در این مقاله می خوانید:
بتن ساخته شده از سیمان هیدرولیکی ، آب ، شن ، ماسه و الیاف مجزا ، بتن الیافی نامیده می شود. در بتن های الیافی مانند بتن معمولی می توان از پوزولان ها و دیگر مواد مضاف استفاده کرد. الیاف در شکل ها و اندازه های متفاوت و از جنس فولاد ، خمیری ، 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 مقاومت های کششی و خمشی بتن به میزان زیادی افزایش می یاید. همچنین 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 آن ها به میزان زیاد نمی گردد.
با این وجود پژوهشگران ، بهبود زیادی را در رفتار بتن های الیافی ، در مرحله پس از ترک خوردگی پیدا کرده اند به عبارت دیگر ، علی رغم آنکه مقاومت نهایی کششی به میزان زیادی افزایش نمی یابند ، اما کرنش کششی در هنگام گسیختگی افزایش می یابد. در نتیجه ، در مقایسه با بتن ساده ، بتن های الیافی سخت ترند و در مقابل ضربه مقاومت بیشتری دارند.
منحنی های متداول بار – تغییر شکل ، برای بتن ساده و بتن الیافی در شکل زیر نشان داده شده است.
هرگاه تغییر شکل مربوط به مقاومت خمشی نهایی بتن ساده زیادتر گردد ، گسیختگی ناگهانی رخ می دهد ، ولی از سوی دیگر ، بتن الیافی حتی در تغییر شکل های بسیار بیشتر از تغییر شکل نظیر شکست در بتن ساده ، به تحمل بارها ادامه می دهد. نتایج آزمایش نمونه های شکسته شده بتن الیافی نشان می دهد که در این نوع بتن ها شکست به علت بیرون کشیده شدن الیاف یا از بین رفتگی پیوستگی رخ می دهد. در نتیجه بر خلاف بتن سازه ، نمونه بتن الیافی بلافاصله پس از شروع اولین ترک شکسته نمی شود. این رفتار تاثیر الیاف بر روی افزایش کار انجام شده تا هنگام شکست را ، که طاقت نامیده می شود نشان می دهد. طاقت ، با سطح زیر منحنی بار – تغییر شکل نشان داده می شود. بر اساس نظریه Shah 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 آنکه مقاومت الیاف در برابر بیرون کشیده شدن آن ها 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 تنش های اضافی را از طریق تنش های پیوستگی به خمیر سیمان منتقل کنند. اگر این تنش های پیوستگی از مقاومت پیوستگی بیشتر نگردد در خمیر سیمان ترک های 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 کشیده می شود.
اطلاعات به دست آمده از آزمایش هایی که کرنچل بر روی ملات ساده و ملات الیافی انجام داد نشان می دهد که افزودن الیاف به میزان ۰.۹ و ۲ درصد حجمی به بتن مقاومت خمشی آن را به ترتیب به مقدار تقریبی ۱۵ و ۳۰ درصد افزایش می دهد. با این وجود در هر دو مورد کرنش در هنگام شکست ۹ تا ۱۰ مرتبه بیشتر از کرنش نظیر در ملات غیر مسلح است. در ناحیه کششی بلافاصله بعد از گسیختگی نهایی ، هیچ ترکی مشاهده نمی شود. توزیع ترک های ریز نشان می دهد که الیاف به عنوان آرماتور میکروسکوپی برای توزیع ترک ها عمل می کنند.
بر اساس گزارش کمیته ACI 544 کل انرژی جذب شده در هنگام از بین رفتن پیوستگی الیاف و قبل از آنکه از ماتریس جدا شود ، که از روی سطح زیر منجنی بار – افتادگی اندازه گیری می شود ، در بتن الیافی حداقل ۱۰ تا ۴۰ مرتبه بیشتر از انرژی نظیر در بتن ساده می باشد. مقدار افزایش سختی ، تابع تمرکز الیاف در خمیر سیمان ، و مقدار الیاف در برابر بیرون کشیده شدن است، که خود بستگی به نسبت ظاهر الیاف (نسبت طول الیاف به قطر آن ها) و دیگر عوامل از قبیل شکل یا بافت سطحی الیاف دارد.
مشخصات متداول انواع مختلف الیاف در جدول زیر درج شده است.
در شکل زیر نیز انواع الیاف فولادی با شکل و اندازه های مختلف نشان داده شده است.
الیاف فولادی گرد ، قطرهای متفاوتی از ۰.۲۵ تا ۰.۷۵ میلیمتر دارند. ضخامت تقریبی الیاف فولادی تحت در حدود ۰.۲۵ تا ۰.۹ میلیمتر است. الیاف فولادی چین دار و آجدار ، یا در تمامی طول دارای چین و آج هستند یا اینکه فقط انتهای آن ها چیندار و آجدار شده است. برای انتقال و اختلاط آسان ، الیاف به صورت دسته های ۱۰ تا ۳۰ عددی همراه با چسب های محلول در آب موجود هستند و نسبت های ظاهر آن ها بین ۳۰ تا ۱۵۰ است. قطر الیاف شیشه ای بین ۰.۰۰۵ تا ۰.۰۱۵ میلیمتر است، ولی این الیاف را می توان به یکدیگر پیوند داده و قطر آن ها را به ۰.۰۱۳ تا ۱.۳ میلی متر افزایش داد. از آنجا که شیشه 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.
ملاحظات کلی: افزودن هر نوع الیاف به بتن ساده از کارایی آن می کاهد. کارایی بتن مسلح به الیاف ، از هر نوعی 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 از آزمایش اسلامپ برای تعیین کارایی بتن الیافی مناسب نیست. برای مثال اگر به یک بتن با اسلامپ ۲۰۰ میلی متر ، به میزان ۱.۵ درصد حجم آن الیاف فولادی یا شیشه ای اضافه شود اسلامپ مخلوط کاهش یافته و به حدود ۲۵ میلی متر می رسد. اما با این حال جای دادن و متراکم کردن بتن از طریق ویبره کردن می تواند رضایت بخش باشد بنابراین آزمایش وی بی برای سنجش کارایی بتن الیافی مناسب تر است.
پژوهشگران مرکز تحقیقات ساختمان بریتانیا تاثیر مقدار الیاف و نسبت ظاهر آن ها 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 یابد ولی از طرف دیگر اطلاعات موجود در شکل مزبور نشان می دهد که افزایش این دو متغیر موجب کاهش کارایی می شوند. در حقیقت اطلاعات به دست آمده از تحقیقات سوامی و مانگات نشان می دهند که در صورت استفاده از الیاف فولادی با نسبت ظاهری بیش از ۱۰۰ اگر درصد حجمی الیاف کم و در حدود ۱.۱۳ درصد باشد پدیده ای به نام تابیدگی یا توپی شدن حاصل می شود.
بنابراین نسبت ظاهر و مقدار الیاف باید به نحوی مناسب انتخاب شود. سازگاری بین مقدار الیاف و نسبت ظاهر آن ها ، بر روی انتخاب نوع الیاف و طراحی بتن الیافی تاثیر به سزایی دارد. به طور کلی مقدار الیاف فولادی در بتن باید به حدود ۲ درصد حجمی ، و نسبت ظاهر به ۱۰۰ محدود گردد. حتی وجود ۲ درصد الیاف فولادی کارایی بتن یا ملات را با افزایش اندازه سنگدانه ها به میزان قابل توجهی کاهش می دهند.
در آیین نامه ACI تحت عنوان “راهنمای تعیین مشخصات ، مخلوط کردن ، جای دادن و پرداخت بتن مسلح به الیاف فولادی” توصیه شده است که از سنگدانه های بزرگتر از ۱۹ میلی متر برای ساختن بتن مسلح به الیاف فولادی استفاده نگردد. در حقیقت ، در مراحل اولیه پیشرفت بتن الیافی ، برخی از پژوهشگران توصیه کردند که با شن های با حداکثر اندازه ۹ میلی متر بیش از ۲۵ درصد وزنی استفاده نشود. به طور کلی برای آنکه کارایی مناسب بتن های الیافی به دست 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.
نسبت های اختلاط ، مشخصات و سایر کاربردهای بسیاری از بتن های الیافی ، در زیر شرح داده شده است. در حال حاضر معمولا از الیاف برای مقاصد سازه ای استفاده نمی شود.
کمیته ۵۴۴ ACI اظهار می دارد که بتن مسلح به الیاف فولادی معمولا با مقدار مقاومت و الیاف مشخص گردد. معمولا در صورت استفاده از این نوع بتن ها در دال کف ، مقاومت خمشی ، و در صورت استفاده از آن ها به عنوان بتن سازه ای ، مقاومت فشاری آن ها مشخص می شود. معمولا ، یا مقاومت خمشی نمونه ۲۸ روزه این نوع بتن ها در حدود ۵-۱۰ مگاپاسکال و یا مقاومت فشاری نمونه ۲۸ روزه آن ها در حدود ۳۴-۴۸ مگاپاسکال در مشخصات قید می شود. میزان مصرف الیاف در بتن با وزن مخصوص معمولی ، که در مشخصات قید شده است بین ۳۰ کیلوگرم بر متر مکعب تا ۲۲۰ کیلوگرم بر مکعب متغیر است. همچنین حداکثر میزان مصرف الیاف ، میزان ۹۵-۱۲۰ کیلوگرم بر متر مکعب مشخص شده است.
انجمن سیمان پرتلند ، در مورد استفاده از الیاف فولادی با سطح مقطع ۱*۰.۰۲۲*۰.۰۱ اینچ و نسبت های اختلاط و مشخصات بتن های الیافی مناسب برای ساخت باند های فرودگاه ها و بزرگراه ها تحقیقاتی را انجام داده است. با استفاده از یک نمودار می توان افزایش مقدار سیمان و کاهش در نسبت های سنگدانه برای مقادیر مختلف الیاف ۰.۵ تا ۲ درصد را تعیین کرد.
با استفاده از این گراف و نسبت های مخلوط جدول زیر مشخص می شود که چطور با نسبت آب به سیمان معین ، مقدار سیمان باید ازایش یافته و مطابق با آن نسبت سنگدانه ها کاهش یابد تا مقدار کارایی مناسبی برای بتن به دست آید. از این جدول می توان برای مخلوط های با ۲ درصد حجمی الیاف استفاده کرد. نسبت های توصیه شده در آیین نامه ACI 544 برای بتن و ملات الیافی با وزن معمولی که دارای حباب های هوا نیز هستند در جدول زیر ارائه شده است.
برای دال های کف معمولا 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 کارایی بتن بهتر شده و مقاومت خمشی ۲۸ روزه آن افزایش یابد نسبت های اختلاط متدوال بتن مصرفی در باند فرودگاه که دارای ۳۰ درصد وزنی خاکستر بادی جایگزین سیمان شده هستند در جدول زیر نشان داده شده است.
ارزیابی بعضی از مشخصات بتن الیافی مشکل است. در این مورد گزارش ACI 544.2R توصیه هایی را ارائه کرده است که خلاصه بعضی از آن ها در زیر شرح داده شده است.
تاثیر الیاف در روی کارایی بتن تازه ، قبلا شرح داده شده است. برای اکثر کاربرد ها ، ملات یا بتن الیافی از کارایی بسیار کمی برخوردار است با این وجود جای گیری ، و تراکم پذیری بتن از آنچه که کارایی کم آن نشان می دهد بهتر است.
می توانیم نسبتا بگوییم که تاثیر عمده الیاف ، نه بر روی مقاومت بلکه بر روی طاقت خمشی آن است. این رفتار بر مبنای گزارش های شاه (Shah) و رانگان (Rangan) در شکل زیر نشان داده شده است. نتایج آزمایش های مندرج در شکل مذکور برای نمونه های بتن الیافی با مقدار ثابت الیاف (۱ درصد حجمی) است ولی نسبت ظاهر الیاف با افزایش طول الیاف از ۰.۲۵ تا ۱ اینچ تغییر می کند مولفان این چنین نتیجه گیری می کنند:
از نتایج به دست آمده می توان فهمید که با افزایش طول تا مقدار معینی ، مقاومت و طاقت افزایش می یابند. افزایش سختی یک برابر است در حالی که اضافه شدن مقاومت فقط به مقدار کم است. مقایسه بین الیاف و آرماتور نیز در جدولی نشان داده شده است. درصد حجمی فولاد در هر دو نمونه ۱ درصد است. آرماتورها از نوع فولاد آج دار و قطر ۰.۲۳۳ اینچ ( میلی متر) هستند و پوشش بتن روی این آرماتورها در ناحیه کششی تیر برابر با ۰.۵ اینچ (۱۲ میلی متر) است. از نتایج ارائه شده می توان مشاهده نمود که حداکثر لنگر خمشی ، در حالتی که از آرماتور استفاده می کنیم بیش از ۳ برابر حالتی است که از بتن الیافی استفاده می شود.
کاملا مشخص است که اگر مقاومت خمشی کمترین هدف ما باشد نمی توان از الیاف به جای آرماتور استفاده کرد. منحنی شکل زیر تاثیر حجم الیاف بر روی مقاومت خمشی و طاقت خمشی تیر بتن الیافی را نشان می دهد. تیر ها دارای الیاف فولادی به ابعاد ۰.۰۱ * ۰.۰۱ * ۰.۷۵ اینچ (۰.۲۵ * ۰.۲۵ * ۱۹ میلیمتر) هستند. مسلم است که با افزایش مقدار الیاف به مقاومت خمشی و طاقت خمشی تیر افزوده می شود بدین صورت که افزایش طاقت خمشی برای الیاف به میزان ۱.۲۵ درصد حجمی ، ۲۰ برابر بوده است و افزایش مقاومت به ازای همین مقدار الیاف ، کمتر از ۲ برابر می باشد.
به نظر می آید که مقاومت نظیر اولین ترک و مقاومت خمشی نهایی سیستم بتن الیافی از رابطه زیر قابل پیش بینی است.
سوامی و همکارانش در دانشگاه فیلد ، یک تحلیل رگرسیون بر روی نتایج آزمایش های انجام شده بر روی خمیر سیمان ، ملات و بتن الیافی انجام دادند و از انواع نسبت های اختلاط و شکل های هندسی الیاف استفاده کرد و ثابتها را به دست آورده اند. مقادیر A و B به ترتیب ۰.۸۴۳ و ۲.۹۳ برای مقاومت نظیر اولین ترک به دست آمده است.
برای مقاومت نهایی ماده مرکب مقادیر A و B به ترتیب ۰.۹۷ و ۳.۴۱ به دست آمده اند. طبق گزارش داده شده ضریب همبستگی در تحلیل رگرسیون برابر ۰.۹۸ بوده است.
همانطور که در شکل های گذشته نشان داده شده است مزیت عمده بتن الیافی ، بهبود طاقت خمشی (کل انرژی جذب شده در هنگام شکست نمونه در خمش) است. به دلیل افزایش طاقت خمشی مقاومت در برابر خستگی و مقاومت در برابر ضربه نیز به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش می یابند. متاسفانه از آن جا که انجام آزمایش مقاومت ضربه ای برای بتن الیافی چندان موفقیت آمیز نبوده است لذا پژوهشگران تاکنون موفق به تعیین کمی میزان افزایش مقاومت ضربه ای نشده اند. داده های متعارفی که نشان دهنده ی پیشرفت نسبی مقاومت ضربه ای ، بر اثر جایگزین الیاف چین دار به جای الیاف دندانه دار می باشد در شکل قبل ارائه شده است.
مشخص شده است که حتی الیاف با مدول کم ، مانند نایلون و پلی پروپیلن در تولید اعضای بتنی پیش ساخته در معرض ضربه شدید بسیار موثر بوده اند. براساس گزارش جانسون یک شرکت تولید کننده در انگلستان سالیانه حدود ۵۰۰ هزار قطعه توخالی شمع پیش ساخته تولید می کند. این واحد ها که ۹۱۵ میلی متر طول و ۲۸۰ میلی متر قطر دارند و ضخامت دیواره آن ها ۵۰ میلی متر است یک قالب خارجی را تشکیل می دهند که شمع بتن آرمه معمولی در درون آن ساخته می شود. با استفاده از بتن با سنگدانه به ابعاد ۱۰ میلی متر و ۰.۵ درصد حجمی الیاف پروپیلن به طول ۴۰ میلی متر مقامت شمع در برابر شکست در حین شمع کوبی در مقایسه با قطعات مسلح به شبکه فولادی ۴۰ درصد کاهش یافت.
در خصوص مقاومت نشان داده شده است که افزودن الیاف به تیر های بتن آرمه معمولی عمر آن را در برابر خستگی افزایش می دهد و تحت بارگذاری خستگی ، عرض ترک کاهش می یابد. به طور کلی مقاومت خستگی یک تیر مسلح به الیاف که به درستی طراحی شده باشد در حدود ۹۰ درصد مقاومت استاتیکی همان تیر تحت بارهای چرخه ای با ۱۰۶*۲ دور بارگذاری می باشد مشروط بر آنکه جهت اعمال بار چرخه ای تغییر نکند. اگر جهت اعمال بار چرخه ای کاملا تغییر کند مقاومت خستگی در حدود ۷۰ درصد مقاومت استاتیکی تحت بار چرخه ای با همان تعداد دور بارگذاری خواهد بود.
افزودن الیاف فولادی به بتن ، اثر ناچیزی بر روی مدول ارتجاعی ، جمع شدگی ناشی از خشک شدن و خزش فشاری دارد. خزش کششی تا حدی کاهش می یابد ولی اگر از الیاف کربنی خیلی قوی استفاده شود خزش خمشی به مقدار زیادی کاهش می یابد با این وجود در اکثر تحقیقات الیاف به دلیل حجم کم آن فقط به عنوان یک ماده صلب درون خمیر عمل کرده است بدون آنکه اثر مهمی در پایداری ابعاد ماده مرکب داشته باشد.
معمولا بتن مسلح با الیاف ، با مقدار زیاد سیمان و نسبت کم آب به سیمان ساخته می شود. اگر بتن حاوی الیاف فولادی به طور مطلوبی متراکم شده و عمل آوری شود تا زمانی که الیاف توسط خمیر سیمان محافظت می شود ، از دوام عالی برخوردار خواهد بود. در اکثر شرایط محیطی ، به خصوص در محیط هایی که کلرید وجود دارد ، امکان زنگ زدگی الیاف واقع در حوالی سطح بتن وجود دارد اما الیاف واقع در بخش درونی بتن بدون خوردگی باقی می مانند. آزمایش دراز مدت بر روی بتن حاوی الیاف فولادی در آزمایشگاه (Battelle) در اوهایو نشان داد که الیاف دچار کمترین زنگ زدگی شده اند و پس از ۷ سال قرارگیری در معرض نمک های یخ زدا دچار کمترین مشکل شده اند.
همانطور که قبلا بیان شد به دلیل تهاجم شیمیایی قلیایی موجود در خمیر سیمان ، الیاف شیشه ای معمولی را نمی توان در بتن یا ملات با سیمان پرتلند استفاده کرد. زیرکنیا و دیگر الیاف شیشه ای مقاوم در برابر قلیا از دوام بهتری در محیط قلیایی برخوردارند. اما دیده شده است که حتی این نوع الیاف نیز به مرور زمان دچار آسیب تدریجی می شود. به همین ترتیب اکثر الیاف طبیعی مثل کتان و پشم و بسیاری از پلیمرهای مصنوعی در محیط قلیایی خمیر سیمان پرتلند دوام ندارند.
براساس آیین نامه ACI 544 بتن های مسلح به الیاف فولادی از نظر دوام در برابر سایش سطحی و خلازایی تحت تحقیق قرار گرفته اند. آزمایش هایی که سپاه مهندسی انجام داد نشان می دهد که مقاومت در برابر سایش ناشی از حرکت ذرات ریز با سرعت کم بر روی سطح بتن باشد ، کیفیت سنگدانه و سختی سطح تعیین کننده سرعت سایش است. افزودن الیاف در بتن سبب بهبود این امر نمی شود در واقع اگر استفاده از الیاف باعث افزایش نسبت آب به سیمان و جم بیشتر خمیر سیمان شد ، احتمال سایش افزایش نیز می یابد. با این وجود اگر آسیب وارد بر بتن ناشی از خلازایی حاصل از ضربه ذرات درشت باشد ، بتن الیافی سبب بهبود دوام بتن می گردد.
6 Comments
با آرزوی موفقیت برای شما
ممنون و تشکر از دیدگاه شما
مقاله مفیدی بود و واقعا استفاده کردم و ازتون سپاسگزارم. خدا حفظتون کنه و براتون آرزوی موفقیت هرچه بیشتر دارم.
خواهش می کنم. شما هم موفق باشید.
مطالب بسیار برای من مفید بودند و به عنوان یک هموطن به کشورم عشق میورزم صمیمانه از شما قدردانی میکنم
موفق باشید.
خواهش میکنم. نظر لطف شماست.
انشالله موفق باشید.