بتن مسلح به الیاف نارگیل

نارگیل میوه ای است که از درخت نخل نارگیل به دست می آید. کشت درختان میوه دار نارگیل محدود به نواحی گرمسیری آفریقا، آسیا و آمریکای مرکزی می شود. و شش بیرونی یک میوه رسیده نارگیل که غلاف نامیده می شود از یک پوسته سخت مقدار زیادی الیاف مدفون شده در یک ماده نرم تشکیل شده است. الیاف مدفون شده که از هم پاشیدن مصالح نرم اطراف الیاف استخراج می شوند. فرایند استخراج الیاف نارگیل از غلاف نارگیل خیساندن نامیده می شود.

الیاف نارگیل تحت شرایط آب و هوایی طبیعی بسیار دوام هستند. با این حال مدول الاستیسیته پایین و حساسیت نسبت به تغییر رطوبت باعث می شود که تاثیر گذاری آنها به عنوان تقویت کننده بتن زیر سوال برود.

 

ساخت بتن مسلح به الیاف نارگیل

معمولاً الیاف نارگیل همزمان با سایر تشکیل دهنده های بتن مخلوط می شوند. نتایج مطلوب وقتی به دست می آید که الیاف نارگیل در شرایط اشباع با سطح خشک با سیمان مخلوط شده و سپس به این مخلوط مقدار مناسبی آب اضافه شود.

با به کارگیری این روش، می توان الیاف نارگیل با طول 1 تا 2.5 اینچ (25 تا 64 میلیمتر(را به طور اثربخشی با درصد حجمی 2.5 تا 15 درصد با ماتریس سیمانی مخلوط نمود. همچنین روشن شده است که می توان با به کارگیری فشار ( تراکم ) یکنواخت بتن ریزی در محدوده 145 تا290psi (1 تا 2mpa ) به کاهش هایی در جذب آب و نفوذپذیری دست یافت.

خصوصیات بتن مسلح به الیاف نارگیل

خصوصیات مصالحی ترکیبات مسلح به نارگیل توسط کوک، پاما و ویراسینگ بررسی شده است. هدف اصلی مطالعات آنها، بهینه ساختن چندین عامل ساخت از قبیل طول الیاف، حجم الیاف و فشار بتن ریزی بود به طوری که ترکیبات حاصله هم به شکل موثری تقویت شود و هم اقتصادی باشد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، حجم الیاف و فشار بتن ریزی هر دو تاثیر عمده ای بر روی مدول گسیختگی (MOR) ترکیبات مسلح به الیاف نارگیل دارند. الیته در این شکل مشاهده می شود که سرعت افزایش MOR در فشار بتن ریزی بیش از 240psi (1.6Mpa) کاهش می یابد.

شکل 1 منحنی های مدول گسیختگی- فشار بتن ریزی برای ترکیبات مسلح به الیاف نارگیل

در پایان نتیجه گیری شد که فشارهای بتن ریزی بیش از psi240 منجر به صدمه زدن یا از بین بردن پوشش کپسول مانند الیاف می شود که توسط ماتریس سیمانی ایجاد می گردد. برپایه یافته های آنها، کوک و همکاران نتیجه گیری کردند که ترکیبی که با الیافی به طول 1.5 اینچ (38 میلیمتر ) درصد حجمی %7.5 درصد و فشار بتن ریزی psi240 ساخته می شود، ترکیب بهینه ای خواهد بود. طول بهینه الیاف یعنی 1.5 اینچ در طی آزمایش های بیرون کشیدگی الیاف که نشان دهنده مقاومت پیوستگی بین الیاف و ماتریس است، تعیین شد. میزان درصد بهینه حجمی یا 7.5 درصد مقداری بود که با آن الیاف نارگیلی از دیدگاه عملکرد و هزینه، بیشترین تاثیر را داشتند.

جهت مطالعه مقاله بتن مسلح به الیاف نارگیل به صورت کامل می توانید به وب سایت کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید 

بتن مسلح به الیاف سیزال

الیاف سیزال از برگ های Agave Sisalana استخراج می شود. این الیاف از حدود یکصد سلول رشته ای منفرد در مقطع عرضی به همراه همی سلولز، لیگنین و پکتین تشکیل شده است. الیاف سیزال در مقایسه با اغلب انواع الیاف طبیعی نسبتاً مقاوم تر هستند. البته این الیاف همانند بسیاری از دیگر الیاف طبیعی وقتی به عنوان تقویت کننده در بتن به کار می رود، با مشکلات جدی دوام مواجه است.

ساخت بتن مسلح به الیاف سیزال

اطلاعات موجود نشان می دهد که می توان الیاف سیزال را مستقیماً در حین اختلاط به بتن افزود و یا بعد از بتن ریزی در بتن قرار داد. در موقع اضافه کردن الیاف سیزال در طی اختلاط بتن، الیاف تمایل به گلوله ای شدن دارند. زمان گیرش به طور قابل توجهی تحت تاثیر وجود الیاف سیزال قرار دارد که احتمالاً ناشی از اثر کندگیر کنندگی ناخالصی های آلی شسته شده از الیاف می باشد.

 

خصوصیات بتن مسلح به الیاف سیزال

تحقیق انجام شده توسط گرام، نشان داده است که ترکیبات مسلح به الیاف سیزال را می توان با مقاومت های خمشی بیشتر از مقاومت ترک خوردگی ماتریس سیمان تولید کرد. همان طور که در شکل 1 نشان داده شده است، ترکیبات تقویت شده با %2 حجمی از الیاف سیزال (که به طور دستی قرار داده شده و هم راستا شده اند) و در معرض هیچ یک از چرخه های آب و هوایی شبیه سازی شده قرار نگرفته اند، از مقاومت خمشی و انعطاف پذیری بالایی برخوردار بودند. البته ترکیبات همسانی که در معرض چندین چرخه آب و هوایی شبیه سازی شده متفاوت (چرخه های تر و خشک شدن) قرار گرفتند، دچار افت اساسی در مقاومت و انعطاف پذیری شدند. مشکل پایایی دراز مدت بتن های مسلح به الیاف سیزال در شکل 1 مشاهده 
می شود.

مطابق فرضیه گرام، این مشکل دوام به دلیل تجزیه شیمیایی الیاف سیزال در محیط قلیایی ماتریس سیمان ایجاد شده است.

گرام، در تحقیقات بعدی خود کشف کرد که با غشتن الیاف سیزال به عوامل حفاظت کننده شیمیایی 
می توان تجزیه الیاف را به تاخیر انداخت. چندین عامل شیمیایی مختلف آزمایش شدند و البته نتیجه گیری شد که این عوامل نمی توانند به طور دائم از تجزیه الیاف جلوگیری کنند.

گرام، نهایتاً کشف کرد که می توان مشکل تجزیه الیاف را با جایگزینی حدود %45 از سیمان با سیلیکافیوم فوق العاده ریز متوقف نمود. سیلیکافیوم فعال، میزان قلیای ماتریس سیمان را تا اندازه ای که بر روی الیاف سیزال بی تاثیر باشد، کاهش می دهد و بنابراین پایایی دراز مدت ترکیبات مسلح به الیاف سیزال بهبود 
می یابد.

شکل1منحنی های تنش خمشی- کرنش ترکیبات مسلح به الیاف سیزال درچرخه های مختلف آب وهوایی

ساخت بتن مسلح به الیاف پلی اتیلن

کاربرد الیاف پلی پروپیلن از ترک خوردگی و جمع شدگی بتن بخصوص در سنین اولیه آن جلوگیری می‌کند. تولید بتنی شکل پذیر با الیاف پلی پروپیلن در بتن الیافی دارای شکل پذیری بسیار زیادی می‌باشد و هرگز خرد نمی‌شود. الیاف پلی پروپیلن آب گریز است و درصد جذب آب آن صفر می‌باشد؛ بنابراین هرگز نباید از افزودن آب اضافی جهت افزایش روانی بتن استفاده کرد.

تنها روش شناخته شده برای تولید بتن مسلح به الیاف پلی اتیلن، افزودن الیاف در طی عمل اختلاط بتن می باشد. گزارش شده است که الیاف پلی اتیلن تا درصدهای حجمی %4 با روش های معمول مخلوط کردن به راحتی در بتن توزیع می شوند.

خصوصیات بتن مسلح به الیاف پلی اتیلن

کوبایاشی و چو به منظور تعیین رفتار خمشی نمونه های مسلح به الیاف قطعه قطعه شده پلی اتیلن چندین آزمایش انجام داده اند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، بتن مسلح به الیاف پلی اتیلن تقریباً تا وقوع اولین ترک رفتار کاملاً الاستیک دارند. بعد از وقوع اولین ترک، ظرفیت تحمل بار ترکیب فوراً افت می کند که حاکی از انتقال نیروهای کششی به الیاف می باشد. پس از اینکه نیروهای کششی به الیاف منتقل شدند، ظرفیت تحمل بار ترکیب مجدداً تا لحظه شکست الیاف تا یک مقدار حداکثر افزایش می یابد.

همچنین در شکل 1 دیده می شود که ظرفیت تحمل بار ترکیب با افزایش درصد حجمی الیاف افزایش می یابد و در درصدهای حجمی بالاتر ممکن است ترک خوردگی ها در ترکیب چند شاخه شوند. به نظر می رسد که به منظور بالاتر بردن ظرفیت تحمل بار از مقاومت ترک خوردگی ماتریس، درصد حجمی بیشتر از %3 از الیاف لازم است. با این حال افزایش درصد حجمی الیاف منجر به کاهش اندکی در مقاومت ترک خوردگی ماتریس می شود.

شکل 1 نمودارهای شاخص بار- خیز خمشی بتن مسلح به الیاف پلی اتیلن و مقادیر مختلف محتوای الیاف

بتن مسلح به الیاف پلی اتیلن

الیاف پلی اتیلن اولین بار توسط شرکت ژاپنی صنایع پتروشیمی میتسویی به عنوان مصالح تقویت کننده بتن به کار گرفته شد. به دلیل نتایج امیدوار کننده حاصل از مخلوط کردن انواع الیاف پلیمری از قبیل پلی پروپیلن و نایلون در بتن، استفاده از الیاف پلی اتیلن برای این منظور گسترش یافته است. ظاهراً الیاف پلی اتیلن تولید شده توسط شرکت ژاپنی صنایع پتروشیمی مستسویی، تنها الیاف تقویت کننده بتن از این نوع بود که در زمان انجام این مطالعات تولید شد. به همین دلیل مبحث بعدی از خصوصیات ترکیبات ملات سیمان حاوی الیاف به این نوع خاص از الیاف محدود خواهد شد.

 الیاف پلی اتیلن

پلی اتیلن همانند پلی پروپیلن یک پلیمر هیدروکربنی ساخت دست بشر است. الیاف پلی اتیلن شرکت ژاپنی صنایع پتروشیمی میتسویی که بنفیکس نامیده شد، برای استفاده در بتن تولید گردید. این الیاف تک رشته های پلی اتیلن قطعه قطعه شده با چگالی بالا هستند که توسط تغییر شکل زگیل مانندی در طول محور الیاف مشخص می شوند. این تغییر شکل های زگیل مانند اختصاصاً برای بهبود خصوصیات مکانیکی پیوستگی فصل مشترک مصالح است که در غیر این صورت، پیوستگی شیمیایی ضعیفی با ملات سیمانی دارند. این الیاف عموماً 1.6 اینچ (40 میلیمتر ) طول و 0.04 اینچ (1 میلیمتر) قطر دارند (با فرض مقطع عرضی دایره ای).خصوصیات عمومی الیاف بنفیکس در جدول 1 نشان داده شده است.

سایر اشکال الیاف پلی اتیلن با خصوصیات مکانیکی بسیار بهتر از نسبت به الیاف بنفیکس تولید شده است. برای مثال الیاف به شکل تک رشته های قطعه قطعه شده یا الیاف به هم بافته متصل به هم، مقاومت و مدول الاستیسیته بالایی) طیف 900 و طیف 1000) ایجاد کرده اند. این الیاف مقاومتی کششی ای 13 تا 15 بار بزرگتر از الیاف بنفیکس دارند. مدول های الاستیسیته برای این الیاف 24 تا 35 بار از الیاف بنفیکس بزرگتر است. البته تاثیرات این الیاف به عنوان تقویت کننده های بتن در این دوره از مطالعات مشخص نشده است.

جدول 5-3- ویژگی های شاخص الیاف پلی اتیلن

الیاف	وزنمخصوص	مقاومت کششی،ksi	مدول یانگ،ksi
پلی اتیلن	0.96	29	725

                                                                                        معادل متریک : 1psi=6.895KPa 

ترکیبات سیمانی ( درصد بالا الیاف پلی پروپیلن)

محققان زیادی ثابت کرده اند که افزودن الیاف پلی پروپلین به بتن منجر به بهبود انعطاف پذیری و طاقت می شود. همان طور که تحقیقات هانا نیز نشان می دهد، از آنجایی که با درصدهای پایین الیاف، بهبود فراگیری در مقاومت کلی ترکیب به وجود نمی آید، بهبود در انعطاف پذیری و طاقت معمولاً ناچیز است. با این حال بهبودهایی در مقاومت نهایی ترکیبات مسلح به الیاف پلی پروپیلن در درصدهای بالاتر الیاف ،معمولاً بیشتر از %2 حاصل شده است. درصد حجمی بحرانی الیاف که برای تامین تقویت کافی جهت مقاوم کردن ترکیب لازم است، بستگی به چندین عامل مختلف دارد. همانند بسیاری دیگر از انواع بتن مسلح به الیاف، پیوستگی الیاف با ملات سیمان احتمالاً مهمترین عامل در تعیین میزان اثرگذاری الیاف پلی پروپیلن دربتن می باشد.

در تحقیقی که توسط نامان، شاو ترون انجام شد، مشخص شد که ترکیبات مسلح به الیاف پروپیلن قطعه قطعه شده اگر در شرایط بهینه خاصی تولید شوند، رفتار پس ترک خوردگی بسیار خوبی از خود نشان می دهند. خصوصیات پیوستگی الیاف پروپلین قطعه قطعه شده با پیچاندن سرتاسری هر قطعه یا اضافه کردن بست دکمه مانندی در انتهای الیاف، بهبود قابل ملاحظه ای می یابد. همچنین مشخص شد است که اختلاط از پیش الیاف در ماتریس نسبت به قرار دادن الیاف در یک وضعیت سه بعدی، ترکیبات سخت تر و قوی تری را به دست می دهد. نمودار شخص بار- تغییر مکان در خمش برای یک ترکیب تقویت شده با الیاف پلی پروپیلن که مشخصات بهبود یافته بالا را داراست، در شکل 1 نشان داده شده است. ترک خوردگی چند شاخه ماتریس به رفتار پس ترک خوردگی ترکیب مربوط می شود.

همچنین داو و الیس نتیجه گیری کردند که ترکیبات تقویت شده با الیاف پلی پروپیلن قطعه قطعه شده می توانند بارهایی بیشتر از بار اولین ترک را تحمل کنند. تحقیق آنها با استفاده از ترکیبات تقویت شده با هر یک از الیاف تک رشته ای یا نوارهای رشته ای انجام شد. آزمایش هایی به منظور تعیین تاثیر میزان الیاف و نیز سایر متغیرها بر روی خصوصیات فیزیکی ترکیبات انجام شد و نشان داده شد که با افزایش میزان الیاف مقاومت اولین ترک کاهش و مقاومت نهایی ترکیبات در خمش افزایش می یابد.

شکل 1 منحنی شاخص بار- تغییر مکان برای مخلوط های بهینه شده حاوی الیاف قطعه قطعه شده پلی پروپیلن

در مواردی که الیاف پلی پروپیلن به شکل نوارها یا صفحات نازک رشته ای و شبکه های به هم بافته به کار رفته اند، بیشترین تاثیر را در تقویت بتن داشته اند. تحقیق انجام شده توسط هان نات، زانس ولد و اوگس و کیر و ترون نشان داده است که در صورت استفاده از شبکه های پیوسته الیاف، درصد حجمی لازم الیاف برای به دست آوردن ظرفیت بار پس ترک خوردگی و انعطاف پذیری، اساساً کمتر از مقدار لازم برای الیاف ناپیوسته است. به دلیل خصوصیات بهبود یافته پیوستگی مکانیکی در نتیجه استفاده از شبکه پیوسته الیاف و متعاقباً حذف کامل بیرون کشیدگی الیاف، تنش های کششی به طور موثرتری از الیاف به ماتریس (ملات) منتقل می شوند. می توان حتی با به کارگیری مقدار کمی از الیاف همچون %3/2 حجمی، به مقاومت ترکیب بزرگتری از مقاومت ترک خوردگی ماتریس، دست یافت.

نشان داده شده که ترکیبات تقویت شده با درصد حجمی بیشتری از الیاف پلی پروپیلن، بر روی آب رفتگی محدود شده و ترک خوردگی ناشی از آب رفتگی تاثیر دارند. سوآمی و استاوریدس نشان دادند که ترکیبات تقویت شده با %2 حجمی الیاف پلی پروپیلن، %25 بیشتر از ملات معمولی تنش های آب رفتگی را تحمل می کنند. آزمایش های آب رفتگی محدود به صورت حلقه فولادی ای بود که بتن یا ملات دور آن ریخته می شد و به این طریق شرایط لازم برای ایجاد آب رفتگی خشک محدود تامین می شد. ترک خوردگی های ترکیبات سخت شده در طی آزمایش های آب رفتگی محدود، نشان دهنده توانایی الیاف در توزیع ترک های ناشی از آبرفتگی است. البته باید متذکر شد که مقدار پلی پروپیلن به کار رفته توسط سوآمی و استاوریدس، 20 برابر %0.1 حجمی بود که این مقدار عموماً به منظور کنترل ترک خوردگی های ناشی از آبرفتگی خشک در صنعت توصیه می شود.