تأثیر و کاربرد الیاف پلی پروپیلن بر مقاومت، دوام و خواص بتن

الیاف پلی پروپیلن (PP)، ترکیب پلیمری با بنیان پلاستیکی است که به‌ عنوان عاملی تقویت‌‌کننده در بتن ترکیب شده و باعث افزایش مقاومت خمشی، کششی، برشی و سایشی می‌شود. همچنین حضور این الیاف در مخلوط بتنی، موجب کاهش جمع شدگی ناشی از انقباض، کاهش میزان آب انداختگی و افزایش قوام بتن می‌شود. در این مقاله از بلاگ رامکا درصدد هستیم، ضمن تبیین تأثیر و کاربرد الیاف پلی پروپیلن در بتن تازه و سخت شده، تأثیر این افزودنی را در میزان مقاومت و دوام بتن نیز بررسی کنیم. پس تا انتها همراه ما باشید.

تأثیر و کاربرد الیاف پلی پروپیلن بر خواص و ویژگی‌های بتن تازه 

الیاف PP که از جمله انواع افزودنی بتن است، خواص و ویژگی‌های متنوعی در مخلوط بتنی دارد که در این میان، ویژگی‌های رئولوژیکی بتن‌های الیافی (بتن‌های حاوی الیاف پلی پروپیلن) اهمیت بسیار زیادی دارند. بتن‌های حاوی الیاف پلی پروپیلن برای پرداخت و تراکم مناسب در سطح بتن، باید کارپذیری مناسبی داشته باشند و در کنار آن، الیاف باید به شکل یکنواخت در مخلوط بتنی توزیع شده باشند تا آب انداختگی و جداشدگی به حداقل برسد؛ چرا که مساحت سطح بالای الیاف، موجب محدود شدن حرکت و روانی مخلوط بتنی می‌شود.

در واقع از آن‌جا که چسبندگی الیاف پلی پروپیلن و گلوله شدن آن، بر ویژگی‌های بتن آثار نامطلوبی بر جای می‌گذارد و باعث کاهش کارایی بتن می‌شود، لازم است این افزودنی به صورت یکنواخت در سطح بتن پخش شود تا کارایی و مقاومت بتن افزایش یابد.

تأثیر الیاف پلی پروپیلن بر کارایی و روانی بتن تازه

بکارگیری الیاف پلی پروپیلن در درصد‌های حجمی متنوع، میزان اسلامپ و روانی بتن را ۲۵ الی ۱۰۲ میلی‌متر کاهش می‌دهد. از آن‌جا که نفوذپذیری بتن‌های حاوی الیاف اغلب با دستگاه ویبره انجام می‌شود، بهتر است برای ارزیابی کارایی از آزمایش V-B و آزمایش اسلامپ وارون استفاده شود. بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهد با گذشت زمان، میزان افت اسلامپ در بتن‌های الیافی و فاقد الیاف تقریباً یکسان خواهد بود.

تأثیر الیاف پلی پروپیلن بر گیرش بتن تازه

امروزه بکارگیری الیاف پلی پروپیلن در بتن، باعث بهبود عملکرد بتن در سازه‌های مختلف شده و فاکتورهایی چون مقاومت کششی، خمشی و… بتن را ارتقا می‌دهد. در واقع، الیاف می‌توانند تنش‌های کششی را تحمل کرده و مقاومت کششی بتن را افزایش دهند، اما سؤال این‌جاست که آیا در مدت زمان گیرش بتن نیز تأثیری دارند یا نه؟

در پاسخ به این سؤال باید گفت حضور الیاف پلی پروپیلن در بتن، هیچ تأثیری در گیرش بتن ندارد. در واقع بکارگیری این الیاف در مخلوط بتنی، باعث تندگیر شدن یا دیرگیر شدن بتن نمی‌شود و روند گیرش بتن به صورت معمول جریان خواهد داشت.

تأثیر و کاربرد الیاف پلی پروپیلن بر خواص مکانیکی بتن سخت شده 

طی پژوهشی مکانیسم مسلح شدن بتن با الیاف و مقاومت بیرون کشیدگی الیاف از خمیر سیمان، به شکل گسترده‌ای مورد مطالعه قرار گرفت و تلاش‌های بسیاری درباره بررسی رابطه مقاومت چسبندگی با ویژگی‌های مکانیکی بتن حاوی الیاف پلی پروپیلن انجام شد.

در این پژوهش مشخص شد ماهیت تدریجی بیرون کشیدگی الیاف پلی پروپیلن باعث می‌شود بتن‌های الیافی پس از ترک خوردگی، متناسب با نوع، درصد حجمی و شکل ظاهری، رفتار شکل‌پذیری داشته و دچار گسیختگی ترد نشوند.

در واقع می‌توان گفت الیاف، میزان شکل‌پذیری بتن را در اشکال مختلف بارگذاری بهبود می‌بخشند، اما تأثیر آن در افزایش مقاومت فشاری، کششی، برشی، پیچشی و خمشی متفاوت است.

تأثیر الیاف پلی پروپیلن بر مقاومت فشاری بتن

الیاف پلی پروپیلن تأثیر چندانی بر مقاومت نهایی بتنِ در فشار ندارند. تحقیقات انجام شده نشان می‌دهد وجود الیاف، مقاومت فشاری بتن را چندان تحت‌تأثیر قرار نمی‌دهد، اما به دلیل نقش مناسب در دوختن ترک‌ها، مانع از گسیختگی ترد و خرد شدن نمونه می‌شود. در واقع گسیختگی فشاری بتن‌های الیافی با شکل‌پذیری همراه بوده و نمونه تا هنگام گسیختگی، پیوستگی خود را حفظ می‌کند.

بیشتر بخوانید: الیاف پلی پروپیلن چیست؟

تأثیر و کاربرد الیاف پلی پروپیلن بر مقاومت کششی بتن

به طور کلی نمی‌توان گفت میزان مقاومت کششی بتن به درصد استفاده از الیاف PP بستگی دارد؛ یعنی هر قدر درصد استفاده از الیاف پلی پروپیلن در داخل بتن بیشتر شود، مقاومت کششی نیز افزایش می‌یابد یا اینکه دچار کاهش می‌شود.

نتیجه‌ای که از بررسی تحقیقات مختلف می‌توان گرفت این است که استفاده از الیاف در داخل بتن، بیش از آنکه مقاومت کششی را افزایش دهد، سبب افزایش طاقت کششی بتن می‌شود. لذا هدف از بکارگیری الیاف پلی پروپیلن در داخل بتن و ساخت بتن الیافی، بهبود طاقت کششی بتن است.

تأثیر الیاف پلی پروپیلن بر مقاومت خمشی بتن

تأثیر عمده الیاف پلی پروپیلن، روی طاقت خمشی بتن است. نمونه بتنی حاوی الیاف پلی پروپیلن، پیش از ایجاد سوراخ در محل ضربه، ضربات زیادی را تحمل می‌کند و پس از آن نیز سایر بخش‌های نمونه، همچنان پیوستگی خود را حفظ می‌کنند؛ این در حالی است که در بتن فاقد الیاف پلی پروپیلن، بعد از ورود اولین ضربه، بتن به چند قطعه تقسیم شده و پیوستگی خود را از دست می‌دهد.

میزان طاقت بتن تحت بارگذاری خمشی آهسته، بر اساس رفتار خمشی تیر با تکیه‌گاه‌های ساده تعیین می‌شود؛ برای مثال تیر بتنی حاوی الیاف پلی پروپیلن تحت خمش، به ‌تدریج دچار ترک خوردگی و تغییر شکل می‌شود، اما پیوستگی و مقاومت خود را حتی پس از تغییر شکل‌های زیاد حفظ می‌کند. این در حالی است که تیر بتنی فاقد الیاف، با اندکی تغییر شکل به طور ناگهانی به دو قطعه جدا از هم تبدیل می‌شود.

تأثیر الیاف پلی پروپیلن بر مقاومت بتن در برابر ضربه

سازه‌های بتنی به دلیل حوادث یا بارگذاری‌های متعدد، می‌توانند در معرض ضربه و نفوذ پرتابه قرار گیرند. به همین دلیل ایجاد توانایی در بتن جهت جذب انرژی و تغییر شکل خمیری پیش از شکست، امری مهم و اساسی است. در سال‌های اخیر، پژوهشگران حوزه علم مواد و متالوژی، با بررسی ویژگی Toughness بتن‌های مسلح متعدد در برابر ضربه به این نتیجه رسیدند که افزودن الیاف پلی‌پروپیلن به بتن می‌تواند باعث افزایش مقاومت مکانیکی، مقاومت ضربه، مقاومت انفجاری و مقاومت در برابر خستگی بتن شود.

همین امر باعث شده تا استفاده از الیاف PP در ساخت بتن‌هایی که حامل بار دینامیکی بالا هستند، مانند بتن به کار رفته در فوندانسیون ماشین‌آلات سنگین یا بتن‌هایی با کاربری ضد انفجاری و… کاربرد بسیار زیادی داشته باشد. از جمله سازه‌های ساخته شده در شهر قم که در بتن آن از الیاف پلی پروپیلن برای افزایش مقاومت ضربه‌ای استفاده شده است، می‌توان به کتیبه‌های حرم حضرت معصومه (سلام الله علیها) اشاره نمود.

بتن به کار رفته در این کتیبه‌ها، ضخامت بسیار پایینی دارد، لذا احتمال شکسته شدن آن در زمان حمل، نصب و پس از آن بسیار است. به همین دلیل در ساختار این کتیبه‌ها از الیاف پلی‌پروپیلن استفاده شده تا حالت Toughness کتیبه‌ها افزایش یافته و به راحتی شکسته نشوند.

تأثیر الیاف PP بر دوام بتن

الیاف پلی پروپیلن به عنوان افزودنی، جهت تقویت بتن و مخلوط‌های سیمانی و گچی مورد استفاده قرار می‌گیرد. حضور این الیاف بتن در مخلوط بتنی، نه تنها مقاومت بتن را در برابر سیکل‌های ذوب و انجماد افزایش داده، بلکه میزان نفوذپذیری بتن را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد. در ادامه این بخش با ما باشید تا در این باب، اطلاعات کامل‌تری در اختیار شما بگذاریم.

مقاومت در برابر سیکل‌های ذوب و انجماد

تحقیقات انجام شده در زمینه دوام بتن‌های الیافی در برابر سیکل‌های ذوب و انجماد نشان داده‌ است که رفتار بتن‌های حاوی الیاف پلی پروپیلن و بتن‌های ساده در برابر سیکل‌های ذوب و انجماد، مشابه یکدیگر است و با افزایش مقدار هوا، مقاومت بتن در برابر ذوب و انجماد نیز افزایش می‌یابد.

این تحقیقات نشان دادند طاقت بتن‌های الیافی پس از قرار گرفتن در معرض سیکل‌های ذوب و انجماد نسبت به نمونه‌های اولیه کاهش چندانی نیافته. لازم به ذکر است حداکثر اندازه سنگدانه نیز در مقاومت بتن در برابر سیکل‌های ذوب و انجماد نقش بسزایی ‌دارد.

بر اساس توصیه ACI 544,IR تمام دستورالعمل‌های موجود برای ساخت بتن معمولی مقاوم در برابر تغییرات دما برای بتن‌های حاوی الیاف نیز صادق است. مقدار هوای مورد نیاز برای بهبود مقاومت بتن‌های الیافی در برابر سیکل‌های ذوب و انجماد در برابر همان مقادیر پیشنهاد شده ACI201,2R برای بتن معمولی است.

نفوذپذیری

همان‌طور که می‌دانید نفوذپذیری در برابر آب در بتن‌های حاوی الیاف پلی پروپیلن به میزان قابل ملاحظه‌ای کمتر از بتن ساده است و با افزایش مقدار الیاف، کاهش نفوذپذیری نیز بیشتر می‌شود. علت این موضوع، کاهش ترک‌های ناشی از جمع شدگی و همچنین از بین رفتن پیوستگی منافذ و ارتباط کانال‌های جریان در اثر افزودن الیاف پلی پروپیلن است.

تحقیقات انجام شده روی نفوذ یون‌های کلراید در بتن‌های توانمند حاوی الیاف پلی پروپیلن در درصد‌های حجمی مختلف نشان داده افزودن الیاف به بتن، میزان نفوذپذیری بتن را در برابر یون‌های کلراید کاهش می‌دهد و با افزایش درصد الیاف، نفوذپذیری کم می‌شود.

کاربرد الیاف پلی پروپیلن

زمانی که از بتن‌های حاوی الیاف پلی پروپیلن برای کاربردهای سازه‌ای استفاده می‌شود، نقش این افزودنی بتن را باید به صورت مکمل در نظر گرفت تا در نتیجه استفاده از آن، نه تنها مقاومت بتن بهبود ‌یابد، بلکه مانع تخریب، از هم پاشیدگی و ترک خوردگی بتن ‌شود.

اگر چنین فرض کنیم که هزینه اختلاط، انتقال و بتن‌ریزی بتن‌های حاوی الیاف پلی پروپیلن تفاوت چندانی با بتن ساده ندارد، از آن‌جا که ضخامت کفسازی در بتنهای الیافی به مقدار بسیار زیادی پایین است، با در نظر گرفتن عمر مفید بتن می‌توان نتیجه گرفت که بتن‌های حاوی الیاف پلی پروپیلن در کاهش هزینه‌ها مؤثرند.

امروزه الیاف پلی پروپیلن کاربردهای متنوعی در صنعت بتن پیدا کرده‌اند؛ تا جایی که زمینه‌های اصلی کاربرد الیاف پلی پروپیلن در بتن، عبارتند از: 

• دال‌های متکی به زمین، نظیر کف‌های صنعتی روسازی‌ها و دال بستر خط آهن
• دال‌های معلق، نظیر دال‌های متکی بشم یا دال‌های معلق مرتفع
• بتن درجا، نظیر مخازن آب و دیوارهای حائل
• دال‌های کامپوزیت با عرشه فولادی
• قطعات پیش‌ساخته، نظیر قطعات پوشش تونل مخازن، لوله‌های پیش‌ساخته، تیرها و پنل‌های پیش ساخته
• بکارگیری بتن پاشیده در پوشش‌های تونل، پایدارسازی شیروانی‌ها، سنگ‌ها و عملیات ترمیم
• سازه‌های در معرض انفجار و بارهای ناشی از برخورد پرتابه‌ها
• تولید بتن‌های قابل انعطاف با شکل‌پذیری مناسب
• جایگزین تمام یا بخشی از میلگرد و مش‌بندی در بتن‌‌
• تولید بتن ضد حریق 
• تولید بتن‌های آماده و قطعات پیش‌ساخته بتنی
• بکارگیری در پنل­‌های پیش‌ساخته گچی
• تولید و ساخت ایرانیت، موزاییک پلیمری، سمنت پلاست و سنگ مصنوعی
• استفاده در بتن‌ شاتکریت
• ترمیم بتن، بخصوص در بخش‌های قائم و نازک
• ساخت بلوک بتنی سبک (CLC و AAC)
• تولید و ساخت فوم بتن با کیفیت مناسب
• و…

موارد مصرف الیاف پلی پروپیلن چیست؟

همان‌طور که گفته شد حضور الیاف پلی پروپیلن در مخلوط بتنی، نه تنها میزان دوام بتن را افزایش می‌دهد، بلکه مانع از ترک‌خوردگی بتن می‌شود. از این رو می‌توان گفت بکارگیری بتن‌های الیافی در سازه‌های تحت فشار – چون سازه‌های آبی، سازه‌های امن و… – و بتن‌های حافظ خاک – چون تونل‌ها، نگهدارنده‌ها و… – بسیار مطلوب است، چرا که مانع از ترک خوردگی بتن می‌شود.

در واقع از آن‌جا که در سازه‌های آبی، فشار هیدرواستاتیک آب وجود دارد و در سازه‌های امن، موج انفجار به صورت آنی وارد می‌شود، حضور الیاف در بتن مانع از بروز ترک در سازه یا تخریب آن می‌شود.

در بتن‌های حافظ خاک نیز حضور الیاف در بتن بسیار حائز اهمیت است، زیرا در صورت عدم حضور الیاف در مخلوط بتنی، با گذشت زمان فشار جانبی خاک در سازه‌ها بیشتر شده و در نتیجه، ترک خوردگی در بتن ایجاد می‌شود.

بیشتر بخوانید: مقدار و روش مصرف الیاف پلی پروپیلن

پروژه‌های اجرا شده با بتن الیافی در ایران

با اینکه قیمت الیاف پلی پروپیلن نسبت به بعضی افزودنی‌های بتن بالاتر است، اما در سال‌های اخیر تعداد پروژه‌هایی که با استفاده از بتن‌های الیافی در کشور اجرا شده، با سرعت بالایی رو به رشد بوده؛ تا جایی که در حال حاضر تعداد دقیق آنها مشخص نیست. در ذیل به نمونه‌هایی از این پروژه‌ها اشاره خواهیم کرد که با خرید الیاف پلی پروپیلن در راستای مقاوم‌ نمودن کفسازی‌ها گامی بلند برداشته‌اند.

• کفسازی سالن ۶ هزار متر مربعی کارخانه مگاموتور در سال ۱۳۹۱، با ۱۱۰۰ متر مکعب بتن الیافی
• کفسازی ۱۶۰۰۰ مترمربعی پارکینگ مرکز همایش‌های بین‌المللی در سال ۱۳۹۱، با ۱۹۰۰ مترمکعب بتن الیافی
• کفسازی ۱۲۰۰۰ متر مربعی پارکینگ طبقاتی بانک ملت در سال ۱۳۹۳، با ۹۰۰ متر مکعب بتن الیافی
• کفسازی ۲۶۰۰ متر مربعی محوطه کارخانه سوپر پانل در سال ۱۳۹۲، با۱۴۵۰متر مکعب بتن الیافی
• سقف ۴۰۰۰۰ متر مربعی عرشه فولادی در مجتمع نگین اصفهان در سال ۱۳۹۲، با ۶۰۰۰ متر مربع بتن الیافی

همان‌طور که گفته شد حضور الیاف پلی پروپیلن در بتن مانع بروز ترک‌های ناشی از انقباض و… می‌شود. در مقاله تأثیر و کاربرد الیاف پلی پروپیلن بر مقاومت، دوام و خواص بتن تلاش شد تأثیر و کاربرد الیاف پلی پروپیلن بر خصوصیات بتن تازه و سخت شده مورد بررسی قرار گیرد و ضمن آن، کاربردهای بتن الیافی نیز تبیین شود. امیدواریم بتوانید با مطالعه این مقاله، بتنی با کارایی مناسب تولید کنید.