ایجاد اولین ترک در خمیر سیمان، بار وارده را تحمل می کند، به شرط آن که مقاومت الیاف در برابر بیرون کشیده شدن آنها در اولین ترک، بیش از بار در هنگام وقوع اولین ترک باشد. در مقطع ترک خورده، خمیر سیمان هیچ کششی را تحمل نمی کند و الیاف، تمام بار وارد بر مقطع مرکب را تحمل می کند. با افزایش بار بر روی مقطع مرکب، الیاف تمایل دارند که تنشهای اضافی را از طریق تنشهای پیوستگی به سیمان منتقل کنند. اگر این تنشهای پیوستگی از مقاومت پیوستگی بیشتر نگردد در خمیر سیمان ترکهای دیگری نیز به وجود می آید، و این روند ترک خوردگی تا آنجا ادامه می یابد که الیاف شکسته شوند و یا اینکه به علت از بین رفتن پیوستگی، الیاف از درون بتن بیرون کشیده شوند.

اطلاعات بدست آمده از آزمایشهایی که کرنچل بر روی ملات ساده و الیافی انجام داد، نشان می دهد که افزودن الیاف به میزان 9/0 و 2 درصد حجمی به بتن، مقاومت خمشی آن را به ترتیب به مقدار تقریبی 15 و 30 درصد افزایش می دهد. با این وجود، در هردو مورد، کرنش در هنگام شکست 9تا10 مرتبه بیش از کرنش نظیر در ملات غیر مسلح است.در ناحیۀ کششی، بلافاصله بعد از گسیختگی نهایی، هیچ ترکی مشاهده نمی شود. توزیع ترکهای ریز نشان می دهد که الیاف به عنوان آرماتور میکروسکوپی برای توزیع ترکها عمل می کنند.

بر اساس گزارش کمیته 544  ACI، کل انرژی جذب شده، در هنگام از بین رفتن پیوستگی الیاف و قبل از آنکه از ماتریس جدا شود، که از روی سطح زیر منحنی بار- افتادگی اندازه گیری می شود، در بتن الیافی حداقل10 تا 40 مرتبه بیشتر از انرژی نظیر در بتن ساده می باشد. مقدار افزایش سختی، تابع تمرکز الیاف در خمیر سیمان، و مقاومت الیاف در برابر بیرون کشیده شدن است، که خود بستگی به طاهر الیاف (نسبت طول الیاف، به قطر آنها) و دیگر عوامل از قبیل شکل یا بافت سطحی الیاف دارد.

پژوهشگران مرکز تحقیقات ساختمان بریتانیا،(BRE)، تأثیر مقدار الیاف و نسبت ظاهر آنها را بر روی زمان وی بی مورد مطالعه قرار داده اند. از دیدگاه مقاومت و سختی بتن، ارجح آن است که نسبت ظاهر و مقدار الیاف افزایش می یابد، ولی از طرف دیگر اطلاعات موجود در شکل مزبور نشان می دهد که افزایش این دو متغییر موجب کاهش کارآیی می شوند. در حقیقت، اطلاعات به دست آمده ازتحقیقات سوامی و مانگات (swamy & managat) نشان می دهند که در صورت استفاده از الیاف فولادی با نسبت ظاهر بیش از 100، اگر درصد حجمی الیاف کم و در حدود 13/1 درصد باشد، پدیده ای به نام “تابیدگی” یا “توپی شدن” حاصل می شود.

نسبت اختلاط و مصالح

الیاف . مشخصات متداول انواع مختلف الیاف در جدول 11-10 درج شده است. در شکل 11-21، انواع الیاف فولادی با شکل و اندازه های مختلف نشان داده شده است. الیاف فولادی گرد، قطرهای متفاوتی از 0.25 تا 0.75 میلیمتر دارند. ضخامت تقریبی الیاف فولادی تخت در حدود 0.25 تا 0.9 میلیمتر است. الیاف فولادی چین دار و آجدار، یا در تمامی طول دارای چین و آج هستند یا اینکه فقط انتهای آنها چیندار و آجدار شده است.

برای انتقال و اختلاط آسان، الیاف به صورت دسته های 10 تا 30 عددی همراه با چسب های محلول در آب موجود هستند و نسبتهای ظاهر آنها  بین 30 تا 150 است. قطر الیاف شیشه ای 0.005 تا 0.015 میلیمتر است، ولی این الیاف را می توان به یکدیگر پیوند داده و قطر آنها را به 0.013 تا 1.3 میلیمتر افزایش داد. از آنجا که شیشۀ معمولی در برابر تهاجم  شیمیایی وارد بر خمیر سیمان پرتلند دوام ندارد، لذا الیاف شیشه ای مقاوم در برابر قلیایی ها و با دوام بهتر نیز تولید شده است.

جدول 10-11 – خواص متداول الیاف

نوع الیافمقاومت
کششی
(ksi)
مدول یانگ
(10³ KSI)
افزایش طول
نهایی (%)
چگالی
آکریلیک30-600/324-451/1
آزبست80-14012-200/63/2
کتان60-1000/73-101/5
شیشه150-550101/5-3/52/5
نایلون (سختی زیاد)110-1200/616/201/1
پلی استر (سختی زیاد)105-1251/211-131/4
پلی اتیلن1000/02-0/06100/95
پلی پروپیلن80-1100/5250/90
ابریشم مصنوعی(ریون)
مقاومت کششی زیاد)
60-901/010-251/5
پشم سنگ70-11010-170/62/7
فولاد40-400290/5-357/8

ملاحظات کلّی . افزودن هرنوع الیاف بتن ساده، از کارآیی آن می کاهد. کارآیی بتن مسلح به الیاف، از هرنوعی که باشد، تابع حجم الیاف در بتن است. از آنجا که وجود الیاف در بتن، پایداری توده بتن تازه را به میزان زیادی افزایش می دهد، لذا استفاده ازآزمایش اسلامپ، برای تعیین کارآیی بتن الیافی مناسب نیست. برای مثال، اگر به یک اسلامپ 200 میلیمتر، به میزان 1.5 درصد حجم آن، الیاف فولادی یا شیشه ای افزوده شود، اسلامپ مخلوط کاهش یافته و به حدود mm25 می رسد. اما با این حال، جای دادن و متراکم کردن بتن از طریق ویبره کردن، می تواند رضایتبخش باشد، بنابراین آزمایش وی بی (vebe) برای سنجش کارآیی بتن الیافی مناسب تر می باشد.

پژوهشگران مرکز تحقیقات ساختمان بریتانیا،(BRE)، تأثیر مقدار الیاف و نسبت ظاهر آنها را بر روی زمان وی بی مورد مطالعه قرار داده اند. از دیدگاه مقاومت و سختی بتن، ارجح آن است که نسبت ظاهر و مقدار الیاف افزایش می یابد، ولی از طرف دیگر اطلاعات موجود در شکل مزبور نشان می دهد که افزایش این دو متغییر موجب کاهش کارآیی می شوند. در حقیقت، اطلاعات به دست آمده ازتحقیقات سوامی و مانگات (swamy & managat) نشان می دهند که در صورت استفاده از الیاف فولادی با نسبت ظاهر بیش از 100، اگر درصد حجمی الیاف کم و در حدود 13/1 درصد باشد، پدیده ای به نام “تابیدگی” یا “توپی شدن” حاصل می شود.

بنابراین نسبت ظاهر و مقدار الیاف باید به نحو مطلوب انتخاب شود. سازگاری بین مقدار الیاف و نسبت ظاهر آنها، بر روی انتخاب نوع الیاف و طراحی بتن الیافی تأثیر به سزایی دارد. به طور کلی، مقدار الیاف فولادی در بتن باید به حدود 2 درصد حجمی، و نسبت ظاهر به 100 محدود گردد.حتی وجود 2 درصد الیاف فولادی، کارآیی بتن یا ملات را با افزایش اندازه سنگدانه ها به میزان قابل توجهی کاهش می دهند.

در آیین نامۀ ACI ، تحت عنوان((راهنمای تعیین مشخصات،مخلوط کردن، جای دادن و پرداخت بتن مسلّح به الیاف فولادی)) توصیه شده است که از سنگدانه های بزرگتر از 19  میلیمتر برای ساخت بتن مسلّح به الیاف فولادی استفاده نگردد. در حقیقت، در مراحل اولیه پیشرفت بتن الیافی، برخی از پژوهشگران توصیه کردند که از شنهای با حداکثر اندازه 9 میلیمتر، بیش از25 درصد وزنی استفاده نشود. به طورکلی، برای آنکه کارآیی مناسب بتن های الیافی بدست آید، می توان از مواد افزودنی روان کننده، حباب زا و یا از میزان سیمان بیشتر ( با پوزولان یا بدون آن) استفاده کرد،همچنین می توان از الیاف به هم چسبیده در بتن استفاده کرد.

نسبتهای اختلاط، مشخصات، و سایر کاربردهای بسیاری از بتنهای الیافی،در زیر شرح داده شده است. در حال حاضر، معمولا از الیاف برای مقاصد سازه ای استفاده نمی شود.

مخلوطهای بتن متداول

کمیته 544  ACI  اظهار می دارد که بتن مسلّح به الیاف فولادی معمولا با مقدار مقاومت و الیاف مشخص گردد. معمولاً، در صورت استفاده از این نوع بتن ها در دال کف، مقاومت خمشی، و در صورت استفاده از آنها به عنوان بتن سازه ای، مقاومت فشاری آنها مشخص می شود.معمولاً، یا مقاومت خمشی نمونۀ 28 روزه این نوع بتن ها در حدود Psi 700-100 (MPa 5-10 )، و یا مقاومت فشاری نمونۀ  28 روزۀ آنها در حدوPsi 500-700 (MPa 34-48 ) در مشخصات قید می شود. میزان مصرف الیاف در بتن با وزن معمولی، که در مشخصات قید شده است. بین Ib/yd 50 یا Kg/m 30 ( یا 0.38 درصد حجمی)، تا Ib/yd 365 یا kg/m 220 ( یا 2 درصد حجمی) متغییر است.همچنین، حداکثر میزان الیاف، به میزان Ib/yd  160-200 (1.2 تا 1.5 درصد حجمی) مشخص شده است.

انجمن سیمان پرتلند، در مورد استفاده از الیاف فولادی با سطح مقطع 0.01 *0.022*1 اینچ (0.25*0.55*25 میلیمتر) و نسبتهای اختلاط و مشخصات بتن های الیافی مناسب برای ساخت باندهای فرودگاه ها و بزرگراهها تحقیقاتی را انجام داده است. با استفاده از یک نمودار، می توان افزایش مقدار سیمان و کاهش در نسبتهای سنگدانه ها برای مقادیر مختلف الیاف(0.5 تا 2 درصد حجمی) را تعیین کرد. با استفاده از این گراف و نسبتهای مخلوط جدول 11-11 مشاهده می شود که چطور با نسبت آب به سیمان معین، مقدار سیمان باید افزایش یافته و مطابق با آن نسبت سنگدانه ها کاهش یابد تا مقدار کارآیی مناسبی برای بتن بدست آید. از این جدول می توان برای مخلوطهای با 2 درصد حجمی الیاف استفاده کرد. نسبتهای توصیه شده در آیین نامۀ 544 ACI  برای بتن و ملات الیافی با وزن معمولی، ک دارای حبابهای هوا نیز هستند، در جدول 11-12 ارائه شده است.

برای دالهای کف معمولاً به جای مقاومت فشاری، مقاومت خمشی را مشخص می کنند. برای کاهش هزینه بتن کف می توان نسبت قابل ملاحظه ای از سیمان را با خاکستر بادی دارای کیفیت مطلوب جایگزین کرد. این عمل سبب می شود که کارآیی بتن بهترشده و مقاومت خمشی 28 روزه آن افزایش یابد. نسبتهای اختلاط متداول بتن مصرفی در باند فرودگاه، که دارای 30 درصد وزنی خاکستر بادی جایگزین سیمان شده هستند، در جدول 11-13 نشان داده شده است.

جدول 11-11 – مقایسه بین نسبت های اختلاط بتن های ساده و بتن های مسلح به الیاف

مصالحبتن سادهبتن مسلح به الیاف
سیمان725875
اب (نسبت آب به سیمان=0.45)338394
سنگدانه ریز14401282
سنگدانه درشت11501024
الیاف(2 درصد حجمی)-265

منبع

کتاب ریز ساختار، خواص و اجزای بتن 

تالیف: پروفسور مهتا، مونته ییرو

ترجمه: دکتر علی اکبر رمضانیانپور، پرویز قدوسی، دکتر اسماعیلیان گنجیان 

انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر

صفحه ۵۲۰