مهندسی عمران ایران
مطالب عمومی مهندسی عمران معماری شهرسازیمهندسی عمران ایران
مطالب عمومی مهندسی عمران معماری شهرسازیبتن پلیمری
بتن، بتن پلیمری، مقاله، مصالح ساختمانی
پلیمر چیست؟
مقدّمه
بیش از هر چیز باید به این نکته اشاره کنم که مقاله حاضر در واقع از دو مرجع بهره مند شده است ، مرجع اوّل پایان نامه های دانشجویان مقاطع بالاتر تحصیلی و مرجع دوّم ، دائره المعارف بریتانیکا است . سعی شده است در مکان هایی که نیاز بوده است معادل انگلیسی کلمه در کنار آن نوشته شود .
پلیمر چیست؟
اوّلین سؤالی که در ذهن خواننده پس از شنیدن نام بتن پلیمری نقش می بندد این است که پلیمر ( Polymer ) چیست ؟ برای پاسخ به این سؤال بهتر است اوّل با مونومر ( Monomer ) آشنا شویم :
دائره المعارف بریتانیکا در مورد مونومر چنین می گوید :
“ مولکولی از هر دسته ترکیبات ( اغلب ارگانیک ) که می تواند با مولکول های همانند خود یا از نوع دیگر واکنش دهد و تشکیل مولکول های بسیار بزرگ یا پلیمر را بدهد . خاصیّت و ویژگی اساسی مونومر چندگانه واکنش دادن آن است ، مونومر دارای قابلیّت شکل دادن ترکیبات شیمیایی با حدّاقل دو مولکول مونومر دیگر است ، …..”
با توجّه به آنچه گفته شد می توان متوجّه شد که مونومر همانند حلقه های یک زنجیر است و پلیمر خود زنجیر است ، در واقع باید بتوان یک پلیمر را به مونومرها با ضریب صحیح تقسیم کرد ، لزومی ندارد که یک مونومر ، عنصر باشد ، در واقع مونومر مولکولی است که از تکرار آن پلیمر به دست می آید و دارای وزن مولکولی کمی می باشد . بد نیست بدانیم که معادل فارسی مونومر ، تکپار ، و معادل فارسی پلیمر ، بَسپار است .
بتن پلیمری
قرن بیستم را به حق باید قرن پلیمر ها نیز دانست ، محصولات پلیمری از لحاظ حجمی در سال 1990 بر حجم محصولات آهنی فایق آمد و پیش بینی می شود که در قرن حاضر ، از لحاظ وزن نیز بالاتر رود . صنایع ساختمان بزرگترین مصرف کننده موادّ پلیمری ، 25 تا 30 درصد از کلّ پلیمر ها را مصرف می کند .
یکی از مواردی که در ساختمان به وفور استفاده می شود
بتن است . این مادّه به دلیل هزینه پایین تولید ، راحتی استفاده و استحکام فشاری ،
یکی از موادّ پرمصرف در سازه هاست ولی به دلیل نقایصی که دارد ( نقایصی چون : 1 – تخریب
یخ زدگی و ذوب 2 – تخریب
پذیری توسّط موادّ شیمیایی خورنده 3 – استحکام
کششی کم 4- دیرپخت بودن و …. )
همزمان با تولید این مادّه ، ترکیب آن با فولاد ( مسلّح کردن بتن ) و ایجاد
خاصیّت تاب خمشی مطرح شد و از همان موقع ، استفاده از موادّ و ترکیبات شیمیایی ،
برای بهبود خواصّ آن مورد توجّه قرار گرفت . حاصل تحقیقیاتی که در این زمینه صورت
گرفت این نتیجه را در بر داشت که جایگزینی مناسبی ، با موادّ پلیمری انجام شده است
و با به کارگیری آنها به روش های مختلف ، خواصّ بتن ارتقا می یابد . ( این تحقیقات
بیشتر در ژاپن ، آمریکا و روسیه انجام شده است ) . در این رابطه خانواده
بتن های پلیمری ، بهترین خاصیّت ها را از خود نشان
دادند . خواصّ این نوع بتن ، برتر از بتن های سیمانی بود و گاهی خواصّ
منحصر به فردی از خود نشان می دهد . با توجّه به نیاز
بیشتر به استحکام در سازه ها و برتری های این نوع بتن ، بتن پلیمری مورد علاقه
دانشمندان واقع شد و با وجود آنکه مدّت زیادی از اختراع آن نمی گذرد و علیرغم قیمت
بالایی نیز که داراست مورد استقبال روزافزون قرار گرفته است . بتن های پلیمری از
حدود سال 1950 وارد بازار شده اند و پیش بینی می شود در طیّ دهه پیش رو ، مصرفشان
10 برابر شود . کاربرد این نوع پلیمرها به دو شاخه استفاده جامد و استفاده غیر
جامد تقسیم می شود .
در حالت جامد محصولات پلیمری به جای فولاد جایگزین می شوند
و بتن را مسلّح می کنند که در این حالت ، پلیمر به صورت رشته ، شبکه و یا میلگرد
در بتن استفاده می شود . در حالت غیر جامد با تزریق پلیمر های پودری و مایع ، در
دوام بتن بهبود حاصل می شود .
در کشور ما کار خاصّی روی بتن پلیمری صورت نگرفته است
و هنوز در سطح یک موضوع تحقیقاتی برای دانشجویان
باقی مانده است ، موضوعی که منابع تحقیق آن نیز
غالباً خارجی هستند .
بتن های پلیمری ( Polymer Concrete ) حالت جامد :
اکثر موادّ و مصالح طبیعی به دلیل ناپیوستگی های
سطحی و ترکیباتی که در خود دارند ، دارای مقاومت لازم برای تحمّل
تنش های زیاد نیستند و لازم است تا با موادّ دیگری
مسلّح شوند . دانشمندان به دنبال موادّی هستند که در ضمن مسلّح کردن بتن ، دارای
وزن کمتر ، مقاومت بیشتر در برابر
عوامل جوّی ، رفتار بهتر در بارگذاری های متناوب باشد و بتواند مقاومت خود
را در دماهای بالا مثل
دمای کوره حفظ کند و …..از این
قبیل.
یکی از مشهورترین این
مصالح ، کامپوزیت های پلیمری می باشند . اوّلین باری که کامپوزیت ها در بنا
استفاده شد در زمان جنگ جهانی دوّم بود . در آن زمان بر روی ساختمان هایی که باید
رادار نصب می کردند ، استفاده از سازه های فلزّی و
یا حتّی بتن آرمه ، مشکل ایجاد می کرد ، با مسلّح کردن بتن توسّط کامپوزیت های
بتنی ، این مشکل برطرف شد .
همچنین در همان بحبوحه جنگ بعضی از قسمت های هواپیماهای جنگی را از پلی استرهایی
که با رشته های شیشه تقویت شده بودند
می ساختند .
در ساختمان های مسکونی از کامپوزیت هایی با فیبر شیشه ای یا پلی استر استفاده می شد . ( سازه کامپوزیتی GPR ) ، دو ساختمان استثنایی با سازه کامپوزیتی ساخته شده است که یکی سازه گنبدی شکل در بن غازی ( 1968 ) و دیگری سقف فرودگاه دبی ( 1972 ) است که تأثیر محسوسی بر استفاده از این نوع سازه ها داشته است .
اکثر این سازه ها دارای سازه اصلی بتن مسلّح بود و برای ساخت پانل ها از GPR (Glass Polymer Reinforced ) بهره می برد ، همانند سازه قوسی فضاکار زمین فوتبال شهر منچستر (1980 ) ، مهمّترین کاربردهای GPR به قرار زیر است :
1- ساختمان هایی که تحت اثر خوردگی شدید هستند .
2- سازه های پیشرفته رادارها .
3- ساختمان هایی که کنترل کیفیّت آنها مهم است .
4- ماهواره ها .
5- آنتن های بزرگ .
مهمّ ترین دلایل افزایش استفاده از کامپوزیت ( Composite ) :
1 – وزن کم 2- قابلیّت ایجاد معماری های زیبا 3- مقاومت در برابر شرایط جوّی 4- خواصّ ضدّ خوردگی
5 – وجود سازه هایی که در آنها نباید از فلز استفاده کرد .
امروزه بسیاری از پل های بتن آرمه به دلیل وجود کلر در آب دریا ، تخریب شده اند که بتن پلیمری این نقیصه را ندارد و خورده نمی شود ، محصولات پلیمری در حالت جامد بیشتر به صورت میلگرد و شبکه مورد استفاده قرار می گیرند .
انواع بتن های پلیمری ( حالت غیر جامد ) :
پیش از بیان انواع بتن های پلیمری لازم است با فرآیند پلیمریزاسیون بیشتر آشنا شویم :
پلیمریزه شدن : از اتّصال واحد های مونومر به
یکدیگر ، رشته یا شبکه های مولکولی سطحی یا فضایی
تشکیل می شود که دارای وزن مولکولی بالایی
هستند و به آنها پلی مر می گویند ، این فرآیند را پلیمریزه شدن می گویند .
انواع بتن های پلیمری بدین قرارند :
1- بتن های باردار شده توسّط پلیمر ( PIC ) : شامل بتن پورتلند پیش ریخته شده است که توسّط یک سیستم مونومری باردار گردیده است ( آماده واکنش است ) و متعاقباً در محلّ ، پلیمریزه می شود .
2- بتن های پلیمر – سیمان (PCC) : شامل یک مونومر است که به مخلوط آبی بتن تازه افزوده می شود و متعاقباً در محلّ، پلیمریزه می شود .
3- بتن های پلیمری (PC) : شامل یک سیستم مخلوط از سنگریزه ( Aggregate ) و پرکننده ( Filler ) در مونومر می باشد که متعاقباً در محلّ ، پلیمریزه می شود .
4- بتن های پلیمر – گوگرد (PSC ) : شامل یک سیستم مخلوط از بتن های گوگردی است که توسّط پلیمر ها اصلاح خواصّ پیدا کرده باشد .
نحوه تولید بتن پلیمری (حالت غیر جامد ) :
بتن های پلیمری از 80 تا 95 درصد پرکننده های معدنی و گاهی آلی تشکیل شده اند و حدود 5 تا 20 درصد بایندر پلیمری نیز
بتن را نگاه می دارد ( بایندر ( Binder ) به معنای پیوند دهنده یا متّصل کننده است و منظور همان محلول مونومر است که پس از فرآیند پلیمریزاسیون بتن را نگاه می دارد ) ، خواصّ بتن های پلیمری برتر از بتن های سیمانی است .
با انتخاب : الف ) بایندر مناسب ب) نوع و میزان مناسب پرکننده ج ) به کار بردن افزودنی های مناسب
می توان طیف وسیعی از بتن های پلیمری را با خواصّ فیزیکی ، مکانیکی ، دینامیکی ، الکتریکی ، حرارتی ، شیمیایی ، تزئینی و … تهیّه کرد . در صورتیکه این طیف وسیع برای بتن های سیمانی وجود ندارد . از مجموعه موادّ رایج به عنوان بایندر پلیمری سه نوع رایج ترند که عبارتند از : 1 – اپوکسی ( Epoxy ) 2- پلی استر 3 – پلی یورتان
از پرکننده های رایج نیز دو نوع رایج ترند که عبارتند از : 1 – سیلیس (Silica) 2- کربنات کلسیم
بر اساس آزمایش هایی از نوع برزیلی ، نتایج زیر حاصل شد :
1 – نمونه های بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلی استر ، استحکاک بالاتری دارند .
2- نمونه های بتن پلیمری با بایندر پلی یورتان ، ازدیاد طول بسیار زیادی دارند . ( تعریف اپوکسی و …. در همین مقاله گفته خواهد شد . )
بایندر های پلیمری 90% کلّ قیمت بتن را شامل می شوند
. با وجود این ، قیمت بتن های پلیمری ، بسیار کمتر از
پلاستیک هاست . انتخاب مناسب بایندر و پر کننده
مناسب ، می تواند سبب هر یک از حالات زیر شود :
1 – بتن هایی با دی الکتریک بالا 2 – برعکس بتن هایی با هدایت الکتریکی بالا 3 – قطعاتی مناسب برای ایجاد خلاء و ..
تغییر خواصّ بتن پلیمری بر حسب تغییر پرکننده ها :
پرکننده ها از دو دسته تشکیل می شوند : 1- جزء زبر ( دانه بندی درشت ) 2- جزء نرم ( دانه بندی ریز )
پرکننده های سبک وزن شامل سه دسته سنگ های رسی سبک ، پرلیت و سنگ پا ( Pumice ) می شوند و پر کننده های سنگین شامل 4 دسته قطیر ، هماتیت ، ایلمنیت ، باریت می شوند .
از این موادّ برای تولید بتن های پلیمری با وزن
مخصوص بین 640 تا 5200 کیلوگرم بر متر مکعّب می توان استفاده کرد . پرکننده های
بسیار نرم برای کاهش حجم خالی بتن به کار برده می شود . مانند پودر سیلیس ، کربنات
کلسیم ، خاکستر ، کائولین . میکا تالک ،تری هیدرات آلومینا ، سولفات کلسیم و
سیمان پورتلند . پر کننده ها می توانند سبک باشند مانند
دانه های شیشه ای سوراخ دار ، سرامیک یا گلوله های
پلاستیک .
با استفاده از پرکننده های هادی مثل کربن یا پودرهای فلزّی ، می توان بتن را از نظر الکتریکی رساناتر کرد ، افزودنی هایی مثل فیبرهای شیشه ای ،آلی و فلزّی برای اصلاح استحکام ضربه ای ، خمشی و همچنین برای کاهش پدیده انقباض ناشی از پخت به کار می رود . عوامل تر کننده باعث کاهش سطحی زیرین مایع و سهولت ترشدگی سطوح پرکننده می شود . جهت تأمین رنگ و همچنین گاهی اوقات به منظور پایداری در مقابل نور از رنگدانه ها استفاده می شود .
با افزودن لاتکس های SBR و اپوکسی به بتن معمولی
به عنوان بتن سیمان پرتلند ، پلی مری استفاده شده است که باعث بهبود خواصّ‌مهندسی
و پایایی بتن می شود و همچنین با افزودن رزین های پلی اسراسیترن و اپکسی به مصالح
سنگی
به عنوان بتن پلیمری که در مورد رزین پلی اسراسیترن،
خواصّ مهندسی و پایایی بتن به طور چشمگیری بهبود می یابد .
آشنایی با انواع بایندرها :
رزین ( Resin ) : به مادّه آلی جامد یا نیمه جامد یا شبه جامدی گفته می شود که اغلب دارای وزن مولکولی نامشخّص امّا بالایی بوده و وقتی در معرض تنش قرار می گیرد تمایل به جریان دارد .
اپوکسی : اپوکسی نوعی رزین است ، این نوع رزین دارای قطعاتی گرم و نرم است که با گرما آب می شوند .
رزین های اپوکسی : نوع مایع آن از چسبندگی خوبی به الیاف شیشه برخوردارند .
لاتکس : شیر آب محتوی مونومر که برای تولید پلی مر استفاده می شود . ( SBR )
خواصّ رزین های اپوکسی :
1- مقاومت در برابر خوردگی (Corrosion ) بسیار زیاد . 2- زمان پخت کم . 3- زمان کم برای رسیدن به استحکام ساختمانی . 4 –چسبندگی خیلی خوب به سطوح فلزّی . 5- مقاومت سایشی ( Abrasion Resistance ) بالا. 6 – استحکام مکانیکی بالا . 7 – مقاومت در برابر موادّ شیمیایی مخرّب .
8 – چروکیدگی ( Shrinkage ) کم در حین پخت . 9- عدم تولید محصولات فرّار جانبی در واکنش پخته شدن .
10 – حفظ خواصّ و سازگاری حرارتی با فولاد در محدوده دمایی 30 تا 70 درجه سانتیگراد .
رزین اپوکسی مایعی است بی رنگ ، متمایل به زرد ، فرّار و سمّی که در دمای اتاق بخار می شود .
روشی برای تقویّت بتن های معمولی :
در بتن های پلیمری از تکنیک آغشته سازی بتن با پلیمر
استفاده می شود . در این روش ،
یک سیستم مونومری به داخل بتن سخت شده نفوذ می کند و پس از پلیمریزاسیون موجب انسداد
مجاری و حفره های درون بدنه و اتّصال بیشتر اجزاء متشکّله و ارتقای بسیاری از
خواصّ بتن خواهد شد . در این روش از مونومر های متیل متا کریلات و استایرن استفاده
می شود . روش کار بدین ترتیب است که نمونه های بتن را خشک و تمیز نموده و سپس خنک
می کنیم . بعد بتن را با سیستم مونومری
آغشته می کنیم و پس از انجام پلیمریزاسیون کاتالیتی
حرارتی ، بتن پلیمری آماده است . این بتن ، مقاومت فشاری و نفوذناپذیری اش افزایش
پیدا کرده است .
مزایای بتن های پلیمری :
1 – استحکام 2- کرنش های فشاری ، خمشی ، کششی (چندین برابر ) 3 – میرایی 4 – عمر سرویس
5 – مقاومت سایش و ضربه ای 6 – مقاومت در برابر تغییرات جوّی 7- مقاومت در برابر عوامل شیمیایی
8 – مقاومت در برابر عوامل مخرّب محیطی 9- مقاومت در برابر عوامل مخرّب صنعتی 10- جذب آب کمتر
11 – افت کمتر خواص 12 – خواصّ فیزیکی و مکانیکی بهتر 13 - دارای خواصّ تزئینی
|
خاصّیت بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلی استر |
افزایش یا کاهش خاصّیّت نسبت به بتن سیمانی |
|
استحکام فشاری |
پنج و سه دهم برابر افزایش می یابد |
|
استحکام کششی |
پنج و هشت دهم برابر افزایش می یابد |
|
استحکام خمشی |
چهار برابر افزایش می یابد |
|
کرنش فشاری |
پنج و دو دهم برابر افزایش می یابد |
|
کرنش خمشی |
ده ها برابر افزایش می یابد |
|
جذب آب |
10 تا 60 برابر کاهش می یابد |
جدول بالا به خوبی می تواند مزایای بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلیستر را نسبت به بتن سیمانی نشان دهد ، علاوه بر این بتن پلیمری پلی یورتان دارای ازدیاد طول منحصر بفردی است . بتن های پلیمری در برابر شستشوی دائم مقاومند و فراورش و اجرای آسانی دارند .
موارد مصرف بتن های پلیمری :
1 – روکش پل ها و جادّه ها 2 – تعمیرکاریها 3- سازه ساختمان هایی که در معرض خوردگی هستند .
4 – پوشش دهی کف ساختمان های صنعتی ، ورزشی و … ( مثلاً پلی یورتان با ازدیاد طول منحصر به فرد ، برای پوشش کف های مقاوم در برابر سر خوردن مناسب است . ) 5- تولید پانل های مصنوعی و تزئینی در فضاهای مسکونی و اداری ( مثل سنگ مرمر مصنوعی ، انیکس پلیمری ، گرانیت مصنوعی ) 6- درزگیر بتن ها 7- ساخت سازه های زیرزمینی مثل فاضلاب های صنعتی ( مقاوم در برابر خوردگی ) 8 – ساخت آبشخورهای مورد نیاز در دامداری ها ( در مقابل موادّ آمونیاکی مقاوم و نسبت به محصولات سرامیکی ارزان ترند .) 9 – ساخت مجسّمه ها ، گلدان های تزئینی و سایر اشکال آرشیتکتی مشابه سنگ 10 – ساخت مخازن نگهداری موادّ شیمیایی 11 – سازه محیط های دریایی
12 – ساخت سازه های زیر آب 13- ساخت سر ریز های سد 14 – دیواره آب بند سدها 15 – دیواره تونل ها
16 – بازسازی و سرعت در تعمیر ( برای سازه های بتنی و مخصوصاً سازه هایی که در شرایط خاص، مثلاً‌زیر آب قرار دارند . ) بتن معمولی همواره با مشکل خوردگی توسّط عوامل اکسیدکننده گازی و مایع روبرو است و دلیل آن مقاومت کم در برابر عوامل خورنده شیمیایی است . با جایگزینی کامل حامل آبی در بتن توسّط حامل پلیمری ، ترکیبی به دست می آید که دارای مقاومتی بالا در برابر عوامل خورنده شیمیایی ، بدون نیاز به حفاظت های شیمیایی است .
بتن پلیمری زمان کمی برای پخت و جذب آب نیاز داشته و
نفوذپذیری کمی دارد . نحوه اختلاط این نوع بتن و لوازم مورد نیاز آن مانند بتن
معمولی است و به سهولت قالب ریزی می شود . مجموعه این مزایا و آنچه قبلاً گفته شد
سبب کاربردهای گوناگون و روزافزون این بتن ، علیرغم قیمت بالای آن شده است . باید
در اینجا به استفاده خاصّ و اجباری از بتن پلیمری در شرایط
غیر متعارف اشاره کنیم ، مثلاً در جاهایی که بتن در معرض موادً شیمیایی قرار دارد
و ممکن است پدیده کاوتیاسون
رخ دهد یا در مکان هایی که ممکن است بتن دائماً در
معرض کلر باشد و …..
انواع پلیمرهایی که برای مصارف بالا استفاده می شوند عبارتند از :
1- اپوکتیک ها 2- فورانها ( Furan ) 3 – اکرلیک ها 4 – پلیسترهای غیر اشباع 5- وینیل استرها
انتخاب پلیمر مصرفی بر حسب مورد مصرف ( کارایی ) و قیمت آن انتخاب می شود.
استفاده از بتن های پلیمری در قطعات پیش ساخته و نماهای ساختمانی:
یکی از موارد استفاده از بتن های پلیمری ، تولید قطعات پیش ساخته و نماهای ساختمانی است که البتّه این قطعات ، معایب سنگ های طبیعی را ندارند ، سنگ های طبیعی که در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار می گیرند اغلب دارای معایبی هستند که بعضی از آنها این چنین اند :
1 – سنگ های طبیعی چگالی بالایی دارند . 2- در اثر عوامل جوّی و موادّ شیمیایی تخریب پذیرند .
3 – نفوذ پذیری و جذب آب بالایی دارند . 4 –تهیّه آنها در ضخامت کم
به دلیل شکنندگی بالایی که دارند
ممکن نیست . 5 – حمل و
نقل آنها سخت است . 6 – عایق
صوت و حرارت نیستند .
بتن های پلیمری چگالی پایین ، خواصّ فیزیکی و مکانیکی سطح بالا را دارا هستند و امکان اعمال طرح های تزئینی متنوّع در آنها وجود دارد و جایگزینی مناسب برای سنگ های تزئینی و نماهای خارجی رایج خواهند بود. (مرمر ، گرانیت انیکس و .. )
با انتخاب موادّ اوّلیّه خاصّ برای تولید این نوع بتن تزئینی و فراورش مناسب ، سنگ نمای مصنوعی سبکی تولید خواهد شد که معایب سنگ های تزئینی طبیعی را نداشته و دارای خواصّ و برتری های ذیل می باشد :
1 – چگالی 3/1 گرم بر سانتی متر مکعّب . 2 – درصد جذب آب 19% (یک شصتم بتن سبک و یک سی ام بتن معمولی )
3 – قدرت چسبندگی بیشتر بر روی بتن سیمانی 4 – مقاومت در برابر ضربه . 5 – سازگاری حرارتی بسیار خوب در محدوده دمایی 30 تا 70 درجه سانتیگراد 6 - مقاومت بسیار عالی در برابر شرایط محیطی شیمیایی 7 – استحکام فشاری ، خمشی و کششی بالاتر . 8 – تنوّع رنگ بسیار زیاد .
نکته جالب این است که با وجود تمام محاسنی که ذکر شد ، این نوع تولیدات ، قیمت کمتری نسبت به سنگ های طبیعی دارند .
کاربرد بتن های پلیمری به عنوان صفحات ضدّ گلوله :
برای تولید صفحات ضدّ گلوله در صورتی که وزن و حجم ، عوامل محدود کننده ای نباشند ، بتن سیمانی در تهیّه و ساخت موانع ضدّ‌گلوله به کار می رود . در صورتی که به جای سیمان از رزین پلیمری ، به عنوان حامل در ترکیب بتن استفاده شود ، مقاومت مکانیکی بتن افزایش چشمگیری می یابد و سرعت گیرش و پخت سازه مورد نظر به صورت محسوسی بالا می رود .
در این ترکیب پلیمری که شامل 12 درصد رزین است ، 3
درصد تقویت کننده شامل پودر و لاستیک الیاف کوتاه شیشه ،
ایجاد خواهد شد ، این صفحه ضدّ گلوله ، برای ساخت
هدفی با حدّ اقل ضخامت 5 تا 6 سانتی متر به کار می رود و می تواند گلوله ای
با انرژی معادل 2400 ژول را مهار کند و کمترین خسارات را متحمّل شود .
کاربرد بتن های پلیمری سبک در ساخت تابلوهای ایمنی راه :
با توجّه به گسترش جادّه ها و ازدیاد مسافرت ها ،
نیاز به علایم رانندگی هر روز بیش از پیش احساس می شود . این علایم عمودی و افقی
هستند و نوع قائم آن از پایه و سر تابلو تشکیل شده است و عموماً از جنس فلز ساخته
می شود ؛
با توجّه به اینکه مصرف این تابلوها در کشور
بسیار زیاد است و فلزّ به کار رفته در آن ورقی و وارداتی و ارزبر است و از طرف
دیگر منابع فراوان تولید بتن و سیمان در کشور وجود دارد ، مسئولین بر آن شدند تا
از بتن سبک در تولید علائم ایمنی شهری بهره برداری کنند . این تابلو ها باید به
گونه ای باشند که اوّلاً در برابر عوامل جوّی و یخبندان مقاوم باشند ، ثانیاً از
نظر اقتصادی ، مقرون به صرفه باشند و ثالثاً دارای
سطحی صاف و بدون خلل و فرج باشند تا بتوان شبرنگ ها را بر روی آنها چسباند . از
این رو در حال حاضر به دستور سازمان مدیریّت و برنامه ریزی ، محقّقین در حال تحقیق
در زمینه استفاده از
بتن های پلیمری برای تولید پایه و سر تابلوهایی
هستند که خاصیّت های مذکور را دارا باشند ، چنانچه بتوان به این مهم
دست یافت ، حدود 30 الی 50 درصد کاهش هزینه نسبت به
علایم فلزی خواهیم داشت و به عبارتی سالیانه حدود چندصد میلیون تومان کاهش هزینه
خواهیم داشت .
نتیجه گیری :
با توجّه به آشنایی مختصری که در این مقاله نسبت به بتن پلیمری به دست آمد ، می توان پیش بینی کرد که در آینده از بتن پلیمری به صورت عمده ، هم در داخل ساختمان به عنوان تحمّل کننده بار و هم در خارج از ساختمان به عنوان نما استفاده خواهد شد ، بدون شک آنچه که باعث افزایش استفاده از بتن پلیمری شده است ، قابلیّت تغییر در خواصّ آن با تغییر دادن نوع و درصد پرکننده ها و بایندر های پلیمری است .
امید است دانشمندان و دانش پژوهان ایرانی از عرصه تحقیقاتی وارد عرصه ازمایشگاهی شوند تا بدین ترتیب صنعت ساختمان کشور بهبود فن آوری یابد
آزمایش های مربوط به بتن الیاف پلیمری چگونگی ساخت آن
یکی دیگر از الیاف های که در بتن مسلح استفاده می شود بتن الیافی پلیمری می باشد یکی از مزایای الیاف پلیمری مرکب نسبت به مواد فلزی پدیده خستگی می باشد که در گذشته درصنایع هوایی استفاده می شد و رفتار خوبی را در مقابل خستگی از خود نشان داده اند فولاد معمولاًدر اثر گسترش ترک به طور ناگهانی گسیخته میشود ولی مواد مرکب پلیمری در اثر پارگی الیاف ویا ماتریس در سطح تماس الیاف بسیار کند گسیخته می شود.
پراکندگی قابل ملاحظه
موجود در نتایج آزمایشها روی مواد مرکب پلیمری باعث شده که در عمل
تنش طراحی کمتری برای این مواد در نظر گرفته
شود. طبق نظر دوهوفر (۱۹۷۳)، رفتار خستگی رزینها مختلف با توجه به تفاوت
شیمیای زیاد فرقی نمی کند ولی اپوکسی ها عملکرد خستگی بهتری دارند.
طبق نظر هالاوی (۱۹۹۳):مکانیزم تخریب مواد پلیمری مرکب عبارت است از
۳-پارگی الیاف ۴-از بین رفتن چسبندگی بین ماتریس والیاف ۲-لایه لایه شدن مواد ۱-ترک برداشتن ماتریس
طبق نظریه کرسیس(۱۹۸۹):ورقها با الیاف یک جهته به دلیل اینکه تمام بار درجهت نیرو به الیاف وارد میشودمقاومت خستگی خوبی دارند ورقه ورقه شدن الیاف مرکب به علت تنشهای بین صفحه ای میباشد معمولاً از انتهای آزاد وتکیه گاه شروع می شود وبه طرف داخل ورق گسترش می یابد.
یک مکانیزم مهم خرابی
جدای بین الیاف و رزین در سال ۱۹۷۳ دو هیو فز مشاهده کرد:
Gfrp باعث جداشدگی میشود ولی در GFrp
تازه تا۷۰درصد مانع جدا شدگی
می شود. ۳۰درصدمقاومت استاتیکی
ترمیم وتقویت سازه های بتن مسلح با استفاده از روش الیاف پلیمری مرکب در بتن مسلح (اف ار پی):
درحقیقت پوشش کاملی
از ورقهای نا زک فولاد والیاف پلیمری مرکب است که می توان آن را برای تقویت تیرها
وستون ها ودال هاو...استفاده نمود. مقاوم سازی با الیاف فولادی از طریق چسباندن به
وسیله چسب رزین واپوکسی در تیرها وستون ها انجام
میگیرد در ترمیم تیرها و ستون ها به روش (لف ار پی) با الیف پلیمری مرکب باید
موارد زیر را در نظر داشت:
1-شرایط به کار گیری وسختی کار 2-ابعاد لایه تقویت درهندسه ووزن بنا 3-دوره زمانی
اجرای طرح تقویت 4-هزینه اجرای طرح
انواع الیاف فولادی
مرکب در ساختمان شامل زیر میباشد:
3-الیف آرامید 1-الیاف شیشه 2-الیاف کربن
در الیاف مرکب فولادی می توان از چند نوع الیاف استفاده کرد که به ان هیبرید (Hybrid) گویند.
1- الیاف شیشه ای: رایج ترین وپر مصرف ترین نوع الیاف مورد استفاده در سقف کامپوزیت است. بر حسب نوع ترکیب مواد به کار رفته به انواع گوناگون تقسیم میشوند. مزایای این الیاف قیمت پایین واستحکام کششی بالا ومقاومت شیمیای بالاو خواص عایقی بالا میباشد معایب آنها عبارتست از مدول کششی پایین و وزن مخصوص نسبتاً بالا وحساسیت در برش وهمچنین با دما ورطوبت نیز استحکام کاهش می یابد.
2- کربن: دانسیسته آن ۲۲.۷ کیلو نیوتن برمتر مکعب می باشد وشکل مختلف ان بلوری می باشد وضخامت ان نازکتر از موی انسان می باشد و دارای قطر ۶-۱۰میکرو متر می باشد.
مزایایی اصلی آن:
استحکام بالای خستگی-مقاومت در برابر خوردگی- ضریب انبساط حرارتی پایین
معایب:
قیمت بالا -کرنش در شکست-هادی الکتریکی
3- الیاف آرامید:
پلیمر های ارامید دارای خصوصیاتی چون نقطه ذوب بالا و پایداری حرارتی عالی ومقاومت در برابر شعله وغیر قابل حل بودن در بسیاری از حلال های الی شناخته شده اند دانسیسته ان بین ۱۲-۱۴.۶ کیلو نیوتن بر متر مکعب می باشددارای خواصی چون مقاوت در برابر ضربه عدم حساسیت به شکاف خواص الکتریک- خود خاموش کنی از خصوصیات آن می باشد. به دو صورت نام تجاری کولار۲۹-کولار۴۹ به بازار عرضه می گردد.
همان طور که
می دانیم گسیختگی مواد که به وسیله سیمان تهیه شده ومی شکنند به علت ترد بودن آن می باشد همان طو ر که قبلا" توضیح داده
شد تقویت بتن توسط الیاف کوتاه به صورت
تصادفی ونا منظم می شد وباعث تثبیت ترکها واستحکام کششی بتن می شود
در
دهه ۱۹۵۰برای اولین بار در کشور شو روی وبعد درکشور امریکادر سال۱۹۶۰ تحقیقاتی انجام شده در صورت استفاده از الیاف فولادی در
ماتریس شکننده، تمرکز تنش در محل ترکهای
بوجود آمده کاهش می یابد . . .
بتن
الیافی که به نام های زیر در جهان موجود
است آرماتورها که معروف به آرماتورهای با الیاف پلاستیکی
(FRP) هستند از الیاف مختلفی
چون الیاف شیشه ای (GFRP) الیاف آرامیدی (Afrp) والیاف کربنی
(CFRP) در یک رزین چسباننده تشکیل شده انددر دنیا معروف است
این
مواد یکی از پر مصرف ترین مواد در
مناطق سرد نظیر شمال آمریکا و کانادا و بعضی کشورهای اروپایی است که همراه با ان از سنگدانه های هوا ساز نیز استفاده
میشودکاربرد صفحات با الیاف کربنی برای این
تقویت بیشتر رایج گشته و در چندین پل در ژاپن و در بعضی کشورهای اروپایی از آن استفاده شده است.
به
خصوص در ژاپن که به علت مقاومت در بتن الیافی در برابر خوردگیدر پل ودیوار
های نما از این بتن الیافی خیلی استفاده می کنندهمچنین امروزه
علم
نانو نیز به کمک بتن الیافی و
صنعت
ساختمان امده وامروزه استفاده از انواع پلیمر والیاف در بتن به وسیله علم نانورونق گرفته
است که تاریخ این علم بر میگردد به دوره ۷۰ معرفی شده اند که از فناوری
sol-gel جهت
انتشار (Disperse ) دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده استد
یکی از شرکت های که در این علم پیشتاز است شرکت تویوتا ژاپن می باشد تکنولوژی
نانو فلز آرتوناید که اخیرا الیاف تجاری نانو آلومینا را تولید کرده است یکی دیگر
از موفقیت کشور های پیشرفته می باشد که امروزه در این علم به دست امده امروزه بسیاری
از دانشگاه دنیا سعی در استفاده از این دانش درصنعت ساختمان می باشدیکی دیگر از
اختراعات در ژاپن جلوگیری از یخ زدگی بتن الیافی به وسیله علم نانو می باشد
بتن الیافی چیست ؟
بتن الیافی در حقیقت نوعی کامپوزیت است که با به کارگیری الیاف تقویتکننده داخل مخلوط بتن، مقاومت کششی و فشاری آن، فوق‌العاده افزایش مییابد. این ترکیب کامپوزیتی، یکپارچگی و پیوستگی مناسبی داشته و امکان استفاده از بتن به عنوان یک مادة شکلپذیر جهت تولید سطوح مقاوم پرانحنا را فراهم میآورد. بتن الیافی از قابلیت جذب انرژی بالایی نیز برخوردار است و تحت اثر بارهای ضربهای به راحتی از هم پاشیده نمیشود.
شاهد تاریخی این فناوری، کاربرد کاهگل در بنای ساختمان است. در واقع بتن الیافی نوع پیشرفتة این تکنولوژی میباشد که الیاف طبیعی و مصنوعی جدید، جانشین کاه و سیمان جانشین گل به کار رفته در ترکیب کاهگل شده‌اند.
امروزه با استفاده از انواع الیاف شیشه، پلی‌پروپیلن، فولاد و بعضاً کربن، تولید انواع بتنهای کامپوزیتی در کاربردهای مختلف صنعتی ممکن گردیده و به‌کارگیری آنها درکشورهای پیشرفتة دنیا مورد قبول بخش ساختمان و عمران واقع 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. به طور 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 مقاوم‌به‌ضربه، همچون سازه پناهگاهها و انبارهای نگهداری مواد منفجره به شمار میرود و بنای شکل گرفته 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 به کارگیری این بتن، ساخت قطعات پیش ساخته ساختمانی همچون پانلهای سایبان و یا پاشش بتن روی سطوح انحنا‌دار همچون تونلها میباشد.
به‌کارگیری این بتن در بنای یک سازه علاوه بر موارد یاد شده از مزایایی همچون عایق بودن سازه در برابر صدا و سرعت بالای اجرا نیز برخوردار است. اما از آنجا که نحوه قرار گرفتن الیاف داخل بتن کاملاً تصادفی میباشد، از این بتن معمولاً نمیتوان به نحو مطلوبی در ساخت تیرها و ستونها بهره گرفت و در این نوع سازهها استفاده از روش سنتی و شبکهبندی فولادی به‌صرفهتر و مناسبتر میباشد.
انواع الیاف :
امروزه با استفاده از انواع الیاف شیشه، پلی‌پروپیلن، فولاد و بعضاً کربن، تولید
انواع بتنهای کامپوزیتی در کاربردهای مختلف صنعتی ممکن گردیده و به‌کارگیری آنها
درکشورهای پیشرفتة دنیا مورد قبول بخش ساختمان و عمران واقع شده است.
|
||||||||||||||||||||
سالهاست که تحقیقات گسترده ای برای ارزیابی و بررسی مزیت های کیفی استفاده از فیبر در بتن در کارهای عمومی مهندسی عمران در جریان است.فیبرهای افزودنی مختلفی در ترکیب با بتن برای کاربردهای خاص طراحی و برای بهبود خواص مکانیکی آن آزمایشهای زیادی صورت گرفته است.محققان در مواد جدید به دنبال افزایش شکل پذیری ، دستیابی به مقاومت فشاری بیشتر و یا افزایش مقادیر سختی ناهمسانگرد (anisotropic) هستند.مواردی که بیشتر در طراحی سازه ها در مناطق لرزه خیز کاربرد دارد. تحقیقات صورت گرفته بطورکلی به ارزیابی اثرات فیبرهای ساخته شده از فولاد،شیشه، کربن و یا کنف روی رفتار بتن می پردازد.انتخاب مواد مختلف برای این صورت گرفته است تا خواص بتن الزامات ویژه طراحی را تامین کند. تعدادی از این الزامات شامل مقاومت قلیایی،مقاومت در برابر خوردگی،عدم حساسیت مغناطیسی و افزایش شکل پذیری اتصال تیر به ستون برای اتلاف انرژی در هنگام فعالیت گسلها و وقوع زلزله می باشد.
الیاف ریز تهیه شده از فولاد ،شیشه ،کربن و یا کنف چنان با بتن مخلوط می شوند که تشکیل ماتریسی از بتن میگردند که در آن الیاف سنگ دانه ها را در بتن در برگرفته اند.افزودن فیبرها به بتن آنرا همگن تر و ایزوترپیک تر می گرداند و سبب بهبود مقاومت کششی و به ویژه شکل پذیری آن می شود.اگرچه خواص فیبرهای ساخته شده از شیشه ،کربن و ... در برخی موارد متفاوت از خواصی است که ما از فولاد سراغ داریم اما آنچه کاملا مشهود است اینست که تنها فولاد است که می تواند ناحیه ای از رفتار پلاستیک را فراهم کند. بیشترین کاربرد الیاف فولادی در احداث تونلها و کفهایی است که تحت بارهای سنگین صنعتی قرار دارند.افزودن فیبرهای فولادی سبب افزایش مقاومت کششی در بتنهای معمولی و یا بتنهای با مقاومت بالا می گردد.همچنین اثرات مثبتی بر روی کنترل تشکیل ترکها و تغییر شکلهای درازمدت عضو دارد.در مورد فیبرهای شیشه می توان گفت که ظرفیت بسیار خوبی در برابر حملات شیمیایی در محیطهای قلیایی را دارد بنابراین الیاف شیشه بویژه در مواردی که مقاومت بالا در برابر خاصیت قلیای مورد نیاز است قابل استفاده می باشد.از دیگر مزیت های آن مقاومت در برابر خراش است.فیبرهای کنف که از قدیمی ترین الیاف محسوب می شوند و در صنایع دیگری مانند نساجی نیز کاربرد دارند به دلایل زیادی استفاده از آنها در سازه های بتنی با شکست همراه بوده است. زیرا از جهت خواص مکانیکی نسبت به سایر مواد فاصله زیادی دارد.مقاومت کششی و مدول یانگ در آن بستگی به فصل برداشت محصول و فرایند برداشت محصول دارد.
همچنین بدلیل وجود اسید سیلیسیک در آن مقاومت خوبی در برابر مواد قلیایی ندارد و سبب انبساط قلیایی و ایجاد ترک در بتن می گردد.فیبرهای کربن معمولا از مواد زائد حاصل از تولیدات کربنی مختلف بدست می آید و همچنین بصورت فتیله تولید و فروخته می شود.باید گفت که کربن مقاومت در برابر خوردگی و جریان مغاطیسی بهتری نسبت به فولاد از خود نشان می دهد. بطوریکه علاوه بر فیبرهای فولادی فیبرهای کربنی آینده بهتری نسبت به سایر فیبرها در کاربردهای مهندسی عمران دارند. اما باید دقت داشت که تولید بتن مسلح با فیبر با ارزش تر از اینست که ما فقط فیبر به بتن معمولی اضافه کنیم.زیرا در این صورت شاهد بهبود ساختار دانه ای برای تامین کارایی و خواص مکانیکی مخلوط خواهیم بود.
موارد استفاده و محدودیت های کاربرد بتن
الیافی
هر فن آوری همواره کاربرد ها و محدویت های خاص خود را دارد. بتن الیافی خواص
مناسبی همچون شکل پذیری بالا، مقاومت فوق العاده، قابلیت جذب انرژی و پایداری در
برابر ترک خوردن را دارا می باشد که متناسب با آنها می توان موارد کاربرد فراوانی
برای آن یافت. بطور مثال در ساخت کف سالنهای صنعتی، می توان از این نوع بتن به جای
بتن آرماتوری متداول سود جست. این نوع بتن از بهترین مصالح مورد استفاده در ساخت
بناهای مقاوم دربرابر ضربه، همچون سازه پناهگاه ها و انبارهای نگهداری مواد منفجره
به شمار می رود و بناهای شکل گرفته از بتن الیافی، قابلیت فوق العاده ای در جذب انرژی ضربه
دارد. همچنین در ساخت باند فرودگاه ها به خوبی می توان از این نوع بتن کمک گرفت.
موارد دیگری از بکارگیری این بتن، ساخت قطعات پیش ساخته ساختمانی همچون پانل ها و
یا پاشش بتن روی سطح انحنای یک سازه می باشد. علاوه بر موارد یاد شده می توان از
مزایایی همچون عایق بودن سازه در باربر صدا و سرعت بالای اجرا نیز بهره مند گردید.
اما از آنجا که نحوه قرار گرفتن الیاف داخل بتن، کاملاً تصادفی می باشد، از این
بتن معمولاً نمی توان به نحو مطلوبی در ساخت تیرها و ستونها بهره گرفت و در این
نوع سازه ها استفاده از روش سنتی و شبکه بندی فولادی به صرفه تر و مناسب تر می
باشد. لازم است به این نکته توجه شود که ناکارآمدی یک تکنولوژی جدید، نباید مانع
نادیده گرفتن کاربردهای مناسب و نقاط قوت آن گردد.
توجیه اقتصادی بتن الیافی
باید اعتراف کرد که استفاده از بتن الیافی در همه موارد از بتن سنتی به صرفه تر
نمی باشد. اما بر اساس برآورد هایی که توسط بعضی از متخصصین کشور انجام گرفته است،
در جاهایی که سرعـــت اجرای بالا مدنظر است و یا نیاز به پاشــــش بتن (شات کریت)
روی سطوح ویژه ای است، استفاده از این نوع بتن توصیه می گردد.
یکی از پارامترهای مهم در بررسی رفتار بتن به خصوص پس ار زسیدن به اوج، انرژی لازم برای ایجاد سطح واحد ترک می باشد. پدیده شکست در مواد نیمه ترد نظیر بتن پدیده ای غیرخطی و پیچیده است. وجود الیاف در بتن نه تنها باعث بهبودی برخی از خواص مکانیکی آن نظیر مقاومت در برابر ایجاد و رشد ترک، مقاومت برشی و مقاومت ضربه ای می شود؛ بلکه باعث افزایش شکل پذیری و انرژی لازم برای شکست بتن نیز می گردد. تا کنون تحقیقات گسترده ای در ارتباط با تعیین انرژی شکست بتن الیاف دار انجام شده است.
نویسنده غلامرضا مختاری
قدمه
تاکنون مشخص شده است
که انواع الیافها 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.تکنولوژی بتن پرمقاومت توسعه ای جدید در
صنعت ساخت سازه های بتنی محسوب میشود. در بتن سخت شده مقاومت و دوام دو عامل اصلی
بوده وهر چه مقاومت فشاری بتن بیشتر می شود بتن تردتر شده ودر نتیجه مقاومت کششی
آن به نسبت افزایش مقاومت فشاری افزایش نمی یابد و نیز از تحمل کرنش پایینتر
برخوردار است. بدین دلیل نیاز به استفاده از الیاف در بتن پرمقاومت کاملا مشهود
است .جهت افزایش مقاومت کششی و جلوگیری از گسترش ترک و بویژه افزایش نرمی از الیاف
در بتن استفاده میشود. مقدار افزایش با
تغییر این مقاومت ها بستگی به مقاومت بتن بدون الیاف شکل الیاف ودرصد الیاف دارد.
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:
1. مقاومت در
مقابل تورق وسایش
2. مقاومت
در مقابل تنش های خستگی
3. مقاومت
عالی در مقابل ضربه
4. قابلیت
کششی وظرفیت زیاد تغییر شکل نسبی
5. قابلیت
باربری بعد از ترک خوردگی
6. افزایش
در میزان جذب انرژی
قابلیت انعطافی که
بتن الیافی دارد همانند خواص مواد پلاستیکی باعث می شود که بتن الیافی گسیختگی
ناگهانی نداشته باشد. از آنجا که الیاف فولادی در جسم بتن در همه جهات پراکنده می
شود در صورت تشکیل یک ترک در جهات مختلف الیاف اتصالاتی را بوجود آورده و از گسترش
ترک جلوگیری می نماید. بنابراین رشته های الیاف بطور فعال در محدود کردن عرض ترک
وارد عمل شده و با تشکیل ریز ترکهای زیاد قابلیت بهره برداری بتن را افزایش می
دهند.
امزوزه کار برد بتن با نرمی بالاتر که بتواند تغییر شکل های زیاد را بدون شکست تحمل نماید، مورد توجه قرار گرفته است. تحقیقات در خصوص تأمین نرمی لازم در بتن با الیاف های مختلف و حتی حذف آرماتور در حال انجام می باشد. هدف از کاربرد الیاف در بتن افزایش مقاومت کششی، کنترل گسترش ترک ها و افزایش طاقت بتن می باشد تا قطعه بتنی بتواند در مقابل بارهای وارده در یک مقطع ترک خورده تغییر شکل های زیادی را پس از نقطه حداکثر تنش تحمل نماید.
بتن با الیاف مختلف در سال های اخیر در سازه های عمده ای چون رو سازی راهها و فرودگاه ها، پی های عظیم با تغییر شکل های زیاد و به ویژه در پوشش بتنی تونل ها به کار رفته است. در ساخت پوشش تونل ها بتن الیافی با پاشیدن بر جداره شکل می پذیرد. اخیراً برای حذف ترک ها در پوشش تونل هایی که به صورت چند تکه پیش ساخته اجرا می شود از بتن بدون آرماتور و تنها الیاف استفاده شده و این نوع بتن سبب حذف ترک ها در حین عمل آوری و حمل و نقل قطعات و نصب آنها برای کامل کردن مقطع تونل های مترو شده است.
در نوع بسیار جدید بتن الیافی که می توان با آن به حداکثر نرمی در بتن رسید از روش ریختن دوغاب روی الیاف استفاده می شود . در این روش ابتدا الیاف ریخته شده و سپس فضای بین آنها با ملات دوغابی پر می شود. میزان الیاف در این بتن حدود 10 در صد می باشد که حدود 10 برابر میزان الیاف در بتن های الیافی متداول است. با این مصالح لایه های محافظی بدون ترک و تقریبا غیر قابل نفوذ می توان ایجاد نمود. به علت نرمی زیاد این قطعات ظرفیت تغییر شکل پذیری این قطعات به میزان ظرفیت دال های فولادی می رسد. مقاومت فشاری این نوع بتن حدود 110-85 مگا پاسکال و مقاومت خمشی حدود N/m 45-35 می باشد. از این قطعات می توان نه تنها به عنوان لایه های محافظ کوچک استفاده نمود بلکه در باندهای فرودگاه در برابر ضربات عملکرد خوبی نشان می دهند. در کارهای تعمیراتی دال ها می توان از آنها به عنوان لایه روی بتن قدیم و بدون درز و در زمان کوتاهی استفاده نمود
انواع الیاف و الیاف فولادی
انواع الیافی که در بتن استفاده می شود و در اشکال و اندازه های مختلفی تولید می شود عبارتند از الیاف شیشه ای ، الیاف پلاستیکی و الیاف فولادی . پارامتر مناسب که یک رشته از الیاف را تعریف می کند نسبت ظاهری می باشد که نسبت طول الیاف به قطر معادل الیاف است. مقدار نسبت های ظاهری (l/d) معمولاٌ بین 30 تا 100 است .
مکانیزم عملکرد الیاف در بتن الیافی
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(1،2،3)
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.
مهمترین متغیرهایی که بر خواص بتن با الیاف فولادی اثر می گذارند عبارتند از:
خواص ماتریس بتن ، بازدهی الیاف ومقدار الیاف .بازدهی الیاف بوسیله مقاومت الیاف در برابر بیرون کشیده شدن از مخلوط کنترل می شود این مقاومت به چسبندگی بین الیاف و ماتریس بستگی دارد .برای الیاف با مقطع ثابت این مقاومت با افزایش طول ،افزایش می یابد .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 (7) در صورتیکه از روشهای عادی اختلاط استفاده شود الیاف با نسبت طول به قطر بیشتر از100 باعث کم شدن کارآیی بتن به مقدار قابل ملاحظه ای می شوند و یا بطور نا همگون در بتن توزیع می گردند .
|
Fiber Concrete تکنولوژی بتن الیافی نمونه دیگری از کاربرد کامپوزیت ها به عنوان یک فن آوری نوین در صنعت ساخت و ساز می باشد. بدین منظور مطلب حاضر سعی در معرفی این تکنولوژی خواهد داشت. |
منبع:
نشریه فرهیختگان دانشگاه
