انواع الیاف مورد استفاده در بتن
از آنجایی که بتن یکی از پرمصرف‌ترین مواد در جهان می‌باشد تحقیقات و پژوهش در این زمینه بسیار پرطرفدار می‌باشد. لذا همواره متخصصین در جهت تغییر و ارتقاء این ماده در تلاش می‌باشند و به جرات می‌توان گفت، هر روز بر اطلاعات این علم افزوده می‌گردد.
از دیرباز جهت افزایش مقاومت و جلوگیری از بروز ترک و پوسته پوسته شدن گل، از کاه استفاده می‌کردند که باعث می‌شد ملات کاهگل مقاومت کششی و مقاومت ضربه بالاتری نسبت به گل داشته باشد. از این رو استفاده از الیاف نیز در بتن، ایده مناسبی بنظر رسیده و سال‌هاست که بتن الیافی به صنعت و مصرف‌کنندگان این ماده معرفی گردیده است.
تاریخچه و علت استفاده از الیاف در بتن
همانطور که می‌دانید بتن ماده‌ایست که از لحاظ مکانیکی غیر همگن، مقاوم و شکننده معرفی شده است و همواره شکنندگی یا چقرمگی این ماده مورد بحث می‌باشد. یک بتن عادی مقاومت کششی در حدود ده درصد مقاومت فشاری خود را دارد لذا همواره بتن را ماده مقاوم در مقابل تنش‌های فشاری و نسبتا ضعیف در مقابل تنش‌های کششی و بارهای خمشی می‌دانند.
به همین جهت در اعضاء سازه‌ای که علاوه بر تنش فشاری، تنش کششی نیز بر عضو وارد می‌شود از بتن مسلح که در واقع ترکیب بتن و فولاد (آرماتور) می‌باشد، استفاده می‌گردد. از آنجایی که بتن ماده‌ای ارزان، در دسترس و مقاوم در برابر عوامل جوی می‌باشد صنایع ابنیه، راهسازی، ساختمان سازی و قطعه سازی همواره به دنبال جایگزینی فولاد با بتن بوده‌اند.
اما ضعف مقاومت کششی بتن در مقایسه با مقاومت فشاری آن، بارز ترین مانع بر سر راه این هدف می‌باشد. با توجه به توضیحات داده شده یکی از موضوعات مهم تحقیقاتی در زمینه بتن افزایش مقاومت کششی بتن، می‌باشد.
الیاف جمع کلمه لیف به معنی رشته است. مجموعه مولکول‌های تشکیل‌دهنده این رشته‌ها، خطی و اکثراً موازی یک محور اصلی می‌باشد. وزن مولکولی این مواد بسیار بالا بوده و ویژگی این مواد انعطاف‌پذیری و دارا بودن نسبت زیاد طول به قطر است.
علم الیاف بتن با گسترش انواع الیاف، بسیار پیچیده گردیده و فاکتورهای مهمی از قبیل جنس الیاف، ابعاد الیاف، هندسه الیاف، نحوه و مقدار استفاده در کنار فاکتورهای مختلف خود بتن؛ مثل دانه‌بندی، نسبت آب به سیمان و… باعث گردیده تا انواع بسیار زیادی از بتن الیافی در صنعت ظهور کنند.
در این مقاله سعی می‌شود ابتدا انواع الیاف دسته‌بندی گردند و سپس توضیح مختصری از خصوصیات و تاثیرگذاری هرکدام ارائه گردد.
دانلود بروشور و کاتالوگ افزودنی های بتن (الیاف PP)
میزان و نحوه مصرف الیاف بتن
در این مطلب نحوه مصرف و میزان بهینه مصرف برای هر نوع مشخص شده است و لازم است بدانید که اولا میزان مصرف بهتر است توسط یک متخصص بتن با توجه به کاربرد و ویژگی‌های مورد نیاز مشخص شود و دوما میزان مصرف الیاف در مجامع علمی بر اساس حجم الیاف نسبت به حجم بتن مشخص می‌گردد.
جهت سهولت در محاسبه، از وزن مخصوص الیاف، جهت مشخص نمودن میزان مصرف، استفاده شده است. همچنین هنگام استفاده از هر نوع الیافی رعایت نکات ایمنی مثل پوشیدن دستکش و استفاده از عینک و ماسک توصیه می‌شود.
دسته بندی الیاف به لحاظ ابعاد و اندازه
الیاف از نظر ظاهری و بر اساس قطر به دو دسته میکرو و ماکرو تقسیم‌بندی می‌شوند.
الیاف میکرو: دارای “قطر” یا “قطر معادل” کمتر یا مساوی ۰.۳ میلی متر می باشند.
الیاف ماکرو: دارای “قطر” یا “قطر معادل” بزرگتر یا مساوی ۰.۳ میلی متر می باشند.
قطر معادل، قطری است که الیاف دایره ای دارای سطح مقطع مشابه الیاف مورد نظر است. همچنین از نظر شکل هندسی در انواعی مثل سینوسی، دوسر قلاب، یک سر قلاب، ساده و … دسته‌بندی می‌شوند.
دسته بندی الیاف به لحاظ نوع و جنس مواد
الیاف از نظر جنس ماده اولیه به دو دسته الیاف طبیعی و الیاف مصنوعی تقسیم‌بندی می‌شوند.
الیاف طبیعی: مثل الیاف پنبه، آزبست، کنف یا کتان.
الیاف مصنوعی: مثل پلی استر، نایلون و…
شکل مرسوم دسته‌بندی الیاف، بر اساس جنس آنها می‌باشد و معمولا در برگیرنده الیاف مصنوعی می‌باشد که در ادامه به این دسته‌بندی و معرفی ۹ نوع از این الیاف، بصورت مفصل پرداخته می‌شود. هرچند ممکن است انواع الیاف بر اساس جنس آن بیشتر از آنچه در متن معرفی شده است، باشد اما سعی شده تا متعارف‌ترین الیاف مورد استفاده در بتن، در این متن گزارش شود.
۱) الیاف پلی پروپیلن یا الیاف PP (پ‌پ)
همانطور که می‌دانید بعضی از الیاف نیازمند شرایط خاصی جهت استفاده و عمل‌آوری در بتن هستند اما از آنجایی که الیاف پلی پروپیلن جذب آب نداشته و آب‌گریز هستند و نحوه استفاده آن پیچیدگی خاصی ندارد، استفاده از آن تقریبا عمومی بوده و در هر نوع بتنی مورد استفاده قرار گرفته و مقاومت کششی و مقاومت در برابر ضربه بتن را افزایش می‌دهد.
از این الیاف در ملات‌های گچی و قطعات گچی نیز استفاده می‌شود.این الیاف معمولا در سایزهای ۱۲ و ۱۸ میلیمتر عرضه می‌گردند و برای استفاده در ملات و یا تایل‌های پیش‌ساخته از ابعاد ۶ میلیمتر آنها نیز استفاده می‌گردد.
میزان مصرف الیاف PP در بتن:
میزان مصرف الیاف پ پ در بتن در حدود ۵۰۰ الی ۲۰۰۰ گرم در هر مترمکعب بتن می‌باشد که بسته به نوع طرح اختلاط و ویژگی‌های مدنظر متفاوت می‌باشد و استفاده از آن حداقل در طرح اولیه نیازمند همراهی یک متخصص دارد. معمولا در یک بتن عادی بدون در نظر گرفتن ویژگی یا شرایط پمپ و قالب‌بندی خاص، مقدار ۷۰۰ گرم در هر مترمکعب جهت افزایش شکل‌پذیری بتن، مقاومت سایشی و مقاومت در مقابل ضربه و کاهش احتمال ترک خوردگی کافی می‌باشد.
اما اگر هدف، افزایش مقاومت کششی بتن و عملکرد خمشی مناسب است، مقدار مصرف این الیاف باید افزایش داده شود که این امر نیازمند اختلاط درست الیاف و باز شدن کامل آنها در طرح مخلوط بتن می‌باشد.
الیاف PP می‌توانند بصورت خشک در پودر یا سیمان اختلاط گردند و یا می‌توان آنها را در بتن آماده مورد مصرف قرار داد. معمولا پیشنهاد می‌شود در صورتی که این الیاف به بتن آماده اضافه گردیده باشند، مقدار مصرف آنها بیشتر شود تا در صورت بروز اشکال در اختلاط کامل، نتیجه مدنظر حاصل گردد.
الیاف پروپیلن جزو الیاف سخت‌کار و پردردسر نمی‌باشند اما فارغ از نوع، الیاف به خاطر هندسه خود، نیازمند روشی مناسب جهت بازکردن و یا اصطلاحا دیسپرد (dispread) کردن می‌باشند و اگر الیاف خوب پخش نشود نتیجه مطلوب حاصل نخواهد شد.
علت گلوله شدن الیاف PP (پ‌پ)
در مورد الیاف پروپیلن احتمال گلوله شدن الیاف وجود دارد که به چند علت اتفاق می‌افتد:
۱: سرعت یا هندسه نامناسب پره دستگاه مخلوط کننده
۲: چرخش و مکس زیاد پودر خشک
۳: اضافه کردن ناگهانی الیاف به تراک‌میکسر و رعایت نکردن نکات مربوطه
۴: آب انداختگی یا مناسب نبودن طرح اختلاط بتن برای حضور الیاف
الیاف پلی پروپیلن | الیاف PP
- مواد خام اولیه: ۱۰۰% پلی پروپیلن
- محدوده ذوب (°C): 160-170
- وزن مخصوص (gr/cm³): ۰/۹۱
- طول الیاف (mm): 3-6-12-19
- جذب آب: ندارد
۲) الیاف فورتا (FORTA)
این الیاف نیز پلیمری بوده و از جنس پلی‌پروپیلن می‌باشد و بصورت ترکیبی از دو نوع الیاف ارائه می‌گردند. هندسه متفاوت این الیاف باعث شده تا شهرت ویژه‌ای کسب نموده و در دسته‌ای جدا از الیاف پلی‌پروپیلن قرار گیرند.
این الیاف شامل رشته‌هایی در هم تنیده می‌باشند که مقاومت بتن را در مقابل جمع‌شدگی و یا انبساط و انقباض‌های دمایی بسیار بالا می‌برند. خصوصیات مکانیکی و ظاهری این الیاف به‌گونه‌ای است که می‌توان این الیاف را جایگزین میلگردهای حرارتی نمود. معمولا میزان بهینه مصرف این الیاف از دیگر الیاف پ‌پ در حدود ۱۰-۳۰ درصد می‌تواند کمتر باشد.
۳) الیاف شیشه یا فایبرگلس
امروزه با گسترش صنعت خرد کردن و شکل دهی مواد، شیشه یکی از جمله موادی است که بصورت الیاف نیز به بازار عرضه می‌گردد و در صنعت بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. الیاف شیشه عموما مقاومت کششی بتن را همانند الیاف پ‌پ افزایش می‌دهند و همچنین به دلیل سختی بالا باعث افزایش مقاومت سایشی بتن، حتی بهتر از الیاف پ‌پ می‌گردند.
این نوع الیاف، عایق الکتریکی بوده و مقاومت حرارتی بسیار بالایی دارند اما از آنجایی که از نظر زیست محیطی، قابل قبول نمی‌باشند مصرف آنها در صنعت بتن، در حال محدود شدن می‌باشد.
یکی از مسائلی که در خصوص این الیاف، همیشه مطرح می‌شود میزان حضور مواد قلیایی در آنها و احتمال واکنش‌زایی آنها می‌باشد که باید حتما در تهیه این الیاف مدنظر قرار گیرد و هر نوع الیاف شیشه‌ای مورد استفاده قرار نگیرد. لذا پیشنهاد می‌شود این نوع الیاف حتما از مراکز معتبر فروشنده افزودنیهای بتن تهیه گردیده و آزمایشات لازم پیش از مصرف در بتن بر روی این محصول انجام گردد.
همانطور که پیش‌تر اشاره شد قاعدتا میزان مصرف الیاف باید بر اساس حجم مشخص گردد و با توجه به این که وزن مخصوص این الیاف بالا می‌باشد لذا میزان مصرف این الیاف بیشتر از الیاف پ‌پ بوده و بعضا تا ۸ کیلوگرم در هر مترمکعب مصرف می‌گردد. عموما سایز این الیاف ۱۲ میلیمتر می‌باشد اما همانند دیگر الیاف برای تولید دیگر سایزها محدودیتی وجود نداشته و در صورت نیاز قابل استفاده می‌باشند.
این الیاف امکان افزایش مقاومت فشاری بتن تا ۴۰ درصد را داشته و باعث افزایش طول عمر خستگی بتن می‌گردد. این الیاف نیز جذب آب نداشته و تاثیری بر نسبت آب به سیمان ندارند.
در هنگام استفاده از این الیاف حتما باید نکات ایمنی رعایت گردد و از دستکش، ماسک و عینک کار، استفاده گردد.
این الیاف نیز هم بصورت خشک قابل ترکیب بوده و هم امکان اضافه کردن به بتن تازه را دارند و تنها لازم است در نظر داشته باشید که الیاف باید بصورت کاملا یکنواخت در بتن ترکیب گردند. همچنین پیشنهاد می‌شود جهت بهره‌مندی از ویژگی‌های مختلف الیاف از ترکیب الیاف پ‌پ و الیاف شیشه در تهیه سگمنت‌های بتنی استفاده گردد.
۴) الیاف پلی‌استر (PET)
این الیاف از مایع معروف پلی‌استر و هاردنر یا حجم‌دهنده آن ساخته می‌شود. این الیاف وزن بسیار کمی داشته و برای ساخت بتن‌های سبک و قطعات سبک پیشنهاد می‌گردد.
الیاف پلی استر نیز جذب آب نداشته اما باعث کاهش اسلامپ بتن می‌گردند و همین امر باعث می‌گردد تا نیاز به مصرف آب یا روان‌کننده بیشتر گردد. به همین علت عموما در گزارشات آزمایشگاهی، نتایج تاثیر این الیاف در مقایسه با دیگر الیاف مثل پروپیلن ضعیف‌تر می‌باشد.
الیاف پلی‌استر حداکثر ۱ درصد از حجم بتن را تشکیل می‌دهند و استفاده بیشتر از آنها تبعاتی در بر خواهد داشت.
نتایج نشان داده است که این الیاف تاثیر مثبتی بر مشخصات مکانیکی بتن ندارند اما به دلیل مقاومت کششی بالا باعث افزایش انعطاف و مقاومت در مقابل ترک خوردگی می‌گردند و شکنندگی بتن را کاهش می‌دهند. این الیاف مقاومت کششی بالا و در حدود ۸۵۰ مگاپاسکال دارند و چگالی آنها ۴/۱ گرم بر سانتی متر مکعب می‌باشد.
۵) الیاف ماکروسنتتیک
الیاف ماکروسنتتیک یا الیاف پلاستیک بتن، جهت بهبود خصوصیات مکانیکی بتن، اعم از مقاومت فشاری و خمشی و کششی به کار می‌رود. این مواد که بیشتر در رنگ‌های سفید و خاکستری تولید می‌شوند، به منظور بهینه کردن سازه، جایگزین مناسب میلگرد هستند و نوع آجدار آنها، علاوه بر صرفه اقتصادی، به راحتی قابل دسترس است.
الیاف ماکرو از ساختار پلیمرهای طبیعی، با پیوندهای مشابه پروپیلن تشکیل شده، خزش و انقباض بتن در اثر جمع شدگی را کاهش می‌دهد و با وجود اینکه پلاستیکی است، سختی بتن را کم نمی‌کند. از این الیاف می‌توان در ملات ترمیمی بتن و برای ساخت بتن کفسازی سوله و مکان‌هایی که تحت بار و ضربه سنگین قرار دارند، استفاده نمود.
میزان مصرف این الیاف در هر متر مکعب، ۱ تا ۴ کیلوگرم است و اجرای آسان آن، به گسترش روزافزون این مواد کمک شایانی کرده است.
انواع الیاف بتن ماکرو که عمده ساختار آن نایلون ، پلی یورتان و آکریلیک است از مواد خام نفتی تهیه شده است. بکارگیری این الیاف در بتن، مکمل دیگر الیاف موجود در بتن است و استفاده از آن در بتن، سبب تقویت سه بُعد خواهد شد، چرا که قرار گرفتن این الیاف در بتن، مقاومت بتن را در تمام جهات بهبود می‌بخشد.
۶) الیاف فلزی
عموما الیاف فلزی مورد مصرف در بتن فولادی می‌باشند، از این رو این دسته به الیاف فولادی مشهور می‌باشند. به علت نزدیک بودن این نوع الیاف به آرماتور یا میلگرد، یکی از اولین جنس‌های پیشنهادی برای تولید الیاف بتن بودند و از سال ۱۹۷۱ با ساخت قطعات پیش‌ساخته بتنی به عرصه تولید بتن‌های الیافی ورود پیدا کردند.
از آنجایی که تاثیرگذاری این الیاف بر مشخصات مکانیکی بتن بسیار بیشتر از دیگر الیاف می‌باشد لذا این دسته از بتن‌های الیافی را بتن‌های مسلح دانسته و حتی در مقررات ملی ساختمان مبحث نهم و مبحث پنجم در چندین بند نحوه طراحی و آییتم‌های مدنظر مطرح شده است.
در مقررات ملی ساختمان تاکید شده است که این الیاف باید آجدار بوده و نسبت طول به قطر آنها حداقل ۵۰ و حداکثر ۱۰۰ باشد همچنین تاکید شده است که ضوابط استاندارد ملی ۱۷۶۹۷ نیز در خصوص این الیاف صدق نماید.
الیاف تولیدی معمولا دارای مقطع دایره‌ای به قطر ۴/۰ تا ۳/۱ میلیمتر می‌باشند و طول آنها معمولا بین ۲۵ تا ۶۳ میلیمتر می‌باشد و حداقل میزان مصرف این الیاف جهت تهیه بتن مسلح به الیاف فولادی، ۶۰ کیلوگرم در هر متر مربع می‌باشد.
لازم بذکر است که تمامی موارد ذکر شده در مقررات ملی ساختمان مبحث نهم مربوط به شرط افزایش مقاومت کششی در بتن می‌باشد و اگر اهداف دیگری مثل کاهش ترک، افزایش مقاومت فشاری و مقاومت در برابر ضربه مدنظر باشد ممکن است رعایت این ضوابط نیاز نبوده و بسته بنظر کارشناس مربوطه اقدام گردد.
۷) الیاف کربن
مزیت الیاف های کربن بر الیاف های فولادی، پلی پروپیلن و الیاف های شیشه، خصوصیات ذاتی آنها، مدول الاستیسیته بالا، مقاومت حرارتی بالا، پایداری شیمیایی بسیار بالا در محیط های شیمیایی قلیایی و دیگر محیط های شیمیایی خورنده است.
این الیاف که برخلاف دیگر الیاف ترد و شکننده هستند، وزن کم و مقاومت زیادی دارند. وزن این الیاف نیز یک سوم وزن الیاف فولادی بوده اما ۱۰ برابر آن مقاومت کششی دارد؛ تا جایی که تنها دلیل استفاده از این مواد، افزایش فوق‌العاده مقاومت کششی آن است. مقاومت خستگی و خوردگی این مواد نیز قابل قیاس با دیگر الیاف نیست.
این نمونه از الیاف بتن، در دمای بالا و تحت فشار تولید می‌شوند. مواد خام و اولیه این الیاف، مصنوعی و قیری است. از این رو، مقاومت انواع نمونه‌های آن با هم متفاوت است. مراحل تولید این الیاف، پایداری اکسیداسیون و کربونیزاسیون و در نهایت، پایداری گرافیتاسیون است.
در مرحله اول ساخت، الیاف با نیروی کششی و در دمای ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرد. سپس بدون اعمال نیروی کششی، در دمای ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد در محیط خنثی فرآوری می‌شود. در نهایت نیز در دمای ۱۵۰۰ الی ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد، بهبود جهت‌گیری الیاف و سایر ویژگی‌ها صورت می‌پذیرد.
از آنجایی که این الیاف روند ساخت سخت‌تری داشته و قیمت بالایی دارند هنوز مصرف آنها در ایران گسترش نیافته و بعضا محصولاتی تحت عنوان الیاف کربن در بازار ارائه می‌گردند که از اعتبار و اطمینان کافی برخوردار نبوده و هنوز امکان جایگزینی با الیاف فولادی را نداشته‌اند.
۸) الیاف میکروسنتتیک
این الیاف با قطری در حدود ۱۸ میکرومتر و طول‌های ۱۲ و ۱۸ میلیمتر در بازار عرضه می‌شوند عموما از این الیاف در جهت افزایش خصوصیات مکانیکی بتن مثل مقاومت فشاری و مقاومت کششی استفاده نمی‌گردد و در جهت جلوگیری از بروز ترک در بتن‌هایی که دارای سطح زیاد نسبت به قطر خود هستند و یا تایل‌ها و صفحات بتنی استفاده می‌شوند.
همچنین این الیاف در جلوگیری از ایجاد ترک تحت عوامل جوی مثل باد و آفتاب نیز جلوگیری نموده و انعطاف و مقاومت بتن را در برابر انبساط و انقباض‌های حرارتی و و پدیده جمع شدگی افزایش می‌دهند. این نوع الیاف به علت ویژگی خاص ظاهری برای استفاده در ملات‌ها و قطعات گچی نیز مناسب بوده و قابلیت مصرف دارند.
۹) الیاف آرامید
این نوع الیاف با نام‌های مختلفی در بازار از جمله AFRP، کولار، پلی آمید معطر و آروماتیک پلی آمید شناخته می‌شوند و انواع مختلفی دارند. پیشنهاد می‌شود قبل از تهیه این دسته از الیاف حتما نوع و مشخصات شیمیایی آن و دیگر اطلاعات مربوطه دریافت گردد و جهت اطمینان پیش از اجرا یک بتن آزمایشی تهیه و نتایج توسط کارشناس بتن مربوطه تحلیل و بررسی گردد.
از میان گروه انواع الیاف بتن آرامید، الیاف معروف به کولار بسیار سبک (حتی سبک‌تر از الیاف کربنی و شیشه‌ای) هستند و مقاومت کششی، برشی و شیمیایی زیادی دارند، تا جایی که جلیقه‌های ضد گلوله را با این الیاف تولید می‌کنند.
این الیاف برای سازه‌های واقع در شرایط محیطی شدید، بسیار مناسب بوده و پنج برابر مقاوم‌تر از الیاف شیشه و فولادی هستند. رنگ بیشتر این الیاف زرد است و هزینه ساخت و تولید آن بسیار زیاد است؛ تا جایی که این الیاف جزو گران‌ترین الیاف موجود به شمار می‌روند.
قابل توجه است، در صورت مواجه با این نوع الیاف حتما اصالت کمپانی ارائه دهنده بررسی گردیده و پیش از استفاده، نتایج مستند آزمایشگاهی بررسی گردد.
به دلیل مقاومت خزش و دینامیکی بالا، از الیاف کولار در سازه‌های خاص و بتن‌های پاششی استفاده می‌شود. افزایش طول این الیاف حدود ۴% است و این الیاف، جایگزین بسیار خوبی برای سیمان آزبستی هستند.
به طور کلی این الیاف، ۲% حجمی بتن مصرف می‌شوند؛ البته میزان دقیق مصرف آن در هر پروژه، بنا بر شرایط خاص پروژه تعیین می‌شود.
۱۰) الیاف سلولزی و طبیعی
این دسته از الیاف در دسته الیاف طبیعی قرار می‌گیرند و معمولا از جنس پوست تنه گیاهان یا موارد مشابه می‌باشند عموما در حوزه بتن‌های سبز و سازگار با محیط زیست قرار می‌گیرند و برخلاف اسم و تبلیغات جذاب کاربرد زیادی در کشور ما ندارند.
الیافی مثل پنبه، کتان و برگ‌های مختلف گیاهان از این دسته الیاف می‌باشند.
بعضا برخی از صنایع نساجی و تولید نخ، ضایعات و اضافه‌های نخ خود را تحت عنوان سردوک به صنعت بتن معرفی می‌کنند و مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما عموما به علت مشکلاتی که این نخ‌ها داشته و سایزهای مختلفی که دارند، جهت استفاده در بتن توصیه نمی‌گردند مگر قبل از آن، تحقیقات کاملی بر روی تاثیرات و شناخت این نخ‌ها انجام گردد.
افزودنی های بتن ژیکاوا
ژیکاوا، تولید کننده انواع افزودنی های بتن
