بتن الیافی راه حلی برای افزایش سرعت اجرا و کاهش هزینه ها در پروژه های بزرگ

در خصوص سرعت اجرای پروژه با بتن الیافی باید گفت که استاد مهندسی دانشگاه ایالتی آریزونا امریکا در تلاش است تا روشی را فراگیر کند که برای افزایش سرعت پروژه های تمام نشدنی ساخت در Valley فونیکس استفاده شود که می تواند مدت آن ها را از سال ها به ماه ها و از ماه ها به هفته ها کاهش دهد. امری که متخصصان حمل و نقل معتقدند که مزیت های اقتصادی، ایمنی و ترانزیتی آن می تواند بیشمار و شگفت انگیز باشد.

ساخت و ساز زمان بر است و هرچقدر پروژه عظیم تر باشد، دوره ساخت آن نیز بیشتر است.

تیر جادویی پروفسور برزین مبشر استاد ایرانی الاصل دانشگاه آریزونا از بتن مسلح با الیاف ساخته شده. مبشر و تیمش به مجموعه ای از محاسبات و روش های طراحی دست یافته اند که به مهندسان این اجازه را می دهد تا به راحتی طراحی خود را با این مواد و با تکنولوژی بتن الیافی انجام دهند.

سالیانه در سرتاسر دنیا حدود 10 میلیارد تن بتن استفاده می شود. یعنی به ازای هر فرد اعم از مرد، زن، کودک و نوزاد بیش از یک تن بتن. بتن ارزان ترین ماده ای است که می‌تواند در ساخت راه ها، ساختمان ها و دیگر سازه ها استفاده شود.

طراحی ها حول این نکته می چرخد که با وجود اینکه بتن در تحمل فشار بسیار قوی است، اما ظرفیت کششی خیلی کمی دارد. نیرو روی آن قرار دهید و می بینید چقدر خوب عمل می کند، اما تحت کشش که قرار می دهید از هم گسیخته می شود. به طور سنتی و رایج، برای غلبه بر این ضعف بتن، از فولاد (میلگرد) در بتن استفاده می شود. بنابراین طراحان کاملا تحمل بار را بر عهده فولاد می گذارند و از ظرفیت کششی کم بتن صرفنظر می کنند.

“تقریبا هر سازه ای که شما می بینید- هر ساختمان، آسمان خراش یا پلی- بر پایه این فرضیه بنا شده است: نقشی از بتن در کشش اعمال نکنید” پروفسور مبشر می افزاید.

کامپوزیت ها نزدیک به 60-70 سال است که در دسترس ما هستند. شما الیافی را که از جنس فولادی یا پلیمری است در بتن میکس می کنید، مثلا 40 پوند در 2000 پوند بتن. این ها رشته های الیاف بسیار مستحکمی هستند اما در عین حال خیلی کوچک و ریز. وقتی شما اندازه چیزی را کوچک می کنید، در واقع اندازه و میزان خطاها را که احتمال دارد در سازه بوجود آید کوچک می کنید.

اگر بتن تمایل به ترک خوردگی داشته باشد، الیاف ترک را نگه می دارد و مثل یک چسب زخم داخلی و باند عمل می کند. رشته های الیاف ترک را کنار هم محکم نگه می دارند و اجازه می دهند بتن بار بیشتری را تحمل کند. این یک مکانیزم قفل شوندگی درهم است.

“حال چگونه من طراحی با این مواد (الیاف بتن) را مقداری ساده تر می توانم کنم که همه مردم یا مهندسان بتوانند از آن استفاده کنند”؟ پروفسور مبشر می افزاید : “کاری که تیم من به انجام رساند این است که بر اساس روش ها، محاسبات و روابطی به شما می گوییم که اگر این مقدار از الیاف را در مخلوط خود قرار دهید، حالا می توانید روی تمام ظرفیت کششی بتن خود که تا الان از آن صرفنظر می کردید، حساب کنید. یعنی حالا می تواند X مقدار از بار را تحمل کند … این مسئله مهم باعث تغییر در بازی می شود”.

مثلا اگر شما یک ساختمان 5 طبقه دارید بنا می کنید، هر طبقه می بایست جدا طراحی و ساخته شود. میلگرد باید به طبقات با جرثقیل منتقل شود، روی طبقات قرار گرفته و بافته شود. شما زمانی که از میلگرد استفاده می کنید باید بابت متریال، بازرسی و کنترل، نیروی کار، جابجایی ها، موارد ایمنی و … هزینه هایی را متحمل شوید. همه این هزینه ها را جمع بزنید آن وقت می بینید که چقدر چشمگیر است.

حال میلگرد را از معادلات حذف کنید. اگر تنها از الیاف فورتا استفاده کنید، فقط نیاز است به کارخانه بتن بگویید چه میزان و از چه نوع الیاف استفاده کند و آن را برای شما به محل پروژه با تراک میکسر ارسال کند.

“در این صورت شما بسیاری از هزینه های جانبی را حذف می کنید”، مبشر ادامه می دهد، “ممکن است شما در مقایسه با میلگرد تنها هزینه بیشتری برای الیاف صرف کنید، اما خیلی بیشتر در هزینه های جانبی ذخیره می کنید.”

پروفسور مبشر تصمیم گرفته تا آزمایش های تجربی ای را برای اثبات این فرضیه ها در آزمایشگاه خود انجام دهد. برای همین یک دال بتنی مسلح با الیاف را در یک شرایط خاص تحت بارگذاری سیکلی قرار داد. که 7 روز در هفته و هر روز 18 ساعت یک سیستم بارگذاری قطار مانند را روی این دال بتنی هر 10 دقیقه به مدت 40 سال تحت بارگذاری سیکلی قرار می دهد.

مشاهدات نشان داده که بتن الیافی می تواند پس از ترک خوردگی نیز سیکل های بارگذاری را تحمل کند به طوریکه ترک کل سیستم را از رده خارج نمی کند، بلکه با تعمیر بخش ترک خورده مشکل حل می شود.

“اساسا ما راه حلی برای کاهش هزینه ها، سبک سازی، افزایش شکل پذیری متریال و اعضا، مقاومت در برابر زلزله، مقاومت در برابر خوردگی از منظر دوام را پیشنهاد می دهیم، بنابراین به دنبال هر آنچه از مزیت هایی که می توان گرفت هستیم”، برزین مبشر می افزاید.

روش و اصول ما شامل انواع محاسبات برای انواع مختلف الیاف اعم از فولادی، مصنوعی، شیشه، پلیمری، نایلون و … به صورت جداگانه است. “ما می توانیم سازه ها را بسیار بیشتر کارآمدتر و با دوام تر طراحی کنیم”.

همچنین یک رویکرد محیط زیستی هم این مسئله دارد، به طوری که برای تولید هر تن سیمان پرتلند -که پر مصرف ترین نوع سیمان برای تولید بتن است- یک تن CO₂ در اتمسفر آزاد می شود. بنابراین تولید گاز CO₂ کمتر خواهد شد اگر بتن و سیمان را با کارآمدی بیشتر و دوام بیشتری استفاده کنیم (بواسطه کاربرد بتن های الیافی).

توضیح: پروفسور مبشر و دانشجویانش بر روی محاسبات برای تعیین مقدار مصرف الیاف (با جنس مختلف) برای تامین مقاومت کششی لازم در المان های مختلف کار کرده اند. در حال حاضر او با متروی Valley ، برای ساخت و اجرای دال بتنی 30 سانتی مسلح با الیاف همکاری می کند، که با دوام تر و قوی تر از روش فعلی آن ها یعنی دال 35 سانتی مسلح با میلگرد است، امری که صرفه جویی در هزینه ها و زمان را بسیار چشمگیر می کند.