الیاف PP و خواص آن در بتن

اگرچه بتن مزایای زیادی در ساخت و ساز دارد، اما رفتار شکننده آن همچنان یک نقص بزرگ برای لرزه‌نگاری و سایر کاربردهایی است که در اصل در رفتار انعطاف پذیر مورد نیاز است. اخیراً توسعه بتن تقویت شده با الیاف پلی پروپیلن  به بهبود این نواقص بتن کمک کرده است زیرا افزودن الیاف در بتن، مقاومت فشاری، خمشی، مقاومت در برابر کشش و مقاومت در برابر ضربه و همچنین دوام بتن را بهبود می بخشد.

ماده اولیه پلی پروپیلن از مونومریک C3H6 حاصل می شود که صرفاً هیدروکربن است. روش پلیمریزاسیون، وزن مولکولی زیاد و روش پردازش آن به الیاف باعث می شود که الیاف پلی پروپیلن همانطور که در زیر توضیح داده شده است دارای خواص بسیار مفیدی باشند:

یک آرایش اتمی منظم در مولکول پلیمر و تبلور زیاد وجود دارد. به دلیل ساختار منظم ، به عنوان پلی پروپیلن ایزوتاکتیک شناخته می شود.

عدم تحرک شیمیایی باعث مقاومت الیاف در برابر بیشتر مواد شیمیایی می شود.

سطح آبگریز الیاف pp توسط خمیر سیمان مرطوب نمی شود و باعث می شود تا الیاف‌ها در اثر مخلوط شدن مانند سایر الیاف از اثر تورم جلوگیری کنند، تقاضای آب برای الیاف پلی پروپیلن صفر است.

 ماتریس سیمان می تواند در ساختار مش بین الیاف‌های منفرد نفوذ کرده و یک پیوند مکانیکی بین ماتریس  الیاف ایجاد کند.

 پلی پروپیلن (PP) یک پلیمر الفین است (بنابراین ترموپلاستیک است) با نقطه ذوب نسبتاً کم ، این ماده ناهموار سفید و با مقاومت شیمیایی بالا از محصولات جانبی نفت است.

هر آنچه که باید بیشتر بدانید : محصولات الیاف بتن

خواص الیاف PP

• خواص فیزیکی کم
• مقاومت کم در برابر حرارت
• مقاومت شیمیایی عالی
• شفاف تا مات
• قیمت پایین
• پردازش آسان

الیاف پلی پروپیلن خصوصیات عایق حرارتی خوبی را نشان می دهد و در برابر اسیدها، قلیاها و حلال های آلی بسیار مقاوم است، این الیاف به گرما و نور حساس است.

مشخصات الیاف پلی پروپیلن

رنگ ظاهری : سفید ، سیاه ، سبز

مقطع : دایره

وزن مخصوص الیاف پلی پروپیلن : 0.91

مقاومت کششی≈۴۰۰ (نیوتن بر میلیمترمربع)

مدول الاستیک:   2.7 GPa

محدوده ذوب ۱۶۵ درجه سیلسیوس

مقاومت در برابر اسیدها و قلیاها بالا

مقاومت در برابر نمک بالا

ظرافیت ۹ , ۵ , ۳ دنیر

طول برش ۶ , ۱۲ , ۱۸ میلی متر

درصد ازدیاد طول ۸۰ درصد

غوطه وری در آب ۵ – ۳ ثانیه

استفاده از الیاف  PP در بتن

نقش الیاف pp  در بتن

ترک ها نقش مهمی در بتن دارند زیرا ساختارهای بتنی را به عناصر نفوذپذیر و در نتیجه با خطر بالای خوردگی تغییر می دهند. ترک ها نه تنها کیفیت بتن را کاهش می دهند و از نظر زیبایی شناسی آن را غیر قابل قبول می کنند بلکه باعث خارج شدن سازه‌ها از سرویس می شوند. اگر این ترک‌ها از عرض مشخصی بیشتر نشوند، نه برای بحث سازه ای مضر هستند و نه برای سرویس دهی بنابراین، کاهش عرض ترک مهم است و این امر می تواند با افزودن الیاف پلی پروپیلن به بتن محقق شود. بنابراین افزودن الیاف در ماتریس بتن این شکاف‌ها را از بین می برد و آن‌ها را از باز شدن بیشتر باز می دارد.

دلایل عمده تشکیل ترک عبارتند از جمع شدگی پلاستیک ، نشست پلاستیک ، آسیب انجماد و ذوب، آسیب ناشی از آتش سوزی و غیره...

برای مطالعه بیشتر : ضد یخ بتن

جمع شدگی پلاستیک

هنگامی اتفاق می افتد که آب سطحی قبل از رسیدن آب اضافی به سطح، تبخیر شود. الیاف پلی پروپیلن به دلیل انعطاف پذیری و توانایی انطباق با فرم، سطح ترک پلاستیک را کاهش می دهند. افزودن 1/0٪ حجمی از الیاف در کاهش میزان ترک خوردگی با ضریب 5-10 موثر است. میزان کاهش ترک متناسب با مقدار الیاف موجود در بتن است.

آسیب ذوب و انجماد 

 افزودن اندک الیاف پلی پروپیلن به بتن با جلوگیری از انتقال آب از طریق حالتهای طبیعی ورود، نفوذ جریان آب را از طریق ماتریس بتن کاهش می دهد. مویینه، ساختار منافذ و غیره کاهش می یابد و دوام بتن را افزایش می‌دهد.

خسارت ناشی از آتش

گرما به بتن نفوذ می کند و در نتیجه رطوبت لایه بیرونی را می‌گیرد. بخار رطوبت به سمت داخل به صورت سرد برمی‌گردند و دوباره در فضای خالی جذب می شوند. آب و بخار در فضای داخلی تجمع می یابند و بدین ترتیب فشار بخار به سرعت افزایش می یابد و باعث ترک خوردگی و پاشیدگی بتن می شود. در صورتی که در بتن الیافی مسلح شده با الیاف PP، الیاف در دمای 160 درجه سانتیگراد ذوب می شوند و فضاهای خالی در بتن ایجاد می کنند. فشار بخار در حفره های تازه شکل گرفته آزاد می شود و جوشش مواد منفجره به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

خصوصیات بتن مسلح با الیاف PP

قبل از اختلاط بتن، متغیرهای طول الیاف، مقدار و نحوه مخلوط طراحی تنظیم می شوند. مخلوط های خوب بتن الیافی مسلح معمولاً در مقایسه با مخلوط های معمولی بتن حاوی حجم ملات زیادی هستند. نسبت ابعاد برای الیاف معمولاً بین 100 تا 200 محدود می شود زیرا الیافی که طول خیلی بلندی دارند تمایل به"گلوله" شدن در مخلوط را داشته و مشکلاتی برای کارایی ایجاد می‌کنند. به طور معمول، الیاف به طور تصادفی در بتن توزیع می شوند. با این حال، اضافه کردن الیاف به بتن باید به گونه ای باشد که الیاف در جهت تنش اعمال شده تراز شوند که در نتیجه مقاومت های کششی و خمشی بیشتری ایجاد می کنند، باید تراکم کافی وجود داشته باشد تا بتن تازه به طور رضایت بخشی جریان یابد و الیاف PP به طور یکنواخت در مخلوط پراکنده شوند. الیاف نباید در سطح شناور شوند و یا در بتن تازه ته نشین شوند. مواد افزودنی شیمیایی(فوق روان‌کننده‌ها) در درجه اول برای افزایش کارایی مخلوط به مخلوط های بتن تقویت شده با الیاف اضافه می شوند. مواد افزودنی هوازا و کاهنده آب معمولاً به مخلوط‌هایی با محتوای  50٪ ریزدانه یا بیشتر اضافه می شوند. فوق روان کننده ها، هنگامی که به بتن تقویت شده با الیاف اضافه می شوند، می توانند نسبت آب به سیمان را کاهش دهند و مقاومت، پایداری حجمی و ویژگی‌های کارایی مخلوط مرطوب را بهبود بخشند.

از الیاف پلی پروپیلن برای تقویت ماتریس های سیمانی به دو روش مختلف استفاده می شود. یک کاربرد در اجزای ورق نازک است که در آن پلی پروپیلن تقویت اولیه را فراهم می کند، حجم آن نسبتاً زیاد و بیش از 5٪ است، تا قطعه مورد نظر هم تقویت و هم سخت شود. در کاربردهای دیگر، میزان حجم پلی پروپیلن کم و کمتر از 00.3٪ حجمی است و هدف اصلی آن این است که به عنوان تقویت کننده ثانویه برای کنترل ترک عمل کند، اما برای کاربردهای دیگر مثل تحمل بار ساختاری نیست. عملکرد و تأثیر الیاف پلی پروپیلن در بتن تازه و سخت شده متفاوت است و بنابراین این دو موضوع جداگانه مورد بررسی قرار می گیرند.

 هر آنچه باید بدانید : محصولات فوق روان کننده بتن

اثرات روی بتن تازه

پارامتر اصلی که غالباً برای تعیین کارایی بتن تازه استفاده می شود، تست اسلامپ است. اندازه اسلامپ عمدتا به جذب آب و تخلخل سنگدانه‌ها، محتوای آب در مخلوط، مقدار سنگدانه ها و مواد ریز موجود در مخلوط، شکل سنگدانه ها و مشخصات سطح مواد تشکیل دهنده در مخلوط بستگی دارد. مقادیر اسلامپ با افزودن الیاف پلی پروپیلن به طور قابل توجهی کاهش می یابد، همانطور که در جدول زیر نشان داده شده است مخلوط بتن نسبتاً چسبناک می شود و در نتیجه باعث افزایش چسبندگی و انسجام بتن تازه می شود که برای رفع این اشکال از فوق روان‌کننده‌ها استفاده می‌شود.

در هنگام اختلاط بتن الیافی با حرکت سنگدانه ها، الیاف رشته ای از هم جدا می‌شوند، به طوری که آن‌ها از شبکه ای از رشته های الیاف پیوند یافته به الیاف‌های جداگانه تبدیل می‌شوند، به دلیل سطح ویژه زیاد این الیاف مخلوط بتن با الیاف پلی پروپیلن در مقایسه با بتن ساده میزان آب انداختگی و جداشدگی کمتری دارد. الیاف پلی پروپلین بتن را در کنار هم نگه می دارند و در نتیجه      سرعت نشست سنگدانه ها را کاهش می دهند.

الیاف PP با افزایش ظرفیت کششی بتن تازه، در برابر تنش های کششی ناشی از تغییرات حجم، ترک خوردگی انقباض پلاستیکی اولیه را کاهش می دهد. الیاف PP همچنین تنش های کششی را به طور یکنواخت در سرتاسر بتن توزیع می کند. با کاهش ترک خوردگی ناشی از جمع شدگی پلاستیک، به دلیل کاهش ترک‌های حاصل از ترک‌های انقباضی موجود، تعداد ترک‌های بتن در حال بارگیری کاهش می یابد. اگر همچنان  ترک های انقباضی ایجاد شود، الیاف این ترک ها را پر می کند و در عین حال طول و عرض آن‌ها را کاهش می‌دهد.

اثرات روی بتن سخت شده

افزودن الیاف پلی پروپیلن در بتن به میزان قابل توجهی بر مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته تأثیر نمی گذارد اما مقاومت کششی را افزایش می دهد. مقاومت کششی مستقیم بتن الیافی مسلح شده با PP  از 9٪ تا 13٪ مقاومت فشاری آن است. افزودن الیاف PP در بتن، مقاومت کششی مستقیم را تقریباً 20٪ تا 50٪ افزایش می دهد.

مقاومت فشاری

مقاومت فشاری بتن یک پارامتر حیاتی است زیرا پارامترهای دیگر مانند کشش، خمش و غیره را تعیین می کند. تأثیر الیاف پلی پروپیلن بر مقاومت فشاری بتن در بسیاری از تحقیقات مورد بحث قرار گرفته است و مشاهده شده است که الیاف پلی پروپیلن باعث کاهش یا افزایش مقاومت فشاری می شود، اما اثر کلی در بسیاری از موارد ناچیز است. در حقیقت، اثر کم الیاف پلی پروپیلن بر مقاومت فشاری بتن ممکن است با خطای آزمایش برابر در نظر گرفته شود.

مقاومت کششی و خمشی

 با افزایش کسری حجمی الیاف، مقاومت کششی خمشی افزایش می یابد. همچنین مشاهده شده است که با افزایش نسبت ابعاد الیاف، مقاومت افزایش می یابد.

مقاومت پیوند

لازم است که بین الیاف و ماتریس پیوند خوبی وجود داشته باشد. بنابراین هدف این است که تعداد زیادی ترک در فاصله نزدیک که عرض ترک‌ها بسیار کم باشد و تقریباً با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نباشد تولید شود تا سرعت نفوذ مواد مهاجم به ماتریس را کاهش یابد. مقاومت پیوند زیاد به ایجاد فاصله نزدیک ترک‌ها کمک می کند اما  لازم است که الیاف شکل پذیری کافی برای جذب اثرات را داشته باشند. اما از نظر چسبندگی فیزیوشیمیایی هیچ پیوندی بین الیاف و ژل سیمان وجود ندارد. استفاده از الیاف پلی پروپیلن رشته ای و پیچ خورده با ساختار باز کمبود چسبندگی سطحی را تا حدی برطرف کرده است.

خاصیت خزش و انقباض بتن

 الیاف pp باعث کاهش خزش می شوند که به عنوان تغییر شکل وابسته به زمان بتن تحت تنش ثابت تعریف می شود. مقادیر خزش بتن الیافی ممکن است فقط 10 تا 20٪ مقادیر مربوط به بتن معمولی باشد. انقباض بتن، که در اثر تبخیر آب در بتن در هنگام خشک شدن ایجاد می شود، توسط الیاف نیز کاهش می یابد.

هر آنچه باید بدانید : چسب بتن

نفوذ کلرید

علاوه بر خواص مکانیکی بهبود یافته به دلیل وجود الیاف pp، نفوذ کلرید نیز با به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می یابد.

موانع استفاده از الیاف PP

اگرچه الیاف PP در بسیاری از زمینه ها کاربردهای گسترده ای پیدا میکنند، اما هنوز هم در برخی از خواص نواقصی دارند. در رابطه با الیاف تک رشته ای، پیوند ضعیف بین الیاف و ماتریس منجر به مقاومت کششی کم می شود. الیاف PP توسط نور خورشید و اکسیژن مورد حمله قرار می گیرند، با این وجود پوشش بتن در اطراف الیاف از آن به خوبی محافظت می کند که این نقص خیلی قابل توجه نیست. بعلاوه، بعضی اوقات الیاف به عنوان ماده‌ای با الاستیسیته کمتر نسبت به ماتریس سیمان، به عنوان آغازگر ترک عمل می کنند. پیوند مکانیکی با ماتریس سیمان نیز کم است. الیاف با ایجاد نقص های ریز در ماتریس سیمان باعث افزایش حجم منافذ بتن می شوند.