مکانیزم عملکرد الیاف بتن چیست؟

الیاف بتن چیست؟

الیاف بتن که با نام الیاف تقویت کننده بتن هم شناخته می شوند، از فولاد، شیشه و پلیمر های آلی یا همان الیاف مصنوعی تهیه می شوند که عموماً از آن ها برای ایجاد خصوصیات مربوط به ترک خوردن در بتن های الیافی یا FRC استفاده می شود. جنس الیاف همچنین ممکن است از نوع گیاهی باشد که با نام کنف شناخته می شوند.

میزان الیاف به کار رفته در بتن بستگی به طرح هندسی الیاف و موارد کاربرد آن دارد. به عنوان مثال، الیاف بتن مصنوعی در صورتی که به میزان كم یعنی در حدود 0.1 درصد حجم بتن استفاده شوند، در كم کردن ترک خوردگی ناشی از جمع شدن خمیری به کار رفته و اگر به میزان بیشتر یعنی 0.3 درصد حجم بتن یا بیشتر از آن مصرف شود، باعث بهبود مقاومت خمشی  و كنترل عرض ترک در بتن سخت شده خواهد شد.

هدف از بکار بردن الیاف بتن

هدف اصلی از به کار بردن الیاف بتن در ساختار بتن ها، همگن کردن ملات های سیمانی و برابر کردن نسبت آب و سیمان به کار رفته در کل حجم ملات سیمانی می باشد. این الیاف باعث می شوند بتن آب نینداخته و متعاقباً میزان ترک ها کاهش یافته و از باز شدن ملات در زمان خشک شدن جلوگیری شود.

به کار گیری الیاف بتن در مواردی از جمله گچ کاری و ساخت پنل های گچی، جایگزینی با میلگردهای حرارتی، عرشه بتنی پل ها و فرودگاه ها، سازه های بتنی نظامی و هسته ای، پلاستر کاری و سیمانکاری، روسازی جاده های آسفالت، نماسازی، سنگ فرش ها و کاربردهای فراوان دیگر حائز اهمیت است.

در صورتی که از الیاف در ساختار بتن استفاده شود، ضرورت به کار بردن روان کننده های بتن و همچنین استفاده از فوق روان کننده های بتن که آب مورد نیاز بتن را کم تر می کنند، کاهش خواهد یافت. از طرفی استفاده از الیاف می تواند زمان اختلاط بتن را نیز افزایش دهد.

این مواد را نمی توان در هر زمان دلخواهی به ترکیب بتن اضافه کرد، بلکه باید در دوره های معینی از عملیات اختلاط به ساختار بتن اضافه شوند. با به کار بردن این الیاف می توان عرض ترک ها را کاهش داده و همچنین باعث افزایش مقاومت مانده، افزایش دوره خستگی، مقاومت در برابر حریق و مقاومت در برابر ضربه شد.

روش به کار گیری الیاف بتن به چه صورت است؟

به طور معمول، الیاف بتن را در هنگام ساخت و اختلاط بتن همراه با سایر مصالح به مخلوط خشک و یا تازه ضمن اختلاط اضافه می کنند. بهتر است برای پیشگیری از آسیب دیدن این الیاف به دنبال ساییده شدن توسط سنگدانه ها، بعد از اضافه کردن الیاف طول مدت اختلاط را به حداقل زمان ممکن کاهش داد.

ممکن است از یک روش دیگر هم برای اضافه کردن الیاف به محتوای بتن استفاده گردد که در این حالت، الیاف را در آب مورد استفاده در اختلاط پیش از اضافه نمودن آن به مخلوط خشک ترکیب کرده و سپس اقدام به اختلاط می نمایند. 

انواع الیاف بتن

همان طور که گفتیم وظیفه اصلی الیاف به کار رفته در بتن، کنترل باز شدن و همچنین منتشر شدن ترک ها می باشد. الیاف بتن در انواع مختلفی وجود دارند که الیاف های مختلف به کار رفته در بتن های سازه ای شامل موارد زیر می باشد:

• الیاف فولادی: این الیاف در شکل ها و اندازه های مختلف وجود دارند که بر حسب نیاز می بایست نوع مورد نظر انتخاب شود.

• الیاف شیشه ای: این الیاف تنها به عنوان یک نوع مقاوم کننده در برابر محیط قلیایی ملات های سیمانی مورد استفاده قرار می گیرند.

• الیاف مصنوعی یا پلاستیکی: شامل پلی پروپیلن، پلی وینیل الکل، پلی اتیلن، پلی الفین

• الیاف کربنی، قیری و پلی اکریلونیتریل

مکانیسم عملکرد الیاف بتن چیست؟

به طور کلی برای ساخت هر گونه سازه بتنی، به کار گیری الیاف بتن در ساختار بتن به کار رفته در ایجاد آن سازه می تواند به عنوان یک عامل مکمل و کمکی برای میلگرد به کار رفته محسوب شود. در صورتی که الیاف به کار رفته ما از نوع فولادی باشد، از ایجاد ترک ها و شکاف ها در بتن و همچنین گسترش آن ها جلوگیری خواهد شد.

علاوه بر این ها، به کار گیری الیاف فولادی می تواند سازه بتنی ساخته شده را مستحکم تر نموده و در برابر صدمات مختلف آن را مقاوم گرداند. این الیاف می توانند نقش بسزایی در محکم و پا بر جا نمودن سازه های مسلح شده با بتن حاوی الیاف فولادی داشته باشند که تمامی صاحب نظران این حیطه نظیر مهندس ها و کارشناسانی که با امور مربوط به سازه های بتنی سر و کار دارند، مقاوم کردن بتن به کمک الیاف فولادی در کلیه مراحل اجرایی عملیات احداث یک سازه را امری مهم و قابل توجه تلقی می کنند.

از دیگر خواص الیاف فولادی این است که با کاربرد آن در ترکیب نهایی بتن می توان مقاومت آن را در مقابل عواملی چون ضربه، خستگی، تغییرات دمایی و جمع شدگی حفظ کرده و در کلیه مدل های شکست بر خاصیت های بتن حاوی الیاف، تأثیراتی بر جای بگذارد.

عواملی همچون ایجاد برش های محیطی بر روی الیاف فولادی بتن ها می تواند یک نوع تنش را به آن ها وارد کند که این نوع تنش ها می توانند به دلیل مقاومت چسبندگی درون سطح از ماتریس به خود الیاف فولادی بتن منتقل شوند.

از این رو تا وقتی که ماتریس بتن ترک بر نداشته باشد، متوجه خواهید شد که  تنش کششی میان الیاف فولادی بتن و ماتریس در حال توزیع می باشد. اگر به هر دلیلی بتن دچار ترک خوردگی شود و شکاف های کوچکی در آن پدیدار شوند، تمامی تنش حاصل به الیاف فولادی موجود در بتن منتقل خواهد شد.

عوامل متعددی می توانند بر خواص بتن با الیاف فولادی تأثیر گذار باشند که از جمله اصلی ترین و با اهمیت ترین آن ها، میزان الیاف فولادی به کار رفته در ساختار بتن الیافی و همچنین بازدهی این الیاف به کار رفته می باشد.

آن عاملی که بازدهی الیاف فولادی موجود در بتن را کنترل می کند، مقاومت این الیاف در برابر خارج شدن و بیرون کشیده شدن از مخلوط حاصل می باشد. این مقاومتی که در الیاف فولادی وجود دارد به خاصیت چسبندگی میان الیاف فولادی و ماتریس مربوط می باشد. 

در مورد الیاف فولادی به کار رفته در بتن که مقطع ثابتی دارند، هر چه قدر طول الیاف بتن افزایش یابد می توان همزمان با آن مقاومت چسبندگی را نیز افزایش داد. این مورد نشان می دهد که هر چه قدر طول الیاف فولادی موجود در بتن بیشتر باشد،  اثر این الیاف فولادی بتن در بهبود خواص ماتریس نیز بیشتر خواهد بود.

دلیل این اتفاق هم در واقع این است که مقاومت در برابر بیرون کشیده شدن الیاف فولادی بتن هم راستا با سطح مقطع دو جسم ( الیاف فولادی بتن و بتن ) می باشد.