بتن های الیافی، اصول و ساختار

بتن های الیافی (بتن مسلح به الیاف) نوعی کمپوزیت است که با بکارگیری الیاف تقویت کننده داخل مخلوط بتن، منجر به بهبود محسوسی از خواص مقاومتی بتن می گردد. با این حال مهمترین مشخصه بین الیافی خاصیت جذب انرژی، انعطاف پذیری و مقاومت آن در مقابل ضربه است. به همین دلیل امروزه این بتن نقش بسیار جدی در پیشرفت تکنولوژی بتن ایفا کرده است و به عنوان یک ماده جدید و اقتصادی در صنعت ساختمان محسوب می گردد. خاصیت جذب انرژی و طاقت بتن می تواند خطر شکست سازه های بتنی را به خصوص در مناطقی که تحت بارهای مکرر و لرزه ای قرار می گیرند، به طور مطلوبی کاهش دهد. قابلیت انعطافی آن نیز، همانند خواص مواد پلاستیکی، باعث می شود که بتن الیافی گسیختگی نهایی نداشته باشد. همچنین از آنجا که الیاف در بتن در همه جهات پراکنده می شوند، در صورت تشکیل یک ترک، الیاف در جهات مختلف اتصالاتی را بوجود آورد و از گسترش ترک جلوگیری می نمایند. بنابراین رشته های الیاف بطور فعال در محدود کردن عرض ترک وارد عمل شده و با تشکیل ریز ترکهای زیاد قابلیت بهره برداری بتن را افزایش می دهند.

FRC، بتن (یا ملات) است که با الیافی که به طور تصادفی توزیع شده اند، مسلح شده است. و از انواع متعددی از الیاف طبیعی در بتن به زمانی پیش از ظهور بتن به مسلح معمولی بر می گردد. با این حال جنبه های فنی سیستم های FRC قرن های متمادی همچنان توسعه نیافته باقی ماند. طی 40 سال گذشته تحقیقات عمده ای در زمینه FRC صورت گرفته است. امروزه بسیاری از مخلوط های FRC شکل تجاری یافته اند.

به منظور عرضه طویل المدت بتن الیافی (FRC) به عنوان نوعی از مصالح ساختمانی، این ترکیب باید قادر به رقابت اقتصادی با سایر ساختارهای مسلح موجود باشد.

اصول و ساختار بتن های الیافی
اصول اساسی ای که بر طراحی بتن های مسلح معمولی حاکم است، در طراحی سیمان ها و بتن های مسلح به الیاف نیز برقرار می باشد. مسلح کردن بتن با میلگرد، سیم و یا الیاف، در نواحی ای که تنش های کششی بالایی اتفاق می افتد، رفتار بتن را اصلاح می کند. در مخلوط هایی که با الیاف اصلاح می شوند، مقاومت کششی، مقاومت خمشی، انعطاف پذیری و کنترل ترک بهبود می یابد. مهمترین عواملی که عملکرد مصالح مخلوط را کنترل می کند، عبارتند از :

1- مشخصات فیزیکی تقویت کننده ها و ماتریس
2- مقاومت پیوستگی بین تقویت کننده و ماتریس

هر چند اصول اساسی حاکم بر ساختارهای بتن معمولی و مسلح به الیاف، مشابهند، با این حال از نظر مشخصات، تفاوت هایی چند بین این دو وجود دارد :
1- الیاف در سرتاسر مقطع عرضی داده شده، توزیع می شوند در حالی که میلگردها یا سیمها فقط در نواحی مورد نیاز قرار داده می شوند.
2- بیشتر الیاف در مقایسه با میلگردهای ممتد، نسبتاً کوتاه بود و در فاصل ای نزدیک به هم قرار دارند.
3- بطور کلی این امکان وجود ندارد که با استفاده از الیاف بتوان همانند شبکه های میلگرد یا سیم های تقویت، به یک نسبت بالای تقویت (مساحت تقویت به مساحت بتن) دست یافت. 
عوامل وابسته به زمان مانند خصوصیات و مقاومت پیوستگی بین الیاف و ماتریس باعث می شوند که نتوان با استفاده از این اصلاحات تئوریک، خصوصیات مخلوط را به دقت پیش بینی نمود. روش های طراحی عملی که تا به امروز مورد استفاده قرار می گرفته اند، بر مبنای داده های واقعی آزمایش هایی است که از تحقیقات پارامتری حاصل شده اند.

جهت مطالعه مقاله بتن های الیافی، اصول و ساختار به طور کامل می توانید به وب سایت کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

بتن های الیافی، اصول و ساختار

بتن های الیافی (بتن مسلح به الیاف) نوعی کمپوزیت است که با بکارگیری الیاف تقویت کننده داخل مخلوط بتن، منجر به بهبود محسوسی از خواص مقاومتی بتن می گردد. با این حال مهمترین مشخصه بین الیافی خاصیت جذب انرژی، انعطاف پذیری و مقاومت آن در مقابل ضربه است. به همین دلیل امروزه این بتن نقش بسیار جدی در پیشرفت تکنولوژی بتن ایفا کرده است و به عنوان یک ماده جدید و اقتصادی در صنعت ساختمان محسوب می گردد. خاصیت جذب انرژی و طاقت بتن می تواند خطر شکست سازه های بتنی را به خصوص در مناطقی که تحت بارهای مکرر و لرزه ای قرار می گیرند، به طور مطلوبی کاهش دهد. قابلیت انعطافی آن نیز، همانند خواص مواد پلاستیکی، باعث می شود که بتن الیافی گسیختگی نهایی نداشته باشد. همچنین از آنجا که الیاف در بتن در همه جهات پراکنده می شوند، در صورت تشکیل یک ترک، الیاف در جهات مختلف اتصالاتی را بوجود آورد و از گسترش ترک جلوگیری می نمایند. بنابراین رشته های الیاف بطور فعال در محدود کردن عرض ترک وارد عمل شده و با تشکیل ریز ترکهای زیاد قابلیت بهره برداری بتن را افزایش می دهند.

FRC، بتن (یا ملات) است که با الیافی که به طور تصادفی توزیع شده اند، مسلح شده است. و از انواع متعددی از الیاف طبیعی در بتن به زمانی پیش از ظهور بتن به مسلح معمولی بر می گردد. با این حال جنبه های فنی سیستم های FRC قرن های متمادی همچنان توسعه نیافته باقی ماند. طی 40 سال گذشته تحقیقات عمده ای در زمینه FRC صورت گرفته است. امروزه بسیاری از مخلوط های FRC شکل تجاری یافته اند.

به منظور عرضه طویل المدت بتن الیافی (FRC) به عنوان نوعی از مصالح ساختمانی، این ترکیب باید قادر به رقابت اقتصادی با سایر ساختارهای مسلح موجود باشد.

اصول و ساختار بتن های الیافی
اصول اساسی ای که بر طراحی بتن های مسلح معمولی حاکم است، در طراحی سیمان ها و بتن های مسلح به الیاف نیز برقرار می باشد. مسلح کردن بتن با میلگرد، سیم و یا الیاف، در نواحی ای که تنش های کششی بالایی اتفاق می افتد، رفتار بتن را اصلاح می کند. در مخلوط هایی که با الیاف اصلاح می شوند، مقاومت کششی، مقاومت خمشی، انعطاف پذیری و کنترل ترک بهبود می یابد. مهمترین عواملی که عملکرد مصالح مخلوط را کنترل می کند، عبارتند از :

1- مشخصات فیزیکی تقویت کننده ها و ماتریس
2- مقاومت پیوستگی بین تقویت کننده و ماتریس

هر چند اصول اساسی حاکم بر ساختارهای بتن معمولی و مسلح به الیاف، مشابهند، با این حال از نظر مشخصات، تفاوت هایی چند بین این دو وجود دارد :
1- الیاف در سرتاسر مقطع عرضی داده شده، توزیع می شوند در حالی که میلگردها یا سیمها فقط در نواحی مورد نیاز قرار داده می شوند.
2- بیشتر الیاف در مقایسه با میلگردهای ممتد، نسبتاً کوتاه بود و در فاصل ای نزدیک به هم قرار دارند.
3- بطور کلی این امکان وجود ندارد که با استفاده از الیاف بتوان همانند شبکه های میلگرد یا سیم های تقویت، به یک نسبت بالای تقویت (مساحت تقویت به مساحت بتن) دست یافت. 
عوامل وابسته به زمان مانند خصوصیات و مقاومت پیوستگی بین الیاف و ماتریس باعث می شوند که نتوان با استفاده از این اصلاحات تئوریک، خصوصیات مخلوط را به دقت پیش بینی نمود. روش های طراحی عملی که تا به امروز مورد استفاده قرار می گرفته اند، بر مبنای داده های واقعی آزمایش هایی است که از تحقیقات پارامتری حاصل شده اند.

جهت مطالعه مقاله بتن های الیافی، اصول و ساختار به طور کامل می توانید به وب سایت کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

ویبراسیون بتن و انواع آن

کیفیت بتن به عوامل مختلفی بستگی دارد که آسیب‌پذیرترین و بی‌دفاع‌ترین‌شان، نیروی انسانی است. نظارت و سرپرستی بر قسمت‌های مختلف در هنگام بتن‌ریزی، از مهم‌ترین اقداماتی است که در هر پروژه بایستی صورت پذیرد. سرپرست (سوپروایزر) یا ناظر بایستی به عوامل مختلفی هم‌چون نازک‌کاری بتن، کمیت بتن‌ریزی، آزمایش‌ها انجام شده بر روی بتن و ویژگی‌های مختلف آن نظارت داشته باشد. در کنار این‌ها، یکی دیگر از مراحل حیاتی، ویبراسیون بتن است که می‌تواند به اشکال مختلفی به مرحله‌ی اجرا برسد.

در گذشته، پس از مرحله‌ی بتن‌ریزی، برای متراکم کردن بتن از روش‌هایی هم چون کوبیدن روی آن استفاده می‌کردند. هدف از کوبیدن بتن، این بود که با ایجاد تراکم در آن، بتن به بالاترین حد چگالی خود برسد. البته این روش و تکنیک هم‌اکنون منسوخ شده است، این پروسه که متراکم کردن بتن نامیده می‌شود، امروز هم از مهم‌ترین مراحل بتن‌ریزی محسوب می‌شود.

امروزه بتن را به وسیله ویبراسیون یا همان لرزش متراکم می‌کنیم. مخلوط تازه‌ی بتن معمولاً حاوی حباب هوا به میزان ۵ تا ۲۰ درصد از حجم کل بتن است. میزان و اندازه‌ی حجمی این حباب‌های هوا با اسلامپ بتن رابطه‌ی عکس دارد؛ به این معنی که در بتن با اسلامپ کم‌تر، بیشتر است و بالعکس. در هنگام بتن‌ریزی، استفاده از ویبراتور (وسیله‌ای که با آن عملیات ویبراسیون یا لرزش بتن را انجام می‌دهیم) باعث می‌شود تا اصطکاک داخلی بین سنگدانه‌ها تا حد زیادی کاهش یابد و حرکت آن‌ها در کنار یکدیگر نرم‌تر و راحت‌تر انجام بشود. در واقع هدف از ویبراسیون این است که بتن را به حالتی تبدیل کنیم که در آن، سنگدانه‌ها و دیگر مواد موجود در بتن، کم‌ترین فضای ممکن را اشغال کنند.

انواع و طبقه‌بندی ویبراتورها

ویبراتورهای داخلی

پراستفاده‌ترین و قابل اتکا ترین ویبراتور در بین انواع مختلف آن، ویبراتورهای داخلی یا Internal Vibrators هستند. این ویبراتور دارای یک میله‌ی انعطاف پذیر و موتور است. عملکرد آن به این نحو است که میله را به بتن فرو می‌کنند و بعد میله به وسیله نیرویی که موتور به آن وارد می‌کند، شروع به لرزش می‌کند.

پایان ویبراسیون از وضع سطوح خارجی بتن مشخص می‌شود. سطح خارجی بتن نباید دارای شکل لانه زنبوری باشد. همچنین نباید ملات اضافی‌ای روی آن دیده شود. میله باید به آرامی و با سرعتی در حدود ۸۰ میلی‌متر بر ثانیه از بتن خارج شود تا جای خالی آن به شکل مناسبی پر شود.

ویبراتورهای خارجی

از ویبراتورهای خارجی معمولاً برای بتن‌های پیش‌ساخته استفاده می‌شود و استفاده از آن‌ها خیلی گسترده نیست. همچنین در مواردی که شرایط و شکل بتن، اجازه‌ی استفاده از ویبراتورهای داخلی را به ما نمی‌دهد، از ویبراتورهای خارجی استفاده می‌کنیم.

ویبراتورهای سطحی

ویبراتورهای سطحی به وسیله‌ی صفحه‌ی تخت از سطوح خارجی بتن، بر آن لرزش وارد می‌کنند. در این روش، بتن از تمامی جهت در معرض لرزش قرار می‌گیرد و بتن رخصت افزایش حجم نیز ندارد. به همین دلیل در ویبراتورهای سطحی می‌توان از درجه‌های لرزش بسیار بالا استفاده کرد. از استفاده‌های معمول و پرتکراری که از ویبراسیون‌های سطحی می‌شود، متراکم کردن مکعب‌های بتنی برای آزمایش  و هم چنین استفاده از آن‌ها برای تراکم بتن در سطح اتوبان‌ها و یا جاده‌ها می‌باشد.

جهت مطالعه مقاله ویبراسیون بتن و انواع آن به طور کامل می توانید به وب سایت رسمی کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

بتن های مسلح به الیاف فولادی

بتن های مسلح به الیاف فولادی

تحقیقات انجام شده توسط رومالدی و بتون، و رومالدی و مندل در اواخر دهه 1950 و اوایل دهه 1960 نشانگر اولین گام های عمده به سوی توسعه تکنولوژی ساخت بتن های مسلح به الیاف فولادی (SFRC) بود. هر چند که از ابتدای قرن بیستم مجوز رسمی برای انواع مختلف بتن های مسلح فولاد، صادر گردید، اما توسعه فناوری SFRC تا اواخر دهه 1950 پیشرفت چندانی نکرد.

از آن زمان الیاف فولادی برای مصرف در بتن تا حدودی بهینه سازی شدند. علاوه بر آن تکنولوژی های اختلاط، بتن ریزی، سخت کردن و پرداخت این نوع بتن ها بهبود پیدا کرد. 

الیاف فولادی 

اولین الیاف فولادی مورد استفاده در بتن، گرد و صاف بودند. این الیاف با بریدن یا خرد کردن سیم ساخته می شدند. این کار در مواردی به این دلیل انجام می شد که بتوان از مواد زاید، بار دیگر در صنعت فولاد استفاده به عمل آورد. در سال های اخیر استفاد از الیاف صاف مستقیم تا حدود زیادی منسوخ شده است. بیشتر الیافی که هم اکنون مورد استفاده قرار می گیرند، دارای سطوح زبر با دو انتهای قلاب شده می باشند و یا در طول خود، به صورت موج دار در آمده اند. این مشخصه ها باعث می شود که قابلیت مقاومت در برابر بیرون کشیدگی الیاف از درون ماتریس های با پایه سیمانی بهبود یابد.

بیشتر الیاف فولادی تجاری موجود، از سیم های فولادی کشیده شده، تولید شده اند. با این حال همان طور که معدودی از تولید کنندگان الیاف نشان داده اند، می توان الیاف فولادی را از صفحه های فولادی (به روش بریدن صفحه به قطعات باریک) و با فرایند استخراج در حالت مذاب نیز تولید نمود. الیاف بریده شده از صفحات فولادی دقیقاً به همان طریقی که از نام آنها بر می آید، تولید می شوند؛ الیاف فولادی دقیقاً برش هایی از صفحات فولادی هستند. روش استخراج در حالت مذاب یک فرایند نسبتاً پیچیده در تولید الیاف فولادی می باشد. در این فرایند یک چرخ گردنده برای بالا بردن فلز مایع از سطح فلز مذاب توسط عمل میینگی به کار می رود. سپس فلز مذاب به سرعت به صورت الیاف، منجمد شد و در نهایت توسط نیروی گریز از مرکز از چرخ بیرون می آید. الیاف به دست آمده دارای مقطع عرضی نیم دایره می باشند.

جهت اطلاع از مطالعه مقاله بتن های مسلح به الیاف فولادی به طور کامل می توانید به وب سایت رسمی کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

خصوصیات بتن مسلح به الیاف فولادی (بخش2)

مقاومت خستگی

شواهد تجربی نشان می دهد که مقاومت خستگی با افزایش درصد الیاف فولادی، افزایش می یابد. اضافه کردن الیاف به سازه های بتن مسلح متداول، عمر خستگی را افزایش و عرض ترک ها را کاهش می دهد. همچنین خیز ناشی از خستگی با اضافه کردن الیاف فولادی، کاهش می یابد.

خزش و آب رفتگی

از آنجا که داده های خزش SFRC بسیار محدود است، آزمایش ها نشان می دهند که الیاف تاثیر کمی بر خزش در فشار دارد. آزمایش های خزش در خمش نشان می دهد که خیز تا اندازه ای کاهش می یابد.
آزمایش ها نشان داده اند که اضافه کردن الیاف فولادی، تاثیری بر کرنش ناشی از آب رفتگی خشک ندارد. با این حال الیاف میزان ترک های بزرگ و مخرب ناشی از آب رفتگی و نیز عرض ترک ها در هنگام آب رفتگی محدود شده را کاهش می دهد. این پدیده تاثیر سودمندی برکاهش خوردگی الیاف و افزایش پایایی بتن مسلح به الیاف دارد.

پایایی

بیشتر مباحث مربوط به پایایی SFRC به جای پرداختن به مقاومت مخلوط در برابر یخ زدن و آب شدن، به خوردگی الیاف می پردازد. پایایی یخ زدن و آب شدن بتنی که فی نفسه بادوام است، با اضافه کردن الیاف فولادی به صورتی که الیاف به خوبی در مخلوط جای بگیرند و در هنگام بتن ریزی نیز از تراکم مناسبی برخوردار باشند، کاهش نمی یابد.
مطالعات پایایی SFRC نشان می دهد که در نمونه های ترک نخوردهکه بتن آن به دقت طراحی و ریخته شده، خوردگی الیاف یا رخ نمی دهد و یا میزان آن ناچیز است. زنگ خوردگی بعضی سطوح، جنبه ظاهری داشته و اثر سازه ای ندارد.
خوردگی الیاف بر پایایی نمونه های الیاف ترک خورده تاثیردارد. آزمایش های دراز مدت که بر روی نمونه های ترک خورده انجام شده، نشان می دهد که کربناسیون ماتریس در نواحی ترک خورده با سرعت بیشتری نسبت به ماتریس بتنی ترک نخورده مجاور، روی می دهد. وقتی که کربناسیون به ماتریس اطراف الیاف تقویتی می رسد، حفاظت در برابر خوردگی که توسط محیط قلیایی اولیه در بتن ایجاد می شود، از بین می رود. با وقوع این پدیده، در صورت حضور آب و اکسیژن، الیاف در معرض خوردگی قرار می گیرند. سرعت وقوع این خوردگی مخرب بستگی به اندازه ترک، قطر الیاف و شرایط جوی (محیط دریایی یا اسیدی) دارد. آزمایش ها نشان داده اند که سرعت خوردگی، کم است و حداقل 5 سال یا بیشتر، زان لازم است تا افت در ظرفیت بار خمشی تیر ترک خورده به %20 برسد. باید توجه شود که در هر حال با استفاده از الیاف ضد خوردگی با کیفیت بالاتر، تاثیرات خوردگی کاهش می یابد.

طاقت خمشی

یکی از مهمترین مزایای استفاده از SFRC، افزایش طاقت خمشی است. طاقت خمشی به صورت انرژی نهایی جذب شده در طی شکستن نمونه، تعریف می شود و می توان مقدار آن را با اندازه گیری سطح زیر نمودار بار- خیز که با آزمایش خمش به دست می آید اندازه گیری کرد. 
مقاومت ضربه ای به طاقت خمشی وابسته است. اضافه کردن الیاف فولادی به بتن می تواند مقاومت ضربه ای بتن را به شدت افزایش دهد. الیاف اضافه شده تنها مقاومت ضربه ای را افزایش نمی دهند بلکه مانع از خرد شدن مخلوط پس از اعمال ضربه نیز می شوند. مشخص شده است که مقاومت دینامیکی بتن با درصد کمی الیاف فولادی (%5/0 تا%2 حجمی)، وقتی بتن در معرض ضربه های انفجاری یا آزمایش ضربه قرار 
می گیرد، 5 تا 10 برابر بیشتر از بتن غیر مسلح است.

جهت مطالعه مقاله خصوصیات بتن مسلح به الیاف فولادی (بخش2) به طور کامل می توانید به وب سایت کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .