بتن الیافی، نسبت اختلاط و خصوصیات ها

«بتن الیافی» یا «بتن تقویت شده توسط فیبر» را می‌توان به‌عنوان یک ماده کامپوزیتی متشکل از مخلوطی از سیمان، ملات یا بتن و الیافِ(فیبر) مناسب که به‌طور یکنواخت پراکنده‌شده‌اند تعریف کرد. بتن الیافی دارای انواع مختلفی است که هر کدام خواص متفاوت و مزایای گوناگونی دارند.

فیبر یا الیاف یک قطعه کوچک از مواد تقویت‌کننده است که دارای ویژگی‌های خاصی است. این فیبر‌ها می‌توانند حجیم یا مسطح باشند و اغلب با یک پارامتر به نام «نسبت ابعاد» (aspect ratio) توصیف می‌شوند. نسبت ابعاد فیبر، نسبت طول آن به قطر آن است. نسبت ابعاد معمول از 30 تا 150 متغیر است.

الیاف شامل الیاف فولادی، الیاف شیشه، الیاف مصنوعی و الیاف طبیعی هستند و به‌صورت تصادفی در بتن الیافی جهت‌گیری می‌شوند.

بتن الیافی بیشتر برای کف‌ خانه و روسازی استفاده می‌شود، اما می‌توان آن را برای طیف وسیعی از قطعات ساختمانی (تیرآهن، فونداسیون و غیره) به‌تنهایی یا با میلگرد در نظر گرفت.

 

تاثیر اضافه کردن الیاف در بتن

الیاف در بتن الیافی برای کنترل ترک‌خوردگی ناشی از انقباض پلاستیکی (plastic shrinkage) و ترک‌خوردگی ناشی از انقباض هنگام خشک‌شدن (drying shrinkage) استفاده می‌شود. الیاف همچنین نفوذپذیری بتن را کاهش‌داده و در نتیجه نفوذ آب را کم می‌کنند. برخی از انواع الیاف، مقاومت بیشتری در برابر ضربه، سایش و شکستگی در بتن ایجاد می‌کنند.

اگر مدول الاستیسیته الیاف بیشتر از ماتریس باشد، با افزایش مقاومت کششی ماده به حمل بار کمک می‌کند. افزایش نسبت ابعاد فیبر معمولاً استحکام خمشی و چقرمگی ماتریس را تقسیم می‌کند. با این حال، الیافی که بیش از حد طولانی هستند، تمایل دارند در مخلوط به «گلوله» تبدیل شوند و مشکلاتی را ایجاد کنند.

به‌طور کلی، الیاف مقاومت خمشی بتن الیافی را افزایش نمی‌دهند، بنابراین نمی‌توانند جایگزین آرماتورهای فولادی سازه‌ای یا خمشی شوند.

خرید فوم لس

نسبت اختلاط

مقدار الیاف اضافه شده به مخلوط بتن به‌عنوان درصدی از حجم کل کامپوزیت (بتن و الیاف) بیان می‌شود که کسرحجمی (Vf) نامیده می‌شود. 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 می‌شود 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 بتن الیافی که در صنایع ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد 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 به‌عنوان تقویت‌کننده بتن موجود هستند. الیاف فولادی گرد که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرد با برش سیم‌گرد به قطعات کوتاه تولید می‌شوند. قطر معمولی در محدوده 0.25 تا 0.75 میلی‌متر قرار دارد.

بتن تقویت‌شده با الیاف فولادی (SFRC) به‌دلیل ویژگی‌های 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 فزاینده‌ای در سازه‌های غیرنظامی و نظامی استفاده می‌شود.

انواع الیاف فولادی که توسط ASTM A820 تعریف شده‌اند عبارتند از:

• نوع I: سیم کشش‌یافته به شیوه سرد (cold-drawn wire)
• نوع II. ورق برش‌خورده (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)

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

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 می‌دهند. با استفاده از تکنیک‌های اختلاط مرسوم برای بتن الیافی، نمی‌توان بیش از 2% (حجمی) الیاف به طول 25 میلی‌متر را مخلوط کرد. کاربرد عمده الیاف شیشه در تقویت ماتریس‌های 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 مخلوط‌ها اضافه می‌شوند

بتن الیافی آزبست

آزبست فیبر معدنی ارزان‌قیمت طبیعی است که به‌طور موفقیت‌آمیزی با خمیر سیمان پرتلند ترکیب‌شده و محصولی پرمصرف به نام سیمان آزبست را تشکیل می‌دهد. الیاف آزبست مقاومت مکانیکی و شیمیایی حرارتی دارند که آنها را برای لوله‌های ورقی (sheet product pipes)، کاشی‌ها و corrugated roofing elements مناسب می‌کند. با این حال، به دلیل طول نسبتا کوتاه فیبر (10 میلی‌متر) این بتن الیافی دارای مقاومت ضربه‌ای پایینی است.

بتن الیافی کربنی

الیاف کربن قطر حدود 5 تا 10 میکرومتر داشته و بیشتر از اتم‌های کربن تشکیل شده‌اند. 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 می‌شوند تا یک کامپوزیت را تشکیل دهند. هنگامی که به یک رزین پلاستیکی آغشته می‌شود و پخته می شود، نسبت مقاومت به وزن بسیار بالایی را پیدا می‌کنند، با این حال تا حدودی شکننده هستند. الیاف کربن با مواد دیگری مانند گرافیت نیز ترکیب می‌شوند 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 بی‌اثرتر از الیاف فولادی یا شیشه‌ای باشند. آنها همچنین ارزان‌تر هستند، به‌خصوص اگر طبیعی باشند. مشکل اختلاط و پراکندگی یکنواخت آنها با افزودن یک فوق روان کننده حل می‌شود.

خرید یونولیت سقفی

سخن آخر

بتن الیافی یک مخلوط بتنی است که با الیافی با جهت تصادفی تقویت می‌شود. بسته به پروژه، طیف گسترده‌ای از الیاف وجود دارند که با بتن مخلوط می‌شوند. هر کدام از این الیاف ویژگی‌های خاصی را به بتن می‌دهند.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1110016813000136

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-fibre#:~:text=Steel%20fiber%2Dreinforced%20concrete%20(SFRC,%2C%202017%3B%20Yoo%20%26%20Banthia%2C