الیاف بتن

الیاف بتن

از آن‌جا که بتن ماده‌ای بسیار پرمصرف در دنیا است، شناخت بتن به موضوعی پرطرفدار تبدیل شده است. در شناسایی انجام شده و تحت آزمایشات متعدد، معایب بتن آشکار می‌شود؛ معایبی که به خودی خود رفع نمی‌شوند. پس باید چاره‌ای اندیشید!

یکی از مشکلات اصلی بتن، کمبود مقاومت کششی آن است که با افزودن الیاف بتن به مخلوط بتن از بین می‌رود و شکل‌پذیری بتن زیاد می‌شود. بدین‌ترتیب، یکپارچکی بتن افزایش یافته و اندکی از وزن بتن کاهش می‌یابد.

در طول تاریخ، الیاف بتن در ساخت سازه‌های مختلف به کار گرفته می‌شد؛ برای مثال ساخت سازه‌های گلی با مشکلاتی روبه‌رو بود و چون در آن از کاه استفاده شد، بسیاری از مشکلات سازه گلی مرتفع گشت. در واقع، استفاده از کاه، سازه را در برابر ضربه‌ و پوسته شدن گل مقاوم نمود.

راه اصلی و شناخته شده در جهان برای اصلاح بتن، استفاده از افزودنی‌های مختلف بتن است، زیرا این افزودنی بتن، نه تنها مقاومت بتن را بالا می‌برد، بلکه جذب انرژی، پایداری و دوام بتن را افزایش می‌دهد.

الیاف در بتن

بتن با دانه‌بندی مناسب، برای اضافه شدن الیاف بسیار عالی است، زیرا در اثر افزودن این مواد، مقاومت آن بالاتر می‌رود. نقش الیاف بتن در بارگذاری دینامیکی و بخصوص هنگام زلزله آشکار می‌شود. استفاده از بتن الیافی در بعضی موارد، جایگزین سازه بتن آرمه، بخصوص در سازه‌های دوبعدی سطحی نظیر کفسازی گسترده باند فرودگاه یا کف سوله‌های عظیم شده است.

از این نوع الیاف بتن در پدافند غیرعامل، همانند سازه پناهگاه یا انبارهای نظامی استفاده می‌شود. این مواد در صنعت بتن پیش‌ساخته هم ورود پیدا کرده و ساخت پانل بتنی و قطعات پیش‌ساخته بتن الیافی بسیار رواج یافته است.

انواع الیاف بتن

الیاف جمع کلمه لیف به معنی رشته است. مجموعه مولکول‌های تشکیل‌دهنده این رشته‌ها خطی و اکثراً موازی یک محور اصلی است. وزن مولکولی این مواد بسیار بالا است. ویژگی این مواد انعطاف‌پذیری و دارا بودن نسبت زیاد طول به قطر است.

الیاف بتن به طور کلی در دو دسته طبیعی و مصنوعی قرار می‌گیرند. الیاف طبیعی از طبیعت و بدون تغییر در ساختار شیمیایی در سه گروه گیاهی، حیوانی و معدنی وجود دارند. دسته گیاهی این مواد به صورت دانه‌ای، همانند پنبه و ساقه‌ای مثل کتان و کنف تولید می‌شود. اما الیاف مصنوعی با روش‌های خاص تولید شده و وجود مواد طبیعی در ساختار این مواد دور از انتظار نیست. نمودار زیر برای شناخت انواع الیاف بتن ارائه شده است.

1. الیاف طبیعی:

• گیاهی: الف) دانه‌ای: پنبه ب) ساقه‌ای: کتان و کنف
• حیوانی: پشم حیوانات و ابریشم
• معدنی: آزبست و پنبه نسوز

2. الیاف مصنوعی:

• ریون
• نایلون
• پلی‌استر
• اکریلیک

الیاف پلی‌پروپیلن

این مواد حدوداً یک رشته 12 یا 18 میلی‌متری هستند که برای جلوگیری از ترک خوردن بتن به آن اضافه می‌شوند. نمونه‌های تولیدی برای ملات در ابعاد حدوداً 6 میلی‌متر وجود دارند. منظور از ترک در این مورد، ترک ریز ناشی از انقباض سریع یا خشک شدن مخلوط سیمانی است، نه ترک سازه‌ای. رنگ این الیاف معمولاً سفید یا سیاه است.

وزن مخصوص این مواد (الیاف پلی پروپیلن)، حدود 90 گرم بر سانتی‌متر مکعب است و در هنگام استفاده، یون اسیدی و قلیایی از خود آزاد نمی‌کند؛ هوازایی قابل توجهی ندارد؛ فاقد یون کلراید و سولفات است و استفاده بیش از حد آن، سبب کاهش روانی بتن و افزایش چسبندگی آن می‌شود و در نهایت خود این موضوع، اجرا و کار با مخلوط سیمانی را بسیار دشوار می‌سازد.

ناگفته نماند این مواد به دلیل خاصیت پلاستیکی، در اثر وارد شدن نیرو 80% افزایش طول دارند و قطر آن نیز در حدود 25 تا 35 میکرومتر است.

الیاف پلی‌استر

مواد اولیه الیاف پلی‌استر، دی متیل ترفتالات و اتیلن گلیکول است. از سنتز و پلیمری شدن این مواد در دمای بالا، اتیل استات تولید می‌شود. این الیاف برای افزایش مقاومت ثانویه بتن استفاده می‌شوند و به دلیل خاصیت ذاتی که در آن وجود دارد، برای جلوگیری از ترک خوردگی ناشی از آب انداختن مناسب هستند و حتی با طراحی صحیح و اجرای مناسب طرح اختلاط، تقریباً جایگزین میلگرد می‌شوند.

این مواد در حفظ آب مخلوط بتنی و اصطلاحاً عدم خروج شیره بتن بسیار مؤثر هستند. همین موضوع افزایش قوام، سبب کاهش روانی بتن شده است. در نهایت، بتن تولیدی با این الیاف، مقاومت بیشتری داشته و الاستیسیته آن افزایش نسبی خواهد داشت. استفاده این مواد به زیر یک درصد حجمی بتن محدود شده است.

از آن‌جا که این الیاف، نسبت آب به بتن را در کل عمق نمونه ثابت نگه می‌دارند، برای بتن‌ریزی‌های عمیق استفاده می‌شوند. بدین‌ترتیب، مقاومت سایشی سطح بتن افزایش یافته و دوام بتن بالا می‌رود.

هزینه این مواد در مقایسه با میلگرد بسیار پایین‌تر است؛ اجرای آن نیز بسیار آسان است و با 5 دقیقه اختلاط در بتن، مخلوطی تقریباً یکنواخت و تأیید شده آماده می‌شود.

الیاف شیشه‌ای

الیاف بتن شیشه استحکام و سختی بالایی دارد؛ در دمای بالا و پایین، خواص خود را حفظ می‌کند؛ مقاومت در برابر رطوبت و خوردگی دارد و قیمت پایینی را نسبت به سایر الیاف از آن خود کرده است. این مواد بسیار زیاد تولید شده و برای عموم به راحتی قابل دسترس است و معمولاً برای تعمیر و ترمیم سازه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

الیاف آرامید

الیاف آروماتیک پلی‌آمید که با نام آرامید معروف هستند، در دهه 1960 به صنعت بتن معرفی شدند. این الیاف بتن، مقاومت حرارتی بسیار بالایی دارند و به نوعی جایگزین پنبه نسوز شدند. ساختار شیمیایی این مواد، متشکل از دو حلقه آروماتیک متصل به زنجیره بلند پلی‌آمید سینتتیک است که یک ماده فیبری تشکیل می‌دهد.

پارا آمیدها آرنکا و تواران و کولار را شامل می‌شوند. متا آرامیدها نومکس، کنکس و دورت و اپییل را دربر می‌گیرند.

الیاف کولار از الیاف کربنی و شیشه‌ای سبک‌تر هستند؛ نسبت به وزن خود در میان الیاف‌های موجود در بازار، مقاومت کششی و برشی بالایی دارند و در ساخت جلیقه ضدگلوله مورد استفاده قرار می‌گیرند. این الیاف مقاومت شیمیایی بالایی دارند و از این رو در مواد حلال شیمیایی و شرایط محیطی شدید، دوام خوبی را برای بتن فراهم می‌کنند. به طور معمول، الیاف کولار زرد رنگ هستند و هزینه نسبی‌شان، نسبت به الیاف دیگر بسیار زیاد بوده و الیافی گران به شمار می‌روند.

الیاف فلز

الیاف فلزی بتن یا الیاف فولادی بتن، برای مسلح کردن استفاده می‌شوند و به کارگیری آن، نه تنها موجب افزایش مقاومت بتن و کاهش جمع‌شدگی بتن می‌شود، بلکه ترک خوردگی‌ها سطحی و عمقی بتن را بهبود می‌بخشد.

طراحان از این الیاف بتن که به صورت میله با طول 3 تا 6 سانتی‌متر و قطر 0.7 تا 1.2 میلی‌متر تولید می‌شود، به جای آرماتور بتن استفاده می‌کنند، زیرا این مواد مقاومت بتن را به دلیل خاصیت جذب انرژی، مقابل بار ضربه‌ای و تکانه‌ای بسیار افزایش می‌دهد. 

از جمله انواع الیاف فلز می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:

• سیم سرد نورد شده کشیده شده
• ورق برش خورده
• سیم ذوب شده
• اصلاح شده

هندسه مقطع این الیاف، به صورت استوانه یا مستطیلی است و آلیاژ و سطح زبری آن، بسیار در نوع بتن مورد استفاده تعیین کننده است.

الیاف کربن

از جمله الیاف بتن پرکاربرد در همه صنایع، الیاف کربن است که در تولید کامپوزیت‌ها نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. ضریب الاستیک این مواد نسبت به کولار و الیاف شیشه بیشتر است؛ قطر این الیاف بسیار کم و در حد چند میکرومتر است و چگالی نوعی از این الیاف، در حدود 2 گرم بر مترمکعب است؛ به گونه‌ای که یک اتاق خواب را با چند گرم از این مواد می‌توان پر کرد.

این گروه از الیاف بتن، نسبت به وزن کمی که دارند، از مقاومت بسیار بالایی برخوردارند؛ مثلاً در مقایسه با فولاد، حدود یک سوم وزن و 5 الی 10 برابر، مقاومت کششی دارند و در برابر خستگی و خوردگی بسیار مقاوم هستند.

این الیاف ترد و شکننده‌اند؛ به تنهایی مقاومت ضربه ندارند و با توجه به مصرف بالا و تولید فراوان، بسیار گران هستند و نگهداری از آن، شرایط ویژه‌ای دارد.

مقاومت شیمیایی این الیاف، به ماده خام اولیه و دمای تولید بستگی دارد و بر دو پایه مصنوعی و قیری تولید می‌شود. این الیاف بتن به گروه‌های زیر تقسیم می‌شوند:

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

تولید الیاف کربن، شامل سه مرحله است:

• پایداری اکسیداسیون
• کربونیزاسیون
• گرافیتاسیون

اگر این مواد 90 درصد کربن داشته باشند، در گروه الیاف کربن قرار می‌گیرند، اما اگر این مواد با روش اصلاحی تولید شوند و خلوص کربن آن به 99 درصد و بالاتر برسد، الیاف گرافیتی نامیده می‌شود.

الیاف ماکروسنتتیک

الیاف پلاستیک یا ماکروسنتتیک برای افزایش مقاومت بتن و جلوگیری از ترک خوردگی آن استفاده می‌شود. این الیاف به صورت آجدار تولید شده تا با بتن درگیر و یک جسم بادوام و پیوسته را بسازد. الیاف بتن ماکروسنتتیک از پلیمر خالص پلی‌الفین و پلی‌پروپیلن تهیه و تولید شده است و در بعضی منابع، الیاف مصنوعی سازه‌ای نام دارد.

از این مواد برای شاتکریت و جایگزینی الیاف فلزی و بتن غلتکی استفاده می‌شود. همچنین، این الیاف بتن برای ترمیم و تعمیر سازه بتنی هم کاربرد دارند و به دلیل مقاومت در برابر حملات شیمیایی، در سازه‌های هیدرولیکی و دریایی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

میزان مصرف الیاف بتن در هر پروژه متفاوت است و اگر در یک متر مکعب بتن بیش از دو کیلوگرم الیاف نیاز شود، لازم است برای اختلاط و پخش یکنواخت الیاف بتن از روان کننده استفاده شود. 

در قطعات نازک پیش‌ساخته بتنی، برای افزایش مقاومت کششی و خمشی از الیاف بتن استفاده می‌شود. رنگ این مواد معمولاً سفید و خاکستری است و در اندازه 3، 4 و 5 سانتی‌متری تولید می‌شوند. در نظر داشته باشید جذب آب این الیاف در حد صفر است و بهترین زمان اضافه کردن آن به مخلوط بتن، در مرحله ساخت می‌باشد.

بیشتر بخوانید: بتن الیافی FRC چیست؟

مزایای الیاف بتن

• افزایش مقاومت در برابر پوسته‌ای شدن و سایش بتن
• مقاومت در برابر تنش خستگی
• مقاومت در برابر بار ضربه‌ای
• ایجاد مقاومت کششی در بتن
• افزایش جذب انرژی
• جلوگیری از ترک ناشی از انقباض و جمع شدگی
• پایداری بعد از ترک خوردن
• افزایش کرنش و در نتیجه، افزایش جذب انرژی
• کاهش نفوذپذیری بتن
• کاهش هزینه اجرای بتن
• کاهش نیروی لازم برای تسطیح و بتن‌ریزی
• افزایش شکل‌پذیری بتن 
• ضد حریق‌سازی سازه بتنی
• ساخت ورق سیمانی، با نام تجاری ایرانیت

مقدار و میزان مصرف الیاف بتن

مقدار مصرف الیاف بتن با توجه به طرح اختلاط و نوع پروژه متفاوت بوده و معمولاً بین 0.5 تا 3 کیلوگرم در متر مکعب است. این مواد جذب آب نداشته و هنگام اضافه کردن نباید برای اختلاط بهتر و حفظ میزان آب به سیمان به بتن آب افزود.

روش مصرف الیاف در بتن

الیاف بتن را می‌توان در هنگام ساخت با مواد خشک مخلوط کرد، زیرا این بهترین روش برای اختلاط الیاف بتن است. البته پس از ساخت بتن نیز امکان افزودن الیاف وجود دارد. روان کردن بتن با روان کننده بتن، راهی مناسب برای اطمینان از اختلاط و پخش یکنواخت الیاف در بتن است. بهترین میزان مصرف الیاف بتن برای افزایش مقاومت خمشی دال، حدود یک کیلوگرم است و در قطعات پیش‌ساخته، اندکی بیشتر از الیاف بتن استفاده می‌شود.

معایب الیاف بتن

نحوه پخش الیاف بتن، امری قطعی نیست و عدم یکنواختی حتی پس از اختلاط مناسب، موجب محدودیت استفاده در ابعاد کم، مثل: تیر، ستون و امثال آن می‌شود. در این موارد، سازه بتن آرمه بهتر جواب می‌دهد.

در بعضی موارد این مواد نسبت به بتن معمولی هزینه بیشتری دارند و اصلاً توجیه اقتصادی ندارند. الیاف فولادی و فلزی بتن به دلیل حضور آب زنگ می‌زند و در بعضی موارد، با سیمان واکنش نشان داده و کیفیت بتن را کم می‌کند.

خواص و تأثیر الیاف بتن

مهم‌ترین خاصیت الیاف بتن، ایجاد مقاومت کششی است. در طراحی معمول توسط مهندسان و نرم‌افزارهای طراحی، مقداری برای کشش بتن در نظر گرفته نمی‌شود و ایجاد پیوستگی در بتن و افزایش مقاومت آن، با رشته‌های الیاف ایجاد می‌شود.

این مواد به دلیل جذب سیمان، سبب ته‌نشینی و لخته‌سازی نمی‌شوند و معمولاً در اثر استفاده از الیاف سبک - نظیر پلی‌پروپیلن - وزن کلی سازه سبک می‌شود.

عملکرد الیاف بتن

کاربرد الیاف بتن (بتن الیافی)

• ساخت سالن صنعتی و نیاز به بتن مستحکم در کف، مثل انبار
• ساخت پل بتنی
• ساخت بتن با مقاومت کششی
• ساخت انبار مهمات و پناهگاه جنگی
• ساخت سازه‌های پیش‌ساخته بتنی
• لاینینگ تونل
• سازه‌های بادوام دریایی و هیدرولیکی

خرید و قیمت الیاف بتن

الیاف بتن جزو مواد جدید در صنعت بتن‌سازی نیستند، تا جایی که کاربرد بعضی الیاف به صد سال قبل بازمی‌گردد. اما در این میان، الیافی چون کربن و پلی‌پروپیلن، نسلی جدیدند و برای خرید آن باید به شرکت‌های سازنده مواد شیمیایی ساختمان مراجعه کرد.

ملاحظات استفاده از الیاف بتن

این مواد عموماً خطرزایی خاصی ندارند، ولی رعایت اصول ایمنی استفاده از مواد شیمیایی برای این مواد نیز صدق می‌کند. استفاده از ماسک و دستکش در هنگام اختلاط الیاف، برای حفظ سلامتی توصیه شده است. اگر در بتن از افزودنی خاصی استفاده شده، بهتر است پیش از ترکیب الیاف از موارد منع مصرف و خطرهای حاصل از آن آگاه شوید.

مشخصات فیزیکی و شیمیایی الیاف بتن

این مواد حالت جامد داشته و به صورت رشته‌ای در حدود چند سانتی‌متر و قطر چند میکرومتر تا چند میلی‌متر موجود است. عموماً ساختار الیاف بتن، مواد پلیمری است و برخی از انواع دیگر آن، نظیر کربن و فلزاتی مثل آهن نیز استفاده می‌شود.

حفاظت و ایمنی الیاف در بتن

برخی از این مواد آتش‌زا هستند. پس دمای نگهداری آن باید به گونه‌ای تنظیم شود که خود به خود منجر به آتش‌سوزی نشوند. ساختار این مواد برای بدن مضر است. پس در هنگام استفاده از این مواد از خوردن و آشامیدن پرهیز کنید.

استانداردهای الیاف بتن

استاندارد ACI 544.4R-18 به طور مفصل در مورد الیاف بتن توضیحاتی ارائه داده است. آیین‌نامه بتن ایران نیز، محدودیت استفاده از این مواد را تعیین کرده و در استاندارد ملی ایران در شماره 2930 هم مورد بحث قرار گرفته است.

انبارداری الیاف بتن

الیاف بتن باید در محیط خنک و دور از رطوبت نگهداری شود و به دور از تابش مستقیم آفتاب قرار گیرد. در صورتی که الیاف در شرایط ایده‌آل نگهداری شود، تا 24 ماه قابلیت استفاده بهینه‌ را دارد.