بتن الیافی

تاریخچه :

همان طور که می دانیم گسیختگی مواد که به وسیله سیمان تهیه شده ومی شکنند به علت ترد بودن ان می باشد همان طور 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 خوردگی در پل و دیوار های نما از این بتن الیافی خیلی استفاده می کنند. همچنین امروزه علم نانو نیز به کمک بتن الیافی و
صنعت ساختمان امده وامروزه استفاده از انواع پلیمر و الیاف در بتن به وسیله علم نانو رونق 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 است. 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 اس تفاده از این دانش درصنعت ساختمان می باشد یکی دیگر از اختراعات در ژاپن جلوگیری از یخ زدگی بتن الیافی به وسیله علم نانو می باشد.

مقدمه

تاكنون مشخص شده است كه انواع اليافها مي توانند ظرفيت كرنش مقاومت دربرابر ضربه ميزان جذب انرژي مقاومت سايشي و مقاومت كششي بتن را افزايش دهند. بطور كلي براي كاربرد در سازه الياف فولادي ميتواند نقش مكملي براي ميلگرد داشته باشد. الياف فولادي با پخش تركها مقابله ميكنند و مقاومت بتن را در برابر خستگي، ضربه، جمع شدگي وتنشهاي حرارتي افزايش داده و بتن در همه مدهاي شكست روي خواص مكانيكي بتن تاثير مثبت ميگذارد.از اهم متغيرهايي كه بر خواص بتن با الياف فولادي اثر ميگذراند ميتوان به خواص ماتريس بتن بازدهي الياف و مقدار الياف اشاره كرد.تكنولوژي بتن پرمقاومت توسعه اي جديد در صنعت ساخت سازه هاي بتني محسوب ميشود. در بتن سخت شده مقاومت و دوام دو عامل اصلي بوده وهر چه مقاومت فشاري بتن بیشتر مي شود بتن تردتر شده ودر نتيجه مقاومت كششي آن به نسبت افزايش مقاومت فشاري افزايش نمي يابد و نيز از تحمل كرنش پايينتر برخوردار است بدين دليل نياز به استفاده از الياف در بتن پرمقاومت كاملا مشهود است جهت افزايش مقاومت كششي و جلوگيري از گسترش ترك و بويژه افزايش نرمي از الياف در بتن استفاده ميشود. مقدار افزايش با تغيير اين مقاومت ها بستگي به مقاومت بتن بدون الياف شكل الياف ودرصد الياف دارد

بتن پرمقاومت شامل الياف فولادي، تركيبي است از سيمان، مصالح سنگي، آب، فوق روان كننده، دوده سيليس وهمچنين درصدي از الياف فولادي كه بطور درهم و كاملا اتفاقي ودر جهات مختلف در مخلوط پراكنده شده است. وجود الياف فولادي مشخصات مکانيکی بتن را نسبت به حالت بهبود مي‌بخشد. بتن پرمقاومت يك ماده ترد وشكننده است در حاليكه افزودن الياف فولادي به بتن پرمقاومت سبب بهبود رفتار ترد بتن وتغييرمد شكست آن مي‌گردد. مزاياي بتن اليافي در مقايسه با بتن بدون الياف را مي توان بطور خلاصه بشرح ذيل بيان داشت

1. مقاومت د‍ر مقابل تورق وسايش
2. مقاومت در مقابل تنش هاي خستگي
3. مقاومت عالي در مقابل ضربه
4. قابليت كششي وظرفيت زياد تغيير شكل نسبي
5. قابليت باربري بعد از ترك خوردگي
6. افزايش در ميزان جذب انرژي

قابليت انعطافي كه بتن اليافي دارد همانند خواص مواد پلاستيكي باعث مي شود كه بتن اليافي گسيختگي ناگهاني نداشته باشد. از آنجا كه الياف فولادي در جسم بتن در همه جهات پراكنده مي شود در صورت تشكيل يك ترك در جهات مختلف الياف اتصالاتي را بوجود آورده و از گسترش ترك جلوگيري مي نمايد. بنابراين رشته هاي الياف بطور فعال در محدود كردن عرض ترك وارد عمل شده و با تشكيل ريز تركهاي زياد قابليت بهره برداري بتن را افزايش مي 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 الياف و الياف فولادي

انواع اليافي كه در بتن استفاده مي شود و در اشكال و اندازه هاي مختلفي توليد مي شود عبارتند از الياف شيشه اي ، الياف پلاستيكي و الياف فولادي . پارامتر مناسب كه يك رشته از الياف را تعريف مي كند نسبت ظاهري مي باشد كه نسبت طول الياف به قطر معادل الياف است. مقدار نسبت هاي ظاهري (l/d) معمولاٌ بين 30 تا 100 است . در اين تحقيق الياف فولادي با نسبت(l/d) برابر 80 و 100 استفاده گرديد.

مكانيزم عملكرد الياف در بتن

بطور كلي براي كاربرد در سازه الياف فولادي مي توانند نقش مكملي براي ميلگرد داشته باشند.الياف فولادي با پخش تركها مقابله مي كنند و مقاومت بتن را در برابر خستگي ضربه جمع شدگي وتنشهاي حرارتي افزايش مي دهند.

الياف فولادي مي توانند در همه مدهاي شكست روي خواص مكانيكي بتن تاثير بگذارند‌‌(1،2،3)

مكانيزم تقويت را مي توان بصورت زير توجيه كرد:

تنشها بوسيله برش محيطي ودر صورتيكه رويه الياف آجدار باشد بوسيله مقاومت چسبندگي (درون سطحي) از ماتريس به الياف منتقل مي شود. بنابراين مادامي كه ماتريس بتن ترك نخورده است،تنش كششي بين الياف و ماتريس تقسيم مي شود. پس از ايجاد ترك، همه تنش به الياف انتقال مي يابد.

مهمترين متغيرهايي كه بر خواص بتن با الياف فولادي اثر مي گذارند عبارتند از:خواص ماتريس بتن ، بازدهي الياف ومقدار الياف .بازدهي الياف بوسيله مقاومت الياف در برابر بيرون كشيده شدن از مخلوط كنترل مي شود اين مقاومت به چسبندگي بين الياف و ماتريس بستگي دارد .براي الياف با مقطع ثابت اين مقاومت با افزايش طول ،افزايش مي يابد .بنابراين هر قدر طول بيشتر باشد اثر آنها در بهبود خواص ماتريس بيشتر خواهد بود چون مقاومت در برابر بيرون كشيده شدن متناسب با سطح مقطع دو جسم مي باشد .

معمولا الياف با سطح مقطع گرد و قطر كوچك بيشتر از الياف با سطح مقطع گرد و قطر بزرگتر بازدهی دارند. اين امر به اين خاطر است كه الياف دسته اول سطح بيشتری در واحد حجم دارا مي باشند بنابراين هر چه سطح تماس الياف بيشتر باشد (و يا به عبارت ديگر قطر آنها كوچكتر باشد) بازده چسبندگي آنها بيشتر خواهد بود بنابراين روشن مي شود كه نسبت طول به قطر الياف بايد به اندازه اي بزرگ باشد كه در هنگام شكست ماتريس ، الياف به حداكثر مقاومت كشش خود نزديك باشند، با این وجود در عمل اين كار معمولا ممكن نيست .

بسياري از محققين نشان داده اند (7) در صورتيكه از روشهاي عادي اختلاط استفاده شود الياف با نسبت طول به قطر بيشتر از100 باعث كم شدن كارآيي بتن به مقدار قابل ملاحظه اي مي شوند و يا بطور نا همگون در بتن توزيع مي گردند .

دالها

بيشترين كاربردهاي بتن مسلح به الياف بويژه الياف فولادي تاكنون در دالها , عرشه پلها , كف سازي فرودگاهها , پاركينگها و محيطهاي در معرفي كاويتاسيون و فرسايش بوده است . در پل سازي مهمترين كاربرد ان در سطوحي بوده كه در معرض خوردگي و فرسايش قرار دارند .

دالهاي روي بستر

در مورد دالهاى روى بستر , نمونه هايي كه خوب بررسي شده باشند اندك هستند. اما در جاهايي كه دال بتني مسلح به الياف فولادي تحت تاشير عبور و مرور اتوبوسهاي سنگين قرار دارد , مشخص شده است كه اين نوع دال , با ضخامتي در محدود 60 تا 75 درصد دالهاى غيرمسلح , عملكردي مشابه آنها دارند با استفاده از اين نوع بتن , پوشش باند فرودگاهها را ميتوان به نحو قابل ملامحظه اى ( 20 تا 60 درصد) نازكتر از پوششهاي بتني غير مسلح مشابه اجرا كرد. خستگي خمشي عامل مهمي است كه بر عملكرد كفسازى اثر مي گذارد , اطلاعات موجود نشان ميدهد كه الياف , مقاومت بتن را در برابر خستگي به نحو قابل ملاحظه اي افزايش مي دهند .

دالهاي سازه اي سقفها

براى دالهاي كوچك , براساس نظريه خط سيلان , يك روش طراحي ارايه شده است كه بر نتايج حامل از ازمايش دالهاى دو طرفه بتنى متكى است . ولي برون يابي نتايج كار و اعمال انها بر دالهاي بزرگتر , به شدت نهى شده است .

عرشه پلها

استفاده از نمكهاي يخ زدا موجب انهدام عرشه پلها مي شود. بتن اليافي گرچه نمي تواند مانع از نفوذ اين نمكها شود ولي با محدود نگاه داشتن تعداد و عرض تركها ميتوان از گسترش دامنه اين انهدام جلوگيري كرد.

تيرها :

خمش در تيرها

در اين زمينه , هم براى تيرهايي كه تنها به الياف مسلح شده اند و هم در مورد تيرهايي كه از تركيب الياف و آرماتور در آنها استفاده شده , فرمولها و معادلاتي ارائه گرديده است . در مورد تيرهاي كه فقط به الياف مسلح باشند , معادلات مذكور ارزش عملي چنداني ندارند و تنها در مورد تيرهاي كوچك (10×10×35 سانتيمتري) و اعضاي فرعي سازه ها كاربرد دارند . اما در زمينه تيرهاي مسلح به تركيب الياف و آرماتور معادلات , طرح شده با توجه به استفاده از مقاومت كششي افزايش يافته بتن كه به كمك آرماتور كششي مي آيد , قادرند مدل مناسبي از تير به دست دهند. از جمله اين معادلات , روابط پشنهادي است كه مشابه معادلات روش طراحي بر اساس مقاومت نهايي ACI است .

اتصالات تير- ستون

مطالعات اخير روي اتصالات تير- ستون مقاوم در برابر زلزله با استفاده از الياف فولادي به جاي بخشي از ميلگردهاي حلقوي , حاكي از بهبود قابل ملاحظه مقاومت , نرمي و جذب انرژي اتصال است .

ملاحظات مربوط به خستگي خمشي

تحقيقات اخير نشان مي دهد كه افزودن الياف به تيرهاي بتني مسلح به ميلگرد عمر خستگي را و تغيير مكانها و عرض تركها را كاهش مي دهد. بر اساس اين تحقيقات نتيجه گرفته مي شود كه اثر مفيد الياف با افزايش ميزان ميلگردها كاهش مي يابد.

برش در تيرها

داده هاي آزمايشگاهي زيادي كه در دست هستند نشان ميدهند كه الياف اساساً ظرفيت برشي (مقاومت كششي قطري) تيرهاي بتني را افزايش مي دهند. به كار بردن الياف به جاي خاموتهاي قائم يا ميل گردهاي خم شده يا براي كمك به آنها مزاياي چندي را ايجاد مي كند كه عبارتند از :

الف - الياف در حجم بتن به طور يكنواخت توزيع شده و خيلي بيشتر از ميلگرد هاي تقويتي برشي به يكديگر نزديك هستند .

ب - مقاومت كششي در نخستين ترك و مقاومت كششي نهايي هر دو توسط الياف افزايش مي يابند .

ج - مقاومت برشي اصطكاكي افزايش مي يابد.

با استفاده از الياف داراي انتهاي آجدار مي توان از انهدام فاجعه آميز تيرهاي بتني در اثر كشش قطري جلوگيري كرد. برخي از پژوهشگران تحليل هايي ارائه داده اند كه نشان مي دهد الياف مي توانند از لحاظ اقتصادي جايگزين خاموتها شوند الياف داراي انتهاي چين خورده مي توانند به افزايشي چشمگير در مقاومت برشي منجر شود . در برخي آزمايشها اين افزايش حتي به 100 درصد بالغ گرديده است .

اخيرا بر اساس نتايج آزمايشگاهي روي 7 تير داراي الياف كه چهار تير آن خاموت هم داشته اند معادله زير جهت برآورد V_cf پيشنهاد شده است .

V_cf=2/3Ft(d/a)^0.25

Ft مقاومت كششي بتن است كه از نتايج كشش مستقيم استوانه هاى 6×12 اينچي (15×30 سانتيمتري) به دست مي ايد..

( d/a ) نسبت عمق مؤثر به دهانه برشي است . اثرات انواع مختلف الياف از طريق پارامتر Ft در معادله بررسي مي شود. روش طراحي پيشنهاد شده همان طريق ACI 318 را در مورد محاسبه سهم خاموت در ظرفيت برشي دنبال مي كند كه به آن نيروي مقاوم بتن نيز كه بر اساس تنش برش معادله بالا محاسبه مي شود اضافه ميگردد.

برش در دالها

مطالعات اخير نشان داده اند كه با افزودن الياف فولادي قلابدار به ارماتور در دالهاي بتني مسلح ,مقاومت برشي انها بسته به درصد الياف تا 42 درصد افزايش يابد.

شات كريت

شات كريت (بتن پاشى) داراي الياف فولادي در ساختن سازه هاي گنبدي شكل , پوشش دادن , پايداري سنگريزه ها , تعمير بتن فرسوده و غيره به كار مي رود. طرح سازه ها به همان طريق سازه هاي مرسوم مورت مي گيرد , فقط مشخصات بهبود يافته فشاري , برشي و كششي بتن اليافي در محاسبات وارد ميشوند.

فرسايش در اثر كاويتاسيون

بتن مسلح به الياف فولادي براى تعمير آبروهاي خروجي , حوضچه هاي ارامش سرريزها و قسمتهاي ديگر بعضي از سدها به كار رفته است . در هر مورد از زمان تعمير تاكنون , با وجود ارتفاع زياد اين سدها و شگرف بودن قدرت آب خروجي بتن اليافي به بهترين نحو پايداري كرده است .

كاربردهاي ديگر

بتن مسلح به الياف و بويژه فولادي در بسياري از جاهاي ديگر نيز به كار رفته كه روشهاي طراحي خاص و روشني نداشته اند. به طور مثال اين موارد شامل : پياده روها , حفاظت خاكريزها , پي ماشين الات , پوشش آدم روها , سدها , پوشش نهرها , تانكهاي ذخيره مواد و اعضاي پيش ساخته نازك مي شود. مسلما با گذشت زمان و انجام تحقيقات بيشتر و كاملتر , موارد استفاده از اين نوع بتن متنوع تر و كاربرد آن نيز رايج تر خواهد شد.

استفاده و كاربرد بتن اليافي در ايران

بر اساس مطالب ياد شده بتن اليافي با مزاياي ويژه خود مي تواند كاربردهاي وسيعي داشته باشد , ليكن جهت به كار گيري آن در ايران لازم است كه دو نكته اساسي در نظر باشد.

مورد اول :

لازم است كه حداقل مقاومتي براى بتن در كليه سازه هاي بتني اعمال شود , كه اين خود در كيفيت بتن , بدون واردكردن هيچ گونه اليافي نقش موثر دارد. بدين معني كه بايد اول كيفيت بتن بدون الياف را ارتقا دهيم .

مورد دوم :

نظر به اينكه بايد از پديده «گلوله شدن» در بتن اليافي جلوگيري به عمل ايد , لذا لازم است نحوه صحيح مخلوط كردن الياف با بتن و همچنين استفاده از روان سازها جهت افزايش كارايى فراهم ايد . لازم است به اين صنعت نو پا با كاربردهاي فراوان , توجه بيشتري معطوف شود و الياف مختلف اعم از مصنوعي (مانند الياف پلي پروپيلن) و فولادي , به شكل مطلوب و با كيفيت مناسب ساخته شوند. سرمايه گذاري جهت ساخت الياف و اينكه صنعت پتروشيمي به ساخت الياف پلي پروپيلن و صنعت فولاد به ساخت الياف فولادي مبادرت ورزند, ميتواند راه گشا باشد

تكنولوژی بتن الیافی نمونه دیگری از كاربرد كامپوزیت ها به عنوان یك فن آوری نوین در صنعت ساخت و ساز می باشد. بدین منظور مطلب حاضر سعی در معرفی این تکنولوژی خواهد داشت.
از جمله مواد جدیدی كه جایگاه ویژه ای در ساخت و ساز به خود اختصاص داده، افزودني‌های بتن و الیاف تقویت كننده می باشد. استفاده از افزودنی های بتن باعث بهبود خواص مطلوب بتن، همچون مقاومت آن می گردد و در بعضی موارد با كاهش وزن بتن، مصالح بسیار سبكی را فرا راه مهندسین بنا قرار می دهد. بدون بهره گیری از این افزودنی ها بنای برج بزرگ میلاد در شهر تهران امكان پذیر نمی بود. الیاف تقویت كننده نیز از دیگر مواد عصر حاضر هستند كه كاربرد های فراوانی در قسمت های مختلف ساختمان یافته اند. این الیاف كه بیشتر شامل الیاف شیشه، پلی پروپیلن و گاه كربن نیز می شود، در ساخت انواع بتن های الیافی كاربرد فراوان دارد. همچنین از الیاف شیشه می توان در تولید آرماتورهای سبك و بسیار مقاوم در برابر خوردگی بهره برد. این الیاف جایگاه نسبتاً مناسبی در تعمیر بناها و تقویت سازه های صدمه دیده دارند و می توانند مقاومت پیچشی و برشی مناسبی پدید آورند. علاوه بر اینها از ورقه های پارچه‌ای فایبر گلاس نیز در تقویت انواع قطعات ساخته شده از بتن مسلح می توان استفاده نمود.

بتن الیافی در حقیقت نوعی كامپوزیت است كه با بكارگیری الیاف تقویت كننده داخل مخلوط بتن، مقاومت كششی و فشاری آن، فوق العاده افزایش می یابد. این تركیب كامپوزیتی، یكپارچگی و پیوستگی مناسبی داشته و امكان استفاده از بتن به عنوان یك ماده شكل پذیر جهت تولید سطوح مقاوم پرانحنا را فراهم می آورد. بتن الیافی از قابلیت جذب انرژی بالایی نیز برخوردار است و تحت اثر بارهای ضربه ای به راحتی ازهم پاشیده نمی شود. شاهد تاریخی این فن آوری، كاربرد كاهگل در بناهای ساختمان است. در واقع بتن الیافی نوع پیشرفته این تكنولوژی می باشد كه الیاف طبیعی و مصنوعی جدید، جانشین كاه، و سیمان جانشین گل بكار رفته در كاهگل شده است. امروزه با استفاده از الیاف شیشه، پلی پروپیلن، فولاد و بعضاً كربن، تولید انواع بتن های كامپوزیتی در كاربردهای مختلف صنعتی ممكن گردیده و بكارگیری آنها در كشورهای پیشرفته دنیا مورد قبول صنعت ساختمان واقع شده است.

موارد استفاده و محدودیت های كاربرد بتن الیافی

هر فن آوری همواره كاربرد ها و محدویت های خاص خود را دارد. بتن الیافی خواص مناسبی همچون شكل پذیری بالا، مقاومت فوق العاده، قابلیت جذب انرژی و پایداری در برابر ترك خوردن را دارا می باشد كه متناسب با آنها می توان موارد كاربرد فراوانی برای آن یافت. بطور مثال در ساخت كف 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 شكل گرفته از بتن، قابلیت فوق العاده ای در جذب انرژی ضربه دارد. همچنین در ساخت باند فرودگاه ها به خوبی می توان از این نوع بتن كمك گرفت. موارد دیگری از بكارگیری این بتن، ساخت قطعات پیش ساخته ساختمانی همچون پانل ها و یا پاشش بتن روی سطح انحنای یك 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 كه نحوه قرار گرفتن الیاف داخل بتن، كاملاً 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 شبكه بندی فولادی به صرفه تر و مناسب تر می باشد. لازم است به این نكته توجه شود كه ناكارآمدی یك تكنولوژی جدید، نباید مانع نادیده گرفتن كاربردهای مناسب و نقاط قوت آن گردد.

توجیه اقتصادی بتن الیافی
باید اعتراف كرد كه استفاده از بتن الیافی در همه موارد از بتن سنتی به صرفه تر نمی باشد. اما بر اساس برآورد هایی كه توسط بعضی از متخصصین كشور انجام گرفته است، در جاهایی كه سرعـــت اجرای بالا مدنظر است و یا نیاز به پاشــــش بتن (شات كریت) روی سطوح ویژه ای است، استفاده از این نوع بتن توصیه می گردد.

پیوست :

آيا استفاده از تكنولوژي بتن اليافي در صنعت ساختمان اقتصادي است(ديدگاه دكتر خالو)

تكنولوژي "بتن­اليافي" نمونة ديگري از كاربرد كامپوزيت‌ها به‌عنوان يك فناوري نوين در صنعت عمران و ساخت‌وساز مي‌باشد. در گفتگويي با دكتر عليرضا خالو عضو هيئت علمي دانشگاه صنعتي شريف به بررسي اين تكنولوژي پرداخته شده است:

سوال: با تشكر از فرصتي كه در اختيار ما گذاشتيد، به‌نظر شما تكنولوژي­هاي نويني كه توجه به آنها، نياز حياتي صنعت ساختمان كشور محسوب مي­گردد، كدام‌ها هستند؟

دكتر خالو: محورهاي سه گانة زير را مي­توان به عنوان مهمترين فناوري­هايي كه لازم است مورد توجة دست‌اندركاران صنعت ساختمان كشور واقع شود، برشمرد:

الف) روش­هاي سبك­سازي بنا:

كشور ما و بالاخص پايتخت بزرگ آن در منطقه­اي زلزله‌خيز قرار دارد. همانطور كه مي­دانيد ميزان خسارات و خرابي­هاي وارد بر يك بنا در اثر تكان­هاي زلزله، با وزن آن بنا رابطة مستقيم دارد. هر چه بنا سنگين­تر ساخته شود، در برابر خطر ويراني زلزله آسيب­پذيرتر خواهد بود. بنابراين هر اندازه كه با بهره­گيري از فناوري‌هاي نوين وزن يك ساختمان را كاهش دهيم، سازه در برابر ويراني ايمن‌تر خواهد بود. به طور مثال مي­توان ازپانل­هاي ساندويچي و يا قطعات سبك پيش‌ساخته در ساخت بنا كمك گرفت. در يك ساختمان، اعضايي مانند ديوارهاي تيغه­اي‌شكل نازك وجود دارد كه وظيفة آنها تنها جدا كردن فضاي اتاق­ها از همديگر است و مسئله مقاومت و تحمل بار در مورد آنها، در درجة بعدي اهميت قرار دارد. در ساخت اين گونه اعضا مي­توان به جاي استفاده از مصالح سنگين سنتي، از مصالح سبك جديد همچون سفال يا بتن­هاي سبك كمك گرفت و يا قطعات سبك پيش‌ساخته را به خدمت گرفت.

ب) روش­هاي توليد سريع و اصولي بنا:

امروزه استفاده از سازه­هاي پيش‌ساخته يكي ازسريع­ترين و اصولي­ترين روش‌هاي ساخت بنا و پاسخگويي به نياز بالاي افراد جامعه به انبوه‌سازي مسكن مي­باشد. از انجا كه حجم اصلي بنا به شكل قطعات از پيش‌ساخته‌شده در محيط مناسب كارخانه و با استانداردهاي صنعت ساختمان توليد مي­شود، بناي نهايي از كيفيت و يكپارچگي بالايي برخوردار است. از سويي به‌علت سبكي خاص بنا، ساختار سازه­اي ويژه آنها و اتصال مناسب اجزاي سازه، ساختمان مي­تواند شكل خود را در تكان‌هاي بسيار شديد نيز تا حد زيادي حفظ نمايد. استفاده از اين تكنولوژي سال‌ها است كه در بسياري از كشورهاي پيشرفتة دنيا مورد توجه صنعت عمران واقع شده است و از مهمترين روش‌هاي انبوه‌سازي مسكن به شمار مي­آيد. اما متأسفانه در كشور ما چنان كه بايد از اين فناوري استقبال نشده استو لازم است تا مورد توجه مسئولين، سياستگذاران و صنعتگران قرار گيرد.

ج- بهره­­گيري از مواد جديد

از جمله مواد جديدي كه جايگاه ويژه‌اي در ساخت‌وساز بنا به خود اختصاص داده‌اند، افزودني­هاي بتن و الياف تقويت‌كننده را مي­توان نام برد. استفاده از افزودني­هاي بتن باعث بهبود خواص مطلوب بتن همچون مقاومت مي­گردد و در بعضي موارد با كاهشوزن بتن، مصالح بسيار سبكي را فرا راه مهندسين سازنده بنا قرار مي­دهد. بدون بهره­گيري از اين افزودني­ها بناي برج بزرگ ميلاد در شهر تهران امكان‌پذير نمي­بود.

الياف تقويت‌كننده نيز از ديگر مواد عصر حاضر هستند كه كاربردهاي فراواني در قسمت‌هاي مختلف ساختمان يافته­اند. اين الياف كه بيشتر شامل الياف شيشه، پلي‌پروپيلن و گاه كربن نيز مي­شود، در ساخت انواع بتن‌هاي اليافي كاربرد فراوان دارند. همچنين از الياف شيشه در توليد آرماتورهاي سبك و بسيار مقاوم در برابر خوردگي نيز بهره­ مي­گيرند. اين الياف، جايگاه نسبتاً مناسبي در تعمير بناها و تقويت سازه­هاي صدمه­ديده دارند و مي­توانند مقاومت پيچشي و برشي مناسبي را پديد آورند. علاوه بر اينها از ورقه­هاي پارچة فايبرگلاس در تقويت انواع قطعات ساخته­شده از بتن مسلح مي­توان استفاده نمود.

سوال: در مورد تكنولوژي "بتن اليافي" كه اشاره كرديد توضيح بيشتري بدهيد؟

دكتر خالو:بتن اليافي در حقيقت نوعي كامپوزيت است كه با به كارگيري الياف تقويت­كننده داخل مخلوط بتن، مقاومت كششي و فشاري آن، فوق‌العاده افزايش مي­يابد. اين تركيب كامپوزيتي، يكپارچگي و پيوستگي مناسبي داشته و امكان استفاده از بتن به عنوان يك مادة شكل­پذير جهت توليد سطوح مقاوم پرانحنارا فراهم مي­آورد. بتن اليافي از قابليت جذب انرژي بالايي نيز برخوردار است و تحت اثر بارهاي ضربه­اي به راحتي از هم پاشيده نمي­شود. شاهد تاريخي اين فناوري، كاربرد كاهگل در بناي ساختمان است. در واقع بتن اليافي نوع پيشرفتة اين تكنولوژي مي‌باشد كه الياف طبيعي و مصنوعي جديد، جانشين كاه و سيمان جانشين گل به كار رفته در تركيب كاهگل شده‌اند .

امروزه با استفاده از انواع الياف شيشه، پلي‌پروپيلن، فولاد و بعضاً كربن، توليد انواع بتن­هاي كامپوزيتي در كاربردهاي مختلف صنعتي ممكن گرديده و به‌كارگيري آنها دركشورهاي پيشرفتة دنيا مورد قبول بخش ساختمان و عمران واقع شده است.

سوال: موارد استفاده و محدوديت­هاي كاربري اين نوع تركيب كامپوزيتي كدام‌ها هستند؟

دكتر خالو:هر فناوري همواره كاربردها و محدوديت­هاي خاص خود را دارد.بتن اليافي خواص مناسبي همچون شكل‌پذيري بالا، مقاومت فوق‌العاده، قابليت جذب انرژي و پايداري در برابر ترك خوردن را دارا مي­باشد كه متناسب با آنها مي­توان موارد كاربرد فراواني براي آن يافت. به طور مثال در ساخت كف سالن‌هاي صنعتي، مي­توان از اين نوع بتن به جاي بتن آرماتوري متداول سود جست اين نوع بتن از بهترين مصالح مورد استفاده در ساخت بناهاي مقاوم‌به‌ضربه، همچون سازه پناهگاه­ها و انبارهاي نگهداري مواد منفجره به شمار مي­رود و بناي شكل گرفته از بتن، قابليت فوق­العاده­اي در جذب انرژي ضربه دارد. همچنين در ساخت باند فرودگاه­ها به خوبي مي­توان از اين نوع بتن كمك گرفت. موارد ديگري از به كارگيري اين بتن، ساخت قطعات پيش ساخته ساختماني همچون پانل­هاي سايبان و يا پاشش بتن روي سطوح انحنا‌دار همچون تونل­ها مي­باشد. به‌كارگيري اين بتن در بناي يك سازه علاوه بر موارد ياد شده از مزايايي همچون عايق بودن سازه در برابر صدا و سرعت بالاي اجرا نيز برخوردار است.

اما از آنجا كه نحوه قرار گرفتن الياف داخل بتن كاملاً تصادفي مي­باشد، از اين بتن معمولاً نمي­توان به نحو مطلوبي در ساخت تيرها و ستون‌ها بهره گرفتو در اين نوع سازه­ها استفاده از روش سنتي و شبكه­بندي فولادي به‌صرفه­تر و مناسب­تر مي­باشد. لازم است به اين نكته توجه شود كه ناكارآمدي يك تكنولوژي جديد در نقاط ضعف خود نبايد مانع ناديده گرفتن كاربردهاي مناسب آن در نقاط قوت آن و عدم توجه به آن گردد.

سوال: آيا روي آوردن به تكنولوژي بتن اليافي در مقايسه با بتن‌هاي سنتي متداول، صرفه اقتصادي دارد؟

دكتر خالو:بايد اعتراف كرد كه استفاده از بتن اليافي در همة موارد از بتن سنتي به‌صرفه­تر نمي­باشد. اما بر اساس برآوردهايي كه توسط بعضي متخصصين كشور انجام گرفته است، در جاهايي كه سرعت اجراي بالا مد نظر است و يا نياز به پاشش بتن (شات­كريت) روي سطوحي است كه شبكه‌بندي‌‌هاي سنتي مشكل و زمان‌بر بوده يا جواب‌گوي كار نيست، هزينة استفاده از بتن اليافي نسبت به مشابه سنتي خود كمتر مي‌باشد. اين مزيت­ها، علاوه بر مزيت سادگي و سرعت عمل بالاتر موجود در تكنولوژي بتن اليافي است.

اگر مي­بينيم كه در كشوري همچون تركيه، به‌كارگيري بتن اليافي به جاي روش‌هاي سنتي، مقرون‌به‌صرفه­تر از كشور ماست، ريشه­هاي آن را در سرمايه‌گذاري و تلاش سازمان‌يافته جهت اقتصادي نمودن استفاده از اين تكنولوژي جديد مي­توان يافت. اما اگر ما از روي‌آوردن به فناوري جديد به علت ريسك سرمايه‌گذاري پرهيز كنيم خواهيم ديد كه تكنولوژي سنتي در غياب بهره­گيري از فناوري نوين، رقم بسيار بالايي از سرمايه­هاي ما را به هدر خواهد داد. به طور مثال، ريزدانه­هاي توليد شده در كشور ما كه به روش‌هاي قديمي غيراستاندارد توليد مي­شوند، باعث افزايش درصد سيمان به كار رفته در بنا مي­شود و همين امر موجب ظهور ترك و ضايعات در بتن حاصل نيز مي­گردد.

سوال: چه راهكارهايي را جهت اقتصادي‌نمودن استفاده از اين تكنولوژي جديد، پيشنهاد مي­كنيد؟

دكتر خالو: به عنوان راهكار بايد سه نكتة اساسي را مورد توجه قرار دهيم:

1) نخستآنكه هزينة استفاده از يك تكنولوژي، كاملاً وابسته به سطحي از آن تكنولوژي است كه نسبت به كسب و انتقال آن اقدام مي­شود. كشورهاي پيشرفتة جهان كه تكنولوژي نوين خود را از سطوح اوليه تحقيقاتي كسب كرده­اند، چون كاملاً بر تكنيك­ها و دانش پايه­اي آن واقف و مسلط هستند، متحمل هزينه­هاي كمتري شده‌اند. آنها با تكيه بر همين آگاهي و اشراف، با بهبود فرايندها، قيمت نهايي را در طول زمان كاهش خواهند داد. اما اگر ما بخواهيم تمام اين تكنولوژي را صرفاً در سطح يك محصول آماده، به كشور وارد كنيم، طبيعي است كه متحمل هزينه­هاي سنگيني خواهيم شد و محصول نهايي نيز به صرفه نخواهد بود.

2) دومين مسئله­اي كه بايد در جهت ارزيابي اقتصادي يك تكنولوژي مورد توجه واقع شود، آن است كه اكتساب و پرورش يك تكنولوژي از سطوح نخست تحقيقات، نياز به يك سرمايه­گذاري اوليه دارد.دستيابي به نحوه اجراي مناسب، تكنولوژي ساخت و آموزش و گسترش آن در جامعه، نيازمند صرف بودجه لازم توسط دست‌اندركاران و خصوصاً دولت مي­باشد. اين هزينه­ها بعداً در طول عمر تكنولوژي و اراية محصول به بازار جبران خواهد شد و نهايتاً به سوددهي منجر مي­گردد. عدم پرداختن به تحقيق و توسعه و بهره­گيري از تكنولوژي نوين، علاوه بر آن كه نمي­تواند پاسخگوي نياز روز صنعت ساختمان باشد، در درازمدت، هزينه بسيار بالايي نيز به ما تحميل مي­كند.

3) آخرين نكتة مورد توجه آن است كه سياست­گذاري اصولي براي ايجاد يك شبكة كاري تكنولوژي جهت كاركرد مناسب و نيل به بهره­وري اقتصادي، نقش حياتي در اكتساب صحيح يك تكنولوژي دارد. عدم وجود اين سياست­ها باعث مي­گردد تا حتي اگر يك مجموعه يا كارخانه بخواهد خود به سمت فناوري نوين روي آورد، متحمل هزينة مضاعف گزافي شود كه از توان آن مجموعه خارجباشد. براي آنكه كارخانه­ها و صنعتگران بتوانند به عنوان يك جزء شبكة تكنولوژي در اين مسير گام بردارند، بايد ساير نهادها و اجزاي لازم نيز در شبكه حضور داشته و هماهنگ عمل كنند. ايجاد چنين شبكة منسجم، جز به اهتمام سياست‌گذاران و فرهنگ‌سازي ميسر نخواهد بود.

سوال: در زمينه تكنولوژي بتن اليافي چه اقداماتي در كشور صورت گرفته است؟

دكتر خالو: اگرچه در كشور ما تحقيقات تئوري و فعاليت­هاي تجربي نسبتاً مناسبي در زمينة گسترش و كاربرد تكنولوژي­هاي بتن اليافي صورت گرفته است، اما حقيقت آن است كه گسترش اين فناوري بيش از همه وابسته به اعلام نياز از سوي صنعت و مقرون به‌صرفه‌نمودن كاربري آن از سوي محققان كشور مي­باشد. چند سال پيش كنفرانسي در زمينه تكنولوژي بتن اليافي با هدف شناساندن فناوري مذكور، در دانشگاه صنعتي شريف برگزار گرديد. در اين كنفرانس، محققان و سخنرانان از مراكز مختلفي به ايراد سخنراني و ارايه مقاله پرداختند. به طور مثال در يك نمونه از كارهاي ارائه شده، مسئله به‌صرفه‌بودن استفاده از اين نوع بتن مورد بررسي و مطالعه كارشناسي قرار گرفته بود. حاصل اين بررسي مؤيد آن بود كه در بعضي پروژه­هاي صنعتي، به‌كارگيري بتن اليافي نسبت به روش‌هاي متداول استفاده از شبكه­بندي فولادي، بسيار اقتصادي­تر، سريعتر و آسان­تر مي­باشد.

برگزاري اين كنفرانس اثرات مثبت زيادي در شناسايي و توسعة اين فناوري داشت. پس از آن، بخش­هايي از صنعت و دانشگاه به بررسي امكان توليد الياف گوناگون بالاخص الياف شيشه و فولاد پرداختند. همچنين به تدريج بتن اليافي با الياف تقويت‌كنندة پلي­پروپيلن به بازار مصرف راه يافت و در انجام پروژه­هايي به كار گرفته شد. در مجموع قدم­هاي مثبتي در اين جهت برداشته شده است اما سرعت اين حركت نسبتاً كند بوده است .