بتن الیافی چیست؟ انواع آن کدام است؟

با پیشرفت و توسعه صنعت ساخت بتن، مواد ویژه، تکنیک ها و روش هایی جهت افزایش مقاومت بتن به دست آمده است. از آنجایی  که هر چه مقاومت فشاری بتن بیشتر می شود بتن ترد و شکننده تر می گردد و مقاومت کششی بتن به نسبت افزایش مقاومت فشاری بتن افزایش نمی یابد، استفاده از الیاف در بتن های پرمقاومت، رایج و ضروری می باشد.

بتن الیافی چیست؟

بتن الیافی (Fiber Reinforced Concrete) نوعی کامپوزیت سیمانی تقویت‌شده است که شامل بتن معمولی (سیمان، آب و سنگدانه) و مقادیر کنترل‌شده‌ای از الیاف تقویت‌کننده می‌باشد. این الیاف عمدتاً کوتاه و بسیار نازک هستند و به صورت تصادفی و نسبتاً یکنواخت در سراسر بتن توزیع می‌شوند تا عملکرد کامپوزیت بهینه شود. حضور الیاف به‌ویژه در کنترل ترک‌خوردگی و افزایش مقاومت کششی بتن، همچنین افزایش دوام و مقاومت در برابر ضربه و خستگی مؤثر است و رفتار سازه‌ای و دوام آن را بهبود می‌بخشد. در میان انواع بتن‌های الیافی، بتن حاوی الیاف فولادی رایج‌ترین و پرکاربردترین نوع محسوب می‌شود.

کاربردهای بتن الیافی

• ساختمان راکتورهای اتمی
• سازه‌هایی با شرایط خاص در معرض انفجار  وضربه‌های شدید
• مناطق حساس نظامی
• ساخت جاده ها
• باند فرودگاه ها
• پوشش تونل
• ساخت پل
• طبقات انبار
• پارکینگ هواپیما
• کفپوش صنعتی
• دیوارها
• تاسیسات لوله گذاری
• بندر ها
• ساختار هیدرولیک
• عرشه های طویل
• بتن نسوز
• شمع ها
• سازه های واقع در نواحی زلزله خیز
• سازه های پوسته ای نازک و گنبد ها
• پیاده رو ها
• تبیت شیب
• تولید انواع دال و قطعات پیش ساخته

انواع الیاف بتن

برای تقویت بتن با استفاده از الیاف، از انواع مختلف الیاف بهره گرفته می‌شود. انواع الیاف بتن عبارتند از:

• الیاف فولادی (مطابق ASTM A820)
• الیاف شیشه ای (مطابق ASTM C1666)
• الیاف طبیعی (مطابق ASTM D7508)
• الیاف مصنوعی (مطابق ASTM D7357)

الیاف فولادی بتن

مطابق استاندارد  ASTM A820 الیاف فولادی به ۴ دسته تقسیم می شوند که شامل:

• الیاف سیم فولادی کشیده شده سرد
• الیاف برده شده از وزق
• الیاف استخراج شده از مذاب
• الیاف بریده شده از میلگرد یا مفتول نورد شده

همچنین، الیاف فولادی بر اساس شکل ظاهری به انواع مختلفی مانند مستقیم، قلاب‌دار و موج‌دار و بر اساس اندازه به دو گروه میکرو و ماکرو تقسیم‌بندی می‌شوند.

انواع بتن الیافی

بتن ها با توجه به نوع الیافی که با آنها تقویت می‌شوند در انواع زیر تقسیم می‌شوند.

• بتن با الیاف فولادی
• بتن با الیاف شیشه ای
• بتن با الیاف طبیعی
• بتن با الیاف مصنوعی

در این قسمت به بررسی هرکدام از انواع FRC می‌پردازیم:

بتن الیافی فولادی

بتن الیافی فولادی (SFRC) Steel Fiber Reinforced Concrete شامل سیمان، سنگدانه ها، آب و مقداری از رشته های گسسته و درهم فولادی (معولا فولاد کم کربن) با فرم های طولی و سطح مقطع های مختلف هستند که باعث مسلح شدن فولاد در همه ی جهات می شود. با اضافه کردن مقدار معینی از الیاف فولادی می توان تغییراتی در جهت بهبود خواص  بتن ایجاد کرد. از جمله این تغییرات می توان به مقابله با پخش ترک، افزایش مقاومت در مقابل خستگی و ضربه و جمع شدگی و تنش حرارتی، افزایش دوام و استحکام، افزایش شکل پذیری تحت تمام حالات بارگذاری اشاره کرد. از بتن با الیاف فولادی در کفپوش ها، پل، تونل و روسازی های سنگین استفاده می شود.

به طور کلی برای کاربرد در سازه ، الیاف فولادی می تواند نقش مکملی برای میلگرد داشته باشند.  در این حالت ابتدا آرماتور گذاری انحام می شود و قالب بندی با قالب بتن فلزی صورت می گیرد و در نهایت بتن همراه با الیاف در قالب ریخته می شود. الیاف فولادی می توانند در همه ی مدل های شکست روی خواص مکانیکی بتن تاثیر بگذارند.

برای بتن های با مقاومت فشاری بیشتر از ۶۰ مگاپاسکال، مقاومت کششی الیاف فولادی مصرفی بایستی بیشتر از ۱۵۰۰ مگاپاسکال باشد تا رفتار ترد عضو بتنی جلوگیری شود.(مبحث ۹ مقررات ملی ساختمان ۹-۹-۳-۲-۳)

بتن الیافی شیشه ای

الیاف شیشه ای (GFRC) Glass Fiber Reinforced Concrete دارای مقاومت کشسانی بالا و مقاومت بالا در برابر مواد قلیایی می باشد همچنین چسبندگی و کشسانی بالا دارد و می تواند مقاومت برشی و پیچشی مناسب به وجود آورد. استفاده از الیاف شیشه ای در بتن باعث افزایش طول عمر بتن و بهبود عمر سازه خواهد شد. الیاف شیشه ای از اقتصادی ترین و گسترده ترین انواع الیاف می باشد.

الیاف شیشه ای از اکسیدهای متنوعی همچون اکسید سدیم، سلیس، آهک و… ساخته می شود. فرایند آماده سای الیاف شیشه ای شامل آماده سازی مواد خام، اختلاط، ذوب، بوشینگ، تشکیل الیاف و آهار‌زنی می باشد. برای تهیه ی بتن الیافی با الیاف شیشه باید نسبت آب به سیمان کم باشد. قطعات بتنی با الیاف شیشه به دو روش پاشش و پیش مخلوط ساخته می شود.

بتن با الیاف طبیعی

الیاف طبیعی (NFRC) Natural Fiber Reinforced Concrete به طور کاملا ارگانیک از موی حیوانات، چوب، انواع میوه و گیاهان تولید می شود و دارای مقدار زیادی سلولز با خاصیت کشسانی بالاست. این الیاف اولین موادی بود که برای تولید و ساخت بتن الیافی استفاده شد. این الیاف فراوانی بیشتر و دسترسی سریع تر نسبت به بقیه الیاف دارد.

الیاف طبیعی را می توان در سه دسته گیاهی (پنبه، کتان، چتایی، کنف)، حیوانی (پشم، مو و ابریشم) و معدنی (پنبه نسوز) طبقه بندی کرد. همچنین الیاف طبیعی در دو دسته فراوری شده و فراوری نشده وجود دارند. الیاف طبیعی فراوری نشده (UNF) شامل چوب نارگیل و پنبه و چوب و غلات و کاه و جوت و… می باشند و بتن با الیاف طبیعی فراوری نشده، (UNFRC) می باشد. اگر روی این مواد فرایند های شیمیایی انجام شود این الیاف فراوری شده می باشند و بتن های تقویت شده با این الیاف PNFRC می باشد.

بتن با الیاف مصنوعی

الیاف مصنوعی به دو دسته میکرو و ماکرو طبقه بندی می شوند.

الیاف ماکرو

یک الیاف مصنوعی ساختاری و ترکیبی از پلیمرهاست. ساختار این الیاف از نایلون، پلی یورتان و اکرلیک می باشد. الیاف ماکرو جایگزین خوبی برای الیاف فولادی هستند. این الیاف دارای مقاومت کششی بالا (حدود 600MPa) و مدول الاستیسیته بالا (حدود 10GPa) هستند. این الیاف دارای نقطه ذوب بالا هستند به همین دلیل دارای مقاومت حرارتی بالا می باشند. همچنین وزن سبک تر از فولاد و شیشه دارند و غیر رسانا هستند. از بتن تقویت شده با الیاف مصنوعی ماکرو در محیط های تهاجمی سازه های دریایی و ساحلی استفاده می شود زیرا دچار خوردگی نخواهند شد.

الیاف میکرو

این الیاف ضخامت کمتری نسبت به الیاف ماکرو دارند و دارای قطری کمتر از ۰/۳ میلی متر می باشند. به همین علت به طور یکنواخت سراسر بتن پخش می شوند و مقاومت سطوح به طور یکسان افزایش می یابد. در ملات این الیاف به جای آب از روان کننده مخصوص الیاف میکرو استفاده می شود. الیاف میکرو باعث کنترل و محافظت در برابر ضربه خواهد شد و از مزایای آن می توان به کنترل و محافظت در برابر ضربه و کاهش ترک های ناشی از جمع شدگی بتن اشاره کرد.

انواع الیاف مصنوعی شامل کربن، آرامید، اکرلیک، نایلون، پلی استر، پلی اتیلن، پلی پروپیلن می باشد.

بتن مسلح به الیاف پلی پروپیلن

الیاف پلی پروپیلن (PFRC) Polypropylene Fiber Reinforced Concrete به عنوان یک ماده کنترل کننده ترک خوردگی ناشی از جمع شدگی پلاستیک و جمع شدگی ناشی از خشک شدن برای بتن می باشد. همچتین نفوذ پذیری بتن را کاهش می دهد. الیاف پلی پروپیلن ماده سفید ناهموار با مقاومت شیمیایی بالاست که از گاز پروپیلن در حضور کاتالزور(مانند کلرید تیتانیوم) ساخته می شود. از مزایا بتن تقویت شده با این الیاف می توان به عایق حرارتی بسیار خوب، مقاوم در برابر اسید و قلیا، شکل پذیری بالا و مقاومت بالا در برابر سابش و ضربه اشاره کرد.

بتن مسلح شده با الیاف کربن

الیاف کربن (CFRC) Carbon Fiber Reinforced Concrete دارای دو نوع می باشند؛ الیاف بر پایه PAN و الیاف بر پایه قیر که از میان این دو، الیاف بر پایه PAN دارای خصوصیات بهتری می باشد و گرانتر است. الیاف کربن بسیار نازک هستند و دارای قطر ۵ تا ۱۰ میکرومتر می باشند. این الیاف حدود یک سوم الیاف فولادی وزن دارند اما مقاومت کششی آنها ۱۰ برابر الیاف فولادی می باشد. از ویژگی الیاف کربن می توان به استحکام بالای خستگی، مقاومت در برابر خوردگی، استحکام کششی بالا، سختی زیاد، وزن کم، مقاومت شیمیایی بالا، تحمل دما بالا و انبساط حرارتی کم اشاره کرد. البته هزینه ها و شرایط ویژه نگهداری و مراقبت از فیبر کربن مانع استفاده گسترده از آن شده است.

طبقه بندی بتن الیافی بر اساس مقدار الیاف

بتن الیافی نوعی بتن مسلح است که بر اساس حجم و نوع الیاف مصرفی در بتن، به سه دسته ی زیر قابل طبقه بندی است:

حجم کم

حجم الیاف مصرفی در این نوع بتن کمتر از ۱ درصد است. کاربرد این نوع بتن در دال ها و رویاسازی ها می باشد. از مزیت های این نوع بتن می توان به پخش یکنواخت در بتن و حساسیت کمتر در برابر خوردگی و مقرون به صرفه بودن اشاره کرد.

حجم متوسط

حجم الیاف مصرفی در این نوع بتن بین ۱تا ۲ درصد می باشد. کاربرد این نوع بتن در ساخت بتن های شاتکریت، سازه هایی که نیاز به جذب انرژی بالا و افزایش مقاومت در برابر ضربه و افزایش مقاومت خستگی دارند، می باشد. این حجم از الیاف باعث افزایش مدول گسیختگی، افزایش سختی و افزایش مقاومت ضربه ای بتن می شود.

حجم بالا

در این نوع بتن حجم الیاف مصرفی بیش از ۲ درصد می باشد. استفاده از حجم زیاد الیاف منجر به سختی کرنشی می شود. بتن نقویت شده با الیاف در حجم بالا به عنوان بتن مسلح توانمند شناخته می شوند.

عوامل تاثیر گذار بر کیفیت بتن الیافی

تاثیر گذاری الیاف درکیفیت بتن به موارد زیر بستگی دارد:

• نوع و مقدار الیاف
• شکل و طول الیاف (مشخصات هندسی الیاف)
• مقاومت کششی الیاف
• مکانیزم مهاری و زبری سطح الیاف
• نسبت ظاهری (نسبت طول به قطر الیاف)
• مشخصات فیزیکی و جنس الیاف فولادی

انتخاب نوع و مقدار الیاف، خواص فیزیکی، طول و نسبت ظاهری و مقاومت کششی الیاف بایستی بر مبنای بهبود خاصیت مورد نظر بتن صورت پذیرد.

مطابق مبحث ۹ مقررات ملی ساختمان (۹-۹-۳-۱) الیاف در بتن نقش کنترل ترکها را دارد که بر مبنای آن، مقاومت ضربه، خستگی، مقاومت برشی، مقاومت خمشی باقی مانده (پس از ترک خوردگی عضو) و ظرفیت جذب انرژی بتن بهبود می یابد. اما تأثیرگذاری الیاف در بتن به نوع و مقدار الیاف، شکل، طول، نسبت ظاهری (نسبت طول به قطر الیاف)، مقاومت کششی و مکانیزم مهاری الیاف بستگی دارد.

طرح مخلوط بتن الیافی

تعیین نسبت مخلوط بتن الیافی مشابه بتن معمولی می باشد اما الیاف بر کارایی مخلوط بتن اثر دارد و باعث کاهش آن می شود و هرچه مقدار الیاف و طول آن بیشتر باشد، از کارایی، بیشتر کاسته می شود. بنابراین باید در تعیین نسبت مخلوط بتن یک یا چند از موارد به شرح زیر در اصلاح مخلوط اعمال گردد:

• کاهش مقدار شن
• افزایش مقدار سیمان (افزایش عیار بتن)
• افزایش مقدار ماسه
• استفاده از فوق روان کننده ها
• کاهش اندازه حداکثر شن

(مبحث ۹ مقررات ملی ساختمان ۹-۹-۳-۳-۱)

کاهش مقدار شن در مخلوط بتن یکی از مؤثرترین روشهای جلوگیری از افت کارایی ناشی از الیاف در مخلوط است. بین درصد وزنی کاهش شن و V(L/d) رابطه خطی وجود دارد که در آن V درصد حجم الیاف و L/d نسبت ظاهری الیاف است. برای مقدار V(L/d) از ۲۰ تا ۷۰ باید مقدار شن بین ۵ تا ۲۰ درصد کاهش یابد تا کارایی بتن مشابه بتن بدون الیاف تأمین گردد.

نکته: برای اندازه گیری کارایی بتن الیافی نباید از اسلامپ بتن استفاده شود، بلکه باید از مخلوط اسلامپ معکوس و یا آزمایش زمان وی بی استفاده شود.(مبحث ۹ مقررات ملی ۹-۹-۳-۳-۳)

برای جلوگیری از قلوه کن شدگی بتن در هنگام آتش سوزی، بایستی از الیاف پلی پروپیلین به مقدار ۰/۳۵ درصد حجم بتن استفاده شود. تشخیص ضرورت مقاومت در مقابل آتش سوزی به عهده کارفرما می باشد(مبحث ۹ مقررات ملی ساختمان ۹-۹-۳-۲-۵)

مزایا

• افزایش مقاومت در مقابل تورق، سایش و هوازدگی
• مقاومت بالا در برابر تنش خستگی
• طاقت زیاد
• قابلیت باربری زیاد بعد از ترک خوردگی
• افزایش ظرفیت کششی و برشی و خمشی
• مقاومت بالا در برابر ضربه
• قابلیت تحمل زیاد تنش و کرنش (تغییر شکل نسبی) در بار های کششی
• کاهش انقباضات و ترک خوردگی (ترک خوردگی از حالت متمرکز خارج و به صورت ترک های متعدد ظاهر می شود)
• افزایش میزان تغییر شکل غیر الاستیک و عدم افت
• افزایش یکپارچگی ملات
• بالا بردن ایمنی و دوام سازه
• افزایش سرعت ساخت
• افزایش میزان جذب انرژی
• کاهش فضای خالی در بتن
• بالا رفتن مقاومت در برابر پدیده کاویتاسیون

(در بتن الیافی مقاومت کششی ۳۰ الی ۴۰ درصد و مقاومت خمشی ۵۰ تا ۷۰ درصد و مقاومت فشاری تا ۱۵ درصد افزایش می یابد)

معایب بتن الیافی

بتن الیافی اگرچه مزایای قابل توجهی دارد، با معایبی نیز همراه است که در طراحی و اجرای سازه‌ها باید مد نظر قرار گیرد. در این قسمت به بررسی این معایب می‌پردازیم:

• گلوله شدن یا تجمع الیاف در هنگام اختلاط یکی از مشکلات رایج در بتن الیافی است، به‌ویژه در مورد الیاف فولادی، که می‌تواند توزیع یکنواخت آن‌ها در مخلوط را کاهش دهد و و عملکرد مقاومتی بتن کاهش یابد.
• توزیع نامتناسب الیاف در بعضی نقاط بتن از دیگر معایب این نوع بتن می باشد که ممکن است باعث کاهش کارایی و مقاومت کامپوزیت شود.
• از نظر اقتصادی، افزودن الیاف به بتن هزینه تولید را افزایش می‌دهد.
• حضور الیاف معمولا باعث کاهش روانی مخلوط و نیاز به افزودن روان‌کننده‌ها برای سهولت اختلاط و ریختن بتن می‌شود.

این معایب باید هنگام انتخاب نوع و میزان الیاف و روش اختلاط، به دقت مورد توجه قرار گیرند تا عملکرد سازه بهینه شود.

نکات اجرایی بتن الیافی

در اجرای مخلوط بتن بایستی نحوه افزودن الیاف به مخلوط کن و پرداخت سطح بتن الیافی را در نظر گرفت.

در هنگام افزودن الیاف به مخلوط کن و یا کامیون حمل بتن (تراک میکسر) دو روش زیر مجاز می باشد:

1. ابتدا مخلوط بتن آماده شده و سپس الیاف به تدریج به مخلوط اضافه گردد. در این روش پس از افزودن کامل الیاف، باید چرخش جام به مدت ۵ دقیقه با سرعت کم ادامه یابد.
2. الیاف همراه با سنگدانه به جام مخلوط کن تغذیه شود و سپس بقیه مصالح مخلوط اضافه گردد. (مقررات ملی ساختمان ۹-۹-۳-۴-۱)

نکته: برای انتخاب روش افزودن الیاف به بتن می توان به توصیه تولید کننده مراجعه کرد. به هر حال هر روشی که استفاده می شود، نباید کلوخه شدن الیاف در مخلوط بتن رخ دهد.(۹-۹-۳-۴-۲)

برای انتخاب نوع و مقدار الیاف و حصول اطمینان از عملکرد الیاف، تولید کننده موظف می باشد بر مبنای مستندات آزمایشگاهی اطلاعات مورد نیاز را ارائه کند، در غیر این صورت باید آزمایش های مربوط انجام شوند. (مبحث ۹ مقررات ملی ساختمان ۹-۹-۳-۲-۶)

در پرداخت سطح بتن الیافی نبایستی از ماله چوبی استفاده کرد، بلکه بایستی از ماله فلزی آلیاژی بهره گرفت. (مقررات ملی ساختمان ۹-۹-۳-۴-۳)

در هنگام استفاده از الیاف به خصوص نوع فولادی باید الزامات ایمنی شامل عینک و دستکش صنعتی در حد مطلوب استفاده شود. (مقررات ملی ساختمان ۹-۹-۳-۴-۴)

تذکر: مقاومت پیوستگی الیاف و خمیر سیمان در بتن نباید در حد کم باشد که در بارهای کم، الیاف به آسانی از خمیر سیمان بیرون کشیده شود و در حد زیاد نباشد که الیاف بدون جذب انرژی شکسته شوند. (مبحث ۹ مقررات ملی ساختمان ۹-۹-۳-۲-۴)