کاربردهای بتن مسلح شده با الیاف، مزایا و سوالات کلیدی

بتن به عنوان پایه و اساس ساخت و ساز مدرن عمل می کند و بهبود مستمر عملکرد آن، یک تمرکز اصلی در مهندسی است. ظهور بتن مسلح شده با الیاف (FRC) نشاط جدیدی را به این ماده ضروری بخشیده است. با این حال، سوالات متعددی را نیز مطرح می کند: الیاف دقیقا چه هستند؟ چه چیزی ماکروالیاف را از میکروالیاف متمایز می کند؟ چگونه باید نوع و دوز مناسب الیاف را انتخاب کرد؟ این مقاله یک بررسی عمیق از بتن مسلح شده با الیاف ارائه می دهد، به نگرانی های کاربردی عملی می پردازد و راهنمایی هایی را برای ساخت ساختمان های مستحکم تر و بادوام تر ارائه می دهد.

الیاف نقش مهمی در بتن دارند و به عنوان مواد تقویت کننده عمل می کنند نه فقط افزودنی ها. همانطور که در ACI CT-18 (اصطلاحات بتن) تعریف شده است، الیاف شکاف ها را پر می کنند، بتن را به هم متصل می کنند و عملکرد کلی آن را به طور قابل توجهی افزایش می دهند.

تفاوت اصلی بین ماکروالیاف و میکروالیاف در اندازه آنها نهفته است که معمولاً با قطر معادل یا چگالی خطی اندازه گیری می شود. در صنعت FRC، چگالی خطی اغلب بر حسب دنیر بیان می شود که نشان دهنده جرم (بر حسب گرم) 9000 متر الیاف است.

تفاوت های کلیدی بین میکروالیاف و ماکروالیاف عبارتند از:

• الیاف مصنوعی: ASTM D7508/D7508M الزامات را برای ماکروالیاف، میکروالیاف و الیاف هیبریدی (ترکیبی از هر دو) مشخص می کند. این استاندارد همچنین از مقاومت کششی و طول برش به عنوان خواص متمایز کننده اضافی استفاده می کند.
• میکروالیاف طبیعی: ASTM D7357 الزامات انطباق را برای الیاف سلولزی مورد استفاده در FRC تشریح می کند.
• الیاف فولادی: به عنوان ماکروالیاف طبقه بندی می شوند، ASTM A820/A820M حداقل الزامات را برای الیاف فولادی در کاربردهای FRC تعیین می کند.

• میکروالیاف: در درجه اول ترک خوردگی انقباض پلاستیکی را کنترل می کنند. در دوزهای معمولی، آنها کنترل دما یا ترک خوردگی انقباضی را ارائه نمی دهند و همچنین سایر خواص بتن را افزایش نمی دهند. با این حال، میکروالیاف فیبریله شده که در حداقل دوز 1.5 پوند بر یارد مکعب (0.9 کیلوگرم بر متر مکعب) استفاده می شوند، می توانند جایگزین تقویت کننده سیم جوش سبک وزن (WWR) برای کنترل ترک خوردگی دما و انقباض شوند.
• ماکروالیاف: عملکرد بتن را به طور قابل توجهی بهبود می بخشند، از جمله مقاومت باقیمانده پس از ترک خوردگی، انتقال بار در سراسر ترک ها، دوام افزایش یافته، چقرمگی خمشی، مقاومت در برابر خستگی، مقاومت در برابر ضربه و ظرفیت برشی.

انواع مختلفی از ماکروالیاف مصنوعی وجود دارد که هر کدام مزایای منحصر به فردی دارند. فراتر از خواص فیزیکی مانند مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، ترکیب مواد یا شکل، تفاوت های کمتر آشکاری شامل عملکرد اختلاط، تمایل به گلوله شدن، کیفیت سطح نهایی و ویژگی های پیوند با بتن است.

کلید استفاده موفقیت آمیز از ماکروالیاف مصنوعی در انتخاب دوزهای مناسب است که هم الزامات عملکرد و هم نیازهای کارایی/تکمیل را برآورده می کند. الیاف قوی تر یا الیافی که دارای ویژگی های پیوند بهتری هستند ممکن است به مواد کمتری نسبت به جایگزین های ضعیف تر نیاز داشته باشند. تولیدکنندگان باید داده های آزمایشی را برای پشتیبانی از توصیه های دوز ارائه دهند، با آزمایش های آزمایشی که در صورت وجود عدم اطمینان توصیه می شود.

میکروالیاف در درجه اول ترک خوردگی انقباض پلاستیکی را کنترل می کنند. تحقیقات نشان می دهد که آنها در دوزهای معمولی ظرفیت باربری ناچیزی در بتن سخت شده ارائه می دهند. دوزهای بالاتر میکروالیاف می تواند اختلاط را به دلیل افزایش تعداد الیاف و سطح، پیچیده کند و به طور بالقوه باعث ایجاد مشکلات در کارایی و از دست دادن قابل توجهی از افت شود.

در مقایسه با الیاف کوتاه تر از همان نوع، الیاف بلندتر دارای سطح بیشتری هستند که باعث بهبود لنگر در بتن سخت شده و افزایش عملکرد پس از ترک خوردگی در دوزهای معادل می شود. با این حال، یک طول بهینه برای هر نوع الیاف وجود دارد که به شکل خاص، ویژگی های سفتی و مقاومت فشاری بتن بستگی دارد.

آزمایش های آزمایشی قبل از پروژه با در نظر گرفتن روش های قرار دادن و الزامات تکمیل به تعیین طول ایده آل الیاف کمک می کند و از مشکلاتی مانند گلوله شدن یا بیرون زدگی الیاف سطح جلوگیری می کند.

ماکروالیاف مصنوعی (به ویژه رشته های درشت و بزرگ) می توانند مقاومت باقیمانده ای قابل مقایسه با الیاف فولادی را بسته به دوز ارائه دهند. عوامل دیگری مانند تغییر شکل پیش بینی شده و شرایط محیطی نیز باید بر انتخاب الیاف تأثیر بگذارد. برای برخی از کاربردهای ساختاری که به الیاف فولادی نیاز دارند، جایگزین های مصنوعی تأیید نشده اند.

در حالی که ماکروالیاف مصنوعی معمولاً مقاومت کششی و مدول الاستیسیته کمتری نسبت به الیاف فولادی دارند، الیاف بسیار بیشتری را برای پر کردن شکاف های احتمالی فراهم می کنند. هنگامی که به درستی دوز داده شود، ظرفیت انتقال تنش کل در سراسر ترک ها باید معادل باشد. مقاومت مقطعی موثر نیز به کیفیت پیوند الیاف-ماتریس بستگی دارد - الیاف با مقاومت بالا با پیوند ناکافی، کاندیداهای ضعیفی برای تقویت هستند. عملکرد FRC منعکس کننده رفتار کامپوزیت است، نه خواص الیاف فردی.

بتن مسلح شده با الیاف (FRC) الیاف گسسته (معمولاً تا 2.5 اینچ یا 64 میلی متر) را در بتن سیمان هیدرولیکی ترکیب می کند. پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP) از الیاف به طور قابل توجهی بلندتر استفاده می کنند که در ماتریس های پلیمری بدون سیمان یا سنگدانه تعبیه شده اند.

مقادیر الیاف مورد نیاز به معیارهای عملکرد FRC مشخص شده بستگی دارد. برای میکروالیاف کنترل کننده انقباض پلاستیکی، نسبت کاهش ترک (CRR) تعیین دوز را طبق ASTM C1579 هدایت می کند. برای ماکروالیاف در بتن سخت شده، دوزها باید مقاومت باقیمانده مشخص شده (ASTM C1399)، مقاومت خمشی معادل پس از ترک خوردگی (ASTM C1609) یا ظرفیت جذب انرژی (ASTM C1550) را برآورده کنند، با در نظر گرفتن نوع/ضخامت عنصر، مقاومت بتن، مشخصات تقویت و الزامات بارگذاری.

بسیاری از تامین کنندگان ابزارهای طراحی (به ویژه برای دال ها) را برای محاسبه دوزهای مناسب ارائه می دهند.

برای دال ها، حداقل دوزها معمولاً توسط تولیدکنندگان بر اساس آزمایش محصول استاندارد شده برای برآورده کردن الزامات یا استانداردهای صنعت تعیین می شود.

ANSI/SDI C-2017 برای عرشه های فلزی کامپوزیت حداقل دوزهای ماکروالیاف 4.0 پوند بر یارد مکعب (2.4 کیلوگرم بر متر مکعب) برای الیاف مصنوعی و 25.0 پوند بر یارد مکعب (14.8 کیلوگرم بر متر مکعب) برای الیاف فولادی را هنگام استفاده برای کنترل دما/انقباض مشخص می کند. تحت الزامات UL، محدودیت های بالایی 5.0 پوند بر یارد مکعب (3.0 کیلوگرم بر متر مکعب) برای الیاف مصنوعی و 66.0 پوند بر یارد مکعب (39.2 کیلوگرم بر متر مکعب) برای الیاف فولادی است. تقویت الیاف در حال حاضر جایگزین فولاد لحظه منفی در مجموعه های عرشه کامپوزیت نمی شود.

دوزهای کمتر از توصیه های سازنده یا الزامات کد توصیه نمی شود. مهندسان باید در صورت عدم اطمینان در مورد کاربردها یا دوزها با تولیدکنندگان الیاف مشورت کنند.

منابع متعددی راهنمایی طراحی برای بتن مسلح شده با ماکروالیاف در کاربردهای مختلف ساختاری ارائه می دهند:

• ACI 544.4R-18: راهنمای طراحی با FRC
• ACI 360R-10: راهنمای طراحی دال
• ACI 322-14: الزامات کد بتن مسکونی

تولیدکنندگان الیاف می توانند راهنمایی های اضافی مربوط به محصول را ارائه دهند.

مشخصات ماکروالیاف FRC باید مبتنی بر عملکرد و مختص کاربرد باشد، با استفاده از روش های تایید شده از ACI 544.4R برای محاسبه پارامترهای مشخصه مانند:

• مقاومت باقیمانده متوسط (ASTM C1399)
• مقاومت باقیمانده یا مقاومت خمشی معادل (ASTM C1609)

مشخصات نمونه: "دوز الیاف باید حداقل مقاومت باقیمانده 200 psi (1.4 MPa) را در بتن 4000 psi (28 MPa) فراهم کند." انطباق باید از طریق داده های آزمایشی سازنده طبق استانداردهای مربوطه ASTM تأیید شود.

برای شاتکریت، عملکرد شاتکریت مسلح شده با الیاف (FRS) با ظرفیت جذب انرژی (ASTM C1550 یا EN 14488-5) تعیین می شود. مشخصات نمونه: "دوز الیاف باید حداقل 280 J جذب انرژی را در 7 روز در شاتکریت 4000 psi (28 MPa) فراهم کند."

عملکرد پس از ترک خوردگی FRC را می توان از طریق ASTM C1609، C1399 یا C1550 (جذب انرژی) ارزیابی کرد. مهندسان باید مقادیر مناسب را بر اساس هدف طراحی و سطوح عملکرد مورد نیاز تعیین کنند و به ACI 544.4R برای راهنمایی مراجعه کنند.

برخی از الیاف (به عنوان مثال، فولاد) در نزدیکی سطوح بتنی در محیط های در معرض ممکن است خورده شوند. در حالی که چنین خوردگی موضعی یکپارچگی ساختاری را به خطر نمی اندازد، تأثیر زیبایی شناختی آن باید از قبل ارزیابی شود. الیاف مصنوعی و طبیعی غیر خورنده و از نظر شیمیایی بی اثر هستند و تحت تأثیر شرایط محیطی قرار نمی گیرند.

در حالی که الیاف معمولاً مقاومت خمشی ترک خوردگی اول بتن (مدول گسیختگی، ASTM C78) را افزایش نمی دهند، ظرفیت خمشی دال و مقاومت در برابر خستگی را افزایش می دهند. مقادیر چقرمگی خاص الیاف مناسب، بخش های بتنی نازک تر را قادر می سازد تا بارهای طراحی را تحمل کنند.

ANSI/SDI C-2017 اجازه می دهد تا ماکروالیاف فولادی یا مصنوعی (در دوزهای تعیین شده توسط سازنده که الزامات حداقل را برآورده می کنند) جایگزین تقویت کننده سیم جوش (WWR) برای کنترل ترک، نه مقاومت در برابر تنش ساختاری شوند.

تحت ارزیابی های UL و ICC-ES، برخی از میکروالیاف به عنوان جایگزین های WWR در مجموعه های کف/سقف با درجه آتش خاص شناخته می شوند.

این مشکل تاریخی در درجه اول با میکروالیاف مصنوعی زمانی رخ می داد که از تکنیک های تکمیل نامناسب استفاده می شد. میکروالیاف تک رشته ای مدرن (معمولاً به 1.0–1.5 پوند بر یارد مکعب یا 0.6–0.9 کیلوگرم بر متر مکعب) و ماکروالیاف این اثر را به حداقل می رسانند. اختلاط، قرار دادن و تکمیل مناسب سطوح عالی را ایجاد می کند. بیرون زدگی الیاف سطح یکپارچگی دال را به خطر نمی اندازد - مشعل های گل رز می توانند الیاف در معرض دید را ذوب کنند اگر نگرانی های زیبایی شناختی ایجاد شود.

در حالی که برخی از مواد مصنوعی (به عنوان مثال، نایلون) مقادیر کمی از آب دسته ای را جذب می کنند، الیاف پلی پروپیلن/پلی اتیلن رایج آبگریز هستند. کاهش ظاهری افت در دوزهای بالاتر ناشی از الیاف است که به عنوان عوامل چسبنده عمل می کنند تا جذب آب.

افزودن آب باعث کاهش مقاومت بتن می شود. هنگامی که محتوای بالای الیاف بر کارایی تأثیر می گذارد، مواد افزودنی شیمیایی - نه آب اضافی - باید استفاده شوند.

نقاط افزودن ایده آل بسته به شکل، سفتی و دوز الیاف متفاوت است - برخی از آنها به عنوان اولین مواد تشکیل دهنده بهترین عملکرد را دارند، برخی دیگر پس از بارگیری تمام مواد. تولیدکنندگان می توانند راهنمایی ارائه دهند، با آزمایش های قبل از پروژه که برای تعیین زمان افزودن و مدت اختلاط بهینه توصیه می شود.

برای بتن معمولی، 4-5 دقیقه اختلاط پس از اضافه شدن تمام مواد معمولاً برای عملیات آماده سازی توصیه می شود.

همه انواع الیاف ممکن است به دلیل اختلاط ناکافی، توالی نامناسب یا افزودن به مخلوط های بیش از حد خشک که فاقد ریزدانه کافی برای پوشش الیاف هستند، گلوله شوند. آزمایش های قبل از پروژه به تأیید سازگاری مخلوط با نوع و دوز الیاف مورد نظر کمک می کند.

اثرات افت به موارد زیر بستگی دارد:

• افت اولیه مخلوط (تأثیر بیشتر در افت های شروع پایین تر)
• تعداد الیاف و دوز (دوزهای بالاتر تأثیر را افزایش می دهد)
• مساحت کل سطح الیاف (افزایش سطح، تأثیر را افزایش می دهد)

توجه داشته باشید که اندازه گیری های مخروط افت، قوام دسته ای را نشان می دهد، نه لزوماً کارایی واقعی. در حالی که افت بصری ممکن است کاهش یابد، کارایی واقعی ممکن است کمتر تحت تأثیر قرار گیرد. آزمایش های قبل از پروژه تعیین می کند که آیا تنظیمات کارایی مورد نیاز است یا خیر.

میکروالیاف ممکن است بیشتر از ماکروالیاف در نسبت های طول به قطر و دوزهای معادل به دلیل تعداد الیاف بیشتر در هر پوند بر افت تأثیر بگذارند. به طور کلی:

• میکروالیاف مصنوعی (1.0–3.0 پوند بر یارد مکعب یا 0.6–1.8 کیلوگرم بر متر مکعب): 1–3 اینچ (25–75 میلی متر) افت
• ماکروالیاف مصنوعی (3.0–10.0 پوند بر یارد مکعب یا 1.8–6.0 کیلوگرم بر متر مکعب) یا الیاف فولادی (15–50 پوند بر یارد مکعب یا 9–29.6 کیلوگرم بر متر مکعب): 1–5 اینچ (25–125 میلی متر) افت

نرم کننده ها (کاهنده های آب میان رده یا بالا) باید افت را جبران کنند. تنظیمات مخلوط ممکن است در دوزهای بالا برای اطمینان از محتوای خمیر کافی ضروری باشد. از آب اضافی برای جلوگیری از کاهش مقاومت و جداسازی خودداری کنید.

ماکروالیاف به طور کلی تأثیر نامطلوبی بر محتوای هوا یا مقاومت فشاری ندارند. تغییرات درک شده اغلب ناشی از اختلاط بیش از حد، اضافه شدن آب، تغییرات دما یا اندازه گیری نادرست رطوبت در سنگدانه ها است. نوسانات هوا ممکن است به تغییرات افت واقعی نیز مربوط باشد. برخی از عملیات سطحی الیاف تاریخی می توانند هوای ناخواسته را وارد کنند، اما این امر اکنون نادر است.

تغییرات وزن واحد به نوع الیاف و تنظیمات طرح اختلاط بستگی دارد. الیاف مصنوعی معمولاً وزن واحد را تغییر نمی دهند اگر محتوای هوا ثابت بماند. الیاف فولادی با چگالی بالاتر ممکن است وزن واحد را بسته به کسر حجمی و تنظیمات مخلوط افزایش دهند.

در بتن با وزن معمولی، الیاف با نسبت و اختلاط مناسب نه شناور می شوند و نه به دلیل وزن مخصوص مواد و ویسکوزیته بتن مخلوط شده، غرق می شوند. الیاف در واقع به تعلیق سنگدانه های بزرگتر کمک می کنند و از جداسازی جلوگیری می کنند.

به طور کلی سازگار است، اما برخی از مواد کمکی فرآوری الیاف یا پرداخت های چرخشی ممکن است بر سایر مواد شیمیایی بتن تأثیر بگذارند. همیشه با تولیدکنندگان الیاف تأیید کنید.