با بتن الیافی آشنا شوید
بتن الیافی (Fiber Concrete) که از انواع بتن ویژه می باشد، از اضافه کردن الیاف به انواع بتن، ساخته می شود. در این مقاله با این نوع بتن و نکات مربوط به آن آشنا خواهید شد، پس در ادامه با ایران عمران همراه شوید.
1- مقدمه
الیاف مورد استفاده در بتن، عمدتا به منظور بهبود رفتار کششی و کاهش ترک خوردگی ناشی از جمع شدگی و بارگذاری و عوامل محیطی به کار برده می شود. الیاف مورد استفاده می توانند از نوع فلزی، پلیمری، کربنی، شیشه ای، گیاهی و سلولزی یا ترکیب چند نوع از آن ها باشد. در این مقاله، عمدتا به الیاف فولادی پرداخته می شود چرا که بیشترین کاربرد را دارد.
شکل 1- بتن الیافی فولادی
کاربردهای عمده الیاف فولادی شامل قطعات بتنی پیش ساخته، دال های بتنی متکی به زمین (نظیر کف کارخانه ها، انبارها و زیرزمین ها) در مناطق دارای خاک ضعیف و دال های بتنی متکی به ستون یا شمع می باشد.
در قطعات بتنی پیش ساخته، استفاده از آرماتور برای مقاومت در برابر تنش های موضعی، نظیر تنش های ناشی از بارهای متمرکز وارده، در هنگام تولید قطعات مناسب است اما در تنش های توزیع شده نظیر تنش های ناشی از فشار خاک و آب های زیرزمینی در مرحله بهره برداری، الیاف فولادی عملکرد بهتری دارد. از آنجا که معمولا هم تنش های موضعی و هم تنش های توزیع شده در قطعات پوشش سازه های زیرزمینی وجود دارد، این قطعات را می توان به صورت یک سیستم ترکیبی از آرماتور و الیاف فولادی تهیه نمود.
انواع الیاف، به ویژه الیاف پلی پروپیلین، در اغلب اوقات به منظور کنترل عرض ترک و زمان ترک خوردگی دال های بتنی و کف های صنعتی در سنین اولیه و ترک های ناشی از جمع شدگی خمیری (پلاستیک) استفاده می شود.
شکل 2- الیاف پلی پروپیلین
استفاده از الیاف برای مسلح کردن دال های بتنی به دلیل داشتن مزایایی از جمله کنترل ترک های ناشی از جمع شدگی، بهبود طاقت، دارا بودن مقاومت کششی پسماند، کاهش نیروی انسانی و تجهیزات و همچنین سهولت اجرای آن، راهکاری مناسب است.
1-1- مشخصات الیاف
مشخصات الیاف، شامل نوع الیاف، طول، قطر یا نسبت طول به قطر (ضریب شکل)، شکل، بافت سطحی، مدول الاستیسیته و حداقل مقاومت کششی نهایی، باید قبل از استفاده مشخص شود.
الیاف فولادی معمولا با مقاومت کششی نهایی تا حدود 1100 مگاپاسکال و حتی تا 2300 مگاپاسکال تولید می شوند. طول معمول این الیاف، در محدوده 13 الی 65 میلی متر و نسبت طول به قطر (ضریب شکل) آن ها نیز در محدوده 30 الی 100 و ترجیحا 80 قرار دارد. الیاف فولادی به شکل های صاف، موج دار، قلاب دار و با انتهای برآمده تولید می شوند. طول الیاف فولادی، علاوه بر تعیین نسبت طول به قطر، در کنترل محدودیت به کارگیری آن در بتن آرمه نیز کاربرد دارد. الیاف پلی پروپیلین نیز به لحاظ هندسی در سه گروه تک رشته ای، چند رشته ای و نواری جای می گیرند. باید توجه داشت که الیاف فولادی قابل استفاده در بتن آرمه باید آجدار باشد.
توصیه می شود که طول الیاف با انعطاف پذیری کم مانند الیاف فولادی از نصف فاصله آزاد آرماتورها یا شبکه سیم های جوش شده، بیشتر نباشد. همچنین توصیه می شود طول الیاف فولادی بیشتر از 1/5 برابر حداکثر اندازه اسمی سنگدانه باشد. در رابطه با الیاف کاملا انعطاف پذیر، ضابطه خاصی ارائه نشده است. در مورد الیاف فولادی، این محدودیت به مقدار الیاف نوع آرماتوربندی یا شبکه آرماتور بستگی دارد. چنانچه با آزمایش بتوان نشان داد که الیاف بلندتر از نصف فاصله آزاد آرماتورها مشکلی را در عملیات بتن ریزی به وجود نمی آورد، استفاده از آن ها بلامانع است.
در بتن های معمولی، طول الیاف بیش از 30 میلی متر به کار می رود و برای بتن پاشیدنی از طول کمتر از 20 میلی متر استفاده می شود. در دال ها طول حدود 60 میلی متر کاربرد بیشتری دارد. الیاف به طول حدود 13 میلی متر، صرفا برای بتن های فوق توانمند و مقاوم در برابر انفجار استفاده می شود.
الیاف فولادی به روش های مختلفی تولید شده و در اشکال و ابعاد متنوعی در دسترس می باشند. طبق شکل 3، الیاف فولادی در 2 گروه الیاف صاف و شکل دار طبقه بندی می شوند. این الیاف اغلب دارای سطح مقطع دایره ای با قطر 0/4 تا 1/3 میلی متر و طول 25 الی 63 میلی متر می باشند. مقاومت کششی الیاف فولادی معمولا 2 الی 3 برابر شبکه فولادی بوده و به دلیل سطح جانبی بیشتر نسبت به شبکه (با فرض ثابت ماندن وزن فولاد)، چسبندگی بهتری با خیمر سیمان ایجاد می کنند.
شکل 3- انواع بتن ویژه الیافی فولادی
استاندارد ASTM A820، الیاف فولادی را بر اساس روش ساخت در 4 نوع زیر طبقه بندی کرده و حداقل الزاماتی را برای مقاومت کششی، رواداری ابعادی، خلوص و … تعیین نموده است:
- نوع 1: سیم های بریده شده
- نوع 2: الیاف تولید شده از ورقه کردن صفحات فلزی
- نوع 3: الیاف تولید شده از فلز مذاب
- نوع 4: سایر موارد
استاندارد ملی ایران به شماره 17697، الیاف فولادی را بر اساس روش ساخت در 5 گروه زیر طبقه بندی می کند:
- گروه I: سیم های بریده شده
- گروه II: الیاف تولید شده از ورقه کردن صفحات فلزی
- گروه III: الیاف تولید شده از فلز مذاب
- گروه IV: سیم های بریده شده و تراشیده شده
- گروه V: الیاف تراشیده شده از بلوک فولادی
برخی از مشخصات فیزیکی الیاف، به طور مستقیم عملکرد بتن را تحت تاثیر قرار می دهند، این موضوع در حالی است که برخی از مشخصات دارای اهمیت کمتری می باشند. مقاومت کششی و مدول الاستیسیته الیاف به همراه خواص سطحی یا شکل آن ها بر خواص مکانیکی بتن و زمان ترک خوردگی تاثیر دارد. پارامترهایی که بیشترین تاثیر را بر عملکرد الیاف فولادی در بتن دارند، عبارتند از: مکانیزم های چسبندگی و مهار الیاف در خمیر (تفاوت میان الیاف صاف با الیاف شکل دار با انتهای مخروطی شکل و قلاب دار)، طول و قطر الیاف و در نتیجه نسبت طول به قطر آن، مقدار مصرف الیاف، تعداد الیاف در هر کیلوگرم الیاف که تابعی از ابعاد و مقدار الیاف می باشد، مقاومت کششی الیاف و مدول الاستیسیته الیاف.
ابعاد الیاف، نقش مهمی در زمان بروز ترک خوردگی بتن تازه دارد. الیاف میکرو (با قطر کمتر از 0/05 میلی متر) با ایجاد پل میان ریز ترک ها، حد الاستیک و مقاومت بتن را افزایش می دهند. این در حالی است که الیاف ماکرو (با قطر بیش از 5 میلی متر) با ایجاد پل میان ترک های بزرگتر، طاقت بتن پس از ترک خوردگی را بهبود می بخشند. در نتیجه با کاربرد الیاف دارای ابعاد و مدول الاستیسیته متفاوت برای کنترل ترک خوردگی بتن در مراحل مختلف بارگذاری می توان عملکرد مصالح را بهینه کرد. در جدول 1، برخی از خصوصیات الیاف مصنوعی بر اساس ACI 544.1 آورده شده است.
جدول 1- برخی از خصوصیات انواع الیاف بتن
2-1- طرح مخلوط بتن الیافی
طرح اختلاط بتن ویژه الیافی باید به صورت خاص، با توجه به شرایط پروژه و با در نظر گرفتن مشخصات الیاف، تعیین شود و یا اینکه از مخلوط های اجرا شده در پروژه های قبلی، انتخاب شود. در هر صورت طرح مخلوط باید علاوه بر تامین کارایی، مقاومت فشاری، موارد دیگر مانند طاقت خمشی و مقاومت خمشی مورد نیاز را برآورده کند.
ساخت مخلوط آزمایشی در آزمایشگاه و کنترل کارایی بتن و عملکرد آن از نظر مکانیکی ضرورت دارد. میزان مصرف معمول الیاف فولادی برای مقاصد مختلف، بین 0/25 تا 1 درصد حجم بتن می باشد که معمولا حدود 20 تا 80 کیلوگرم بر مترمکعب خواهد بود.
الیاف مصرفی، به لحاظ نوع، طول، قطر و شکل الیاف، در روانی بتن تغییراتی ایجاد می کند و معمولا روانی بتن را کاهش می دهد. از این رو باید بر اساس مخلوط های آزمایشی، علاوه بر مصرف افزودنی های مناسب مانند روان کننده، بافت دانه بندی مخلوط سنگدانه ها را نیز ریزتر نمود.
به منظور دستیابی به روانی مورد نظر در این نوع بتن ویژه می توان از افزودنی های روان کننده و خاکستر بادی استفاده نمود. همچنین کاهش سهم شن و افزایش سهم ماسه کارایی مناسبی را علی رغم کاهش روانی به وجود می آورد.
توصیه می شود اسلامپ بتن، پیش از افزودن الیاف، 25 الی 75 میلی متر (با توجه به مقدار الیاف مصرفی) بیشتر از اسلامپ نهایی مورد نظر باشد، زیرا با افزودن الیاف از مقدار اسلامپ بتن کاسته می شود.
وجود الیاف در بتن ممکن است باعث افزایش آب انداختن شود. همچنین با کاهش حداکثر اندازه سنگدانه می توان مقدار الیاف بیشتری را با نگرانی کمتر در ارتباط با گلوله شدگی آن ها به کار برد. لازم به ذکر است که گلوله شدگی الیاف می تواند آب انداختن را نیز افزایش دهد.
3-1- الزامات اجرایی بتن ویژه الیافی
به منظور کاهش مشکلات ناشی از بیرون زدن الیاف فولادی از گوشه های قالب، گوشه ها و لبه های تیز قالب باید پخ شوند. راه حل دیگر، بتونه کاری یا استفاده از نوارهای مخصوص در داخل گوشه ها و لبه های تیز قالب است.
افزودن الیاف بابد به یکی از روش های زیر انجام شود:
روش اول: الیاف در ایستگاه مرکزی بتن به تدریج به جریان سنگدانه، پیش از ورود به مخلوط کن اضافه شود. در این روش می توان به صورت دستی یا از طریق قیف مخزن، به تدریج الیاف به سنگدانه های در حال حرکت روی نوار نقاله (به ویژه درشت دانه) اضافه کرد یا آن ها را روی نوار نقاله دیگری ریخت که به نوار نقاله حامل سنگدانه منتهی می شود. این روش به ویژه برای الیاف فولادی به صورت دسته ای (بسته ای) و الیاف پلی پروپیلن تک رشته ای توصیه می شود.
روش دوم: الیاف در ایستگاه مرکزی بتن، ابتدا با سنگدانه و سیمان مخلوط و سپس به آن ها آب اضافه می شود.
روش سوم: الیاف در مرحله آخر پس از اختلاط تمام اجزای تشکیل دهنده بتن، به تدریج به مخلوط کن اضافه شود. در این روش، الیاف با نرخ حدود 50 کیلوگرم در دقیقه به داخل قیف کامیون مخلوط کن یا دیگ مخلوط کن ایستگاه مرکزی، در حالی که با سرعت حداکثر می چرخد، اضافه می شود. سپس سرعت دیگ کامیون مخلوط کن به سرعت متوسط برای اختلاط کاهش یافته و باید حداقل 50 دور با این سرعت بچرخد. استفاده از این روش زمانی مجاز است که کامیون مخلوط کن بیش از دو سوم ظرفیت اسمی خود بارگیری نشده باشد.
4-1- حمل و ریختن بتن های الیافی
حمل و ریختن این نوع از بتن های ویژه می تواند با تجهیزات متداول و با در نظر گرفتن نکات زیر انجام شود:
الف- با توجه به ضرورت افزایش شیب ناوه کامیون مخلوط کن، ممکن است نتوان این نوع بتن را به خوبی تخلیه کرد. در این موارد نیاز به استفاده از یک سکو برای استقرار کامیون مخلوط کن وجود دارد.
ب- جام باید دارای قیفی با شیب تند و سطح داخلی تمیز و هموار باشد. همچنین حداقل اندازه دهانه بازشو باید 300 میلی متر یا 12 برابر حداکثر اندازه سنگدانه (هر کدام که بیشتر است)، باشد. در صورت انسداد بازشو توسط الیاف و به منظور تخلیه آسان بتن می توان از لرزاننده بدنه روی جام استفاده نمود.
پ- برای پمپ کردن بتن حاوی الیاف فولادی بلند بیشتر از 50 میلی متر، به ویژه در مقادیر مصرف بیش از 50 کیلوگرم در متر مکعب، باید تمهیدات لازم در نظر گرفته شود.
برای الیاف با طول کمتر از 50 میلی متر، ضابطه خاصی ارائه نشده است. برای الیاف با طول بیش از 50 میلی متر، از لوله های با قطر حداقل 125 میلی متر استفاده می شود. توصیه می شود طول لوله های انعطاف پذیر پمپ تا حد امکان به حداقل برسد. انتهای شوت کامیون مخلوط کن باید حدود 300 میلی متر بالاتر از شبکه فلزی تعبیه شده روی قیف پمپ باشد. شبکه فلزی روی قیف نباید هنگام پمپ کردن این نوع بتن ویژه برداشته شود. با اتصال یک لرزاننده کوچک به شبکه فلزی قیف، می توان عبور جریان بتن الیافی از آن را تسهیل نمود.
در مخلوط های بتن الیافی بسیار روان، انتقال بتن به روش پمپاژ چندان مناسب نیست. توصیه می شود حداکثر مقدار اسلامپ بتن الیافی برای پمپ کردن برابر با 150 میلی متر باشد.
5-1- تراکم و پرداخت سطح بتن الیافی
تمام روش های تراکم و پرداخت بتن معمولی، با اعمال تغییرات جزیی، برای بتن الیافی نیز قابل استفاده است. برای پرداخت بتن الیافی، می توان از تجهیزات مکانیکی نیز استفاده کرد. تیغه ها و صفحات در طول ماله کشی باید تا حد امکان، به صورت موازی با سطح نگه داشته شوند. شیب دار بودن آن ها با زاویه زیاد می تواند موجب ظاهر شدن الیاف در سطح بتن شود.
برای متراکم کردن بتن و فرو بردن الیاف موجود در سطح دال های بتنی از شمشه لرزان و یا شمشه لیزری استفاده می شود. به منظور ایجاد سطحی هموار و بستن پارگی ها و بازشدگی های موجود در سطح بتن از ابزارهای پرداخت فلزی انعطاف پذیر مانند تخته ماله دسته بلند، ماله با دو لبه گرد و برنده و شمشه روسازی استفاده می شود. ماله های چوبی سبب کنده شدن لایه سطحی بتن و در نتیجه بیرون آمدن الیاف می شود و به همین دلیل استفاده از آن ها توصیه نمی شود.
در کف های بتنی، در صورت نیاز به زبر کردن سطح بتن، ابزارهای مورد استفاده نباید موجب ظاهر شدن الیاف شوند. برای زبر کردن سطح نباید از چتایی استفاده کرد.
منبع: آیین نامه بتن ایران، جلد دوم (ضابطه شماره 2-120)
دیدگاهتان را بنویسید