بتن اليافي
با گذشت زمان و افزايش جمعيت دنيا نياز به پيشرفت در زمينه ساخت‌وساز، نگهداري و مقاوم‌سازي سازه‌هاي موجود و استفاده از تكنولوژي‌هاي نوين بيش از پيش احساس مي‌شود. علاوه بر اين لزوم ساخت سازه‌هاي مقاوم در برابر زلزله به دليل افزايش لرزه‌خيزي كشورهاي دنيا بيشتر احساس مي‌شود. از جمله تكنولوژي‌هاي نوين كه جايگاه ويژه‌اي در ساخت‌وساز به خود اختصاص داده، افزودني‌هاي بتن و الياف تقويت‌كننده در غالب بتن اليافي مي‌باشد. استفاده از افزودني‌هاي بتن باعث بهبود خواص مطلوب بتن، همچون مقاومت آن مي‌گردد و در بعضي موارد با كاهش وزن بتن، مصالح بسيار سبكي را فرا راه مهندسين بنا قرار مي‌دهد.
(FRC (Fiber Reinforced Concrete
بتن اليافي در حقيقت نوعي كامپوزيت است كه با بكارگيري الياف تقويت‌كننده داخل مخلوط بتن، مقاومت كششي فوق‌العاده افزايش مي‌يابد. اين تركيب كامپوزيتي، يكپارچگي و پيوستگي مناسبي داشته و امكان استفاده از بتن به عنوان يك ماده شكل‌پذير جهت توليد سطوح مقاوم پر انحنا را فراهم مي‌آورد. بتن اليافي از قابليت جذب انرژي بالايي نيز برخوردار است و تحت اثر بارهاي ضربه‌اي به راحتي ازهم پاشيده نمي‌شود. شاهد تاريخي اين فن‌آوري، كاربرد كاه‌گل در بناهاي ساختمان است. در واقع بتن اليافي نوع پيشرفته اين تكنولوژي مي‌باشد كه الياف طبيعي و مصنوعي جديد، جانشين كاه و سيمان جانشين گل بكار رفته در كاه‌گل شده است.
بتن اليافي خواص مناسبي همچون شكل‌پذيري بالا، مقاومت فوق‌العاده، قابليت جذب انرژي و پايداري در برابر ترك خوردن را دارا مي‌باشد كه متناسب با آنها مي‌توان موارد كاربرد فراواني براي آن يافت.
مقاومت فشاري فوق‌العاده بالا از FRC با استفاده از دانه‌بندي مناسب كه به طور همگن مخلوط شده باشند، بدست مي آيد. از سوي ديگر، افزايش نيروهاي كششي / خمشي، شكستگي و كنترل آسيب به طور عمده به دليل تقسيم به طور تصادفي از فيبرهاي تقويت كننده در اختلاط حاصل مي‌شود.
در نتيجه بسياري از تحقيقات انجام شده روي اين نوع از بتن، نشان مي‌دهد كه FRC در شرايط بارگذاري ديناميكي نسبت به ساير انواع بتن‌ها ويژگي‌هاي كنترل آسيب فوق‌العاده‌اي دارد.
بطور مثال در ساخت كف سالن‌هاي صنعتي، مي‌توان از اين نوع بتن به جاي بتن آرماتوري متداول سود جست. اين نوع بتن از بهترين مصالح مورد استفاده در ساخت بناهاي مقاوم در برابر ضربه، همچون سازه پناهگاه‌ها و انبارهاي نگهداري مواد منفجره به شمار مي‌رود و بناهاي شكل‌گرفته از بتن، قابليت فوق‌العاده‌اي در جذب انرژي ضربه دارد. همچنين در ساخت باند فرودگاه‌ها به خوبي مي‌توان از اين نوع بتن كمك گرفت. موارد ديگري از بكارگيري اين بتن، ساخت قطعات پيش ساخته ساختماني همچون پانل‌ها و يا پاشش بتن روي سطح انحناي يك سازه مي‌باشد. علاوه بر موارد ياد شده مي‌توان از مزايايي همچون عايق بودن سازه در باربر صدا و سرعت بالاي اجرا نيز بهره‌مند گرديد.
انواع الياف كاربردي در بتن
تاكنون مشخص شده است كه انواع الياف‌ها مي‌توانند ظرفيت كرنش مقاومت در برابر ضربه ميزان جذب انرژي مقاومت سايشي و مقاومت كششي بتن را افزايش دهند. امروزه با استفاده از الياف شيشه، پلي پروپيلن، فولاد و بعضاً كربن، توليد انواع بتن‌هاي كامپوزيتي در كاربردهاي مختلف صنعتي ممكن گرديده و بكارگيري آنها در كشورهاي پيشرفته دنيا مورد قبول صنعت ساختمان واقع شده است.
الياف‌هاي مورد استفاده در بتن بيشتر شامل الياف شيشه، فولاد، پلي پروپيلن، آزبست و كربن نيز مي‌باشند.
الياف شيشه
الياف شيشه بتن جزء اقتصادي‌ترين و گسترده‌ترين نوع از انواع الياف بتن مي‌باشد. پراكندگي بسيار بالاي شيشه در بتن اليافي در حفظ مقاومت‌هاي فشاري و سايشي بتن تأثير بسزايي دارد. اين محصول جايگاه نسبتاً مناسبي در تعمير بناها و تقويت سازه‌هاي صدمه‌ديده دارند و مي‌توانند مقاومت پيچشي و برشي مناسبي نيز پديد آورد.
مورد بعدي كاربرد الياف فولادي در سازه الياف است كه مي‌تواند نقش مكملي براي ميلگرد داشته باشد. الياف فولادي با پخش ترك‌ها مقابله مي‌كنند و مقاومت بتن را در برابر خستگي ضربه جمع شدگي و تنش‌هاي حرارتي افزايش داده و بتن در همه مدهاي شكست روي خواص مكانيكي بتن تأثير مثبت مي‌گذارد. از اهم متغيرهايي كه بر خواص بتن با الياف فولادي اثر مي‌گذراند مي‌توان به خواص ماتريس بتن بازدهي الياف و مقدار الياف اشاره كرد.تكنولوژي بتن پر مقاومت توسعه‌اي جديد در صنعت ساخت سازه‌هاي بتني محسوب مي‌شود. در بتن سخت شده مقاومت و دوام دو عامل اصلي بوده و هر چه مقاومت فشاري بتن بيشتر مي‌شود بتن تردتر شده و در نتيجه مقاومت كششي آن به نسبت افزايش مقاومت فشاري افزايش نمي‌يابد و نيز از تحمل كرنش پايين‌تر برخوردار است. بدين دليل نياز به استفاده از الياف در بتن پر مقاومت كاملاً مشهود است .جهت افزايش مقاومت كششي و جلوگيري از گسترش ترك و به‌ويژه افزايش نرمي از الياف در بتن استفاده مي‌شود. مقدار افزايش با تغيير اين مقاومت‌ها بستگي به مقاومت بتن بدون الياف شكل الياف و درصد الياف دارد.
بتن پر مقاومت شامل الياف فولادي، تركيبي است از سيمان، مصالح سنگي، آب، فوق روان كننده، دوده سيليس و همچنين درصدي از الياف فولادي كه به‌طور درهم و كاملاً اتفاقي و در جهات مختلف در مخلوط پراكنده شده است. وجود الياف فولادي مشخصات مكانيكي بتن را نسبت به حالت بهبود مي‌بخشد. بتن پر مقاومت يك ماده ترد و شكننده است در حاليكه افزودن الياف فولادي به بتن پر مقاومت سبب بهبود رفتار ترد بتن و تغيير مد شكست آن مي‌گردد.
مزاياي بتن اليافي
بتن اليافي (FRC) نوع جديدي از بتن است كه عملكرد مؤثرتري را در مقايسه با همتايان بتني خود ارائه مي‌دهد. FRC داراي ويژگي‌هاي مكانيكي برتري از جمله مقاومت فشاري بيش از 150 مگاپاسكال، مدول الاستيسيته بالا، حد الاستيك بالا، استحكام كششي در دامنه 15 تا 15 MPa، سخت شدن كشش در تنش، انرژي شكست چندين برابر از مقادير بتن سنتي و ظرفيت بالا پس از ترك‌خوردگي مي‌باشد. در زير به ذكر موردي برخي مزاياي بتن اليافي پرداخته شده است :
مقاومت در مقابل تورق و سايش
مقاومت در مقابل تنش‌هاي خستگي
مقاومت عالي در مقابل ضربه
قابليت كششي و ظرفيت زياد تغيير شكل نسبي
قابليت باربري بعد از ترك‌خوردگي
افزايش در ميزان جذب انرژي
قابليت انعطافي كه بتن اليافي دارد همانند خواص مواد پلاستيكي باعث مي‌شود كه بتن اليافي گسيختگي ناگهاني نداشته باشد. از آنجا كه الياف در جسم بتن در همه جهات پراكنده مي‌شود در صورت تشكيل يك ترك در جهات مختلف الياف اتصالاتي را به وجود آورده و از گسترش ترك جلوگيري مي‌نمايد. بنابراين رشته‌هاي الياف به‌طور فعال در محدود كردن عرض ترك وارد عمل شده و با تشكيل ريز ترك‌هاي زياد قابليت بهره برداري بتن را افزايش مي‌دهند.
مكانيزم تقويت را مي‌توان بصورت زير توجيه كرد:
تنش‌ها به‌وسيله برش محيطي و در صورتيكه رويه الياف آجدار باشد به‌وسيله مقاومت چسبندگي (درون سطحي) از ماتريس به الياف منتقل مي‌شود. بنابراين مادامي كه ماتريس بتن ترك نخورده است،تنش كششي بين الياف و ماتريس تقسيم مي‌شود. پس از ايجاد ترك، همه تنش به الياف انتقال مي‌يابد.
مهم‌ترين متغيرهايي كه بر خواص بتن با الياف اثر مي‌گذارند عبارت‌اند از : خواص ماتريس بتن ، بازدهي الياف و مقدار الياف. بازدهي الياف به‌وسيله مقاومت الياف در برابر بيرون كشيده شدن از مخلوط كنترل مي‌شود اين مقاومت به چسبندگي بين الياف و ماتريس بستگي دارد.
براي الياف با مقطع ثابت اين مقاومت با افزايش طول، افزايش مي‌يابد. بنابراين هر قدر طول بيشتر باشد اثر آنها در بهبود خواص ماتريس بيشتر خواهد بود چون مقاومت در برابر بيرون كشيده شدن متناسب با سطح مقطع دو جسم مي باشد .
معمولا الياف با سطح مقطع گرد و قطر كوچك بيشتر از الياف با سطح مقطع گرد و قطر بزرگتر بازدهي دارند. اين امر به اين خاطر است كه الياف دسته اول سطح بيشتري در واحد حجم دارا مي باشند بنابراين هر چه سطح تماس الياف بيشتر باشد (و يا به عبارت ديگر قطر آنها كوچكتر باشد) بازده چسبندگي آنها بيشتر خواهد بود بنابراين روشن مي شود كه نسبت طول به قطر الياف بايد به اندازه اي بزرگ باشد كه در هنگام شكست ماتريس، الياف به حداكثر مقاومت كشش خود نزديك باشند، با اين وجود در عمل اين كار معمولا ممكن نيست .
بسياري از محققين نشان داده اند در صورتيكه از روشهاي عادي اختلاط استفاده شود الياف با نسبت طول به قطر بيشتر از100 باعث كم شدن كارآيي بتن به مقدار قابل ملاحظه اي مي شوند و يا بطور نا همگون در بتن توزيع مي گردند.
توجيه اقتصادي بتن اليافي
بايد اعتراف كرد كه استفاده از بتن اليافي در همه موارد از بتن سنتي به صرفه‌تر نمي‌باشد. اما بر اساس برآوردهايي كه توسط بعضي از متخصصين كشور انجام گرفته است، در جاهايي كه سرعت اجراي بالا مد نظر است و يا نياز به پاشش بتن (شات كريت) روي سطوحي است كه شبكه‌بندي‌‌هاي سنتي مشكل و زمان‌بر بوده يا جواب‌گوي كار نيست، هزينه استفاده از بتن اليافي نسبت به مشابه سنتي خود كمتر مي‌باشد.
اين مزيت‌ها، علاوه بر مزيت سادگي و سرعت عمل بالاتر موجود در تكنولوژي بتن اليافي است.
اگر مي‌بينيم كه در كشوري همچون تركيه، به‌كارگيري بتن اليافي به جاي روشهاي سنتي، مقرون به صرفه‌تر از كشور ماست، ريشه‌هاي آن را در سرمايه‌گذاري و تلاش سازمان‌يافته جهت اقتصادي نمودن استفاده از اين تكنولوژي جديد مي‌توان يافت.
اما اگر ما از روي‌آوردن به فناوري جديد به علت ريسك سرمايه‌گذاري پرهيز كنيم خواهيم ديد كه تكنولوژي سنتي در غياب بهره‌گيري از فناوري نوين، رقم بسيار بالايي از سرمايه‌هاي ما را به هدر خواهد داد.
به طور مثال، ريزدانه‌هاي توليد شده در كشور ما كه به روشهاي قديمي غيراستاندارد توليد مي‌شوند، باعث افزايش درصد سيمان به كار رفته در بنا مي‌شود و همين امر موجب ظهور ترك و ضايعات در بتن حاصل نيز مي‌گردد.
راهكارهايي كه جهت اقتصادي نمودن استفاده از اين تكنولوژي جديد، پيشنهاد مي‌شود:
ارائه پيشنهاد
هزينه استفاده از تكنولوژي‌هاي نوين كاملاً وابسته به سطحي از آن تكنولوژي است كه نسبت به كسب و انتقال آن اقدام مي‌شود. كشورهاي پيشرفته جهان كه تكنولوژي نوين خود را از سطوح اوليه تحقيقاتي كسب كرده‌اند، چون كاملاً بر تكنيك‌ها و دانش پايه‌اي آن واقف و مسلط هستند، متحمل هزينه‌هاي كمتري شده‌اند. آنها با تكيه بر همين آگاهي و اشراف، با بهبود فرايندها، قيمت نهايي را در طول زمان كاهش خواهند داد. لذا فراهم نمودن بسري جهت تسلط كامل بر دانش پايه‌اي تكنولوژي، تخصيص سرمايه اوليه در اين زمينه و گسترش آموزش ساخت آن در طول زمان از هزينه خواهد كاست.
اين هزينه‌ها بعداً در طول عمر تكنولوژي و ارايه محصول به بازار جبران خواهد شد و نهايتاً به سوددهي منجر مي‌گردد. عدم پرداختن به تحقيق و توسعه و بهره‌گيري از تكنولوژي نوين، علاوه بر آن كه نمي‌تواند پاسخگوي نياز روز صنعت ساختمان باشد، در درازمدت، هزينه بسيار بالايي نيز به ما تحميل مي‌كند