بتن الیافی (FRC) چیست؟
معرفی الیاف مختلف برای مصرف در بتن، مزایا و روش های ساخت و اجرای بتن الیافی
تعریف پایه ای الیاف
الیاف مورد استفاده در بتن الیافی، یک ماده است که توسط ویژگی هایی مانند انعطاف پذیری، میزان لطافت و نرمی و نسبت بالای طول به قطر (ضخامت) شناخته می شود. از آن جایی که الیاف بتن دارای نسبت زیاد سطح به حجمش می باشد، مواد بسیار قدرتمند و قوی ای محسوب می شوند.
طبقه بندی الیاف
با توجه به نوع پدید آمدن الیاف، آن ها را به دو دسته الیاف طبیعی (natural fibers) وقتی به آن شکل به طور طبیعی درآمده اند، و الیاف مصنوعی-ساخت بشر (man-made fibers) وقتی که در طبیعت به شکل الیاف نیستند، طبقه بندی می کنند.
البته الیاف ساخت دست بشر را نیز وقتی از پلیمرهای طبیعی گرفته شده باشند، الیاف پلیمری طبیعی (natural polymer fibers)، و اگر از پلیمرهای مصنوعی گرفته شده باشند، الیاف مصنوعی (synthetic fibers) می گویند.
معمولا الیاف با عملکرد بالا از جنس الیاف مصنوعی هستند که برای کاربردهای خاصی مهندسی و تولید می شوند و در مشخصه هایی مانند مقاومت کششی بالا، سختی، مقاومت حرارتی و یا مقاومت در محیط های خاص برجسته می باشند. این نوع از الیاف معمولا مدول و سختی بسیار بیشتری نسبت به مابقی الیاف دارند.
الیاف طبیعی
الیاف طبیعی سنتی مانند نخ، پشم و ابریشم دارای مدول هایی در رنج 3-7.5 GPa می باشند. اگرچه الیافی همچون کتان، کنف و الیاف برخی گیاهان دارای سختی و مقاومت بیشتری می باشند. میزان استفاده و مفید بودن الیاف طبیعی برای استفاده در مهندسی عمران وابسته به خواص مکانیکی و عملکرد آن ها می باشد.
الیاف پلیمری طبیعی
در ابتدا ابریشم مصنوعی و استات که اولین نوع احیاشده الیاف سلولزی بودند، سختی حدود 0.3 GPa از خود نشان داد. در نهایت با پیشرفت و توسعه در تولید الیاف سلولزی، الیاف دیگری با نام بوسل (Bocell) با مدول حدود 45 GPa یک مقاومت بالا را ارائه کرد.
الیاف مصنوعی
اولین نوع الیاف مصنوعی پلی آمید (Polyamide) بود که عموما به عنوان نایلون (Nylon) شناخته می شود. که از سال 1938 میلادی وارد بازار شد و به صورت کاربردی استفاده شد. مدول این الیاف در حدود 3.75 GPa بود. الیاف دیگری که در اوایل تولید شد، الیاف پلی استر (Polyester) بود که سختی ای مشابه نایلون ولی مدول بالاتر و در حدود 15 GPa داشت.
الیاف دیگری که با استقبال خوبی در کاربردهای فنی مواجه شد، الیاف پلی پروپیلن (Polypropylene) بود. این الیاف داری وزن مخصوص 0.91 و مدول حدود 10 GPa است.
نسل جدیدی از الیاف با عملکرد بالا در دنیا در نیمه دوم قرن بیستم معرفی شدند که در مقایسه با الیاف قبلی دارای تغییرات محسوسی در مقاومت و سختی بودند.
با توسعه و پیشرفت در دهه 60 میلادی، محققان شرکت دوپونت در امریکا موفق به تولید الیافی از جنس آرامید شدند که مدول 120 گیگاپاسکالی داشت و با توسعه آن به الیاف آرامیدی با مدول بیش از 225 GPa دست یافتند. دیگر مزایای الیاف آرامید عبارتند از: مقاومت در برابر شعله و آتش، ضریب هدایت الکتریکی پایین، مقاومت شیمیایی بالا، پایداری ابعادی عالی، جمع شدگی حرارتی کم، جذب انرژی بالا و مقاومت در برابر بریده شدن بالا.
اولین الیاف کربن با مقاومت بالا در انگلستان برای کاربردهای هواپیمایی گسترش پیدا کرد که دارای مدول بیش از 600 GPa بود. اصولا الیاف کربن برای کاربردهای نیازمند مقاومت و سختی زیاد مهندسی و تولید شده است.
خصوصیات فیزیکی انواع الیاف پر کاربرد در صنعت به صورت جدول زیر است :
نوع الیاف |
وزن مخصوص (gr/cm3) | مقاومت کششی (MPa) |
پلی پروپیلن | 0.91 | 750-200 |
پلی اتیلن | 0.91-0.96 | 300-200 |
پلی اولفین (ماکرو) | 0.9-0.95 | 750-500 |
آرامید | 1.4 | 3000 |
شیشه E,AR | 2.4-2.7 | 2600-1000 |
اکریلیک | 1.1 | 400-200 |
کربن | 1.4 | 4000-1000 |
نایلن | 1.1 | 850-700 |
پلی استر | 1.4 | 850-750 |
بازالت | 2.5-2.7 | 990 |
سلولزی | 1-1.2 | 1000-500 |
پلی وینیل الکل (PVA) | 1.3 | 1600-900 |
فلزی | 7.85 | 3000-345 |
طبیعی (کنف/نیشکر/سیسال) | 0.65-1.1 | 800-100 |
در ادامه به صورت مختصر به معرفی انواع الیاف قابل مصرف در بتن می پردازیم:
الیاف پلی پروپیلن POLYPROPYLENE
الیاف پلی پروپیلن (PP) یک پلیمر ترموپلاستیک است که ممکن است در انواع و اقسام کاربردهای مختلف نساجی، صنعتی، عمرانی و … مصرف شود. از زمان معرفی شدن این محصول در دهه 1950 در صنعت نساجی، تاکنون به صورت وسیع و گسترده ای مصرف این الیاف به صورت موفقیت آمیزی در بازار های جهانی ادامه داشته است.
از متداول ترین الیاف های پلیمری الیاف پلی پروپیلن می باشد. بتن با مقاومت بالا دارای معایبی همچون شکنندگی و عدم مقاومت در برابر آتش سوزی می باشد. جهت رفع این نقیصه میتوان از الیاف پلی پروپیلن با توجه به خواص مطلوب و اقتصادی بودن آن استفاده کرد. استفاده از مقادیر معین از الیاف در مخلوط بتن بر خواص مکانیکی آن تاثیر نامطلوب نخواهد داشت. الیاف پلی پروپیلن براستحکام فشاری و مقاومت حرارتی بتن تاثیر میگذارد. از جمله محاسن بتن های مسلح(الیافی) ودارای مقاومت بالا، بهبود خواص مکانیکی و کاهش نفوذپذیری ،مقاومت شیمیایی بالا در برابر عوامل مخرب و مقاومت در برابر ضربه های مکانیکی شدید می باشد. در کنار محاسن یاد شده، شکنندگی و مقاومت کم در برابر حرارت و آتش از معایب بارز این گونه بتنها محسوب می شود.از آنجایی که مقاومت و نرمی، دارای نسبت عکس می باشند، بتنهای با استحکام بالا از بتن های معمولی شکننده ترند
الیاف پلی پروپیلن دچار خوردگی نمی شود و در محیط های قلیایی 100% مقاوم و سازگار با بتن می باشد و در کلیه پروژه های اجرای بتن و یا در ملات به منظور کاهش جمع شدگی های پلاستیک و اولیه و رفع ترک خوردگی های ناشی از آن کاربرد دارد.
الیاف پلی استر Polyester یا PET
پس از اینکه الیاف پلی پروپیلن به صورت گسترده و موفقیت آمیزی در بتن استفاده شد، الیاف پلی استر یا PET یکی از مواد توسعه یافته ای می باشد که در سال های اخیر مطرح شده. این الیاف به دلیل قیمت کمتر نسبت به پلی پروپیلن طرفدارانی پیدا کرده اما مقدار مصرف بیشتری دارد و به دلیل داشتن جذب آب به عنوان گزینه برتر برای مصرف در بتن معرفی نمی شود. این الیاف دارای مقاومت کششی بسیار بالا می باشد، علاوه بر این پلی استر دارای مقاومت در برابر حرارت خوبی می باشد. بنابراین می تواند در آسفالت نیز برای مسلح کردن آن در برابر ترک خوردکی مصرف شود.
الیاف بازالت Basalt
الیاف بازالت محصولی ساخته شده از رشته های بسیار نازک لیف بازالت است که مرکبی از مواد معدنی، پیروکسین و الیوین می باشد. این الیاف شبیه به الیاف کربن و الیاف شیشه است، با این تفاوت که خواص فیزیکی و مکانیکی بهتری نسبت به الیاف شیشه دارد و از الیاف کربن ارزان قیمت تر است. به دلیل مقاومت در برابر حرارت خوبی که دارد به صورت گسترده ای در ضد آتش کردن قطعات هوا و فضا و در صنعت خودروسازی نیز مصرف می شود. در صنعت راه و ساختمان نیز می تواند در مسلح کردن بتن و آسفالت مزایای زیادی داشته باشد.
الیاف PAN (Polyacrylonitrile)
الیاف PAN یکی از انواع الیاف مصنوعی مسلح کننده برای آسفالت است که در روسازی های آسفالتی کاربرد دارد. این الیاف ویژگی های خوبی دارد از جمله مقاومت کششی بالا، قابلیت جذب روغن (قیر) خوب، تحمل حرارت بالا، مقاومت در برابر خوردگی و تورم، پایداری شیمیایی مناسب و …
الیاف پن می تواند در ساختار سنگدانه های آسفالت به عنوان عامل پایدار کننده و نگه دارنده آن ها در کنار هم در برابر بارهای وارده عمل نماید و همچنین نقش بسیار زیادی در افزایش مقاومت مکانیکی آسفالت و کمک به افزایش طول عمر آن ایفا نماید.
الیاف آرامید ARAMID
الیاف آرامید یک الیاف با مقاومت بالا می باشد که در صنعت عمران برای مسلح و تقویت کردن آسفالت و در مواقعی بتن طراحی شده است. علاوه بر کنترل ترک های گرمایی، انعکاسی و خستگی و همچنین شیار افتادگی، باعث کاهش هزینه ها نیز می شود چراکه ضخامت روسازی با استفاده از آن کاهش یافته و طول عمر آسفالت افزایش می یابد، که همین عامل باعث کاهش هزینه های هنگفت تعمیر و نگهداری نیز می گردد. آرامید برای سه بعدی مسلح کردن همه مخلوط های آسفالتی طراحی شده است و یک راه حل مقرون به صرفه برای افزایش دوام و طول عمر روسازی های مختلف در همه کاربردها می شود. الیاف آرامید ممکن است در روکش ها، سطح و یا اساس و جنبه های مختلف روسازی های آسفالتی استفاده شود. محل هایی که به صورت ویژه می توان از آن استفاده کرد شامل خیابان ها، جاده ها، بزرگراه ها، فرودگاه ها، پارکینگ های تجاری و صنعتی و راه های فرعی و محلی می شود.
الیاف شیشه Glass
توصیف کلی
این الیاف متشکل از رشته های بسیار نازک تک رشته ای است که باعث ایجاد یک سیستم بتن مسلح با کارایی و کیفیت بسیار بالا می شود. الياف شيشه استحكام و سختي مناسبي دارد، خواص مكانيكي خود را در دماهاي بالا حفظ ميكند، مقاومت رطوبت و خوردگي مناسبي دارد و نسبتاَ ارزان است. الیاف شیشه دارای انواع مختلفی مانند E, S, C, R, AR,… می باشد.
این الیاف باعث کاهش جمع شدگی بتن تازه و افزایش مقاومت بتن در برابر ایجاد ترک های تصادفی در ساعات اولیه ناشی از جمع شدگی پلاستیک می شود. این رشته ها، بوسیله تشکیل یک شبکه منسجم الیاف باعث ایجاد دوام طولانی مدت و افزایش قابلیت کنترل ترک های ثانویه یا حرارتی در بتن می شود.
الیاف AR-Glass از نوع مقاوم در برابر محیط قلیایی می باشد و با انواع معمولی الیاف شیشه که در محیط های قلیایی مقاومت مناسبی ندارند، تفاوت زیادی در مقاومت و پایداری در محیط قلیایی دارد.
الیاف فولادی STEEL
الیاف فولادی به علت دارا بودن مقاومت کششی بالا هنگام مخلوط شدن با بتن، به خوبی پخش شده و خواص مکانیکی آن را بهبود می بخشند و به فرم های متفاوتی تولید می شود. یکی از خواص مهم این الیاف افزایش مقاومت های مکانیکی و جذب انرژی بتن می باشد. تاثیر قابل ملاحظه ای که این الیاف بر روی بتن دارد این است که مقاومت پس از ایجاد ترک اولیه در بتن را افزایش داده و باعث تاخیر در گسترش ترک خوردگی ها می شود. با افزودن الیاف به بتن خاصیت شکنندگی بتن کاهش پیدا کرده، در نتیجه قابلیت تحمل آن را در برابر استفاده های مکرر، شوک، ضربه و سایش افزایش میدهد.
ویژگی های اصلی الیاف
ویژگیهایی که باعث منحصربفردکردن و تمایز یک الیاف نسبت به الیاف دیگر میشود شامل موادی معروف به اصول چهارگانه C میباشد که عبارتند از:
الف- پیکربندی و شکل الیاف ب- مواد اولیه سازنده الیاف ج- تعداد رشتههای الیاف موجود در حجم بتن د- طول و قطر الیاف
الف- پیکر بندی و شکل – Configuration
شکل الیاف یکی از اساسیترین و مهمترین جنبههای هر نوع الیاف میباشد. الیاف تک رشته ای که دارای قطر بسیار نازکی میباشند و به شکل دوار مانندی هستند، همانند الیاف سنگین تر و بدشکل در بتن نامتقارنی ایجاد نمیکنند. از الیاف تک رشته ای عادی نمیتوان انتظار داشت که به عنوان یک جایگزین برای باربری و آرماتور سازه ای عمل کنند، اما میتوانند منجر به کاهش ترکهای ناشی از جمع شدگی شوند و در لبهها و کنارههای کار از خوردگی محافظت کنند. الیاف با تارهای به شکل شبکه دارای مقاومت بسیار بیشتری میباشند و در نتیجه، توانایی خود را در کنترل جمع شدگی ناشی از سخت شدن بتن ثابت کردهاند. برای به حداکثر رساندن مقاومت بتن پس از ایجاد ترک، در برخی موارد ترکیبی از الیاف تک رشته ای و شبکه ای به طور همزمان نتایج بسیار مثبتی ایجاد می کند.
ب- شیمی (مواد اولیه) – Chemistry
اگر از الیاف انتظار داشته باشیم که در محیطهای تهاجمی قلیایی بتن مقاوم باشد، آنگاه مواد شیمیایی تشکیل دهنده الیاف بسیار مهم و حائز اهمیت میباشند. در این بین لازم است کاربرد برخی الیاف مصنوعی که دوام و مقاومت خوبی در محیط های قلیایی ندارند با تامل بیشتری انجام شود.
ج- تعداد رشتههای الیاف موجود در حجم بتن – Content
با توجه به مقدار طول و قطر هر الیاف، نسبت طول به قطر آن یا Aspect ratio تعیین می گردد که اگر الیاف دارای مقاومت حداقل استاندارد باشد، آنگاه الیاف با نسبت طول به قطر بیشتر می تواند تعداد رشته تارهای بیشتری در حجم بتن پخش کند و عوامل کنترل کننده جمع شدگی بتن را بیشتر و مطمئن تر ایجاد کند.
د- طول مناسب – Correct Length
با هر رشته الیاف، طول باند بحرانی -که حداکثر طول پوشش دهنده الیاف در دو طرف از یک ترک بالقوه است- برای عملکرد بلند مدت در بتن بسیار حائز اهمیت میباشد. بدیهی است که الیاف طویلتر بهتر میتوانند نسبت به الیاف کوتاه که تسلط خود را زود از دست میدهند، درون مخلوط بتن بافته و قفل شوند. البته طول الیاف تا مقدار مشخصی می تواند بلند باشد چون ممکن است از آن بیشتر دچار مشکل گلوله ای شدن در بتن هنگام اختلاط شود. مطابق گزارش های انجمن بتن امریکا مقدار طول ماکزیمم الیاف نباید از 64 میلیمتر تجاوز کند.
معرفی مزایای بتن الیافی
میلگردها (مش بندی) در کاربردهای مختلف مانند رویه های روی زمین و لاینینگ تونلها برای افزایش طاقت خمشی و کنترل ترکها مورد استفاده قرار میگیرند. هنگامی که بتن ترک میخورد، این مسلح کنندههای فولادی ترکها را محکم کنار هم نگه میدارند و از گسیختگی سازه یا عضو جلوگیری میکنند. با این حال مشکلات و معضلات زیادی وابسته به کاربرد میلگرد و الیافهای فلزی در جامعه مهندسی شناخته شده میباشد. اول از همه، آرماتور نیازمند قرارگیری دقیق در محل طراحی شده اش در بتن می باشد، موضوعی که اجرای آن بسیار سخت است و در صورت انجام بسیار زمان گیر. همچنین آرماتور تنها باعث مسلح کردن بتن در دو بعد میشود به دلیل اینکه در محلهای مشخص قرار گرفته است و هرگز در کل مخلوط بتن پخش نشده، از این رو با بیشتر شدن ضخامت بتن تاثیر آن در کنترل ترکها کمتر میشود. علاوه بر این نصب و اجرای آرماتور در محل مناسبش به یک چالش جدی تبدیل شده است. دوما حمل و انبار آرماتور در محل پروژه فضای زیادی را اشغال میکند، سوما معضل خوردگی در آرماتور باعث تاثیر منفی در ظاهر و دوام بتن میشود و از نظر مسائل اجرایی مثل بتن ریزی و ایجاد تراکم هم مشکلاتی ایجاد میکند. و در نهایت، مسلح کردن بتن با آرماتور و مصالح فلزی باعث کنترل ترکهای پلاستیک بتن نمیشود. تمامی مشکلات گفته شده ناشی از کاربرد میلگرد، با استفاده از الیاف پلیمری سازه ای حل خواهند شد. در حقیقت الیاف پلیمری در کل حجم بتن به صورت یکنواخت و همگن پخش میشوند و بتن را در سه بعد مسلح میکنند. دانستن اینکه الیاف پلیمری به دو بخش میکرو و ماکرو تقسیم میشوند مهم است زیرا هر کدام دارای مشخصات و ویژگیهای متفاوتی هستند. الیاف پلیمری میکرو حدود 35 سال پیش برای کاهش ترکهای پلاستیک ناشی از جمعشدگی در بتن معرفی شدند و تا کنون هم به صورت گسترده استفاده شده اند. گسترش بیشتر در سالهای اخیر در الیاف پلیمری منجر به تولید الیافپلیمری سازه ای (ماکرو) شد، که از حدود 15 سال پیش برای کنترل ترکهای بتن سخت شده و جایگزینی میلگرد و الیاف فولادی استفاده میشوند. محققین گزارش کرده اند که الیاف پلیمری سازه ای با جنس پلی پروپیلن باعث بهبود شکل پذیری خمشی، مقاومت فشار، طاقت، مقاومت کششی، مقاومت در برابر ورقه ای و پوسته ای شدن، مقاومت خمشی و دوام و طول عمر بتن میگردد. علاوه بر این ها، باعث کاهش جمع شدگیهای پلاستیک و بهبود نفوذپذیری بتن میشود و قادر است تا فشار بخار موجود در بتن که در اثر آتش سوزی در دماهای بالا ایجاد می شود را بوسیله منافذی که برای خروج بخار آب در اثر آب شدن الیاف در بتن ایجاد می شود، کاهش دهد و به این وسیله باعث کاهش معضل ورقه ای و پوسته ای شدن بتن در اثر آتش سوزی و جلوگیری از خرابی سازه و عضو شود.
کاربرد الیاف در بتن می تواند همه یا برخی از مزایای زیر را با توجه به نوع الیاف مصرفی به همراه داشته باشد:
- کاهش میزان جمع شدگی بتن تازه و سخت
- افزایش شکل پذیری، ضربه پذیری و سختی بتن
- افزایش مقاومت در برابر تنش های خستگی
- افزایش دوام و طول عمر بتن
- بهبود ویژگی های مکانیکی بتن (مقاومت کششی، خمشی و…)
- کنترل ترک های ثانویه/حرارتی بتن
- جلوگیری از گسترش ترک ها به عمق
- قابلیت بارپذیری پس از ایجاد ترک
- کاهش نفوذپذیری در مقابل یون های کلر و سولفات
طی چند سال سال اخیر نقش بتن الیافی (Fiber reinforced concrete) در هزینه ساخت بیش از پیش نمود داشت، چرا که افزایش ناگهانی و چندین برابری قیمت مصالح ساختمانی مانند سیمان، فولاد، شن و ماسه، انواع آهن آلات و دیگر مصالحی که در ساخت و سازها بیشترین مصرف را دارند، سازندگان پروژههای کوچک و بزرگ را با افزایش بیش از حد در هزینههای ساخت مسکن و زیربناهای عمرانی دیگر مواجه کرده است. از طرفی با توجه به مشکلات عدیده اقتصادی و درآمدی مردم و عدم تناسب افزایش درآمدها با افزایش قیمتها، قدرت خرید و هزینه کرد عموم مردم کاهش یافته است و همین امر باعث شده سازندگان نتوانند قیمتهای خود را متناسب با افزایش قیمت مصالح و دیگر خدمات تنظیم کنند. اینجاست که نقش بهره وری و به کارگیری روشهای نوین برای کاهش هزینههای ساخت و ساز و اجرای ساختمانها حرف اول و آخر را می زند. چرا که فناوری های نو می توانند علاوه بر افزایش سرعت اجرا، باعث کاهش هزینه های اجرایی و مصالح مصرفی و افزایش دوام سازه ها نیز شوند. از این رو شناخت و آشنایی با محصولات و روش های اجرایی به روز و جدید میتواند کمک زیادی به سرمایه گذاران و سازندگان پروژههای خصوصی و دولتی کند و آن ها را از رکود و گرفتاری در باتلاق افزایش قیمت ها و عدم توانایی خریداران و کاهش قدرت خرید آن ها نجات دهد چرا که نقش بتن الیافی در هزینه ساخت بسیار قابل توجه است. جهت دریافت مشاوره در این زمینه با همکاران ما در کانتک در ارتباط باشید.
مزایای الیاف ماکروسینتتیک نسبت به الیاف فلزی
- میزان مصرف حدود 10 برابر کمتر (با خواص مکانیکی مشابه)
- عدم نیاز به سیستم های توزین در کارخانه های تولید بتن
- امکان اضافه شدن به تراک میکسر در مکان بتن ریزی (توسط شخص کارفرما)
- عدم گلوله ای شدن و جمع شدن در بتن (بواسطه مصرف کمتر)
- قابل کاربرد در بتن های با ضخامت کم
- اجرای ساده تر و با کیفیت تر سطح پرداخت شده نهایی
- عدم کاهش روانی بتن به مقدار زیاد
- حذف احتمال خوردگی در محیط های مستعد خوردگی
- عدم ایجاد فرسایش و خرابی برای دستگاه های پمپاژ بتن
مقایسه هزینه های بتن الیافی و بتن معمولی یا مسلح
یکی از مزایای اصلی کاربرد الیاف در بتن به جای مش بندی به شمار میروند و در واقع الیاف جایگزین میلگرد میشوند و در کاربردهای مختلف مانند کفسازی و روسازی های بتنی، سقف های عرشه فولادی، قطعات پیش ساخته بتنی، شاتکریت و لاینینگ تونل ها بهره مندی از صرفه جویی های اقتصادی ای است که با حذف میلگرد بدست می آید. این علاوه بر مزایای فنی، دوامی، زمانی و ایمنی است که با مصرف الیاف مناسب می توان بدست آورد. برای مثال در کارهای کفسازی و روسازی بتنی که معمولا در مکان های صنعتی، انبارها، بنادر، راه های بتنی و پارکینگ ها کاربرد دارد، با حذف مش/میلگرد حرارتی و جایگزینی آن با الیاف با مقاومت و کیفیت بالا از جنس پلیمری مانند الیاف فورتا اصل می توان هزینه های اجرایی را بیش از 50 درصد کاهش داد. و یا در شاتکریت و لاینینگ تونل ها با حذف مش بندی هزینه ها تا 50 درصد کاهش می یابد در حالیکه سرعت و کیفیت اجرا نیز چندین برابر می شود. البته به شرط مصرف الیاف با کیفیت و با دوز مصرف درست و محاسبه شده.
نکات مهم در تولید و مصرف بتن الیافی در پروژه های اجرایی
بتن الیافی در سال های اخیر در دنیا و در داخل کشور طرفداران زیادی پیدا کرده که از دلایل آن می توان به دوام بیشتر، سهولت در اجرا و مصرف و ایجاد کاهش در هزینه های اجرایی و تعمیر و نگهداری اشاره کرد. به طورکلی از الیاف با انواع و جنس مختلفی می توان در بتن استفاده کرد که مشهورترین آن ها الیاف پلیمری با جنس پلی پروپیلن، پلی اولفین، الیاف کربن، الیاف بازالت، الیاف PVA و الیاف فولادی اشاره کرد. اما مصرف الیاف در بتن هم نیازمند رعایت الزاماتی است که اگر رعایت نشود ممکن است نتیجه مورد نظر و دلخواه کسب نشود، از این رو دانستن نحوه و روش مصرف الیاف پلیمری یا فولادی در بتن یک امر واجب برای مصرف کنندگان اعم از پیمانکاران و کارفرمایان است. البته ذکر این نکته ضروریست که خود الیاف و جنس و کیفیت آن هم تاثیر زیادی در عملکرد و نتیجه نهایی دارد.
برخی از موارد ساده ولی مهم که باید هنگام مصرف الیاف در بتن رعایت شود عبارتند از :
* اسلامپ بتن پیش از افزودن الیاف 6-8 سانتی متر باید باشد.
* با افزودن الیاف اسلامپ کاهش می یابد که باید از فوق روان کننده استاندارد برای جبران آن استفاده شود و از افزودن آب داخل تراک میکسر هنگام اجرا جدا خودداری شود.
* الیاف می تواند در کارخانه ساخت بتن و یا در محل پروژه در داخل تراک میکسر به بتن اضافه شود. در صورت اضافه کردن الیاف در تراک میکسر، باید 20% حجم بتن داخل تراک میکسر کمتر درنظر گرفته شود تا امکان اختلاط مناسب الیاف در داخل بتن در محل پروژه فراهم شود.
* الیاف به آرامی و به طور مثال هر 5 کیلوگرم در طول یک دقیقه به میکسر اضافه شود تا حجم زیادی از الیاف به یک باره وارد میکسر نشود.
* بعد از افزودن الیاف داخل میکسر، باید حداقل 5 دقیقه اختلاط میکسر با دور بالا ادامه پیدا کند. سپس روان کننده اضافه شود و در نهایت 5 الی 10 دقیقه مجددا با دور بالا اختلاط ادامه یابد.
* درصورت معطل شدن تراک میکسر برای تخلیه بتن در مواقعی که بیش از 15 دقیقه از اضافه کردن الیاف و روان کننده زمان گذشته بود، دور تراک میکسر را به حالت عادی بازگردانید.
جناب اقای مهندس حاجی زاده
با سلام و تشکر فراوان ازمقاله های علمی و فنی شما
متون فوق بسیار ارزنده و مثمر ثمر میباشد
درود بر روح متعالی جناب اقای دکتر رمضانیان پور استاد برجسته و متواضع و دانشمند تکنولوژی بتن در ایران که من و شما افتخار شاگردی ایشان را داشته ایم.
درود بر شما
جناب آقای مهندس ریحانی از اینکه فردی متخصص و متعهد چون شما اینطور ابراز محبت و لطف دارند مایه افتخار ماست. امیدوارم بیشتر بتوانیم از تجارب ارزشمند شما برای پیشبرد تکنولوژی های نوین در صنعت بتن استفاده نماییم.
سلام روز خوش. در مورد بتن الیافی تحقیق میکردم که به اف ماکروسینتتیک برخوردم. آیا ممکن است توضیح بفرمایید که الیاف ماکروسینتتیک چیست و انواع آن چه تفاوت هایی با هم دارند؟
بله حتماً. الیاف ماکروسینتتیک آخرین و به روزترین نوع تکنولوژی الیاف است که از سال 2000 میلادی به بعد تجاری سازی شده و در صنعت مصرف می شود. پیش از این، الیاف فولادی و الیاف میکروسینتتیک (پلی پروپیلن یا پ.پ) جایگاه خوبی در صنعت بتن داشتند، اما الیاف پلیمری ماکرو یا همان ماکروسینتتیک نسل جدید الیاف بود که مشکلات متعدد الیاف فولادی از جمله صعوبت مصرف و مشکل دوام را دیگر نداشت. الیاف ماکروسینتتیک نام درست این نوع محصول است اما در داخل کشور از الیاف سنتتیک یا پلاستیکی هم نام برده می شود که از لحاظ استاندارد و کیفیتی هیچ تشابهی با پارامترهای مقاومتی الیاف ماکروسینتتیک ندارند و تنها بعضی از آن ها از لحاظ ظاهری یعنی طول و قطر مطابق با استاندارد هستند ولی از لحاظ عملکردی تاثیر مثبتی ندارند یا با مقدار مصرف خیلی زیاد یعنی بیش از 8 کیلوگرم در مترمکعب اثربخش هستند که در موقع مصرف می بایست به این نکته توجه کرد. طول این نوع الیاف معمولا بین 4 تا 6 سانتی متر و قطر آن بین 0.3 تا 1 میلیمتر است. شکل ظاهری الیاف ماکرو می تواند به صورت های مختلفی چون تابیده، تک رشته ای موج دار، آجدار، سینوسی و … باشد.
مقدار مصرف آن برای کاربرد مشابه برای برندهای مختلف می تواند با توجه به تولیدکننده و مشخصات فنی الیاف ماکروسینتتیک کاملا متفاوت باشد، که تست های عملکردی و توصیه های تولیدکننده می تواند راهگشا باشد. به طور کلی از جمله الیاف بتنی است که برای جایگزینی میلگرد در کاربردهایی که امکان این امر باشد، مقدار مصرف الیاف بین 1 تا 9 کیلوگرم در هر مترمکعب بتن متغیر است.
در مورد الیاف فورتا که یکی از انواع الیاف ماکروسینتتیک است، مقدار مصرف بین 1 تا 3 کیلوگرم برای جایگزینی میلگرد معمولا توصیه می شود.
آیا امکان حذف کامل میلگرد در عضوهای سازه ای مانند تیر و ستون با الیاف فولادی یا ماکروسینتتیک هست؟
در حال حاضر گزارش هایی به منظور محاسبات سازه ای و ایجاد ظرفیت کششی که با استفاده از الیاف می توان به ظرفیت عضو اضافه کرد موجود است از جمله گزارش های فنی ای که انجمن بتن امریکا منتشر کرده است. چیزی که مشخص است در اعضای سازه ای می توان تا حدی میلگرد را کاهش داد و با الیاف جایگزین کرد، که همه این ها وابسته به کیفیت و عملکرد الیاف در تعیین مقدار مصرف آن دارد. اما در عضوها و شرایطی که میلگرد سازه ای نیست می توان به جای میلگرد استفاده کرد.
آیا استاندارد و آیین نامه ای وجود دارد که مطابق آن بتوان میلگرد غیرسازه ای (کنترل ترک) یا افت و حرارت را در سقف ها و کفسازی بتنی و … با الیاف ماکروسینتتیک جایگزین کرد؟
الف- مطابق دستورالعمل و راهنمای انجمن بتن امریکا (ACI360R-10) برای دال های بتنی روی زمین، و طبق بند 2-2-3 جایگزین میلگرد و مش حرارتی، الیاف فولادی و الیاف ماکروسینتتیک می باشد. متن آیین نامه به صورت زیر می باشد:
Slabs reinforcement can consist of bars, welded wire reinforcement sheets, steel fibers, or macrosynthetic fibers.
ب- مطابق استاندارد ملی امریکا زیرشاخه سقف عرشه فولادی (ANSI-SDI-C2011) و طبق بند 13.a سه روش برای کنترل ترک های ناشی از افت حرارت و جمع شدگی به صورت زیر مطرح شده است. البته عینا این بند در استاندارد ملی عرشه فولادی ایران نیز ترجمه و اشاره شده است:
– میلگرد های مسلح کننده و مش های حرارتی
– الیاف فولادی – در صورتی که مطابق مشخصات و ضوابط استانداردهای ASTM C1116, type I و ASTM A820, Type I, II, V باشد و حداقل 14.8 Kg/m3 مصرف شود و دارای تاییدیه مقاومت در برابر آتش سوزی باشد.
– الیاف ماکروسینتتیک – در صورتی که مطابق با مشخصات و ضوابط استانداردهایASTM C1116, Type III و ASTM D7508 باشد و حداقل 2.4 Kg/m3 مصرف شود و دارای تاییدیه مقاومت در برابر آتش سوزی باشد.
چه نکاتی را هنگام خرید الیاف باید رعایت کنیم تا بهترین گزینه را انتخاب کنیم؟ از فروشنده الیاف چه مدارک و مستنداتی بخواهیم تا بتوانیم کیفیت الیاف را بسنجیم؟
یکی از اشتباهات خریداران در زمان خرید الیاف برای مصرف در بتن (مخصوصا برای مصرف بجای میلگرد حرارتی)، ملاک قراردادن قیمت ارزان تر و یا ادعاهای بدون پشتوانه فروشنده ها می باشد. این امر فرصت انتخاب درست را از مصرف کننده می گیرد مگر اینکه مصرف کنندگان روش های ارزیابی و تشخیص و مقایسه الیاف ها با هم را بدانند.
اما در ابتدا بهتر است بدانیم هدف از جایگزینی میلگرد با الیاف ماکرو (پلیمری یا فولادی) چیست و ما با مصرف الیاف به دنبال تقویت کدام مولفه در بتن هستیم تا بتوانیم این پارامتر را مورد ارزیابی قرار دهیم.
بزرگترین و مهم ترین هدف از کاربرد الیاف جایگزین میلگرد در بتن، عملکرد سه بعدی آن در کل ضخامت و حجم بتن برای جلوگیری از گسترش ترک و حفظ باربری پس از ایجاد ترک می باشد. امری که در میلگرد به صورت دو بعدی و فقط در همان لایه ای که میلگرد قرار گرفته امکان پذیر می باشد.
بنابراین مهم ترین عاملی که الیاف ماکرو باید از خود نشان دهد، قدرت و توانایی باربری پس از ایجاد ترک یا افزایش مشخصه Average Residual Strength (ARS) بتن می باشد. یعنی پس از ترک اولیه (که قطعا به مرور زمان در بتن ایجاد خواهد شد)، الیاف چه مقدار توانایی با مقادیر مصرف مختلف تحت اعمال بارگذاری برای جلوگیری و حفظ عرض ترک خوردگی دارد. برای اندازه گیری این مشخصه استانداردهای مختلفی طراحی شد که آخرین و جدیدترین آن ها ASTM C1609 می باشد که به اختصار در ادامه توضیح داده می شود.
این استاندارد که روش به روز شده استاندارد C1018 می باشد و تفاوت چندانی هم با آن ندارد، به اندازه گیری مقاومت خمشی حداکثر نمونه بتن الیافی یا مقدار پیک آن و مقاومت پس از ایجاد ترک یا به عبارتی جذب انرژی بتن الیافی و بتن معمولی با رسم نمودار نیرو-تغییرمکان می پردازد. نمونه های تیر منشوری در این آزمایش معمولا با ابعاد 40×10×10 سانتی متر یا 50×15×15 سانتی متر می باشد.
مقدار جذب انرژی یا مقاومت پس از ایجاد ترک (ARS) برای مقادیر مصرف مختلف هر الیاف اندازه گیری می شود و در نهایت جدول نتایج ارائه می شود. دلیل اینکه از این تست کیفیت الیاف و مقدار مصرف آن تعیین می شود این است که در لحظه ای که ترک اولیه در این تست ایجاد می شود (که معمولا در تغییر مکان کمتر از 0.2 میلیمتر است)، تمام بار و تحمل مقاومت از این نقطه به بعد بر روی دوش الیاف می افتد که در این بازه باربری پس از ترک انجام می شود. بنابراین شکل، طول و جنس الیاف به همراه مقاومت کششی و میزان چسبندگی یا گیرداری الیاف با ماتریس بتن است که می تواند میزان تحمل الیاف در برابر گسترش ترک و بار اعمال شده را تعیین نماید، پس نتیجه این آزمایش می تواند عیار الیاف مختلف را مشخص و محک استانداردی برای مقایسه آن ها با هم باشد.
تست دیگری که در پروژه های تونل و سازه های زیرزمینی مثل شاتکریت و سگمنت ها مشخص کننده کیفیت و عملکرد واقعی الیاف های فولادی یا ماکروسینتتیک می باشد، تست پنل دایره ای است که مطابق استاندارد ASTM C1550 انجام می شود. در این تست بارگذاری از وسط یک پنل دایره ای با سه تکیه گاه انجام می شود و در نهایت بارگذاری برای اندازه گیری مقاومت الیاف در جلوگیری از گسترش ترک ها و جذب انرژی بتن تا تغییرمکان 40 میلیمتر ادامه پیدا می کند.
این دو آزمایش از اهمیت ویژه ای برای تعیین کیفیت الیاف ها و تعیین دوز مصرف آن ها برخوردار است و هر فروشنده الیافی می بایست نتایج معتبر و قابل پیگیری یکی از این دو استاندارد را برای محصول خود ارائه نماید تا مصرف کنندگان بتوانند محصولی که در نهایت هزینه کمتر و کیفیت بیشتری را ایجاد میکند تهیه کنند. یعنی الیافی با قیمت 200هزار تومان اگر یک کیلو مصرف شود، به صرفه تر است از الیاف 50هزار تومانی ای که با مصرف 10 کیلو بخواهد به آن کیفیت برسد.
آیا الیاف پلیمری مزیتی در بهبود عملکرد بتن در برابر آتش سوزی می تواند داشته باشد؟
طبق گزارش انجمن بتن امریکا در مورد تاثیر الیاف پلیمری بر دوام بتن (ACI 544.5R-10)، در هنگام آتش سوزی و با افزایش درجه حرارت به تدریج رشته های الیاف پخش شده در بتن ذوب شوند و با این اتفاق کانال های ریزی در بتن باقی می ماند و همچنین منافذی در سطح پدید می آید که از طریق آن ها فشار بخار درون بتن که بر اثر آتش سوزی در آن ایجاد شده خارج می شود و از گسیختگی های ناگهانی جلوگیری کرده و پوسته ای و ورقه ای شدن بتن را به شدت کاهش می دهد. همچنین خوشبختانه در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان در بند 9-9-3-2-5 استفاده از الیاف پلی پروپیلن برای جلوگیری از قلوه کن شدگی بتن در هنگام آتش سوزی الزام شده است اما متاسفانه تشخیص ضرورت آن به عهده کارفرما گذاشته شده است. کارفرمایی که بیشتر به فکر کم کردن هزینه ها است تا کیفیت.
این موضوع در گزارش فنی انجمن بتن امریکا بسیار تاثیرگذار و قابل تامل است و وظیفه همه ما است که تلاش خود را در به کارگیری الیاف پلی پروپیلن برای نجات جان انسان ها به کار گیریم.
«اضافه کردن الیاف باعث جلوگیری از گسیختگی در برابر آتش سوزی های شدید نخواهد شد، اما الیاف می تواند باعث افزایش زمان امن در هنگام آتش سوزی برای انجام اقدامات لازم شود. افزایش مدت زمان ایمن این اجازه را به اطفاء کنندگان حریق می دهد تا برای تخلیه ساختمان و خاموش کردن حریق در ایمنی و بدون خطر عمل نمایند».
مزایای کاربرد الیاف فورتا-فررو FORTA-FERRO در بتن چیست؟
الیاف فورتا-فررو یک برند تجاری است که به شکل ظاهری الیاف با فناوری رشته های تابیده و با استفاده از مواد اولیه خالص و فرمولاسیون منحصربفرد ساخته شده که باعث ایجاد اطمینان کامل برای پخش یکنواخت و در کمترین زمان ممکن در بتن می شود. پخش ساده و به طور یکنواخت یکی از مزایای اصلی الیاف مورد مصرف در بتن است. فورتا در بازار دنیا یک برند شناخته شده با مبدا امریکایی است که در پروژه های مختلف برای جایگزینی الیاف فولادی و میلگرد مصرف می شود. برای مثال در پروژه های کفسازی بتنی تا قطعات پیش ساخته و تونل. کاربرد الیاف فورتا باعث کاهش هزینه های اولیه (در مقایسه با میلگرد) و کاهش هزینه های اجرایی مانند نیروی کار و افزایش سرعت اجرا، و همچنین باعث افزایش دوام بتن و کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری می شود.
از مزایای اصلی و ویژه الیاف فورتا که باعث می شود بتوان آن را به جای میلگرد در برخی کاربردها مصرف کرد، افزایش طاقت خمشی یا مقاومت پس از ترک خوردگی اولیه در بتن است، که به خوبی با الیاف فورتا ترک اولیه کنترل می شود و اجازه گسترش آن داده نمی شود، اهمیت این ویژگی وقتی نمایان تر می شود که میلگرد توانایی خوبی از خود در کنترل ترک تا وقتی که ترک به لایه ای که میلگرد در آن قرار گرفته باشد را نشان نمی دهد، در واقع میلگرد در دو بعد عمل می کند و صبر میکند تا ترک به جایی که در آن قرارگرفته برسد و سپس عرض و عمق ترک را محدود کند، اما الیاف فورتا بصورت سه بعدی عمل می کند و از لحظه بروز ترک عملیات پل زدن اطراف ترک و کنترل ترک را آغاز می کند و همین امر باعث افزایش دوام و باربری سازه پس از ایجاد ترک می شود.
مقدار مصرف الیاف FORTA با توجه به کاربرد و محل مصرف و نیازهای پروژه متفاوت است که باید برای هر پروژه جداگانه محاسبات انجام شود. بسته بندی فورتا به نحوی است که دیگر نیاز به توزین در محل پروژه نیست و به راحتی به میکسر افزوده می شود.
طور می توان ترک ناشی از جمع شدگی پلاستیک (اولیه) در بتن را کاهش داد؟
ترک پلاستیک زمانی اتفاق می افتد که سرعت تبخیر آب از سطح بتن بیشتر از سرعت رسیدن رطوبت از نقاط دیگر بتن به سطح می شود و در این حالت سطح بتن دچار کاهش حجم و جمع شدگی و در نهایت ترک خوردگی در همان ساعات اولیه بتن ریزی می شود. الیاف مصرفی در بتن نباید جذب آب داشته باشد و همچنین در محیط قلیایی می بایست مقاوم و بادوام باشد. بیش از 40 سال است که الیاف با جنس پلی پروپیلن بهترین گزینه برای مصرف در بتن هم از لحاظ اقتصادی و هم سازگاری با محیط بتن لقب گرفته است. الیاف میکرو (طول بین 6 تا 18 میلیمتر و قطر کمتر از 0.1 میلیمتر) که از پلی پروپیلن خالص تولید شده باشد، نه از پلی استر یا PET و امثال آن، می تواند باعث بهبود و کنترل ترک های اولیه که ناشی از جمع شدگی پلاستیک در ساعات اولیه بتن ریزی می باشند، شود و اجازه تبدیل ترک های میکرو به ماکرو را ندهند. مقدار مصرف پیشنهادی الیاف پ.پ یا میکرو بین 0.5 تا 1 کیلوگرم در مترمکعب بتن است. توجه شود که الیاف ماکروسینتتیک باعث کنترل ترک های ناشی از جمع شدگی خشک شدگیدر بلندمدت می شود، بنابراین برای دستیابی به بهترین کیفیت ترکیب الیاف میکرو و ماکرو مخصوصا در فصول گرم و بتن ریزی های در محیط بیرونی توصیه می شود.
نحوه کاربرد بتن الیافی به چه صورت است؟
در مقالات کانتک مفصل در مورد کاربرد و مزایای بتن الیافی شرح داده شده.
شماره تماس نمایندگی رسمی الیاف بتن فورتا رو ممکنه بفرمایید؟
کانتک تنها نمایندگی الیاف فورتا در ایران است
09124037615
من چندین بار برای خرید الیاف بتن با تیم متخصص کانتک تماس گرفتم. قبل از هر چیزی این تیم من رو به رایگان راهنمایی کردند. بسیار متشکر از تخصص و حسن عمل این تیم