بتن الیافی، ماده‌ای کامپوزیتی متشکل از بتن و الیاف مناسب است که در کنار هم به صورت ناپیوسته و گسسته قرار گرفته‌اند. انواع الیاف به کار رفته در بتن، شامل: الیاف فولادی، شیشه، الیاف مصنوعی و طبیعی است. استفاده از الیاف مختلف در بتن، باعث ایجاد انواع بتن مسلح با الیاف، از نظر ویژگی‌ها، خواص، هندسه، توزیع، جهت‌گیری و چگالی می‌شود. در این مقاله از بلاگ رامکا بر آن هستیم تا به معرفی انواع الیاف بتن مسطح و خواص و تأثیرات آن بر بتن بپردازیم. پس تا انتها همراه ما باشید.
تأثیر الیاف بر انواع بتن مسلح با الیاف
الیاف تقویت‌کننده معمولاً در بتن شاتکریت و گاهی اوقات در بتن معمولی استفاده می‌شود. بتن معمولی تقویت شده با الیاف، بیشتر برای کف‌ها و روسازی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین این گونه بتن‌ها به تنهایی یا همراه با میلگرد در طیف وسیعی از قطعات ساختمانی استفاده می‌شوند.
الیاف در بتن، معمولاً برای کنترل ترک‌خوردگی ناشی از انقباض خمیری کاربرد دارند و مانع از آب‌انداختگی و جداشدگی در بتن می‌شوند. برخی از انواع الیاف، باعث می‌شود بتن در برابر ضربه، سایش و شکستگی مقاومت بیشتری کسب کند؛
اما این مواد تأثیری بر مقاومت خمشی بتن نداشته و از این رو بخش‌هایی از سازه که بالا بودن مقدار مقاومت خمشی اهمیت زیادی دارد، حضور آرماتورهای فولادی ضروری است.
مقدار الیاف اضافه شده به مخلوط بتن به صورت درصدی از حجم کل کامپوزیت (بتن و الیاف) اندازه‌گیری می‌شود و با نام کسر حجمی (Vf) شناخته می‌شود. مقدار کسر حجمی (Vf) معمولاً بین ۰٫۱% تا ۳% است و بر اساس نسبت طول فیبر بر قطر آن محاسبه می‌شود. در الیاف با سطح مقطع غیر دایره‌ای از قطری معادل برای محاسبه نسبت ابعاد استفاده می‌گردد.
افزایش نسبت ابعاد الیاف، معمولاً مقاومت خمشی و سفتی ماتریس خمیر سیمان را تقسیم می‌کند. با این حال، الیافی که بیش از حد طولانی هستند، تمایل دارند در مخلوط بتن به گلوله تبدیل شوند و بدین‌ترتیب، مشکلاتی در کارایی و روانی بتن ایجاد می‌کنند.
برخی تحقیقات نشان می‌دهد استفاده از الیاف در بتن، تأثیر کمی بر مقاومت ضربه‌ای بتن دارد. این در حالی است که تصور می‌شد استفاده از الیاف در بتن باعث افزایش شکل‌پذیری بتن می‌گردد. البته نتایج نشان داده بتن‌هایی که با استفاده از میکروالیاف تقویت‌شده‌اند، نسبت به بتن‌های مسلح‌شده با الیاف بلندتر، مقاومت بهتری در برابر ضربه دارند.
ضرورت استفاده از الیاف در انواع بتن مسلح با الیاف
- افزایش مقاومت کششی بتن
- کاهش فضاهای خالی هوا، تخلخل و مقدار آب درون بافتی
- افزایش دوام بتن
- الیافی مانند گرافیت و شیشه، مقاومت بسیار خوبی در برابر خزش دارند. بنابراین، جهت‌گیری و حجم الیاف، تأثیر قابل توجهی بر عملکرد خزش میلگردها (تاندون‌ها) دارد.
- بتن مسلح، ماده‌ای مرکب است که در آن آرماتور به عنوان الیاف تقویت‌کننده و بتن به عنوان ماتریس عمل می‌کند. بنابراین لازم است رفتار هر دو ماده در برابر تنش‌های حرارتی مشابه باشد تا تغییرشکل‌های بتن و آرماتور نسبت به هم به حداقل برسد.
- افزودن الیاف ریز، با تراکم بالا و پراکندگی مناسب، باعث می‌شود در بتن ترکی ایجاد نشود و حتی خواص استاتیکی و دینامیکی آن نیز به طور قابل توجهی بهبود یابد.
عوامل مؤثر بر خواص انواع بتن مسلح با الیاف
همان‌طور که گفته شد انواع بتن مسلح با الیاف، ترکیبی از انواع الیاف و ماتریس سیمانی است که به صورت منظم یا تصادفی کنار هم قرار گرفته‌اند.
این مواد در کنار هم ویژگی‌ها و خواص منحصر به فردی دارند که نمایشگر انتقال مؤثر تنش بین ماتریس خمیر سیمان و الیاف هستند. در ادامه این مقاله به بررسی و معرفی عوامل مؤثر بر خواص بتن الیافی می‌پردازیم.
۱) سفتی نسبی بتن حاوی فیبر
برای انتقال مؤثر تنش، لازم است مدول الاستیسیته ماتریس بسیار کمتر از الیاف به کار رفته در بتن باشد. الیافی مانند نایلون یا پلی پروپلین به دلیل مدول پایین، بعید است باعث افزایش سفتی بتن شوند، اما به جذب انرژی‌های بزرگ و به تبع، رساندن بتن به درجه سختی و مقاومت بیشتر کمک می‌کنند. این در حالی است که الیافی با مدول بالا، مانند: فولاد، شیشه و کربن، افزایش سفتی بتن را به همراه دارند.
میزان پیوند سطحی این گونه از فیبرها با ماتریس، تعیین‌کننده مقدار انتقال تنش در بتن است. هر چه اتصال با کیفیت بیشتری انجام شده باشد، به طبع مقدار مقاومت و دوام سازه افزایش می‌یابد.
۲) حجم الیاف
مقاومت بتن مسلح تا حد زیادی به نوع الیاف به کار رفته در آن وابسته است. شکل زیر تأثیر حجم بر سفتی و مقاومت را نشان می‌دهد. همان‌طور که می‌بینید افزایش حجم الیاف، تقریباً به صورت خطی باعث افزایش مقاومت کششی و سفتی مخلوط بتن می‌شود. استفاده از الیاف با درصد بالاتر، احتمالاً باعث جداشدگی و سختی بتن و ملات می‌گردد.
۳) نسبت ابعاد فیبر
نسبت الیاف عامل مهم دیگری است که بر خواص و رفتار مخلوط بتن تأثیر دارد. گزارش‌ها نشان می‌دهد با افزایش نسبت ابعاد الیاف تا ۷۵ میلی‌متر، مقاومت و سفتی بتن به صورت خطی افزایش می‌یابد؛
اما با افزایش ابعاد الیاف به بیش از ۷۵ میلی‌متر، میزان مقاومت و سفتی نسبی کاهش می‌یابد. جدول زیر تأثیر نسبت ابعاد الیاف بر میزان مقاومت و سفتی را نشان می‌دهد.
| انواع بتن | نسبت ابعاد | مقاومت نسبی | سفتی نسبی |
| بتن عادی | ۰ | ۱ | ۱ |
| بتن با الیاف پراکنده و تصادفی | ۲۵ | ۱٫۵ | ۲ |
| بتن با الیاف پراکنده و تصادفی | ۵۰ | ۱٫۶ | ۸ |
| بتن با الیاف پراکنده و تصادفی | ۷۵ | ۱٫۷ | ۱۰٫۵ |
| بتن با الیاف پراکنده و تصادفی | ۱۰۰ | ۱٫۵ | ۸٫۵ |
۴) جهت‌گیری الیاف
یکی از تفاوت‌های الیاف با آرماتورهای به کار رفته در بتن، قرارگیری و جهت‌گیری آن‌ها در بتن است. آرماتورهای به کار رفته در بتن جهت تسلیح آن، دقیقاً در جهت مورد نظر مهندسین سازه قرار می‌گیرند. در حالی که الیاف در بتن به صورت تصادفی جهت‌گیری می‌شوند. بنابراین برای مشاهده اثر جهت‌گیری تصادفی الیاف در بتن، نمونه بتن تقویت شده با ۰٫۵% حجم الیاف، مورد آزمایش قرار می‌گیرد.
قرارگیری حداکثر الیاف در بتن، معمولاً به ۳ شکل توزیع تصادفی، توزیع عمود بر بار خارجی و توزیع به صورت هم‌جهت با بار خارجی است. داده‌ها نشان می‌دهد در مواردی که الیاف، به موازات بار خارجی قرار گرفته‌اند، استحکام کششی و سفتی بتن بیشتر از زمانی است که الیاف به صورت تصارفی یا عمود بر بار در بتن توزیع شده‌اند.
۵) کارایی و تراکم بتن
ادغام الیاف فولادی، کارایی بتن را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. این وضعیت تأثیر منفی بر اسلامپ و کارایی بتن تازه دارد. به طوری که حتی ویبره خارجی و طولانی مدت نیز باعث افزایش تراکم بتن نمی‌شود.
البته باید بدانید حجم فیبری که بتن را به این وضعیت می‌رساند، وابسته به ابعاد (طول و قطر) فیبر است. از دیگر پیامدهای کاهش کارایی، توزیع غیریکنواخت الیاف در بتن است که می‌توان آن را با افزایش نسبت آب به سیمان یا استفاده از انواع افزودنی کاهنده آب (روان کننده بتن) بهبود بخشید.
ابر روان کننده بتن فیوژن پلاس +FUSION
افزاینده مقاومت بتن و کاهنده آب قوی در مدت کم
ابر روان کننده بتن
ابر روان کننده بتن نئون پلاس +NEON
افزایش اسلامپ بتن با نسبت آب به سیمان پایین در کوتاه‌مدت
۶) اندازه سنگدانه درشت
حداکثر اندازه سنگدانه درشت برای داشتن مخلوطی با مقاومت مناسب، برابر ۱۰ میلی‌متر است. الیاف گرچه هندسه‌ی ساده‌ای دارند، اما در مخلوط بتن نقش سنگدانه را ایفا کرده و تأثیر ویژه‌ا‌ی بر خواص بتن تازه اعمال می‌کنند. برای نمونه اصطکاک بین ذرات و الیاف و حتی جهت‌گیری و توزیع الیاف در بتن، خواص بتن تازه را کاملاً تحت کنترل دارد. البته بهترین راهکار برای کاهش این میزان اصطکاک، استفاده از روان‌کننده‌ها به دلیل افزایش میزان روانی و یکنواختی مخلوط بتنی است.
۷) طرح اختلاط
طرح اختلاط بتن الیافی نیازمند شرایط دقیق و حساب‌شده‌ای است، چرا که مواردی مانند افزایش نسبت ابعاد الیاف، درصد حجم الیاف به کار رفته، اندازه و کمیت سنگدانه‌های درشت و… در صورتی که تحت کنترل نباشند، می‌توانند باعث اتفاقاتی مانند گلوله شدن الیاف در بتن، جداسازی و در نهایت، تهیه بتنی غیریکنواخت شوند.
از سوی دیگر مهم است الیاف به طور یکنواخت در سراسر مخلوط پراکنده شوند. این مشکل را می‌توان با افزودن الیاف پیش از اضافه شدن آب به مخلوط بتن انجام داد. برای مثال در طرح اختلاط آزمایشگاهی، الیاف از طریق سرندی مشبک و سیمی به طور یکنواخت روی مواد پیش از خیس شدن اضافه می‌شوند.
نقش انواع بتن الیافی بر انواع بتن مسلح با الیاف
در ادامه این مقاله به معرفی و بررسی انواع الیاف در صنعت ساختمان، مانند الیاف فولادی، پلی پروپیلن، شیشه، آزبست، کربن و الیاف ارگانیک می‌پردازیم.
۱) بتن مسلح با الیاف فولادی
تعداد خاصی از الیاف فولادی به عنوان تقویت‌کننده در بتن به کار گرفته می‌شوند. الیاف فولادی مورد استفاده در بتن، دارای دو سطح مقطع هستند. الیاف فولادی با سطح مقطع گرد، یکی از الیاف پرکاربرد در صنعت ساخت و ساز است. قطر این الیاف حدود ۰٫۳ تا ۰٫۵ میلی‌متر بوده و دارای ارتفاع حدود ۰٫۲۵ تا ۰٫۷۵ میلی‌متر هستند.
دسته بعدی از الیاف فولادی، الیاف با سطح مقطع مسطح است. این گونه از الیاف دارای ضخامت ۰٫۱۵ تا ۰٫۴۱ میلی‌متر و عرض ۰٫۲۵ تا ۰٫۹ میلی‌متر بوده و در نتیجه‌ی ذخیره کردن ورقه‌های مسطح تولید می‌شوند.
از آن‌جا که فیبرهای منفرد تمایل دارند با هم به صورت خوشه‌ای قرار گیرند، توزیع یکنواخت آن‌ها در مخلوط بتن اغلب دشوار است. البته افزودن دسته‌ای الیاف در طول فرآیند اختلاط، مانع از ایجاد حالت خوشه‌ای می‌شود.
۲) ملات سیمانی و بتن تقویت شده با الیاف پلی پروپیلن (PFR)
الیاف پلی پروپیلن یکی از ارزان‌ترین و در دسترس‌ترین پلیمرها است که معمولاً به مقدار حجمی بین ۰٫۵ تا ۱۵ در بتن به کار می‌رود. الیاف پلی پروپیلن در برابر بیشتر مواد شیمیایی مقاوم هستند و این ملات سیمانی است که تحت حمله شیمیایی تهاجمی قرار گرفته و از بین می‌رود. الیاف پلی پروپیلن آبگریز هستند و می‌توانند به راحتی با هم مخلوط شوند. در هنگام اختلاط، الیاف نیازی به تماس طولانی ندارند و فقط باید به طور یکنواخت در بتن مخلوط شوند.
۳) GFRC – بتن تقویت شده با الیاف شیشه
الیاف شیشه از ۲۰۰ تا ۴۰۰ رشته جداگانه تشکیل شده است که به آرامی به هم چسبیده و پایه را تشکیل می‌دهند. پایه‌ها را می‌توان در اندازه‌های مختلف خرد کرد یا با هم ترکیب نمود. در طرح اختلاط بتن معمولی نمی‌توان از بیش از ۲% (بر حسب حجم) الیاف شیشه با طول ۲۵ میلی‌متر را در مخلوط استفاده کرد.
عمده کاربرد الیاف شیشه در تقویت ملات سیمانی یا ملات مورد استفاده در تولید محصولات بتنی ورقه نازک بوده است. پلاستیک‌های تقویت شده و شیشه AR، E-glass مقاومت کافی در برابر قلیایی‌های موجود در سیمان پرتلند ندارند.
بنابراین الیاف شیشه‌ای به کار رفته در بتن، معمولاً از جنس شیشه الکترونیکی است. البته شیشه AR، نسبت به سایر نمونه‌های غیر مقاوم در برابر قلیایی‌ها مقاومت بهتری دارد.
۴) الیاف آزبست
فیبر معدنی، ارزان قیمت و طبیعی آزبست، به طور موفقیت‌آمیزی با خمیر سیمان پرتلند ترکیب می‌شود و محصولی پرکاربرد به نام آزبست سیمان را تشکیل می‌دهد. الیاف آزبست در بتن، مقاومت مکانیکی و شیمیایی حرارتی دارند و برای کاشی‌ها، عناصر سقف و… مناسب هستند. مقاومت تخته آزبست سمنت، تقریباً ۲ یا ۴ برابر ملات تقویت نشده است. با این حال، به دلیل طول نسبتاً کوتاه (۱۰ میلی‌متر) فیبر دارای مقاومت ضربه‌ای پایینی است.
۵) الیاف کربن
الیاف کربن از جدیدترین و دیدنی‌ترین طیف الیاف موجود برای استفاده تجاری است. فیبر کربن دارای مدول بسیار بالا و گسترده‌ای در مقدار کشش و مقاومت خمشی است. نتایج نشان می‌دهد خواص مقاومتی و سختی این نوع الیاف، حتی از فولاد نیز بیشتر است؛ اما الیاف کربن حتی نسبت به الیاف شیشه آسیب‌پذیرتر بوده و تنها با resign coating قابل درمان هستند.
۶) نقش الیاف آلی بر انواع بتن مسلح با الیاف
الیاف آلی مانند پلی پروپیلن یا الیاف طبیعی، ممکن است از نظر شیمیایی بی‌اثرتر از الیاف فولادی یا شیشه‌ای باشند. این الیاف اگر طبیعی باشند، ارزان هستند. از آن‌جا که برای به دست آمدن یک ملات با کیفیت ممکن است از حجم زیادی از الیاف گیاهی استفاده شود، جهت حل مشکل اختلاط و پراکندگی یکنواخت لازم است تا از فوق روان کننده بتن استفاده شود.
انواع بتن مسلح با الیاف فولادی، شیشه یا پلاستیکی نسبت به بتن‌های مسلح شده با میلگردهای دستی، استحکام کششی چندین برابری داشته و گران‌تر هستند.
در این نوع بتن‌ها، شکل، ابعاد و طول الیاف بر میزان استحکام کششی بتن و خواص و ویژگی‌های آن تأثیر مستقیم دارد. برای نمونه الیاف شیشه‌ای کوتاه و مویی شکل در ساعات اولیه پس از ریخته شدن در بتن مؤثر بوده و احتمال ترک خوردن بتن در زمان سفت شدن را کاهش می‌دهند و تأثیری بر مقاومت کششی بتن ندارند.
بیشتر بخوانید: طرح اختلاط بتن الیافی
همان‌طور که گفته شد، بتن الیافی بتنی کارامد است و معمولاً الیافی چون pp، شیشه، فلز و… را در برگرفته و ترکیبی عالی برای ساخت سازه‌های مقاوم ایجاد می‌کند.
در این مقاله از بلاگ رامکا به بررسی انواع الیاف در بتن مسلح و نقش آن‌ها در خواص و ویژگی‌های بتن پرداختیم. در نهایت خوشحال می‌شویم با بیان نظرات و تجربیات خود در انتهای همین صفحه، ما را در بهبود کیفیت این مقاله یاری کنید.
منبع +
مقاله ای در زمینه انواع آزمایشات لازم بر روی بتن الیافی وجود دارد؟ راهنمایی بفرمایید
ان‌شا.. به زودی در این زمینه هم محتوایی تولید شده و در بلاگ منتشر خواهد شد.
خدا قوت به شما
درود بر تیم نویسنده که بازگردانی و نوشتاری به این خوانایی دارند. مقاله ای در زمینه انواع آزمایشات لازم بر روی بتن الیافی وجود دارد؟ راهنمایی بفرمایید
سلام و عرض ادب
سپاس از اینکه ما را همراهی می‌کنید🌹
در حال حاضر خیر، ولی به امید خدا در دستور کار تیم نویسندگان قرار خواهد گرفت.
هوالرفیق
تقریباً یک سال است که از مطالب رامکا استفاده می کنم و خیلی خیلی از آن راضی هستم. خدا نگهدارتون باشه
از حسن توجهتون سپاسگزاریم
سلام🥰🥰🥰
واقعا باید بگم خیلی خوشحال شدم وقتی نوتیف این مطلب برام باز شد. خیلی وقت بود که دنبال چنین مقاله ای می گشتم.. خیلی عالی بود مثل همه نوشته هاتون
ممنون از اینکه با مطالعه مقالات ما، تیم رامکا رو برای بررسی دیگر موضوعات ترغیب می‌کنید🌹