تاریخچه بتن الیافی :
همان طور که می دانیم گسیختگی مواد که به وسیله سیمان تهیه شده ومی شکنند به علت ترد بودن ان می باشد همان طور که قبلا" توضیح داده شد تقویت بتن توسط الیاف کوتاه به صورت تصادفی ونامنظم می شد وباعث تثبیت ترکها واستحکام کششی بتن می شود.
در دهه ۱۹۵۰برای اولین بار در کشور شوروی وبعد درکشور امریکا در سال۱۹۶۰ تحقیقاتی انجام شده در صورت استفاده از الیاف فولادی در ماتریس شکننده، تمرکز تنش در محل ترکهای بوجود آمده کاهش می یابد.
بتن الیافی که به نام های زیر در جهان موجود است آرماتورها که معروف به آرماتورهای با الیاف پلاستیکی (FRP ) هستند از الیاف مختلفی چون الیاف شیشه ای(GFRP ) الیاف آرامیدی (Afrp ) والیاف کربنی (CFRP ) در یک رزین چسباننده تشکیل شده انددر دنیا معروف است.
این مواد یکی از پر مصرف ترین مواد در مناطق سرد نظیر شمال آمریکا و کانادا و بعضی کشورهای اروپایی است که همراه با آن از سنگدانه های هواساز نیز استفاده میشود.کاربرد صفحات با الیاف کربنی برای این تقویت بیشتر رایج گشته و در چندین پل در ژاپن و در بعضی کشورهای اروپایی از آن استفاده شده است.
به خصوص در ژاپن که به علت مقاومت در بتن الیافی در برابر خوردگی در پل و دیوار های نما از این بتن الیافی خیلی استفاده می کنند. همچنین امروزه علم نانو نیز به کمک بتن الیافی و
صنعت ساختمان آمده وامروزه استفاده از انواع پلیمر و الیاف در بتن به وسیله علم نانو رونق گرفته است که تاریخ این علم بر میگردد به دوره ۷۰ معرفی شده اند که از فناوری sol-gel جهت انتشار (Disperse ) دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده است. یکی از شرکت های که در این علم پیشتاز است شرکت تویوتا ژاپن می باشد تکنولوژی نانو فلز آرتوناید که درحال حاضر الیاف تجاری نانو آلومینا را تولید کرده است یکی دیگر از موفقیت کشورهای پیشرفته می باشد که امروزه در این علم به دست آمده امروزه بسیاری از دانشگاه دنیا سعی در استفاده از این دانش در صنعت ساختمان می باشد یکی دیگر از اختراعات در ژاپن جلوگیری از یخ زدگی بتن الیافی به وسیله علم نانو می باشد.
مقدمه
تاکنون مشخص شده است که انواع الیاف ها می توانند ظرفیت کرنش ،مقاومت دربرابر ضربه ،میزان جذب انرژی ،مقاومت سایشی و مقاومت کششی بتن را افزایش دهند. بطور کلی برای کاربرد در سازه الیاف فولادی میتواند نقش مکملی برای میلگرد داشته باشد. الیاف فولادی با پخش ترکها مقابله میکنند و مقاومت بتن را در برابر خستگی، ضربه، جمع شدگی وتنشهای حرارتی افزایش داده و بتن در همه مدهای شکست روی خواص مکانیکی بتن تاثیر مثبت میگذارد.از مهمترین متغیرهایی که بر خواص بتن با الیاف فولادی اثر میگذراند میتوان به خواص ماتریس بتن بازدهی الیاف و مقدار الیاف اشاره کرد.تکنولوژی بتن پرمقاومت توسعه ای جدید در صنعت ساخت سازه های بتنی محسوب میشود. در بتن سخت شده مقاومت و دوام دو عامل اصلی بوده وهر چه مقاومت فشاری بتن بیشتر می شود بتن تردتر شده ودر نتیجه مقاومت کششی آن به نسبت افزایش مقاومت فشاری افزایش نمی یابد و نیز از تحمل کرنش پایینتر برخوردار است. بدین دلیل نیاز به استفاده از الیاف در بتن پرمقاومت کاملا مشهود است جهت افزایش مقاومت کششی و جلوگیری از گسترش ترک و بویژه افزایش نرمی از الیاف در بتن استفاده میشود. مقدار افزایش با تغییر این مقاومت ها بستگی به مقاومت بتن بدون الیاف شکل الیاف ودرصد الیاف داردبتن پرمقاومت شامل الیاف فولادی، ترکیبی است از سیمان، مصالح سنگی، آب، فوق روان کننده، دوده سیلیس وهمچنین درصدی از الیاف فولادی که بطور درهم و کاملا اتفاقی ودر جهات مختلف در مخلوط پراکنده شده است. وجود الیاف فولادی مشخصات مکانیکی بتن را نسبت به حالت بهبود میبخشد. بتن پرمقاومت یک ماده ترد وشکننده است در حالیکه افزودن الیاف فولادی به بتن پرمقاومت سبب بهبود رفتار ترد بتن وتغییرمد شکست آن میگردد. مزایای بتن الیافی در مقایسه با بتن بدون الیاف را می توان بطور خلاصه بشرح ذیل بیان داشت:
1 .مقاومت در مقابل تورق وسایش
2 .مقاومت در مقابل تنش های خستگی
3 مقاومت عالی در مقابل ضربه
.4 قابلیت کششی وظرفیت زیاد تغییر شکل نسبی
.5 قابلیت باربری بعد از ترک خوردگی
.6 افزایش در میزان جذب انرژی
قابلیت انعطافی که بتن الیافی دارد همانند خواص مواد پلاستیکی باعث می شود که بتن الیافی گسیختگی ناگهانی نداشته باشد. از آنجا که الیاف فولادی در جسم بتن در همه جهات پراکنده می شود در صورت تشکیل یک ترک در جهات مختلف الیاف اتصالاتی را بوجود آورده و از گسترش ترک جلوگیری می نماید. بنابراین رشته های الیاف بطور فعال در محدود کردن عرض ترک وارد عمل شده و با تشکیل ریز ترکهای زیاد قابلیت بهره برداری بتن را افزایش می دهند.
امزوزه کاربرد بتن با نرمی بالاتر که بتواند تغییر شکل های زیاد را بدون شکست تحمل نماید، مورد توجه قرار گرفته است. تحقیقات در خصوص تأمین نرمی لازم در بتن با الیاف های مختلف و حتی حذف آرماتور در حال انجام می باشد. هدف از کاربرد الیاف در بتن افزایش مقاومت کششی، کنترل گسترش ترک ها و افزایش طاقت بتن می باشد تا قطعه بتنی بتواند در مقابل بارهای وارده در یک مقطع ترک خورده تغییر شکل های زیادی را پس از نقطه حداکثر تنش تحمل نماید .
بتن با الیاف مختلف در سال های اخیر در سازه های عمده ای چون رو سازی راهها و فرودگاه ها، پی های عظیم با تغییر شکل های زیاد و به ویژه در پوشش بتنی تونل ها به کار رفته است. در ساخت پوشش تونل ها بتن الیافی با پاشیدن بر جداره شکل می پذیرد. در حال حاضر برای حذف ترک ها در پوشش تونل هایی که به صورت چند تکه پیش ساخته اجرا می شود از بتن بدون آرماتور و تنها الیاف استفاده شده و این نوع بتن سبب حذف ترک ها در حین عمل آوری و حمل و نقل قطعات و نصب آنها برای کامل کردن مقطع تونل های مترو شده است .
در نوع بسیار جدید بتن الیافی که می توان با آن به حداکثر نرمی در بتن رسید از روش ریختن دوغاب روی الیاف استفاده می شود . در این روش ابتدا الیاف ریخته شده و سپس فضای بین آنها با ملات دوغابی پر می شود. میزان الیاف در این بتن حدود 10 در صد می باشد که حدود 10برابر میزان الیاف در بتن های الیافی متداول است. با این مصالح لایه های محافظی بدون ترک و تقریبا غیر قابل نفوذ می توان ایجاد نمود. به علت نرمی زیاد این قطعات ظرفیت تغییر شکل پذیری این قطعات به میزان ظرفیت دال های فولادی می رسد . مقاومت فشاری این نوع بتن حدود 110-85 مگا پاسکال و مقاومت خمشی حدود 45-35 N/m می باشد. از این قطعات می توان نه تنها به عنوان لایه های محافظ کوچک استفاده نمود بلکه در باندهای فرودگاه در برابر ضربات عملکرد خوبی نشان می دهند. در کارهای تعمیراتی دال ها می توان از آنها به عنوان لایه روی بتن قدیم و بدون درز و در زمان کوتاهی استفاده نمود.
انواع الیاف و الیاف فولادی :
انواع الیافی که در بتن استفاده می شود و در اشکال و اندازه های مختلفی تولید می شود عبارتند از الیاف شیشه ای ، الیاف پلاستیکی و الیاف فولادی . پارامتر مناسب که یک رشته از الیاف را تعریف می کند نسبت ظاهری می باشد که نسبت طول الیاف به قطر معادل الیاف است. مقدار نسبت های ظاهری (l/d ) معمولاٌ بین 30 تا 100 است . در این تحقیق الیاف فولادی با نسبت(l/d ) برابر 80 و 100 استفاده گردید.
مکانیزم عملکرد الیاف در بتن:
بطور کلی برای کاربرد در سازه الیاف فولادی می توانند نقش مکملی برای میلگرد داشته باشند.الیاف فولادی با پخش ترکها مقابله می کنند و مقاومت بتن را در برابر خستگی ضربه جمع شدگی وتنشهای حرارتی افزایش می دهند.
الیاف فولادی می توانند در همه مدهای شکست روی خواص مکانیکی بتن تاثیر بگذارند.
مکانیزم تقویت را می توان بصورت زیر توجیه کرد:
تنشها بوسیله برش محیطی ودر صورتیکه رویه الیاف آجدار باشد بوسیله مقاومت چسبندگی (درون سطحی) از ماتریس به الیاف منتقل می شود. بنابراین مادامی که ماتریس بتن ترک نخورده است،تنش کششی بین الیاف و ماتریس تقسیم می شود. پس از ایجاد ترک، همه تنش به الیاف انتقال می یابد.
مهمترین متغیرهایی که بر خواص بتن با الیاف فولادی اثر می گذارند عبارتند از:
خواص ماتریس بتن ، بازدهی الیاف و مقدار الیاف . بازدهی الیاف بوسیله مقاومت الیاف در برابر بیرون کشیده شدن از مخلوط کنترل می شود این مقاومت به چسبندگی بین الیاف و ماتریس بستگی دارد .برای الیاف با مقطع ثابت این مقاومت با افزایش طول ،افزایش می یابد .بنابراین هر قدر طول بیشتر باشد اثر آنها در بهبود خواص ماتریس بیشتر خواهد بود چون مقاومت در برابر بیرون کشیده شدن متناسب با سطح مقطع دو جسم می باشد .
معمولا الیاف با سطح مقطع گرد و قطر کوچک بیشتر از الیاف با سطح مقطع گرد و قطر بزرگتر بازدهی دارند. این امر به این خاطر است که الیاف دسته اول سطح بیشتری در واحد حجم دارا می باشند بنابراین هر چه سطح تماس الیاف بیشتر باشد ( قطر آنها کوچکتر باشد) بازده چسبندگی آنها بیشتر خواهد بود بنابراین روشن می شود که نسبت طول به قطر الیاف باید به اندازه ای بزرگ باشد که در هنگام شکست ماتریس ، الیاف به حداکثر مقاومت کششی خود نزدیک باشند، با این وجود در عمل این کار معمولا ممکن نیست .
بسیاری از محققین نشان داده اند در صورتیکه از روشهای عادی اختلاط استفاده شود الیاف با نسبت طول به قطر بیشتر از100 باعث کم شدن کارایی بتن به مقدار قابل ملاحظه ای می شوند و یا بطور ناهمگون در بتن توزیع می گردند.
دالها:
بیشترین کاربردهای بتن مسلح به الیاف بویژه الیاف فولادی تاکنون در دالها , عرشه پلها , کف سازی فرودگاهها , پارکینگها و محیطهای در معرفی کاویتاسیون و فرسایش بوده است . در پل سازی مهمترین کاربرد ان در سطوحی بوده که در معرض خوردگی و فرسایش قرار دارند .
دالهای روی بستر:
در مورد دالهاى روى بستر , نمونه هایی که خوب بررسی شده باشند اندک هستند. اما در جاهایی که دال بتنی مسلح به الیاف فولادی تحت تاشیر عبور و مرور اتوبوسهای سنگین قرار دارد , مشخص شده است که این نوع دال , با ضخامتی در محدود 60 تا 75 درصد دالهاى غیرمسلح , عملکردی مشابه آنها دارند با استفاده از این نوع بتن , پوشش باند فرودگاهها را میتوان به نحو قابل ملامحظه اى ( 20 تا 60 درصد) نازکتر از پوششهای بتنی غیر مسلح مشابه اجرا کرد. خستگی خمشی عامل مهمی است که بر عملکرد کفسازى اثر می گذارد , اطلاعات موجود نشان میدهد که الیاف , مقاومت بتن را در برابر خستگی به نحو قابل ملاحظه ای افزایش می دهند .
دالهای سازه ای سقفها:
براى دالهای کوچک , براساس نظریه خط سیلان , یک روش طراحی ارایه شده است که بر نتایج حامل از ازمایش دالهاى دو طرفه بتنى متکى است . ولی برون یابی نتایج کار و اعمال انها بر دالهای بزرگتر , به شدت نهى شده است .
عرشه پلها:
استفاده از نمکهای یخ زدا موجب از بین رفتن عرشه پلها می شود. بتن الیافی گرچه نمی تواند مانع از نفوذ این نمکها شود ولی با محدود نگاه داشتن تعداد و عرض ترکها میتوان از گسترش دامنه این انهدام جلوگیری کرد .
تیرها :
خمش در تیرها
در این زمینه , هم براى تیرهایی که تنها به الیاف مسلح شده اند و هم در مورد تیرهایی که از ترکیب الیاف و آرماتور در آنها استفاده شده , فرمولها و معادلاتی ارائه گردیده است . در مورد تیرهای که فقط به الیاف مسلح باشند , معادلات مذکور ارزش عملی چندانی ندارند و تنها در مورد تیرهای کوچک(10×10×35)سانتیمتری و اعضای فرعی سازه ها کاربرد دارند .ولی در زمینه تیرهای مسلح به ترکیب الیاف و آرماتور معادلات , طرح شده با توجه به استفاده از مقاومت کششی افزایش یافته بتن که به کمک آرماتور کششی می آید , قادرند مدل مناسبی از تیر به دست دهند. از جمله این معادلات , روابط پشنهادی است که مشابه معادلات روش طراحی بر اساس مقاومت نهایی ACI است .
ملاحظات مربوط به خستگی خمشی
تحقیقات اخیر نشان می دهد که افزودن الیاف به تیرهای بتنی مسلح به میلگرد عمر خستگی را و تغییر مکانها و عرض ترکها را کاهش می دهد. بر اساس این تحقیقات نتیجه گرفته می شود که اثر مفید الیاف با افزایش میزان میلگردها کاهش می یابد.
اتصالات تیر - ستون
مطالعات اخیر روی اتصالات تیر- ستون مقاوم در برابر زلزله با استفاده از الیاف فولادی به جای بخشی از میلگردهای حلقوی , حاکی از بهبود قابل ملاحظه مقاومت , نرمی و جذب انرژی اتصال است .
برش در تیرها
داده های آزمایشگاهی زیادی که در دست هستند نشان میدهند که الیاف اساساً ظرفیت برشی (مقاومت کششی قطری) تیرهای بتنی را افزایش می دهند. به کار بردن الیاف به جای خاموتهای قائم یا میل گردهای خم شده یا برای کمک به آنها مزایای چندی را ایجاد می کند که عبارتند از :
الف - الیاف در حجم بتن به طور یکنواخت توزیع شده و خیلی بیشتر از میلگرد های تقویتی برشی به یکدیگر نزدیک هستند .
ب - مقاومت کششی در نخستین ترک و مقاومت کششی نهایی هر دو توسط الیاف افزایش می یابند .
ج - مقاومت برشی اصطکاکی افزایش می یابد .
با استفاده از الیاف دارای انتهای آجدار می توان از انهدام فاجعه آمیز تیرهای بتنی در اثر کشش قطری جلوگیری کرد. برخی از پژوهشگران تحلیل هایی ارائه داده اند که نشان می دهد الیاف می توانند از لحاظ اقتصادی جایگزین خاموتها شوند الیاف دارای انتهای چین خورده می توانند به افزایشی چشمگیر در مقاومت برشی منجر شود . در برخی آزمایشها این افزایش حتی به 100 درصد بالغ گردیده است .
اخیرا بر اساس نتایج آزمایشگاهی روی 7 تیر دارای الیاف که چهار تیر آن خاموت هم داشته اند معادله زیر جهت برآورد Vcf پیشنهاد شده است .
Vcf=2/3Ft0.25(d/a)
Ft مقاومت کششی بتن است که از نتایج کشش مستقیم استوانه هاى 6×12 اینچی (15×30 سانتیمتری) به دست می اید. .
( d/a )نسبت عمق مؤثر به دهانه برشی است . اثرات انواع مختلف الیاف از طریق پارامتر Ft در معادله بررسی می شود. روش طراحی پیشنهاد شده همان طریقACI 318 را در مورد محاسبه سهم خاموت در ظرفیت برشی دنبال می کند که به آن نیروی مقاوم بتن نیز که بر اساس تنش برش معادله بالا محاسبه می شود اضافه میگردد .
برش در دالها
مطالعات اخیر نشان داده اند که با افزودن الیاف فولادی قلابدار به ارماتور در دالهای بتنی مسلح ,مقاومت برشی انها بسته به درصد الیاف تا 42 درصد افزایش یابد .
شات کریت
شات کریت (بتن پاششى) دارای الیاف فولادی در ساختن سازه های گنبدی شکل , پوشش دادن , پایداری سنگریزه ها , تعمیر بتن فرسوده و غیره به کار می رود. طرح سازه ها به همان طریق سازه های مرسوم مورت می گیرد , فقط مشخصات بهبود یافته فشاری , برشی و کششی بتن الیافی در محاسبات وارد میشوند .
فرسایش در اثر کاویتاسیون
بتن مسلح به الیاف فولادی براى تعمیر آبروهای خروجی , حوضچه های ارامش سرریزها و قسمتهای دیگر بعضی از سدها به کار رفته است . در هر مورد از زمان تعمیر تاکنون , با وجود ارتفاع زیاد این سدها و شگرف بودن قدرت آب خروجی بتن الیافی به بهترین نحو پایداری کرده است .
کاربردهای دیگر
بتن مسلح به الیاف و بویژه فولادی در بسیاری از جاهای دیگر نیز به کار رفته که روشهای طراحی خاص و روشنی نداشته اند. به طور مثال این موارد شامل : پیاده روها , حفاظت خاکریزها , پی ماشین الات , پوشش آدم روها , سدها , پوشش نهرها , تانکهای ذخیره مواد و اعضای پیش ساخته نازک می شود. مسلما با گذشت زمان و انجام تحقیقات بیشتر و کاملتر , موارد استفاده از این نوع بتن متنوع تر و کاربرد آن نیز رایج تر خواهد شد .
استفاده و کاربرد بتن الیافی در ایران
بر اساس مطالب یاد شده بتن الیافی با مزایای ویژه خود می تواند کاربردهای وسیعی داشته باشد , لیکن جهت به کار گیری آن در ایران لازم است که دو نکته اساسی در نظر باشد .
نکته اول :
لازم است که حداقل مقاومتی براى بتن در کلیه سازه های بتنی اعمال شود , که این خود در کیفیت بتن , بدون واردکردن هیچ گونه الیافی نقش موثر دارد. بدین معنی که باید اول کیفیت بتن بدون الیاف را ارتقا دهیم .
نکته دوم :
نظر به اینکه باید از پدیده «گلوله شدن» در بتن الیافی جلوگیری نمایید , لذا لازم است نحوه صحیح مخلوط کردن الیاف با بتن و همچنین استفاده از روان ساز بتنجهت افزایش کارایى فراهم آورید . لازم است به این صنعت جدید با کاربردهای فراوان , توجه بیشتری معطوف شود و الیاف مختلف اعم از مصنوعی مثل الیاف پلی پروپیلن و فولادی , به شکل مطلوب و با کیفیت مناسب ساخته شوند. سرمایه گذاری جهت ساخت الیاف و اینکه صنعت پتروشیمی به ساخت الیاف پلی پروپیلن و صنعت فولاد به ساخت الیاف فولادی مبادرت ورزند, میتواند راه گشا باشد.
تکنولوژی بتن الیافی نمونه دیگری از کاربرد کامپوزیت ها به عنوان یک فن آوری نوین در صنعت ساخت و ساز می باشد. بدین منظور مطلب حاضر سعی در معرفی این تکنولوژی خواهد داشت.
از جمله مواد جدیدی که جایگاه ویژه ای در ساخت و ساز به خود اختصاص داده، افزودنیهای بتن و الیاف تقویت کننده می باشد. استفاده از افزودنی های بتن باعث بهبود خواص مطلوب بتن، همچون مقاومت آن می گردد و در بعضی موارد با کاهش وزن بتن، مصالح بسیار سبکی را فرا راه مهندسین بنا قرار می دهد. بدون بهره گیری از این افزودنی ها بنای برج بزرگ میلاد در شهر تهران امکان پذیر نمی بود. الیاف تقویت کننده نیز از دیگر مواد عصر حاضر هستند که کاربرد های فراوانی در قسمت های مختلف ساختمان یافته اند. این الیاف که بیشتر شامل الیاف شیشه، پلی پروپیلن و گاه کربن نیز می شود، در ساخت انواع بتن های الیافی کاربرد فراوان دارد. همچنین از الیاف شیشه می توان در تولید آرماتورهای سبک و بسیار مقاوم در برابر خوردگی بهره برد. ا
