معرفی الیاف بتن

بتن الیافی را می توان به عنوان یک ماده کامپوزیتی متشکل از ملات یا بتن و الیاف ناپیوسته (یعنی بریده شده با طول های مشخص معمولا کمتر از 6 سانتی متر) و به طور یکنواخت پراکنده شده در ماتریس بتن تعریف کرد. بتن الیافی دارای انواع و خواص مختلف با مزایای بسیاری می باشد. امروزه الیاف بتن در کاربردهای بسیاری جایگزین میلگرد شده است. مش های پیوسته و پارچه های بافته شده جزء الیاف چاپد یا ناپیوسته محسوب نمی شوند. الیاف (فیبر) یک جزء ظریف اما مستحکم از مواد مسلح کننده است که دارای ویژگی های خاصی است. الیاف بتن می تواند دارای مقطع دایره ای، مستطیلی و نامنظم باشد. الیاف بتن اغلب با یک پارامتر مناسب به نام “ضریب لاغری یا Aspect Ratio” توصیف می شود. این پارامتر برابر با نسبت طول به قطر الیاف است. این نسبت وابسته به نوع الیاف (میکرو یا ماکرو) متغیر است. این الیاف در ماتریس بتن به صورت یکنواخت توزیع می شود و به صورت تصادفی جهت گیری می شوند که البته کیفیت الیاف در این رابطه بسیار تعیین کننده است. انواع الیاف بتنی شامل الیاف فولادی، الیاف شیشه، الیاف مصنوعی (پلیمری با جنس پلی پروپیلن، پلی استر، پلی اتیلن و …) و الیاف طبیعی است. ویژگی بتن مسلح با الیاف با تغییر نوع بتن‌، جنس الیاف، هندسه و شکل الیاف، پخش الیاف، جهت‌گیری و وزن مخصوص الیاف مختلف تغییر می‌کند. الیاف مسلح کننده بتن میکرو و ماکرو می تواند در کاربردهای مختلفی مانند شاتکریت یا پایدارسازی موقت یا دائمی گودها، شیب و ترانشه ها و تونل ها استفاده شود. همچنین در کفسازی و روسازی های بتنی برای احداث سوله ها، انبارها، کارخانجات، محوطه سازی و پیاده روها، رویه های جاده های شهری و آزادراه ها، روسازی بنادر، قطعات پیش ساخته بتنی و سگمنت ها، سقف های عرشه فولادی، و هر کاربرد دیگری برای افزایش کیفیت و دوام بتن و افزایش مقاومت در برابر آتش سوزی، انفجار و زلزله در سازه های بتنی استفاده کرد.

در ادامه به موارد زیر می پردازیم تا بیشتر با انواع الیاف بتن و کاربردهای آن آشنا شویم.

• تاثیر الیاف و مزایای آن در بتن
• عوامل موثر بر خواص بتن الیافی

• مشخصات ظاهری و سختی نسبی الیاف بتن
• حجم الیاف
• نسبت طول به قطر الیاف
• جهت گیری الیاف
• کارایی و تراکم بتن
• نحوه اختلاط و میکس کردن

• انواع بتن الیافی

• بتن مسلح شده با الیاف فولادی
• ملات سیمانی و بتن مسلح شده با الیاف پلی پروپیلن/پلی اولفین
• بتن مسلح با الیاف شیشه GFRC
• الیاف آزبست
• الیاف کربن
• الیاف طبیعی

عوامل موثر بر خواص بتن الیافی

بتن مسلح شده با الیاف ماده کامپوزیتی است حاوی الیاف در ماتریس سیمانی که به صورت منظم یا تصادفی توزیع شده است. بدیهی است که خواص بتن الیافی به انتقال موثر تنش بین ماتریس سیمانی و الیاف بستگی دارد. عوامل زیر به صورت مختصر در مورد پارامترهای موثر بر خواص بتن الیافی اشاره شده است.

1- مدول ماتریس و الیاف

مدول الاستیسیته ماتریس سیمانی باید بسیار کمتر از الیاف برای انتقال موثر تنش باشد، بنابراین الیاف دارای مدول پایین مانند نایلون و پلی پروپیلن بعید است که باعث افزایش چشمگیر مقاومت های پیک شوند، اما به افزایش جذب انرژی (طاقت خمشی) کمک می کنند و در نتیجه درجه چقرمگی و انرژی پذیری بیشتری ایجاد می کنند. الیاف مدول بالا مانند فولادی، شیشه و کربن استحکام و سختی رایا در واقع بارهای پیک را افزایش کی می دهند. همچنین پیوند سطحی بین ماتریس و الیاف اثربخشی انتقال تنش را از ماتریس به الیاف تعیین می کند. یک پیوند مستحکم برای بهبود عملکرد بتن الیافی ضروری است. یعنی الیاف به راحتی از ماتریس خارج نشود.

2- حجم یا مقدار الیاف

مقاومت بتن الیافی تا حد زیادی به مقدار الیاف استفاده شده در آن بستگی دارد. شکل 1 و 2 تأثیر درصد حجمی را بر طاقت خمشی و مقاومت نشان می دهد. از شکل 1 می توان دریافت که افزایش مقدار الیاف، تقریباً به صورت خطی، مقاومت کششی و چقرمگی کامپوزیت را افزایش می دهد. استفاده از درصد بالاتر الیاف احتمالا منجر به جداشدگی در بتن می شود.

شکل 1: تاثیر مقدار الیاف بر عملکرد خمشی (طاقت)

شکل 2: اثر مقدار الیاف بر مقاومت کششی

3- نسبت طول به قطر الیاف Aspect Ratio

عامل مهم دیگری که بر خواص و رفتار کامپوزیت تأثیر می گذارد، نسبت ابعاد الیاف است. گزارش شده است که تا نسبت 75، افزایش این نسبت باعث افزایش خواص مقاومتی و طاقت بتن به صورت خطی می گردد. فراتر از 75، بسته به نوع الیاف می تواند باعث افزایش یا کاهش شود.

4- جهت گیری الیاف

یکی از تفاوت‌های اصلی مسلح کننده های سنتی مانند میلگرد و  الیاف این است که در آرماتورهای معمولی، میلگردها در جهت دلخواه قرار می‌گیرند در حالی که الیاف به صورت تصادفی جهت‌گیری می‌کنند.

برای مشاهده اثر تصادفی، نمونه های ملات مسلح شده با 0.5 درصد حجمی الیاف مورد آزمایش قرار گرفتند. در یک مجموعه، الیاف در جهت بار، در دیگری در جهت عمود بر بار، و در سومین نمونه به طور تصادفی توزیع شدند. مشاهده شد که الیافی که به موازات بار اعمال شده قرار گرفته اند، استحکام کششی و جذب انرژی بیشتری نسبت به الیافی که به طور تصادفی یا عمود توزیع شده اند، ارائه می دهند.

5- کارایی و تراکم بتن

مصرف بالای نیم درصد حجمی از انواع الیاف کارایی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. این وضعیت بر تراکم بتن تازه تأثیر منفی می گذارد. حتی ویبره خارجی طولانی مدت بتن را متراکم نمی کند. حجم الیافی که در آن به این وضعیت می رسد بستگی به طول و قطر الیاف دارد. یکی دیگر از پیامدهای کارایی کم توزیع غیر یکنواخت الیاف است. به طور کلی می بایست کارایی و اسلامپ بتن الیافی را با استفاده از فوق روان کننده های استاندارد بر اساس نیاز هر پروژه تنظیم کرد.

6- میکس کردن الیاف

اختلاط بتن الیافی به شرایط ویژه ای نیاز دارد تا از گلوله ای شدن الیاف، جداشدگی و به طور کلی مشکلاتی در اختلاط یکنواخت الیاف جلوگیری شود. افزایش نسبت طول به قطر، درصد حجمی و اندازه و کمیت سنگدانه های درشت، دشواری ها و تمایل به گلوله ای شدن را تشدید می کند. مهم است که الیاف به طور یکنواخت در سراسر مخلوط پراکنده شوند. این را می توان با افزودن الیاف قبل از اضافه شدن تمام آب به بتن انجام داد. در واقع زمان افزودن الیاف به بتن می تواند در اسلامپ با محدوده 6 تا 8 سانتی متر اتفاق بیفتد. به طور کلی باید الیاف با سرعت کمتری به بتن اضافه شود که البته برخی از انواع الیاف مثل الیاف فورتا فررو ماندگار دارای ویژگی های منحصر بفردی در پخش و توزیع یکنواخت در بتن در مدت زمان کوتاه می باشد.

انواع بتن الیافی

در زیر انواع مختلف الیاف که به طور کلی در صنعت راه و ساختمان مورد استفاده قرار می گیرد اشاره شده است.

1. بتن حاوی الیاف فولادی
2. ملات و بتن مسلح شده با الیاف پلی پروپیلن/پلی اولفین
3. بتن مسلح شده با الیاف شیشه GFRC
4. الیاف آزبست
5. الیاف کربن
6. الیاف ارگانیک

1- بتن حاوی الیاف فولادی (فلزی)

انواع مختلفی از الیاف فولادی به عنوان مسلح کننده موجود است. الیاف فولادی با مقطع گرد که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد با برش سیم مفتول به طول کوتاه تولید می شود. قطر آن معمولا در محدوده نیم تا 1 میلی متر قرار دارد. الیاف فولادی با مقطع مستطیل شکل نیز ضخامت حدود 0.25 میلی متر تولید می شوند. الیاف فولادی که به صورت یک دسته در کنار هم با چسب محلول در آب نیز موجود است. از آنجایی که الیاف فولادی تمایل دارد با هم خوشه ای شوند و گره خوردگی پیدا کنند، توزیع یکنواخت آن در ماتریس اغلب دشوار است. به همین دلیل افزودن دسته های الیافی فولادی که با چسب محلول در آب به هم وصل شده اند و در طول فرآیند اختلاط جدا می شوند، می تواند از این امر جلوگیری کند.

2- بتن مسلح شده با الیاف میکرو یا ماکرو با جنس پلی پروپیلن/پلی اولفین

پلی پروپیلن یکی از ارزان‌ترین و در دسترس‌ترین پلیمرها است که الیاف بتن پلی‌پروپیلن در برابر بیشتر مواد شیمیایی مقاوم هستند و این ماتریس سیمانی است که ابتدا تحت حمله شیمیایی تهاجمی از بین می رود. نقطه ذوب آن بالا است (حدود 165 درجه سانتیگراد). به طوری که دمای کار. به عنوان (100 درجه سانتیگراد) ممکن است برای دوره های کوتاه بدون آسیب به خواص الیاف حفظ شود. الیاف پلی پروپیلن که آبگریز هستند می توانند به راحتی با هم مخلوط شوند زیرا در طول اختلاط نیازی به تماس طولانی ندارند و فقط باید به طور یکنواخت در مخلوط قرار گیرند. الیاف میکرو و ماکرو پلی پروپیلن در درصدهای حجمی کوچک بین 0.1 تا 0.5 به صورت تجاری در بتن استفاده می شود.

شکل 3: نوعی الیاف میکرو پلی پروپیلن

3- بتن حاوی الیاف شیشه

الیاف بتن شیشه از 200 تا 400 رشته جداگانه تشکیل شده است که به آرامی به هم چسبیده و الیاف نهایی را تشکیل می دهند. با استفاده از تکنیک های اختلاط مرسوم برای بتن معمولی، نمی توان بیش از 3% (حجمی) الیاف شیشه به طول کمتر از 25 میلی متر را مخلوط کرد. کاربرد عمده الیاف شیشه در تقویت و ساخت بتن مورد استفاده در تولید محصولات نازک و نما بوده است. الیاف شیشه AR، E-glass  مقاومت ناکافی در برابر قلیایی های موجود در سیمان پرتلند دارد. انواع الیاف شیشه عبارت از  E, A, AR, S است که الیاف شیشه AR به دلیل مقاومتی که در محیط های قلیایی دارد مناسب ترین کزینه برای مصرف در بتن و محیط سیماتی است.

شکل 4: بتن تقویت شده با الیاف شیشه

4- الیاف بتن آزبست

الیاف معدنی ارزان قیمتی که به صورت طبیعی نیز موجود بود، یعنی آزبست، به طور موفقیت آمیزی با خمیر سیمان پرتلند ترکیب شد و محصولی پرمصرف به نام سیمان آزبستی را تشکیل داد اما به دلیل مشکلاتی که برای سلامتی مصرف کنندگان و در معرض قرار گرفتگان داشت، دوام زیادی برای مصرف در صنعت ساختمان پیدا نکرد. همچنبن به دلیل طول نسبتا کوتاه (10 میلی متر) بتن حاوی الیاف آزبست دارای مقاومت ضربه ای پایینی بود.

شکل 5: الیاف آزبست

5- الیاف کربن

الیاف بتن کربن یکی از جدیدترین الیاف مصرفی در صنعت ساختمان می باشد. مصرف معمول این محصول در صنایع نظامی نیز می باشد. الیاف کربن دارای مدول بسیار بالا و مقاومت کششی زیادی است. مشخص شده است که ویژگی‌های استحکام و سختی آن‌ حتی از فولاد نیز بیشتر است اما از طرفی قیمت بالای الیاف کربن باعث عدم مصرف فراوان آن در صنعت عمران شده است. الیاف کربن حتی نسبت به الیاف شیشه در برابر آسیب‌پذیری حساس تر هستند و از این رو به طور کلی با پوشش‌های رزینی نازک پوشیده و تقویت می‌شوند.

شکل 6: الیاف کربن

6- الیاف طبیعی

الیاف بتن طبیعی ممکن است از نظر شیمیایی بی اثرتر از الیاف فولادی یا شیشه باشند. آن ها همچنین ارزان تر هستند. حجم زیادی از الیاف گیاهی ممکن است برای به دست آوردن یک کامپوزیت بدون ترک استفاده شود. مشکل اختلاط و پراکندگی یکنواخت با استفاده از این نوع الیاف ممکن است با افزودن یک فوق روان کننده مناسب رفع شود.

شکل 7: الیاف ارگانیک (طبیعی)

قیمت الیاف بتن اصل

الیاف مصرفی در بتن دارای تنوع زیادی اس، هر کدام از این ها دارای جنس ها و مشخصات فنی و کیفیتی مختلفی است که مستقیما در تعیین قیمت الیاف بتن تاثیرگذار است. بنابراین طبیعیست که هرچقدر جنس و مواد اولیه به کاررفته در تولید الیاف، کیفیت کمتری داشته باشد قیمت تمام شده پایین تری نیز داشته باشد. متاسفانه برخی تولیدکنندگان از مواد اولیه نو (دست اول) در تولید الیاف بتن استفاده نمی کنند یا ترکیبی از مواد ضایعاتی و نو را به کار میبرند که همین باعث پایین آمدن کیفیت محصول و عدم عملکرد مناسب الیاف در بتن می شود. هر چند قیمت بالا هم نمی تواند تضمین کننده کیفیت خوب باشد. چراکه در بازار افراد سودجویی هستند که از عدم اطلاع خریدار سواستفاده می کنند و الیاف بی کیفیت و غیراصلی را بعنوان الیاف بتن فورتا درجه1 و اصل و با قیمت الیاف مرغوب به فروش می رسانند. برای همین ما همواره توصیه میکنیم محصول موردنظرتان را به روش هایی که در مقالات دیگر برای تشخیص الیاف بتن اصل به آن ها اشاره شده است، ارزیابی و ادعای فروشندگان را راستی آزمایی کنید.