انواع الیاف بتن: ۱۰ نوع الیاف پر استفاده در بتن و کاربرد هر یک از آن‌ها

قدمت بکارگیری الیاف در ساختمان بسیار طولانی است؛ چنان که طی تاریخ، اختلاط و ترکیب کاه با گل، برای جلوگیری از ترک و افزایش استحکام سازه‌ها بسیار مشاهده شده است. از آن‌جا که بتن به دلیل ساختار خود در گروه مواد ترد و شکننده قرار گرفته و در برابر کشش ضعیف عمل می‌کند، لازم است از تدابیری چون آرماتور و الیاف بتن استفاده ‌شود تا کیفیت بتن بهبود یابد. در این مقاله از بلاگ رامکا درصدد هستیم ضمن بررسی انواع الیاف بتن، کاربردهای هر یک را تبیین نموده و ۱۰ نوع از الیاف پرکاربرد را به شما معرفی کنیم. پس تا انتها همراه ما باشید.

انواع الیاف بتن

الیاف از جمله افزودنی‌های پرکاربرد بتن است که سطح خیس بتن را افزایش می‌دهد و همین امر، موجب ارتقای کیفیت بتن می‌شود. این گروه از افزودنی‌های بتن، شامل زیردسته‌های متنوعی است که در ذیل، پرکاربردترین آنها را معرفی خواهیم نمود.

۱) الیاف پلی پروپلین (PP)

چنان که می‌دانید بعضی الیاف بتن، نیاز به شرایط خاصی جهت اجرا و مراقبت دارند و بکارگیری بعضی دیگر نیز هزینه‌های بسیار گزافی بر سازه وارد می‌کند. مجموعه این عوامل، باعث شده از الیاف پلی پروپیلن به صورت عمومی در بتن استفاده شود و این الیاف، به عنوان پرمصرف‌ترین الیاف در بتن به کار گرفته شوند. الیاف پلی پروپیلن، مقاومت خمشی و کششی بتن را افزایش می‌دهند.

این الیاف که میزان مصرف آن حدود ۰٫۵ تا ۳ کیلوگرم در هر متر مکعب بتن است، در گچ و فرآورده‌های آن نیز کاربرد دارد و سبب ته‌نشینی و سنگین شدن بتن نخواهد شد. طول مفید این الیاف در بتن، ۱۲ یا ۱۸ میلی‌متر است که به دلیل ظرافت سازه‌های گچی، این مقدار تا ۶ میلی‌متر نیز محدود می‌شود.

بتنی که الیاف پروپیلن در آن به کار گرفته شود، شکل‌پذیری متنوعی دارد و در برابر سایش و ضربه بسیار مقاوم خواهد بود. کاربرد این الیاف در صنایع قطعات پیش‌ساخته بتنی نیز بسیار مفید بوده و مانع از ترک خوردن بتن می‌شود.

اگر پروژه تحت شرایط ویژه نباشد، بکارگیری ۱ کیلوگرم در متر مکعب از الیاف PP، میزان مناسبی برای اختلاط است. الیاف PP قابلیت اضافه شدن در تمام مراحل ساخت بتن را دارند، ولی در صورتی که با مصالح خشک ترکیب شده و به مخلوط بتن اضافه شوند، پخش شدن آن‌ها در مخلوط بتنی نیاز به اختلاط و انرژی کمتری خواهد داشت.

از آن‌جا که الیاف آب گریز هستند و میزان جذب آب آنها در حد صفر است، در طرح اختلاط، نیازی به تغییر و افزایش آب وجود نخواهد داشت؛ چرا که این الیاف به حدی سبک هستند که اگر به تنهایی به آب اضافه شوند، روی آب شناور می‌مانند.

بیشتر بخوانید: مقدار و روش مصرف الیاف پلی پروپیلن (PP)

۲) الیاف پلی استر

انواع الیاف بتن پلی استر، بسیار سبک هستند و زمانی که به صورت مایع باشند، بوی تندی دارند. از این رو، افرادی که با این مواد و بخصوص نوع مایع آن سر و کار دارند، حتماً باید از ماسک و وسایل مراقبتی استفاده کنند. این مواد که برای بهبود شکل‌پذیری و کشش به بتن اضافه می‌شوند، با رزین، هاردنر و دیگر حجیم کننده‌ها ترکیب شده و سپس به مصرف می‌رسند.

افزایش طول نهایی این مواد، بین ۱۱% تا ۱۳% است. مقاومت کششی این الیاف، بسیار بالا و در حد ۸۵۰ مگاپاسکال است. چگالی پلی استر نیز حدود ۱٫۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب است. برای افزودن این الیاف به بتن، الیاف باید به نسبت حجم بتن ترکیب شوند، نه وزن آن. محدودیت تولید و در نتیجه استفاده از این مواد، نتایج دقیقی برای ثبت و ارائه نشان نمی‌دهد. این مواد اسلامپ را اندکی کاهش داده و شیره بتن را حفظ می‌کند.

الیاف پلی استر را به میزان کمتر از ۱% حجم بتن به مخلوط بتنی اضافه می‌کنند. از آن‌جا که این الیاف در افزایش مقاومت فشاری، کششی و خمشی بتن نقش کمی دارند، برخی با افزایش مصرف آن، در راستای بهبود نتایج مکانیکی بتن سخت شده می‌کوشند؛ اما با توجه به اینکه افزایش بی‌رویه هر افزودنی بتن در مخلوط بتنی تبعاتی بر جای خواهد گذاشت، بکارگیری این روش توصیه نمی‌شود.

۳) الیاف شیشه

امروزه با پیشرفت تکنولوژی ساخت و خرد کردن قطعات، الیاف شیشه صرفه اقتصادی زیادی پیدا کرده‌اند. انواع الیاف بتن شیشه که از فیبر شیشه با تارهایی با ضخامت حدود ۱۰ میکرومتر تشکیل شده است، مقاومت کششی فوق‌العاده‌ای در برابر قطر کم داشته و چسبندگیِ سطحی بالایی دارد. مقاومت حرارتی بالای این مواد، یکی از عوامل توسعه این صنعت است. از جمله مشکلات این الیاف، عدم زیست تخریب‌پذیری آن است. قیمت پایین این ماده نیز نسبت به انواع الیاف بتن، از جذابیت‌های مطلوب این الیاف به شمار می‌رود.

حجازی و همکاران با ساخت بتن آسفالتی با الیاف شیشه و پلی پروپیلن به این نتیجه رسیدند که مقاومت نهایی بتن با بکارگیری این دو الیاف نسبت به دیگر نمونه‌های الیاف موجود در بازار بیشتر است. در این مطالعه مشخص شد الیاف شیشه به طول ۱۲ میلی‌متر و ۳% وزنی، ۳۶% مقاومت فشاری بتن را نسبت به حالت بدون الیاف افزایش می‌دهد. همچنین استفاده از این الیاف، ۵۰% عمر خستگی بتن را افزایش داده و موجب افزایش مقاومت در برابر شیار شدگی می‌شود. ترکیب الیاف شیشه و پلی پروپیلن، ایده‌ای برای بهینه‌سازی کاربرد این افزودنی‌ بتن است.

کاربرد الیاف شیشه در صنایع مختلف، سبب گستردگی و در دسترس بودن این ماده شده است. فیبر شیشه، عایق الکتریکی مناسبی است و مدول کششی کمتری نسبت به الیاف کربن دارد. وزن مخصوص این الیاف، نسبتاً زیاد است و به دلیل سختی زیاد، قالب را دچار سایش می‌کند. الیاف شیشه مخصوص بتن در چند گروه دسته‌بندی می‌شوند:

• گروه E، متدوال‌ترین محصول بازار است. میزان مواد قلیایی این ماده کم است و ارزان بودن آن، سبب مصرف بالای آن شده است.
• گروه C، حاوی آهک سود دار در ترکیبات خود بوده، در محیط‌های ویژه و با شرایط خاص استفاده می‌شود و بکارگیری آن برای پوشش خطوط لوله و مخازن بسیار مناسب است.
• گروه A، به دلیل حضور مواد قلیایی بسیار در ترکیبات آن، از مدار تولید خارج شده است.
• گروه S در صنایع هوا و فضا و کارهای تحقیقاتی استفاده می‌شود. افزایش طول این مواد حدود ۴% است و بعضی انواع آن، بالاترین مقاومت کششی را در تمام دنیا دارند. چگالی این مواد نیز بسیار بالا بوده و حدود ۲۵۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب است.

۴) الیاف آرامید

نام دیگر الیاف آرامید در بازار، الیاف آروماتیک پلی آمید است که برای اولین بار در سال ۱۹۶۰ تا ۱۹۷۰ در بتن مورد استفاده قرار گرفتند. مقاومت حرارتی بسیار زیاد الیاف آرامید، یکی از دلایل استفاده از این مواد در بتن است. این نمونه از انواع الیاف بتن، دو حلقه آروماتیک دارد که برای سنگین شدن و غیر قابل فرار بودن، زنجیره بلند پلی آمید سنتتیک به آن متصل می‌شود. این ماده فیبری، خواص بهبود کننده این الیاف را در اختیار آن می‌گذارد. سه گروه اصلی این الیاف به صورت زیر است:

• پارا آرامید آرنیکا
• پارا آرامید توران
• پارا آرامید کولار

البته متا آرامیدها نیز شامل گروه‌های ذیل می‌شود:

• نومکس
• کنکس
• دورت
• اپییل

از میان گروه انواع الیاف بتن آرامید، الیاف کولار بسیار سبک (حتی سبک‌تر از الیاف کربنی و شیشه‌ای) هستند و مقاومت کششی، برشی و شیمیایی بسیار زیادی دارند، تا جایی که جلیقه‌های ضد گلوله را با این الیاف تولید می‌کنند. این الیاف برای سازه‌های واقع در شرایط محیطی شدید، بسیار مناسب بوده و پنج برابر مقاوم‌تر از الیاف شیشه و فولادی هستند. رنگ بیشتر این الیاف زرد است و هزینه ساخت و تولید آن بسیار زیاد است؛ تا جایی که این الیاف جزو گران‌ترین الیاف موجود به شمار می‌روند.

به دلیل مقاومت خزش و دینامیکی بالا، از الیاف کولار در سازه‌های خاص و بتن‌های پاششی استفاده می‌شود. افزایش طول این الیاف حدود ۴% است و این الیاف، جایگزین بسیار خوبی برای سیمان آزبستی هستند. به طور کلی این الیاف، ۲% حجمی بتن مصرف می‌شوند؛ البته میزان دقیق مصرف آن در هر پروژه، بنا بر شرایط خاص پروژه تعیین می‌شود.

۵) الیاف فلز

الیاف فلزی در بتن، عمدتاً الیاف فولادی هستند. این الیاف مطابق مقررات ملی ساختمان مبحث نهم، آجدار بوده و لازم است ضوابط استاندارد ملی شماره ۱۷۶۹۷ را برآورده کنند. نسبت طول به قطر این الیاف، ۵۰ تا ۱۰۰ است. به همین علت الیاف فولادی تولید شده، قطر ۰٫۴تا ۱٫۳ و طول ۲۵ تا ۶۳ میلی‌متر دارند.

این گروه از الیاف، برای تأمین مقاومت کششی بتن، جلوگیری از ترک خوردگی ناشی از بارها و دیگر عوامل محیطی به کار می‌روند. دو موضوع اصلی انتخاب این الیاف، نوع آلیاژ و سطح یا میزان زبری آن است. مقاومت مورد نیاز نیز، یکی از عوامل طراحی بتن و تنظیم دقیق طرح اختلاط است. از این الیاف برای جلوگیری از گسیختگی ناگهانی در سازه‌های بتن آرمه استفاده می‌شود.

این الیاف به دلیل آسانی تولید، اولین گروه از الیاف بود که به بتن اضافه شد. در سال ۱۹۷۱، پانل قابل حمل کوچک برای پارکینگ فرودگاه هیترو لندن با ۳% وزنی الیاف فولاد، اولین سازه‌ بتنی حاوی الیاف فولادی بود که مستقیم در سازه بهره‌برداری شد. الیاف فلزی به صورت سیم سرد نورد کشیده شده، ورق برش خورده، سیم ذوب شده و اصلاح شده تولید می‌شود و برای خاصیت جذب انرژی، در اولویت قرار دارد. سطح مقطع این گروه از الیاف نیز، قطری بین ۰٫۷ تا ۱٫۲ میلی‌متر داشته و به صورت دایره و مستطیل است.

در طراحی آزمایشی برای تست میزان خوردگی و پوسیدگی انواع الیاف بتن فولادی اصلاح شده، نمونه‌ای با ۲% حجمی الیاف و آب شور ساخته شد. پس از ۹۰ روز، تمامی تست‌ها روی نمونه بتن انجام گرفت و هیچ تغییری در مقاومت بتن الیافی مشاهده نشد. از این رو از این الیاف در صنایع بتن پیش‌ساخته، شاتکریت، لوله‌های بتنی و دیگر موارد استفاده می‌شود.

۶) الیاف کربن

شاید بتوان گفت کشف خواص کربن – بخصوص در زمینه نانو مواد – یکی از عوامل تسریع پیشرفت تکنولوژی اخیر دنیا باشد. الیاف کربن از جمله انواع الیاف بتن است که مساحت سطح تماس آن بسیار زیاد بوده و ضریب الاستیک آن نسبت به الیاف شیشه و کولار بیشتر است. قطر این الیاف نیز بسیار کم و زیر ۱۰ میکرون است و برخی از این الیاف، چگالی ۲ گرم بر متر مکعب دارند.

این الیاف که برخلاف دیگر الیاف ترد و شکننده هستند، وزن کم و مقاومت زیادی دارند. وزن این الیاف، یک سوم الیاف فولادی است، ولی ۱۰ برابر آن مقاومت کششی دارد؛ تا جایی که تنها دلیل استفاده از این مواد، افزایش فوق‌العاده مقاومت کششی آن است. مقاومت خستگی و خوردگی این مواد نیز قابل قیاس با دیگر الیاف نیست.

این نمونه از الیاف بتن، در دمای بالا و تحت فشار تولید می‌شوند. مواد خام و اولیه این الیاف، مصنوعی و قیری است. از این رو، مقاومت انواع نمونه‌های آن با هم متفاوت است. مراحل تولید این الیاف، پایداری اکسیداسیون و کربونیزاسیون و در نهایت، پایداری گرافیتاسیون است.

در مرحله اول ساخت، الیاف با نیروی کششی و در دمای ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرد. سپس بدون اعمال نیروی کششی، در دمای ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد در محیط خنثی فرآوری می‌شود. در نهایت نیز در دمای ۱۵۰۰ الی ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد، بهبود جهت‌گیری الیاف و سایر ویژگی‌ها صورت می‌پذیرد. برخی از گروه‌های الیاف کربنی که خلوص کربن بالای ۹۰% برای قرار گرفتن در دسته‌بندی آن الزامی است، به شرح ذیل است:

• الیاف و فیبر کربن با پایه شیمیایی اکریلیک
• قیر صنعتی با پایه مزوفاز
• الیاف ویسکوز ریون (ابریشم مصنوعی)
• فیبر کربن با پایه فاز گازی

البته اگر خلوص کربن تا ۹۹% افزایش یابد، الیاف گرافیتی خواهد بود. این مواد نهایتاً ۱% افزایش طول در شکست دارند. پیش از مصرف، این الیاف باید از هم جدا شوند و برای مصرف آن در بتن، آغشته کردن با رزین پلی وینیل استات، روشی توصیه شده است.

روش دیگر برای دسته‌بندی انواع الیاف بتن کربن، تعداد فیلامنت است. گروه کمتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت، کوچک و سبک هستند و گروه بیشتر از این مقدار، بزرگ و سنگین هستند. مدول الاستیسیته این مواد بیش از ۵۴۰ گیگاپاسکال است. لازم به ذکر است هزینه و شرایط خاص نگهداری و مراقبت الیاف کربنی، مانع از گسترش مصرف آن شده است.

۷) الیاف ماکروسنتتیک

الیاف ماکروسنتتیک یا الیاف پلاستیک بتن، جهت افزایش کلیه مقاومت‌های بتن، اعم از فشاری و خمشی و کششی به کار می‌رود. این مواد که بیشتر در رنگ‌های سفید و خاکستری تولید می‌شوند، به منظور بهینه کردن سازه، جایگزین مناسب میلگرد هستند و نوع آجدار آنها، علاوه بر صرفه اقتصادی، به راحتی قابل دسترس است.

الیاف ماکرو از ساختار پلیمرهای طبیعی، با پیوندهای مشابه پروپیلن تشکیل شده، خزش و انقباض بتن در اثر جمع شدگی را کاهش می‌دهد و با وجود اینکه پلاستیکی است، سختی بتن را کم نمی‌کند. از این الیاف می‌توان در ملات ترمیمی بتن و برای ساخت بتن کفسازی سوله و مکان‌هایی که تحت بار و ضربه سنگین قرار دارند، استفاده نمود. میزان مصرف این الیاف در هر متر مکعب، ۱ تا ۴ کیلوگرم است و اجرای آسان آن، به گسترش روزافزون این مواد کمک شایانی کرده است.

انواع الیاف بتن ماکرو که عمده ساختار آن نایلون، آکریلیک و پلی یورتان است، از مواد خام نفتی تهیه شده و رشته‌هایی در طول ۳ تا ۵ سانتی‌متر دارد. بکارگیری این الیاف در بتن، مکمل دیگر الیاف موجود در بتن است و استفاده از آن در بتن، سبب تقویت سه بُعد خواهد شد؛ چرا که قرار گرفتن این الیاف در بتن، مقاومت بتن را در تمام جهات بهبود می‌بخشد.

این الیاف که از بخش‌های کوچک مولکولی پلیمری و پیوسته تولید شده است، در ساخت طناب، تور ماهیگیری و کمربند ایمنی نیز استفاده می‌شود. برای اضافه کردن این افزودنی به بتن نیز لازم است آن را در آخر به مخلوط بتنی اضافه نمود و به مدت ۵ دقیقه با دور تند مخلوط کرد. اگر در این مدت بتنی یکنواخت حاصل نشد، لازم است تا ایجاد بتن یکنواخت اختلاط مواد ادامه پیدا کند.

با اینکه بکارگیری الیاف ماکرو نسبت به آرماتوربندی، زمان و هزینه کمتری را به سازه متحمل خواهد نمود، اما متأسفانه هنوز جایگاه اصلی خود را در سازه‌های بتنی پیدا نکرده‌ است.

بیشتر بخوانید: انواع افزودنی بتن

۸) الیاف میکروسنتتیک

الیاف میکرو، رشته‌های جدا از هم هستند که جنسی کاملاً مشابه با الیاف پلی پروپیلن دارند و به صورت یکنواخت در فضای حجمی بتن پخش می‌شوند. این الیاف، با قطر ۱۸ میکرومتر و طول ۶، ۱۲ یا ۱۸ میلی‌متر، مانع از ترک خوردن بتن می‌شوند.

الیاف میکرو در زمره الیاف بسیار ریز هستند که با فعال کننده سطحی و با خاصیت پخش کنندگی پوشانده می‌شوند، مقاومت برشی بتن را افزایش داده و در اثر مصرف زیاد آن، آب انداختگی و جدا شدگی دانه بتن بسیار کم می‌شود. از دیگر خصوصیات این الیاف، می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:

• قابلیت استفاده در اماکن مجاور فلز (فاقد یون کلر)
• مقاومت کششی بالا، حدود ۳۵۰ مگاپاسکال
• عدم ایجاد مشکل هوازایی در بتن
• افزایش سرعت اجرای پروژه و افزایش مقاومت بتن
• کاهش اسلامپ بتن
• کاهش نفوذپذیری بتن، به دلیل ساختار و ابعاد کوچک این مواد
• اجرای مناسب شمع و نیلینگ

البته ناگفته نماند، این الیاف نباید به آب اضافه شوند، زیرا تولید کلوخه می‌کنند. از این رو بهتر است به جای افزودن آب از انواع روان‌کننده‌ بتن استفاده شود.

۹) الیاف طبیعی

کاه و موی حیوانات، اولین مواد الیافی بکار گرفته شده در بتن هستند که در گذشته به موضوع تقویت بتن پرداختند. در کنار این الیاف، الیافی نظیر سلولز چوب، نارگیل، خیزران و آکوارا – که می‌توان آنها را مواد فرآوری نشده طبیعی نامید – نیز در گروه این الیاف ارزان قرار گرفته و در کشورهای غیرصنعتی و فقیر، جایگزین سایر مصالح مثل فولاد در بتن شده‌اند.

در میان این الیاف طبیعی، الیاف نارگیل ۲۵% افزایش طول در برابر کشش را ثبت کرده‌اند. پس می‌توان گفت ارزان یا در دسترس بودن این الیاف، دلیلی بر بی‌کیفیتی و عدم مقاومت آن نیست. از میان این الیاف، الیاف گیاهی به دلیل فراوانی بسیار محبوب‌تر از الیاف حیوانی هستند. الیاف معدنی نیز چون به ترکیب با مواد مختلف نیازمندند و به نوعی با واکنش شیمیایی محصول نهایی تولید می‌شوند، در این دسته‌بندی جایگاه خاصی را به خود اختصاص نمی‌دهند.

از آن‌جا که الیاف طبیعی جذب آب بسیار زیادی نسبت به الیاف مصنوعی داشته و عایق حرارتی مطلوبی نسبت به نوع ساخته شده توسط انسان دارند، می‌توان با توجه به ساختار مناسب آن، بهترین الیاف مصنوعی را تولید نمود تا با رفع نواقص آن، نمونه‌ای عالی و با کیفیت به دست مصرف‌کننده برسد.

۱۰) الیاف سلولزی

همان‌طور که می‌دانید سلولز بنیان دیوار سلولی گیاه است. انواع الیاف بتن سلولزی از گیاهان مشتق شده و به وسیله پلی فنولی طبیعی به هم متصل می‌گردند. این الیاف، معمولاً مواد لیگنو سلولزی را شامل می‌شوند. سلولزها از قند پلیمری تکراری و چند واحد گلوکز آبی با پیوند اتری تشکیل شده‌اند.

این زنجیره سلولزی، به هیدروکسیل‌ها اجازه واکنش با زنجیره مجاور از طریق پیوند هیدروژنی و واندروالسی را می‌دهد. الیافی مثل پنبه، کتان و برگ‌های مختلف گیاهان – مثل پینا – جزو الیاف سلولزی هستند. برخی از این الیاف مثل جوت نیز در ژئوتکستایل‌ها استفاده می‌شوند.

مرطوب نمودن الیاف سلولزی پیش از اضافه کردن به بتن، روشی مناسب برای ساخت مخلوط بتنی یکنواخت است. البته در ساخت بتن با الیاف سلولزی، باید نسبت آب به سیمان را پایین نگه داشت و عمل‌آوری بتن را با دقت به انجام رساند. در نظر داشته باشید پیوستگی الیاف موجود در بتن، در دستگاه اتوکلاو بسیار بهتر از هوای طبیعی حفظ می‌شود.

همان‌طور که گفته شد عدم وجود الیاف در بتن، شکل‌پذیری بتن را کم کرده و در نتیجه بتن پوسته شده و در نهایت تخریب می‌شود. از این رو بکارگیری الیاف در بتن اهمیت زیادی دارد. در این مقاله تلاش شد انواع الیاف بتن بررسی شود و ۱۰ نمونه از پرکاربردترین الیاف معرفی گردد. امیدواریم با مطالعه این مقاله و شناخت کاربردهای الیاف بتن، بتوانید بتنی مناسب تولید کنید.