با گذشت زمان و افزایش جمعیت دنیا نیاز به پیشرفت در زمینه ساخت‌وساز، نگهداری و مقاوم‌سازی سازه‌های موجود و استفاده از تکنولوژی‌های نوین بیش از پیش احساس می‌شود. علاوه بر این لزوم ساخت سازه‌های مقاوم در برابر زلزله به دلیل افزایش لرزه‌خیزی کشورهای دنیا بیشتر احساس می‌شود. از جمله تکنولوژی‌های نوین که جایگاه ویژه‌ای در ساخت‌وساز به خود اختصاص داده، افزودنی‌های بتن و الیاف تقویت‌کننده در غالب بتن الیافی میباشد. استفاده از افزودنی‌های بتن باعث بهبود خواص مطلوب بتن، همچون مقاومت آن می‌گردد و در بعضی موارد با کاهش وزن بتن، مصالح بسیار سبکی را فرا راه مهندسین بنا قرار می‌دهد.
(FRC (Fiber Reinforced Concrete
بتن الیافی در حقیقت نوعی کامپوزیت است که با بکارگیری الیاف تقویت‌کننده داخل مخلوط بتن، مقاومت کششی فوق‌العاده افزایش می‌یابد. این ترکیب کامپوزیتی، یکپارچگی و پیوستگی مناسبی داشته و امکان استفاده از بتن به عنوان یک ماده شکل‌پذیر جهت تولید سطوح مقاوم پر انحنا را فراهم می‌آورد. بتن الیافی از قابلیت جذب انرژی بالایی نیز برخوردار است و تحت اثر بارهای ضربه‌ای به راحتی ازهم پاشیده نمی‌شود. شاهد تاریخی این فن‌آوری، کاربرد کاه‌گل در بناهای ساختمان است. در واقع بتن الیافی نوع پیشرفته این تکنولوژی میباشد که الیاف طبیعی و مصنوعی جدید، جانشین کاه و سیمان جانشین گل بکار رفته در کاه‌گل شده است.
بتن الیافی خواص مناسبی همچون شکل‌پذیری بالا، مقاومت فوق‌العاده، قابلیت جذب انرژی و پایداری در برابر ترک خوردن را دارا میباشد که متناسب با آنها می‌توان موارد کاربرد فراوانی برای آن یافت.
مقاومت فشاری فوق‌العاده بالا از FRC با استفاده از دانه‌بندی مناسب که به طور همگن مخلوط شده باشند، بدست می آید. از سوی دیگر، افزایش نیروهای کششی / خمشی، شکستگی و کنترل آسیب به طور عمده به دلیل تقسیم به طور تصادفی از فیبرهای تقویت کننده در اختلاط حاصل می‌شود.
در نتیجه بسیاری از تحقیقات انجام شده روی این نوع از بتن، نشان می‌دهد که FRC در شرایط بارگذاری دینامیکی نسبت به سایر انواع بتن‌ها ویژگی‌های کنترل آسیب فوق‌العاده‌ای دارد.
بطور مثال در ساخت کف سالن‌های صنعتی، می‌توان از این نوع بتن به جای بتن آرماتوری متداول سود جست. این نوع بتن از بهترین مصالح مورد استفاده در ساخت بناهای مقاوم در برابر ضربه، همچون سازه پناهگاه‌ها و انبارهای نگهداری مواد منفجره به شمار می‌رود و بناهای شکل‌گرفته از بتن، قابلیت فوق‌العاده‌ای در جذب انرژی ضربه دارد. همچنین در ساخت باند فرودگاه‌ها به خوبی می‌توان از این نوع بتن کمک گرفت. موارد دیگری از بکارگیری این بتن، ساخت قطعات پیش ساخته ساختمانی همچون پانل‌ها و یا پاشش بتن روی سطح انحنای یک سازه میباشد. علاوه بر موارد یاد شده می‌توان از مزایایی همچون عایق بودن سازه در باربر صدا و سرعت بالای اجرا نیز بهره‌مند گردید.
انواع الیاف کاربردی در بتن
تاکنون مشخص شده است که انواع الیاف‌ها می‌توانند ظرفیت کرنش مقاومت در برابر ضربه میزان جذب انرژی مقاومت سایشی و مقاومت کششی بتن را افزایش دهند. امروزه با استفاده از الیاف شیشه، پلی پروپیلن، فولاد و بعضاً کربن، تولید انواع بتن‌های کامپوزیتی در کاربردهای مختلف صنعتی ممکن گردیده و بکارگیری آنها در کشورهای پیشرفته دنیا مورد قبول صنعت ساختمان واقع شده است.
الیاف‌های مورد استفاده در بتن بیشتر شامل الیاف شیشه، فولاد، پلی پروپیلن، آزبست و کربن نیز می‌باشند.
الیاف شیشه
الیاف شیشه بتن جزء اقتصادی‌ترین و گسترده‌ترین نوع از انواع الیاف بتن میباشد. پراکندگی بسیار بالای شیشه در بتن الیافی در حفظ مقاومت‌های فشاری و سایشی بتن تأثیر بسزایی دارد. این محصول جایگاه نسبتاً مناسبی در تعمیر بناها و تقویت سازه‌های صدمه‌دیده دارند و می‌توانند مقاومت پیچشی و برشی مناسبی نیز پدید آورد.
الیاف فولادی
مورد بعدی کاربرد الیاف فولادی در سازه الیاف است که می‌تواند نقش مکملی برای میلگرد داشته باشد. الیاف فولادی با پخش ترک‌ها مقابله می‌کنند و مقاومت بتن را در برابر خستگی ضربه جمع شدگی و تنش‌های حرارتی افزایش داده و بتن در همه مدهای شکست روی خواص مکانیکی بتن تأثیر مثبت می‌گذارد. از اهم متغیرهایی که بر خواص بتن با الیاف فولادی اثر می‌گذراند می‌توان به خواص ماتریس بتن بازدهی الیاف و مقدار الیاف اشاره کرد.تکنولوژی بتن پر مقاومت توسعه‌ای جدید در صنعت ساخت سازه‌های بتنی محسوب می‌شود. در بتن سخت شده مقاومت و دوام دو عامل اصلی بوده و هر چه مقاومت فشاری بتن بیشتر می‌شود بتن تردتر شده و در نتیجه مقاومت کششی آن به نسبت افزایش مقاومت فشاری افزایش نمی‌یابد و نیز از تحمل کرنش پایین‌تر برخوردار است. بدین دلیل نیاز به استفاده از الیاف در بتن پر مقاومت کاملاً مشهود است .جهت افزایش مقاومت کششی و جلوگیری از گسترش ترک و به‌ویژه افزایش نرمی از الیاف در بتن استفاده می‌شود. مقدار افزایش با تغییر این مقاومت‌ها بستگی به مقاومت بتن بدون الیاف شکل الیاف و درصد الیاف دارد.
بتن پر مقاومت شامل الیاف فولادی، ترکیبی است از سیمان، مصالح سنگی، آب، فوق روان کننده، دوده سیلیس و همچنین درصدی از الیاف فولادی که به‌طور درهم و کاملاً اتفاقی و در جهات مختلف در مخلوط پراکنده شده است. وجود الیاف فولادی مشخصات مکانیکی بتن را نسبت به حالت بهبود می‌بخشد. بتن پر مقاومت یک ماده ترد و شکننده است در حالیکه افزودن الیاف فولادی به بتن پر مقاومت سبب بهبود رفتار ترد بتن و تغییر مد شکست آن می‌گردد.
مزایای بتن الیافی
بتن الیافی (FRC) نوع جدیدی از بتن است که عملکرد مؤثرتری را در مقایسه با همتایان بتنی خود ارائه می‌دهد. FRC دارای ویژگی‌های مکانیکی برتری از جمله مقاومت فشاری بیش از ۱۵۰ مگاپاسکال، مدول الاستیسیته بالا، حد الاستیک بالا، استحکام کششی در دامنه ۱۵ تا ۱۵ MPa، سخت شدن کشش در تنش، انرژی شکست چندین برابر از مقادیر بتن سنتی و ظرفیت بالا پس از ترک‌خوردگی میباشد. در زیر به ذکر موردی برخی مزایای بتن الیافی پرداخته شده است :
مقاومت در مقابل تورق و سایش
مقاومت در مقابل تنش‌های خستگی
مقاومت عالی در مقابل ضربه
قابلیت کششی و ظرفیت زیاد تغییر شکل نسبی
قابلیت باربری بعد از ترک‌خوردگی
افزایش در میزان جذب انرژی
قابلیت انعطافی که بتن الیافی دارد همانند خواص مواد پلاستیکی باعث می‌شود که بتن الیافی گسیختگی ناگهانی نداشته باشد. از آنجا که الیاف در جسم بتن در همه جهات پراکنده می‌شود در صورت تشکیل یک ترک در جهات مختلف الیاف اتصالاتی را به وجود آورده و از گسترش ترک جلوگیری می‌نماید. بنابراین رشته‌های الیاف به‌طور فعال در محدود کردن عرض ترک وارد عمل شده و با تشکیل ریز ترک‌های زیاد قابلیت بهره برداری بتن را افزایش می‌دهند.
مکانیزم تقویت را می‌توان بصورت زیر توجیه کرد:
تنش‌ها به‌وسیله برش محیطی و در صورتیکه رویه الیاف آجدار باشد به‌وسیله مقاومت چسبندگی (درون سطحی) از ماتریس به الیاف منتقل می‌شود. بنابراین مادامی که ماتریس بتن ترک نخورده است،تنش کششی بین الیاف و ماتریس تقسیم می‌شود. پس از ایجاد ترک، همه تنش به الیاف انتقال می‌یابد.
مهم‌ترین متغیرهایی که بر خواص بتن با الیاف اثر می‌گذارند عبارت‌اند از : خواص ماتریس بتن ، بازدهی الیاف و مقدار الیاف. بازدهی الیاف به‌وسیله مقاومت الیاف در برابر بیرون کشیده شدن از مخلوط کنترل می‌شود این مقاومت به چسبندگی بین الیاف و ماتریس بستگی دارد.
برای الیاف با مقطع ثابت این مقاومت با افزایش طول، افزایش می‌یابد. بنابراین هر قدر طول بیشتر باشد اثر آنها در بهبود خواص ماتریس بیشتر خواهد بود چون مقاومت در برابر بیرون کشیده شدن متناسب با سطح مقطع دو جسم می باشد .
معمولا الیاف با سطح مقطع گرد و قطر کوچک بیشتر از الیاف با سطح مقطع گرد و قطر بزرگتر بازدهی دارند. این امر به این خاطر است که الیاف دسته اول سطح بیشتری در واحد حجم دارا می باشند بنابراین هر چه سطح تماس الیاف بیشتر باشد (و یا به عبارت دیگر قطر آنها کوچکتر باشد) بازده چسبندگی آنها بیشتر خواهد بود بنابراین روشن می شود که نسبت طول به قطر الیاف باید به اندازه ای بزرگ باشد که در هنگام شکست ماتریس، الیاف به حداکثر مقاومت کشش خود نزدیک باشند، با این وجود در عمل این کار معمولا ممکن نیست .
بسیاری از محققین نشان داده اند در صورتیکه از روشهای عادی اختلاط استفاده شود الیاف با نسبت طول به قطر بیشتر از۱۰۰ باعث کم شدن کارآیی بتن به مقدار قابل ملاحظه ای می شوند و یا بطور نا همگون در بتن توزیع می گردند.
توجیه اقتصادی بتن الیافی
باید اعتراف کرد که استفاده از بتن الیافی در همه موارد از بتن سنتی به صرفه‌تر نمی‌باشد. اما بر اساس برآوردهایی که توسط بعضی از متخصصین کشور انجام گرفته است، در جاهایی که سرعت اجرای بالا مد نظر است و یا نیاز به پاشش بتن (شات کریت) روی سطوحی است که شبکه‌بندی‌‌های سنتی مشکل و زمان‌بر بوده یا جواب‌گوی کار نیست، هزینه استفاده از بتن الیافی نسبت به مشابه سنتی خود کمتر میباشد.
این مزیت‌ها، علاوه بر مزیت سادگی و سرعت عمل بالاتر موجود در تکنولوژی بتن الیافی است.
اگر می‌بینیم که در کشوری همچون ترکیه، به‌کارگیری بتن الیافی به جای روشهای سنتی، مقرون به صرفه‌تر از کشور ماست، ریشه‌های آن را در سرمایه‌گذاری و تلاش سازمان‌یافته جهت اقتصادی نمودن استفاده از این تکنولوژی جدید می‌توان یافت.
اما اگر ما از روی‌آوردن به فناوری جدید به علت ریسک سرمایه‌گذاری پرهیز کنیم خواهیم دید که تکنولوژی سنتی در غیاب بهره‌گیری از فناوری نوین، رقم بسیار بالایی از سرمایه‌های ما را به هدر خواهد داد.
به طور مثال، ریزدانه‌های تولید شده در کشور ما که به روشهای قدیمی غیراستاندارد تولید می‌شوند، باعث افزایش درصد سیمان به کار رفته در بنا می‌شود و همین امر موجب ظهور ترک و ضایعات در بتن حاصل نیز می‌گردد.
راهکارهایی که جهت اقتصادی نمودن استفاده از این تکنولوژی جدید، پیشنهاد می‌شود:
ارائه پیشنهاد
هزینه استفاده از تکنولوژی‌های نوین کاملاً وابسته به سطحی از آن تکنولوژی است که نسبت به کسب و انتقال آن اقدام می‌شود. کشورهای پیشرفته جهان که تکنولوژی نوین خود را از سطوح اولیه تحقیقاتی کسب کرده‌اند، چون کاملاً بر تکنیک‌ها و دانش پایه‌ای آن واقف و مسلط هستند، متحمل هزینه‌های کمتری شده‌اند. آنها با تکیه بر همین آگاهی و اشراف، با بهبود فرایندها، قیمت نهایی را در طول زمان کاهش خواهند داد. لذا فراهم نمودن بسری جهت تسلط کامل بر دانش پایه‌ای تکنولوژی، تخصیص سرمایه اولیه در این زمینه و گسترش آموزش ساخت آن در طول زمان از هزینه خواهد کاست.
این هزینه‌ها بعداً در طول عمر تکنولوژی و ارایه محصول به بازار جبران خواهد شد و نهایتاً به سوددهی منجر می‌گردد. عدم پرداختن به تحقیق و توسعه و بهره‌گیری از تکنولوژی نوین، علاوه بر آن که نمی‌تواند پاسخگوی نیاز روز صنعت ساختمان باشد، در درازمدت، هزینه بسیار بالایی نیز به ما تحمیل می‌کند.
