بتن الیافی چیست؟ معرفی انواع الیاف بتن + کاربرد

بتن جزء پرکاربردترین مصالح ساختمانی در جهان است که تقریباً در هر نوع ساختمانی به کار می‌رود. این ماده در برابر نیروهای فشاری بسیار مقاوم است؛ اما در برابر نیروهای کششی چندان قوی نیست؛ یعنی نمی‌تواند بارهای کششی زیاد را تحمل کند و ترک می‌خورد.

خوشبختانه می‌توان ساختار بتن را بر حسب شرایط و نیازهای پروژه تغییر داد و آن را به گونه‌ای طراحی کرد که عملکرد مورد نظر را ارائه دهد. بتن تقویت شده با الیاف یا «بتن الیافی» به همین منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مطلب امروز با بتن الیاف دار، ویژگی ها، انواع، کاربرد، مزایا و معایب آن آشنا می‌شوید.

بتن الیافی چیست؟

بتن الیافی (FRC) به بتنی گفته می‌شود که علاوه بر مواد تشکیل دهنده بتن (مانند سیمان، آب و سنگدانه‌ها) حاوی الیاف (مصنوعی یا طبیعی) است. بتن الیاف دار، ترکیبی از سیمان، ملات و الیاف کوتاه و مجزا است که به صورت یکنواخت در سراسر ماده پخش می‌شوند. این الیاف به مخلوط بتن اضافه می‌گردند تا ضمن افزایش مقاومت کششی و خمشی از ترک‌خوردگی جلوگیری کنند.
الیاف افزودنی بتن معمولاً بین یک تا سه درصد از حجم کل مخلوط بتن را تشکیل می‌دهند و یکپارچگی ساختاری بتن را به طرز قابل توجهی افزایش می‌دهند. با توجه به مزایای چشمگیر بتن ‌های الیافی، آنها به عنوان یک ماده ساختمانی پیشرفته، جایگاه ویژه‌ای در پروژه‌های عمرانی مختلف پیدا کرده‌اند.

عملکرد الیاف در بتن

هنگامی که الیاف به بتن اضافه می‌شوند، سه مکانیزم اصلی برای تقویت آن ایجاد می‌کنند. در وهله اول، الیاف همانند پل‌هایی عمل می‌کنند که بار را در طول ترک‌ها تحمل می‌کنند و از گسترش بیشتر آنها جلوگیری می‌کنند.این امر به افزایش مقاومت در برابر ترک و بهبود مقاومت کلی بتن منجر می‌شود. دوم آنکه الیاف با ایجاد نقاط تمرکز تنش، مانع از انتشار و بازتاب ترک‌ها می‌شوند. این تمرکز تنش در اطراف الیاف باعث می‌شود که تنش‌ها در نوک ترک‌ها کمتر متمرکز شوند و از گسترش سریع آنها جلوگیری شود.
این ویژگی باعث افزایش مقاومت و دوام بتن می‌شود. سوم آنکه الیاف بتن با مهار انقباض بتن، تشکیل ریزترک‌ها را کاهش می‌دهند و در نتیجه نفوذپذیری بتن را کاهش داده و مقاومت آن را در برابر عوامل محیطی مخرب مانند خوردگی افزایش می‌دهند. به عبارت ساده، الیاف با ایجاد پل‌های مقاوم در برابر ترک، جلوگیری از انتشار ترک‌ها و مهار انقباض به طور قابل توجهی خواص مکانیکی و دوام بتن را بهبود می‌بخشند.

انواع الیاف بتن

انواع مختلفی از بتن های الیافی وجود دارند که با استفاده از الیاف طبیعی یا مصنوعی ساخته می‌شوند. موارد زیر، رایج‌ترین انواعی هستند که در هنگام خرید الیاف بتن در دسترس شماست.

الیاف طبیعی

الیاف سلولزی (مانند کاه) و الیاف حیوانی (موی حیوانات) جزء الیاف طبیعی برای بتن محسوب می‌شوند. این مواد طبیعی با ایجاد پیوند در داخل بتن، استحکام و دوام آن را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند. امروزه با وجود پیشرفت‌های چشمگیر در تولید الیاف مصنوعی، الیاف طبیعی همچنان به عنوان یک گزینه مناسب و مقرون‌به‌صرفه برای تقویت بتن مطرح هستند.
مزایای استفاده از الیاف طبیعی در بتن، تنها به استحکام و دوام آن محدود نمی‌شود. این الیاف به دلیل تنوع و فراوانی منابع محلی در بسیاری از مناطق جهان به راحتی قابل دسترس هستند. همچنین استفاده از الیاف طبیعی به کاهش اثرات زیست‌محیطی ساخت‌وساز کمک می‌کند. با این حال، توجه به برخی محدودیت‌ها مانند جذب رطوبت بالا و تجزیه‌پذیری این الیاف در محیط قلیایی بتن نیز ضروری است.

الیاف پلیمری بتن

الیاف پلیمری جزء الیاف مصنوعی بتن دسته بندی می‌شوند و انواع مختلفی دارند که رایج‌ترین آنها شامل موارد زیر هستند:

الیاف پلی پروپیلن (الیاف PP): این الیاف سبک هستند و مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند. همچنین مقاومت بتن در برابر ترک خوردگی، ضربه و بارهای ناگهانی را افزایش می‌دهند.

الیاف پلی استر: به علت مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی، در ساخت سازه‌هایی که در معرض مواد خورنده قرار می‌گیرند به کار می‌رود.

الیاف پلی اتیلن (PE): این الیاف، جذب رطوبت پایینی دارند و برای محیط های مرطوب مناسب هستند.

الیاف پلی وینیل الکل (PVA): این الیاف مصنوعی با افزوده شدن به مخلوط بتن می‌توانند عملکرد خمشی و فشاری آن را به طور قابل توجهی بهبود بخشند؛ به ویژه هنگامی که در حجم‌های بالاتر استفاده می‌شوند. الیاف PVA دارای مقاومت کششی و مدول الاستیسیته بالایی هستند که به افزایش مقاومت بتن در برابر ترک‌ خوردگی، شکست و تغییر شکل کمک می‌کند. همچنین چسبندگی خوبی با بتن دارند و به خوبی در مخلوط بتن پخش می‌شوند.

الیاف کربن در بتن

الیاف کربن با وجود وزن سبک از استحکام بسیار بالایی برخوردارند؛ اما در عین حال شکننده هستند. معمولاً الیاف کربن به عنوان بخشی از یک ماده کامپوزیتی استفاده می‌شوند که به سازندگان امکان می‌دهد از مزایای متعدد آن بهره‌ مند شوند. این مزایا شامل سختی بالا، مقاومت کششی فوق‌العاده، وزن کم، مقاومت شیمیایی بالا، تحمل دمای بالا و انبساط حرارتی پایین است. به عبارت دیگر، الیاف کربن در برابر تغییر شکل تحت بار مقاوم هستند، می‌توانند نیروی کششی زیادی را بدون شکستن تحمل کنند، سبک هستند و وزن سازه را به طور قابل توجهی افزایش نمی‌دهند، در برابر بسیاری از مواد شیمیایی مقاوم هستند، قادرند در دماهای بالا بدون آسیب دیدن عملکرد خود را حفظ کنند و با تغییر دما، تغییر ابعاد کمی دارند.

الیاف شیشه در بتن

الیاف شیشه‌ای، به عنوان یکی از مواد تقویت‌کننده بتن، امکان ساخت سازه‌های مدرن‌تر، زیباتر و سبک‌تر را فراهم می‌کنند. بتن مسلح به الیاف شیشه  (GFRC) با استفاده از الیاف شیشه‌ای ظریف، پیوندی قوی با بتن ایجاد می‌کند. این نوع بتن به دلیل وزن سبک و قابلیت شکل‌پذیری بالا به طور گسترده در ساخت نماهای ساختمان، تزئینات معماری و قطعات پیش‌ساخته بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، توجه به این نکته ضروری است که الیاف شیشه‌ای به دلیل ماهیت شکننده خود، مقاومت ضربه‌ای بتن را به طور قابل توجهی افزایش نمی‌دهند.

الیاف فولادی

این الیاف عموماً برای افزایش چقرمگی بتن و ظرفیت تحمل بار پس از ترک‌ خوردگی استفاده می‌شوند. الیاف فولادی به ویژه در ساخت پل‌ها، تونل‌ها، روسازی جاده‌ها و فرودگاه‌ها، قطعات پیش‌ساخته بتنی و سازه‌های مقاوم در برابر انفجار و زلزله، کاربرد گسترده‌ای دارند.

بهترین الیاف برای بتن به عوامل مختلفی مانند نوع پروژه، شرایط محیطی، بودجه پروژه و خواص مورد نظر بتن بستگی دارد. اما به طور کلی، الیاف فولادی و الیاف پلی پروپیلن به عنوان پرکاربردترین و مؤثرترین الیاف بتن شناخته می‌شوند.

کاربرد بتن الیافی

بتن الیاف دار در طیف گسترده‌ای از پروژه‌های ساختمانی و زیرساختی استفاده می‌شود؛ از جمله:

کاربردهای سطحی و سازه‌ای:

•   پیاده‌روها و کف ساختمان‌ها: به منظور مقاومت در برابر سایش و ترک‌خوردگی
•   پی‌ریزی زیرزمین‌ها: برای افزایش استحکام و دوام
•    ستون‌های ساختمان و تیرهای نگهدارنده: با هدف تقویت سازه‌های باربر
•    پل‌ها: برای افزایش مقاومت در برابر بارگذاری و شرایط محیطی
•   جاده‌ها: به دلیل افزایش دوام و مقاومت در برابر ترافیک سنگین

کاربردهای زیرساختی و خدمات عمومی:

•   لوله‌های زهکشی، مخازن سپتیک و سیستم‌های فاضلاب: به خاطر مقاومت در برابر خوردگی و نفوذ آب
•   آب‌راه‌های کشاورزی، حوضچه‌ها و استخرها (شاتکریت): به منظور مقاومت در برابر نفوذ آب و فشار هیدرولیکی

کاربردهای پیش‌ساخته و تزئینی:

•   تایل‌های سقفی و ورق‌های سیمانی نازک: برای تولید قطعات سبک و مقاوم
•   قطعات پیش‌ساخته و شکل‌های آماده: به منظور تولید قطعات با اشکال پیچیده و سفارشی
•   مقبره‌های زیرزمینی و گاوصندوق‌ها: برای افزایش امنیت و دوام

میزان مصرف الیاف در بتن

انتخاب مقدار مناسب الیاف برای افزودن به بتن، تأثیر مستقیمی بر خواص مکانیکی و دوام بتن دارد و باید با در نظر گرفتن شرایط پروژه و استانداردهای مربوطه انجام شود. میزان مصرف الیاف در بتن به عوامل متعددی از جمله نوع الیاف، کاربری سطح بتن، میزان بار وارده، عیار بتن، نوع زیرسازی، ضخامت بتن‌ریزی، بار دینامیکی، کیفیت سطح و مشخصات هندسی الیاف بستگی دارد. الیاف باید در میکسر به بتن اضافه شوند؛ اما می‌توان آنها را در انتهای فرآیند به آب طرح اختلاط نیز اضافه کرد. با توجه به نوع و عملکرد مورد نظر کارفرما، میزان مصرف الیاف در بتن از ۰٫۶ تا ۳ کیلوگرم در هر متر مکعب متغیر است.

طرح اختلاط بتن الیافی

طرح اختلاط بتن الیافی با وجود شباهت‌های کلی به بتن‌های معمولی، نیازمند دقت بیشتری در تنظیم نسبت مواد است؛ زیرا حضور الیاف در مخلوط بتن، به ویژه در مقادیر و طول‌های بالا می‌تواند کارایی و روانی آن را به طور قابل توجهی کاهش دهد. معمولاً حجم الیاف مورد استفاده در بتن، بین ۰٫۱ تا ۲ درصد کل حجم بتن متغیر است؛ اما این مقدار باید با توجه به نوع الیاف و شرایط پروژه به دقت محاسبه و تنظیم شود. برای جبران کاهش کارایی ناشی از حضور الیاف لازم است اصلاحاتی در طرح اختلاط بتن اعمال شود. این اصلاحات شامل کاهش میزان شن، افزایش میزان سیمان و ماسه، استفاده از فوق روان‌کننده‌ها و کاهش حداکثر اندازه شن است. خصوصا کاهش میزان شن ، یکی از مؤثرترین روش‌ها برای حفظ کارایی بتن الیافی است.

در طراحی ترکیب مواد بتن الیافی، رابطه‌ای خطی بین کاهش درصد وزنی سنگ‌دانه درشت و درصد حجمی الیاف وجود دارد که با فرمول V(L/d) نشان داده می‌شود. بر اساس این رابطه، برای مقادیر V(L/d) بین ۲۰ تا ۷۰ لازم است میزان سنگ‌دانه درشت در مخلوط بتن بین ۵ تا ۲۰ درصد کاهش یابد تا روانی و کارایی بتن الیاف به سطح قابل قبولی برسد. همچنین به منظور اندازه‌گیری دقیق روانی و کارایی بتن الیاف دار، استفاده از آزمایش‌های اسلامپ معکوس یا آزمایش وی-بی، به جای آزمایش اسلامپ استاندارد توصیه می‌شود. این آزمایش‌ها، اطلاعات دقیق‌تری در مورد رفتار بتن الیافی در شرایط مختلف فراهم می‌کنند.

ساخت بتن الیافی

برای دستیابی به بتن الیافی با عملکرد مطلوب و توزیع یکنواخت الیاف، دو رویکرد اصلی برای افزودن الیاف به مخلوط بتن وجود دارد. در رویکرد نخست پس از تهیه کامل بتن، الیاف به صورت تدریجی به آن اضافه می‌شوند. پس از اضافه شدن تمامی الیاف، دستگاه مخلوط‌کن باید به مدت حدود پنج دقیقه با سرعت پایین بچرخد تا الیاف به صورت یکسان در کل مخلوط پخش شوند. رویکرد دوم شامل اضافه کردن الیاف همزمان با سنگدانه‌ها به دستگاه مخلوط‌کن و سپس افزودن سایر اجزای مخلوط مانند سیمان و ماسه است. انتخاب هر یک از این رویکردها به عوامل متعددی از جمله نوع الیاف، تجهیزات موجود و شرایط پروژه بستگی دارد.

مزایای بتن الیافی

استفاده از بتن الیافی در پروژه‌های ساختمانی در مقایسه با بتن معمولی یا تقویت بتن با میلگرد فولادی، مزایای منحصر به فردی دارد؛ از جمله:

کاهش یا جلوگیری از ترک‌های اولیه: الیاف بتن به کنترل ترک‌های ناشی از انقباض کمک می‌کنند، زیرا با تبخیر آب از مخلوط بتن، سطح رطوبت تغییر می‌کند.

دوام و استحکام: افزودن الیاف، دوام کلی بتن را افزایش می‌دهد، به کاهش سطح خوردگی و آسیب ناشی از حفره‌زایی کمک می‌کند و در مقایسه با بتن غیر مسلح، مقاومت کششی بالاتری دارد.

بهبود شکل‌پذیری: بتن الیاف دار کمتر در معرض آسیب ناشی از تنش کششی بالا قرار می‌گیرد.

جایگزینی برای میلگرد: بسته به سازه، الیاف می‌توانند جایگزین میلگرد فولادی شوند یا به بتن مسلح شده با فولاد اضافه شوند و میزان فولاد مورد نیاز را کاهش دهند. این امر می‌تواند به کاهش هزینه کلی پروژه نیز کمک کند.

معایب استفاده از الیاف در بتن

بتن تقویت شده با الیاف علی رغم مزایای قابل توجه خود، معایبی نیز دارد؛ از جمله:

نیاز به اختلاط دقیق: الیاف باید به طور یکنواخت در بتن پخش شوند؛ زیرا اختلاط نادرست باعث تجمع الیاف و ناهمگونی می‌شود.

هزینه بالا: قیمت بتن الیاف دار نسبت به بتن معمولی بالاتر است.

افزایش وزن: افزودن الیاف، وزن بتن را افزایش می‌دهد که این مسئله باید در طراحی سازه لحاظ شود.

قیمت الیاف بتن

الیاف بتن قیمت های متفاوتی دارند. قیمت بتن الیافی با در نظر گرفتن عوامل متعددی مانند نوع الیاف، کیفیت، مقدار مورد نیاز، شرکت تولیدکننده و شرایط بازار تعیین می‌شود. به طور کلی الیاف فولادی به دلیل استحکام و دوام بالا، گران‌ترین نوع الیاف بتن هستند. الیاف طبیعی نیز به دلیل فراوانی و فرآوری ساده‌تر قیمت پایین‌تری دارند. برای کسب اطلاعات دقیق درباره انواع بتن الیافی و قیمت آنها با مراکز فروش الیاف بتن و فروشندگان مصالح ساختمانی تماس بگیرید و قیمت‌های روز را استعلام کنید.

منابع

https://atlantisfiber.com/advantages-of-fiber-reinforced-concrete/

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

https://bisley.biz/news/what-are-the-fibres-used-in-concrete/