تعریف و اهمیت بتن الیافی

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، 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.

تاسیسات تصفیه فاضلاب در هوستون(الف)تاسیسات تکمیل شده ، (ب)و(ج) بتن بدون جمع شدگی برای ساخت ایستگاه های راکتور ها،زلال سازها،افزودنی های قوام آور ،مخازن هضم،وایستگاه های پمپاژ
تاسیسات تصفیه فاضلاب در هوستون(الف)تاسیسات تکمیل شده ، (ب)و(ج) بتن بدون جمع شدگی برای ساخت ایستگاه های راکتور ها،زلال سازها،افزودنی های قوام آور ،مخازن هضم،وایستگاه های پمپاژ

 

 

بتن معمولی دارای تعداد زیادی ترک های مویین است. همان گونه که در مطلب مقاومت بتن تشریح گردید، به دلیل توسعه سریع ترک های مویین تحت تنشهای 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 ترکهای مویین جلوگیری شده و در نتیجه مقاومتهای کششی و خمشی بتن به میزان زیادی افزایش می یابد. همچنین الیاف شروع ترکهای 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 مرحله 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. در قسمتی از این مطلب، کاربرد بتن الیافی کاملا مشخص شده و ابداع بتن الیافی برای جبران ضعف بتن، از نظر تئوریک شرح داده شده است.

مکانیزم بهبود رفتار و افزایش طاقت بتن

منحنی های متداول بار – تغییر شکل، برای بتن ساده و بتن الیافی در شکل ۱۱-۲۰ الف نشان داده شده است. هر گاه 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 شکلهای بسیار بیشتر از تغییر شکل نظیر شکست در بتن ساده، به تحمل بارها ادامه می دهد. نتایج آزمایش نمونه های شکسته شده (شکل ۱۱-۲۰ ب) بتن الیافی نشان میدهد که در این نوع بتنها، شکست به علت بیرون کشیده شدن الیاف یا از بین رفتن پیوستگی رخ می دهد. در نتیجه برخلاف بتن ساده، نمونه بتن الیافی بلافاصله بعد از شروع اولین ترک، شکسته نمی شود (شکل ۱۱-۲۰ ج). این رفتار تأثیر الیاف بر روی افزایش کار انجام شده تا هنگام شکست را، که طاقت نامیده می شود، نشان میدهد. مکانیزم افزایش طاقت، با سطح زیر منحنی بار – تغییر شکل نشان داده می شود. براساس نظریه شاه (Shah) طاقت بتن الیافی به شرح زیر است:

بتن الیافی، بعد از ایجاد اولین ترک در خمیر سیمان، بار وارده را تحمل میکند، 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 میکند. با افزایش بار بر روی مقطع مرکب، الیاف تمایل دارند که تنشهای اضافی را از طریق تنشهای پیوستگی به خمیر 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 بتن بیرون کشیده شوند.

(الف) رفتار بار - تغییر شکل بتن ساده و بتن الیافی، (ب) سطح مقطع تیر مسلح به الیاف فولادی پس از شکست، نشان میدهد که مد شکست، به صورت بیرون کشیده شدن الیاف بوده است، (ج) مکانیزم افزایش سختی خمشی بتن از طریق الیاف.
(الف) رفتار بار – تغییر شکل بتن ساده و بتن الیافی، (ب) سطح مقطع تیر مسلح به الیاف فولادی پس از شکست، نشان میدهد که مد شکست، به صورت بیرون کشیده شدن الیاف بوده است، (ج) مکانیزم افزایش سختی خمشی بتن از طریق الیاف.

 

اطلاعات به دست آمده از آزمایشهایی که کرنچل (Krenchel) (۴۶) بر روی ملات ساده و ملات الیافی انجام داد، نشان میدهد 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 میدهد. با این وجود، در هر دو مورد،کرنش در هنگام شکست ۹ تا ۱۰ مرتبه بیش از کرنش نظیر در ملات غیر مسلح است. در ناحیه کششی، بلافاصله بعد از گسیختگی نهایی، هیچ ترکی مشاهده نمی شود. توزیع ترکهای ریز نشان میدهد که الیاف به عنوان آرماتور میکروسکوپی برای توزیع ترکها عمل می کنند.

براساس گزارش کمیته ۵۴۴ ACI، کل انرژی جذب شده، در هنگام از بین رفتن پیوستگی الیاف و قبل از آن که از ماتریس جدا شود، که از روی سطح زیر منحنی 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 مقاومت الیاف در برابر بیرون کشیده شدن است، که خود بستگی به نسبت ظاهر الیاف (نسبت طول الیاف به قطر آنها) و دیگر عوامل از قبیل شکل یا بافت سطحی الیاف دارد.

نسبت اختلاط و مصالح بتن الیافی

 الیاف

. مشخصات متداول انواع مختلف الیاف در جدول زیر درج شده است. در شکل زیر، 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 تخت در حدود ۰٫۲۵ تا ۹۰٫ 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 ۱۰ تا ۳۰ عددی همراه با چسبهای محلول در آب موجود هستند و نسبتهای ظاهر آنها 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 آنها را به ۰٫۰۱۳ تا ۱٫۳ میلیمتر 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 قلیاییها و با دوام بهتر نیز تولید شده است.

ملاحظات کلی

. افزودن هر نوع الیاف به بتن ساده، از کارآیی آن میکاهد. 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

خواص متداول الیاف
خواص متداول الیاف

 

الیافی مناسب نیست. برای مثال، اگر به یک بتن با اسلامپ ۲۰۰ میلیمتر، به میزان ۱٫۵ درصد حجم آن، الیاف فولادی با شیشه ای افزوده شود، اسلامپ مخلوط کاهش یافته و به حدود  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) (نوزادی به نام بتن) برای سنجش کارآیی بتن الیافی مناسب تر است.

بیشتر بخوانید  بتن پرمقاومت | طرح اختلاط، روش ساخت و کاربرد های بتن با مقاومت بالا

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 یابد، ولی از طرف دیگر اطلاعات موجود در شکل مزبور نشان میدهد که افزایش این دو متغیر موجب کاهش کارآیی می شوند. در حقیقت، اطلاعات به دست آمده از تحقیقات سوامی و مانگات (Swamy& Mangat) نشان میدهند که در صورت استفاده از الیاف فولادی با نسبت ظاهر 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 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 ۲ درصد حجمی، و نسبت ظاهر به ۱۰۰ محدود گردد. حتی وجود ۲ درصد الیاف فولادی، کارآیی بتن یا ملات را با افزایش اندازه سنگدانه ها به میزان قابل توجهی کاهش میدهند. .

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 mmبرای ساخت بتن مسلح به الیاف فولادی استفاده نگردد. در حقیقت، در مراحل اولیه پیشرفت بتن الیافی، برخی از پژوهشگران توصیه کردند که از شنهای با حداکثر اندازه ۹mm، 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.

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 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 بتنها در دال کف، مقاومت خمشی، و در صورت استفاده از آنها به عنوان بتن سازه ای، مقاومت فشاری آنها

 

 

(الف)تاثیر نسبت ظاهر الیاف بر روی کارآیی ملات، (ب) تاثیر اندازه سنگدانه و مقدار الیاف بر روی کار آیی.
(الف)تاثیر نسبت ظاهر الیاف بر روی کارآیی ملات، (ب) تاثیر اندازه سنگدانه و مقدار الیاف بر روی کار آیی.

 

 

مشخص می شود. معمولا، یا مقاومت خمشی نمونه ۲۸ روزه این نوع بتنها در حدود Psi۷۰۰ – ۱۰۰۰ (MPa10 – 5)، و یا مقاومت فشاری نمونه ۲۸ روزه آنها در حدود Psi۵۰۰۰ -۷۰۰۰ (MPa48 – 34) در مشخصات قید میشود. میزان مصرف الیاف در بتن با وزن معمولی، که در مشخصات قید شده است، بین ۵۰Ib/yd3 یا kg/m3 ۳۰ (۳۸/۰ درصد حجمی) تا ۳۶۵Ib/yd3 یا ۲۲۰kg/m3(یا ۲ درصد حجمی) متغیر است. همچنین،حداکثر میزان مصرف الیاف، به میزان Ib/yd3 160-200یا kg/m3 95-120 (1.2تا ۱٫۵ درصد حجمی) مشخص شده است.

انجمن سیمان پرتلند، در مورد استفاده از الیاف فولادی با سطح مقطع ۱*۰٫۰۲۲*۰٫۰۱ اینچ ( ۲۵*۰٫۵۵*۰٫۲۵ 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 برای مقادیر مختلف الیاف (۰٫۵ تا ۲ درصد حجمی) را تعیین کرد. با استفاده از این گراف و نسبتهای مخلوط جدول زیر 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 به دست آید. از این جدول می توان برای مخلوطهای با ۲ درصد حجمی الیاف استفاده کرد. نسبتهای توصیه شده در آیین نامه ۵۴۴ ACI برای بتن و ملات الیافی با وزن معمولی، که دارای حبابهای هوا نیز هستند، در جدول زیر ارائه شده است.

برای دالهای کف معمولا به جای مقاومت فشاری، مقاومت خمشی را مشخص میکنند. 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. نسبتهای اختلاط متداول بتن مصرفی در باند فرودگاه، که دارای ۳۰ درصد وزنی خاکستر بادی جایگزین سیمان شده هستند، در جدول زیر نشان داده شده است.

مشخصات بتن الیافی

ارزیابی بعضی از مشخصات بتن الیافی مشکل است. در این مورد گزارش ACI544  توصیه هایی را ارائه کرده است که خلاصه برخی از آنها در زیر شرح داده میشود.

 

مقایسه نسبت های اختلاط بتن های ساده و بتن مسلح به الیاف(Ib/yd3 ) محدوده نسبت های بتن مسلح به الیاف با وزن معمولی
مقایسه نسبت های اختلاط بتن های ساده و بتن مسلح به الیاف(Ib/yd3 )
محدوده نسبت های بتن مسلح به الیاف با وزن معمولی

 

نسبت های اختلاط متداول بتن های الیافی حاوی خاکستر بادی،برای باند های فرودگاهها(Ib/yd3 )
نسبت های اختلاط متداول بتن های الیافی حاوی خاکستر بادی،برای باند های فرودگاهها(Ib/yd3 )

* می توان از مقدار مناسبی مواد افزودنی کاهنده آب و یا مواد حباب هواساز استفاده نمود. مقاومت های خمشی در ۲۸ روز در محدوده ۱۰۴۵ تا Psi ۱۱۰۰ می باشد.

** در صورت به کارگیری الیاف با انتهای چیندار به جای استفاده از الیاف تخت، می توان از حجم کمتری الیاف استفاده نمود.

کارآیی

. تأثیر الیاف بر روی کارآیی بتن تازه، قبلا شرح داده شده است. برای اکثر کاربردها، 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.

مقاومت

. می توانیم نسبتا بگوییم که تأثیر عمده الیاف، نه بر روی مقاومت، بلکه بر روی طاقت خمشی آن است. این رفتار بر مبنای گزارشهای شاه (Shah) و رانگان (Rangan)، در شکل زیرنشان داده شده است. نتایج آزمایشهای مندرج در شکل مذکور برای نمونه های بتن الیافی با

عوامل موثر بر روی خواص بتن الیافی :الف)تاثیر حجم الیاف ،ب)تاثیر افزایش نسبت ظاهر
عوامل موثر بر روی خواص بتن الیافی :الف)تاثیر حجم الیاف ،ب)تاثیر افزایش نسبت ظاهر

 

طول الیاف، از ۰٫۲۵تا ۱مقدار ثابت الیاف (۱ درصد حجمی) است، ولی نسبت ظاهر الیاف، با افزایش اینچ تغییر می کند. مؤلفان اینچنین 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 ۱٫۲۳۳اینچ (mm۶) هستند و پوشش بتن روی این آرماتورها، در ناحیه کششی تیر، برابر با ۰٫۵ اینچ (۱۲ میلیمتر) است. از نتایج ارائه شده می توان مشاهده نمود که حداکثر لنگر خمشی، در حالتی که از آرماتور استفاده میکنیم، بیش از ۳ برابر حالتی است که از بتن الیافی استفاده می شود.

کاملا مشخص است که اگر مقاومت خمشی مهمترین هدف ما باشد، نمی توان از الیاف به جای آرماتور استفاده کرد. منحنی شکل زیر، تأثیر حجم الیاف بر روی مقاومت خمشی و طاقت خمشی تیر بتن الیافی را نشان میدهد. تیرها دارای الیاف فولادی به

بیشتر بخوانید  بتن خودتراکم | قسمت 6: ویژگی های بتن خودتراکم سخت شده

ابعاد ۰٫۷۵*۰٫۰۱*۰٫۰۱اینچ ( ۱۹*۰٫۲۵*۰٫۲۵ 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 میزان۱٫۲۵ درصد حجمی، ۲۰ برابر بوده است و افزایش مقاومت، به ازای همین مقدار الیاف، کمتر از ۲برابر می باشد.

به نظر می آید که مقاومت نظیر اولین ترک ، و مقاومت خمشی نهایی سیستم بتن الیافی (با هر نوع ماتریس سخت شده: خمیر سیمان، ملات یا بتن)، از رابطه زیر قابل پیش بینی است:

که Sigma cو Sigma t به ترتیب مقاومت های ماده مرکب (شامل الیاف)، و ماتریس هستند.Vfحجم الیاف وL/dنسبت ظاهر الیاف است. A و B نیز اعدادی ثابت هستند.

سوامی و همکارانش در دانشگاه شفیلد، یک تحلیل رگرسیون بر روی نتایج آزمایشهای انجام شده بر روی خمیر سیمان، ملات و بتن الیافی انجام دادند و از انواع نسبتهای اختلاط و

(الف)تاثیر الیاف بر روی مقاومت نظیر اولین ترک،(ب)مقایسه بین تاثیرات چیندار بودن و دندانه دار بودن الیاف بر روی مقاومت در برابر ضربه
(الف)تاثیر الیاف بر روی مقاومت نظیر اولین ترک،(ب)مقایسه بین تاثیرات چیندار بودن و دندانه دار بودن الیاف بر روی مقاومت در برابر ضربه

 

شکل های هندسی الیاف استفاده کرده و ثابتها را به دست آورده اند. مقادیر A و B به ترتیب ۰٫۸۴۳ و۲٫۹۳برای مقاومت نظیر اولین ترک به دست آمده است. برای مقاومت نهایی ماده مرکب مقادیر A و B به ترتیب ۰٫۹۷و ۳٫۴۱ به دست آمده اند. طبق گزارش داده شده، ضریب همبستگی در تحلیل رگرسیون برابر با ۹۸/۰ بوده است.

طاقت و مقاومت در برابر ضربه

. همان طور که در شکل بالا 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. متأسفانه، از آنجا 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 نشاندهنده پیشرفت نسبی مقاومت ضربه ای، بر اثر جایگزینی الیاف چیندار به جای الیاف دندانه دار می باشد، در شکل بالا- ب 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 (Johnston) ، یک شرکت تولید کننده در انگلستان، سالیانه حدود ۵۰۰۰۰۰قطعه توخالی شمع پیش ساخته تولید میکند. این واحدها، که mm۹۱۵ طول و mm۲۸۰ قطر دارند و ضخامت دیواره آنها mm ۵۰ است یک قالب خارجی را تشکیل میدهند که شمع بتن آرمه معمولی در درون آن ساخته می شود. با استفاده از بتن با سنگدانه به ابعاد mm۱۰ و ۰٫۵ درصد حجمی الیاف پلی پروپیلن به طول mm ۴۰، مقاومت 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 تیرهای بتن آرمه معمولی، عمر آن را در برابر خستگی افزایش میدهد 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 چرخهای، با ۲*۱۰۲ دور بارگذاری، می باشد مشروط بر آنکه جهت اعمال بار چرخهای 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.

مدول ارتجاعی، خزش و جمع شدگی ناشی از خشک شدن

. 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 ابعادی ماده مرکب داشته باشد.

دوام

. معمولا بتن مسلح به 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، بخصوص در محیطهایی 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 بتل (Battelle) در اوهایو نشان داد که الیاف دچار کمترین زنگ زدگی شده اند، و پس از ۷ سال قرارگیری در معرض نمکهای 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. زیرکُنیا 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 میشوند. به همین ترتیب، اکثر الیاف طبیعی، مانند کتان و پشم و بسیاری از پلیمرهای مصنوعی، در محیط قلیایی خمیر سیمان پرتلند دوام ندارند. براساس آیین نامه ۵۴۴ ACI، بتن های مسلح به الیاف فولادی، از نظر دوام در برابر سایش سطحی و خلأزایی تحت تحقیق قرار گرفته اند. آزمایش هایی که سپاه مهندسی انجام داد نشان میدهد که مقاومت در برابر سایش ناشی از حرکت ذرات موجود در آب جاری بهبود نمی یابد. این آزمایش ها نشان میدهد که اگر سایش ناشی از حرکت ذرات ریز با سرعت کم بر روی سطح بتن باشد، کیفیت سنگدانه و سختی سطح، تعیین کننده سرعت سایش است (دوام بتن). افزودن الیاف در بتن سبب بهبود این امر نمی شود؛ در واقع، اگر استفاده از الیاف باعث افزایش نسبت آب به سیمان و حجم بیشتر خمیر سیمان شود، احتمال سایش افزایش نیز می  یابد. با این وجود، اگر آسیب وارد بر بتن، ناشی از خلأزایی حاصل از ضربه ذرات درشت باشد، بتن الیافی سبب بهبود دوام بتن می گردد. بزرگترین پروژه از این نوع، که تاکنون انجام شده است، تعمیر حوضچه آرامش سد تاربلا در پاکستان در سال ۱۹۷۷ بوده است، که در آن، از روکش بتنی با ضخامت mm۵۰۰ حاوی ۴۴۴kg/m 3سیمان و ۷۳kg/m الیاف استفاده گردید. جانسون، به منظور مراجعه آسان، نموداری را تهیه کرده است که بهبود نسبی خواص مختلف بتن ساده، بر اثر استفاده از الیاف فولادی مستقیم به طول ۲۵ تا ۳۸ میلیمتر، را نشان می دهد.

بیشتر بخوانید  بتن حجیم | طرح اختلاط، روش ساخت و کاربرد

کاربردهای بتن الیافی

کمیته ۵۴۴ انستیتوی بتن آمریکا (ACI)، گزارشی را در مورد ۱۱۲ نوع کاربرد مختلف بتن الیافی در جهان ارائه داده است. هناگه (Henager)، خلاصه ای از پروژه های بزرگتر و جالبتر در این زمینه را ارائه کرده است. نکات برجسته ای از کاربردهای متداول مذکور در این گزارش خلاصه شده، و نیز نکات مذکور در گزارش ۵۴۴ ACI، را در این بخش ارائه خواهیم کرد.

اولین کاربرد سازه ای بتن مسلح به الیاف فولادی، در سال ۱۹۷۱ برای تولید پانل های قابل حملی بود که دارای سطح ۲mm ۳۲۵۰ و ضخامت ۶۵mm بودند و برای پارکینگ فرودگاه هیترو لندن، به کار برده شدند. این بتن حاوی ۳ درصد وزنی الیاف فولادی سرد کشیده به قطر ۰٫۲۵mm و به طول ۲۵mmبود. براساس آخرین گزارش بازرسی، پس از ۵ سال استفاده از دال، هیچ گونه علامت حاکی از ترک خوردگی، در آن مشاهده نشده است.

همچنین، در سال ۱۹۷۱، آزمایشگاه تحقیقاتی مهندسی ساختمان ارتش ایالات متحده، دال باند پرواز فرودگاه ویکسبرگ در می سی سی پی را با استفاده از بتن مسلح به الیاف (با ۲ درصد حجمی الیاف) و با انجام آزمایشهای کنترل شده اجرا کرد. باند مزبور، تحت بار چرخ هواپیمای شامل ۱۲ چرخ، هر یک به میزان ۱۳۶۰۰ کیلوگرم) قرار گرفت. در تحقیقات، نتایج انجام شده بر روی دو دال، یکی دال بتن مسلح به الیاف به ضخامت mm۱۵۰، و دیگری دال بتن ساده به ض خامت mm۲۵۰، با یکدیگر مقایسه گردید. اولین ترک در دال اول پس از ۳۵۰ مرتبه بارگذاری ظاهر گردید.

بهبود نسبی خواص مختلف بتن ،بر اثر استفاده از الیاف در آن
بهبود نسبی خواص مختلف بتن ،بر اثر استفاده از الیاف در آن

 

در حالی که در بتن ساده، این ترک پس از ۴۰ مرتبه بروز کرد. بتن ساده پس از ۹۵۰ مرتبه بارگذاری کاملا گسیخته گردید در حالی که بتن الیافی حتی پس از ۸۷۳۵ مرتبه بارگذاری، و علی رغم بروز ترکهای ریز در آن، باز هم قابلیت خدمت دهی داشت.

فرودگاه بین المللی ماکاران، در لاس وگاس، نوادا، در سال ۱۹۷۶ دارای یک پارکینگ هواپیما (yd3 ۶۳۰۰) از نوع آسفالتی بود که با بتن مسلح به الیاف فولادی به ضخامت mm۱۵۰ روکش گردید. در صورت استفاده از بتن مسلح معمولی، نیاز به دالی به ضخامت mm۳۸۰ بود. براساس عملکرد موفقیت آمیز این دال، در سال ۱۹۷۹، یک روکش دیگر (به ضخامت mm۱۷۵) با استفاده از قالب لغزنده بر روی اسفالت تازه ساخته شده، اجرا گردید. برای این منظور، از ۸۵Ib/yd3 (50kg/m 3 )الیاف با انتهای چیندار، به طول mm۵۰ و قطر ۰٫۵mm، استفاده گردید،مقاومت خمشی ۲۸ روزه بتن ،برابر با (۷mpa) 1045psi بود. استفاده از الیاف با انتهای چیندار در برد باعث شد که مقدار الیاف به نصف مقدار استفاده شده در پروژه اول برسد . هر دوی این پارکینگ ها خمشی ۲۸ روزه بتن، برابر با این پارکینگ ها برای بارهای ناشی از هواپیماهای ۱۰-DC و بوئینگ ۷۴۷ (تاIb ۷۷۵۰۰۰) استفاده می شوند.

در سال ۱۹۸۰، از بتن مسلح به الیاف فولادی، برای ساخت باند خزش فرودگاه بین المللی کائن،در رنو ،نوادا، به ابعاد x 170mm m ۲۳ ۸۵۰m x  استفاده گردید. حجم کلی بتن الیافی مصرف m 3۵۶۰۰ بود که حاوی سنگدانه با حداکثر اندازه ۱۲mmو(۵۲kg/m3 )87Ib/yd3 الیاف چیندار از نوع مصرف شده در پروزه لاس وگاس، بود. باند خزش مزبور در ۳ نوار ۷٫۵متری، با درزهای عرضی از بهای به فاصله ۱۲ متر از هم اجرا شد. فاصله بین درزهای اجرایی محلولی از نوع زبانه ای، ۷٫۵متر بود.

دو ناحیه وسیع دارای شیوه های صخره ای، با بتن الیافی فولادی تثبیت گردید. یکی از این نواحی، در پالایشگاه سوئد و دیگری در راه آهن اسنیک ریور در ایالت واشنگتن بود. در سوئد، از  m3 ۴۱۰ بتن حاوی kg1۵۵ الیاف استفاده گردیده که به صورت بتن پاشی اجرا شد. در پروژه اسنیک ریور از m3 ۵۳۰۰ بتن حاوی (۱۲۰kg/ m3 )200Ib/yd 3تا (۱۵۰kg/ m3 )250Ib/yd 3 الیاف به کار گرفته شده و در اینجا نیز روش اجرا به صورت بتن پاشی بود. شیب مزبور، ابتدا با پیچ هایی  محکم گردید و سپس با بتن پاشی به میزان ۶۰ تا ۷۵mm پوشانیده شد. برآورد نشان می دهد که در مقایسه با بتن پاشیده مسلح شده با شبکه سیمی، ۵۰۰۰۰ دلار صرفه جویی شده است، چندین پروژه روکش تونل یا سایر پروژه های تعمیراتی از طریق روکش کردن، در ژاپن و ایالات متحده با استفاده از بتن الیافی فولادی، گزارش شده است.

در پایان، با توجه به استفاده های متعارف از بتن مسلح به الیاف فولادی، توصیه ارائه شده در گزارش۸۴- ۵۴۴/۳R ACI  به شرح زیر خلاصه شده است:

به طور کلی، هنگامی که از بتن های الیافی ، برای کاربردهای سازه ای استفاده می شود، نقش آن باید به صورت یک نقش مکمل باشد، تا در نتیجه استفاده از آن، از ترک خوردگی جلوگیری شود، مقاومت بتن در مقابل ضربه یا بارگذاری دینامیکی بهبود یابد، و از تخریب و از هم پاشیدگی مصالح جلوگیری شود. در اعضای سازه ای تحت بار های خمشی و کششی، نظیر تیرها، ستونها، وکف های معلق (یعنی کفهایی که بر روی زمین قرار ندارند)، آرماتور معمولی باید قابلیت تحمل کل بار کشتی را داشته باشد. در مواردی که وجود آرماتور یکسره از نظر پایداری و ایمنی سازه ضروری نیست، برای مثال، در پیاده روها، روکشها، و روکش های بتن پاشی شده، الیاف به کار برده شده برای بهبود مقاومت خمشی، موجب کاهش ضخامت مقطع، با بهبود عملکرده با هر دری موارد اخیر می شود.

جانسون، به منظور بررسی استفاده از الیاف فولادی از نقطه نظر اقتصادی، براساس قیمت های۱۹۸۰( ۶۶۰دلار برای هر تن)، تحقیقاتی را انجام داد، و تخمین زد که یک درصد حجمی الیاف قیمت مصالح بتن را تا ۵۲ دلار در هر متر مکعب افزایش می دهد. احتمالا به دلیل هزینه زیاد بتن با الیاف فولادی، الیاف مصرفی در بتن، عمدتا در لایه روکش بتن، و نه در ضخامت کامل کف سازی، به کار برده می شود. چنین ساختاری از این ماده مرکب، منطقی به نظر می آید زیرا، حداکثر تنش کششی در بالای کف سازی رخ می دهد.

فرض می شود که هزینه مخلوط کردن، انتقال، و جای دادن بتن با استفاده از الیاف تغییر نمی یابده اختلاف هزینه بتن ریزی بتن های الیافی و ساده، در محل چندان زیاد نیست. همچنین، با مقایسه بتن ساده با بتن الیافی، از آنجا که ضخامت کف سازی بتن الیافی برای بارگذاری معین به مقدار بسیار زیادی کاهش می یابد، بنابراین هزینه های کلی اولیه چندان اختلافی با هم ندارند. با در نظر گرفتن عمر مفید بتن، می توان نتیجه گرفت که بتن الیافی در کاهش هزینه موثر است.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Share via
Copy link
Powered by Social Snap