محتوای علمی

بتن الیافی(FRC)

بتن مسلح با الیاف (FRC) بتنی است که در درجه اول از سیمان، سنگدانه ها و الیاف تقویت کننده گسسته ساخته می شود. الیاف مناسب برای تقویت بتن از فولاد، شیشه و پلیمرهای آلی (الیاف مصنوعی) تولید شده است. از الیاف آزبست و الیاف سبزیجات، مانند سیسال(sisal) و جوت(jute)، نیز برای تقویت استفاده می شود.

مواد شکننده، شکل پذیری قابل توجهی پس از ترک خوردن ندارند. کامپوزیت های الیافی به منظور ارائه خواص مکانیکی بهبود یافته تولید و در دست ساخت هستند. این ماتریس های شکننده غیر مسلح هنگامی که تحت تنش قرار می گیرند،  در ابتدا به طور الاستیک تغییر شکل می دهند. پاسخ الاستیک توسط ترک های خرد، ترک های بزرگ موضعی و در نهایت شکستگی را به دنبال دارد. ورود الیاف به بتن منجر به تغییرات پس از ارتجاع می شود که ، بسته به عوامل مختلفی از جمله مقاومت ماتریس، نوع الیاف، مدول الیاف، نسبت ابعاد الیاف، مقاومت الیاف، ویژگی های پیوند سطح الیاف، تاثیرات محتوای الیاف، جهت گیری الیاف و اندازه کل است. برای بسیاری از کاربردهای عملی، در ابتدا الیاف باعث افزایش مقاومت در ترک نمی شود. در این موارد، مهمترین افزایش مقاومت حاصل از الیاف، پاسخ ترکیبی پس از ترک خوردن است. این امر معمولاً از طریق آزمایش چقرمگی (مانند اندازه گیری سطح زیر منحنی تغییر شکل بار) ارزیابی و کنترل می شود.

در صورت مهندسی صحیح، یکی از بزرگترین مزایایی که با استفاده از تقویت کننده الیاف به دست می آید، بهبود قابلیت سرویس دهی طولانی مدت سازه یا محصول است. قابلیت سرویس دهی سازه یا قطعه خاص برای حفظ مقاومت و یکپارچگی آن و تأمین عملکرد طراحی شده آن در طول عمر مورد نظر است. 

یکی از جنبه های قابلیت سرویس که می تواند با استفاده از الیاف افزایش یابد، کنترل ترک خوردگی است. الیاف می توانند از وجود عرض زیاد ترک که ناخوشایند است جلوگیری کنند که عرض زیاد ترک اجازه ورود آب و آلاینده ها را می دهند و باعث خوردگی فولاد تقویت کننده یا تخریب احتمالی بتن می شوند. علاوه بر مزایای کنترل ترک و کارایی، استفاده از الیاف با درصد حجم بالا (5 تا 10 درصد یا بیشتر با تکنیک های تولید خاص) می تواند مقاومت کششی ماتریس را به میزان قابل توجهی افزایش دهد .

کاربردهای عملی

در آفریقا ، بتن مسلح با الیاف سیزال به طور گسترده ای برای ساخت کاشی های سقف ، ورق های راه راه ، لوله ها ، سیلوها و مخازن گاز و آب مورد استفاده قرار گرفته است.از ملات و سیمان با الیاف تقویت شده چمن فیل در زامبیا برای ساخت خانه های کم هزینه استفاده می شود ، در حالی که الیاف چوب و سیزال برای ساخت پوشش پانل کامپوزیت سیمان ، لبه های جلو ، پایه ها و عایق صدا و آتش استفاده می شود.

سیمان تقویت شده با الیاف کاغذ کرافت کاربردهای عمده تجاری در ساخت ورق های مسطح و موجدار ، لوله های بدون فشار ، گودال کابل و خمیر سیمان تقویت شده با الیاف بیرونی یا محصولات ملات برای باغبانی پیدا کرده است. دوام این محصولات در مواجهه با فضای باز با تقریباً 10 سال استفاده تجاری از این مواد ثابت شده است.

مواد و اختلاط

1- نسبت های مخلوط - نسبت های مخلوط برای بتن مسلح با الیاف طبیعی فرآوری نشده قابل تعمیم نیست زیرا انواع الیاف طبیعی وجود دارد که می تواند در ترکیب با سایر مواد استاندارد مانند سیمان ، پوزولان ها ، سنگدانه های ریز ، آب و مواد افزودنی استفاده شود.

انواع الیاف طبیعی قابل استفاده با این مواد استاندارد عبارتند از: باگاس ، سیزال ، جوت ، نارگیل ، موز و نخل. شرح مختصری برای هر یک از اجزای سازنده ای که برای بدست آوردن بتن مسلح الیافی استفاده می شود ، در زیر آورده شده است.

2- سیمان - از سیمانی که مطابق با مشخصات استاندارد ASTM C 150 یا C 595 باشد می توان استفاده کرد. نوع سیمان توصیه شده نوع I است ، اگرچه می توان از سیمان نوع III (مقاومت بسیار زودرس) برای کاهش عقب ماندگی سخت شدن ناشی از گلوکز موجود در اکثر الیاف طبیعی استفاده کرد.

3- سنگدانه ها - سنگدانه ها باید الزامات درجه بندی مشخص شده توسط ASTM C 33 ، مشخصات استاندارد برای سنگدانه های بتن را داشته باشند.

4- آب و مواد افزودنی - آبی که برای مخلوط استفاده می شود باید تمیز و با کیفیت باشد. از مواد افزودنی مانند عوامل تسریع کننده ممکن است به منظور کاهش تأثیر بازدارنده گلوکز استفاده شود. اگر از میلگردهای فولادی ملایم به عنوان تقویت کننده اضافی استفاده نشود ، می توان از کلرید کلسیم استفاده کرد. به منظور افزایش کارایی هنگام گچ کاری ، می توان مواد افزودنی کاهنده آب و عوامل کاهنده آب با دامنه بالا را اضافه کرد. برای جلوگیری از حمله باکتریایی فیبرهای آلی استفاده از میکروبیوسید آلی تشویق می شود.

5-الیاف - طول الیاف ممکن است از 1 تا 20 اینچ (25 تا 500 میلی متر) متغیر باشد. از آنجا که الیاف مواد طبیعی هستند ، از نظر قطر و طول یکنواخت نیستند. مقادیر معمول قطر برای الیاف طبیعی فرآوری نشده از 0.004 تا 0.03 اینچ (0.10 تا 0.75 میلی متر) متغیر است [5.2]. خصوصیات مکانیکی الیاف در جدول 5.2 خلاصه شده است.

6- روشهای اختلاط - دو روش اختلاط و قرار دادن (1) مخلوط مرطوب و (2) مخلوط فشرده خشک است. در مخلوط مرطوب ، کسری از حجم کم الیاف استفاده می شود. آبی که باید به مخلوط اضافه شود باید محتوای بالای آب طبیعی در الیاف طبیعی را در نظر بگیرد. روش اختلاط باید با روند ASTM C 94 و بخشهایی از توصیه های ACI 304 مطابقت داشته باشد. دسته های آزمایشی توصیه می شود و یک کارخانه دسته بندی مورد نیاز است. روش اختلاط توصیه شده افزودن سیمان با آب و مواد افزودنی برای تشکیل دوغاب است. سپس سنگدانه های ریز اضافه می شوند. در آخر ، الیاف اضافه شده و در دوغاب پخش می شود. نمونه گیری طبق استاندارد ASTM C 172 و C 685 انجام می شود. برای آزمایش مقاومت فشاری و خمشی ، ASTM C 39 و C 78 دنبال می شود.

مخلوط فشرده خشک به طور کلی برای پروژه های صنعتی یا نیمه صنعتی استفاده می شود. در مخلوط فشرده خشک ، کسر حجمی الیاف مورد استفاده حدود 10 برابر کسر حجمی است که در مخلوط مرطوب استفاده می شود. الیاف برای این نوع مخلوط در شرایط سطح اشباع شده قرار دارند. دسته های آزمایشی توصیه می شود. روش اختلاط توصیه شده افزودن الیاف در شرایط سطح اشباع و خشک به سیمان و سنگدانه ها و سپس افزودن مقدار بسیار محدودی آب است. مخلوط کردن را می توان با دست انجام داد ، اگرچه مخلوط کردن طبق ASTM C 94 توصیه می شود. برای مقاومت فشاری و خمشی ، ASTM C 39 و ASTM C 78 دنبال می شوند. نمونه مخلوط خشک ریخته می شود و پس از آن فشار وارد می شود زیرا آب بسیار کمی یا به آب اضافه نمی شود.

درصد حجمی الیاف طبیعی فرآوری نشده مورد استفاده در مخلوط بسته به نوع الیاف استفاده شده و روش ساخت از 3 تا 30 درصد متغیر است. نسبت مخلوط معمول برای بتن مسلح با الیاف نارگیل هم برای مخلوط مرطوب و هم برای مخلوط خشک فشرده در جدول 5.3 ارائه شده است.

روش های تولید

از روش آبگیری دوغاب معمولاً برای تولید سیمان و بتن های تقویت شده با الیاف فرآوری شده استفاده می شود. در این روش ، محصول سیمان الیافی از دوغاب رقیق (حدود 20 درصد مواد جامد) از سیمان الیاف یا ملات الیاف تشکیل می شود. آب اضافی از طریق اعمال آبگیری خلا و فشار از دوغاب خارج می شود. سپس محصول در هوا و یا در اتوکلاو پخت می شود تا مقاومت و سایر خواص مکانیکی آن افزایش یابد. تولید صنعتی این کامپوزیت اکنون در اروپا ، استرالیا ، آمریکای شمالی ، آمریکای جنوبی ، آسیا و آفریقای جنوبی با استفاده از الیاف چوب کرافت با نتایج خوب انجام می شود.

روش های دستی را می توان با روش های مشابه روش های مورد استفاده در ساخت کامپوزیت های گچ سیزال نیز استفاده کرد . در این حالت ، الیاف را با دست به داخل دوغاب سیمان و ماسه ریز می چرخانند و با غلتک دندانه دار فشرده می شوند. واضح است که این روش کند و پر کار است و در کشورهایی که نیروی کار کمبود و گران است استفاده نمی شود. این روش برای تولید تخته های تقویت شده با خمیر چوب کرافت مناسب نیست زیرا الیاف به اندازه کافی طولانی نیستند.

بتن تقویت شده با الیاف طبیعی (NFRC)

الیاف کوتاه ناپیوسته به طور گسترده ای در هر دو نوع FRC در سراسر جهان استفاده می شود. بتن های تقویت شده با الیاف طبیعی معمولاً با NFRC نامیده می شوند.

بسیاری از مواد تقویت کننده طبیعی را می توان در سطح پایین هزینه و انرژی با استفاده از نیروی انسانی موجود و دانش فنی به دست آورد. از این نوع الیاف در ساخت محتوای بتن مسلح الیافی کم الیاف و بعضاً در ساخت ورق نازک با محتوای الیاف بالا استفاده می شود.

این الیاف به طور معمول به عنوان الیاف طبیعی فرآوری نشده (UNF) شناخته می شوند.

با این حال ، الیاف طبیعی دیگری نیز در دسترس هستند که برای افزایش خواص آنها پردازش شده اند. این الیاف توسط فرآیندهای شیمیایی مانند فرآیند کرافت از چوب بدست می آیند. الیاف خمیر کاغذ کرافت در فرآیندهای پیچیده تولید ، مانند فرآیند Hatschek ، برای تولید ورق نازک با محتوای الیاف بالا استفاده می شود. این الیاف به طور معمول به عنوان الیاف طبیعی فرآوری شده (PNF) و بتن های ساخته شده از آنها به عنوان بتن های تقویت شده با الیاف طبیعی فرآوری شده (PNFRC) شناخته می شوند.

اگرچه در طول تاریخ از الیاف زیادی برای تقویت مصالح ساختمانی مختلف استفاده می شده است ، اما تا همین اواخر تلاش علمی کمی به استفاده از الیاف طبیعی برای تقویت انجام شده است. استفاده از برخی از شناخته شده ترین الیاف طبیعی مانند سیزال ، نارگیل ، باگاس نیشکر ، چنار (موز) ، نخل و غیره ، بیشتر محدود به تولید پارچه ، طناب ، تشک و ... بوده است.