طرح اختلاط بتن الیافی (نسبت ها + جدول)

بتن پراستفاده‌ترین مصالح در جهان است که تقریبا برای ساخت و ساز هر نوع ساختمانی به کار می‌رود. این ماده به دلیل دوام، استحکام و طول عمر بسیار بالای خود، به یکی از مواد ضروری در صنعت ساخت و ساز تبدیل شده است؛ اما با وجود همه این مزایا، بتن ممکن است در شرایط مختلف محیطی، آب و هوایی، ارتعاشات و… دچار تخریب شود. یکی از راه‌های مقاوم کردن بتن در برابر این شرایط، مسلح کردن بتن به الیاف فولادی، شیشه‌ای، کربنی و… است؛ با این حال، برای استفاده حداکثری از ظرفیت الیاف، لازم است با طرح اختلاط بتن الیافی آشنا شوید و نسبت ترکیب کردن مواد مختلف را در این نوع بتن‌ها بشناسید. به همین دلیل، در این مقاله به بررسی و آموزش کامل طرح اختلاط بتن الیافی می‌پردازیم و مشخصات انواع آن را بررسی می‌کنیم.

بتن الیافی چیست؟

بتن مسلح به الیاف، نوعی مخلوط بتنی است که حاوی الیاف مصنوعی، طبیعی، شیشه‌ای و… است. این بتن از سیمان، ملات و الیاف کوتاه و مجزا ساخته می‌شود که به صورت یکنواخت در سرتاسر مخلوط بتن توزیع شده‌اند.

افزودن الیاف به بتن، به کاهش احتمال ترک خوردن آن کمک می‌کند و باعث افزایش مقاومت آن در برابر نیروهای کششی و فشاری می‌شود؛ اما همه این مزایا، مشروط به رعایت دقیق طرح اختلاط بتن الیافی است؛ زیرا ترکیب مناسب این الیاف با سیمان، آب و… می‌تواند کامپوزیت بسیار مقاومی ایجاد کند که همه خواص بتن را تقویت می‌نماید؛ اما به طور کلی، الیاف در برابر نیروهای خمشی ضعیف هستند و نمی‌توانند جایگزین بتن‌های مسلح با میلگرد شوند.

طرح اختلاط بتن الیافی چیست؟

طرح اختلاط بتن الیافی، در واقع دستورالعملی است که نحوه ترکیب مواد مختلف بتن و میزان هر یک را بر اساس جنس و مشخصات الیاف، سنگ‌دانه‌ها، سیمان و شرایط آب و هوایی مختلف مشخص می‌کند. به طور کلی، بتن الیافی را می‌توان با استفاده از مخلوط بتن معمولی یا ملات تولید کرد؛ اما به شرط اینکه الیاف به طور یکنواخت در مخلوط توزیع شوند. در ساخت این نوع بتن دو عامل نسبت آب به سیمان و اندازه و وزن الیاف باید مورد توجه جدی‌تری قرار گیرند.

درصد الیاف مصرفی در بتن نیز از اهمیت ویژه‌ای در طرح اختلاط بتن الیافی برخوردار است؛ زیرا حجم الیاف به کار رفته می‌تواند بر استحکام و پایداری سازه تاثیر مستقیمی بگذارد. هنگام مخلوط کردن بتن الیافی، این کار باید به صورت یکنواخت و بدون جداشدگی اجزا انجام پذیرد. الیاف باید قبل از افزودن آب به مخلوط اضافه شوند تا به شکل مناسب پخش شوند و از گلوله‌ای شدن آن‌ها جلوگیری شود.

مشخصات الیاف مختلف مورد استفاده در بتن

الیاف گوناگونی برای مسلح کردن بتن مورد استفاده قرار می‌گیرند که هر یک مشخصات خاص خود را دارد. برای تهیه طرح اختلاط بتن الیافی، ابتدا لازم است ویژگی‌های مکانیکی هر یک از این الیاف را بشناسید. برای مثال، الیاف آزبست سال‌ها است در ساخت لوله و صفحات نازک استفاده می‌شوند. الیاف شیشه‌ای هم برای تولید صفحات نازک و اجرای شاتکریت کاربرد زیادی دارند؛ اما در مقابل، از الیاف فولادی در روسازی جاده‌ها، شاتکریت و انواع سازه‌ها استفاده می‌کنند. الیاف پلی‌پروپیلن نیز برای جلوگیری از ترک ناشی از جمع شدگی بتن تازه بسیار مفید است و همچنان هم کاربردهای جدیدی برای این الیاف پیدا می‌شود. در جدول زیر، می‌توانید مشخصات انواع مختلف الیاف را مشاهده و با هم مقایسه نمایید:

تاثیر الیاف بر افزایش مقاومت بتن

در نمودار زیر، می‌توانید تفاوت رفتار ۳ نوع بتن مختلف را در برابر نیروهای تنش مشاهده کنید:

• :FRC with high fibre volume بتن با حجم فیبر بالا:
• FRC with low fibre volume بتن با حجم فیبر پایین:
• Plain concrete بتن ساده:

همان طور که در شکل بالا مشخص است، بتن با حجم فیبر بالا، مقاومت بسیار بیشتری نسبت به بتن با فیبر کم و بتن ساده در مقابل تغییر شکل نشان داده است؛ بتن ساده نیز کمترین مقاومت را داشته و خیلی زودتر از بتن‌های الیافی دچار تغییر شکل و ترک خوردگی شده است. تفاوت تغییرات ظاهری بتن الیافی و بتن ساده در برابر نیروهای خمشی شدید نیز در تصویر زیر قابل مشاهده است:

اگرچه بتن الیافی در برابر نیروهای خمشی مقاومت بالایی ندارد، با این حال همان‌طور که در تصویر واضح است، بتن‌های الیافی در برابر نیروهای خمشی نیز مقاومت بیشتری نشان می‌دهند و از شکستن بتن تا حدود زیادی پیشگیری می‌نمایند؛ محاسبه مقدار مناسب الیاف برای مقاومت مناسب در برابر نیروهای خارجی، به کمک طرح اختلاط بتن الیافی انجام می‌گیرد.

ترکیب مواد در طرح اختلاط بتن الیافی

افزودن الیاف ممکن است اسلامپ را تا ۵۰% کاهش دهد؛ اما برای بتن‌های با درصد الیاف بالا نیاز به ویبره قوی‌تری است. به همین دلیل، نسبت دقیق ترکیب کردن مواد تا حدودی نیز به شرایط خاص پروژه شما بستگی دارد. مقدار معمول استفاده از الیاف، ۱ تا ۲ درصد حجمی است که برای اکثر کاربردها مناسب است؛ استفاده بیش از ۲ درصد، ممکن است بر کارایی بتن تاثیر منفی بگذارد، اما بسته به نوع الیاف می‌تواند در بعضی شرایط مناسب باشد. به طور کلی، در طرح اختلاط بتن الیافی از نسبت‌های زیر برای ترکیب کردن مواد استفاده می‌شود:

اما همان‌طور که گفتیم، کاربرد مورد نظر و نوع الیاف، می‌توانند تا حدود قابل توجهی استفاده از الیاف را تغییر دهند. در جدول زیر می‌توانید جزئیات این تفاوت‌ها را مشاهده کنید:

طرح اختلاط بتن GFRC

GFRC همان الیاف شیشه‌ای است که با مقدار ۳ تا ۵ درصد وزن سیمان به مخلوط بتن اضافه می‌شوند. نکته مهم این است که پلیمر GFRC مورد استفاده، خود حاوی ۴۰ تا۵۰ درصد آب است؛ بنابراین هنگام محاسبه مقدار آب کل مخلوط، باید این بخش از آب موجود در پلیمر هم در نظر گرفته شود تا از خشک شدن بیش از حد مخلوط جلوگیری شود. این میزان استاندارد بر اساس کاربردهای رایج آن در ساخت سطوح بتنی مختلف مانند کانترتاپ‌ها (سطوح دکوری) تعیین شده است؛ به همین دلیل، دقت در رعایت نسبت این مواد بسیار مهم است؛ زیرا هرگونه تغییر در نسبت‌ها می‌تواند بر کیفیت بتن تاثیر بگذارد.

جمع بندی

استفاده از الیاف مختلف مانند الیاف فولادی، شیشه‌ای، کربنی، پلی پروپیلن و… می‌تواند به طور قابل توجهی مقاومت بتن را در برابر تنش‌های خارجی افزایش دهد. در طرح اختلاط بتن الیافی، باید به مواردی مانند جنس الیاف، خواص مورد انتظار، شرایط پروژه و… دقت کنید تا بتن نهایی، بیشترین مقاومت را داشته باشد. به طور کلی، الیاف فولادی برای ساخت جاده‌ها، شاتکریت‌ها و ساختمان‌های مسکونی، الیاف پلی پروپیلن برای جلوگیری از جمع شدن بتن تازه و الیاف شیشه‌ای برای سطوح نازک و دکوراتیو استفاده می‌شوند. میزان استفاده از این الیاف مختلف، به دلیل تفاوت در مشخصات مکانیکی، تا حدودی با هم متفاوت است. در این مقاله به طور مفصل به بررسی نحوه ساخت و ترکیب بتن‌های الیافی پرداختیم و ویژگی‌های الیاف مختلف را با هم مقایسه کردیم. چنانچه به راهنمایی بیشتری در این زمینه نیاز دارید با ما تماس بگیرید.

منابع

https://mtcopeland.com/blog/what-is-fiber-reinforced-concrete/

https://www.researchgate.net/figure/Typical-Properties-of-Fibers-1_tbl1_40540236

https://www.linkedin.com/pulse/mix-design-tips-fiber-reinforced-concrete-filimon-malamas

https://mixfiber.com/articles/what-is-fiber-reinforced-concrete-how-it-is-made-and-where-it-is-used

https://concretecountertopinstitute.com/free-training/how-to-calculate-polymer-and-fibers-in-gfrc-concrete-countertops/#:~:text=Most%20commercial%20GFRC%20polymer%20is,water%20used%20in%20the%20GFRC.

https://www.researchgate.net/figure/Typical-stress-strain-curves-for-fibre-reinforced-concrete_fig1_326646258

https://www.phd.eng.br/wp-content/uploads/2015/12/en.1992.1.1.2004.pdf

https://www.researchgate.net/figure/The-fiber-content-versus-water-to-cement-ratio-relation_fig1_304663296

https://www.researchgate.net/figure/Ratios-of-flexural-strengths-of-fiber-reinforced-concrete-to-plain-concrete_fig2_348110146#:~:text=To%20achieve%20this%2C%200.3%25%2C,C)%20ratios%200.35%20and%200.45.