تولید بتن الیافی

این روش معمولاً بدین ترتیب است که خمیر بتن از یک مجرا و الیاف فولادی آلیاژی با درصد مشخص از مجرای دیگر با سرعت زیادی خارج و به طور همزمان و لایه به لایه بر روی سطح مورد نظر پاشیده شده و در نتیجه در سطح کار پوشیده از بتن مسلح و الیاف فولادی می شود . البته گاهی خمیر بتن همراه با الیاف فولادی آلیاژی نیز می تواند از یک مجرا پوشیده شود . با استفاده از الیاف فولادی آلیاژی در روش بتن پرتابی م توان از ارماتور گذاری شبکه ای در محل های مشکل ( نظیر سیب های تند ، دیواره های سنگریزه ای ، دیواره های تونل ها و... ) خود داری کرد. چرا که آرماتور گذاری در چنین مناطقی نه تنها خطرناک است ، بلکه بعلت ناهموار بودن سطوح این گونه محل ها و سختی کار ، آرماتوربندی کار پرهزینه و گرانی است .

دریک سری از نمونه های دالی شکل آزمایشگاهی مقاومت اصطکاکی استاتیکی ،‌لغزش و غلطکی بتن الیافی و بتن خالص تحت شرایط یکسانی بطور مقایسه ای تحت آزمایش لغزش قرار گرفته که حداکثر قطر مصالح سنگی بتن الیافی در این آزمایشها نشان می دهد که برای سطوح بتن خشک ،‌ ضریب اصطکاک استاتیکی (سکون) قبل از سایش یا تخریب سطح ،‌مستقل از وجود الیاف فولادی آلیاژی بوده ، اما مقاومت لغزش و غلطکی سطوح الیاف دار نسبت به سطوح بتن خالص در شرایط خشک ، مرطوب و یخبندان با فرسایش یکسان 15 درصد بیشتر بوده است .

نتایج بررسی مقاومت سایشی بتن الیافی مسلح شده توسط الیاف فولادی آلیاژی توسط انجمن فولاد ایالت متحده نشان می دهد که عمق سائیده شده بتن الیافی با شن نخودی و الیاف فولادی آلیاژی در مقایسه با عمق ساییده شده دال های ساخته شده از بتن خالص با شن درشت دانه 270 درصد کمتر است . آزمایشهای که اخیراً توسط گروهی از مهندسین انجام یافته پیشنهاد می کند که مقاومت سایشی بتن الیافی در معرض سایش رسوبات آب در سازه های هیدرولیکی تفاوت چندانی با بتن خالص ندارد . این آزمایش ها همچنین نشان نی دهد که وقتی فرسایش در نتیجه سایش تدریجی بتن به علت حرکت غلطکی ذرات و موارد ریزدانه با سرعت کم از روی سطح بتن است ،‌میزان فرسایش به کیفیت مصالح سنگی و سختی سطح بتن بستگی خواهد داشت و در این حالت الیاف تاثیر چندانی ندارند . در واقع اگر کاربرد الیاف با یک نسبت آب به سیمان زیادتر و با حجم زیاد خمیر سیمان همراه باشد ،‌ افزایش کمی در مقدار فرسایش می تواند بوجود آید . اما وقتی فرسایش در نتیجه خلاء زایی یا سایش ناشی از سرعت زیاد جریان آب و ضربه اجسام و مواد شناور بزرگ جریان آب باشد ، بتن الیافی مقاومت فرسایشی قابل توجهی را نشان می دهد .

آزمایشها نشان می دهد که قابلیت هدایت حرارتی ملات یا بتن با الیاف فولادی آلیاژی با 40 تا 120 کیلوگرم در متر مکعب در فشار اتمسفر ، ‌با افزایش مقدار الیاف ،‌ افزایش کمی را نشان می دهد . الیاف فولادی در بتن ،‌علاوه بر افزایش قابلیت هدایت گرمایی ،‌بهبود قابل توجهی را در مقاومت بتن در تغییرات ناگهانی و زیاد در جه حرارات بوجود می آورد .

الیاف فولادی آلیاژی علاوه بر اینکه مقاومت برشی بتن را افزایش می دهد تیرهای بتن آرمه را در مقابل گسیختگی ناگهانی در ناحیه کششی تقویت می کند . این مزیت عمده الیاف فولادی در افزایش مقاومت برشی بتن است که باعث می شود از کاربرد خاموت به عنوان آرماتور برشی صزفنظر گردد .

در آزمایشهای خمشی ، کششی و ... بطور استاتیکی که بر روی بتن الیافی مسلح شده توسط الیاف فولادی آلیاژی انجام گرفته ملاحظه می شود که الیاف نه تنها بر روی مقاومت بتن خالص تاثیر بسیار مثبتی دارد بلکه به عنوان یک عامل بازدارنده ترک نیز عمل می کند . بدین معنی که با شروع ترک خوردگی ، الیاف فولادی آلیاژی نقش خود را در دوختن ترک و محدود کردن اندازه ترک بازی کرده و از ادامه ترک خوردگی حتی با ادامه بارگذاری جلوگیری به عمل می آورد . این در حالی است که در تیرهای بتن خالص با حداکثر 10 میلیمتر تغییر شکل در وسط دهانه ،‌ نه تنها تیر دو تکه نمی شود ،‌بلکه ترک از نصف ارتفاع تیر به بالا حرکت نکرده و با بازشدن ترک ، الیاف فولادی آلیاژی این فاصله را به طرفین محل گسیختگی ارتباط دارد و از فروریختن تیر جلوگیری می کند . مقاومت الیاف فولادی آلیاژی در قبال ترک در نمونه های کششی نیز شایان توجه است . بدین معنی که در کشش نیز بعد از ترک نخستین در کل مقطع که مربوط به بتن است ،‌ الیاف ها ،‌ دو طرف محل ترک را به یکدیگر ارتباط داد . و از گسترش و زیاد شدن عرض ترک ممانعت به عمل می آورند . کیفیت ترک خوردگی در آزمایش شکافتگی نمونه از وسط و در امتداد قطر کاملاً‌ گسیخته و دو تکه می شود . در حالی که در نمونه بتن الیافی بدون آنکه نمونه از همدیگر جداشود آنقدر تغییر شکل می دهد که سطح مقطع دایره ای نمونه بهسطح مقطع بیضوی تبدیل می شود .

الف : دمای ذوب نسبتاً پایین :

تفاوت زیاد بین دمای ذوب الیاف پلی پروپیلن و دیگر الیاف مثل پلی استر و پلی آمید ، کاربرد وسیعتر الیاف پلی پروپیلن را محدود ساخته است .

ب : تخریب بر اثر اکسیداسیون:

وجود پیوند C-H نوع سوم در الیاف پلی پروپیلن تخریب آن را بر اثر اکسیداسیون شدت می بخشد . گرما و نور به عنوان یک کاتالیست برای واکنش اکسیداسبون عمل می نماید . از این رو ، مقاومت کم الیاف پلی پروپیلن معمولی در مقابل نور و گرما ،‌عیب بزرگی برای الیاف پلی پروپیلن محسوب می شود . جذب اکسیژن توسط این پلیمر ، باعث شکستن ماکرو مولکول و در نتیجه کاهش درجه پلیمریزاسیون براثر تشکیل هیدروپراکسیدها در دمای بالا می باشد . به همین علت ، در پلیمریزاسیون آن از مواد ضد اکسید کننده استفاده می شود .

از نقطه تخریب بر اثر گرما ،‌پلی پروپیلن به علت دارا بودن کربن نوع سوم در معرض خطر بیشتر نسبت به پلی اتیلن قرار دارد . نور خورشید هم از طریق مکانیزم فتواکسیداسیون با اثری مشابه گرما باعث تخریب پلی الفین ها می گردد . بخش ماورای بنفش نور خورشید نقش عمده ای در تخریب به عهده دارد . الیاف ظریف سریعتر از الیاف ضخیم تحت تاثیر نور خورشید قرا میگیرند .

ج : عدم امکان رنگرزی با روشهای متداول برای دیگر الیاف :

همان طور که قبلاً گفته شد با توجه به عدم وجود گروه های قطبی در پلی پروپیلن این لیف بدون اصلاح شدن قادر به قبول تعدادزیادی از رنگینه های مختلف نبود . و رنگرزی نوع معمولی آن امروزه به کمک رنگرزی توده انجام می شود . برای کاهش کمبودهای پلی پروپیلن سعی شده است که این نوع لیف ترمو پلاستیکبا توجه به هدف خاص اصلاح گردد . این اصلاح ممکن است که خواص دیگری را نیز تحت تاثیر خود قرار دهد . اصلاحات برای بهبود و حتی کسب خصوصیات دیگر ممکن است از طریق اصلاح شیمیایی پلیمر و یا اصلاح فیزیکی در مرحله تولید و یا بعد از آن انجام شود .

الف : دمای ذوب نسبتاً پایین :

تفاوت زیاد بین دمای ذوب الیاف پلی پروپیلن و دیگر الیاف مثل پلی استر و پلی آمید ، کاربرد وسیعتر الیاف پلی پروپیلن را محدود ساخته است .

ب : تخریب بر اثر اکسیداسیون:

وجود پیوند C-H نوع سوم در الیاف پلی پروپیلن تخریب آن را بر اثر اکسیداسیون شدت می بخشد . گرما و نور به عنوان یک کاتالیست برای واکنش اکسیداسبون عمل می نماید . از این رو ، مقاومت کم الیاف پلی پروپیلن معمولی در مقابل نور و گرما ،‌عیب بزرگی برای الیاف پلی پروپیلن محسوب می شود . جذب اکسیژن توسط این پلیمر ، باعث شکستن ماکرو مولکول و در نتیجه کاهش درجه پلیمریزاسیون براثر تشکیل هیدروپراکسیدها در دمای بالا می باشد . به همین علت ، در پلیمریزاسیون آن از مواد ضد اکسید کننده استفاده می شود .

از نقطه تخریب بر اثر گرما ،‌پلی پروپیلن به علت دارا بودن کربن نوع سوم در معرض خطر بیشتر نسبت به پلی اتیلن قرار دارد . نور خورشید هم از طریق مکانیزم فتواکسیداسیون با اثری مشابه گرما باعث تخریب پلی الفین ها می گردد . بخش ماورای بنفش نور خورشید نقش عمده ای در تخریب به عهده دارد . الیاف ظریف سریعتر از الیاف ضخیم تحت تاثیر نور خورشید قرا میگیرند .

ج : عدم امکان رنگرزی با روشهای متداول برای دیگر الیاف :

همان طور که قبلاً گفته شد با توجه به عدم وجود گروه های قطبی در پلی پروپیلن این لیف بدون اصلاح شدن قادر به قبول تعدادزیادی از رنگینه های مختلف نبود . و رنگرزی نوع معمولی آن امروزه به کمک رنگرزی توده انجام می شود . برای کاهش کمبودهای پلی پروپیلن سعی شده است که این نوع لیف ترمو پلاستیکبا توجه به هدف خاص اصلاح گردد . این اصلاح ممکن است که خواص دیگری را نیز تحت تاثیر خود قرار دهد . اصلاحات برای بهبود و حتی کسب خصوصیات دیگر ممکن است از طریق اصلاح شیمیایی پلیمر و یا اصلاح فیزیکی در مرحله تولید و یا بعد از آن انجام شود .

به طور کلی الیاف پلی پروپیلن با طول 3 و 6 میلیمتر پلاستر ، گچ و قطعات نازک و طول 12 و 19 میلیمتر برای بتن و ملات های سیمانی تولید و مورد استفاده قرار میگیرند .

الیاف پلی پرو پیلن دارای دمای ذوب بالاتر (175-165 سانتیگراد )‌در مقایسه با پلی اتیلن می باشد . از نظر استحکام و مقاومت در مقابل سایش ، الیاف پلی پروپیلن با الیاف پلی اتیلن تفاوت زیادی ندارد .

در اجرای بتن الیافی باید توجه داشت که چنانچه ویبراسیون داخلی کنترل نشده باشد موجب جدائی الیاف بتن می گردد . لذا همواره ویبره خارجی برای بتن الیافی توصیه می گردد. همچنین بتن الیافی به زمان بیشتری جهت ویبره نیاز دارد .

اسلامپ متناسب با نوع کار و مقاومت مورد نیاز مشخص می گردد . برای بتن حجم 25 تا 50 میلیمتر و برای تیر و ستونها تا 100 میلیمتر است . چنانچه افزایش اسلامپ مدنظر باشد باید از فوق روان کننده بتن و همزمان کاهش آب مصرفی طرح اختلاط بدون کاهش مقاومت مناسب است .

تجربه نشان داده است که نسبت آب به سیمان 4٪ تا 6٪‌و مقدار سیمان بین 250 تا 450 کیلوگرم در متر مکعب برای بتن الیاف مناسب است .

چنانچه درصد حجمی الیاف فولادی آلیاژی از 2 درصد افزایش یابد مشکلاتی در کیفیت بتن پدید می آید . الیاف فولادی موجب کاهش در اسلامپ بتن می شود .

از مزایای بتن مسلح شده توسط الیاف فولادی آلیاژی نسبت به روش سنتی می توان مقاومت ضربه ای بسیار بالاتر ، جمع شدگی و عرض ترک کمتر ، دوام بیشتر و کاهش هزینه های مربوط به تعمیر ، حفظ و نگهداری ، کنترل شکستهای موضعی ،‌ایجاد ترک و گسترش ترک ، عمر مفید بیشتر ، کنترل نفوذپذیری بیشتر و بویژه زمان اجرای بسیار کمتر را اشاره کرد .

بهترین روش افزودن الیاف بتن این است که ابتدا به مواد خشک طرح اختلاط بتن افزوده شود سپس آب به آن افزوده شود و میکس شود .

الیاف فولادی آلیاژی ضریب هدایت حرارتی بتن را 25 تا 50درصد افزایش می دهند . همچنین این الیاف باعث افزایش مقاومت بتن در تغییرات ناگهانی و زیاد درجه حرارتی می شود .

مطالعات و شواهد نشان داده است که اثرات خوردگی و پوسیدگی آب شور روی ملات سیمانی ( سیمان پرتلند)‌مسلح به 2 درصد حجمی الیاف فولادی ناچیز بوده است . بطوریکه بعد از 90 روز قرار گرفتن در داخل و خارج آب نمک اشباع شده هیچ تغییری در مقاومت خمشی بتن الیافی مشاهده نگردید . مقاومت فشاری یک ملات الیافی دار که به طور مداوم و به مدت 10 سال در آب دریا غوطه ور بوده است از 582 کیلوگرم بر سانتی متر مربع به 495/7 کیلوگرم بر سانتی متر مربع کاهش یافت که این کاهش در حدود 15 درصد است . این در حالیست که تحت همان شرایط مقاومت ملات 40 درصد کاهش یافته بود . مقاومت خمشی ملات الیاف دار نیز بعد از 10 سال 31 درصد تنزل کرده و به مقدار 105/3 کیلوگرم بر سانتیمترمربع رسیده بود .

برای پخش بهتر الیاف پلی پروپیلن بهتر است در هنگام افزودن الیاف پلی پروپیلن به داخل جسم بتن تا حدامکان توسط دست آن را از هم جدا نموده و همزمان میکسر در حال کار کردن باشد تا در حین افزودن همزمان عمل میکس الیاف پلی پروپیلن و بتن انجام شود . لازم است به ازای هر متر مکعب بتن حداقل 1 دقیقه عملیات میکس ادامه یابد . استفاده از روان کننده بتن نیز می توان تا حد زیادی به پخش شدن بهتر الیاف پلی پروپیلن در بتن کمک کند .

بتن حاوی الیاف فولادی آلیاژی همانند خواص مواد پلاستیک موجب می شود که بتن الیافی گسیختگی ناگهانی نداشته باشد . از آنجاکه الیاف فولادی آلیاژی در جسم بتن در همه جهات پراکنده می شود . در صورت تشکیل یک ترک در جهات مختلف الیاف اتصالاتی را به وجود آورده و از گسترش ترک جلوگیری می نماید بنابراین رشته های الیاف به طور فعال در محدود کردن عرض ترک وارد عمل شده و با تشکیل ریز ترک های زیاد قابلیت بهره برداری بتن را افزایش می دهند .

از مزایای بتن الیافی نسبت به بتن بدون الیاف می توان به مقاومت در برابر ورقه ورقه شدن و سایش ،‌تنش های خستگی ،‌ضربه ، قابلیت باربری بعد از ترک خوردن ، قابلیت کششی و ظرفیت زیاد تغییر شکل نسبی و افزایش در میزان جذب انرژی اشاره کرد.