انواع مختلفی از الیاف به منظور مسلح سازی بتن استفاده می شوند که ماهیت توزیع آنها در داخل بتن- آرایش (جانمایی)- بر روی کارآمدی اثر مسلح سازی آنها، تاثیرگذار می باشد. الیاف ممکن است پیوسته (یا بلند) و یا عموما گسسته (یا کوتاه) باشند. همچنین الیاف ممکن است به صورت جهت گیری شده و یا تصادفی به صورت دو بعدی یا سه بعدی توزیع شوند (شکل 9-1). آرایش ترکیبی الیاف نیز امکان پذیر می باشد یعنی به حالت های صفحات نازک موجدار، الیاف کوتاه با جهت گیری دو بعدی تصادفی، توزیع شده در کل ملات، و یا ممکن است به صورت مکمل از الیاف پیوسته در لبه ها و انحناهای فرورفته و برآمده به منظور ایجاد سختی راستایی استفاده شود. استفاده از پارچه ها یا حصیرهای بافته شده ز الیاف نیز توسط شرکت های بسیاری مورد بررسی قرار گرفته است.
شکل 9-1- آرایش های مسلح سازی
تقریبا هر نوع ممکن از الیاف به عنوان مسلح سازی در بتن الیافی مسلح مورد استفاده قرار گرفته است. خلاصه ای از انواع مهم تجاری و مناسب مورد استفاده در ادامه ارائه شده است که بخشی از آن برگرفته از تعددی مراجع عمومی بسیار خوب، می باشد که جزئیات بیشتری در آنها قابل مشاهده خواهد بود.
الیاف شیشه
الیاف یشه اساسا در صفحتان نازک frc استفاده می شوند. الیاف E-glass که برای مسلح سازی پلیمرها استفاده می گردد، در ملات های سیمانی به سرعت خورده می شوند و در نتیجه این الیاف معمولا از یک شیشه مقاوم به قلیا برپایه ساختار شیمیایی SiO2-Na2O-Al2O3-ZrO2 ساخته می شوند. این الیاف به صورت دسته رشته های شامل تا 64 استرند، عرضه می شوند. هر استرند معمولا شامل حدود 200 رشته به قطر µm14 می باشد. امروزه تثبیت کننده های مورد استفاده جهت نگهداری استرندها در کنار یکدیگر، به صورت فعال هیدراسیون را در سطح مشترک الیاف- سیمان بهبود بخشیده و به افزایش دوام کمک می کنند. الیاف با این ویژگی به الیاف «نسل دوم» معروف می باشند (در مقابل الیاف قدیمی تر «نسل اول» که در آنها تثبیت کننده فعال نبود). دسته رشته ها ممکن است به شکل پیوسته و یا از قبل خردشده عرضه شوند که این به روش های مختلف تولید بستگی دارد. حصیرها یا بافته های از جنس الیاف شیشه مورد توجه روزافزون قرار گرفته اند. الایف شیشه اساسا برای ایجاد مسلح سازی اولیه در مقدار 5%~ Vf مورد استفاده قرار می گیرند. اما می توانند برای کنترل ترک در نسبت های حجمی پایین تر نیز استفاده شوند. خصوصیات معمول آنها شامل مقاومت استرند برابر MPa 1500، الاستیک برابر GPa 70 و کرنش گسیختگی برابر حدود 2% می باشد.
الیاف پلیمری
رایج ترین پلیمرها دارای مدول الاستیسیته تقریبا کمتری نسبت به خمیر سیمانی بوده و بنابراین مزیت استفاده از آنها در frc معمولا به ایجاد طاقت پس از نقطه اوج، مقاومت یا مقاومت در برابر ضربه محدود می شود. با این وجود، از آنجا که این موارد جزء خصوصیات بسیار مهم می باشند، از انواع مختلف الیاف پلیمری به طور گسترده ای استفاده می شود. مرسوم ترین این الیاف، پلی پروپیلن (PP) است که معمولا به شکل لایه نازک رشته ای حاصل از دو نیم نمودن یا کشیدن ورق های PP یا نوارهای قالب گیری شده، استفاده می شود. ضخامت لایه های نازک برابر µm 100-15 بوده که به رشته هایی به عرض µm 600-100 تقسیم می شوند. بنابراین «رشته های» تکی بجای آنکه استوانه ای شکل باشند، نواری شکل خواهند بود. مدول الاستیسیته و مقاومت این الیاف، بسته به روش تولید، به ترتیب برابر GPa 18-1 و MPa 700-300 می باشد. از آنجا که PP آبگریز می باشد، معمولا فرآوری سطحی بر روی الیاف صورت می گیرد تا پیوستگی آنها با خمیر سیمانی و توزیع آنها در داخل آن، بهبود یابد. Vf معمولا در حدود 5% می باشد.
الیاف پلی اتیلن (PE)، اکریلیکس، پلی وینیل الکل (PVA) و نایلون همگی برای استفاده در frc مورد بررسی قرار گرفته اند، اما تنها PVA به طور ویژه برای frc به صورت تجاری توسعه یافته است. الیاف پلی استر برای frc مناسب نمی باشند.
اخیرا تحقیقات در زمینه استفاده از الیاف آرامید (مثلا کولار، توارن) در frc مورد توجه قرار گرفته است. این الیاف دارای مدول ها و مقاومت های بسیار بالاتری نسبت به پلیمرهای معمولی بوده (به ترتیب تا GPa125 و MPa3000) و در نتیجه مسلح سازی اولیه موثری را فراهم می نمایند. قیمت این الیاف در حال حاضر، توسعه تجاری آنها در frc را محدود ساخته است که البته احتمال تغییر این وضعیت وجود دارد.
پربازدیدترین مطالب ما را از دست ندهید!
الیاف طبیعی
انواع بسیار متنوعی از الیاف طبیعی طی سال ها جهت مسلح نمودن خمیرهای شکننده مورد استفاده قرار گرفته اند. انگیزه استفاده از انها عموما آن است که منابع این الیاف محلی، ارزان و موجود می باشد، اما از نقطه نظر فنی، این الیاف و مشتقات آنها نسبت به مثلا الیاف شیشه، فولاد یا PP نامرغوب می باشند. این الیاف عموما به دودسته تقسیم می شوند. الیاف فرآوری نشده، مواد الیافی طبیفی هستند که پیش از استفاده در معرض حداقل فرآوری قرار می گیرند مانند کف (ساقه یک نوع گیاه) سیزال (به دست آمده از یک نوع برگ) یا الیاف نارگیل (الیاف پوست نارگیل). الیاف فرآوری شده عبارتند از الیاف سلولزی به دست آمده از مثلا خرده های چوب یا بامبو. این دسته ممکن است الیاف به دست آمده از یک جریان ضایعات را نیز شامل شود مانند الیاف ساقه نیشکر یا الیاف پوست بلوط و فندق. همه این موارد دارای ویژگی های مشترکی می باشند؛ هر رشته الیاف از نظر تاثیر مانند یک استرند بوده و شامل حدود 100 سلول هر یک به عرض µm 50> و طول mm2-1 می باشد. هر سلول دارای یک حفره مرکزی یا «حفره سلولی» بوده و دارای دیواره هایی است که از ترکیبی از الیاف سلولزی کریستالی در یک خمیر لیگنین یا نیمه سلولزی. ساخته شده اند. سلول ها تمایل به جذب آب داشته و خصوصیات الیاف به شدت وابسته به مقدار آب می باشد. هدف از فرآوری بیشتر، کاهش مقدار لیگنین و ماده نیمه سلولزی و در نتیجه افزایش غلظت الیاف سلولزی، افزایش مقاومت، سختی، یکپارچگی و مقاومت در برابر آب می باشد. خصوصیات بسیار متغیر می باشند، به گونه ای که دامنه تغییرات مقاومت از 200 تا 800 مگاپاسکال و دامنه تغییرات مدول الاستیسیته از 10 تا 30 گیگاپاسکال می باشد.
الیاف کربن و دیگر الیاف سرامیکی
الیاف کربن، محصولات مورد توجه در صنایع نیازمند مقاومت بالا بوده و افراد حرفه ای و غیرحرفه ای با لین الیاف آشنا می باشند. بنابراین بررسی استفاده از آنها در frc اجتناب ناپذیر است. این الیاف گران هستند اما با افت قیمت الیاف، این الیاف ممکن است روزی به یک عنصر قابل توجه در frc تجاری تبدیل شوند. همچنین میزان کار تحقیقاتی صورت گرفته بر روی این الیاف، توضیح درباره آن را اجتناب ناپذیر می سازد. الیاف کربن دارای دو نوع می باشند؛ الیاف برپایه PAN و الیاف برپایه قیر، که به مواد اولیه مورد استفاده برای آنها مربوط می گردد. نوع اول دارای خصوصیات بهتری نسبت به نوع دوم بوده و در نتیجه گران تر می باشند، و الیاف برپایه قیر معمولا برای frc استفاده می شوند. هر یک از الیاف، یک دسته رشته است که از حدود 10000 تار (رشته)، هر یک به قطر µm15 ساخته شده است. رشته ها شامل لایه های روی هم چیده شده ای از گرافیت می باشند. خواص الیاف برحسب میزان نظم چیدمان لایه ها افزایش می یابد، یعنی هنگامی که درصد بیشتری از لایه های به موازات محور الیاف، تنظیم شوند، برای الیاف برپایه قیر، مدول و مقاومت به ترتیب در حدود GPa30 و MPa600 می باشد. الیاف برپایه PAN در حدود 10 برابر سخت تر و 4 برابر محکم تر می باشند. خمیرهای مربوط به frc کربن باید به صورت ویژه طراحی گردد تا از پخش مناسب الیاف اطمینان حاصل گردد.
الیاف سرامیکی دیگر گاهی اوقات در frc استفاده می شوند مانند آلومینا، آلومینا- سیلیکات یا ولاستونیت، اما دارای موفقیت تجاری کمتری بوده اند.
بتن مسلح به الیاف
الیاف آزبست
Frc الیاف آزبست در گذشته پرکاربردترین و موفق ترین نوع frc بوده است که در دنیا برای پوشش دهی، تزیین، فرونشاندن آتش و غیره استفاده می شده است. واژه آزبست، محدوده ای از مواد الیافی سیلیکاتی کریستالی که به طور طبیعی شکل گرفته اند را در بر می گیرد. عرض هر یک از الیاف کمتر از µm1/0 بوده و این الیاف، دسته هایی را شکل می دهند که در حالت طبیی ممکن است شامل میلیون ها رشته الیاف باشند، اما به دسته رشته هایی از الیاف 10 تا 100تایی حین فرآوری تقسیم می شوند. خصوصیات آنها موجب شده است که به الیاف ایده آلی برای مسلح سازی سیمان تبدیل شوند؛ زیرا بسیار سخت و مقاومت می باشند (MPa170 و تا MPa4500)، دارای پیوستگی بسیار خوبی با خمیر سیمانی بوده و طی فرآوری و یا بر اثر شرایط خشن خمیر سیمان، در معرض تخریب قرار دارند. متاسفانه تنفس اتفاقی این الیاف سیلیکاتی بسیار ریز حین تولید، نصب یا تخریب توسط کارگران، موجب انواع بیماری های تنفسی می گردد مانند سرطان نای، شش و معده. استفاده از frc آزبست هم اکنون در اغلب کشورهای توسعه یافته ممنوع بوده و نیاز تجاری به یافتن جایگزین هایی برای آن، یکی از اهداف تحقیقات گسترده اخیر در زمینه frc می باشد.
الیاف فولادی
از نظر آماری، frc فولادی احتمالا موفق ترین مورد بوده است. الیاف فولادی با کلیه الیاف تشریح شده در بالا تا حدی متفاوت می باشند. این الیاف عموما دارای مقطع عرضی بزرگ تری با «قطر معادل» برابر mm1-5/0 و طول های متغیری بین mm20 تا mm60 می باشند. مقطع عرضی این الیاف می تواند شکل خاصی داشته باشد که اغلب در امتداد طول آنها تغییر می کند تا الیاف قلاب شکل، خاردار یا موجدار ایجاد شوند که هدف از آنها افزایش گیرداری بین الیاف و خمیر می باشد. استفاده از فولادهای کربنی نیز معمول می باشد، اما در جایی که مقاومت بیشتری در برابر خوردگی مورد نیاز باشد (مثلا در کاربردهای دریایی)، ممکن است از فولادهای آلیاژی، فولادهای ضد زنگ یافولادهای گالوانیزه استفاده شود. مدول الیاف فولادی در حدود GPa200 بوده و مقاومت آنها بین MPa350 و MPa1000 می باشد. الیاف فولادی را نمی توان به مقدار کافی جهت فراهم نمودن مسلح سازی اولیه اضافه نمود (Vf معمولا کمتر از 2% به دلایل کارآیی)، بنابراین هدف از آنها ایجاد کنترل ترک و طاقت پس از نقطه حداکثر می باشد. frc فولادی اغلب به عنوان خمیری برای بتن با عملکرد بالا (توانمند) مسلح به آرماتورهای فولادی (RC) استفاده می شود، زیرا الیاف فولادی عرض ترک را در مقاطع ترک خورده کاهش داده و در نتیجه خوردگی آرماتورها را کند می نمایند.