بتن الیافی، نسبت اختلاط و خصوصیات ها

بتن الیافی (Fiber Reinforced Concrete) یا «بتن تقویت شده توسط فیبر» نوعی مصالح کامپوزیتی است که از ترکیب سیمان، ملات یا بتن با الیاف تقویت کننده تشکیل شده است. این الیاف به صورت یکنواخت در ترکیب پخش می شوند و باعث بهبود خواص مکانیکی بتن می گردند. بتن الیافی در انواع مختلفی تولید می شود که هر یک بسته به نوع الیاف مورد استفاده، ویژگی ها و مزایای متفاوتی دارند. الیاف به کار رفته در این نوع بتن، قطعات ریز و تقویت کننده ای هستند که از مواد خاصی ساخته شده اند و به شکل های حجیم یا مسطح تولید می شوند. این الیاف معمولاً بر اساس «نسبت ابعاد» (Aspect Ratio) که حاصل تقسیم طول به قطر آن هاست، مشخص می شوند. نسبت ابعاد معمول الیاف بین 30 تا 150 متغیر است.

انواع الیاف مورد استفاده شامل الیاف فولادی، الیاف شیشه ای، الیاف مصنوعی و الیاف طبیعی می باشد. این الیاف به صورت تصادفی در بافت بتن توزیع می شوند و در تقویت کلی ساختار بتن نقش مؤثری ایفا می کنند. کاربرد اصلی این نوع بتن در کف سازی ساختمان ها و سطوح روسازی است، اما بسته به شرایط پروژه، می توان از آن برای ساخت اجزای مختلف سازه ای مانند تیرها، فونداسیون ها و سایر عناصر بتن آرمه نیز استفاده کرد؛ چه به تنهایی و چه در کنار میلگردهای فولادی.

تاثیر اضافه کردن الیاف در بتن

الیاف در بتن الیافی برای کنترل ترک خوردگی ناشی از انقباض پلاستیکی (plastic shrinkage) و ترک خوردگی ناشی از انقباض هنگام خشک شدن (drying shrinkage) استفاده می شود. الیاف همچنین نفوذپذیری بتن را کاهش داده و در نتیجه نفوذ آب را کم می کنند. برخی از انواع الیاف، مقاومت بیشتری در برابر ضربه، سایش و شکستگی در بتن ایجاد می کنند.

اگر مدول الاستیسیته الیاف بیشتر از ماتریس باشد، با افزایش مقاومت کششی ماده به حمل بار کمک می کند. افزایش نسبت ابعاد فیبر معمولاً استحکام خمشی و چقرمگی ماتریس را تقسیم می کند. با این حال، الیافی که بیش از حد طولانی هستند، تمایل دارند در مخلوط به «گلوله» تبدیل شوند و مشکلاتی را ایجاد کنند. به طور کلی، الیاف مقاومت خمشی بتن الیافی را افزایش نمی دهند، بنابراین نمی توانند جایگزین آرماتورهای فولادی سازه ای یا خمشی شوند.

نسبت اختلاط

مقدار الیاف اضافه شده به مخلوط بتن به عنوان درصدی از حجم کل کامپوزیت (بتن و الیاف) بیان می شود که کسرحجمی (Vf) نامیده می شود. Vf معمولاً بین 0.1 تا 3 درصد است. محتوای الیاف فولادی بیش از 2 درصد حجمی و نسبت ابعاد بیش از 100 به سختی مخلوط می شود.

به طور کلی، کسر حجمی فیبر بر اساس ASTM D2584 با فرمول زیر محاسبه می شود که در آن کسر حجمی Vf ، وزن الیاف  Wf ، وزن ماتریکس Wm، ρf دانسینه فیبر و ρm چگالی ماتریس است.

V f = [ ρ m · w f / ( ρ m · w f + ρ f · w m )

انواع بتن الیافی و خصوصیات آنها

در زیر انواع مختلف این نوع بتن که در صنایع ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرد لیست شده است:

• بتن تقویت شده با الیاف فولادی
• ملات و بتن سیمانی تقویت شده با الیاف پلی پروپیلن (PFR).
• بتن تقویت شده با الیاف شیشه GFRC
• بتن الیافی آزبست
• بتن الیافی کربن
• بتن الیافی ارگانیک

برای کسب اطلاعات بیشتر در خصوص آرماتوربندی می توانید با مراجعه به این مطلب از این موارد مطلع شوید.

بتن تقویت شده با الیاف فولادی

تعدادی از انواع الیاف فولادی به عنوان تقویت کننده بتن موجود هستند. الیاف فولادی گرد که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد با برش سیم گرد به قطعات کوتاه تولید می شوند. قطر معمولی در محدوده 0.25 تا 0.75 میلی متر قرار دارد.

بتن تقویت شده با الیاف فولادی (SFRC) به دلیل ویژگی های برتر در مقایسه با بتن معمولی، مانند مقاومت کششی بالاتر(tensile strength)، ظرفیت کرنش بهتر (strain capacity)، توانایی جذب انرژی بهبود یافته (energy absorption ability) و چقرمگی (toughness) بهبود یافته، به طور فزاینده ای در سازه های غیرنظامی و نظامی استفاده می شود.

انواع الیاف فولادی که توسط ASTM A820 تعریف شده اند عبارتند از:

• نوع I: سیم کشش یافته به شیوه سرد (cold-drawn wire)
• نوع II. ورق برش خورده (cut sheet)
• نوع III: سیم استخراج شده با مذاب (melt-extracted)
• نوع IV: برش یافته در ماشین آلات (mill cut)
• نوع V: سیم سرد اصلاح شده (modified cold-drawn wire)

ملات سیمانی و بتن تقویت شده با الیاف پلی پروپیلن (PFR)

پلی پروپیلن یکی از ارزان ترین و فراوان ترین پلیمرها برای تولید بتن الیافی است. الیاف پلی پروپیلن در برابر بیشتر مواد شیمیایی مقاوم هستند و این ماتریس سیمانی است که ابتدا در اثر حمله شیمیایی تهاجمی خراب می شود. نقطه ذوب پلی پروپیلن بالا است (حدود 165 درجه سانتیگراد). الیاف پلی پروپیلن که آبگریز هستند می توانند به راحتی با هم مخلوط شوند. الیاف کوتاه پلی پروپیلن در حجم کم بین 0.5 تا 15 به صورت تجاری در بتن استفاده می شود.

GFRC – بتن تقویت شده با الیاف شیشه

الیاف شیشه از 200 تا 400 رشته جداگانه تشکیل شده است که به آرامی به هم چسبیده و پایه را تشکیل می دهند. با استفاده از تکنیک های اختلاط مرسوم برای بتن الیافی، نمی توان بیش از 2% (حجمی) الیاف به طول 25 میلی متر را مخلوط کرد. کاربرد عمده الیاف شیشه در تقویت ماتریس های سیمانی یا ملات مورد استفاده در تولید محصولات ورقه نازک است. گاهی اوقات پلیمرهای دیگر نیز برای بهبود برخی خواص فیزیکی مانند جابجایی رطوبت به این مخلوط ها اضافه می شوند

بتن الیافی آزبست

آزبست فیبر معدنی ارزان قیمت طبیعی است که به طور موفقیت آمیزی با خمیر سیمان پرتلند ترکیب شده و محصولی پرمصرف به نام سیمان آزبست را تشکیل می دهد. الیاف آزبست مقاومت مکانیکی و شیمیایی حرارتی دارند که آنها را برای لوله های ورقی (sheet product pipes)، کاشی ها و corrugated roofing elements مناسب می کند. با این حال، به دلیل طول نسبتا کوتاه فیبر (10 میلی متر) این بتن الیافی دارای مقاومت ضربه ای پایینی است.

بتن تقویت شده کربنی

الیاف کربن قطر حدود 5 تا 10 میکرومتر داشته و بیشتر از اتم های کربن تشکیل شده اند. الیاف کربن دارای چندین مزیت از جمله سختی بالا، استحکام کششی بالا، وزن کم، مقاومت شیمیایی بالا، تحمل دمای بالا و انبساط حرارتی کم هستند. الیاف کربن معمولا با مواد دیگر ترکیب می شوند تا یک کامپوزیت را تشکیل دهند. هنگامی که به یک رزین پلاستیکی آغشته می شود و پخته می شود، نسبت مقاومت به وزن بسیار بالایی را پیدا می کنند، با این حال تا حدودی شکننده هستند. الیاف کربن با مواد دیگری مانند گرافیت نیز ترکیب می شوند تا بتن الیافی را تشکیل دهند که تحمل حرارت بسیار بالایی دارد.

بتن الیافی ارگانیک

الیاف آلی مانند پلی پروپیلن یا الیاف طبیعی ممکن است از نظر شیمیایی بی اثرتر از الیاف فولادی یا شیشه ای باشند. آنها همچنین ارزان تر هستند، به خصوص اگر طبیعی باشند. مشکل اختلاط و پراکندگی یکنواخت آنها با افزودن یک فوق روان کننده حل می شود.

خرید یونولیت سقفی

نتیجه گیری

بتن الیافی یا بتن تقویت شده توسط فیبر به عنوان یک مصالح نوین و پیشرفته در صنعت ساختمان، توانسته است جایگاه ویژه ای در پروژه های عمرانی و سازه ای پیدا کند. استفاده از انواع مختلف الیاف همچون فولادی، شیشه ای، پلی پروپیلن، کربنی و حتی آلی، موجب بهبود قابل توجهی در خواص مکانیکی، دوام، مقاومت در برابر ترک خوردگی، ضربه و سایش بتن شده است. هر یک از این الیاف ویژگی ها، کاربردها و مزایای خاص خود را دارند که بسته به نیاز پروژه انتخاب می شوند. با وجود آنکه بتن الیافی نمی تواند جایگزین کامل میلگردهای سازه ای باشد، اما به عنوان یک راهکار مکمل، به افزایش عمر مفید سازه، کاهش هزینه های نگهداری و ارتقاء عملکرد بتن در شرایط سخت کمک شایانی می کند. از این رو، شناخت کامل انواع بتن الیافی و نحوه استفاده از آنها، می تواند نقش مهمی در بهینه سازی ساخت و سازهای مدرن ایفا کند.