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 .
1 - جنبه های تاریخی
از زمان های بسیار قدیم از الیاف برای تقویت مواد شکننده استفاده می شده است. از کاه برای تقویت آجرهای ساخته شده با حرارت آفتاب و از موی اسب برای تقویت ملات و گچ استفاده می شد. یک خانه پوئبلو (گونه‌ای دهکده سرخ‌پوستی با خانه‌های خشتی و کاهگلی است که توسط برخی از قبایل در جنوب غربی ایالات متحده آمریکا پدید آمده بود) ساخته شده در حدود سال 1540، که گمان می رود قدیمی ترین خانه در ایالات متحده باشد، از خشت خورشید و با کاه ساخته شده است. در زمان های اخیر، استفاده تجاری گسترده از الیاف آزبست در یک ماتریس خمیر سیمان با اختراع فرآیند هاتچک (دستگاهی برای ساخت ورق های سیمانی الیافی) در سال 1898 آغاز شد. محصولات ساخت سیمان آزبست امروزه به طور گسترده در سراسر جهان استفاده می شود. با این حال، در درجه اول به دلیل خطرات بهداشتی مرتبط با الیاف آزبست، انواع الیاف های جایگزین در سراسر دهه 1960 و 1970 معرفی شدند.
در دوران مدرن، طیف گسترده ای از مواد مهندسی (از جمله سرامیک، پلاستیک، سیمان و محصولات گچی) الیاف را برای افزایش خواص کامپوزیت در خود جای دادند. از ویژگی های تقویت شده می توان به مقاومت کششی ، مقاومت فشاری ، مدول الاستیک ، مقاومت در برابر ترک، کنترل ترک، دوام، عمر خستگی، مقاومت در برابر ضربه و سایش، جمع شدگی، انبساط، مشخصات حرارتی و مقاومت در برابر آتش اشاره کرد.
در اوایل دهه 1960 در ایالات متحده، اولین تحقیق عمده برای ارزیابی پتانسیل الیاف فولاد به عنوان تقویت کننده بتن انجام شد . از آن زمان، مقدار قابل توجهی تحقیق، توسعه، آزمایش و کاربرد صنعتی بتن مسلح با الیاف فولاد اتفاق افتاده است.
استفاده از الیاف شیشه در بتن اولین بار در اتحاد جماهیر شوروی سوسیالیستی در اواخر دهه 1950 انجام شد .به سرعت مشخص شد که الیاف شیشه معمولی، مانند الیاف شیشه بوروسیلیکات، مورد حمله قرار می گیرند و در نهایت توسط قلیایی موجود در خمیر سیمان از بین می روند. کار توسعه قابل توجهی به سمت تولید نوعی الیاف شیشه مقاوم در برابر قلیایی حاوی زیرکونیا انجام شد . این امر منجر به تعداد قابل توجهی از محصولات تجاری شد. بیشترین استفاده از بتن مسلح با الیاف شیشه در ایالات متحده در حال حاضر برای تولید پانل های روکش معماری خارجی است.
تلاش های اولیه برای استفاده از الیاف مصنوعی (نایلون، پلی پروپیلن) به همان اندازه موفقیت آمیز نبود که از الیاف شیشه یا فولاد استفاده می کردند. با این حال، درک بهتر مفاهیم پشت تقویت الیاف، روش های جدید ساخت و انواع جدید الیاف آلی، محققان را به این نتیجه رسانده است که الیاف مصنوعی و الیاف های طبیعی می توانند بتن را با موفقیت تقویت کنند .
تحقیقات، توسعه و کاربردهای قابل توجهی از FRC در سراسر جهان در حال انجام است. علاقه صنعت و فرصت های بالقوه تجاری با ادامه پیشرفت های جدید در مصالح ساختمانی تقویت شده با الیاف مشهود است. این تحولات جدید در مقالات پژوهشی، سمپوزیوم های بین المللی و گزارشات پیشرفته صادر شده توسط جوامع حرفه ای گزارش شده است.
2 - تقویت شده با الیاف برضد بتن مسلح متعارف
بتن غیر مسلح دارای مقاومت کششی کم و ظرفیت کرنش کم در شکستگی است. این کاستی ها به طور سنتی با افزودن میله های فولادی تقویت کننده یا پیش تنیدگی برطرف می شوند. تقویت فولاد پیوسته است و به طور خاص در ساختار قرار دارد تا عملکرد بهینه شود. الیاف ناپیوسته هستند و به طور تصادفی در ماتریس بتن توزیع می شوند. اگرچه در حال حاضر توسط کمیته ACI 318 مطرح نشده است، اما الیاف در مصارف ساختاری با تقویت کننده های معمولی استفاده می شوند.
به دلیل انعطاف پذیری در روش های ساخت، بتن مسلح با الیاف می تواند یک ماده ساختمانی اقتصادی و مفید باشد. به عنوان مثال، پانل های روکش معماری بتن مسلح با الیاف شیشه نازک (1/2 تا 3/4 اینچ [13 تا 20 میلی متر] ضخامت) از نظر اقتصادی در ایالات متحده و اروپا مقرون به صرفه هستند. در اسلبهای درجه بندی، معدنکاری، تونل زنی و برنامه های پشتیبانی حفاری، به جای آرماتورهای یک پارچه جوش داده شده از بتن مسلح و الیاف مصنوعی استفاده شده است.
3 - بحث در مورد انواع الیاف
انواع مختلفی از الیاف برای استفاده تجاری و تجربی در دسترس است. دسته های اصلی الیاف، مواد فولادی، شیشه ای، مصنوعی و الیاف طبیعی هستند.
4 - جنبه های تولید
برای مخلوط های بتنی یکسان، افزودن الیاف منجر به از دست رفتن اسلامپ می شود که توسط ASTM C 143 اندازه گیری می شود. این افت با افزایش نسبت ابعاد الیاف یا مقدار الیاف اضافه شده، بزرگتر می شود. با این حال، این افت لزوما به معنای از دست دادن کارایی مربوطه نیست، به ویژه هنگامی که از لرزش هنگام قرار دادن استفاده می شود. از آنجا که اسلامپ اندازه گیری مناسبی برای کارایی نیست، توصیه می شود برای ارزیابی کارایی مخلوط های FRC تازه از آزمون اسلامپ مخروطی (ASTM C 995) یا تست Vebe (برای سنجش کارایی بتن تازه) استفاده شود.
الیاف با نسبت ابعاد بالا به دلیل مقاومت زیاد در برابر خروج از ماتریس، در بهبود عملکرد موثرتر هستند. یک اثر مخرب استفاده از الیاف با نسبت ابعاد بالا، احتمال بالا زدن الیاف در هنگام اختلاط است. تکنیک های حفظ مقاومت در برابر کشش بالا در حالی که نسبت ابعاد الیاف را کاهش می دهد شامل بزرگ شدن یا قلاب زدن انتهای الیاف، خشن شدن سطح آنها یا چین خوردگی برای تولید یک پروفیل موجدار و نه الیاف مستقیم است.
یا توسط فرآیند پاشش یا فرایند مخلوط تولید می شوند. در فرآیند پاشش، الیاف شیشه خرد شده و همزمان با دوغاب سیمان/ ماسه پاشیده شده روی فرم هایی تولید می شوند که صفحات نسبتاً نازکی از 1/2 تا 3/4 اینچ (13 تا 20 میلی متر) ضخامت دارند. در فرآیند مخلوط، الیاف شیشه داخل مخلوط ملات یا بتن ریخته می شود، قالب گیری می شود ، ویبره می شود یا لغزش ایجاد می شود. مخلوط های ملات الیاف شیشه نیز برای اتصال سطحی، پاشش و یا بتن ریزی تولید می شوند.
به طور کلی در فرآیندهای گروهی و نه به طور مداوم مخلوط می شوند. با این حال، برخی از مخلوط های خشک که از پیش بسته بندی شده استفاده می شوند. که محصولات ورق تخت که تحت فشار، اکسترود یا آبگیری در خلا قرار دارند نیز تولید شده اند. الیاف بلند در بهبود عملکرد پس از مکیدن موثر هستند، اما با افزایش طول الیاف، ممکن است با مشکل گلوگه شدن روبه رو شود. تکنیک های افزایش مقاومت در برابر کشش، در حالی که الیاف را به اندازه کافی کوتاه نگه می دارد تا از گلوله شدن جلوگیری کند، شامل ایجاد سطح و تقسیم سطح برای تولید انشعاب و لنگر مکانیکی (لخته شدن) است.
شکل 1.1 - محدوده بار در برابر منحنی های انحراف برای ماتریس تقویت نشده و بتن مسلح با الیاف
4-4-بتن های تقویت شده با الیاف طبیعی (NFRC)
برای خنثی کردن اثرات گلوکز در الیاف، نیاز به توجه خاص در نسبت اختلاط دارد. فرآیندهای گروهی مخلوط مرطوب و روش های مخلوط مرطوب فشرده در محیط های تولید گیاه استفاده می شود.
مطالب مرتبط را در اینجا میتوانید ببینید:
فن آوری ها در حال توسعه
رئولوژی ( کارایی ) و کاربرد های بتن تقویت شده با الیاف
بتن های تقویت شده با الیاف فولادی (SFRC)
بتن های تقویت شده با الیاف شیشه (GFRC)
بتن های تقویت شده با الیاف مصنوعی (SNFRC)
بتن های تقویت شده با الیاف طبیعی (NFRC)
مراجع
ACI544.1R-96, "State of The Art Report on The Fiber Reinforced Concrete
Kassimi, Fodhil, and Kamal H. Khayat. "Mechanical properties of fiber-reinforced concrete with adapted rheology." Cement and Concrete Composites 118 (2021): 103958
دوستانتان را به خواندن این مطلب دعوت کنید:
