الیاف ها در بتن

بسیاری از پژوهشگران تلاش نموده اند تا از الیاف مخلوط در بتن برای تقویت خواص مکانیکی و نیز بهینه نمودن خواص و هزینه که اغلب در جهت حرکت به سوی تولید خودکار و ماشینی بوده است، استفاده نمایند. ترکیب های معروف عبارتند از شیشه/کربن،  فولاد/پلی پروپیلن و شیشه/پلی پروپیلن. با این وجود، تعداد اندکی صراحتا موضوعات دوامی را که ممکن است در استفاده از این ترکیب مطرح گردد، مورد بررسی قرار داده اند. زو و همکاران نتایج هوازدگی 6 ساله بر روی ضخامت FRC شیشه/ پلی پروپیلن را گزارش نموده اند، اما هیچگونه کاهش عمده ای در خواص مکانیکی مشاهده نشده است. بنثیا و نانداکومار پتانسیل دوام FRC فولادی/ پلی پروپیلن را مورد بحث قرار داده اند، اما هیچگونه نتایج بلندمدتی را ارائه نکرده اند. به نظر می رسد که هیچگونه تقویت دوامی را نمی توان از ترکیب الیاف مسلح سازی به دست آورد. بنابراین، دوام FRC ترکیبی، تحت کنترل رفتار وابسته به زمان الیاف با دوام حداقل قرار داشته و تحلیل دوامی چنین ترکیباتی باید بر روی میزان تقویت مکانیکی حفظ شده هنگام آسیب دیدن الیاف با دوام حداقل، متمرکز گردد.

رویکردهای آینده

در واقع کلیه کاربردهای تجاری موجود برای FRC- روکش نمودن، نمای خارجی و غیره، دارای یک وجه مشترک اساسیمی باشند و آن اینکه: هیچیک از آنها تحمل بار زنده را شامل نمی شوند. کاربردهای طراحی عموما محافظه کارانه بوده و به گونه ای که تضمین گردد که تنش های بهره برداری کمتر از تنش اولین ترک باقی می مانند، یعنی در ناحیه I در شکل 9-2، الیاف با هر هدفی که استفاده شوند، به عنوان یک «شبکه ایمنی» عمل می نمایند تا در حالت اعمال بارهای بیش از حد اتفاقی، طاقت را تا حدی افزایش دهند. به منظور بهره برداری اقتصادی و فنی حداکثر از الیاف (عموما گران قیمت)، لازم است طراحی اجزاء FRC به گونه ای صورت گیرد که الیاف عمده تنش در زمان بهره برداری یعنی بارهای زنده را تحمل نمایند. این شرایط، جنبه های دوامی را به میان می آورد. اول آنکه این اجزاء در شرایط ترک خوردگی عمل خواهند نمود که نفوذپذیری خمیر را از نظر ورود عوامل مضر خارجی مانند نمک های یخ زدایی، افزایش می دهد. اما با فرض کوچک بودن عرض ترک ها، این شرایط قابل تحمل خواهد بود، چنانکه این شرایط برای بتن مسلح (RC) معمولی نیز وجود دارد. دوم آنکه اگر افت مقاومت در FRC- خصوصا FRC شیشه- ناشی از خستگی استاتیکی باشد، آنگاه می توان انتظار داشت که الیاف تحت تنش سریع تر از الیاف بدون تنش آسیب ببینند. ادامه تحقیقات در دانشگاه آخن نشان می دهد که اجزاء FRC شیشه که تا 80% تنش گسیختگی خود حین سالخوردگی بارگذاری شده اند، الزاما سریع تر از الیاف بدون تنش آسیب نمی بینند (اگرچه طبق گفته نویسندگان مقاله، نتایج تا حدی دارای پراکندگی بوده است). این روند با کار بنیادی صورت گرفته بر روی خوردگی الیاف شیشه سازگار می باشد که نشان می دهد که اثر خوردگی تنشی در محیط های قلیایی، بر اثر تنش های بسیار کوچکی فعال می گردد (مثلا تنش هایی که در سطح ریزساختار بر اثر جمع شدگی، ناسازگاری ضرایب انبساط حرارتی و رشد کریستالی به وجود می آید) و در نتیجه ممکن است رابطه ای با تنش «حجمی» نداشته باشد. از این رو برای FRC شیشه و ترکیبات الیافی که دچار خوردگی الیاف نمی شوند و دارای قابلیت مسلح سازی اولیه می باشند (کربن ، پلی پروپیلن)، نباید هیچگونه دلیل برپایه دوام برای اینکه چرا اجزاء FRC نمی توانند بارهای سازه ای زنده را تحمل نمایند، وجود داشته باشد. اشکالاتی در مدلسازی رفتار مکانیکی نواحی II و III (شکل 9-2) وجود دارد که باید بیشتر مورد توجه قرار گیرد.

پربازدیدترین مطالب ما را از دست ندهید!
نمونه مکعبی و استوانه ای بتن
اسلب بتنی یا دال بتنی چیست
استفاده از فوم بتن ( concrete foamed ) چه مزایایی دارد ؟

تحقق FRC سازه ای همچنین نیازمند قرارگیری موثر الیاف می باشد، یعنی تبدیل آرایش های تصادفی 2بعدی و 3بعدی به آرایش هایی که در آنها الیاف به دقت جایدهی می شوند تا با محل ها و راستاهای تنش های اصلی، تطبیق نمایند. بنابراین حرکت از قالب گیری مخلوط از پیش آماده شده، پاشش مخلوط یا چسباندن دستی، به سمت تولید خودکار ضروری بوده و راهکار کلیدی آن، استفاده از منسوجات (پارچه های) مهندسی به جای الیاف خرد شده به عنوان اجزاء مسلح سازی می باشد. منسوجات پیشرفته دارای تنوع بافت تقریبا نامحدودی شامل آرایش های 3بعدی بوده و شامل چندین نوع الیاف به منظور بهینه نمودن عملکرد پارچه می باشند. استفاده از چنین منسوجاتی نیازمند خمیرهایی است که دارای مشخصات تغییرشکلی و روانی باشند که بتوانند به طور کامل و بدون باقی ماندن حفرات هوا، به داخل پارچه نفوذ کنند. بنابراین تحقیقات بتن مسلح به پارچه (TRC) به توسعه هر دو عامل خمیر و الیاف وابسته می باشد. در حال حاضر، تحقیقات بسیاری در این زمینه در دست انجام می باشد. تا زمان انتشار این کتاب، گزارش RILEM درباره آخرین تحقیقات صورت گرفته درباره بتن مسلح به پارچه (TCR) گردآوری و ارائه شده است. تاکنون هیچیک از جنبه های دوامی ویژه TRC شناسایی نشده است.

مصرف الیاف در بتن

احتمال استفاده از خمیرهای اصلاح شده یا nP رو به افزایش می باشد، زیرا مزایای دوامی حاصل از آنها هر روز بیشتر شناخته می شود. تغییرات فن آوری این خمیر از FRC شیشه به انواع دیگر الیاف، خصوصا استفاده از خمیرهای اصلاح شده با پلیمر، باید صورت گیرد. بهبود و تقویت دوام نیز از طریق استفاده از اصلاح پلیمری به همراه انواع مواد افزودنی پوزولانی یا خمیرهای nP انتظار می رود، زیرا هر روش دوام را از طریق مکانیزم متفاوتی بهبود می بخشد.
از نقطه نظر دانشگاهی، دو مدل رقابتی دوام - مواردی که افت مقاومت الیاف را مدلسازی می کنند و آنهایی که افزایش پیوستگی یا تراکم خمیر را مرود توجه قرار می دهند- باید ترکیب شوند. زیرا با توجه به اینکه هر دو مکانیزم به تخریب FRC کمک می کنند، در نتیجه این مدل ها باید این پدیده را منعکس نمایند. این کار احتمالا مستلزم آن است که طاقت به جای مقاومت، به عنوان یک معیار جهانی صحت و یکپارچگی مصالح، مورد استفاده قرار گیرد، زیرا این پارامتر به صورت معنی داری در کلیه FRCها صرف نظر از مقدار الیاف نسبت به Vfcrit، دنبال می گردد. این کار به نوبه خود نیازمند آن است که کلیه پژوهشگران یک روند آزمایش را بپذیرند که این امر امکان تکرارپذیری رفتار پس از نقطه اوج (ناحیه IV در شکل 9-2) و انجام آزمایشات مربوطه با تجهیزات استاندارد را فراهم می نماید.
فرآیندهایی که موجب تغییرات وابسته به زمان در خواص مکانیکی FRC می شوند، سال ها مورد مطالعه قرار گرفته اند. بنابراین در مقایسه با دیگر ترکیبات الیافی، مشخصات دوامی FRC به خوبی مورد بررسی قرار گرفته است.
واضح است که دو مکانیزم اساسی وجود دارد که به خوردگی الیافی و تراکم خمیر مربوط می شوند. خوردگی الیاف، مسلح سازی را ضعیف نموده و موجب افت مقاومت FRC اولیه می گردد. همچنین ممکن است تغییری در حالت گسیختگی از شبه نرم به ترد را موجب گردد. تراکم خمیر بر اثر ادامه هیدراسیون و تغییر تدریجی خمیر، خصوصا ته نشینی هیدروکسید کلسیم در ناحیه میانی الیاف- خمیر و یا، در FRC چندرشته ای، در داخل دسته های الیاف، ایجاد می شود. این پدیده پیوستگی را افزایش داده، نرمی خمیر را کاهش داده و انعطاف پذیری الایف را کاهش می دهد که همه این موارد می توانند تغییر حالت گسیختگی را نیز موجب شوند. اهمیت نسبی هر مکانیزم، به نوع الیاف مسلح سازی استفاده شده و ماهیت اثر مسلح سازی مورد نظر بستگی دارد که این نیز به نوبه خود به مقدار الیاف نسبت به مقدار بحرانی بستگی دارد. برای FRC اولیه که در آن حجم الیاف بالاتر از مقدار بحرانی است، اثرات خوردگی الیاف معمولا تعیین کننده می باشد. برای FRC ثانویه که در آن حجم الیاف کمتر است، معمولا تراکم دارای اهمیت بیشتری می باشد. در FRC فولادی، که دارای ماهیت تک رشته ای به جای چندرشته ای می باشد، مانند بتن مسلح (RC)، خوردگی الیاف ناشی از عوامل خارجی دارای بیشترین تاثیر بر دوام می باشد. دو مکانیزم افت مقاومت تا حدی به یکدیگر مربوط می شوند. مثلا شواهدی وجود دارد که ته نشینی هیدروکسید کلسیم نه تنها دسته رشته ها را پر می کند، بلکه الیاف را به صورتی محرک ضعیف می نماید. در بسیاری ز اجزاء FRC، اثرات هر دو فرآیند قابل مشاهده می باشد.
دو نوع اصلی از مدل ها برای توصیف رفتار وابسته به زمان FRC وجود دارد: آنهایی که براساس خوردگی الیاف بوده و آنهایی که براساس تراکم خمیر می باشند. انتخاب مناسب ترین مدل همچنین به این موضوع بستگی دارد که کدام مکانیزم برای FRC مورد نظر غالب می باشد. هیچکدام از مدل ها به صورت جهانی مورد پذیرش قرار نگرفته اند اما می توانند مفید باشند. این مدل ها خصوصا برای FRC شیشه به خوبی توسعه یافته اند. پژوهش های آتی باید بر روی ایجاد مدلی متمرکز شوند که این مکانیزم ها را ترکیب نوده و به این ترتیب مورد پذیرش گسترده تری واقع گردد. برای تحقق این هدف، یک استاندارد جهانی براساس برخی اندازه گیری های طاقت باید ایجاد گردد.
پیشرفت های عمده در بحث دوام FRC از طریق پیشرفت های صورت گرفته در ساختار شیمیایی خمیرها، الیاف و پوشش های الیاف، حاصل شده است. استفاده از مواد پوزولانی به صورت بالقوه می تواند تشکیل هیدروکسید کلسیم در مدت هیدراسیون اولیه و حرکت بعدی آن و ته نشینی مجدد آن در اطراف الیاف را کاهش دهد. این مواد همچنین می توانند کاهش مفیدی در خاصیت قلیایی خمیر ایجاد نموده و به این ترتیب از هر دو مکانیزم عمده آسیب، جلوگیری نمایند. اصلاح پلیمری خمیر نیز ممکن است به بهود دوام، خصوصا در FRC شیشه کمک نماید و ترکیب خمیرهای اصلاح شده و پلیمرها می تواند منجر به تولید FRCهای بسیار بادوام گردد. در هر حالت، طول عمرهای انعطاف پذیر بیش از 50 سال را اکنون می توان با اطمینان از بسیاری فرمول های FRC جدید، انتظار داشت. اکنون باید به جای توجه به دوام خود مصالح، دوام اعضا و سیستم ها را مورد توجه قرار داد به طوری که بتوان از این پیشرفت ها به طور کامل بهره برده و اعضای FRC با دوامی را تولید نمود.