امروزه بتن الیافی به دلیل قیمت نسبتا کم و قابلیت تغییر در خصوصیات آن برای رسیدن به مشخصات مورد نیاز، به یقین یکی از پر کاربرد ترین مواد در صنعت ساخت می‌ باشد. همینطور به تازگی استفاده از الیاف در تولید قطعات پیش‌ ساخته تونل ها (سگمنت های بتنی) رواج یافته است. در این مقاله قصد داریم شما را با مطالعات و آزمایش های گسترده شرکت بارچیپ (یکی از بزرگترین تولیدکنندگان الیاف پلیمری بتن در جهان) در مورد استفاده از الیاف در سگمنت تونل ها آشنا کنیم. شرکت بارچیپ با تیم مهندسی دانشگاه برشیا کشور ایتالیا همکاری کرد تا مدل ‌سازی های کامل با مقیاس واقعی را اجرا کند. هدف شرکت بارچیپ عبارت بود از: اثبات اینکه استفاده از الیاف ماکروسینتتیک سبب بهبود عملکرد قطعات پیش‌ ساخته میشود و همینطور اثبات عملکرد بهتر سگمنت ها در برابر بارهای فشاری ناشی از جک ‌های پیش برنده.

آزمایش مقاومت خمشی بتن مسلح با الیاف برای سگمنت های تونل

به دلیل این که ضعف بتن در خمش و کشش، مهم‌ ترین محدودیت پیش روی سازه های بتنی است، لازم است میزان مقاومت خمشی بتن محاسبه شود. برای تعیین مقاومت خمشی بتن مسلح با الیاف از روش بار سه نقطه‌ ای استفاده شده است. در این روش مطابق شکل زیر، نمونه بر روی دو پایه نگه دارنده با فاصله مشخص قرار میگیرد و یک بازوی متحرک، در یک نقطه مشخص از نمونه، یک بارگذاری نیرویی اعمال می کند. ضمنا اگر نیرو به صورت متمرکز وارد شود ممکن است در اثر تمرکز تنش، نتایج آزمایش مطلوب نباشند؛ برای جلوگیری از این موضوع، در انتهای بازوی متحرک یک جزء اضافی قرار دارد که نیرو را به شکل گسترده تر وارد کند.

مقاومت فشاری بتن پارامتر مهمی جهت تعیین عملکرد مواد در طول مدتی که سرویس دهی می کنند، می باشد. آزمایش مقاومت فشاری بتن برای محاسبه مقاومت اعضا مورد نیاز است. نمونه های بتن ساخته شده و تحت نیروی فشاری برای به دست آوردن مقاومت فشاری آن، مورد آزمایش قرار می گیرند. مقاومت فشاری با تقسیم بار شکست به مساحت اعمال بار، معمولاً پس از 28 روز از نگه داری و عمل آوری بتن محاسبه می شود. مقاومت بتن، با تناسب بین سیمان، مصالح خوب درشت دانه، آب و مواد افزودنی مختلف، کنترل می شود. شرکت بارچیپ آزمایش مقاومت فشاری بتن بر روی قطعه ‌های مکعب شکل بتن مسلح به الیاف انجام داده است. در این آزمایش از مکعب‌ های 15 × 15 × 15 سانتی‌ متر استفاده شده است. این آزمایش برای پنج نوع مختلف بتن از جمله بتن دارای میلگرد فولادی، بتن مسلح با ترکیب میلگرد و الیاف بارچیپ، و بتن صد درصد مسلح شده با الیاف بارچیپ انجام داده است.

نتایج آزمایش بر روی بتن مسلح با الیاف بارچیپ برای قطعات سگمنت تونل

نتایج قطعات پیش ساخته با میلگرد های فولادی

بتن مسلح با ارماتور فولادی به طرز معمولی مورد آزمایش قرار گرفت. اولین ترک در 35.1 کیلو نیوتن اتفاق افتاد و حداکثر بار پیک به مقدار 105.6 کیلو نیوتن افزایش یافت. با این حال، در 80 کیلو نیوتن عرض ترک‌ ها به طرز چشم‌ گیری افزایش یافت. به طور کلی 8 ترک شکل گرفت.

نتایج قطعات هیبریدی (فولاد و الیاف)

هر دو سگمنت ترکیبی (میلگرد و الیاف) رفتار مشابهی با آزمایش قبلی نشان دادند ولی با این تفاوت که عملکرد بهتری داشتند. در این آزمایش با در نظر گرفتن مقدار پنجاه درصد آرماتور کمتر در قطعات پیش ساخته در کل به دلیل مشارکت الیاف این آزمایش عملکرد عالی داشت که میتوانید در نمودار بالا مشاهده کنید. الگوی ترک های (هیبرید) در دو قطعه مشابه با قطعه بتن مسلح با آرماتور بود.

نتایج قطعات پیش ساخته با الیاف بارچیپ

در سگمنت 100% مسلح شده با الیاف ماکروسینتتیک بارچیپ اولین ترک در 47.8 کیلو نیوتن اتفاق افتاد و حداکثر بار پیک به مقدار 48.6 کیلو نیوتن افزایش یافت. این نتایج نشانگر این است که سگمنت های حاوی الیاف پلیمری سازه ای (ماکرو) بدون هیچ آرماتور فولادی، عملکرد مکانیکی خوبی داشته است.

از طریق تحلیل الگوی ترک ها، می‌ توان افزایش انعطاف ‌پذیری و شکل پذیری قطعات پیش ساخته با الیاف بارچیپ را توضیح داد. همینطور که در تصویر بالا میبینید در مراحل اولیه ، ترک خوردگی در قطعه فقط در یک نقطه محدود رخ داده است. همینطور در مراحل بعدی دو ترک خمشی توسعه یافته است. برخلاف بسیاری از افراد که گفته اند استفاده از الیاف پلیمری ماکرو در قطعات پیش ساخته تونل ها امکان پذیر نیست این نتایج ثابت کرده اند که نه تنها امکان جایگزینی الیاف ماکروسینتتیک دارای کیفیت بسیار بالا (یعنی مقاومت کششی بالای 550 مگاپاسکال و درصد ازدیاد طول کمتر از 20 درصد) با میلگرد های فولادی است، بلکه قطعات پیش ساخته با استفاده از الیاف ماکروسینتتیک استاندارد عملکرد بهتری نیز دارد، علاوه بر اینکه دوام بسیار بیشتری نسبت به قطعات حاوی میلگرد و وفولاد دارند.