بتن مسلح به الیاف چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟

بتن مسلح به الياف

بتن مسلح به الیاف چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟

بتن مسلح به الیاف نوعی از بتن مسلح است که بر خلاف بتن مسلح معمولی که در آن از آرماتور جهت مسلح کردن استفاده می‌شود، از الیاف استفاده می‌شود. بتن مسلح به الیاف از لحاظ توانایی تحمل نیروی کششی فوق العاده هستند و باعث افزایش بسیار زیاد مقاومت کششی و مقاومت خمشی بتن می‌شود.

تعریف بتن مسلح به الیاف چیست؟

همان گونه که گفتیم بتن مسلح به الیاف نوعی بتن مسلح است که در آن از الیاف استفاده می‌شود. توپ بتنی مسلح به الیاف (توپ بولینگ) یک مدل بسیار قوی از بتن مسلح به الیاف است که با توجه به ویژگی‌های خاص و توانمندی بالای طراحی و مدل سازی شده است.

کاربرد بتن مسلح به الیاف چیست؟

بتن الیافی در مکان‌هایی که احتیاج به بتن مسلح بوده ولی امکان آرماتور بندی به لحاظ نبودن دسترسی نیست، می‌تواند به کارفرما این اجازه را بدهد تا به سادگی اقدام به بتن ریزی و اجرایی کردن پروژه نماید. از مزایای بتن الیافی جلوگیری از هم گسیختگی و جدایی بتن در برابر نیروهای لرزه‌ای و نیروهای ضربه‌ای است، به همین خاطر است که می‌توان از بتن الیافی در سازه‌های ضد انفجار و استراتژیک استفاده نمود.

 

آرماتوربندی

آرماتوربندی از حساس‌ترین و با دقت‌ترین قسمت‌های ساختمانی بتنی است که انجام آن نیاز با آگاهی نسب به اصول آرماتورگذازی می باشد. با توجه به این که کلیه‌ی نیروهای کششی در ساختمان به وسیله میل گردها تحمل می‌شود باید در اجرای آرماتوربندی ساختمان‌های بتنی نهایت دقت به عمل آید. برای تعیین قطر و تعداد میل گردهای هر قطعه بتنی دو منبع تعیین کننده وجود دارد.

 

  • محاسبه
  • آیین نامه

 

در مورد اول تیم فنی با توجه به مشخصات قطعه بتنی قطر میل گرد را تعیین نموده و در نقشه‌های مربوط مشخص می‌نماید. کارگاه آرماتوربندی باید در قسمتی جدا از کارگاه اصلی تشکیل شود. در کارگاه‌های کوچک آرماتورها را با دست (آچار) خم می‌کنند ولی در کارگاه‌های بزرگ خم کردن آرماتور بوسیله ماشین انجام می‌شود. مسئول کارگاه آرماتوربندی باید از روی نقشه تعداد و شکل هر آرماتور را تعیین نموده و به کارگران مربوط داده و خم کردن هر سری را دقیقا زیر نظر داشته باشد تا طول آرماتور، محل خم کردن، زاویه خم کردن و طول قلاب‌ها طبق نقشه انجام شود. علاوه بر این میل گردها باید از نوع ذکر شده در نقشه باشد. (آجدار یا ساده)

در کارگاه‌های بزرگ باید حد روانی تاب کشش و ازدیاد طول نسبی گسیختگی و غیره مثل میل گردها به وسیله آزمایشگاه تعیین و به اطلاع تیم فنی کارگاه برسد ولی در کارگاه‌های کوچک که مصرف کل آرماتورهای آن از ۵۰ تن بیشتر نیست این کار لازم نیست اگر میل گرد خمیدگی موضعی داشته باشد می‌باید این خمیدگی‌ها قبلا صاف شده بعد اقدام به شکل دادن آرماتور شود.

برای صاف کردن میل گردها چکش کاری مجاز نیست آرماتورها باید تمیز بوده و در موقع کار فاقد گل و مواد روغنی و مواد رنگی باشد. میل گردهای نمره پایین مثلا نمره ۸ و ۱۰ که گاهی بصورت کلاف به کار گاه وارد می‌شود این میل گردها را باید قبلا به طول‌های مناسب بریده و بوسیله کشیدن صاف نمود و آن‌گاه مصرف نماییم.

آرماتورها باید طوری به هم بسته شود تا در موقع بتن ریزی از جای خود تکان نخورد و جابجا نشود و فاصله آن‌ها از یکدیگر باید طوری باشد که بزرگترین دانه بتن براحتی از بین آن‌ها رد شده و در جای خود قرار گیرد.

خم کردن آرماتور

آرماتورهای تا قطر ۱۲ میلیمتر را با دست خم نمود ولی آرماتورهای بزرگتر از ۱۲ میلیمتر بهتر است با دستگاه مکانیکی مجهز به فلکه خم شود قطر فلکه خم متناسب با قطر آرماتور بوده و باید به وسیله مهندس محاسب و مهندس کارگاه تعیین شود.

کلیه آرماتورهای ساده باید به قلاب ختم شود ولی آرماتورهای آجدار را می‌توان به صورت گونیا خم نمود. سرعت خم کردن باید متناسب با درجه حرارت محیط باشد و باید با نظر مهندس کار گاه بطور تجربی تعیین شود. باید از خم کردن آرماتورها در درجه حرارت کمتر از ۵ درجه سانتیگراد خودداری نمود حتی المقدور باید از باز کردن خم‌های آرماتورهای شکل داده شده و مصرف آن در محل دیگر خودداری نمود و در مواقع ضروری باید بازکردن خم‌ها با نظر مهندس ناظر باشد.

وصله کردن آرماتورها

با توجه به این که طول میله گردی که به بازار عرضه می‌شود ۱۲ متر است در اغلب قسمت‌های ساختمان‌ها مخصوصا در شناژ میل گردهایی با طول بیشتر مورد نیاز است. همین طور قطعات باقی مانده از شاخه‌های بلند که بلاخره باید مصرف شود. ناگزیر از اتصال میل گردها هستیم، بهتر است دقت شود حتی المقدور این اتصال به حداقل برسد یعنی در موقع برش کاری طوری اندازه‌ها را با هم جور کنیم که ریزش آرماتورها زیاد نباشد و در صورت اجبار این اتصالات با نظر مهندس ناظر در جایی که تنش‌ها در آن جا حداقل است و باید طوری توجه شود که در یک مقطع کلیه آرماتورهای اتصالی شده نباشد.

اتصال دو آرماتور در ساختمانهای بتن آرمه اغلب بصورت پوششی بوده و یا روی هم آوردن دو قطعه انجام می‌شود. این نوع اتصال برای آرماتور تا نمره ۳۲ مجاز است و آن بدین طریق است که دو قطعه آرماتور را در کنار هم قرار داده و بوسیله سیم آرماتوربندی بهم دیگر متصل می‌نمایم طول روی هم آمدن دو قطعه باید به اندازه قید شده در نقشه باشد و چنان چه در نقشه‌ها قید نگردیده باشد باید بوسیله مهندس ناظر تعیین شود این طول معمولا به اندازه ۴۰ برابر قطر میل گرد مصرفی است. (Ø ۴۰) در قطعات تحت خمش و خمش توام با فشار نباید یک مقطع بیش از نصف آرماتورها وصله دار باشد. در قطعات تحت کشش و کشش توام با خمش نباید بیش از ۳∕۱ میل گردها در یک مقطع وصله دار باشد بجز اتصالات پوششی که در بالا توضیح داده شده است.

اتصالات جوشی، جوشی نوک به نوک، جوشی پهلو به پهلو، اتصالات جوشی با وصله و غیره نیز انجام می‌شود. برای ایجاد مقاومت در مقابل نیروهای کششی در بتن داخل شناژ بتنی چند ردیف در بلا و پایین میل گرد طولی قرار می‌دهند و این میل گردهای طولی را به وسیله میله گردهای عرضی که به آن خاموت می‌گویند بهم دیگر متصل می‌نمایند. میل گردهای طولی و عرضی را می‌بافند و بعد در داخل قالب‌بندی شناژ قرار می‌دهند. باید توجه داشت که پهنای این قفسه بافته شده باید در حدود ۵ سانتیمتر کوچک‌تر از پهنای قالب شناژ باشد (هر طرف ۵/۲ سانتیمتر) بطوری که این میل گردها کاملا در بتن غرق شده و آن را از خورندگی در مقابل عوامل جوی محفوظ نگاه دارد این ۵/۲ سانتیمتر در مناطق مختلف و آب و هوای مختلف و

همچنین محل قرار گرفتن قطعه بتونی (اینکه در داخل زمین قرار می‌گیرد و یا خارج آن) و همچنین میزان سولفاته بودن آب‌های مجاور آن متفاوت است که میزان آن بوسیله موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران تعیین شده است.

قالب

سازه‌ای است موقت که برای در بر گرفتن بتن قبل از سخت شدن و کسب مقاومت کافی برای تحمل بارهای وارده به کار می‌رود. از آن جا که بتن قبل از سخت شدن روان است لذا برای شکل دادن به آن احتیاج به قالب داریم. قالب‌هایی که برای بتن ساخته میشود اغلب چوبی است برای کار‌های سری‌سازی از قالبهای فلزی نیز استفاده می‌شود.

قالب‌ها علاوه بر شکل دادن به بتن وزن آن را نیز تا زمان سخت شدن تحمل می‌نماید. بدین لحاظ اگر در اجرای آن دقت کافی نشود ممکن است در موقع بتن ریزی واژگون شده موجب خسارت شود در ساختمان‌های بزرگ برای قالب‌بندی نیز باید محاسبه انجام گرفته و نقشه اجرایی تهیه می‌شود ولی در ساختمان‌های کوچک به علت کمی حجم بتن احتیاج به محاسبه و تهیه نقشه برای قالب‌بندی آن ندارد.

مصالح قالب

مصالح مناسب برای قالب با توجه به ملاحظات اقتصادی. ایمنی و سطح تمام شده مورد نظر انتخاب می‌شودکه معمولا از مصالحی چون چوب، آجر یا فولاد استفاده می‌شود.

اجرای قالب‌بندی

قبل از قرار دادن آرماتورها باید رویه‌ی قالب را نصب کرد و مواد رها ساز (مثالا روغن) را روی آن کشید. مصالح قالب باید طوری ساخته شوند که از هدر رفتن شیره‌ی بتن جلو گیری کند و نیز از هر نوع آلودگی مانند ملات و مواد خارجی عاری باشد. پیش بینی پایه‌های اطمینان برای تیر‌ها با دهنه‌ی بزرگتر از ۵ متر تیرهای کنسولی به طول بیش از ۲.۵ متر دال با دهنه‌ی بزرگتر از ۳ متر و دال کنسولی به طول بیش از ۱.۵ متر اجباری است و پایه‌های اطمینان باید طوری باشد که فاصله‌های ان از۳ متر تجاوز نکند.

قالب بندی به وسیله آجر

در ساختمان‌های کوچک معمولا برای قالب‌بندی از آجر استفاده می‌کنند. بدین ترتیب که بعد از خاک برداری و تعیین محورها اندازه پی‌ها را با آجر چیده و بعد شناژها را نیز به آن متصل منماید ضخامت این آجر چینی حتی می‌تواند۱۰ سانتیمتر هم باشد. البته بهتر است برای این آجر چینی از ملات گل استفاده شود زیرا در این صورت بعد از سخت شدن بتن می‌توان آجرها را برداشته و مجددا استفاده نمود ولی در این طریق (دیوار ۱۰ سانتیمتری و ملات گل) ممکن است در موقع بتن ریزی دیوارهای قالب تحمل وزن بتن را نداشته باشند و از همدیگر متلاشی شود که در این صورت می‌باید قبل از بتن ریزی پشت کلیه قالب‌ها با خاک یا آجر یا مصالح دیگر بسته شود به طوری که به خوبی بتواند وزن بتن را تحمل کند. مشکل اساسی در این نوع قالب‌بندی آن است که آجر، آب بتن مجاور خود را مکیده و آنرا خشک نموده و فعل و انفعالات شیمیایی را در آن متوقف می‌کند و در نتیجه حداقل به ضخامت ۵ سانتیمتر بتن مجاور خود را فاسد می‌کند برای جلوگیری از این کار بهتر است که رویه آجر با یک ورقه نایلون پوشانیده شود تا آجر و بتن مستقیما در تماس نباشند مزیت دیگر این ورقه نایلون آن است که بعد از سخت شدن بتن آجرها براحتی از قالب جدا شده و می‌تواند در مرحله‌های دیگر مورد استفاده قرار گیرد. به هیچ وجه نباید تصور نمود که قبل از بتن ریزی می‌توان دیوارهای قالب آجری با پاشیدن آب سیراب نموده به طوری که آجرها آب بتن را نمی‌کند زیرا ابتدا با پاشیدن آب، آجر کاملا سیراب نمی‌شود و دربخش دوم مقدار زیادی آب در قالب جمع شده که خارج کردن آن از قالب بسیار مشکل و حتی غیر ممکن است و این آب داخل پی جای بتن را گرفته و موجب پوکی قطعه می‌شود.

قالب‌بندی بوسیله تخته

در ساختمان‌های بزرگ قالب پی‌ها را با تخته‌ای تهیه می‌نمایند بدین طریق که ارتفاع پی‌ها را که روی نقشه مشخص است تعیین نموده و با کنار هم قرار دادن تخته‌ها به همان اندازه و اتصال آن‌ها به یکدیگر بوسیله چوب‌های چهارتراش قالب پی و یا هر قسمت دیگر را می‌سازند باید توجه داشت که تخته‌ها باید چنان چه به یکدیگر متصل باشد که به خوبی بتواند وزن بتن و ضربه‌ها و ارتعاشات بوجود آمده وسیله ویبراتور را تحمل نماید مخصوصا در مورد شناژها باید تخته‌ها را از بالا به وسیله قطعات چوب چهار تراش به یکدیگر متصل نمود. تخته‌ها باید طوری درز بندی شوند که شیره بتن از آن‌ها خارج نشود.

برداشتن قالب‌ها

قالب‌ها باید زمانی برداشته شود که بتن بتواند تنش‌های موثر را تحمل کند و تغییر شکل قابل ملاحظه‌ای در بتن ایجاد نشود. قالب برداری باید گام به گام و بدون اعمال ضربه و نیروی شدید صورت گیرد تا به بتن درون آن صدمه‌ای نرسد و همواره قالب‌های تیر‌ها را باید از وسط تیر شروع نمود.

پل‌های بتن مسلح

پل‌های بتن مسلح به اشکال مختلف به صورت پل‌های قوسی، پل‌های صفحه‌ای (پل دال)، پل با تیرهای حمال (مقطع تیرو تاوه)، پل‌های جعبه‌ای و پل‌های قابی شکل ساخته می‌شوند این پل‌ها را می‌توان به صورت پیش ساخته یا ساخته شده در محل (بتن ریزی در جا) با مقطع ثابت یا متغیر و به صورت دهانه ساده یا یکسره ساخت.

در مورد دهانه‌های کوچک (کمتراز ۱۰متر) استفاده از پلهای صفحه‌ای (دال توپریا توخالی) بسیار معمول است برای دهانه‌های بزرگتر نیز عموماً از پل باتیرهای حمال استفاده می‌شود در این حالت فرم مقطع به شکلTو I یا Tدوبل است.

در حالت پیش ساختگی گاهی جان و قسمتی از بال به صورت پیش ساخته آماده و نصب شده و سپس قسمت باقیمانده دال در محل بتن ریزی می‌شود.

در مورد پل‌های چند دهانه می‌توان تیرها را با قراردادن درزهائی در امتداد تکیه گاه‌ها از هم جدانمود که در نتیجه به صورت ایزواستاتیک (روی تکیه گاه ساده) عمل می‌کنند در حالت پلهای یکسره معمولا ارتفاع مقطع دارای تغییرات سهمی یا خطی بوده و یا در صورت ثابت بودن مقطع می‌توان آن‌ها را درروی پایه‌ها با قراردادن ماهیچه تقویت نمود.

معمولا این نوع پل‌ها برای دهانه‌های تا ۳۰متر ساخته شده و برای دهانه‌های بزرگتر استفاده از پل‌های بتن پیش تنیده باصرفه‌تر است. تیرهای پل با واسطه صفحات تکیه گاهی روی پایه‌ها قرارمی گیرند. در سال‌های اخیر شناخت از رفتار سازه‌ها و برآورد نیروهای وارد بر آن‌ها به خصوص در هنگام زلزله از پیشرفت قابل ملاحظه‌های برخوردار بوده است. جامعه مهندسی کشور ما نیز در بخش مشاوره (طراحی سازه ها) از این خوان دانش به مدد حضور آیین نامه‌های طراحی به روز و ابزارهای قدرتمند نرم‌افزار وارداتی، بهره‌مند شده است. این موضوع در مراحل اول و دوم مطالعات طراحی به خوبی رهنمون داشته اما در اجرا متاسفانه فاصله قابل توجهی میان دانش نیروهای بخش طراحی با دانش نیروهای فنی دستگاه‌های نظارتی و پیمانکاران به وجود آمده که خود عامل مهمی در برآورده نشدن کیفیت مناسب در هنگام اجرای سازه‌ها شده است. البته این نکته نیز دور از ذهن نماند که گاهی اوقات نیز فاصله مذکور به طور معکوس و به دلیل‌عدم آگاهی بخش طراحی از روش‌ها و ظرفیت‌های موجود در صنعت ساخت و ساز به طرح‌هایی با قابلیت‌های اجرایی پایین ختم شده است. مقاله حاضر به چند نکته از هر دو حیطه مورد اشاره در ارتباط با طراحی و اجرای پل‌های بتن مسلح می‌پردازد.

قطع پیوستگی آرماتور دورپیچ در ناحیه تشکیل مفصل خمیری در پای ستون‌های پل برای استهلاک انرژی زلزله آیین نامه‌ها اجازه می‌دهند نواحی از پیش تعیین شده‌ای در سازه‌ها دچار تغییر شکل‌های خمیری با حفظ سختی، مقاومت و شکل‌پذیری در چرخه‌های رفت و برگشتی امواج زلزله شود. در پل‌ها این نواحی بطور معمول در زیر سازه (پایه ها) انتخاب می‌شود. به طور خاص در ستون‌های بتنی پایه‌ها این تغییر شکل‌ها در پای ستون‌ها و در طول ناحیه تشکیل مفصل خمیری اتفاق می‌افتند. به منظور تامین شکل پذیری لازم در مناطق با خطر لرزه‌ای زیاد، آیین نامه‌ها همپوشاني (overlap) آرماتورهای دور پیچ در ناحیه تشکیل مفصل خمیری در پای ستون را ممنوع کرده‌اند. اما در شکل ذیل مشاهده می‌شود که جدا از مساله هم پوشانی، پیمانکار برای سهولت اجرا و به دلیل‌عدم آگاهی از این نکته اصولی، حتی آرماتورهای دورپیچ را هنگام اجرای فونداسیون درست در پای ستون قطع نموده است. انقطاع ایجاد شده باعث کاهش تنش‌های محصور کننده در پای ستون شده و عامل بسیار مهمی در کاهش قابل توجه شکل پذیری و ناپایداری پایه پل در هنگام زلزله خواهد بود.

وصله آرماتور طولی در ناحیه تشکیل مفصل خمیری در پای ستون‌های پل بر اساس فلسفه مورد اشاره در قسمت قبل و مطابق مقررات آیین نامه‌ها وصله آرماتور طولی ستون فقط در ناحیه نیمه میانی ارتفاع ستون مجاز است. لازم به توضیح است که حداقل طول وصله ۶۰ برابر قطر آرماتور طولی بوده و باید ضوابط دورپیچی ویژه برای آن اعمال شود. متاسفانه در شکل زیر مشاهده می‌شود که وصله آرماتور دقیقاً در ناحیه غیر مجاز ستون قرار گرفته و آرماتورهای دورپیچ نیز در فونداسیون قطع شده‌اند. موضوع اخیر از مهمترین عوامل خرابی‌های مشاهده شده در زلزله‌ها در اکثر نقاط دنیا است. عدم تامین طول لازم برای نشیمن تیرهای بتن مسلح پیش ساخته عرشه پل در پل‌های متشکل از عرشه با تیرهای بتن مسلح پیش ساخته در کشورمان استفاده از تکیه گاه نئوپرن الاستومری برای نشیمن تیرها در محل کوله‌ها و پایه‌ها بسیار رایج است. انتظار می‌رود در هنگام زلزله، تغییر مکان طولی پل به دلیل‌عدم وجود میرایی در این نوع نشیمن گاه‌ها قابل توجه باشد. لذا آیین نامه‌ها مقرر می‌دارند که طول نشیمن عرشه بر روی کوله و پایه پل از حداقل میزانی برخوردار باشد. این مهم به دلیل جلوگیری از سقوط عرشه از روی کوله و پایه به داخل دهانه است. متاسفانه در شکل زیر مشاهده می‌شود که طول مذکور رعایت نشده است. در حالی‌که این موضوع در هنگام تهیه نقشه‌های اجرایی و زمان اجرای کوله به راحتی و با تامین براکت در دیواره کوله امکان پذیر بوده است.

دال‌ها

بیشترین کاربردهای بتن مسلح به الیاف بویژه الیاف فولادی تاکنون در دال‌ها، عرشه پل‌ها، کف سازی فرودگاه‌ها، پارکینگ‌ها و محیط‌های در معرفی کاویتاسیون و فرسایش بوده است. در پل سازی مهمترین کاربرد ان در سطوحی بوده که در معرض خوردگی و فرسایش قرار دارند.

دال‌های روی بستر

در مورد دال‌های روی بستر، نمونه‌هایی که خوب بررسی شده باشند اندک هستند. اما در جاهایی که دال بتنی مسلح به الیاف فولادی تحت تاشیر عبور و مرور اتوبوس‌های سنگین قرار دارد، مشخص شده است که این نوع دال، با ضخامتی در محدود ۶۰ تا ۷۵ درصد دال‌های غیرمسلح، عملکردی مشابه آن‌ها دارند با استفاده از این نوع بتن، پوشش باند فرودگاه‌ها را می‌توان به نحو قابل ملامحظه‌ای (۲۰ تا ۶۰ درصد) نازک‌تر از پوشش‌های بتنی غیر مسلح مشابه اجرا کرد. خستگی خمشی عامل مهمی است که بر عملکرد کف سازی اثر می‌گذارد، اطلاعات موجود نشان می‌دهد که الیاف، مقاومت بتن را در برابر خستگی به نحو قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهند.

دال‌های سازه‌ای سقف‌ها

برای دال‌های کوچک، براساس نظریه خط سیلان، یک روش طراحی ارایه شده است که بر نتایج حامل از آزمایش دال‌های دو طرفه بتنی متکی است. ولی برون یابی نتایج کار و اعمال ن‌ها بر دال‌های بزرگتر، به شدت نهی شده است.

عرشه پل‌ها

استفاده از نمک‌های یخ‌زدا موجب انهدام عرشه پل‌ها می‌شود. بتن الیافی گرچه نمی‌تواند مانع از نفوذ این نمک‌ها شود ولی با محدود نگاه داشتن تعداد و عرض ترک‌ها می‌توان از گسترش دامنه این انهدام جلوگیری کرد.

تیرها

خمش در تیرها

در این زمینه، هم برای تیرهایی که تنها به الیاف مسلح شده‌اند و هم در مورد تیرهایی که از ترکیب الیاف و آرماتور در آن‌ها استفاده شده، فرمول‌ها و معادلاتی ارایه شده است. در مورد تیرهای که فقط به الیاف مسلح باشند، معادلات مذکور ارزش عملی چندانی ندارند و تنها در مورد تیرهای کوچک (۱۰×۱۰×۳۵ سانتیمتری) و اعضای فرعی سازه‌ها کاربرد دارند. اما در زمینه تیرهای مسلح به ترکیب الیاف و آرماتور معادلات، طرح شده با توجه به استفاده از مقاومت کششی افزایش یافته بتن که به کمک آرماتور کششی می‌آید، قادرند مدل مناسبی از تیر به دست دهند. از جمله این معادلات، روابط پشنهادی است که مشابه معادلات روش طراحی بر اساس مقاومت نهایی ACI است.

اتصالات تیر- ستون

مطالعات اخیر روی اتصالات تیر- ستون مقاوم در برابر زلزله با استفاده از الیاف فولادی به جای بخشی از میلگردهای حلقوی، حاکی از بهبود قابل ملاحظه مقاومت، نرمی و جذب انرژی اتصال است.

ملاحظات مربوط به خستگی خمشی

تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که افزودن الیاف به تیرهای بتنی مسلح به میلگرد عمر خستگی را و تغییر مکان‌ها و عرض ترک‌ها را کاهش می‌دهد. بر اساس این تحقیقات نتیجه گرفته می‌شود که اثر مفید الیاف با افزایش میزان میلگردها کاهش می‌یابد.

برش در تیرها

داده‌های آزمایشگاهی زیادی که در دست هستند نشان می‌دهند که الیاف اساساً ظرفیت برشی (مقاومت کششی قطری) تیرهای بتنی را افزایش می‌دهند. به کار بردن الیاف به جای خاموتهای قائم یا میل گردهای خم شده یا برای کمک به آن‌ها مزایای چندی را ایجاد می‌کند که عبارتند از:

الف – الیاف در حجم بتن به طور یکنواخت توزیع شده و خیلی بیشتر از میلگرد‌های تقویتی برشی به یکدیگر نزدیک هستند

ب – مقاومت کششی در نخستین ترک و مقاومت کششی نهایی هر دو توسط الیاف افزایش می‌یابند.

ج – مقاومت برشی اصطکاکی افزایش می‌یابد.

با استفاده از الیاف دارای انتهای آجدار می‌توان از انهدام فاجعه آمیز تیرهای بتنی در اثر کشش قطری جلوگیری کرد. برخی از پژوهشگران تحلیل‌هایی ارایه داده‌اند که نشان می‌دهد الیاف می‌توانند از لحاظ اقتصادی جایگزین خاموت‌ها شوند الیاف دارای انتهای چین خورده می‌توانند به افزایشی چشمگیر در مقاومت برشی منجر شود. در برخی آزمایش‌ها این افزایش حتی به ۱۰۰ درصد بالغ گردیده است.

اخیرا بر اساس نتایج آزمایشگاهی روی ۷ تیر دارای الیاف که چهار تیر آن خاموت هم داشته‌اند معادله زیر جهت برآورد Vcf پیشنهاد شده است.

Vcf=2/3Ft (d/a) 0.25

Ft مقاومت کششی بتن است که از نتایج کشش مستقیم استوانه‌های ۶×۱۲ اینچی (۱۵×۳۰ سانتیمتری) به دست می‌آید.

(d/a) نسبت عمق مؤثر به دهانه برشی است. اثرات انواع مختلف الیاف از طریق پارامتر Ft در معادله بررسی می‌شود. روش طراحی پیشنهاد شده همان طریق ACI ۳۱۸ را در مورد محاسبه سهم خاموت در ظرفیت برشی دنبال می‌کند که به آن نیروی مقاوم بتن نیز که بر اساس تنش برش معادله بالا محاسبه می‌شود اضافه می‌شود.

برش در دال‌ها

مطالعات اخیر نشان داده‌اند که با افزودن الیاف فولادی قلاب دار به ارماتور در دالهای بتنی مسلح، مقاومت برشی آن‌ها بسته به درصد الیاف تا ۴۲ درصد افزایش یابد.

شات کریت

شات کریت (بتن پاشی) دارای الیاف فولادی در ساختن سازه‌های گنبدی شکل، پوشش دادن، پایداری سنگریزه‌ها، تعمیر بتن فرسوده و غیره به کار می‌رود. طرح سازه‌ها به همان طریق سازه‌های مرسوم مورت می‌گیرد، فقط مشخصات بهبود یافته فشاری، برشی و کششی بتن الیافی در محاسبات وارد می‌شوند.

فرسایش در اثر کاویتاسیون

بتن مسلح به الیاف فولادی برای تعمیر آبروهای خروجی، حوضچه‌های ارامش سرریزها و قسمت‌های دیگر بعضی از سدها به کار رفته است. در هر مورد از زمان تعمیر تاکنون، با وجود ارتفاع زیاد این سدها و شگرف بودن قدرت آب خروجی بتن الیافی به بهترین نحو پایداری کرده است.

کاربردهای دیگر

بتن مسلح به الیاف و بویژه فولادی در بسیاری از جاهای دیگر نیز به کار رفته که روش‌های طراحی خاص و روشنی نداشته اند. به طور مثال این موارد شامل: پیاده روها، حفاظت خاکریزها، پی ماشین الات، پوشش آدم روها، سدها، پوشش نهرها، تانک‌های ذخیره مواد و اعضای پیش ساخته نازک می‌شود. مسلما با گذشت زمان و انجام تحقیقات بیشتر و کامل‌تر، موارد استفاده از این نوع بتن متنوع‌تر و کاربرد آن نیز رایج‌تر خواهد شد.

استفاده و کاربرد بتن الیافی در ایران

بر اساس مطالب یاد شده بتن الیافی با مزایای ویژه خود می‌تواند کاربردهای وسیعی داشته باشد، لیکن جهت به کارگیری آن در ایران لازم است که دو نکته اساسی در نظر باشد.

مورد اول

لازم است که حداقل مقاومتی برای بتن در کلیه سازه‌های بتنی اعمال شود، که این خود در کیفیت بتن، بدون واردکردن هیچ گونه الیافی نقش موثر دارد. بدین معنی که باید اول کیفیت بتن بدون الیاف را ارتقا دهیم.

مورد دوم

نظر به اینکه باید از پدیده «گلوله شدن» در بتن الیافی جلوگیری به عمل آید، لذا لازم است نحوه صحیح مخلوط کردن الیاف با بتن و همچنین استفاده از روان سازها جهت افزایش کارایی فراهم آید. لازم است به این صنعت نو پابا کاربردهای فراوان، توجه بیشتری معطوف شود و الیاف مختلف اعم از مصنوعی (مانند الیاف پلی پروپیلن) و فولادی، به شکل مطلوب و با کیفیت مناسب ساخته شوند. سرمایه گذاری جهت ساخت الیاف و اینکه صنعت پتروشیمی به ساخت الیاف پلی پروپیلن و صنعت فولاد به ساخت الیاف فولادی مبادرت ورزند، می‌تواند راه گشا باشد.

کاربرد مواد نانو در صنعت بتن

مواد نانو به عنوان موادی که حداقل یکی از ابعاد آن (طول، عرض، ضخامت) زیر 100nm باشد تعریف شده‌اند، یک نانومتر یک هزارم میکرون یا حدود ۱۰۰۰۰۰ برابر کوچکتر از موی انسان است. به طور کلی، در یک تقسیم بندی عمومی، محصولات نانو مواد را می‌توان به صورت‌های زیر بیان کرد، حدود ۱۰۰۰۰۰ برابر کوچکتر از موی انسان است. به طور کلی، در یک تقسیم بندی عمومی، محصولات نانو مواد را می‌توان به صورت‌های زیر بیان کرد:

  • فیلم‌های نانو لایه (Nano Layer Thin Films) برای کاربردهای عمدتاً الکترونیکی
  • نانو پوشش‌های حفاظتی (Nano Coating) برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی، حفاظت در مقابل عوامل مخرب محیطی
  • نانو ذرات به عنوان پیش سازنده (Precursor) یا اصلاح ساز (Modifier) پدیده‌های شیمیایی و فیزیکی
  • نانو لوله‌ها (Nanotubes) منظور از یک ماده نانو ساختار یا واضح‌تر یک بدنه نانو ساختار (Nanostructured Solid) جامدی است که در آن انتظام اتمی، اندازه کریستال‌های تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی در سراسر بدنه در مقیاس چند نانو متری گسترده شده باشد.

خواص فیزیکی و شیمیایی مواد نانو (در شکل و فرمهای متعددی که وجود دارند از جمله ذرات، الیاف، گلوله و. . .) در مقایسه با مواد میکروسکوپی تفاوت اساسی دارند تغییرات اصولی که وجود دارد نه تنها از نظر کوچکی اندازه بلکه از نظر خواص جدید آن‌ها در سطح مقیاس نانو است.

هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا است، که آن‌ها را می‌توان به عنوان مصالحی با عملکرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود. منظور از عملکرد چند منظوره، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی است به گونه‌ای که مصالح بتوانند کاربردهای گوناگونی را ارایه نمایند.

در مطالب بعدی که خواهد آمد مواد نانو ساختاری معرفی خواهند شد که با توجه به نوظهور بودن چنین موادی می‌توانند تحولی شگرف در صنعت ساختمان سازی و صنایع وابسته به آن ایجاد کنند.

  1. مواد نانو کامپوزیت

مواد نانو کامپوزیت بر پایه پلیمر (ماتریس پلیمری) اولین بار در سال‌های ۷۰ معرفی شده اندکه از تکنولوژی سول- ژل (Sol-Gel) جهت انتشار (Disperse) دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده است.

هرچند تحقیقات انجام شده در دو دهه گذشته برای توسعه تجاری این مواد توسط شرکت تویوتا در ژاپن در اواخر سال‌های ۸۰ صورت گرفته است، ولی رشته نانو کمپوزیت پلیمر هنوز در مرحله جنینی و در آغاز راه است.

در این شرایط نانو آلومینا، بهترین ساختار نانوئی است که افق جدیدی را در صنعت سرامیک نوید می‌دهد. زیرا کاربرد این مواد پدیده‌ای است که از نظر مکانیکی،

الکتریکی و خواص حرارتی به طور مناسب دارای تعادل بوده و در رشته‌های مختلف کاربرد دارد. از جمله می‌توان به چند نمونه اشاره کرد:

  • تکنولوژی نانو فلز آرتوناید که اخیراً به طور تجاری، الیاف نانویی آلومینا، انقلابی در رشته سرامیک بوجود آورده است.
  • ذرات نانویی غیر فلز مانند: نانو سیلیکا، نانو زیرکونیا و مواد دیگر اصلاح کننده سرامیک‌ها است
  1. بتن با عملکرد بالا (HPC)

یکی از چالش‌هایی که در رشته مصالح ساختمانی بوجود آمده است، بتن با عملکرد بالا (HPC) می‌باشد. این نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزیت و چند فازی مرکب و پیچیده است.

خواص، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه بتن و سیمانی دارد که چسبندگی، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می‌آورد. کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزیت و چند فازی مرکب و پیچیده است. خواص، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه بتن و سیمانی دارد که چسبندگی، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می‌آورد.

بنابراین، مطالعات بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربرد آن‌ها بسیار حائز اهمیت می‌باشد. روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهای مختلفی از جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع مختلف الیاف است. در مورد بتن به طور خاص، علاوه بر عملکرد با دوام و خواص مکانیکی بهتر، بتن با عملکرد بالای چند منظوره (MHPC) خواص اضافه دیگری را دارا است، ازجمله می‌توان به خاصیت الکترو مغناطیسی، و قابلیت به کار گیری در سازه‌های اتمی (محافظت از تشعشعات) و افزایش موثر بودن آن در حفظ انرژی ساختمان‌ها و … را نام برد.

  1. نانو سیلیس آمورف

در صنعت بتن، سیلیس یکی از معروفترین موادی است که نقش مهمی در چسبندگی و پر کنندگی بتن با عملکرد بالا (HPC) ایفا می‌کند.

محصول معمولی همان سلیکیافیوم یا میکرو سیلیکا می‌باشد که دارای قطری در حدود ۱/۰ تا ۱ میلی متر است و دارای اکسید سیلیس حدود ۹۰٪ است. می‌توان گفت که میکرو سیلیکا محصولی است که در محدوده بالای اشل اندازه نانو متر جهت افزایش عملکرد کامپوزیت مواد سیمانی به کار برده می‌شود.

محصول نانو سیلیس متشکل از ذراتی هستند که دارای شکل گلوله‌ای بوده و با قطر کمتر از 100nm یا بصورت ذرات خشک پودر یا بصورت معلق در مایع محلول قابل انتشار می‌باشند، که مایع آن معمول‌ترین نوع محلول نانوسیلیس است، این نوع محلول در آزمایشات مشخص در بتن خود تراکم [2[ (SCC) به کار گرفته شده است. نانو سیلیس معلق کاربردهای چند منظوره از خود نشان می‌دهد مانند:

  • خاصیت ضد سایش
  • ضد لغزش
  • ضد حریق
  • ضد انعکاس سطوح

آزمایشات نشان داده‌اند که واکنش مواد نانو سیلیس (Colloidal Silica) با هیدرواکسید کلسیم در مقایسه با میکرو سیلیکا بسیار سریع‌تر انجام گرفته و مقدار بسیار کم این مواد همان تاثیر پوزالانی مقدار بسیار بالای میکروسیلیکا را در سنین اولیه دارا است.

تمام کارهای انجام یافته بر روی کاربرد مواد نانو سیلیس کلوئیدی (Colloidal Nano Silica) در بخش اصلاح خواص ریولوژی، کار پذیری و مکانیکی خمیر سیمان بوده است. آن چه که در اینجا مطرح است نتایج اولیه محصولات نانوسیلیس با قطری در محدوده ۵ تا ۱۰۰ نانومتر است.

  1. نانو لوله ها: (NANOTUBES)

همان گونه که در مقدمه مقاله مطرح شد معمولاً الیاف برای مسلح کردن و اصلاح عملکرد مکانیکی بتن بکار برده می‌شوند. امروزه از الیاف فلزی، شیشه‌ای، پلی پروپلین، کربن و… در بتن برای مسلح کردن استفاده می‌شود و لیکن تحقیقات روی بتن مسلح شده توسط نانو لوله کربنی (Carbon Nanotubes) انتشار نیافته است تا بتوان از نتایج آن برای مسلح کردن بوسیله نانو لوله‌ها استفاده کرد.

نانو لوله کربنی توسط LIJIMA در سال ۱۹۹۱ کشف شده است و کارهای بسیاری بر روی ساختار نانو در بخش فیزیک کوانتوم انجام یافته است بطوری که تحقیقات نوین بر روی تکنولوژی و مهندسی نانو در سطح جهانی نقش اساسی و اصلی بازی می‌کند. کربن ۶۰ و نانو لوله‌های نوین دارای ساختاری هستند که آن‌ها را از فولاد قوی‌تر و بسیار سبک می‌کند به طوری که می‌توانند خمیدگی و کشش را بدون شکستن تحمل نمایند و در آینده جایگزین الیاف کربن خواهند شد که در کامپوزیت‌ها به کار برده می‌شوند.

نانو لوله‌ها با توجه به تحقیقات انجام شده در مرکز تحقیقات بتن (وابسته به موسسه ACI شاخه ایران)، دارای مقاومت کششی بیش از هر نوع الیاف بتنی شناخته شده است و نیز نانو لوله‌ها خواص ویژه قابل ملاحظه حرارتی و الکتریکی از خود نشان می‌دهند، بطوریکه هادی بودن حرارت آن‌ها بیش از دو برابر الماس و هادی بودن الکتریکی آن‌ها در حدود ۱۰۰۰ برابر فلز مس است.

نانو لوله‌ها طبقه جدیدی از محصولات هستند که انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آورده‌اند. یک نسل جدید از نانو کامپوزیت‌های چند منظوره می‌توانند به عنوان نانو لوله‌های کربنی در نقش الیاف مسلح کننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین نانو لوله‌های کربنی از اجزای کلیدی بدست آوردن هدف اصلی ذکر شده در فوق به عنوان مصالح ساختمانی با عملکرد بالای چند منظوره، بازی می‌کنند.

۵. نتیجه گیری

منظور از مقاله ارایه شده نشان دادن مصالح جدید ساختمانی و بیان مزایای استفاده از این نوع مواد در صنعت ساختمان است، البته به دلیل نو بودن این نوع مصالح زمینه‌های فراوانی برای کارهای نظری و عملی در دانشگاه‌های کشور وجود دارد که امید است که با معرفی مصالح با ساختار نانو راه برای گام‌های بلندتر در این زمینه باز شود.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.