الیاف تقویت‌کننده معمولاً در بتن شاتکریت و گاهی اوقات در بتن معمولی استفاده می‌شود. بتن معمولی تقویت شده با الیاف، بیشتر برای کف‌ها و روسازی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین این گونه بتن‌ها به تنهایی یا همراه با میلگرد در طیف وسیعی از قطعات ساختمانی استفاده می‌شوند.
الیاف در بتن، معمولاً برای کنترل ترک‌خوردگی ناشی از انقباض خمیری کاربرد دارند و مانع از آب‌انداختگی و جداشدگی در بتن می‌شوند. برخی از انواع الیاف، باعث می‌شود بتن در برابر ضربه، سایش و شکستگی مقاومت بیشتری کسب کند؛
اما این مواد تأثیری بر مقاومت خمشی بتن نداشته و از این رو بخش‌هایی از سازه که بالا بودن مقدار مقاومت خمشی اهمیت زیادی دارد، حضور آرماتورهای فولادی ضروری است.
مقدار الیاف اضافه شده به مخلوط بتن به صورت درصدی از حجم کل کامپوزیت (بتن و الیاف) اندازه‌گیری می‌شود و با نام کسر حجمی (Vf) شناخته می‌شود. مقدار کسر حجمی (Vf) معمولاً بین ۰٫۱% تا ۳% است و بر اساس نسبت طول فیبر بر قطر آن محاسبه می‌شود. در الیاف با سطح مقطع غیر دایره‌ای از قطری معادل برای محاسبه نسبت ابعاد استفاده می‌گردد.
تأثیر نسبت ظاهر الیاف روی کارایی ملات
افزایش نسبت ابعاد الیاف، معمولاً مقاومت خمشی و سفتی ماتریس خمیر سیمان را تقسیم می‌کند. با این حال، الیافی که بیش از حد طولانی هستند، تمایل دارند در مخلوط بتن به گلوله تبدیل شوند و بدین‌ترتیب، مشکلاتی در کارایی و روانی بتن ایجاد می‌کنند.
برخی تحقیقات نشان می‌دهد استفاده از الیاف در بتن، تأثیر کمی بر مقاومت ضربه‌ای بتن دارد. این در حالی است که تصور می‌شد استفاده از الیاف در بتن باعث افزایش شکل‌پذیری بتن می‌گردد. البته نتایج نشان داده بتن‌هایی که با استفاده از میکروالیاف تقویت‌شده‌اند، نسبت به بتن‌های مسلح‌شده با الیاف بلندتر، مقاومت بهتری در برابر ضربه دارند.
ضرورت استفاده از الیاف در انواع بتن مسلح با الیاف
- افزایش مقاومت کششی بتن
- کاهش فضاهای خالی هوا، تخلخل و مقدار آب درون بافتی
- افزایش دوام بتن
- الیافی مانند گرافیت و شیشه، مقاومت بسیار خوبی در برابر خزش دارند. بنابراین، جهت‌گیری و حجم الیاف، تأثیر قابل توجهی بر عملکرد خزش میلگردها (تاندون‌ها) دارد.
- بتن مسلح، ماده‌ای مرکب است که در آن آرماتور به عنوان الیاف تقویت‌کننده و بتن به عنوان ماتریس عمل می‌کند. بنابراین لازم است رفتار هر دو ماده در برابر تنش‌های حرارتی مشابه باشد تا تغییرشکل‌های بتن و آرماتور نسبت به هم به حداقل برسد.
- افزودن الیاف ریز، با تراکم بالا و پراکندگی مناسب، باعث می‌شود در بتن ترکی ایجاد نشود و حتی خواص استاتیکی و دینامیکی آن نیز به طور قابل توجهی بهبود یابد.
عوامل مؤثر بر خواص انواع بتن مسلح با الیاف
همان‌طور که گفته شد انواع بتن مسلح با الیاف، ترکیبی از انواع الیاف و ماتریس سیمانی است که به صورت منظم یا تصادفی کنار هم قرار گرفته‌اند.
این مواد در کنار هم ویژگی‌ها و خواص منحصر به فردی دارند که نمایشگر انتقال مؤثر تنش بین ماتریس خمیر سیمان و الیاف هستند. در ادامه این مقاله به بررسی و معرفی عوامل مؤثر بر خواص بتن الیافی می‌پردازیم.
۱) سفتی نسبی بتن حاوی فیبر
برای انتقال مؤثر تنش، لازم است مدول الاستیسیته ماتریس بسیار کمتر از الیاف به کار رفته در بتن باشد. الیافی مانند نایلون یا پلی پروپلین به دلیل مدول پایین، بعید است باعث افزایش سفتی بتن شوند، اما به جذب انرژی‌های بزرگ و به تبع، رساندن بتن به درجه سختی و مقاومت بیشتر کمک می‌کنند. این در حالی است که الیافی با مدول بالا، مانند: فولاد، شیشه و کربن، افزایش سفتی بتن را به همراه دارند.
میزان پیوند سطحی این گونه از فیبرها با ماتریس، تعیین‌کننده مقدار انتقال تنش در بتن است. هر چه اتصال با کیفیت بیشتری انجام شده باشد، به طبع مقدار مقاومت و دوام سازه افزایش می‌یابد.
تأثیر الیاف روی مقاومت نظیر اولین ترکتأثیر الیاف روی مقاومت نظیر اولین ترک
۲) حجم الیاف
مقاومت بتن مسلح تا حد زیادی به نوع الیاف به کار رفته در آن وابسته است. شکل زیر تأثیر حجم بر سفتی و مقاومت را نشان می‌دهد. همان‌طور که می‌بینید افزایش حجم الیاف، تقریباً به صورت خطی باعث افزایش مقاومت کششی و سفتی مخلوط بتن می‌شود. استفاده از الیاف با درصد بالاتر، احتمالاً باعث جداشدگی و سختی بتن و ملات می‌گردد.
تأثیر افزایش حجم الیاف روی خواص بتن الیافیتأثیر افزایش حجم الیاف روی خواص بتن الیافی
۳) نسبت ابعاد فیبر
نسبت الیاف عامل مهم دیگری است که بر خواص و رفتار مخلوط بتن تأثیر دارد. گزارش‌ها نشان می‌دهد با افزایش نسبت ابعاد الیاف تا ۷۵ میلی‌متر، مقاومت و سفتی بتن به صورت خطی افزایش می‌یابد؛
اما با افزایش ابعاد الیاف به بیش از ۷۵ میلی‌متر، میزان مقاومت و سفتی نسبی کاهش می‌یابد. جدول زیر تأثیر نسبت ابعاد الیاف بر میزان مقاومت و سفتی را نشان می‌دهد.
انواع بتن نسبت ابعاد مقاومت نسبی سفتی نسبی
بتن عادی ۰ ۱ ۱
بتن با الیاف پراکنده و تصادفی ۲۵ ۱٫۵ ۲
بتن با الیاف پراکنده و تصادفی ۵۰ ۱٫۶ ۸
بتن با الیاف پراکنده و تصادفی ۷۵ ۱٫۷ ۱۰٫۵
بتن با الیاف پراکنده و تصادفی ۱۰۰ ۱٫۵ ۸٫۵
نسبت ابعاد فیبر
۴) جهت‌گیری الیاف
یکی از تفاوت‌های الیاف با آرماتورهای به کار رفته در بتن، قرارگیری و جهت‌گیری آن‌ها در بتن است. آرماتورهای به کار رفته در بتن جهت تسلیح آن، دقیقاً در جهت مورد نظر مهندسین سازه قرار می‌گیرند. در حالی که الیاف در بتن به صورت تصادفی جهت‌گیری می‌شوند. بنابراین برای مشاهده اثر جهت‌گیری تصادفی الیاف در بتن، نمونه بتن تقویت شده با ۰٫۵% حجم الیاف، مورد آزمایش قرار می‌گیرد.
قرارگیری حداکثر الیاف در بتن، معمولاً به ۳ شکل توزیع تصادفی، توزیع عمود بر بار خارجی و توزیع به صورت هم‌جهت با بار خارجی است. داده‌ها نشان می‌دهد در مواردی که الیاف، به موازات بار خارجی قرار گرفته‌اند، استحکام کششی و سفتی بتن بیشتر از زمانی است که الیاف به صورت تصارفی یا عمود بر بار در بتن توزیع شده‌اند.
۵) کارایی و تراکم بتن
ادغام الیاف فولادی، کارایی بتن را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. این وضعیت تأثیر منفی بر اسلامپ و کارایی بتن تازه دارد. به طوری که حتی ویبره خارجی و طولانی مدت نیز باعث افزایش تراکم بتن نمی‌شود.
البته باید بدانید حجم فیبری که بتن را به این وضعیت می‌رساند، وابسته به ابعاد (طول و قطر) فیبر است. از دیگر پیامدهای کاهش کارایی، توزیع غیریکنواخت الیاف در بتن است که می‌توان آن را با افزایش نسبت آب به سیمان یا استفاده از انواع افزودنی کاهنده آب (روان کننده بتن) بهبود بخشید.