بتن های الیافی | بتن الیافی توانمند HPFRCC

بتن های الیافی

در زمانهای گذشته، از الیاف جهت تقویت ملات‌های ترد و شکننده استفاده می‌شد که مشهورترین و پرطرفدارترین آن که به علت ارزانی قابل دسترسی بوده و هست، کاه می‌باشد که برای تقویت آجرهای خشتی و ملات کاهگل در اندودها در قبال ترک خوردگی که بعد از خشک شدن به وجود می‌آید، به کار رفته و در حال حاضر نیز ارزانترین نوع ملات در مناطق روستایی کشور است.

استفاده از کاه و مخصوصا موی دم اسب و یا بز در بناهای قدیمی ایران به خصوص گنبدها سابقه طولانی و تاریخی دارد که بصیرت و اطلاع صاحبان فن را در مورد الیاف نشان می‌دهد.

کاربرد الیاف فولادی از اواسط قرن اخیر آغاز گردیده و تاریخ دقیقی در مورد استفاده از این روش در دسترس نیست ولی افراد مختلف با استفاده از روش‌های متفاوتی نظیر کاربرد تکه‌های سیم یا بریده‌های فلز در داخل بتن، امتیاز این نوع روش را به نام خود به ثبت رسانده‌اند.

در سالهاي اخير استفاده محدودي از آرماتورهاي غير فلزي آغاز گشته است هر چند تحقيقات بر روي کاربرد وسيع تر آنها و عملکرد دراز مدت اين نوع آرماتورها ادامه دارد. اين آرماتورها که معروف به آرماتورهاي با الياف پلاستيکي (FRP) هستند از الياف مختلفي چون الياف شيشه اي (GFRP)، الياف آراميدي (AFRP) و الياف کربني (CFRP) در يک رزين چسباننده تشکيل شده اند.

خاصيت عمده اين آرماتوها که سبب کاربرد آنها شده است، مقاومت در برابر خوردگي آنهاست که مي تواند در محيط هاي بسيار خورنده دوام دراز مدتي داشته باشند.

علاوه بر اين مقاومت بالا، مقاومت به خستگي بالا، ظرفيت بالاي تغيير شکل ارتجاعي، مقاومت الکتريکي زياد و هدايت مغناطيسي پايين و کم اين مواد از مزاياي آنها شمرده مي شود. البته اين مواد معايبي چون کرنش گسيختگي کم و شکننده بودن و خزش زياد و تفاوت قابل ملاحظه ضريب انبساط حرارتي آنها در مقايسه با بتن را به همراه دارند .

بتن هاي اليافي نوع خاصي از مواد مركب به شماره مي آيند كه در آن علاوه بر فازهاي بتن معمولي، الياف جدا از هم با توزيع تصادفي بعنوان فاز ديگري به آن اضافه شده است. ورود اين نوع بتن به عرصه صنعتي به دهه ۱۹۶۰ ميلادي بازمي گردد. با گذشت زمان تغييرات زيادي در نوع، كاربرد و رفتار بتن هاي اليافي صورت گرفته است. در يك دسته بندي كلي مي توان نسل هاي مختلف بتن هاي اليافي را به لحاظ كاربرد بصورت زير دسته بندي نمود:

1. بتن هاي اليافي با الياف كم (حجم الیاف کمتر از ۱ درصد) كه جهت كاهش ميزان جمع شدگي در بتن استفاده مي شود.
2. بتن هاي اليافي با الياف متوسط يا بتن هاي اليافي معمولي (حجم الیاف بیشتر از ۱ درصد و کمتر از ۲ درصد) كه هدف از افزودن الياف اصلاح خواص سازه اي نظير برش، عرض ترك و رفتار خمشي مي باشد. اين نوع بتن هاي اليافي بيشتر در كف هاي صنعتي استفاده مي شود.
3. بتن هاي اليافي توانمند (HPFRC) كه نسل هاي پيشرفته بتن هاي اليافي به شمار مي آيند. حجم الياف در اين دسته از بتن هاي اليافي از ۲% تا ۲۰% متفاوت بوده و داراي انواع مختلف مي باشند كه عبارتند از بتن هاي اليافي بر پايه مصالح سيماني (HPFRCC) بتن هاي حريره اليافي و مواد مركب مهندسي بر پايه مصالح سيماني يا بتن هاي اليافي شكل پذير.

بتن الیافی توانمند HPFRCC

از حدود ۳۰ سال قبل بتن خاصي تحت عنوان بتن توانمند (HPC) مطرح شده كه خصوصياتي از آن مانند مقاومت فشاري، دوام، مقاومت در برابر عوامل مهاجم خارجي، سخت شوندگي كرنش زياد، نماي ظاهري مناسب و … براي كاربردهاي خاصي توسعه يافته است.

در اوايل دهه ۱۹۸۰ توليد يك مصالح بتن اليافي با رفتار كششي شكل پذير مورد توجه قرار گرفت. زيرا همان گونه كه در شكل شماره ۱ ديده مي شود، با توليد بتن اليافي طاقت مصالح (سطح زير منحني تنش-كرنش) افزايش يافته بود اما شكل پذيري تغيير چنداني نكرده بود. لذا تحقيقات زيادي در اين خصوص انجام گرفت كه شروع آن توسط اوستون و همكاران در سال ۱۹۷۱ بود.

در سال ۱۹۸۹ كرنچل و استانگ با كاربرد مناسب الياف بهم پيوسته به شكل پذيري كششي ۱۰۰ برابر نسبت به بتن معمولي دست يافتند. در سال ۱۹۹۹ كورباچ و جسي و در سال ۲۰۰۳ نيز رينهارت و همكاران نوع جديدي از بتن اليافي تحت عنوان  TRC را ارائه نمودند كه در آن از الياف به هم بافته شده، استفاده مي شد.

شکل ۱- مقايسه رفتار كششي بتن معمولي، بتن اليافي و HPFRCC

به موازات اين پيشرفت ها در خصوص الياف به هم پيوسته، استفاده از الياف بصورت غير پيوسته و با توزيع تصادفي نيز در مقادير زیاد آغاز شد. آلن در سال ۱۹۷۱ اين مصالح را بصورت ورق هاي سيماني بكار برد.

نمان و رينهارت در سال ۲۰۰۳ مصالحی را معرفی نمودند كه جدا از FRC ها طبقه بندي مي شد و شامل يك بخش سخت شوندگي كرنش كششي در منحني تنش-كرنش كششي خود بود كه در رده مصالح HPFRCC طبقه بندي گرديد.

بيشتر اعضاي ساخته شده با اين مصالح، شامل ملات سيماني بدون درشت دانه هستند و به همين دليل ملات يا خمير يا كامپوزيت سيماني مسلح شده توسط الياف نام گرفته اند. در طول رفتار كاهنده، تغيير شكل ها به يك صفحه شكست سازه اي متمركز مي شود و انهدام موضعي صورت مي گيرد. اما در طول رفتار سخت شوندگي كرنش، تغيير شكل سازه متشكل از باز شدگي ترك هاي ريز چندگانه  و كشيدگي الاستيك مصالح بين اين ترك ها است. رفتار اين مصالح تحت فشار، مشابه بتن معمولي است. نقش اصلي الياف با طول كوتاه پخش شده، كنترل بازشدگي و انتشار ترك هاست. هر چند HPFRCC داراي ويژگي هايي است كه در بتن معمولي و FRC وجود ندارد اما به علت مسائل اقتصادي و اجرايي كاربرد آنها بيشتر به امور پژوهشي و كاربردهاي خاص محدود گشته است.