ساخت بتن مسلح به الیاف پلی اتیلن

کاربرد الیاف پلی پروپیلن از ترک خوردگی و جمع شدگی بتن بخصوص در سنین اولیه آن جلوگیری می‌کند. تولید بتنی شکل پذیر با الیاف پلی پروپیلن در بتن الیافی دارای شکل پذیری بسیار زیادی می‌باشد و هرگز خرد نمی‌شود. الیاف پلی پروپیلن آب گریز است و درصد جذب آب آن صفر می‌باشد؛ بنابراین هرگز نباید از افزودن آب اضافی جهت افزایش روانی بتن استفاده کرد.

تنها روش شناخته شده برای تولید بتن مسلح به الیاف پلی اتیلن، افزودن الیاف در طی عمل اختلاط بتن می باشد. گزارش شده است که الیاف پلی اتیلن تا درصدهای حجمی %4 با روش های معمول مخلوط کردن به راحتی در بتن توزیع می شوند.

خصوصیات بتن مسلح به الیاف پلی اتیلن

کوبایاشی و چو به منظور تعیین رفتار خمشی نمونه های مسلح به الیاف قطعه قطعه شده پلی اتیلن چندین آزمایش انجام داده اند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، بتن مسلح به الیاف پلی اتیلن تقریباً تا وقوع اولین ترک رفتار کاملاً الاستیک دارند. بعد از وقوع اولین ترک، ظرفیت تحمل بار ترکیب فوراً افت می کند که حاکی از انتقال نیروهای کششی به الیاف می باشد. پس از اینکه نیروهای کششی به الیاف منتقل شدند، ظرفیت تحمل بار ترکیب مجدداً تا لحظه شکست الیاف تا یک مقدار حداکثر افزایش می یابد.

همچنین در شکل 1 دیده می شود که ظرفیت تحمل بار ترکیب با افزایش درصد حجمی الیاف افزایش می یابد و در درصدهای حجمی بالاتر ممکن است ترک خوردگی ها در ترکیب چند شاخه شوند. به نظر می رسد که به منظور بالاتر بردن ظرفیت تحمل بار از مقاومت ترک خوردگی ماتریس، درصد حجمی بیشتر از %3 از الیاف لازم است. با این حال افزایش درصد حجمی الیاف منجر به کاهش اندکی در مقاومت ترک خوردگی ماتریس می شود.

شکل 1 نمودارهای شاخص بار- خیز خمشی بتن مسلح به الیاف پلی اتیلن و مقادیر مختلف محتوای الیاف

بتن مسلح به الیاف پلی استر

الیاف پلی استر اولین بار توسط شرکت فایبر- اد از شارلوت.ان.سی برای استفاده به عنوان مصالح تقویت کننده بتن توسعه یافت. این الیاف ابتدا به عنوان تقویت کننده ثانویه بتن به کار برده می شدند. این الیاف در درصدهای حجمی کم اضافه می شوند و به منظور جلوگیری از ترک خوردگی ناشی از آب رفتگی به عنوان جایگزینی برای شبکه آرماتور در نظر گرفته می شوند. در زمان انجام این مطالعات، الیاف پلی استر تولیدی شرکت فایبر-اد، تنها الیاف پلی استری بودند که اختصاصاً برای استفاده در بتن تولید می شدند. بنابراین بحث های بیشتر به این الیاف خاص محدود خواهد شد.

بتن مسلح به الیاف پلی استر

پلی استر، پلیمری مصنوعی است که ماده اصلی آن اتیل استات است. الیاف پلی استر فایبر- اد، تنها به شکل تک رشته ای در دسترس هستند. شرکت فایبر- اد، در حال حاضر این الیاف را در قطعه هایی به طول 0.75 اینچ ( 19 میلیمتر) و 1.5 اینچ ( 38 میلیمتر ) یا 2 اینچ ( 50 میلیمتر)عرضه می کند. خصوصیات عمومی الیاف پلی استر Fiber-Ad در جدول 1 داده شده است.

جدول 1 ویژگیهای شاخص الیاف پلی استر

الیاف	وزن مخصوص	مقاومت کششی،ksi	مدولیانگ،ksi
پلی استر	1.34	130- 160	2500

                                                                                        معادل متریک : 1psi=6.895KPa

 

ساخت بتن مسلح به الیاف پلی استر

الیاف پلی استر معمولاً بعد از اختلاط تمامی اجزاء تشکیل دهنده بتن اضافه می شوند. معمولاً این الیاف به سادگی در داخل میکسر حمل بتن در کارخانه یا کارگاه ریخته می شوند. مقدار معمول الیاف که توسط کارخانه توصیه شده lb/yd35/1(kg/m389/0) می باشد که تقریباً %07/0 حجمی است.

خصوصیات بتن مسلح به الیاف پلی استر

نتایج آزمایشگاهی مربوط به خصوصیات بتن مسلح به الیاف پلی استر بسیار محدود و بنابراین تا اندازه ای غیر قطعی است. انواع مختلفی از آزمایش ها توسط شرکت مهندسان ماکسیم بر روی ترکیبات مسلح با %07/0 حجمی الیاف پلی استر در کنار نمونه های بتنی معمولی انجام شده است. در طی ساخت نمونه های آزمایشی، بتن الیافی اسلامپ پایین تری  حدود 2 اینچ 50  )میلیمتر( و در مواردی کمتر نسبت به نمونه های بتن معمولی داشته است. همچنین مشاهده شده است که بتن الیافی آب بیشتری را نسبت به بتن غیر مسلح حفظ می کند شیره دهی کمتری دارد.

نتایج آزمایش های انجام شده توسط شرکت مهندسان ماکسیم، نشان دهنده افزایش نسبتاً کمی در مقاومت فشاری، مقاومت خمشی و مقاومت کششی ترکیدگی 28 روزه برای ترکیبات مسلح به الیاف پلی استر در مقایسه با نمونه های بتنی معمولی می باشد. همچنین افزایش نسبتاً کمی در مدول الاستیسیته ترکیبات مسلح به الیاف نسبت به بتن غیر مسلح ذکر شده است. این یافته ها بر مبنای نتایج تعداد کمی از آزمایش ها و حتی در بسیاری موارد تنها یکی بوده اند و بنابراین تا اندازه ای غیر قطعی هستند. به طور کلی به نظر نمی رسد که افزودن الیاف پلی استر در چنین درصدهای حجمی پایینی، تغییر عمده ای در خصوصیات مکانیکی بتن سخت شده ایجاد کند.

روش های طراحی GFRC

در ایالات متحده تاکنون تنها روش های طراحی پانل های دیوار مخلوط های AR-GFRC توسعه یافته است. سطوح تنش طراحی بر مبنای پیش بینی خصوصیات دراز مدت تعیین می شود. هیچ روش طراحی قطعی ای برای مخلوط های GFRC وجود ندارد تا بتوان از طریق آن  حفظ شدن ممکن مقاومت در دراز مدت را  حساب کرد. تا به امروز روش هایی که برای طراحی پانل های AR-GFRC استفاده می شده برای پانل های P-GFRC نیز کاربرد داشته است.

مقاومت خمشی دراز مدت مخلوط های AR-GFRC که در معرض شرایط طبیعی آب و هوای محیط قرار گرفته اند، با زمان کاهش می یابد تا ب عددی نزدیک و نه کمتر از تراز مقاومت در حد تناسب الاستیک در سن بالا (PEL) برسد. مقاومت PEL مخلوط های GFRC ضدقلیا با افزایش سن نمونه اندکی کاهش می یابد. با این حال طراحی با این فرض انجام می شود که مدول گسیختگی دراز مدت (MOR در سن بالا( مساوی با PEL در 28 روز است.

در هنگام طراحی پانل های GFRC، باید حداقل بارهای آیین نامه ساختمان، همچنین شرایط و ملاحظات اضافی برای بارهای سرویس در نظر گرفته شود. ضرایب بار و ترکیب بارهای زیر باید به عنوان یک حداقل مدنظر قرار گیرند.

 [ ( بزرگترین M یا T)1/6  + ( بزرگترین L،W یا E 1/1 )  1/7 + 1/4D ] 0/75

که در آن :

D : بار مرده

E : بار زلزله

L : بار زنده

M : نیروهای خود – کرنش و تاثیرات ناشی از انقباض یا انبساط به دلیل تغییرات رطوبت

T : نیروهای خود – کرنش و تاثیرات ناشی از انقباض یا انبساط به دلیل تغییرات دما

W : بار باد

• تنش های طراحی

1. خمشی

با توجه به تئوری خطی تنش و کرنش در خمش، تنشهای ناشی از بارهای ضریب دار نباید از  f'u تجاوزکند :

که در آن،ɸ  ضریب تقلیل مقاومت

S : ضریب شکل

f'u : مدول گسیختگی [ دراز مدت]  فرضی و یا مقاومت خمشی نهایی

ضریب تقلیل مقاومت ɸ برابر با0.67  درنظر گرفته می شود. مقدار این ضریب با تجربه و قضاوت به دست آمده و مقدار دقیقی نیست. ضریب شکل نیز یک ضریب تقلیل دهنده برای تخمین باز توزیع تنش که در مقاطع عرضی بخصوصی رخ می دهد، می باشد. در آزمایش اصلی مقاومت در خمش برای مخلوط های GFRC از یک نمونه مستطیلی صلب استفاده می شود. ضریب شکل برای این مقطع عرضی، که برای طراحی پانل های پوسته ای تک نیز استفاده می شود، برابر1  است. ضریب شکل برای مقاطع بال دار، قوطی، و I شکل برابر با0.5  پیشنهاد شده است. اگر مقادیر دیگری از طریق آزمایش بدست آمده باشند،

می توان از آنها نیز استفاده نمود.

مدول گسیختگی )درازمدت (  فرضی برای f'u مقاصد طراحی باید یکی از مقادیر کوچکتر زیر باشد : 

 

1300psi  9Mpa

که در آن

fyr متوسط مقاومت 28 روزه PEL 20 آزمایش متوالی

fur متوسط مقاومت 28 روزه MOR 20 آزمایش

t = t“  دانشجویان”، یک ثابت آماری که بخشی از آزمایش هایی را که زیر  می افتند، مجاز می داند. این مقدار برای 20 آزمایش پیشنهادی،2.539 است.

vy , vu  به ترتیب ضریب پراکندگی مقاومت های آزمایشی MOR و  PEL   می باشند.

2. برشی

مرجع بیان می کند که برش مستقیم به ندرت در طراحی اعضای GFRC کنترل کننده است. برش میان پوسته ای به ندرت در طراحی کنترل کننده است مگر این که نسبت دهانه به ارتفاع برشی کمتر از 16 باشد. برش های در صفحه که در دیافراگم ها و جان ها ایجاد می شوند، به ندرت در طراحی کنترل کننده است. با این وجود تنش های برشی در صفحه باید بر مبنای تنش های کششی اصلی که به تنش های مجاز کششی محدود می گردند، کنترل شوند. تنش کششی مجاز برابر باf'u  ɸ 4/0 فرض می شود.

3 .خیز

به طور کلی خیز ناشی از بار سرویس به یک بروی 360 دهانه محدود می شوند. در صورتی که تحقیقات نشان دهند که ساختمان مجاور با این خیز صدمه نمی بیند، می توان مقدار خیز را افزایش داد.

4. اتصالات

چندین روش برای متصل کردن پانل های GFRC به ساختمان وجود دارد. جزئیات اتصال باید برای حرکت سه بعدی تدارک دیده شود تا خزش، تغییرات دما و رطوبت، رواداری کارگاهی و تغییرات ابعاد در قاب سازه ای ساختمان، سازگاری داشته باشند.
هر تولید کننده لازم است اتصالات تولیدات خود را آزمایش کند داده های آزمایش را برای استفاده در طراحی آماده نماید. مقادیر آزمایش با یک ضریب اطمینان مناسب کاهش می یابند تا مقاومت اتصالات برای استفاده در طراحی معین شوند.

بتن مسلح به الیاف پلیمری

تاریخچه بتن مسلح به الیاف پلیمری

انواع مختلف الیاف پلیمری به منظور تقویت مواد با پایه سیمانی به کار گرفته شده است. بسیاری از این الیاف از قبیل پلی پروپلن، پلی اتیلن و پلی استر و اکریلیک نشان داده اند که به طور چشمگیری امکان تقویت را دارند و در حال حاضر به صورت تجاری در دسترس می باشند. انواع دیگر الیاف پلاستیکی از قبیل پلی آمیدهای با مقاومت بالا (نایلون)، الیاف آرامید و الیاف پلی اتیلن با مدول الاستیسیته بالا، کمتر مورد استفاده قرار می گیرد اما نباید نقش تجاری حال حاضر آنها برای تقویت ملات های با پایه سیمانی، ناچیز و بی اهمیت شمرده شود.

بتن مسلح به الیاف پلی پروپلین

در سال 1965 گروه مهندسین ارتش آمریکا الیاف پلی پروپلین را به عنوان تقویت کننده بتن در ساخت سازه های مقاوم در برابر انفجار به کار بردند. آنها دریافتند که اضافه کردن مقدار کمی از الیاف پلی پروپلین به بتن (کمتر از %0.5 حجمی) منجر به افزایشی اساسی در انعطاف پذیری و مقاومت ضربه ای می شود. از زمان کار گلدفین در سال 1965 الیاف پلی پروپلین نه تنها به عنوان یک منبع اولیه در تقویت بتن، بلکه به عنوان مکملی جهت بهبود برخی خصوصیات مصالح بتن به کار رفته است.

الیاف پلی پروپلین

پلی پروپلین نوعی پلیمر مصنوعی هیدروکربنی است. الیاف پلی پروپلین با فرایند بیرون کشیدن مصالح به حالت داغ از میان روزنه های قالب ساخته می شود. نسبت کشش که میزان کشیدگی است در طول ساخت الیاف اعمال می شود، عامل جهت گیری مولکولی و تبلوری است، که خصوصیات فیزیکی الیاف را مشخص می کند. نسبت های کشش معمولاً برای الیاف پلی پروپلین در حدود 8 می باشد.

الیاف پلی پروپلین یا به شکل تک رشته های استوانه ای پیوسته است که می توانند در طول های خاصی قطعه قطعه شوند تولید می گردد و یا به شکل صفحات نازک یا نوارهایی هستند که می توانند به صورت الیاف کوچکی با مقطع عرضی مستطیلی رشته رشته شوند. منظور از رشته رشته کردن صفحات نازک پلی پروپلین، قسمت کردن به قطعات باریک است به طوری که به صورت شبکه باز شده ای از الیاف گسترش یابند. الیاف تک رشته ای پلی پروپلین گرانتر از الیاف حاصل از صفحات نازک رشته ای یا الیاف نواری هستند و به دلیل سطح نسبتاً کوچکشان، پیوستگی ضعیفی با ملات سیمان دارند.

در حال حاضر چندین تولید کننده از جمله شرکت فرتا و شرکت فایبرمش، الیاف پلی پروپلین خصوصیات مختلفی دارند که آنها را به طور ویژه ای برای استفاده در بتن سازگار می سازد. به خصوص که الیاف پلی پروپلین به طور شیمیایی بی اثر و سبک وزن هستند و از نظر هزینه با سایر انواع الیاف رقابت می کنند. علاوه بر آن الیاف پلی پروپلین آبگریز هستند بنابراین نمی توانند آب جذب کنند و تاثیری بر روی آب لازم برای مخلوط بتن ندارند. با این حال برخی معایب الیاف پلی پروپلین پیوستگی شیمیایی ضعیف با ملات سیمانی، نقطه ذوب پایین (تقریباً F˚329 ، C˚165 ) ، قابلیت احتراق و مدول الاستیسیته نسبتاً پایین می باشند.

برخی از خصوصیات الیاف پلی پروپلین در جدول 1 داده شده اند :

جدول 1 ویژگی های شاخص الیاف پلی پروپلین

الیاف	مدول یانگ (kg/cm2)	مقاومت کششی (kg/cm2)	وزن مخصوص
پلی پروپلین	34475	7000500	9/0

معادل متریک : ksi=6.895MPa

جهت مطالعه مقاله بتن مسلح به الیاف پلیمری می توانید به وب سایت کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

ساخت و خصوصیات بتن مسلح به الیاف پلی پروپلین

الیاف پلی پروپیلن با اشکال مختلف و به طرق متفاوت در بتن آمیخته می شوند. الیاف می توانند به صورت الیاف قطعه قطعه شده کوتاه و مجزا(تک رشته یا نوار رشته ای)، به شکل شبکه پیوسته از صفحات نازک رشته ای و یا مانند شبکه به هم بافته، در بتن مخلوط شوند. واضح است که روش تولید به مقدار زیادی وابسته به شکل الیاف می باشد.

والتن و ماجومدار با استفاده از روش آب زدایی افشانه- مکش، اقدام به تولید صفحات بتنی مسلح با الیاف تک رشته ای قطعه قطعه شده پلی پروپیلن کردند. داو و الیس با به کارگیری روش مخلوط کردن، آب زدایی و تراکم، ترکیبات حاوی تک رشته های قطعه قطعه شده و صفحات نازک رشته ای از الیاف پلی پروپیلن را تولید کردند. هان نات با به کارگیری روش قراردهی دستی، شبکه های پیوسته صفحات نازک رشته ای پلی پروپیلن را وارد ساختار بتن کرد. همچنین رایت بای، گالووی و ویلیامز روش قراردهی دستی را به منظور قرار دادن شبکه به هم بافته پلی پروپیلن در داخل ملات سیمان به کار بردند.

با به کارگیری روش های ساخت قراردهی دستی شبکه هایی از صفحات نازک و پیوسته پلی پروپیلن یا شبکه های به هم بافته، می توان به درصدهای حجمی بالایی از الیاف تا %12 دست یافت. الیاف با حجم های تا %6 با به کارگیری روش های آب زدایی با اسپری مکنده حاصل می شوند. حجم های تا %11 با استفاده از الیاف قطعه قطعه شده ای به دست می آید که به طور مستقیم در داخل ماتریس با نسبت آب به سیمان بالا مخلوط شده و سپس با مکش یا تراکم، آب اضافی آن خارج می شود.

وقتی الیاف قطعه قطعه شده پلی پروپیلن در داخل مخلوط بتن با مصالح معمولی ریخته می شود، درصد حجمی الیاف باید نسبتاً پایین نگه داشته شود.

چندین محقق تصدیق کرده اند که اضافه کردن الیاف پلی پروپیلن به بتن، روی اسلامپ بتن تاثیر داشته است. اسلامپ بتن مسلح به الیاف به طول الیاف و تمرکز الیاف بستگی دارد. یکی از محققین متذکر شد هنگامی که الیاف پلی پروپیلن رشته رشته شده که به طول 2 اینچ 51) میلیمتر ) با 0.1 درصد حجمی به مخلوط بتن با مصالح معمولی اضافه شوند، اسلامپ بیش از 3 اینچ 75) میلیمتر) کاهش می یابد.

به دلیل آبگریز بودن الیاف پلی پروپیلن، لازم است مدت اختلاط تنها به اندازه ای باشد که از توزیع یکنواخت آنها در مخلوط بتن اطمینان حاصل شود. در مورد صفحات نازک رشته ای یا الیاف های نواری زمان مخلوط کردن باید آنقدر کم باشد که از پاره شدن غیر ضروری الیاف جلوگیری شود. الیاف پلی پروپیلن معمولاً بعد از اینکه همه اجزای معمول بتن به طور کامل مخلوط شدند، اضافه می شود.

مخلوط بتن آماده حاوی الیاف پلی پروپیلن را می توان با استفاده از روش های معمول، بتن ریزی نمود. اگر چه مراقبت های زیادی باید اعمال شود تا از خارج شدن همه هوای محبوس در بتن و حصول چگالی مطلوب اطمینان حاصل شود. به طور معمول مخلوط بتن آماده دارای الیاف پلی پروپیلن به تراکم کامل (کمی بیشتر از بتن غیر مسلح) نیاز دارد. بتن های مسلح به الیاف پلی پروپیلن به خوبی به روش های معمول تراکم، پاسخ می دهند و الیاف به راحتی از مخلوط جدا نمی شود.

تحقیقات قابل ملاحظه ای در مورد بتن مسلح به الیاف پلی پروپیلن انجام شده است. نتایج آزمایش برای ترکیبات مسلح به الیاف پلی پروپیلن در محدوده درصدهای حجمی %0.1 تا %10 گردآوری شده است. خصوصیات بتن مسلح به الیاف پلی پروپیلن تا حدی متغیر است و به میزان زیاد به میزان آب رفتگی و شکل الیاف به کار گرفته شده بستگی دارد.

مقاومت پیوستگی بتن

به طور کلی تاثیر الیاف پلی پروپیلن به عنوان تقویت کننده بتن بستگی به پیوستگی میان ملات و الیاف دارد. پیوستگی شیمیایی میان الیاف پلی پروپیلن و ملات سیمان، ضعیف و معمولاً نزولی است.

 در حقیقت قالب های بتن، معمولاً از پلی پروپیلن ساخته می شوند زیرا بتن سخت شده به راحتی از آن جدا می شود.

 برای آنکه بتن مسلح به الیاف از دیدگاه سازه ای عملکرد رضایت بخشی داشته باشد، باید پیوستگی خوبی میان الیاف و ملات سیمانی وجود داشته باشد.

الیاف پلی پروپیلن به شکل صفحات نازک رشته ای و نوارها یا شبکه های به هم بافته، پیوستگی بهتری را با ملات سیمانی نسبت به الیاف تک رشته ای قطعه قطعه شده، تامین می کنند. 

البته بهبود پیوستگی اغلب به طور کامل مکانیکی است و نتیجه مستقیمی از نفوذ ملات های سیمانی به داخل تک رشته های الیاف است که به وسیله رشته رشته شدن، تولید شده اند.

فساد حرارتی الیاف پلی پروپیلن در ترکیبات سیمانی

اندونین، مایی و کنترل داده اند که بتن مسلح به الیاف پلی پروپیلن ممکن است با برخی روش های عمل آوری با بخار سازگار نباشند.

نتایج آزمایش های آنها نشان می دهد ترکیباتی که در اتوکلاو در فشار Mpa0.4 و دمای C˚140 به مدت 24 ساعت عمل آوری شده اند و سپس در کوره با دمای C˚116 به مدت 24 ساعت خشک شده اند، به دلیل فساد حرارتی ناشی از اکسایش الیاف، انعطاف پذیری خود را به طور چشمگیری از دست داده اند.

بعدها ثابت شد که فساد حرارتی به دلیل حرارت بالای کوره خشک کننده بوده است و اگر دمای خشک کردن به میزان زیادی کاهش یابد، می توان از عمل آوری با اتوکلاو به همراه خشک کردن در کوره استفاده نمود.