اکنون به خوبی ثابت شده است که یکی از خواص مهم بتن تقویت شده با الیاف فولادی (SFRC) مقاومت برتر آن در برابر ترک و انتشار ترک است.
کامپوزیت‌های الیافی، در نتیجه این توانایی که در مهار ترک‌ها دارند، با افزایش کشش و استحکام کششی، در هر دو ترک یعنی هم در ترک اوّل و هم ترک آخر، به‌ویژه ترک‌هایی که ناشی از تحت بارگذاری خمشی ایجاد می‌شود، الیاف قادر به نگه‌داشتن ماتریس در کنار هم حتی پس از ترک‌های گسترده هستند.
نتیجه خالص همه اینها ایجاد شکل‌پذیری مشخص به کامپوزیت الیاف پس از ترک است که در بتن معمولی این امر امکان‌پذیر نمی‌باشد.
تبدیل مواد از نوع شکننده به شکل‌پذیر به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای ویژگی‌های جذب انرژی کامپوزیت الیاف و توانایی آن را برای مقاومت در برابر بارگذاری مکرر، شوک یا ضربه افزایش می‌دهد.
در این مقاله، خواص مکانیکی، فناوری‌ها و کاربردهای SFRC مورد بحث قرار می‌گیرد.
بتن تقویت شده با الیاف (FRC) ممکن است به‌عنوان یک ماده مرکب ساخته شده با سیمان پرتلند، سنگدانه و ترکیب الیاف ناپیوسته مجزا تعریف شود.
حال چرا می‌خواهیم چنین الیافی را به بتن اضافه کنیم؟ بتن ساده و غیر مسلح، ماده‌ای شکننده، با مقاومت کششی و ظرفیت کرنش کم است. نقش توزیع تصادفی الیاف ناپیوسته این است که بر روی شکاف‌هایی که ایجاد می‌شوند پل بزنند تا مقداری «شکل‌پذیری» پس از ترک ایجاد کنند. اگر الیاف به اندازه کافی مستحکم و به اندازه کافی به مواد چسبیده باشند، به FRC اجازه می‌دهند تا در مرحله پس از ترک، تنش‌های قابل‌توجهی را در ظرفیت کرنش نسبتاً زیادی، تحمل کند. البته راه‌های دیگری (و احتمالاً ارزان‌تر) برای افزایش مقاومت بتن وجود دارد. سهم واقعی الیاف، افزایش مقاومت بتن (تعریف شده به عنوان تابعی از ناحیه تحت بار در مقابل منحنی انحراف)، تحت هر نوع بارگذاری است. یعنی الیاف تمایل به افزایش کرنش در اوج بار دارند و مقدار زیادی جذب انرژی را در بخش پس از اوج بار در مقابل منحنی انحراف فراهم می‌کنند.
مقاله مرتبط: 10 نکته در مورد تقویت بتن با فیبر یا الیاف
هنگامی که تقویت الیاف به‌صورت الیاف مجزای کوتاه باشد، به‌طور موثر به‌عنوان آخال‌های صلب در ماتریس بتن عمل می‌کنند. بنابراین، از نظر فیزیکی، آنها دارای همان ترتیب بزرگی هستند که آخال کل را دارند. بنابراین تقویت الیاف فولادی را نمی‌توان به‌عنوان جایگزین مستقیم آرماتورهای طولی در اعضای سازه‌ای تقویت شده و پیش‌تنیده در نظر گرفت. با این حال، به‌دلیل خواص ذاتی مواد بتن الیافی، وجود الیاف موجود در بدنه بتن یا تهیه پوسته کششی از بتن الیافی می‌توان انتظار داشت که مقاومت اعضای سازه‌ای تقویت‌شده مرسوم در برابر ترک‌خوردگی، انحراف و سایر شرایط قابل استفاده را بهبود بخشد.
تقویت کننده الیاف ممکن است به شکل الیاف سه‌بعدی توزیع شده تصادفی/رندومی در سرتاسر عضو سازه مورد استفاده قرار گیرد، تا بتوان از مزایای افزوده شده الیاف برای مقاومت برشی و کنترل ترک استفاده بیشتری کرد.
از سوی دیگر، بتن الیافی همچنین ممکن است به‌عنوان یک پوسته کششی برای پوشش آرماتور فولادی استفاده شود، زمانی که جهت‌گیری دو بعدی کارآمدتری از الیاف به دست آید.
مانند هر نوع بتن دیگر، نسبت مخلوط برای SFRC به الزامات یک کار خاص، از نظر مقاومت، کارایی و غیره بستگی دارد. چندین روش برای تناسب مخلوط SFRC موجود است که بر کارایی مخلوط حاصل تاکید دارد. با این‌حال، ملاحظاتی وجود دارد که مخصوص SFRC است.
به‌طور کلی، مخلوط‌های SFRC حاوی محتوای سیمان بالاتر و نسبت‌های بالاتری از سنگدانه‌های ریز به درشت نسبت به بتن‌های معمولی هستند، و بنابراین روش‌های طراحی اختلاط که برای بتن معمولی اعمال می‌شود ممکن است به طور کامل برای SFRC قابل اجرا نباشد. معمولاً، برای کاهش مقدار سیمان، تا 35 درصد، سیمان را می‌توان با خاکستر بادی جایگزین کرد. علاوه بر این، برای بهبود کارایی مخلوط‌های با حجم الیاف بالاتر، از افزودنی های کاهش دهنده آب و به‌ویژه فوق روان کننده ها اغلب همراه با افزودنی هوازا استفاده می‌شود.
محدوده نسبت SFRC با وزن نرمال در جدول 1 نشان داده شده است.
برای شاتکریت / بتن پاشیده شده تقویت شده با الیاف فولادی، ملاحظات مختلفی اعمال می‌شود، که اکثر طرح‌های مخلوط به‌صورت تجربی به‌دست می‌آیند. طرح‌های مخلوط معمولی برای شاتکریت الیاف فولادی در جدول 2 آورده شده است.
یک نوع فیبر خاص، جهت‌گیری و درصد الیاف، کارایی مخلوط با افزایش اندازه و مقدار ذرات سنگدانه بیشتر از 5 میلی‌متر را کاهش می‌دهد. وجود ذرات سنگدانه با اندازه کمتر از 5 میلی‌متر تأثیر کمی بر ویژگی‌های تراکم مخلوط دارد. شکل 1 اثرات حداکثر اندازه سنگدانه را بر کارایی نشان می‌دهد.
دومین عاملی که تأثیر عمده‌ای بر کارایی دارد، نسبت ابعاد (l/d) الیاف است. کارایی با افزایش نسبت ابعاد کاهش می‌یابد، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، در عمل دستیابی به یک ترکیب یکنواخت در صورتی که نسبت ابعاد بیشتر از حدود 100 باشد، بسیار دشوار است.
ویژگی | ملات | 9/5 میلی‌متر حداکثر اندازه سنگدانه | 19 میلی‌متر حداکثر اندازه سنگدانه |
سیمان (kg/m3) نسبت w/c سنگدانه ریز/درشت(%) هوای حباب شده (%) محتوای فیبر (%) بر حسب حجم فولاد صاف فولاد تغییر شکل‌یافته | 415-710 0/0- 0/3 100 7-10
1-2 1/0 -0/5 | 355-590 0/45 – 0/35 45-60 4-7
1/8- 0/9 0/9 – 0/4 | 300-535 0/5- 0/4 45-55 4-6
1/6- 0/8 0/8- 0/3 |
جدول 1: محدوده نسبت‌های بتن مسلح با الیاف با وزن معمولی [6]
ویژگی | مخلوط سنگدانه ریز (kg/m3) | مخلوط سنگدانه 9/5 میلی‌متر (kg/m3) |
سیمان ماسه مخلوط (< 6/35 میلی‌متر)a سنگدانه 9/5 میلی‌متر الیاف فولادیb,c شتاب دهنده نسبت w/c | 446-559 1438-1679
35-157 متفاوت است. 0/45- 0/40
| 445 880- 697 700-875 39-150 متفاوت است. 0/45- 0/40 |
جدول 2: مخلوط‌های شاتکریت تقویت شده با الیاف فولادی [7]
a ماسه حاوی حدود 5 درصد رطوبت
b 1% الیاف فولادی بر حسب حجم = 78/6 کیلوگرم بر مترمکعب
c از آنجایی که برجهندگی/ برگشت الاستیکی الیاف عموماً بزرگتر از برجهندگی/ برگشت الاستیکی سنگدانه است، معمولاً درصد کمتری از الیاف در شاتکریت در جای خود وجود دارد.
شکل 1: کارایی در برابر محتوای فیبر برای ماتریس‌ها با حداکثر اندازه‌های مختلف سنگدانه‌ها [8]
شکل 2: اثر نسبت ابعاد الیاف بر کارایی بتن، همانطور که توسط ضریب متراکم اندازه‌گیری می‌شود. [8]
SFRC، به‌طور کلی، می‌تواند با استفاده از روش معمولی بتن تولید شود، اگرچه واضح است که تفاوت‌های مهمی وجود دارد. مشکل اساسی وارد کردن حجم کافی از الیاف‌ها با پراکندگی یکنواخت برای دستیابی به بهبودهای مطلوب در رفتار مکانیکی است، تا زمانی که کارایی کافی در مخلوط تازه حفظ، تا امکان اختلاط، قرار دادن و تکمیل مناسب فراهم شود. عملکرد بتن سخت شده توسط الیاف با نسبت ابعاد بالاتر، بیشتر می‌شود، زیرا این امر باعث بهبود پیوند فیبر-ماتریس می‌شود. از طرف دیگر، تناسب بالا بر کارایی مخلوط تازه تأثیر نامطلوبی می‌گذارد. به‌طور کلی، مشکلات کارایی و توزیع یکنواخت با افزایش طول و حجم الیاف افزایش می‌یابد. یکی از مشکلات اصلی در دستیابی به توزیع یکنواخت الیاف، تمایل الیاف فولادی به گلوله یا کلوخه شدن و چسبیدن به‌هم است.
انباشتگی و کلوخه شدن الیاف‌ها ممکن است به‌دلیل تعدادی از عوامل زیر ایجاد گردد:
– ممکن است الیاف قبل از اینکه به مخلوط اضافه شوند به هم چسبیده باشند. عمل اختلاط معمولی این توده‌ها را از بین نمی‌برد.
– ممکن است الیاف خیلی سریع اضافه شده‌اند تا در مخلوط کن پخش شوند.
– ممکن است حجم خیلی زیادی الیاف اضافه شود.
– میکسر ممکن است برای پراکندگی الیاف بیش از حد فرسوده یا ناکارآمد باشد.
– وارد كردن الياف به ميكسر قبل از ساير مواد بتن باعث جمع شدن و گلوله شدن آنها به یکدیگر مي‌شود.
با توجه به این موضوع، باید در مراحل اختلاط دقت شود. معمولاً، هنگام استفاده از کامیون مخلوط ترانزیت یا میکسر درام گردان، الیاف باید در مرحله آخر به بتن مرطوب اضافه شوند.
بتن به تنهایی معمولاً باید اسلامپ 50-75 میلی‌متری بیشتر از اسلامپ مورد نظر SFRC داشته باشد. البته، الیاف را باید بدون توده و کلوخه اضافه کرد، معمولاً ابتدا آنها را باید از یک الک مناسب عبور داد.
هنگامی که تمامی الیاف در مخلوط کن ریخته می‌شوند، حدود 30-40 دور با سرعت اختلاط باید به‌درستی الیاف پراکنده شوند. از طرف دیگر، الیاف ممکن است به سنگدانه‌های ریز روی تسمه نقاله در حین افزودن سنگدانه به مخلوط بتن اضافه شوند. استفاده از الیاف جمع‌شده که توسط یک تثبیت‌کننده حلال در آب، کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند، در حین اختلاط حل شده و تا حد زیادی مشکل کلوخه شدن را برطرف می‌کند.
SFRC را می توان با استفاده از تجهیزات معمولی بتن به اندازه کافی بتن‌ریزی کرد. به‌نظر می‌رسد که مخلوط بسیار سفت است زیرا الیاف تمایل به مهار جریان دارند. با این حال هنگامی که ویبره شود ، مواد به‌آسانی در قالب جاری می‌شود. لازم به ذکر است که برای بهبود کارایی باید فقط با احتیاط زیاد آب به مخلوط‌های SFRC اضافه شود، زیرا میزان بالاتر از نسبت آب به سیمان حدود 0/5 آب اضافی می‌تواند اسلامپ SFRC را بدون افزایش کارایی آن، افزایش و قابلیت بتن‌ریزی آن تحت ویبره / لرزش، افزایش دهد. عملیات تکمیلی با SFRC اساساً مانند بتن معمولی است.
الیاف کمک چندانی به افزایش مقاومت فشاری استاتیکی بتن نمی‌کنند که این افزایش استحکام در اصل از صفر تا 25% درصد است. حتی در اعضایی که علاوه بر الیاف فولادی حاوی آرماتورهای معمولی هستند، الیاف تأثیر کمی بر مقاومت فشاری دارند. با این حال، الیاف به‌طور قابل ملاحظه‌ای شکل‌پذیری پس از ترک‌خوردگی یا جذب انرژی مواد را افزایش می‌دهند. این امر به‌صورت گرافیکی در منحنی‌های تنش-کرنش فشاری SFRC در شکل 3 نشان داده شده است.
کرنش طولی X 10-6
شکل 3: منحنی‌های تنش-کرنش در فشار برای SFRC. [9]
الیافی که در جهت تنش کششی قرار گرفته‌اند ممکن است افزایش بسیار زیادی در استحکام کششی مستقیم ایجاد کنند، تا 133% برای 5% از الیاف فولادی صاف و مستقیم.
با این حال، برای الیاف کم و بیش توزیع شده به‌صورت تصادفی / رندومی، افزایش استحکام بسیار کوچکتر است، از همان عدم افزایش در برخی موارد شاید 60٪. با بسیاری از تحقیقات انجام شده مقادیر میانی، در شکل 4 نشان داده شده است. تست کشش ترک SFRC نتیجه مشابهی را نشان می‌دهد. بنابراین، افزودن الیاف صرفاً برای افزایش استحکام کششی مستقیم احتمالاً ارزشمند نیست. با این حال، مانند تراکم، الیاف فولادی منجر به افزایش عمده در رفتار پس از ترک‌خوردگی یا مقاومت کامپوزیت‌ها می‌شود.
شکل 4: تأثیر محتوای الیاف بر استحکام کششی [9]
الیاف فولادی معمولاً اثر بسیار بیشتری بر مقاومت خمشی SFRC نسبت به مقاومت فشاری یا کششی دارند و افزایش بیش از 100٪ گزارش شده است. افزایش استحکام خمشی نه تنها به حجم الیاف، بلکه به نسبت ابعاد الیاف نیز حساس است، با نسبت ابعاد بالاتر منجر به افزایش استحکام بیشتر می‌شود.
شکل 5 اثر فیبر را بر حسب پارامتر ترکیبی Wl/d توصیف می‌کند، که در آن l/d نسبت ابعاد و W درصد وزنی الیاف است. لازم به ذکر است که برای Wl/d >600 ، ویژگی‌های ترکیبی کاملاً رضایت‌بخش نبوده است. الیاف تغییر شکل‌یافته، به‌دلیل ویژگی‌های پیوند بهبود یافته، همان نوع افزایش را در حجم‌های پایین‌تر نشان می‌دهند.
شکل 5: تأثیر نسبت Wl/d بر مقاومت خمشی ملات و بتن [9]
همانطور که قبلاً اشاره شد، الیاف به بتن اضافه می‌شود نه برای بهبود مقاومت، بلکه در درجه اوّل برای بهبود مقاومت یا ظرفیت جذب انرژی. معمولاً مقاومت خمشی به‌عنوان ناحیه زیر منحنی کامل بار-انحراف در خمش تعریف می‌شود. گاهی اوقات به‌عنوان انرژی کل برای شکست نیز نامیده می‌شود. از طرف دیگر، مقاومت ممکن است به‌عنوان ناحیه زیر منحنی بار-انحراف تا مقداری انحراف خاص، یا تا نقطه‌ای که بار به درصد ثابتی از بار اوج بازگشته است، تعریف شود. احتمالاً متداول‌ترین اندازه‌گیری مقاومت، شاخص مقاومت است که توسط جانستون پیشنهاد شده و در ASTM C1018 گنجانده شده است. همانطور که در مورد مقاومت خمشی بیان شد، مقاومت خمشی نیز با افزایش پارامتر Wl/d افزایش می‌یابد، که در شکل 6 نشان داده شده است.
منحنی‌های بار-انحراف برای انواع و حجم‌های مختلف الیاف فولادی می‌تواند بسیار متفاوت باشد، همانطور که قبلاً در شکل 7 نشان داده شد. برای همه معیارهای تجربی مقاومت، الیاف با ویژگی‌های پیوند بهتر (یعنی الیاف تغییر شکل‌یافته یا الیاف با نسبت ابعاد بیشتر) نسبت به الیاف صاف و مستقیم در غلظت‌های حجمی یکسان، مقاومت بالاتری دارند.
شکل 6: اثر نسبت Wl/d بر مقاومت خمشی SFRC،
بر اساس داده‌های مقاله [9].
شکل 7: طیفی از منحنی‌های بار – خمش به‌دست آمده در آزمایش بتن مسلح با الیاف فولادی [10].
همانطور که توسط کمیته ACI 544 توصیه شده است، “زمانی که در کاربردهای سازه‌ای استفاده می‌شود، بتن تقویت‌شده با الیاف فولادی فقط باید در نقش مکمل برای مهار ترک‌خوردگی، بهبود مقاومت در برابر ضربه یا بارگذاری دینامیکی و مقاومت در برابر متلاشی شدن مواد استفاده شود.” در اعضای سازه‌ای که بارهای خمشی یا کششی رخ می‌دهد، فولاد تقویت‌کننده باید بتواند بار کششی کل را تحمل کند. بنابراین، در حالی که تعدادی تکنیک برای پیش‌بینی مقاومت تیرهای تقویت‌شده فقط با الیاف فولادی وجود دارد، هیچ معادله پیش‌بینی‌کننده‌ای برای تیرهای بزرگ SFRC وجود ندارد، زیرا انتظار می‌رود این تیرها حاوی میلگردهای تقویت‌کننده معمولی نیز باشند. اخیراً یک راهنمای گسترده برای ملاحظات طراحی برای SFRC ارائه شده است که توسط موسسه بتن آمریکا منتشر شده است. در این بخش، استفاده از SFRC در درجه اوّل در اعضای سازه‌ای که حاوی آرماتورهای معمولی نیز هستند، مورد بحث قرار خواهد گرفت.
برای تیرهای حاوی الیاف و میلگردهای تقویت کننده پیوسته، وضعیت پیچیده است، زیرا الیاف به دو صورت عمل می‌کنند:
(1) آنها اجازه می‌دهند که استحکام کششی SFRC در طراحی استفاده شود، زیرا ماتریس دیگر ظرفیت باربری خود را در اولین ترک از دست نخواهد داد.
(2) آنها پیوند بین ماتریس و میلگردهای تقویت کننده را با مهار رشد ترک‌هایی که از تغییرشکل‌ها روی میله‌ها ایجاد می‌شوند، بهبود می‌بخشند.
با این حال، این استحکام کششی بهبود یافته SFRC است که بیشتر در تجزیه و تحلیل تیر مورد توجه قرار می‌گیرد، زیرا تعیین کمیت بهبود در استحکام پیوند بسیار دشوارتر است.
نشان داده شده است که الیاف فولادی گشتاور نهایی و انحراف نهایی تیرهای تقویت شده معمولی را افزایش می‌دهند. هرچه تنش کششی ناشی از الیاف بیشتر باشد، گشتاور نهایی بیشتر است.
شکل 8: منحنی لنگر/گشتاور آزمایشی در مقابل منحنی‌های شکست برای تیرهای SFRC [11]
استفاده از SFRC در طول 30 سال گذشته بسیار متنوع و گسترده بوده است که طبقه‌بندی آنها دشوار است.
رایج‌ترین کاربردها عبارتند از: روسازی، پوشش تونل‌ها، روسازی و دال، شاتکریت و در حال حاضر شاتکریت حاوی دود سیلیس، روسازی فرودگاه‌ها، تعمیر دال عرشه پل و غیره. همچنین برخی از کارهای تجربی اخیر بر روی بتن غلتکی (RCC) تقویت شده با الیاف فولادی نیز انجام شده است. و این لیست نامحدود است.
خود الیاف متأسفانه نسبتاً گران هستند. افزودن الیاف فولادی 1% تقریباً هزینه‌های مصالح بتن را دو برابر می‌کند و این امر باعث محدود شدن استفاده از SFRC در موارد خاص می‌شود.
M.Gh.
