کاربرد بتن الیافی در ساختمان

بتن الیافی چیست؟

تاریخچه استفاده از الیاف در ساخت و ساز به در دوران باستان می رسد. در گذشته از الیاف مختلف برای تقویت ملات های آجری و شکننده استفاده می شد و کاه معروف ترین و محبوب ترین آنها به دلیل ارزانی بود. در هر صورت برای اجرای ساختمان و سقف نیاز به خرید جک سقفی ساختمان میباشد.

در حال حاضر نیز ارزانترین نوع ملات در مناطق روستایی کشور است که در تقویت آجرهای خشتی و ملات کاهگل در اندودها در قبال ترک خوردگی که بعد از خشک شدن به وجود می‌آید، به کار می رود.

استفاده از کاه، موی دم اسب و همچنین موی بز در آثار و بناهای قدیمی ایران ، به ویژه گنبدها ، از قدمت تاریخی برخوردار است. استفاده از الیاف فولادی از اواسط قرن گذشته آغاز شد و تاریخ دقیق این روش مشخص نیست. اما افراد مختلف از روش های مختلفی مانند استفاده از قطعات سیم یا برش فلزات در بتن استفاده می کنند.

سیمان یا بتن الیافی در واقع نوعی کامپوزیت است که با استفاده از الیاف تقویت شده در مخلوط بتن، خاصیت ارتجاعی و کششی آن بسیار افزایش می یابد. این ترکیب از کارایی و انسجام بالایی برخوردار است و امکان استفاده از سیمان به عنوان پایه برای تولید سطوح بتنی را فراهم می کند.

سیمان الیافی همچنین توانایی جذب مقاومت در برابر کشش بالا را دارد و در اثر ضربه زیاد به راحتی نمی شکند. گواه تاریخی این فناوری استفاده از کاهگل در ساخت ساختمان است. در حقیقت ، الیاف سیمان و بتن الیافی نوع پیشرفته ای از این فناوری است که در آن الیاف اصلاح شده و ساخته شده جدید با کاه و سیمان به کار رفته در کاهگل جایگزین می شوند.

به عنوان مثال:

در ساخت کف انبارهای صنعتی می توان این نوع بتن را جایگزین بتن مسلح معمولی کرد که یکی از بهترین مصالح مورد استفاده در ساخت ساختمانهای مقاوم در برابر ضربه مانند سازه های پناهگاه و انبارهای نگهداری مواد منفجره محسوب می شود. سازه های ساخته شده از این نوع بتن از توانایی فوق العاده ای در جذب انرژی ضربه برخوردارند.

مزایا و ویژگی های بتن الیافی

مزایا و نقش مهم الیاف در بتن الیافی باعث محبوبیت بیشتر آن در بین مهندسان و طراحان شده است. امکان استفاده در بیشتر مناطق جغرافیایی ، استفاده از مواد طبیعی و ارزان قیمت ، هزینه کم در مقایسه با حجم زیاد عملیات و شکل پذیری آن به دلیل شکل های هندسی و عملکرد مناسب و مقاومت بسیار بالا در برابر نیروهای فشاری و کششی و توانایی جذب انرژی و پایداری ترک خوردگی خصوصیات برجسته این نوع بتن می باشد.

از جمله مزایای این نوع بتن در مقایسه با بتن معمولی می‌توان به: مقاومت زیاد در مقابل تنش‌های خستگی و در مقابل ضربه، قابلیت کششی خوب و قابلیت باربری زیاد بعد از ترک خوردگی، مقاومت کششی، خمشی و برشی زیاد طاقت خیلی زیاد اشاره کرد.

 بتن الیافی مقاومت بسیار زیادی در مقابل تنش‌ها و کرنش‌ها و کششی قابل ملاحظه در بارهای کششی دارد که در طراحی می توان از آن استفاده کرد. ترک خوردگی در این مواد از حالت ترک‌های متمرکز خارج شده‌ و بصورت ترک‌های متعدد ظاهر می شود که تاثیر بسزایی در افزایش شکل پذیری اعضا و مهمتر از آن در پایانی سازه‌های بتنی دارد.

 از آنجایی که بتن الیافی دارای ظرفیت کرنش پذیری در فشار است، می‌توان میزان آرماتورهای محصور کننده در نواحی فشاری را کاهش داد.

مقاومت برشی در این بتن‌ها و رفتار آنها طوری است کهامکان حذف آرماتورهای برشی وجود دارد. شکل پذیری در اعضای لرزه بر، افزایش میزان تغییر شکل‌های غیر الاستیک، عدم افت مقاومت و حفظ یکپارچگی در این تغییر شکل‌ها از دیگر مزایای این نوع بتن است که منجر به دست یابی به رفتار آسیب مدار می‌شود.

انواع بتن الیافی و عوامل کیفیت آن ها

بتن الیافی در انواع مختلفی وجود دارد: بتن با الیاف کم جهت کاهش میزان جمع شدگی در بتن، بتن با الیاف متوسط یا بتن الیافی معمولی برای اصلاح خواص سازه‌ای ‌ از قبیل: برش، عرض ترک و رفتار خمشی. بتن های الیافی به دسته های مختلفی تقسیم می شوند: بتن الیافی بر پایه مصالح شیمیایی ، بتن‌های حریره الیافی و مواد مرکب مهندسی بر پایه مصالح سیمانی که به بتن‌های الیافی ‌شکل پذیر نیز معروفند. عواملی از قبیل: نسبت‌های مخلوط بتن، مشخصات هندسی الیاف فولادی، نسبت طول به قطر الیاف، مهار مکانیکی و زبری سطح الیاف و همچنین مشخصات فیزیکی و جنس الیاف فولادی بر کیفیت بتن الیافی تاثیرگذارند.

انواع الیاف

الیاف شیشه‌ و الیاف فولادی

اضافه کردن الیاف شیشه به بتن، کاهش کارایی بتن را به همراه دارد. از این رو از روانسازهای مناسب استفاده می شود و اختلاط نیز باید به روی صحیح صورت گیرد. لازم است بدانید، الیاف شیشه‌ای در بتن تازه به یکدیگر چسبیده و گلوله می شوند. این پدیده به گلوله شدن الیاف معروف است. ابته راهکارهایی برای جلوگیری از وقوع این پدیده وجود دارد. به منظور بهبود خواص بتن ، الیاف فولادی کاربرد گسترده ای در سازه های بتونی و بتن آرمه پیدا کرده اند. الیاف فولادی در بتن منجر به افزایش مقاومت کششی بتن با استفاده از کاهش ایجاد ریزترک‌های حاصله از بارگذاری خارجی می شود.

الیاف پلی پروپیلن، الیاف آرامید و کربن

استفاده از الیاف پلی پروپیلن از ترک خوردن و جمع شدن بتن به ویژه در بتن تازه جلوگیری می کند. تولید بتن شکل پذیر با الیاف پلی پروپیلن در بتن الیافی شکل پذیری زیادی دارد و هرگز نمی شکند. الیاف پلی پروپیلن آبگریز است، به عبارتی میزان جذب آب آن صفر است. به همین دلیل هرگز برای افزایش جریان بتن، آبی به آن اضافه نکنید.

پلیمرهای آرامید یا کولار در بسیاری از حلالهای آلی شناخته شده دارای خصوصیاتی از جمله نقطه ذوب زیاد ، پایداری حرارتی عالی ، بازدارندگی شعله و عدم حلالیت هستند. چگالی آن بین 12-14 / 6 kN / m3 است. مقاومت در برابر ضربه ، حساس نبودن به شکاف خواص الکتریکی و خود خاموش کردن از جمله خواص این الیاف است. الیاف آرامید به اشکال مختلف وجود دارد و مانند الیاف شیشه و کربن می توان از آن برای ساخت مواد کامپوزیتی استفاده کرد.

چگالی الیاف کربن، 22.7 کیلو نیوتن بر متر مکعب و شکل آن “بلوری” و ضخامت آن نازک تر از موی انسان و قطر آن 6-10 میکرومتر است. از مزایای اصلی آن می توان به: مقاومت و استحکام بالای خستگی ، مقاومت در برابر خوردگی و ضریب انبساط حرارتی پایین اشاره کرد. قیمت بالا، ولتاژ خطا یا کرنش در شکست و همچنین هادی الکتریکی بودن از معایب الیاف کربن به شمار می رود.

کاربردهای بتن الیافی و محدودیت ها

کاربردهای بتن الیافی عبارتند از: تسطیح اضافی برای افزایش مقاومت بتن مسلح برای کاهش ترک ها و افزایش جذب انرژی تحت بارهای شوک و ضربه ای ، امواج انفجاری و شرایط پیچیده تنش. جایگزینی برای بتن مسلح معمولی برای کاهش هزینه قطعات بتنی پیش ساخته ، تثبیت شیب ها و دیواره های سنگی و دیوارهای ریزشی ، حفاری در مناطق مهم ، تسطیح و یکنواختی بی نظیر و ایزوتوپ ها به دلیل توزیع همگن الیاف در بدنه بتن.

از آنجا که محل قرارگیری الیاف درون بتن کاملاً تصادفی است ، به طور معمول نمی توان از این بتن برای ساخت تیر و ستون استفاده بهینه کرد و با این نوع ساختار استفاده از روش سنتی و مش و شبکه بندی فولادی از صرفه اقتصادی و معقول تری برخوردار است. استفاده از بتن الیافی در همه موارد مقرون به صرفه تر از بتن معمولی نیست. با این حال ، طبق برآوردهای برخی از متخصصان کشور ، استفاده از این نوع بتن در مکانهایی که سرعت اجرای بالا در نظر گرفته می شود و یا اینکه بتن باید روی سطوح مخصوص پاشیده شود ، توصیه می شود.

بتن الیافی دارای خواص گوناگونی است که در ادامه به بررسی آن ها می پردازیم:

مقاومت استاتیکی و خمشی

الیاف فولادی در حقیقت منجر به افزایش چندین برابری مقاومت خمشی اولین ترک بتن الیافی مقاومت اولین ترک بتن معمولی می شود. افزودن الیاف به بتن در افزایش مقاومت استاتیکی بتن موثر است ، همچنین در ایزوتروپی و همگنی بدنه بتن نیز تأثیر بسزایی دارد. تأثیر الیاف فولاد بر مقاومت استاتیکی بتن شامل مقاومت در برابر خم شدن ، فشار ، برش و شکستگی است. یکی از خواص مهم بتن الیافی، مقاومت خمشی زیاد و مقاومت در برابر ترک است. این یک راه حل خوب برای کاهش شکنندگی بتن خالص می باشد.

مقاومت برشی و پیچشی

الیاف فولادی بدون کاهش ظرفیت برشی نهایی می توانند مهاربند را در تیرهای بتونی جایگزین کنند. الیاف فولادی علاوه بر افزایش مقاومت برشی بتن ، تیرهای بتن مسلح را در برابر خرابی ناگهانی در ناحیه کششی تقویت می کند. این مزیت اصلی الیاف فولاد در افزایش مقاومت برشی بتن است که از استفاده از چکش به عنوان تقویت کننده برشی جلوگیری می کند. همچنین مقاومت پیچشی بتن الیافی 1.5 تا 2 برابر بتن خالص است.

مقاومت ترک خوردگی و قابلیت هدایت حرارتی

الیاف نه تنها تأثیر بسیار مثبتی بر مقاومت بتن خالص دارد بلکه به عنوان یک بازدارنده ترک نیز عمل می کند. این بدان معنی است که با شروع ترک ، الیاف در دوخت ترک و محدود کردن اندازه ترک نقش دارند و از ادامه ترک حتی با بارگیری مداوم جلوگیری می کنند. الیاف فولادی هدایت حرارتی بتن را بین 20 تا 2 درصد افزایش می دهند. این الیاف همچنین مقاومت بتن را در برابر تغییرات ناگهانی و بزرگ دما افزایش می دهند.

پوسیدگی و زنگ زدگی الیاف فولادی

مطالعات اخیر نشان می دهد که اثر خوردگی و تجزیه آب نمک بر روی ملات سیمان تقویت شده یا همان با فیبرهای فولادی 2٪ حجمی قابل اغماض است. بنابراین پس از 92 روز در داخل و خارج آب نمک اشباع تغییری در مقاومت خمشی ایجاد نمی شود هیچ بتن الیافی مشاهده نشده است.

بتن الیافی چه رفتاری در برابر نیروها دارد؟‌

در صورت جلوگیری از جمع شدن بتن ، تنش های کششی ایجاد شده در آن باعث خرابی مقطع می شود. در بتن استاندارد با نسبت آب / سیمان بالای 40٪ ، جمع شدگی ناشی از خشک شدن به عنوان مهمترین علت ترک خوردگی در سنین اولیه توصیف شده است. در بتن متراکم در سنین اولیه، به دلیل چسبندگی زیاد مواد ریز موجود ، انقباض و جریان بیشتری نسبت به بتن استاندارد دیده می شود. اما در مرحله سخت شدن ، تاخیر در شروع جمع شدگی بتن به دلیل وجود سرعت تبخیر کم از سطح خارجی اعضای بتونی است.

جمع شدگی ناشی از خشک شدن از همان ابتدا شروع می شود ، یعنی زمانهای اولیه بتن ریزی و حتی قبل از افزایش ظرفیت مکانیکی بتن ، که به خصوصیات بتن یعنی طرح اختلاط ، روش بتن ریزی و عمل آوری بتن ، شکل و فرم عناصر بتن و شرایط محیطی، دما ، رطوبت و همچنین سرعت باد بستگی دارد.

از آنجا که انقباض به دلیل کمبود آب در بتن به سطح عناصر تحمیل می شود ، در این قسمت از عناصر کشش ایجاد می شود و ترک ها با منشا جمع شدن خشک کننده از مناطق سطحی که با محیط در تماس هستند شروع می شود. در نتیجه در عناصر با سطح خارجی بالا (مانند دال ها و پانل های پیش ساخته) در تماس با یک محیط تهاجمی بیشترین تأثیر را در ایجاد ترک ها دارند و این با عبور هوا از طریق نمونه های جدید تشدید می شود. اما نتایج آزمایشات نشان می دهد که مقادیر مناسب الیاف از جمع شدگی و در نتیجه تعداد ترکها به طور قابل توجهی می کاهد.

‌روسازی بتن الیافی

یکی از موادی که می تواند جایگزین میلگرد در بتن مسلح شود ، الیاف است. تقویت بتن با الیاف به جای میلگردهای حرارتی باعث کاهش وزن بتن شده و آسیب های ناشی از خوردگی و فرسایش فولاد را کاملاً از بین می برد. امروزه ، استفاده از بتن الیافی به دلیل مزایایی که نسبت به بتن معمولی دارد ، بسیار افزایش یافته است.

از مزایای آن می توان به جذب انرژی زیاد ، بهبود رفتار بتن در منطقه پس از اولین ترک و جلوگیری از بروز و گسترش ترک ها به دلیل جمع شدگی اشاره کرد. از طرف دیگر ، تقویت سازه های بتونی با الیاف یکی از روش های بهبود خواص مکانیکی و عملکرد خمشی و کششی است که از طریق آن مخلوط های شکننده رفتار کششی خاصی را نشان می دهند.

فضاهای پارکینگ به دلیل افزایش سرانه مالکیت اتومبیل امروزه از جمله موارد استفاده روزافزون است. شرایط طوری است که پارکینگ های عمومی کمتر از یک ساعت در روز بدون استفاده می مانند. بنابراین ، کفپوش ها و روسازی این سطح باید به گونه ای باشد که طول عمر طولانی داشته باشد و در طول دوره خدمات حداقل استهلاک را داشته باشد. دو نوع روسازی که در این سطوح استفاده می شود: کف آسفالت و بتنی است. نشت احتمالی سوخت و روغن از اتومبیل های پارک شده در پارکینگ منجر به تخریب روسازی های آسفالت و در نتیجه هزینه های بالای نگهداری و عدم توانایی کار در دوره بهسازی می شود.

بنابراین ، تمایل به استفاده از سطوح بتنی در چنین مکان هایی در حال افزایش است. اصول روسازی بتنی پارکینگ بسیار شبیه به طراحی جاده های شریانی و سطوح فرودگاه است و فلسفه آن گسترش بار در سطوح بسیار بزرگتر از روکش آسفالت است. در اینگونه سطوح از روسازی بتنی غیر مسلح استفاده می شود.

نکته

جایگزینی الیاف با آرماتور حرارتی دارای مزایای فنی و اقتصادی فراوانی است و باعث افزایش سرعت اجرا ، کاهش هزینه های اجرا و دستمزد ، کاهش عرض ترکهای ناشی از جمع شدگی و کنترل عرض ترک خوردگی انقباضی و انبساطی ، افزایش مقاومت در برابر ضربه ، خستگی و کاهش اثرات مضر جوی خواهد بود. بتن معمولی مورد استفاده در پیاده روها ماده ای شکننده است ، در حالی که پوشش بتن الیافی از نظر مقاومت بالاتر و کاهش خاصیت ترک خوردگی بهتر از بتن معمولی است.

انعطاف پذیری بتن الیافی از شکست ناگهانی بتن الیافی جلوگیری می کند. زیرا فولاد به صورت ابعادی یا بهتر بگوییم چند بعدی در بدنه بتن پخش می شود. وقتی ترکهای فیبری یا الیاف در جهات مختلف ایجاد می شوند ، اتصالاتی را ایجاد کرده که از گسترش ترک ها جلوگیری می کنند. بنابراین ، الیاف به طور فعال برای کاهش عرض شکافها کار می کنند و در ایجاد شکافهای نازک تاثیر زیادی دارند.

استفاده از بتن الیافی در ایران‌

استفاده از بتن الیافی می تواند کیفیت سازه های موجود یا برنامه های آتی در کشور را به شدت تغییر دهد. بسته به ظرفیت تبدیل الیاف بتن بارگیری شده ، می توان تعداد تقویت کننده ها را در مناطق تحت فشار کاهش داد. به دلیل مقاومت فشاری که در بتن الیافی وجود دارد، امکان حذف آرماتورهای برشی وجود دارد. برخلاف بتن معمولی ، مواد تقویت شده با الیاف می توانند در برابر بارهای لغزنده و کششی مقاومت کنند.

اگر از الیاف استفاده شود ، سختی و مقاومت کششی بتن بعد از ترک خوردن افزایش می یابد ، اما این افزایش با افزایش تولید شده توسط آرماتوربندی معمولی حاصل نمی شود. سرانجام ، ما امیدواریم که متخصصان از این رویکرد جدید در شرایطی که می توان از این بتن استفاده کرد ، استفاده نماید، زیرا هزینه های عملیاتی را بسیار کاهش می دهد و بهره برداری از سازه ها نیز در کوتاه مدت امکان پذیر خواهد بود.

استفاده از در طرح اختلاط انواع بتن از ۴٠ سال پیش آغاز شده و طی این سالها استفاده از آن افزایش چشم گیری یافته ، استفاده از الیاف در بـتن سـبب مـی شـود کـه
شکنندگی بتن تا حد قابل توجهی کاهش یابد و بتن الیافی رفتار شکل پذیری در بارهای مختلف از جمله فشار، کشش، ضربه، و. . . از خود نشان دهد.
در این مقاله دلیل ضرورت استفاده از الیاف، انواع مختلف الیاف(،الیاف شیشه و الیاف فولادی)، نحوه‌ی ساخت خواص مکانیکی و کاربردهای بتن الیـافی بـا توجـه بـه نتـایج کاربردهـا و پژوهشهای انجام شده تا کنون و همچنین ملاحظات فنی- اقتصادی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

بتن به عنوان یک ماده‌ی سازه‌ای پر کاربرد بطور گسترده ای مورد پذیرش قرار گرفته است. این ماده به راحتی ریخته و شکل می گیرد و بعد از سخت شدن عمر بالایی دارد . بتن ترکیبی است که در آن توده های کلوخه ای (ریز دانه(ماسه) و درشتدانه(شن)) با آب مخلوط شده و با سیمان پر تلند به هم چسبیده‌اند. لازم به ذکر است که انـواع و نسبت توده ها بر حسب کاربرد متفاوت است.
با توجه به خواص فیزیکی و شیمیایی مواد استفاده شده مخصوصا سیمان بتن در فشار خوب ، ولی در کشش ضـعیف عمل می کنند و بزرگترین کاستی بتن تردی آن است. تقویت کننده هایی چون میله های فولادی را می توان برای افزایش اسـتحکام کششـی، بـه بـتن
افزود. همچنین هنگامی که بتن سخت می شود ، تمایل به ترک خوردن دارد .
طبق تعریف ۸۸ – IR. 544 ACI ،بتن مسلح یا بتن الیافی بتنی است که با سیمان هیدرولیکی مصالح سنگی ریزدانه و درشتدانه و … و الیاف مجزا و غیر پیوسته ساخته میشود.بتن تقویت شده با الیاف (FRC (دارای سیمان پرتلند استاندارد و الیـاف کوتـاه اسـت ، ایـن الیـاف باعـث و افزایش شکل پذیری شده و گاهی حتی جایگزین میله های فلزی ()می شود. نخستین کاربرد الیاف به صورت نـوین در نیمـه دهـه١٨٠٠ ، بـه
شکل سیمان پرتلند تقویت شده با آزبست بود . می توان گفت که یک چنین شیوه ای از دیرباز مورد توجه بوده . چرا که در گذشته بجای سیمان از رس استفاده می شده و بجای الیاف مصنوعی از کاه بهره می جستند.

ویژگی های الیاف مورد استفاده در بتن

نسبت ظاهری الیاف( نسبت طول به قطر )

این ویژگی تأثیر به سزایی درافزایش مقاومت ماتریس بتن دارد. الیاف درون ماتریس زیـر بار به دو دلیل زیر گسیخته می شود.

1. اگر الیاف طولی کمتر از طول بحرانی (length critical ( داشته باشند . بدلیل ازدست دادن خاصیت پیوستگی .
2. چنانچه طول الیاف از طول بحرانی بزرگتر باشد.

معمولاً نسبت ظاهری برای الیاف بطول m m ۶ – ٧۶ معادل ٣٠ – ١۵٠ است.

ضریب ارتجاعی الیاف

هر اندازه ضریب ارتجاعی الیاف بیشتر باشد ، تنشی که ترکیب با ماتریسهای سـیمانی،(مـلات یـا بـتن ) تحمل می کند بیشتر است.این ویژگی الیاف بتن عامل مهمی برای مقایسه و تشخیص مزایای الیاف ها نسبت بهم می باشد .

پیوستگی الیاف به ماتریس

یکی از ویژگیهای مهم در خاصیت مقاومت دهی می باشد. شیوه های پیوستگی الیاف به ماتریس شامل چسبندگی ، اصطکاک و درگیری مکانیکی، مشابه آرماتورهای فولادی دربتن مسلح است.

خاصیت ارتجاعی

در صورتی که خاصیت ارتجاعی الیاف کم باشد بتن حاصله خصوصیاتی مانند خزش تحت بار از خـود نشـان می دهد و در نتیجه مقاومـت بتن حاصله از این نوع الیاف با گذر زمان کاسته می شود . این مورد در محسوس تر است.

مقاومت کششی الیاف

هر گاه مقاومت کششی الیاف بیشتر از ماتریس باشد، مقاومت کششی ترکیب افزایش می یابد و عملا دلیل استفاده از الیاف در بتن همین دلیل می‌باشد.

کرنش پذیری الیاف

کرنش نهایی در بتن باید بیشتر از کرنش ترک خوردگی ماتریس باشد و از آنجا کـه معمـولاً ماتریسهای سیمانی شکننده اند این موضوع برای اکثر الیاف ها صدق میکند .وقتی ماتریس بتن تحت بار قرار می گیرد الیاف‌های پخش شده‌ی درون آن سبب مـی‌شوند که ابتدا ، سرعت گسترش ترکها آهسته‌تر گردد و با افزایش میزان بار، مقدار ترکها بتدریج زیاد می شود نه یک باره .

از طرفی چون الیاف قادراست تنش در یک مقطع ترک خورده را منتقل سازد، بعبارت دیگر الیاف با پل زدن بین ترکها بار و کرنش را حمل می کنند ، همچنین قابل ذکر است که بار بوسیله تنش برشی در سطح مشترک ماتریس – الیاف ، از ماتریس به الیاف منتقل می شود ، معمولاً انتقال بار به دلیل اختلاف در خواص فیزیکی الیاف و مـاتریس ( مانند اختلاف در ضریب ارتجاعی ) انجام می پذیرد .

روابط تغییر تنش برشی، در طول سطح مشترک ماتریس – الیاف و میزان تنش کششـی در الیـاف، بر اساس تعادل نیروها بدست می آید. بنابراین افزایش الیاف به مخلوط بتن باعث می شود که قسمتهای ترک خورده نیز درمقابل بـار از خـود مقاومـت نشان دهند و در نتیجه می تواند نسبت به ماتریس تقویت نشده از خود تغییر شکل بیشتری نشان دهد و قابلیـت بـاربری بیشـتری داشـته باشـد ایـن موضوع در شرایط بارگذاری تدریجی در شکل ٢ نشان داده شده است .

شیوه قرار گرفتن و توزیع الیاف در ماتریس :

شیوه قرار گرفتن الیاف در محور ترک ، در انتقال نیرو بـه سـطح ترک مؤثراست . الیافی که موازی ترک باشد ، به انتقال نیرو کمک نمی کند . اما الیافی که عمود بر محور ترک قرار گرفته باشـد بیشترین تأثیر بر جای میگذارند.
میزان بازدهی تقویت ماتریس توسط الیاف به تعداد جهتهای تلاقی آنها در واحد سطح بستگی دارد که میزان این بازدهی به ترتیب زیر است

• الیاف به موازات تنش وارده توزیع شود.
• وقتی الیاف در صفحه ای به موازات تنش وارده ، در دو بعد به صورت تصادفی توزیع شوند.
• زمانی که الیاف به صورت تصادفی و در سه بعد توزیع شوند.

تجربه نشان داده است که در بتن ریزی پر حجم ( concrete ass M ( شیوه قرار گرفتن الیاف بصورت سه بعدی و تصادفی می باشد و افـزایش مقاومـت و طاقت در تمامی جهات تقویت می‌گردد.
در پوسته ها و درلایه‌های بتن پاشی ( hotcrete S ) تا حدودی نحوه‌ی قرارگیری الیاف دو بعدیی و تصادفی می‌باشد و افزایش مقاومت طاقت بیشتر به موازات محور مقطع صورت می گیرد لرزاندن ( ibrate V ) بتن حاوی الیاف در برخی موارد امکان قرار گرفتن الیاف را بصورت دلخواه شما فراهم خواهد کرد . مثلاً در روسازی راه‌ها و فرودگاهها لازم است الیاف در دو بعد و به موازات محور افقی، که در واقـع در جهـت تنش‌های کششی وارده توزیع شوند . قرار گرفتن الیاف در یک بعد کاربردی ندارد . کلیه موارد ذکر شده در خصوصیات بتن سخت شده موثرند .

موارد مصرف محصول‌های سیمانی تقویت شده با الیاف

با استفاده از سیستم های سیمانی تقویت شده با الیاف میتوان مصالح ساختمانی در ابعاد کوچک و با حداکثر مقاومت خمشی و ضربه ای تولید کرد.
صرفنظر از جنبه های اقتصادی که در آخر مقاله در مورد آن بحث خواهد شد . استفاده ازالیاف در ترکیبها موجب دستیابی به ویژگیهایی می شود که بدون استفاده از آنها ، امر طراحی ممکن نیست محصولات سیمانی تقویت شده با الیاف بسیار متنوع اند به گونه ای کـه انتخـاب نوع آن به ویژگیهای مورد نظر بستگی دارد.
موارد استفاده از فراورده های بتنی تقویت شده با انوع را میتوانید مشاهده نمائید.

نوع الیاف	موارد مصرف
شیشه	پانل‌های پیش ساخته،دیوار نما،لوله های فاضلاب، سقفهای پوسته ای بتنی
فولاد	بلوکهای سقفی بتنی مجوف، روکش جاده ها،کف پلها، سازه های مقاوم در برابر انفجار،پی ماشین آلات، سازه های دریایی، پوشش تونلها، ساخمان بدنه کشتی ها
نایلون، پلی پروپیلن	شمعها، شمعهای پیش تنیده،پانلهای نما، واحدهای شناور برای عبور و تخلیه بار در دریا،ترمیم روسازیها، پوشش سطحی لوله های زیر آب، دالهای بتنی و فوم بتن به عنوان و در گچ و پتینه برای
آزبست	ورقه‌ها، لوله‌ها، صفحه‌ها، مواد عایق و ضد آتش، لوله های فاضلاب، ورقه های صاف یا موجدار سقف،پوشش هاس سطحی دیوارها
کربن	واحدهای موجدار جهت کف سازی، جدا کننده های موجدار،بدنه قایقها، تخته های داربست
کولار	همانند الیاف کربن
بامبو	صفحات ساختمانی(اجزای چوبی در ساختمان ها)
پودر میکا	به عنوان ماده جایگزین بخشی از آزبست در ورقه های سیمانی و لوله های بتنی و مواد تعمیراتی
الیاف گیاهی	مواد ارزان قیمت جهت پوشش سقف و پانلهای نما

مقاومت کششی الیاف با طول آن رابطه‌ی عکس دارد یعنی با افزایش طول الیاف، مقاومت کششی الیاف کاهش می یابد . نکته جالب توجه دیگر این که مقاومت متوسط الیاف منفـرد بیشـتر از مقاومـت الیـاف دسته شده است .
برخی از ویژگیهای الیاف مختلف در جدول ٢ آورده شده است.

ضرورت استفاده از الیاف

هدف از مسلح نمودن بتن با الیاف ، افزایش مقاومت کششی ، کنترل ترک بتن و افزایش سختی بوسیله انتقال تنش در عرض مقطع یک ترک می باشد . بدین ترتیب در مقایسه با بتن بدون الیاف ، امکان تغییر شکلهای بزرگتری فراهم می شود .
نمودار زیر مقاومت وسختی بیشتر بتن الیافی را در خمش نشان می دهد

Lc به عنوان طول بحرانی الیاف در نظر گرفته میشود .هنگامی که Lc L باشد آنگاه خود الیاف در کشش گسـیخته خواهـد شـد . طـول الیـاف بایـد از بزرگترین اندازه سنگدانه ها بزرگتر باشد طبق معادله ١ هر چه مقاومت پیو ستگی بیشتر باشد، ماکزیمم تنش قابـل تحمـل توسـط الیاف بیشتر می شود. آجدار و زبر کردن سطح الیاف بزرگ کردن یا خم کردن انتهای آنها ، و همچنین چـین دار نمـودن الیـاف ، باعـث افزایش مقاومت پیوستگی الیاف می‌شود . مثلاً استفاده از الیاف چند رشته‌ای پلی پروپلین به شکل صاف یا تابیده ، باعث ایجاد چسـبندگی خوبی می‌شود و چسبندگی ضعیف پلاستیک در خمیر سیمان را تحت الشعاع قرار می دهد . روشن است که موقعیت و جهت الیاف نسبت به صفحه ترک در بتن ، ظرفیت تقویت کنندگی الیاف را تحت تأثیر قرار می دهد . بیشترین تاثیر هنگامی حاصل می شود که الیاف با امتداد تنش کششی اعمال شده ، موازی باشد . این موضوع در شکل ۴ نشـان داده شده، ضمن اینکه ملاحظه می شود با افزایش مقدار الیاف ، مقاومت هم افزایش می یابد.
مقاومت نهایی بتن حاوی الیاف بصورت زیر به خصوصیات خمیر سیمان و الیاف بستگی دارد .
Sc = ASm (1-Vf ) + BVf (L/d) (٢)
در رابطه فوق Sc وSm بترتیب مقاومت نهایی مخلوط بتن وخمیر سیمان ،Vf نسبت حجمی الیاف ، و A یک عدد ثابت که عامـل بازدهی ترکیب به منظور دخالت دادن عواملی نظیر طول الیاف جهت قرار گرفتن الیاف ، عیوب و تأثیر متقابل الیاف – الیاف مـی باشـد .ضریب B در معادله به مقاومت پیوستگی و شکل قرارگیری الیاف بستگی دارد.

تاثیر دو نوع الیاف بر روی مشخصات مکانیکی ماتریس‌های سیمانی

الیاف فولادی

مقاومت فشاری

افزایش مقاومت فشاری بتن بر اثر استفاده از الیاف فولادی بندرت از ٢۵ درصد بیشتر می‌گـردد .

درصد استفاده از الیاف فولادی قلابدار دربتن معمولاً m3/Kg ۶٠ ) ٧۵ ./درصد حجمی ) است در این مقادیر ، تأثیر الیاف فولادی بر مقاومت فشاری بسیار کم است و می توان از آن صرفنظر کرد . اثر مهم استفاده از الیاف فولادی افزایش شـکل پـذیری بـتن می‌باشد . با افزایش نسبت ظاهری الیاف تأثیر الیاف روی شکل پذیری بیشتر می گردد ، در صورتی که از الیاف قلابدار در ترکیب سیمانی استفاده شود ، جذب انرژی و شکل پـذیری را افزایش می دهد .

با توجه به تردی بیشتر بتن‌های با مقاومت بالا، برای این بتن‌ها و بتن‌های حاوی خاکستر بادی و میکروسیلس درصد بالاتری از الیاف فولادی جهت ایجاد شکل پذیری مورد نظر لازم می باشد . شکل ۵ منحنی بار – تغییر شکل را بـرای درصـدهای حجمـی متفاوت نشان می دهد ، و مشخص می کند که استفاده از الیاف موجب افزایش کرنش متناظر یا تنش حداکثر می باشد . همچنین شـیب منحنی بار- تغییر شکل ، بعد از رسیدن به حداکثر بار به شدت کاهش می یابد و قابلیت تحمل بار بعد از بار حداکثر ، افزایش می یابد .

مقاومت کششی

مقاومت کششی توسط کشش مستقیم قطعات و یا روش غیرمستقیم ( شکافت نمونه ) انجام مـی پذیرد . در درصدهای استفاده معمولی که کمتر از ٢ درصد وزن سیمان می باشد، الیاف هیچ تأثیری روی مقاومت کششی حداکثر بتن نـدارد . بـر اثـر استفاده از میکروسیلس، چسبندگی الیاف به میکروسیلس زیاد شده و تخریـب نمونـه از حالـت بیـرون کشـیدگی الیـاف بـه سـمت گسیختگی الیاف میل کرده و در نتیجه افزایش مقاومت کششی حاصل می گردد.

در صورتی که الیافق استفاده شده کمتر از ۲/۰ درصد باشد استفاده از الیاف پلیمری تاثیری در مقاومت کششی بتن نخواهد داشت.در ۵/۰ درصد باز هم با توجه به دلایل گفته شده موجب کاهش مقاومت کششی بتن می گردد.

مقاومت خمشی

رفتار بتن حاوی الیاف در خمش ، معیار عمده ارزیابی عملکرد این بتنها می باشد زیرا بـرای بیشـتر کاربردهای عملی ، ترکیب تحت خمش قرار می گیرد. استفاده از الیاف تأثیر بسیار قابل توجهی در افزایش طاقت خمشی بتن دارد. برای بررسی رفتار بتن الیافی در خمش از روش آزمایش ۱۰۱۸ C ASTMکه طی آن منشورهایی به ابعاد ٣۵٠ × ١٠٠ ×١٠٠ میلیمتر تحت بار دو نقطه ای قرار می گیرند ، استفاده می شود . علاوه بر تنش حداکثر بدست آمده ، رفتار نمونه بعد از ترک و ارزیابی شکل پذیری آن مد نظر است.

در حالت کلی می توان گفت که افزایش در مقاومت حداکثر خمشی به علت استفاده از الیاف ، بیشتر از افزایش در مقاومتهای فشاری و کششی است. در شکلهای ۶ و٧ اثر مقدار و شکل الیاف در عملکرد خمشی آن را نشان می دهد.

درصدهای معمولی استفاده از الیاف پلیمری حدود ١/٠ تا ۵/٠ درصد می باشد ، در منحنی بار تغییـر شکل برای بتن حاوی الیاف پلی پروپلین به مقدار ۵/٠ درصد حجمی افت بعد از ترک اول بسیار بالاست که این موضوع با توجه به مدول کشسانی پائین الیاف پلیمری و مقدار کم استفاده از آن ، قابل انتظار می باشد .

مقاومت در برابر بارهای ضربه ای

با اضافه کردن الیاف فولادی به بتن ، مقاومت ضربه ای بتن به صورت قابل توجهی افزایش می یابد. در این باره الیاف قلابدار موثرتر از الیاف مستقیم است ، ضمنا با افزایش مقدار الیاف مقاومت ضریه ای افزایش می یابد.

مقاومت فشاری

معمولا از الیاف پلیمری در بتن ، ١/٠ درصد حجمی اسفاده می شود، در این مقدار کم
، الیاف تأثیری روی مقاومت فشاری و مدول الا ستیسیته بتن ندارد. نوع الیاف نیز نقشی در این زمینه ندارد افزایش تا ۵/٠ درصد موجب کاهش مقاومت فشاری در حدود ۵ تا ١٠ درصد بدلیل هوای محبوس شده و مشکلات متراکم کردن بتن می‌باشد

مقاومت در بارهای ضربه‌ای

تأثیر این مورد نیز از الیاف فولادی کمتر است و افزایش آن از ١/٠ تـا ۵/٠
درصد تأثیر چندانی ندارد.

جمع شدگی خمیر سیمان

بـا اسـتفاده از الیـاف پلیمـری بـه میـزان حدود ۰/۶ کیلوگرم بر متر می توان به طور مؤثری ترکهای خمیری در بتن را کاهش داده و این ، یکی از دلایل عمده استفاده از الیاف پلیمری در بتن است . تأثیر مقدار استفاده از الیاف پلیمری در ترک خوردگی خمیری در شکل ٩ ، نشان داده شده است .
الیاف پلیمری نرمتر ( با مدول الاستیسیته پائین تر ) و طول بیشتر عملکرد بهتری در کاهش ترک خوردگی دارند. یکی از بهترین نوع اجرا و قالب میتواند قالب گستر سپنتا باشد.