مقدمه :
هر چند که از بدو پیدایش بتون ، تحول اندکی در آن به وجود امده ، لکن طیف وسیع کاربرد بتون عملا ً بیانگر این مطلب است که مزایای بیشماری که این نوع مصالح از آن برخوردار است ، سایر موارد آن را تحت شعاع قرار می دهد .
در طراحی یک پروژه ،بکار گیری مصالح مناسب ،مقاوم و ارزان از مهمترین ظایف یک مهندس به حساب می آید.یکی از مهمترین و ارزان ترین مصالح موجود که در دنیا کار برد وسیعی دارد ،بتون است. مزایایی که بتون از آن برخوردار است باعث شده که مورد علاقه اکثر مهندسین ،طراحان و کارفرمایان باشد. از عمده ترین مزایای بتون ،امکان به کار گیری آن در اغلب مناطق جغرافیایی،استفاده از مصالح طبیعی و ارزان ،دارا بودن هزینه ی کم در مقایسه با حجم زیاد عملیات،شکل پذیری آن با توجه به اشکال هندسی طرح، امکان مکانیزه کردن عملیات عدم نیاز به نگهداری پر خرج بنا در طول عمر بهره برداری و ... است.
بکارگیری بتون غیر مسلح بعلت تردی آن به غیر از سازه های وزنی عملا ً کاربرد چندانی ندارد . این عیب عمده ی بتون در عمل ،با مسلح کردن آن به وسیله ی میله های فولادی یا آرماتور برطرف می گردد . امّا از انجایی که آرماتور منحصرا ً بخش کوچکی از مقطع را تشکیل می دهد ، تصور این که مقطع بتون یک مقطع ایزوتوپ و هموژن است ، چندان صحیح نخواهد بود.
به منظور شرایط ایزوتوپی و نیز کاهش ضعف شکنندگی و تردی جسم بتون تا حد ممکن ، در چند دهه ی اخیر از رشته های نازک و نسبتا ً درازی که در تمام حجم بتون ، بطور همگن و درهم پراکنده می گردد استفاده می شود.
کاربرد اینگونه رشته ها یا الیاف در بتون و بطور کلی در ملات ها قدمت تاریخی دارد.انواع الیافی که در ربع قرن اخیر بطور وسیع در بتون و ملات های سیمانی مورد استفاده قرار می گیرد ، الیاف شیشه ای ، پلی اتیلن ، فولادی ،آزبست و نایلونی می باشد که اثر هر یک از انواع الیاف بر خواص و تکنولوژی بتون مبحث جداگانه و طولانی به خود اختصاص میدهد.
در مجموعه ی حاضر منحصرا ً اثر الیاف فولادی بر رفتار بتون های مسلح به این نوع الیاف مورد بررسی و پژوهش قرار گرفته است.
کاربرد الیاف فولادی به منظور بهبود بخشیدن به خواص بتون ، کاربرد وسیعی را در سازه های بتونی و بتون مسلح پیدا کرده است.دلیل این کاربرد گسترده ،مزایای بیشمار فنی و اقتصادی در استفاده از الیاف فولادی در جسم بتون می باشد.
اثرات مثبت کاربرد الیاف فولادی به شرح ذیل می باشد:
افزایش مقاومت خمشی
افزایش مقاومت برشی
افزایش مقاومت کششی
افزایش مقاومت در برابر بارهای دینامیکی به ویژه بارهای ضربه ای
افزایش مقاومت مقطع در قبال ترک خوردگی
افزایش مقاومت در میزان جذب انرژی
کاهش در میزان انقباض،خزش و سایش سطحی.
با توجه به این اثرات مهم در خواص بتون خالص ، تولید و کاربرد الیاف فولادی در کشورهای صنعتی جهان از طیف وسیعی برخوردار شده و در حال حاضر انواع الیاف فولادی با مشخصات فنی و موارد کاربرد گوناگون به صورت صنعتی تولید انبوه می گردد.
نظری گزرا به آمار مصرف الیاف فولادی در کارهای بتونی در کشورهای صنعتی نشان می دهد که تنها ظرف 10 سال گذشته بالغ بر چندین هزار متر مربع از کف سالن های صنعتی ، باند فرودگاه ها ، روسازی بزرگراه ها و... با بتون مسلح به الیاف فولادی اجرا شده است.
از انجایی که در ایران و سایر ممالک خاورمیانه الیاف از نوع فولادی تولید و یا وارد نمی شود ، اغلب مهندسین و مشاورین از چنین تکنولوژی وتکنیکی که به خواص و مقاومت بتون بهبود می بخشد ، بی اطلاع بوده و یا اطلاع کمی دارند، و افراد مطلع از وجود چنین تکنیکی ، کاربرد الیاف را به علت عدم دسترسی آسان و ارزان نبودن آن یک تکنیک لوکس در طرح های بتونی تلقی می کنند .
مجموعه ی حاضر تلاش دارد تا این تکنولوژی را که سالهاست در سایر کشورها مورد استفاده قرار می گیرد ، در ایران نیز بشناساند.
کاربرد بتون الیافی در وضع کنونی کشور به دلایل اقتصادی ،بخصوص از نظر تامین الیاف فولادی صنعتی چه به صورت وارداتی و چه تولیدی مقرون به صرفه نبوده و مشکلات تازه ای را در جهت وابستگی های جدید به کشورهای بیگانه در صنایع عمرانی به ارمغان خواهد آورد .
با توجه به فراوانی تفاله های صنعتی که از بابت مواد اولیه آن ها باالاجبار ارز زیادی از کشور خارج می شود و فضاهای زیادی در قطب های صنعتی و جوار جاده های کشور اشغال می شده و می شود ، این انگیزه را به وجود آورد تا با توجه به مزایای بتون مسلح با الیاف فولادی و نیاز به استفاده از این تکنولوژی در طرح های عمرانی کشور ، از این تفاله های صنعتی با توجه به دلایل فوق به عنوان الیاف فولادی استفاده می گردد.
نتایج بررسی ها و تحقیقات آزمایشگاهی که در این راستا در دانشگاه فنی تبریز در بررسی مقاومت های خمشی ، فشاری ، کششی ، برشی و شکافتگی در طول مدت بیش از یکسال انجام گرفت ، نشان میدهد که تاثیراین نوع الیاف فولادی در بالابردن مقاومت بتن بسیار چشمگیر و شایان توجه است . بکار گیری اینگونه زایدات و تراشه های فولادی به عنوان الیاف فولادی نه تنها از بعد افزایش خواص بتن خالص حائز اهمیت است بلکه از بعد اقتصادی و کاهش آلودگی محیت زیست نیز اثرات بسیار مثبت و رضایت بخشی را در بر خواهد داشت .
مزایای اقتصادی این طرح از نظر هزینه و مخصوصا ً ارز خروجی از کشور دارای اهمیت فوق العاده ای است . بدین معنی که 10الی 30 درصد وزن فولاد وارداتی حین ساخت قطعات مختلف صنعتی به تراشه های فولادی زاید تبدیل می شود . بعد از تولید این زایدات ، ضرورت بر حمل و دفن این مواد وجود دارد که هزینه مجددی را طلب می کند .
همچنین دور کردن و دفن این زایدات در محل های بخصوص ، اولا ً فضا و مکان بزرگی را اشغال می کند و ثانیا ً باعث آلودگی و بدی منظره ی محیط زیست می شود . حال اگر از این تراشه های فولادی _ که هزینه گرانی را به خود اختصاص می دهد _ به عوض پوسیدگی و آلودگی محیط زیست در بتون استفاده شود ، علاوه بر کاهش آلودگی محیط ریست ، مقاومت بتون را نسبت به بتون خالص افزایش داده ، همچنین با توجه به نتایج مطلوبی که از این تحقیقات بدست آمده میتوان کاهش هزینه های اجرایی ، امکان مکانیزه کردن روشهای اجرایی ، صرفه جویی در مصرف مصالح سنگی و سیمان ، کاهش هزینه های حمل مصالح به علت کاهش حجم کار ، امکان استفاده در صنایع ساخت بلوک و لوله های سیمانی مخصوصا ً در مناطق روستایی کشور ، ایجاد زمینه اشتغال افراد و... را انتظار داشت.
بتون مسلح به الیاف فولادی
بتون الیافی ( الیاف فولادی ) شامل یک کالبد بتونی مرکب از سیمان ، مصالح سنگی ، آب و همچنین درصدی از الیاف فولادی کوتاه می باشد که بطور درهم و کاملاً اتفاقی و در جهات مختلف در مخلوط پراکنده شده که وجود الیاف فولادی مشخصات بتون را نسبت به حالت خالص بهبود می بخشد .
در این بررسی شبکه های آرماتور ، تورهای بافته شده و یا آرماتورهای نازک و دراز نمی تواند بعنوان الیاف های پراکنده و منفرد در بتون تلقی گردد .
مزایای بتون الیافی
بتون معمولی یک ماده نسبتاً ترد و شکننده است ، در حالی که بتون الیافی دارای مقاومت زیادتر و خاصیت جلوگیری از ترک خوردگی را دارد لذا نسبت به بتون معمولی دارای برتریت است .
مزایای بتون الیافی در مقایسه با بتون معمولی را می توان بطور خلاصه به شرح ذیل بیان داشت :
مقاومت در مقابل تورق ، سایش و هوازدگی سطح
مقاومت زیاد در مقابل تنش های خستگی
مقاومت بسیار عالی در مقابل ضربه
قابلیت کششی خوب ( ظرفیت زیاد کرنش )
قابلیت باربری زیاد بعد از ترک خوردگی
مقاومت کششی ، خمشی و برشی زیاد
طاقت خیلی زیاد
مقاومت خمشی
هر چند مطالعات انجام شده روی خصوصیات بتن حاوی الیاف پلیمری نسبتاً محدود است ، در رابطه با تاثیر این الیاف روی خصوصیات خمشی بتن ، موارد زیر قابل ذکر است .
درصدهای معمولی استفاده از الیاف پلیمری حدود 1/0 درصد بوده و تا 5/0 درصد هم استفاده می شود . شکل 3-5 منحنی بار تغییر شکل را برای بتن حاوی الیاف پلی پروپیلن به مقدار 5/0 درصد حجمی نشان می دهد . مشخص است که افت در ظرفیت تحمل بار در این نوع بتن بعد از ترک اول ، بسیار بالاست که این موضوع با توجه به مدول کشسانی پایین الیاف پلیمری و مقدار کم استفاده از آن ، قابل انتظار می باشد . هر چند شکل پذیری قابل توجهی بعد از ایجاد ترک حاصل شده ، عملکرد این الیاف پس از گسیختگی به میزان قابل توجهی کمتر از الیاف فولادی است .
مطالعات انجام شده نشان می دهد که تفاوت زیادی در عملکرد انواع معمول الیاف پلیمری وجود ندارد و تاثیر الیاف نایلون مشابه الیاف پلی پروپلین است.
مقاومت فشاری
معمول ترین مقدار استفاده از الیاف پلیمری در بتن ، برابر 1/0 درصد حجمی است . در این مقدار کم ، الیاف تاثیری روی مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته بتن ندارند . مطالعات انجام شده نشان دهنده این است که نوع الیاف پلیمری نیز نقشی در این زمینه ندارد . افزایش درصد استفاده تا 5/0 حجمی موجب کاهش مقاومت فشاری در حدود 5 تا 10 درصد گشته است ، لیکن این کاهش بعلت افزایش در هوای محبوس شده و مشکلات در متراکم کردن بتن در حجم بالاتر الیاف است.
مقاومت کششی
اثر استفاده از الیاف پلیمری خصوصاً در بتن ، کمتر از تاثیر الیاف فولادی است. در درصدهای معمول استفاده ، که کمتر از 2/0 درصد است اضافه کردن الیاف پلیمری تاثیری در مقاومت کششی بتن ندارد . در 5/0 درصد استفاده به علت دشواری در تراکم و ازدیاد هوای محبوس شده ، قدری کاهش در مقاومت کششی بتن حاصل می گردد .
مقاومت در برابر خستگی
بررسی های انجام شده نشان دهنده افزایش مقاومت خستگی بتن بر اثر استفاده از الیاف پلیمری بوده ، لیکن تاثیر آنها کمتر از الیاف فولادی است . در 3/0 درصد حجمی استفاده از الیاف پلی پروپلین حداکثر تنش متناوب وارده به تعداد 2 میلیون دوره ای برابر 65 درصد مقاومت خمشی استاتیکی بتن غیرمسلح بوده است . مقدار متناظر برای بتن غیر مسلح تحت بار متناوب ، 50 درصد مقاومت خمشی تحت بار استاتیکی بوده است . همچنین قابل توجه است که عملکرد الیاف پلی پروپلین و نایلون مشابه است .
مقاومت در برابر بارهای ضربه ای
تاثیر الیاف پلیمری روی مقاومت بتن ، در برابر بارهای ضربه ای کمتر از الیاف فولادی است . البته میزان تاثیر بسته به روش آزمایش به کار رفته متغیر است ولی به طور کلی می توان گفت که تاثیر الیاف پلیمری با نسبت های معمول استفاده ( حدود 1/0 درصد حجمی ) ، کم بوده و با افزایش مقدار الیاف تا حدود 5/0 درصد میزان بهبود عملکرد ، زیاد نیست .
خزش و جمع شدگی دراز مدت
آزمایش های محدود انجام شده در این زمینه نشان دهنده افزایش در مقدار خزش بتن ، به علت استفاده از الیاف پلیمری است . در عین حال ، استفاده از این الیاف موجب کاهش در مقدار جمع شدگی بتن شده است .