بتن الیافی (frc)چیست؟

بتن غیرمسلح مصالحی ترد و شکننده بوده و مقاومت کششی پایینی نسبت به مقاومت فشاری دارد. به دلیل مقاومت کششی اندک بتن و ترد بودن آن میکرو ترک‌های ذاتی در سرتاسر جسم بتن وجود دارند. همین موضوع باعث میشود در تستهای مختلف، بتن مقاومت کششی زیادی از خود نشان ندهد. این ترک‌ها رشد کرده و به شکست آن منجر می‌شوند. به منظور کاهش ضعف شکنندگی و تردی جسم بتن و ایجاد سیستمی که بتواند در تمام جهات به طور تقریباً یکنواخت عمل نماید، استفاده از رشته های نازک و کوتاه که به صورت تصادفی در تمام جهات در بتن توزیع میشود، روش مناسبی است. این روش باعث می‌شود تا نرمی بتن افزایش یافته و مقاومت کششی آن نیز حفظ شود. این رشته‌های نازک، الیاف نامیده می‌شود که دارای انواع و شکل‌های مختلفی است و کاربردهای متعددی دارند.

چرا الیاف فولادی یکی از بهترین نوع الیاف است؟

یکی از پر مصرف‌ترین و بهترین نوع الیاف، الیاف فولادی است. به دلیل شکل پذیری، تامین گیرداری در جسم بتن و مقاومت کششی مطلوب، نظر اکثر طراحان را به خود جلب نموده است. دلیل اصلی استفاده از الیاف فولادی در بتن، افزایش سختی و مقاومت کششی، افزایش مقاومت خمشی، افزایش طاقت در برابر ضربه، بهبود کنترل عرض ترک و تغییر شکل‌ها است.

افزودن فیبرهای ساخته شده از مواد مختلف با شکل‌های هندسی متفاوت، طاقت، انعطاف پذیری و مقاومت کششی بتن را افزایش میدهد. با افزودن مواد مسلح کننده الیافی حین فرایند اختلاط علاوه بر فیبرهای فلزی شناخته شده امروزه انواع فیبرهای پلاستیکی، کربنی و فیبرهای مختلط (مخلوط چند فیبر متفاوت) برای کاربردهای گوناگون استفاده می‌شوند. انتخاب نوع و شکل هندسی الياف بیشتر بستگی به حیطه استفاده از آن دارد. بنابراین شکل هندسی، کیفیت و ویژگی‌های فیزیکی فیبرها، تابع کاربرد خاصی از بتن مورد نظر است. فقط باید در نظر داشت که کاربرد الیاف در بتن با همه حسن‌هایی که دارد ولی برای کارایی بتن Workability اثر منفی خواهد داشت.

بتن سخت شده با افزودن الیاف

ویژگی‌های بتن تازه و سخت شده با افزودن الياف كاملاً عوض میشود. انواع الیاف با ویژگی‌های مکانیکی متفاوت و شکل‌های مختلف وجود دارد. شکل الیاف همانند ماده تشکیل دهنده آن، فاکتوری تعیین کننده است. بعنوان مثال تامین خاصیت ضد حریق بتن فقط یکی از کاربردهای الیاف میکرو پلی‌پروپیلن می‌باشد. مثالی دیگر که میتوان از الیاف‌های pp استفاده نمود. افزایش مقاومت در برابر ترک‌های زودرس بتن است. در حالیکه الیاف فولادی و ماکرو برای بهبود مقاومت و جذب انرژی در بتن سخت شده و جایگزینی حداقل بخشی از میلگردهای فولادی معمولی استفاده می شود.

کاربردهای بتن الیافی (FRC)

• بتن با خاصیت جذب انرژی بیشتر و مقاومت کششی و خمشی بالاتر
• کف سازی و بتن سخت صنعتی
• بتن اسپری شونده Spray Concrete
• قطعات بتنی پیش ساخته
• بتن ضد انقباض
• بتن ضد آتش
• ملات های رو به کار و نما

انواع الیاف

الیاف، بصورت پلاستیکی، شیشه ای، فولادی هستند. الیاف‌ها در شکل‌ و اندازه‌های مختلف (ماکرو تا میکرو) تولید میشوند. پارامتر مناسبی که یک رشته از الیاف را تعریف می کند، نسبت ظاهری آن بر اساس نسبت طول به قطر الياف است. نسبت ظاهری معمولاً بین ۳۰ تا ۱۵۰ و به طول‌های الیاف 0.6 تا 7/5 سانتیمتر می‌باشد.

شمایل و فرم الیاف

1. صاف
2. دو سر قلاب‌دار
3. موج‌دار
4. دو سر خم شده
5. حلقه‌ای

نکته: الیاف فولادی دارای شکل و قطرهای گوناگون بوده و نحوه ساخت آنها نیز متفاوت است.

الیاف فولادی که در حال حاضر در بازارهای جهانی موجود است. بر اساس چهار روش زیر تولید می شوند:

• کشیدن و بریدن سیمهای فولادی (الیاف سیمی) با سطح مقطع دایره ای
• نورد و برش ورق های فولادی (الیاف برشی) با سطح مقطع مستطیلی
• با استفاده از مواد مذاب (الياف ریخته گری) با سطح مقطع هلالی
• تراشیدن سطح ورقه های فولادی (الیاف ماشینی) با سطح مقطع هلالی – مثلثی یا تاب خورده.
• همچنین با توجه به شکل پذیری فولاد، براحتی میتوان گیرداری الیاف را در بتن تأمین نمود. به همین منظور میتوان شکل‌های مختلفی از قبیل انتهای خمیده، انتهای قلايدار، دم پهن، موجدار، خرده تراشه نامنظم و … را تولید کرد.

برای افزودن الیاف فلزی، پلاستیکی یا شیشه‌ای به بتن، می‌توان از تکنیک‌های استاندارد اختلاط استفاده نمود. اما ترتیب اضافه نمودن الیاف بر حسب اندازه ی مخلوط کن و نوع الیاف فرق می‌کند. روش اختلاط باید پراکندگی یکنواختی از الیاف را فراهم کرده و از جدائی و گلوله شدن آنها جلوگیری نماید. همچنین توجه به این مسئله مهم است که الیاف در ضمن اضافه شدن به خمیر سیمان آسیب نبیند. در غیر اینصورت اثر تقویت کنندگی آن کمتر خواهد شد.

چگونگی ساخت بتن الیافی

پیش از ساخت بتن الیافی توجه به نکات اجرایی زیر مهم است:

1. دستورالعمل‌های سازنده الیاف باید هنگام تولید بتن الیافی اجرا شوند. افزودن الیاف در زمانی نامناسب و یا اختلاط غلط میتواند منجر به مشکلات زیادی شود. حتی الیاف‌ها را بی اثر می‌کند.
2. زمان اختلاط الياف با بتن خیلی مهم است. از نظر اینکه الیاف در داخل دستگاه بتن ساز ریخته شوند. یا پس از آماده شدن بتن در داخل مخزن کامیون حمل بتن اضافه شوند. ولی در هر دو روش، الیاف باید به آرامی و با ریتم منظم داخل بتن پاشیده شوند. در غیر اینصورت به شکل توده گلوله می‌شوند.
3. نباید از حداکثر مقدار الياف توصیه شده تجاوز کرد. زیرا باعث کاهش قابل توجه کارایی Workability بتن میشود. مقدار مصرف الیاف 0/5 الی 2/5 درصد حجم سیمان است.
4. الياف‌ها بطور کلی، مقدار آب مورد نیاز اختلاط را افزایش می‌دهند. این مسئله را با افزودن فوق روان کننده میتوان جبران کرد.
5. در بتن تازه و ملات‌ها با افزودن میکرو الیاف‌ها، همگنی افزایش می‌یابد.
6. ترک خوردگی زودرس در ده ساعت اول بتن ریزی در اثر انقباض پلاستیک با استفاده از میکروالیاف ها کاهش می‌یابد.
7. در دو روز اول بتن‌ریزی ترک‌هایی که بر اثر تنش‌های گیرداری و یا حرارتی ایجاد شده‌اند با استفاده از الیاف میکرو و یا ماکرو کاهش می‌یابند.
8. پس از ۲۸ روز نیروهای ناشی از بارهای خارجی می‌توانند به الیاف فولادی ماکرو انتقال یابند. همچنین خاصیت ضد آتش با استفاده از الیاف HPP با دمای ذوب 160 سانتی گراد افزایش می یابد.

توجه کنید:

سیمان مصرفی از انواع معمولی طبق استاندارد است. در تولید این نوع بتن، الیاف به مخلوط بتن معمولی اضافه می‌گردد. روش‌های معمول تحکیم و تراکم متعاقب آن بر روی بتن انجام می‌گیرد. باید توجه داشت که افزایش نسبت ظاهری (نسبت طول به قطر الياف) موجب تجمع و درگیری رشته های الیافی در یکدیگر شده که برای بدست آوردن مخلوط یکنواخت، می‌بایست نسبت ظاهری، حداکثر به عدد 100 محدود شود.

بر اساس تجارب حاصله، نسبت آب به سیمان کمتر از 0/48 و مقدار سیمان بین 350 کیلوگرم در متر مکعب، مناسب است.

در بتن الیافی به منظور خارج کردن هوا، کاهش آب، افزایش کارآئی و کنترل انقباض، معمولاً مواد افزودنی مناسبی را میتوان مورد استفاده قرار داد. تجربه نشان داده است که 25 تا 35 درصد خاکستر آتشفشانی به جای سیمان، تأثیر مناسبی در افزایش کارایی و زمان گیرش خواهد داشت. سربار کوره آهن گدازی، پودر سنگ آهک و میکروسیلیس هم در حدود (10-5) درصد قابل استفاده است.

مراحل طرح اختلاط طبق توصیه 211-ACI

• اسلامپ متناسب با نوع کار و مقاومت مورد نیاز مشخص می گردد. برای بتن حجیم 25 تا 50 میلیمتر و برای تیر و ستونها تا 100 میلیمتر است. برای افزایش اسلامپ، بدون کاهش مقاومت از فوق روان کننده استفاده می شود.
• انتخاب حداکثر اندازه دانه ها نباید از 38 میلیمتر بیشتر باشد. توصیه میشود که حتی المقدور از دانه‌های کوچکتر از 19 میلیمتر استفاده شود.
• تعیین مقدار آب، تابعی از اسلامپ، اندازه دانه ها و حباب های هوای لازم است. میزان حباب هوا به شرایط جوی مرتبط است. برای مناطق یخبندان بیشتر توصیه میشود. ولی باید توجه داشت که موجب کاهش مقاومت خواهد شد.
• با در نظر گرفتن رطوبت موجود در سنگدانه ها، میزان آب مصرفی اصلاح می‌شود.

آزمایش جذب انرژی برای بتن الیانی اسپری شونده مطابق EN1488-5 بتن اليافی و معادل با ASTM C1550 است. در آندال بتنی به ضخامت 15 سانتی متر و به قطر یک متر در حدود 30 سانتی متر تغییر شکل داده و سپس گسیخته می‌شود.