تاریخچه الیاف
در زمان‌های گذشته، از الیاف جهت تقویت ملات‌های ترد و شکننده استفاده می‌شد که مشهورترین و پرطرفدارترین به علت ارزانی،کاه است. برای تقویت آجرهای خشتی و ملات کاهگل در اندودها در قبال ترک خوردگی که بعد از خشک شدن به وجود می‌آید، به کار رفته و در حال حاضر نیز ارزانترین نوع ملات در مناطق روستایی کشور است. استفاده از کاه و مخصوصاً موی دم اسب یا بز در بناهای قدیمی ایران به خصوص گنبدها سابقه طولانی و تاریخی دارد. کاربرد الیاف فولادی از اواسط قرن اخیر آغاز شده و تاریخ دقیقی در مورد استفاده از این روش در دسترس نیست ولی افراد مختلف با استفاده از روش‌های متفاوتی نظیر کاربرد تکه‌های سیم یا بریده‌های فلز در داخل بتن، امتیاز این نوع روش را به نام خود به ثبت رسانده‌اند.
امروزه استفاده از الیاف در بهبود عملکرد بتن در سازه ها از روش های موثر است. ویژگی های مکانیکی بتن الیافی در مقایسه با بتن معمولی تغییرات قابل توجهی دارد. از جمله تغییرات در پارامترهای مکانیکی بتن الیافی می توان به مقاومت در مقابل تروق، سایش و هوازدگی سطح، مقاومت زیاد در مقابل تنش های خستگی، مقاومت بسیار عالی در مقابل ضربه، ظرفیت زیاد کرنش، قابلیت باربری زیاد بعد از اولین ترک خوردگی، مقاومت کششی، خمشی و برشی زیاد و طاقت خیلی زیاد اشاره کرد. الیاف قادر به تحمل تنش ها و کرنش های کششی قابل ملاحظه در بارهای کششی هستند و می توان از آن ها در طراحی سازه استفاده کرد. الیاف باعث افزایش مقاومت بتن در کشش می شوند اما از جمله عیوب چشمگیر بتن الیافی میزان تخلخل زیاد آن است که اثرات منفی بر مقاومت فشاری بتن دارد.
الیاف یکی از مصالح جدید ساختمانی است که امروزه در صنعت ساختمان‌سازی جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده است. با استفاده کردن از آن در کنار آرماتور می‌توان خصوصیات مهندسی بتن را تا حد قابل توجهی بهبود داد. با توجه به مقاومت پایین بتن در برابر ضربه و خاصیت شکنندگی آن از الیاف بتن به منظور بهبود ویژگی‌های مصالح ساختمانی قدیمی استفاده شده است.
انواع الیاف بتن
رشته های نازک و کوتاه با مقاومت کششی مطلوب را الیاف گویند. پدیده استفاده از الیاف، جهت ارتقای خصوصیات رفتاری مواد گوناگون و تقویت کردن مواد ترد و شکننده یک ایده قدیمی می باشد. در هزاران سال پیش از کاه به عنوان رشته های تقویت کننده گل و آجر استفاده می شده است. پس از آن از موی اسب جهت تقویت گچ در ساختمان استفاده شده است. در فناوری دیگر استفاده از الیاف، استفاده از پنبه نسوز جهت مسلح کردن مواد سیمانی در اواخر قرن نوزدهم و کاربرد کاهگل در بنای ساختمان است. در واقع بتن الیافی نوع پیشرفته این تکنولوژی می باشد که الیاف طبیعی و مصنوعی جدید، جانشین کاه و سیمان جانشین گل به کار رفته در ترکیب کاهگل شده اند. الیاف مختلفی چه طبیعی و چه ساخته شده به دست بشر در بتن ترکیب گردیده است که سابقه استفاده از الیاف طبیعی در بتن به قبل از پیدایش بتن های مسلح رایج بر می گردد اما جنبه های عملی و فنی سیستم های مسلح شده با الیاف گسترش پیدا نکرد. هرکدام از الیاف مورد استفاده در بتن را می توان در یکی از گروه های مواد مصنوعی آلی مانند پلی پروپیلن یا کربن، مواد مصنوعی غیر آلی مانند فولادی یا شیشه، مواد طبیعی آلی سلولز یا سیسال و یا مواد طبیعی غیر آلی مانند آزبست جای داد.
- الیاف پلی پروپیلن (PP)
این نوع الیاف به عنوان افزودنی جهت تقویت و مسلح کردن بتن و مخلوط های سیمانی و گچی می باشد. مصرف این نوع الیاف باعث افزایش مقاومت خمشی ، کششی ، برشی و سایشی می شود .الیاف پلی پروپیلن هنگام مخلوط شدن با بتن باعث ته نشین شدن و افزایش وزن بتن نمی شود و محیط قلیایی بتن را از بین می برد این نوع الیاف با دو برش 12 و 18 میلیمتر جهت مصارف بتن و با برش طولی 6 میلیمتر جهت ملات های گچی و نازک تولید می شود. در مورد الیاف پروپیلن احتمال گلوله شدن الیاف وجود دارد که به چند علت اتفاق می‌افتد :
- اضافه کردن ناگهانی الیاف به تراک‌میکسر و رعایت نکردن نکات مربوطه
- آب انداختگی یا مناسب نبودن طرح اختلاط بتن برای حضور الیاف
- سرعت یا هندسه نامناسب پره دستگاه مخلوط کننده
- چرخش و مکس زیاد پودر خشک
- الیاف پلی استر
الیاف بتن پلی استر، بسیار سبک هستند و زمانی که به صورت مایع باشند، بوی تندی دارند. از این رو، افرادی که با این مواد و بخصوص نوع مایع آن سر و کار دارند، حتماً باید از ماسک و وسایل مراقبتی استفاده کنند. بتن مسلح شده با الیاف پلی استر دارای خصوصیاتی نظیر شکل پذیری عالی، مقاومت کششی مناسب (مقاومت کششی الیاف پلی استر تا ۸۵۰ مگاپاسکال است) و مقاومت فشاری و خمشی بالاتری نسبت به بتن غیر مسلح دارند. الیاف پلی استر باید همراه با رزین، هاردنر یا سخت کننده و سایر حجیم کننده ها استفاده شود. الیاف بتن پلی استری براساس حجم بتن به آن اضافه می شوند که این میزان به کمتر از ۱% حجم بتن می رسد. با این حال در تولید این الیاف محدودیت وجود دارد و بخاطر بوی تند فرم مایع این الیاف، باید حتما ماسک و وسایل حفاظتی به همراه داشت.
- الیاف شیشه
امروزه با گسترش صنعت خرد کردن و شکل دهی مواد، شیشه یکی از جمله موادی است که بصورت الیاف نیز به بازار عرضه می‌گردد و در صنعت بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. الیاف شیشه عموما مقاومت کششی بتن را همانند الیاف پ‌پ افزایش می‌دهند و همچنین به دلیل سختی بالا باعث افزایش مقاومت سایشی بتن، حتی بهتر از الیاف پ‌پ می‌گردند. این نوع الیاف، عایق الکتریکی بوده و مقاومت حرارتی بسیار بالایی دارند اما از آنجایی که از نظر زیست محیطی، قابل قبول نمی‌باشند مصرف آنها در صنعت بتن، در حال محدود شدن می‌باشد.این الیاف امکان افزایش مقاومت فشاری بتن تا ۴۰ درصد را داشته و باعث افزایش طول عمر خستگی بتن می‌گردد. این الیاف نیز جذب آب نداشته و تاثیری بر نسبت آب به سیمان ندارند. در هنگام استفاده از این الیاف حتما باید نکات ایمنی رعایت گردد و از دستکش، ماسک و عینک کار، استفاده گردد.
این الیاف نیز هم بصورت خشک قابل ترکیب بوده و هم امکان اضافه کردن به بتن تازه را دارند و تنها لازم است در نظر داشته باشید که الیاف باید بصورت کاملا یکنواخت در بتن ترکیب گردند. همچنین پیشنهاد می‌شود جهت بهره‌مندی از ویژگی‌های مختلف الیاف از ترکیب الیاف پ‌پ و الیاف شیشه در تهیه سگمنت‌های بتنی استفاده گردد.
- الیاف فلز
الیاف فلز یکی از متنوع ترین الیاف بتن هستند که تنوع آنها به دلیل فلزات مختلفی است که در ساخت آنها استفاده می شود. پرکاربردترین مدل آن، فولاد است (Steel Fiber-Reinforced Concrete) یا SFRC است که از مزایای آن می توان به بالاتر بردن مقاومت کششی، بازدارندگی در مقابل ترک و عوامل محیطی مختلف اشاره کرد. دو موضوع اصلی انتخاب این الیاف، نوع آلیاژ و سطح یا میزان زبری آن است. مقاومت مورد نیاز نیز، یکی از عوامل طراحی بتن و تنظیم دقیق طرح اختلاط است. اولین نمونه از الیاف بتن، الیاف فلزی بودند که به شکل سیم سرد نورد طویل شده، سیم ذوب و اصلاح شده و همچنین ورق برش خورده استفاده شدند. از این رو از این الیاف در صنایع بتن پیش‌ساخته، شاتکریت، لوله‌های بتنی و دیگر موارد استفاده می‌شود.
- الیاف کربن
مزیت الیاف های کربن بر الیاف های فولادی، پلی پروپیلن و الیاف های شیشه، خصوصیات ذاتی آنها، مدول الاستیسیته بالا، مقاومت حرارتی بالا، پایداری شیمیایی بسیار بالا در محیط های شیمیایی قلیایی و دیگر محیط های شیمیایی خورنده است. الیاف کربن از کشش و مقاومت موجی بالایی برخوردار هستند. در مقایسه با الیاف فولادی، مقاومت الیاف کربن بیشتر است. اما الیاف کربن نسبت به الیاف شیشه در معرض آسیب بیشتری هستند؛ بنابراین باید با پوشش رزین کاور شوند.
این الیاف که برخلاف دیگر الیاف ترد و شکننده هستند، وزن کم و مقاومت زیادی دارند. وزن این الیاف نیز یک سوم وزن الیاف فولادی بوده اما ۱۰ برابر آن مقاومت کششی دارد؛ تا جایی که تنها دلیل استفاده از این مواد، افزایش فوق‌العاده مقاومت کششی آن است. مقاومت خستگی و خوردگی این مواد نیز قابل قیاس با دیگر الیاف نیست.
این نمونه از الیاف بتن، در دمای بالا و تحت فشار تولید می‌شوند. مواد خام و اولیه این الیاف، مصنوعی و قیری است. از آنجایی که این الیاف روند ساخت سخت‌تری داشته و قیمت بالایی دارند هنوز مصرف آنها در ایران گسترش نیافته و بعضا محصولاتی تحت عنوان الیاف کربن در بازار ارائه می‌گردند که از اعتبار و اطمینان کافی برخوردار نبوده و هنوز امکان جایگزینی با الیاف فولادی را نداشته‌اند.
- الیاف پلاستیکی
استفاده از الیاف پلاستیک در دنیای تقویت کننده بتن نسبتا جدید است. این الیاف فرصتی برای بازیافت فراوان پلاستیک در جهان به منظور ایجاد بتن مسلح سازگار با محیط زیست خواهد بود.
- الیاف میکروسنتیک
الیاف میکرو، رشته‌های جدا از هم هستند که جنسی کاملاً مشابه با الیاف پلی پروپیلن دارند و به صورت یکنواخت در فضای حجمی بتن پخش می‌شوند. این الیاف با قطری در حدود ۱۸ میکرومتر و طول‌های ۱۲ و ۱۸ میلیمتر در بازار عرضه می‌شوند عموما از این الیاف در جهت افزایش خصوصیات مکانیکی بتن مثل مقاومت فشاری و مقاومت کششی استفاده نمی‌گردد و در جهت جلوگیری از بروز ترک در بتن‌هایی که دارای سطح زیاد نسبت به قطر خود هستند و یا تایل‌ها و صفحات بتنی استفاده می‌شوند.
همچنین این الیاف در جلوگیری از ایجاد ترک تحت عوامل جوی مثل باد و آفتاب نیز جلوگیری نموده و انعطاف و مقاومت بتن را در برابر انبساط و انقباض‌های حرارتی و و پدیده جمع شدگی افزایش می‌دهند. این نوع الیاف به علت ویژگی خاص ظاهری برای استفاده در ملات‌ها و قطعات گچی نیز مناسب بوده و قابلیت مصرف دارند. البته ناگفته نماند، این الیاف نباید به آب اضافه شوند، زیرا تولید کلوخه می‌کنند. از این رو بهتر است به جای افزودن آب از انواع روان‌کننده بتن استفاده شود. از دیگر خصوصیات این الیاف، می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود :
- کاهش نفوذپذیری بتن، به دلیل ساختار و ابعاد کوچک این مواد
- افزایش سرعت اجرای پروژه و افزایش مقاومت بتن
- قابلیت استفاده در اماکن مجاور فلز (فاقد یون کلر)
- مقاومت کششی بالا، حدود ۳۵۰ مگاپاسکال
- عدم ایجاد مشکل هوازایی در بتن
- اجرای مناسب شمع و نیلینگ
- کاهش اسلامپ بتن
- الیاف ماکروسنتیک
الیاف ماکروسنتتیک یا الیاف پلاستیک بتن، جهت افزایش کلیه مقاومت‌های بتن، اعم از فشاری و خمشی و کششی به کار می‌رود. این مواد که بیشتر در رنگ‌های سفید و خاکستری تولید می‌شوند، به منظور بهینه کردن سازه، جایگزین مناسب میلگرد هستند و نوع آجدار آنها، علاوه بر صرفه اقتصادی، به راحتی قابل دسترس است.
انواع الیاف بتن ماکرو که عمده ساختار آن نایلون، آکریلیک و پلی یورتان است، از مواد خام نفتی تهیه شده و رشته‌هایی در طول ۳ تا ۵ سانتی‌متر دارد. بکارگیری این الیاف در بتن، مکمل دیگر الیاف موجود در بتن است و استفاده از آن در بتن، سبب تقویت سه بُعد خواهد شد؛ چرا که قرار گرفتن این الیاف در بتن، مقاومت بتن را در تمام جهات بهبود می‌بخشد.
الیاف مصنوعی ماکرو به ویژه برای تقویت بتن ها در محیط های تهاجمی مانند سازه های دریایی و ساحلی مناسب هستند؛ زیرا همانند فولاد تحت تاثیر مشکلات مربوط به زنگ زدن و خوردگی قرار نمی گیرند. همچنین از آنجا که این الیاف های مصنوعی رسانا نیستند، در توسعه تراموا و راه آهن سبک نیز مورد استفاده قرار می گیرند.
- الیاف آرامید
این نوع الیاف با نام‌های مختلفی در بازار از جمله AFRP، کولار، پلی آمید معطر و آروماتیک پلی آمید شناخته می‌شوند و انواع مختلفی دارند. از میان گروه انواع الیاف بتن آرامید، الیاف معروف به کولار بسیار سبک (حتی سبک‌تر از الیاف کربنی و شیشه‌ای) هستند و مقاومت کششی، برشی و شیمیایی زیادی دارند، تا جایی که جلیقه‌های ضد گلوله را با این الیاف تولید می‌کنند. این الیاف برای سازه‌های واقع در شرایط محیطی شدید، بسیار مناسب بوده و پنج برابر مقاوم‌تر از الیاف شیشه و فولادی هستند. رنگ بیشتر این الیاف زرد است و هزینه ساخت و تولید آن بسیار زیاد است؛ تا جایی که این الیاف جزو گران‌ترین الیاف موجود به شمار می‌روند. به دلیل مقاومت خزش و دینامیکی بالا، از الیاف کولار در سازه‌های خاص و بتن‌های پاششی استفاده می‌شود. افزایش طول این الیاف حدود ۴% است و این الیاف، جایگزین بسیار خوبی برای سیمان آزبستی هستند. به طور کلی این الیاف، ۲% حجمی بتن مصرف می‌شوند؛ البته میزان دقیق مصرف آن در هر پروژه، بنا بر شرایط خاص پروژه تعیین می‌شود.
- الیاف طبیعی
الیاف طبیعی مانند الیاف گیاهی از سایر الیاف ارزان ترند. با این حال برای دستیابی به کنترل ترک خوردگی، اغلب حجم زیادی از الیاف طبیعی لازم است. مخلوط کردن الیاف طبیعی با سایر مواد و توزیع مساوی آن در سراسر بتن به سختی انجام می شود. بنابراین برای جلوگیری از مشکلات اختلاط و اطمینان از توزیع یکنواخت الیافت در بتن، ممکن است به یک فوق روان کننده نیاز باشد. از آنجا که الیاف طبیعی جذب آب بسیار زیادی نسبت به الیاف مصنوعی داشته و عایق حرارتی مطلوبی نسبت به نوع ساخته شده توسط انسان دارند، می‌توان با توجه به ساختار مناسب آن، بهترین الیاف مصنوعی را تولید نمود تا با رفع نواقص آن، نمونه‌ای عالی و با کیفیت به دست مصرف‌کننده برسد.
- الیاف سلولزی
الیاف سلولزی از دیگر انواع الیاف بتن محسوب می شود که به دلیل مقاومت بسیار بالا و اتصال با پلی فنول های طبیعی باعث شده تا برای تقویت بتن استفاده شوند. از انواع الیاف سلولزی می توان نمونه های ساخته شده از پنبه، کتان و برگ مختلف گیاهان و جوت را نام برد. بهترین روش استفاده از الیاف سلولزی در بتن، مرطوب کردن آنها قبل از اضافه شدن به ساختار بتن است با این حال باید آب کمی به این الیاف اضافه کرد و عمل آوری بتن با دقت انجام شود.
- الیاف آزبستی
فیبرهای معدنی آزبست از دیگر انواع الیاف بتن هستند که به راحتی در دسترس بوده و ارزان قیمت می باشند. ویژگی این نوع فیبرها، مقاومت در برابر حرارت و گرما، مواد شیمیایی و عوامل محیطی است بنابراین می توان برای ساخت بتن سازنده لوله ها، المان های کاروگیت و غیره استفاده نمود. با این حال به دلیل اینکه آزبست خطرات زیادی برای سلامت کارکنان دارند امروزه استفاده از آن بسیار محدود شده است.
مزایای الیاف بتن
به طور کلی با استفاده از اضافه کردن الیاف بتن به ساختار مخلوط بتن یا ملات ماسه سیمان می توان به مزایای زیر دست پیدا کرد:
- مقاوم سازی در برابر پوسته پوسته شدن و سایش سطحی بتن
- افزایش کلیه مقاومت های بتن در برابر مواد و عوامل مختلف
- بهبود وضعیت بتن در برابر خستگی و فشارهای ضربه ای
- کاهش چشمگیر هزینه های خرید، انبارداری و اجرا
- شکل پذیری و انعطاف پذیری بیشتر ساختار بتن
- کاهش میزان مصرف برخی از مکمل های بتن
- بازدارندگی در برابر ترک خوردگی و انقباض
- مقاوم سازی در برابر حریق و اشتعال پذیری
- بالاتر بردن کرنش و کاهش نفوذپذیری بتن
کاربرد الیاف بتن
بسته به اینکه کدام یک از انواع الیاف بتن تولید شده باشند، کاربردهای مختلفی پیدا می کنند. برخی از حوزه های کاربرد الیاف بتن عبارتند از:
- لایه بندی داخلی تونل ها
- تثبیت سازی شیب زمین
- ساختارهای هیدرولیکی
- ساخت لوله های بتنی
- پارکینگ هواپیما
- عرشه های بلند
- منهول سازی
- پیاده روها
- دیوارکشی
- سدسازی
- جاده ها
- پل ها
- باندها
و غیره.
عوامل مؤثر بر خصوصیات و ویژگی های الیاف بتن
الیاف بتن، ترکیبات کامپوزیت متشکل از فیبرهای مختلف در ماتریکس یا زمینه سیمانی هستند که به شکل منظم یا تصادفی در آن پخش شده اند. خصوصیات و ویژگی های این نوع الیاف تحت تأثیر عوامل مختلفی است که عبارتند از :
- سختی نسبت به زمینه الیاف
مدول الاستیسیته ماتریکس یا زمینه باید خیلی پایینتر از الیاف مورد استفاده برای انتقال تنش باشد به همین دلیل الیاف نایلونی و پلی پروپیلنی گزینه های خوبی هستند. الیافی که مدول بالایی دارند مثل فولاد و شیشه و کربن مقاومت و سختی بیشتری به بتن می دهند اما در مقابل الیاف با مدول الاستیسیته پایین قابلیت جذب انرژی و درجه سختی بیشتری می دهند.
- سایز دانه های درشت بتن
سایز دانه های درشت بتن باید نهایتا تا میزان ۱۰ میلیمتر باشد در غیر این صورت استحکام نهایی کامپوزیت کاهش شدیدی پیدا خواهد کرد. سایش بین الیاف و بین الیاف و دانه های بتن بر روی جهت گیری و نحوه پراکنش الیاف تأثیر می گذارد. حتی افزودنی هایی که برای کاهش سایش و بهبود وضعیت بتن استفاده می شوند نیز اثرگذار هستند.
- کارپذیری و فشردگی بتن
کارپذیری و فشردگی بتن تأثیر زیادی روی الیاف بتن می گذارد به نحوی که با افزایش نسبت آب به سیمان کارپذیری و فشردگی نهایی افزایش پیدا می کند.
- شیوه مخلوط کردن
کارپذیری و فشردگی بتن تأثیر زیادی روی الیاف بتن می گذارد به نحوی که با افزایش نسبت آب به سیمان کارپذیری و فشردگی نهایی افزایش پیدا می کند.
- جهت گیری الیاف
یکی از عوامل مؤثر بر ویژگی ها و خصوصیات الیاف بتن، جهت گیری آنها در ساختار و سازه بتنی استفاده شده است. جهت گیری ممکن است به شکل تصادفی یا با نظم و جهت گیری خاص باشد. بهترین نوع، مدل هایی هستند که الیاف اضافه شده به بتن به موازات فشار و بار وارد شده به بتن قرار گرفته شده باشند چون در این حالت مقاومت کششی، درجه سختی و استحکام آن بیشتر می شود.
- حجم الیاف
حجم و مقدار الیاف مورد استفاده در بتن تأثیر زیادی روی قدرت و استحکام الیاف بتن دارند و رابطه خطی مستقیم بین این دو مورد وجود دارد. هر چقدر درصد الیاف مورد استفاده بیشتر باشد، احتمال جمع شدگی و سختی و زبری بتن و ملات بیشتر خواهد شد.
- ابعاد نسبی
ابعاد نسبی و رفتار کامپوزیت به ابعاد نسبی الیاف تعبیر شده است که باید تا عدد ۷۵ بیاید چرا که مقادیر بالاتر از آن استحکام و درجه سختی بتن را کمتر می کند.
