طرح اختلاط بتن الیافی به همراه جدول و روش ساخت

به جز فولاد، شیشه و الیاف‌های طبیعی، انواع دیگری از مواد الیافی جهت استفاده در ساخت‌وساز توسعه داده شده‌اند. این مواد که به عنوان الیاف مصنوعی تسلیح‌کننده بتن شناخته می‌شوند، شامل موادی هستند که با تحقیق روی فرآورده‌های پتروشیمیایی و پلیمری گسترش یافتند. از مهم‌ترین این مواد می‌توان به الیاف پلی ‌پروپیلن، الیاف کربن، الیاف پلی‌استر و… اشاره کرد. در این مقاله از بلاگ رامکا، ضمن تبیین مشخصات مصالح مناسب بتن الیافی، به ارائه یک طرح اختلاط بتن الیافی با استفاده از الیاف پلی پروپیلن خواهیم پرداخت.‌

مشخصات مصالح مورد استفاده در طرح اختلاط بتن الیافی

بتن‌های الیافی عموماً در کفسازی‌های بتنی کاربرد دارند. از آن‌جا که کفسازی‌های بتنی به دلیل تنش‌های سایش و ضرباتی که حین بهره‌برداری به آن‌ها وارد می‌شود، نیاز به پیوستگی و مقاومت بالا در برابر ضربه دارند، با بهره‌گیری از الیاف‌ بتن – از جمله الیاف پلی پروپیلن – می‌توان مقاومت کفسازی‌های بتنی را افزایش داد. در این بخش به توضیح مشخصات و ویژگی‌های مصالح مناسب بتن الیافی خواهیم پرداخت. این نوع بتن‌ معمولاً از رده‌های C30 و C35 است و همانند بتن‌های معمولی از سنگدانه، سیمان، آب، مواد افزودنی بتن و البته الیاف ساخته می‌شود.

مصالح سنگی

برای ساخت بتن الیافی از سنگدانه‌های طبیعی استفاده می‌شود. شن این طرح اختلاط از معدن واحدی و ماسه آن از معدن رازانی استخراج شده است. مشخصات سنگدانه‌های مصرفی در طرح اختلاط بتن الیافی در جدول زیر آمده است. گفتنی است وزن مخصوص و جذب آب مصالح، بر اساس استاندارد ASTM C128 تعیین شده‌اند.

مشخصه	مصالح ریزدانه	مصالح درشت‌دانه
وزن مخصوص (اشباع با سطح خشک)	۶۱/۲	۶۲/۲
اندازه و سایز (میلی‌متر)	۴٫۷۵-۰	حداکثر بعد=۱۸
درصد شکستگی	۲۵	۲۵
مدول نرمی	۳٫۱-۲٫۹	–
قابلیت جذب آب (%)	۴/۳%	۱%

نمودار زیر منحنی دانه‌بندی ماسه استفاده شده در طرح بتن الیافی را نشان می‌دهد.

سیمان

برای ساخت بتن الیافی بسته به شرایط ممکن است از انواع مختلف سیمان استفاده شود. در این تحقیق به سبب عدم وجود شرایط خاص از سیمان تیپ ۲ کارخانه سیمان دلیجان استفاده شده است. این سیمان، مدول نرمی ۳۱۵۰ گرم بر سانتی‌متر مربع را داشته و وزن مخصوص آن، ۳٫۱۴ است. آنالیز شیمیایی و ترکیبات این سیمان در جدول زیر آمده است.

C4AF	C3A	C2S	C3S	Na2O	Fe2O3	K2O	MgO	SO3	Al2O3	SiO2	CaO
12%	5%	15%	59%	0.34%	4.1%	0.7%	1.3%	2.4%	4.6%	20.5%	63.4%

این سیمان به صورت پاکتی تهیه شده و ملاحظات ویژه‌ای – مانند محافظت از گرما و رطوبت – برای نگهداری از آن در نظر گرفته شده است.

آب، مواد افزودنی و الیاف

آب اختلاط بتن الیافی از آب شرب شهر قم تأمین می‌شود. در این طرح اختلاط از الیاف پلی پروپیلن استفاده شده است. الیاف پلی پروپیلن سبب افزایش مقاومت بتن در برابر ضربه و سایش، جلوگیری از بروز ریز ترک‌ها و شکل‌پذیر شدن بتن می‌شود.

وجود الیاف در این نوع بتن، سبب کاهش کارایی و روانی آن می‌شود. از این رو بتن الیافی در مقایسه با بتن هم‌رده با مقاومت یکسان، حدود ۲% نسبت آب به سیمان بالاتری نیاز دارد، اما از آن‌جا که اضافه کردن آب سبب کاهش مقاومت آن می‌شود، می‌توان با استفاده از ابر روان کننده بتن پلی کربوکسیلاتی، روانی و کارایی بتن را به مقدار مطلوب رساند. نکته بسیار مهم در مورد بتن الیافی، اطمینان از پخش مناسب و همگن الیاف پلی پروپیلن است. استفاده از ابر روان کننده بتن کوانتوم که بر پایه پلی کربوکسیلات اتر است، علاوه بر افزایش اسلامپ و کارایی و افزایش دوام و مقاومت بتن از طریق جلوگیری از اضافه نمودن آب، سبب توزیع بهتر و همگنِ الیاف پلی پروپیلن در تمام قسمت‌های بتن می‌شود.

بیشتر بخوانید: بتن الیافی FRC چیست؟

شرایط و روش ساخت طرح اختلاط بتن الیافی

بتن الیافی مطابق با استاندارد ملی ۱۶۰۸-۲ ساخته و عمل­آوری شده­ است. در ساخت بتن، سعی شده دمای سیمان در محدوده ۲۰ تا ۲۵ درجه سانتی‌گراد باشد. همچنین برای در نظر گرفتن میزان آبی که از طریق رطوبت سنگدانه‌ها وارد بتن می‌شود، درصد رطوبت مصالح سنگی بر اساس استاندارد ۴۹۸۳ اندازه‌گیری شد. بر اساس نتایج آزمایشات روی درصد رطوبت سنگدانه‌ها، رطوبت سنگدانه‌ها تقریباً ثابت و برای درشت‌دانه مقدار ۰٫۵ تا ۰٫۷۵% و برای ریزدانه مقدار ۳ الی ۳٫۵% گزارش شده است.

در این بررسی، ساخت بتن در میکسر دستی انجام شد. جداره‌های مخلوط‌کن پیش از ریختن مصالح درون میکسر مرطوب می‌شود تا جذب آب از مصالح به حداقل برسد. برای ساخت بتن الیافی، ابتدا سنگدانه‌ها در میکسر ریخته می‌شوند. سپس الیاف و بخشی از آب اختلاط به میکسر اضافه شده و به مدت ۲ دقیقه مخلوط می‌شوند. در مرحله بعد، بخش باقیمانده آب طرح اختلاط بتن به همراه سیمان به مخلوط‌کن اضافه شده و به مدت یک دقیقه مخلوط می‌شوند. پس از اطمینان از اختلاط مناسب سیمان و آب، ابر روان کننده کوانتوم اضافه شده و باید به مدت ۳ دقیقه میکس شدن ادامه پیدا کند.

نکته مهم در مورد زمان افزودن الیاف پلی پروپیلن اینکه، این کار باید به گونه‌ای انجام شود که الیاف به صورت یکنواخت در بتن پخش گردد. از این رو به سه روش می‌توان الیاف را به بتن اضافه نمود:

• الیاف باید بعد از سنگدانه اضافه شود که به سنگدانه‌ها بچسبد و به طور مناسب در بتن پخش گردد.
• در مواردی که از ابر روان کننده در بتن الیافی استفاده می‌شود، می‌توان الیاف را در آخرین مرحله اضافه نمود؛ چرا که با حضور ابر روان کننده در بتن، نگرانی بابت پخش الیاف وجود نخواهد داشت.
• می‌توان الیاف را با آب مخلوط نمود و پس از آن به بتن اضافه نمود تا از پخش مناسب آن اطمینان یافت.

بتن الیافی ساخته شده در قالب‌های مکعبی ۱۰ سانتی‌متری ریخته‌ می‌شود. لازم به ذکر است در این‌جا طبق روش استاندارد، بتن درون قالب‌ها با ۲۵ ضربه میله فولادی متراکم شدند. همچنین جهت سهولت در خروج آزمونه از قالب، از روغن قالب مایا استفاده شد.

همان‌گو‌نه که می‌دانیم بتن در روزهای اول نیازمند نگهداری و عمل‌آوری است. از این رو آزمونه‌ها به همراه قالب در دمای ۲۱ درجه نگهداری می‌شوند و در این مدت با استفاده از پارچه مرطوب از تبخیر شدن آب بتن جلوگیری می‌‌شود. بعد از ۲۴ ساعت، آزمونه‌ها از قالب خارج شده و تا زمانی که بتن تحت آزمون مقاومت فشاری قرار می‌گیرد، آن‌ها را در حوضچه آب ۲۲ درجه نگه‌داری می‌کنیم.

جدول طرح اختلاط بتن الیافی

برای تولید بتن الیافی، مصالح با مشخصات مذکور و با نسبت‌های زیر با یکدیگر مخلوط می‌شوند.

مصالح مورد استفاده	مشخصات	مقدار در یک متر مکعب بتن الیافی
ماسه SSD	ماسه طبیعی با درصد شکستگی ۲۵	۹۲۰ کیلوگرم
شن SSD	حداکثر بعد ۱۸ میلی‌متر	۹۰۰ کیلوگرم
سیمان	سیمان تیپ ۲ دلیجان	۴۰۰ کیلوگرم
ابر روان کننده	ابر روان کننده کوانتوم (پایه پلی کربوکسیلات)	۱ کیلوگرم
الیاف	الیاف پلی پروپیلن	۱ کیلوگرم
نسبت آب به سیمان	–	۰٫۴۲

مشخصات بتن تازه

افزودن الیاف تأثیر عمده‌ای بر کارایی و روانی بتن دارد. روش مرسوم سنجش کارایی بتن‌های معمولی، استفاده از تست اسلامپ است. نکته مهم در تست اسلامپ بتن الیافی آن است که در مورد بتن الیافی در مقایسه با بتن معمولی، عدد اسلامپ ثابت، نشان‌دهنده کارایی کمتری است؛ برای مثال چنانچه دو نمونه بتن الیافی و بتن معمولی با اسلامپ یکسان (مثلاً ۱۵ سانتی‌متر) داشته باشیم، بتن الیافی کارایی کمتری دارد.

آزمایش اسلامپ بتن در این بررسی بر اساس استاندارد ملی ۲-۳۲۰۳ انجام می‌گیرد. همانند بتن‌های متعارف در این‌جا نیز ابتدا مخروط و صفحه آزمایش مرطوب می‌شود و بتن طی سه مرحله و در سه لایه در مخروط ریخته شده و هر لایه با ۲۵ ضربه متراکم می‌گردد. این آزمایش روی سه نمونه انجام شد و میانگین نتایج به عنوان اسلامپ بتن گزارش می‌شود. در جدول ذیل مشخصات بتن تازه ساخته شده با طرح اختلاط بتن الیافی آمده است.

اسلامپ	۱۴ سانتی‌متر
وزن مخصوص بتن تازه	۲۳۹۰ کیلوگرم بر متر مکعب
حباب هوای تازه	۲٫۵ درصد

نتایج آزمایش مقاومت فشاری بتن

در استاندارد ملی ۳-۱۶۰۸، نحوه انجام آزمایش مقاومت فشاری بتن آمده است. با توجه به استفاده از آزمونه‌های مکعبی ۱۰ ×۱۰، نیاز است نتایج آزمایش مقاومت فشاری با استفاده از ضرایب موجود به مقاومت فشاری نمونه استوانه‌ای استاندارد تبدیل شود. با توجه به تأثیر رطوبت آزمونه بر مقدار مقاومت فشاری، در این آزمایش تمام نمونه‌ها در حالت اشباع و با سطح خشک هستند.

 در واقع وجود آب در آزمونه، سبب می‌شود زمانی که بتن تحت فشار قرار می‌گیرد، یک تنش اضافی در اثر اضافه فشار آب در بتن به وجود آمده و کاهش مقاومت فشاری را در پی داشته باشد. برای اطمینان از صحت نتایج، آزمایش مقاومت فشاری بتن روی تعدادی آزمونه انجام گرفت و میانگین نتایج به دست آمده به عنوان مقاومت فشاری گزارش شد.

قابلیت اعتماد آزمایش مقاومت فشاری، مطابق ضوابط مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ارزیابی شده است.

در جدول زیر مقاومت فشاری بتن الیافی در سنین ۳، ۷ و ۲۸ روز گزارش شده است.

سن (روز)	چگالی نمونه (کیلوگرم بر متر مکعب)	مقاومت فشاری (معادل استوانه ۱۰ در ۲۰)
۳	۲۳۶۵	۲۲ مگاپاسکال
۷	۲۳۵۵	۲۷ مگاپاسکال
۲۸	۲۳۵۰	۳۲ مگاپاسکال

لازم به ذکر است نتایج و اعداد به دست آمده در این بررسی، صرفاً با استفاده از مصالح یاد شده و شرایط است و در صورت تغییر هر یک از این عوامل، امکان دستیابی به نتایج دیگر وجود دارد. در این مقاله به توضیح مشخصات مصالح مناسب برای تولید بتن الیافی و ارائه یک طرح اختلاط عملی برای ساخت این نوع بتن پرداختیم. بتن الیافی ساخته شده با الیاف پلی پروپیلن در تولید بتن ضد حریق، ورق‌های سیمانی (ایرانیت)، موزاییک پلیمری، سمنت پلاست و سنگ مصنوعی، شاتکریت و اجرای ملات‌های نازک سیمانی کاربرد دارد.

بیشتر بخوانید: انواع بتن مسلح با الیاف