خصوصیات بتن مسلح به الیاف فولادی (بخش 1)

خصوصیات بتن مسلح به الیاف فولادی
چندین متغیر بر روی خصوصیات مکانیکی بتن های مسلح به الیاف تاثیر می گذارند. این متغیرها شامل نوع و درصد الیاف مصرفی، نسبت ظاهری الیاف، مقاومت ماتریس و اندازه سنگدانه است. سال های متمادی محققان مختلف بر روی بازه ای از متغیرها آزمایش کرده اند که داده های مربوط به آن موجود است. بنابراین این داده ها که به صورت بازه ای داده شده اند نماینده بهتری نسبت به مقادیر مطلق می باشند.

هرچه طول الیاف بیشتر شود، پیوستگی بین ماتریس و الیاف افزایش می یابد. بنابراین طول بلندتر الیاف منجر به مقاومت بالاتر مخلوط می گردد. مطلوب است که طول الیاف آنقدر بلند انتخاب شود که در الیاف ایجاد تنش کافی نماید و شکست کششی رخ دهد. با این حال از آنجا که توزیع یکنواخت الیاف با نسبت ظاهری بیش از 100 مشکل بوده و تولید یک مخلوط بتنی ناکارا می کند، معمولاً این کار عملی نیست. بنابراین در بیشتر مخلوط ها از نسبت ظاهری 100 یا کمتر استفاده می شود.

مقاومت کششی

داده های گزارش شده مربوط به تاثیر الیاف فولادی بر مقاومت کششی مخلوط های سیمانی بسیار متفاوتند. نشان داده شده است که اضافه کردن %5/1 حجمی از الیاف، مقاومت کششی مستقیم ملات را حدوداً %40 افزایش خواهد داد. افزایش در مقاومت کششی شکاف خوردگی تا اندازه ای بیشتر است که مقدار آن تا %100 گزارش شده است.

مقاومت خمشی

تاثیر الیاف فولادی بر مقاومت خمشی مخلوط ها بسیار بیشتر از مقاومت کششی است. معمولاً دو مقدار مقاومت گزارش می شود. یکی مقاومت اولین ترک که در آن نمودار بار- خیز از حالت خطی دور می شود و دیگری مقاومت خمشی نهایی. عموماً افزایشی تا %150 در مقاومت خمشی اولین ترک SFRC متداول، گزارش شده است.

مقاومت فشاری

بنابر نتایج بسیاری از محققان، افت مقاومتی فشاری SFRC متداول تا 40% هم گزارش شده است. به طور کلی در صورتی که نمونه ها به خوبی متراکم شده باشند، اضافه کردن الیاف فولادی (بین 5/0 تا 2% حجمی) تاثیر اندکی بر مقاومت فشاری SFRC متداول خواهد داشت. با این حال با استفاده از درصدهای حجمی بسیار بالای الیافی که با استفاده از روش ساخت SIFCON حاصل می شود، افزایش شگرفی در مقاومت فشاری نهایی (بیش از %500) گزارش شده است.

مقاومت در برابر سایش

اطلاعات درباره مقاومت سایشی SFRC بسیار کم و تا اندازه ای متناقض است. برمبنای داده های موجود، در مواردی که فرسایش ناشی از خلازدایی و سایش به دلیل جریان سریع آب یا ضربه نخاله های بزرگ اتفاق می افتد، SFRC می تواند بهبود قابل توجهی در مقاومت سایشی ایجاد کند. با این وجود در مواردی که فرسایش با سرعت کم رخ می دهد، میزان الیاف مقاومت فرسایشی را تعیین نمی کنند بلکه مشخصات ماتریس و سنگدانه ها، مقاومت فرسایشی را تعیین می کنند. به طور مشابه در سایش روسازی و دال، خصوصیات ماتریس مقاومت سایشی را تعیین می نماید.

ادامه دارد...

جهت مطالعه مقاله خصوصیات بتن مسلح به الیاف فولادی (بخش1) می توانید به وب سایت کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

روش های استفاده و تولید SFRC

سه روش تولید متفاوت به طور موفقیت آمیزی در تولید SFRC مورد استفاده قرار گرفته است. 
 1- اختلاط معمولی SFRC 
بیشتر بتن های مسلح به الیاف فولادی در میکسرهای متداول بتن مخلوط شه و با روش های متداول سخت می شوند. محتوای الیاف معمولاً بین 0.5 تا %2 حجمی بتن تغییر می کند. با این حال گرزی بوسکای و شا کشف کرده اند که با درصد حجمی پایین 0.25 درصد از الیاف فولادی، عرض ترک های ناشی از آب رفتگی خشک محدود شده، اساساً کاهش می یابد. میزان بهینه الیاف عمدتاً به مقادیر و مشخصات اجزای مخلوط بتن (نسبت آب به سیمان، شکل سنگدانه، دانه بندی سنگدانه و ...) و مشخصات خود الیاف (نسبت ظاهری، شکل مقطع عرضی،  مقاومت و ...) بستگی دارد. استفاده از الیاف در مقادیری بیش از %2 حجمی، منجر به کارایی ضعیف و پخش نامناسب الیاف می گردد.
در روسازی فرودگاه ، بزرگراه ها و عرشه پل ها ، در کف های صنعتی ، سازه های هیدرولیکی از اختلاط معمولی SFRC  استفاده شده است.
 2- SFRC افشانه ای
یکی دیگر از روش های ساخت SFRC ، روش «بتن پاشی» است. بتن پاشی اختصاصاً در ساخت لایه های نازک بسیار مناسب است. تا به امروز بیشتر کاربردهای SFRC بتن پاشی شده، با استفاده از فرایند اختلاط خشک در جاهایی که مخلوط خشک بتن، الیاف و آب درست پیش از تخلیه از سر لوله افشانه، با هم ترکیب می شوند، انجام شده است. از فرایند اختلاط مرطوب نیز می توان استفاده کرد، با این حال باید دقت بیشتری انجام شود تا از توزیع مناسب الیاف فولادی اطمینان حاصل گردد. در هنگام استفاده از فرایند اختلاط مرطوب باید توجه کافی در ارائه طرح اختلاط مبذول گردد تا اطمینان حاصل شود که مخلوط در هنگام افزودن الیاف، قابل بتن پاشی است. ممکن است استفاده از میزان الیاف تا 2 درصد حجمی با فرایند مرطوب یا خشک میسر باشد.

از SFRC پاشیدنی  در پایداری شیب سنگ ها و سازه های زیر زمینی، مخصوصاً پوشش تونل و پوشش بدنه معادن ذغال سنگ استفاده شده است.
3 - بتن الیافی با دوغاب نفوذی (SIFCON) 
بتن الیافی با دوغاب نفوذی نمایانگر پیشرفت های نسبتاً جدید در زمینه SFRC است. SIFCON یک روش ساخت است که در آن الیاف فولادی به جای آنکه با بتن مخلوط شده و سپس همراه با آن ریخته یا بتن پاشی شود، از پیش در قالب قرار می گیرد. پس از جایگیری الیاف در قالب، یک دوغاب سیمان ریزبافت روی بستر الیاف ریخته و پمپ می شود و در همان هنگام که به شکل قالب در می آید، در فضای خالی بین الیاف نفوذ می کند. می توان از ویبره خارجی برای کمک به نفوذ دوغاب سیمان استفاده کرد.که می توان به میزان الیاف تا %18 حجمی دست یافت. با چنین درصد بالایی از الیاف افزایش شگرفی در مقاومت و انعطاف پذیری را انتظار داشت. آزمایش های آزمایشگاهی نشان داده اند که مقاومت نهایی خمشی SIFCON می تواند به 5 تا 10 برابر بیشتر از SFRC معمولی برسد.
کاربرد SIFCON در هر دو زمینه قطعات پیش ساخته و ساختمان سازی در جا میسر شده است. تاکنون SIFCON بیش از همه در روکش ها و تعمیر روسازی، دال های پیش ساخته، و اشکال نامنظم پیش ساخته به کار رفته است.
 طرح اختلاط 
روش های طرح مخلوط های متداول SFRC اساساً مشابه طراحی بتن های غیر مسلح است. با این حال بعضی پیش بینی ها باید صورت پذیرد تا از توزیع یکنواخت الیاف اطمینان حاصل شده و از جداشدگی یا گلوله شدن آنها در حین اختلاط، جلوگیری به عمل آید و یک مخلوط کارا تولید شود که بتوان آن را به دقت بتن ریزی، متراکم و پرداخت نمود.
برمبنای تجربیات قابل توجه آزمایشگاهی و کارگاهی، متغیرهای مخلوط SFRC متداول عموماً در بازه های خاصی قرار می گیرد. برای حصول حجم کافی خمیر که بتواند سطوح الیاف را بپوشاند و کارایی مناسبی ایجاد کند، به میزان سیمان 550 تا lb/yd3950 (326 تا kg/m3564) با نسبت آب به سیمان 0.4 تا 0.6 نیاز است. حداکثر اندازه بهینه درشت دانه 3/8in (mm5/9) با درصد ماسه %45 تا %60 می باشد. افزایش حداکثر اندازه یا میزان درشت دانه، کارایی را کاهش خواهد داد. با این حال حذف درشت دانه منجر به مخلوط های غیر اقتصادی تر و آب رفتگی خشک بیشتر خواهد گردید. استفاده از افزودنی های هوازا و کاهنده آب در مخلوط های SFRC مطلوب است.

جهت مطالعه مقاله روش های استفاده و تولید SFRC به طور کامل می توانید به وب سایت رسمی کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

طراحی سازه های الیاف فولادی

روش های طراحی سازه های الیاف فولادی

روش های طراحی سازه هایی که در آنها از الیاف فولادی استفاده شده، برای کاربردهایی پیشنهاد گردیده که در آن شکست یک عضو منجر به گسیختگی سازه ای نمی شود. این کاربردها شامل روسازی آزادراه ها، روکش ها، عرشه پل و کف انبارها می شود. در این نوع کاربری ها، مقاومت کششی طراحی مصالح به دلیل اضافه شدن الیاف، افزایش می یابد. سپس از روش طراحی مشابه که برای بتن بدون اضافه کردن الیاف به کار رفته است، استفاده می شود. در مواردی که شکست کششی اعضای سازه منجر به گسیختگی سازه ای می شود، جایگزین کردن میلگردهای کششی با الیاف فولادی توصیه نشده است. در عوض الیاف فولادی علاوه بر میلگردهای تقویت به کار رفته اند تا باعث ایجاد خصوصیات سودمندی چون انعطاف پذیری مضاعف یا مقاومت ضربه ای مضاعف شوند.

روساز های بتنی

از SFRC در روسازی ها، عرشه پل ها، باند فرودگاه و پارکینگ عمدتاً به صورت روکش هایی بر روی دال های موجود استفاده می شود که یا تخریب شده و یا نیاز به تقویت دارد. مخلوط ها معمولاً حاوی %75/0 تا %5/1 حجمی الیاف فولادی هستند و در ضخامت های 2 تا in 3 (50 تا mm75) بتن ریزی می شوند. بررسی های انجام شده نشان می دهد در بیشتر موارد روکش ها یا به طور جزئی و یا کامل، به سازه موجود یکپارچه شدند. ولی در بعضی موارد، پیوستگی از بین رفته است. از آنجا که روکش های SFRC عموماً ترک ها را گسترش دادند، ترک ها کوچک مانده و تاثیری بر کیفیت روسازی ها نداشته اند. در قسمت هایی که پیوستگی از بین رفته، ترک ها نسبتاً آزاد مانده اند.

در تحقیقی، عرشه های پل با روکش های SFRC پوشانده شدند تا از خرابی ناشی از نفوذ نمک های یخ زدا در طول ترک ها و در نتیجه خوردگی الیاف تقویتی جلوگیری شود.
در طراحی دال های همکف باید تنش های خمشی وارده از طرف ترافیک و نیز دیگر بارها لحاظ شوند. از آنجا که تنش های وارده از ترافیک، تنش های تکراری هستند، باید یک تنش عملی و منطقی در نظر گرفته شود تا از عملکرد سازه، اطمینان حاصل شود. ضخامت مورد نیاز دال که بر مبنای تنش کششی خمشی محدود کننده است، معمولاً به روش تحلیل وسترگارد که برای دال روی پی الاستیک به دست آمده، تعیین می شود. انتخاب تنش کششی مجاز مناسب برای SFRC همانند بتن غیر مسلح دشوار است. زیرا تنش هایی که از نمونه های آزمایشگاهی به دست می آید ممکن است نماینده مقدار مشابه در کارگاه نباشد. به علاوه ضرایب کاهش برای احتساب خستگی و تغییرپذیری مصالح قطعی نیست. مقدار عددی دو سوم مدول گسیختگی که از آزمایش های آزمایشگاهی به دست آمده، برای استفاده به عنوان تنش کششی مجاز پیشنهاد شده است.
به طور کلی روش هایی که برای طراحی دال های بتنی مسلح نشده با الیاف در بزرگراه ها به کار می رود، قابل اعمال است. اما بدیهی است که خصوصیات اصلاح شده SFRC باید به عنوان یک مزیت در نظر گرفته شوند.
 

تیر ها

با آنکه افزایش ظرفیت خمش و برش تیرها تقریباً تعیین شده است، اما هنوز هیچ روش طراحی ای که در آن مزایای تقویت با الیاف فولادی در کاربردهای عملی مدنظر قرار گرفته باشد، اتخاذ نشده است. طراحان از اطلاعات موجود به اعضای سازه ای مشابه استفاده می کنند. با این حال ضرایب اطمینان بر مبنای قضاوت های صحیح مهندسی به کار می روند. ذیلاً گزارش کوتاهی از تحقیقاتی که جهت تعیین تاثیر الیاف فولادی به عنوان تقویت کنند برشی و خمشی انجام شده، آمده است.
روش های متعددی به منظور پیش بینی مقاومت خمشی تیرهای مسلح به الیاف فولادی مجزا به صورت تجربی یا تئوریک توسعه یافته است. اصطلاحات تئوریک از قانون مخلوط ها استفاده کرده و در آن عواملی چون ضرایب توزیع تصادفی، تنش پیوستگی، تنش الیاف، مدول الاستیسیته مصالح در کشش و فشار، تغییر در محور خنثی به دلیل توزیع غیر خطی تنش و ... به حساب آمده است. با این وجود اصلاحات تئوریک برای تغییرات وابسته به زمان در خصوصیات مکانیکی مورد توجه قرار نگرفته اند.
در روش های تجربی از داده های به دست آمده از تحقیقات آزمایشگاهی بهره گرفته می شود تا از این طریق روابطی که مقاومت خمشی را به طول الیاف، قطر، محتوای الیاف، و ناحیه پیوستگی الیاف مربوط  می سازد، استخراج شود. در این روش ها با در نظر گرفتن زمان یا سن نمونه در تحقیق، تغییرات وابسته به زمان خصوصیات مکانیکی به حساب آورده می شود. روش های معتبر طراحی تاکنون بر مبنای روش های تجربی توسعه یافته اند.
هانگر و دوهرتای روش طراحی برای محاسبه لنگر خمشی نهایی تیرها را به تفصیل بیان کرده اند. این روش همبستگی خوبی بین مقاومت پیش بینی شده و مقادیر آزمایشی فراهم می کند.
داده های آزمایشگاهی قابل ملاحظه ای در دسترسند که نشان می دهند ظرفیت برشی تیرهای بتنی با افزودن الیاف فولادی افزایش می یابد. به علاوه آزمایش های آزمایشگاهی نشان داده اند که می توان به شکل موثری از خاموت و الیاف تقویتی در ترکیب با هم استفاده نمود.
بستون، جنکینز و اسپتنی مجموعه ای از آزمایش ها را ترتیب دادند تا تاثیر استفاده از الیاف فولادی مستقیم را به عنوان تقویت کننده جان در تیرهای بتن مسلح متداول تعیین کنند. به طور کلی هر چه درصد حجمی الیاف افزایش یابد، تنش برشی متوسط در لحظه شکست، افزایش می یابد. همچنین معلوم شده است که هرچه نسبت دهانه برش به عمق افزایش یابد، تنش های برشی بالاتری در هنگام شکست ایجاد می شود. 
ویلیامسون با کار بر روی تیرهای مسلح متداول دریافت که با جایگزین کردن خاموت ها با الیاف فولادی مستقیم، ظرفیت برشی تیرها به اندازه %45 افزایش می یابد. استفاده از الیافی که در انتها موج دار شده اند نیز باعث افزایش قابل ملاحظه برشی تیرهای بتن مسلح می شود. آزمایش های انجام شده توسط کریگ و لاو نیز افزایشی بیش از %100 را با استفاده از الیاف فولادی علاوه بر خاموت نشان می دهد.
پاول و سینامون بر روی تاثیر الیاف فولادی مستقیم بر ظرفیت برشی تیرهای بتنی تحقیق کردند. کار آنها منجر به یک اصلاحیه پیشنهادی برای ساختن معادله ACI3177 در تعیین ظرفیت مشابه در معادله موجود ACI، یک حد بالایی برای ظرفیت برشی تعیین گردد.
در تحقیقی که سوامی، التاآن و علی بر روی تاثیر الیاف فولادی تقویتی بر مقاومت برشی صفحات مسطح بتن مسلح انجام داده اند، مقاومت برشی در حدود %22، %35 و %42 به ترتیب برای میزان الیاف %6/0، %9/0 و %1/1 حجمی افزایش یافته است.

جهت مطالعه مقاله طراحی سازه های الیاف فولادی می توانید به وب سایت رسمی کلینیک بتن ایران www.clinicbeton.ir مراجعه نمایید .

محاسن و معایب FRC

الیاف معمولاً در سرتاسر مقطع عرضی FRC توزیع می شوند. بنابراین ممکن است برخی از الیاف برای تحمل تنش های کششی ناشی از بارهای وارده، به طور ناکار آمدی در بتن قرار گیرند. بسته به روش تولید الیاف، جهت گیری تصادفی آنها ممکن است دو بعدی و یا سه بعدی باشد. در روش افشانه، الیاف به صورت دو بعدی جت گیری می شوند، در حالی که در روش اختلاط از پیش (یا پیمانه کردن) جهت گیری الیاف، عموماً سه بعدی است. همچنین ممکن است الیاف در عرض ترکها با زاویه ای غیر از 90 درجه قرار گرفته باشند و یا طول آنها ز آنچه که برای تامین پیوستگی کافی، لازم است، کمتر باشد.

مهمترین حسن استفاده از ساختارهای مسلح به الیاف، برخلاف ساختارهای مسلح معمولی از فرآیندهای ساخت آنها درک می شود. بتن مسلح به الیاف یا به طور معمولی بتن ریزی شده و یا با افشانه تولید 
می شود؛ در نتیجه موجب حذف فعالیت های سخت و پر زحمت آرماتوربندی می گردد. با این حال، تولید محصولات FRC ممکن است نیاز به تلاش سخت و پر زحمت تر نسبت به محصولات پیش ساخت بتن معمولی داشته باشد.

در مواردی که بتن ریزی صحیح مقاطع نازک با بتن های مسلح معمولی بسیار مشکل باشد، می توان از بتن های مسلح به الیاف به عنوان بهترین و مناسب ترین گزینه استفاده کرد. همچنین بتن پاشی FRC روشی مناسب برای تولید محصولاتی با شکل نامنظم است. علاوه بر آن بتن مسلح به الیاف، جایگزین مناسبی برای بتن غیر مسلح می باشد. با استفاده از مقاطع نسبتاً نازک FRC که مقاومتی برابر با مقاطع ضخیم بتن غیر مسلح دارند، می توان به میزان قابل توجهی در وزن بتن صرفه جویی کرد.

جهت مطالعه مقاله محاسن و معایب FRC به طور کامل می توانید به وب سایت کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

انواع بتن های الیافی

انواع بتن های الیافی

انواع مختلفی از الیاف برای تقویت (مسلح کردن) ماتریس های با پایه سیمانی مورد استفاده قرار گرفته است. الیاف ممکن است از جنس آلی مصنوعی (مثلاً پلی پروپیلن یا کربن)، غیر آلی مصنوعی (مثل فولاد یا شیشه)، آلی طبیعی (مثل سلولزی یا Sisal) و یا غیرآلی طبیعی (مثل آزبست) باشد. در حال حاضر تنها الیاف فولادی، پلی پروپیلن و  پلی استر به طور گسترده در صنعت ساختمان های بتنی ایالات متحده به کار می روند. بتن های مسلح به الیاف اکریلیک نیز هر چند سال های زیادی است که در اروپا کاربرد داشته، تنها به تازگی به بازارهای ایالات متحده عرضه شده است. همچنین گرچه از محصولات سیمان آزبستی در گذشته استفاده زیادی به عمل می آمده است، این محصولات به لیل خطرات سلامتی ناشی از الیاف آزبستی هوابرد، به سرعت با دیگر محصولات با پایه سیمانی جایگزین گشتند. الیاف طبیعی آلی به دلیل ملاحظات اقتصادی، یک نوع معمول تقویت کننده بتن در کشورهای در حال توسعه است.

در طول 40 سال گذشته، تولید مخلوط های بتن مسلح به الیاف به طور نامحدود به صنایع گوناگون گسترش یافته است. شمار افزایش یابنده ای از شرکت ها در سراسر جهان وجود دارند که تولید بتن های الیافینمود و یا از الیاف در پروژه های ساختمان سازی استفاده می کنند. تنها تعداد کمی از صدها نوع مختلف الیاف برای کاربردهای تجاری، مناسب تشخیص داده شده اند. جدول زیر لیستی از انواع مختلف الیاف و خصوصیات مصالحی مربوط به آنها را نشان می دهد. همه این انواع یا ب شکل تجربی و یا تجاری به عنوان تقویت کننده در ساخت بتن به کار رفته اند.

جهت مطالعه مقاله انواع بتن های الیافی به طور کامل می توانید به وب سایت کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .