اکنون مشخص شده است که انواع الیاف ها می توانند ظرفیت کرنش مقاومت دربرابر ضربه میزان جذب انرژی مقاومت سایشی و مقاومت کششی بتن را افزایش دهند. بطور کلی برای کاربرد در سازه الیاف فولادی میتواند نقش مکملی برای میلگرد داشته باشد. الیاف فولادی با پخش ترکها مقابله میکنند ومقاومت بتن را در برابر خستگی ضربه جمع شدگی وتنشهای حرارتی افزایش داده و بتن در همه مدهای شکست روی خواص مکانیکی بتن تاثیر 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.
بتن پرمقاومت شامل الیاف فولادی، ترکیبی است از سیمان، مصالح سنگی، آب، فوق روان کننده، دوده سیلیس وهمچنین درصدی از الیاف فولادی که بطور درهم و کاملا اتفاقی ودر جهات مختلف در مخلوط پراکنده شده است. وجود الیاف فولادی مشخصات مکانیکی بتن را نسبت به حالت بهبود می‌بخشد. بتن پرمقاومت یک ماده ترد وشکننده است در حالیکه افزودن الیاف فولادی به بتن پرمقاومت سبب بهبود رفتار ترد بتن وتغییرمد شکست آن می‌گردد. مزایای بتن الیافی در مقایسه با بتن بدون الیاف را می توان بطور خلاصه بشرح ذیل بیان داشت:
- مقاومت در مقابل تورق وسایش
- مقاومت در مقابل تنش های خستگی
- مقاومت عالی در مقابل ضربه
- قابلیت کششی وظرفیت زیاد تغییر شکل نسبی
- قابلیت باربری بعد از ترک خوردگی
- افزایش در میزان جذب انرژی
مکانیزم عملکرد الیاف در بتن
بطور کلی برای کاربرد در سازه الیاف فولادی می توانند نقش مکملی برای میلگرد داشته باشند.الیاف فولادی با پخش ترکها مقابله می کنند و مقاومت بتن را در برابر خستگی ضربه جمع شدگی وتنشهای حرارتی افزایش می دهند.
الیاف فولادی می توانند در همه مدهای شکست روی خواص مکانیکی بتن تاثیر بگذارند.
مکانیزم تقویت را می توان بصورت زیر توجیه کرد:
تنشها بوسیله برش محیطی ودر صورتیکه رویه الیاف آجدار باشد بوسیله مقاومت چسبندگی (درون سطحی) از ماتریس به الیاف منتقل می شود. بنابراین مادامی که ماتریس بتن ترک نخورده است،تنش کششی بین الیاف و ماتریس تقسیم می شود. پس از ایجاد ترک، همه تنش به الیاف انتقال می یابد.
انواع الیاف مورد استفاده در بتن الیافی:
الیاف شیشه:این نوع الیاف بر کاهش کارایی واسلامپ بتن تازه به شدت تاثیر می گذارد، بنابراین برای رفع این مشکل باید از روان ساز های مناسب استفاده کرد.
الیاف فولادی: الیاف فولادی برای ایجاد بهبود در خواص بتن به طور وسیعی در سازه های بتنی و بتن مسلح به کار برده می شود. این نوع ازالیاف موجب افزایش مقاومت کششی بتن می شوند. این کار از طریق کاهش ایجاد ریز ترک ها در بارگذاری خارجی اتفاق می افتد.
الیاف پلی پروپیلن: این نوع الیاف از ترک خوردگی و جمع شدگی بتن در سنین اولیه جلوگیری می کند. بتن تولیدی با الیاف پلی پروپیلن خرد نمی شود. این نوع الیاف آب گریز است و درصد جذب آن صفر است. در نتیجه به افزودن آب اضافی جهت افزایش روانی بتن که منجر به کاهش نسبی مقاومت گردد , نیازی نیست.
الیاف آرامید: پلیمر های آرامید دارای خصوصیاتی مانند نقطه ذوب بالا، پایداری حرارتی، غیر قابل حل بودن در بسیاری از حلال های آلی، سبکی و وزن کم، پایداری حرارتی بالا، استحکام کششی بالا، مدول بالا و مقاومت در برابر شعله می باشند. الیاف آرامید مانند الیاف های شیشه و کربن می توانند در ساخت کامپوزیت ها استفاده شوند. این نوع الیاف شکل های مختلفی دارد.
الیاف کربن: از مهمترین مزیت های آن می توان به استحکام خستگی بالا، مقاومت در برابر خوردگی و ضریب انبساطی پایین اشاره نمود.
الیاف ماکروسنتتیک: این الیاف با جنس پلی اولفین و به عنوان جایگزینی برای میلگرد حرارتی و الیاف فولادی در بتن استفاده می شود. در مقایسه با الیاف فولادی، بسیار راحت تر و سریع تر در بتن پخش می شود و هیچ آسیبی به تجهیزات میکسر و پمپاژ نمی رساند.
الیاف شیشه
مزایا:
مزایای اصلی الیاف شیشه به شرح زیر است:
- قیمت الیاف شیشه مناسب تر از سایر الیاف است.
- مقدار بالای فروش الیاف شیشه سبب در دسترس بودن انواع مختلف آن باشد.
- استحکام کششی الیاف شیشه ای بالا می‌باشد،
- فیبر شیشه ای عایق الکتریکی خوبی است یا به عبارت دیگر الیاف شیشه رسانا نیستند.
- مقاومت شیمیایی الیاف شیشه بالا بوده و مناسب محیط های مستعد خوردگی هستند.
- مقاومت مناسب حرارتی
معایب:
- وزن مخصوص الیاف پلیمری شیشه در مقایسه با انواع الیاف کربن و کولار نسبتا بالا می‌باشد.
- الیاف شیشه نسبت به سایش در حین حمل و نقل حساس می‌باشند.
- مقاومت در برابر خستگی الیاف شیشه نسبتاً پایین است.
- الیاف شیشه ای GFRP نسبتا شکننده بوده و تردتر می‌باشد.
سختی الیاف شیشه زیاد بوده و در نتیجه باعث سایش قالب ها و کند شدن ابزار برش در کارهای کامپوزیتی می‌گردد.
نکته قابل توجه در مورد رشته الیاف شیشه ای، تشکیل شدن آن از الیاف یا فیبر شیشه ای با قطر کم است که در صورت ظهور پدیده شکست به جهت رشد ترک ها که میتواند ناشی از وجود ترک های ریز با نقص های سطحی موجود بر سطح الیاف باشد تنها الیاف یا فیبر شیشه ای منفرد می‌شکنند و از شکست کامل رشته الیاف جلوگیری به عمل می‌آید. بنابراین یک رشته الیاف دارای استحکام شکست بیشتری نسبت به یک الیاف به قطر کلی مشابه آن می‌باشد زیرا در الیاف ضخیم رشد ترک ناشی از نقص‌های سطحی منجر به شکست کامل آن می‌گردد.
الیاف فولادی
مزایا
- افزایش کرنش گسیختگی
- افزایش مقاومت در برابر ضربه
- افزایش جذب انرژی
- افزایش مقاومت کششی
- افزایش مقاومت در برابر خستگی
- افزایش مقاومت در برابر تنش‌های حرارتی و جمع شدگی
- افزایش مقاومت برشی، خمشی و فشاری
- صرفه‌جویی در زمان، هزینه و مصالح
- افزایش چکش‌خواری یا شکل‌پذیری
معایب
بتن‌های مسلح شده با الیاف فولادی یا SFRC در محیط‌های خوردگی دارای نقص هستند و ممکن است سطح بتن در این محیط‌ها آسیب ببیند.
بتن مسلح با الیاف فولادی شامل یک کالبد بتنی مرکب از سیمان، مصالح سنگی، آب و همچنین درصدی از الیاف فولادی کوتاه می‌باشد که به‌طور درهم و کاملاً اتفاقی و در جهات مختلف در مخلوط پراکنده شده که وجود الیاف فولادی مشخصات بتن را نسبت به حالت خالص بهبود می‌بخشد.
الیاف پلی پروپیلن:
مزایا:
- غیر مغناطیسی
- بدون جذب گرد و غبار
- مقاوم در برابر بازها
- ایمن
- استفاده آسان
- ارزان
- در همه جا در دسترس است.
- افزایش مقاومت در برابر سایش
- افزایش مقاومت در برابر چرخه‌های ذوب و یخ
- افزایش مقاومت در برابر ضربه
معایب
به علت اینکه رفتار الیاف پلی پروپیلن یا الیاف PP تا لحظه گسیختگی الاستیک یا کشسان است و شکست آنها ترد است، نمی‌توان از این الیاف در مسلح سازی سازه‌ای بتن استفاده نمود. متخصصین شرکت مقاوم‌سازی افزیر پیشنهاد می‌نمایند، از این الیاف در بتن‌های نازک و باضخامت کم، استفاده نشود. همچنین از این الیاف نباید برای افزایش فواصل درزهای بتنی استفاده نمود.
همچنین استفاده از الیاف پلی پروپیلن در بتن باعث افزایش هوای محبوس در بتن می‌شود. این هوای محبوس کارایی بتن را کم می‌کند و عملیات تراکم بتن را سخت می‌نماید.
از دیگر مزایای الیاف پلی پروپیلن، خنثی بودن پلی پروپیلن ها از نظر شیمیایی هستند. این مزیت باعث می‌شود بتن‌هایی که از الیاف PP استفاده میکنند، نسبت به حملات شیمیایی مقاوم‌تر باشند. در صورتی که مواد شیمیایی بسیار شدیدی و به مقدار زیادی در مجاورت بتن باشد، در ابتدا بتن دچار آسیب‌دیدگی می‌شود و این الیاف همچنان سالم خواهند ماند.
الیاف آرامید:
مزایا:
نسبت ظرفیت کششی و مدول به وزن الیاف کولار بسیار عالی می‌باشد. مقاومت الیاف کولار در مقابل ضربه بسیار بالاست و همانگونه که اشاره شد در ساخت جلیقه ضد گلوله نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. مقاومت در برابر خستگی الیاف کولار خوب است. مقاومت در مقابل شکست ناشی از وارفتگی الیاف آرامید بسیار خوب است. مقاومت این الیاف در مقابل اسیدها و بازها خوب است. در مقابل شکست ناشی ازخزش مقاومت الیاف کولار بسیار عالی است. الیاف کولار نسبت به شکاف و ترک حساس نبوده و مقاومت بالایی دارند. الیاف کولار در مقابل حلال‌های آلی شبیه مواد سوختی و نرم کنندها مقاوم هستند. اتلاف انرژی ارتعاشی و میرا کردن ارتعاشات در الیاف آرامید خوب است. الیاف کولار قابلیت کاربرد مدام تا دمای 180 سانتیگراد را دارند. در صورت آتش سوزی، الیاف کولار خواص خود خاموش کنی با پخش دود کم را دارا می‌باشند. مقاومت گرمایی بالا عملکرد مناسب در کشش مقاومت شیمیایی بالا مقاومت در برابر سایش مقاومت در برابر حلال‌های ارگانیک نفوذناپذیر دمای ذوب بسیار بالا اشتعال پذیری پایین مدول الاستیسیته (کشسانی) بالا سختی بالا خزش کم ازدیاد طول کم در نقطه شکست تراکم و انسجام ساختار مولکولی
معایب:
نور ماورای بنفش UV سبب تخریب الیاف آرامید می‌گردد. میزان این تخریب بستگی به ضخامت فیبر کولار دارد، زیرا الیاف کولار نقش خود حفاظ داشته و تخریب لایه های رویی از تخریب لایه های زیرین جلوگیری می‌کند. این مشکل در سازه های کامپوزیتی حایز اهمیت کمتری است. زیرا ماتریس یا رزین کامپوزیت تا حدودی نقشش محافظت از الیاف را ایفا می‌کند. همچنین با افزودن مواد جاذبUV به رزین، مشکل فوق تا حد زیادی کاهش می‌یابد.
از نقطه نظر مقاومت شیمیایی نیز بیشتر حلال های آلی تاثیر کمی بر الیاف کولار داشته و اکثر محلول‌های آبی نمک‌ها بر آن تاثیر ندارند. اما اسیدهای قوی و بازها در دمای بالا و یا در غلظت‌های زیاد بر الیاف کولار اثر می‌گذارند.
الیاف ارامید سبکتر از الیاف کربن و الیاف شیشه بوده و بیشترین مقدار مقاومت کششی نسبت به وزن را در میان آنها داراست. فیبر این الیاف تقریبا ۴۳ درصد سبکتر از الیاف شیشه و ۲۰ درصد سبکتر از الیاف کربن می‌باشد. وزن مخصوص کم و مقاومت کششی بالای این الیاف، سبب تشکیل یک ساختار چقرمه و مقاوم به ضربه با سفتی حدود نصف الیاف کربن می‌شود.
الیاف کربن:
مزایا:
- نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن – مقاومت کششی بالا
- نسبت بالای مدول کششی الاستیسیته به وزن
- استحکام مناسب در برابر خستگی
- ضریب انبساط حرارتی بسیار پائین
- قابلیت بافت و تولید پارچه
- مقاومت بالا در برابر خوردگی
معایب:
- کرنش گسیختگی بسیار کم و شکننده بودن
- کربن هادی الکتریکی است.
- کرنش کم در لحظه شکست
- مقاومت ضربه‌ای کم
از مهمترین کاربردهای الیاف کربن در مقاوم‌سازی و بهسازی سازه‌ها و ساخت کامپوزیت‌ها بوده و همچنین در موارد غیرنظامی مانند هواپیماهای مسافربری و باربری خودروسازی و ساخت قطعات صنعتی، صنایع پزشکی، صنایع تفریحی، ورزشی و… کاربرد دارد.
الیاف ماکروسنتتیک:
مزایا:
- درصورت استفاده از ترکیب الیاف ماکرو سنتتیک بتن با الیاف pp بتن امکان تقویت و بهبود خواص بتن و کاهش مصرف آرماتور میسرمیگردد.
- استفاده از ترکیب الیاف پلاستیکی در بتن با الیاف فلزی بتن بعنوان الیاف جایگزین میلگرد در بتن جهت کسب مقاومتهای بالاتر امکان پذیر است.
- اندازه طول الیاف ماکروسنتتیک : این الیاف در طول های ۳ – ۴ – ۵ سانتیمتر بسته به نوع کاربرد مورد استفاده قرارمیگیرند.
- کاهش انقباض پلاستیک(کنترل موثر ترک)
- افزایش طاقت بتن و مقاومت در برابر خستگی
- افزایش طول عمر سازه
- حذف مشکلات خوردگی میلگرد
- افزایش سرعت اجرا
- افزایش مقامت پیوستگی بتن
- افزایش هزینه و صرفه اقتصادی
- افزایش جذب انرژی،سختی خمشی و مقاومت خمشی بتن
الیاف ماکروسنتتیک علاوه بر کاهش ضخامت به شکل قابل توجهی تقویت شده و با افزایش تعداد الیاف در هر مترمکعب افزایش مقاومت بتن را در پی دارد .