الیاف فولادی و خواص آن در بتن

الیاف فولادی یک تقویت کننده فلزی است که برای تقویت بتن با نسبت ابعاد و شکل‌های مختلف تعریف می‌شود. این الیاف به اندازه کافی کوچک هستند تا به طور تصادفی دریک مخلوط بتن با استفاده از روش‌های معمول اختلاط  پراکنده شوند. معمولا برای افزایش کارایی و پایداری بتن مسلح شده با الیاف فولادی، از فوق روان کننده ها (مواد افزودنی شیمیایی) در مخلوط بتن استفاده می‌کنند.

رفتار بتن مسلح شده با الیاف فولادی را می توان با توجه به کاربرد، درصد حجم الیاف و اثر بخشی الیاف در سه گروه طبقه بندی کرد. به عنوان مثال بتن الیافی براساس درصد حجم الیاف آن به شرح زیر طبقه بندی می شود: 1- با درصد حجمی بسیار کم الیاف فولادی (کمتر از 1٪ در هر حجم بتن)، که سال‌ها برای کنترل انقباض پلاستیک و به عنوان تقویت روسازی استفاده می شده است. 2- با درصد حجمی متوسط (1 تا 2% در هر حجم بتن) که می تواند مدول پارگی، مقاومت در برابر خمش، مقاومت در برابر ضربه و سایر خصوصیات مکانیکی مطلوب بتن را بهبود بخشد. 3- با درصد حجمی زیاد الیاف فولادی (بیش از 2٪ در هرحجم  بتن) که برای کاربردهای خاص مانند مقاومت در برابر ضربه و مقاومت در برابر انفجار استفاده می شود.

در رده استفاده از الیاف با حجم زیاد (بیش از 2٪ در هر حجم بتن)، الیاف فولادی دارای خواص مکانیکی عالی است و می تواند بدون تقویت مواد دیگر مورد استفاده قرار گیرد. با این حال استفاده از این نوع الیاف به دلیل مشکلاتی در پردازش سطحی و هزینه، اغلب برای کاربردهای کاملاً تخصصی مناسب هستند.

اثرات مفید الیاف فولادی در بتن

تأثیر مفید الیاف‌ها در بتن به عوامل زیادی از جمله نوع، شکل، طول، سطح مقطع، مقاومت، محتوای الیاف، مقاومت پیوند الیاف، مقاومت ماتریس، طراحی مخلوط و نحوه مخلوط شدن بتن بستگی دارد. افزودن ایاف فولادی در بتن مسلح به طور کلی دارای چندین مزیت است از جمله:

1. باعث افزایش مقاومت کششی

2.  بهبود مقاومت خمشی بتن

3. سازوکار ترکیبی الیاف‌های فولادی و تمایل آنها به توزیع مجدد تنش به طور مساوی در کل ماتریس به مقاومت پس از ترک خوردگی و مهار ترک های بتن کمک می کند.

 4. افزایش شکل پذیری بتن

4- بهبود دوام بتن

هر آنچه باید بدانید : چسب بتن

موارد کاربرد

1. بزرگراه‌ و باند فرودگاه

بتن‌های الیاف مسلح شده با الیاف فولادی را می توان در ساخت روسازی های جدید و یا برای ترمیم روسازی های موجود با استفاده از پوشش های پیوندی یا غیرپیوندی در زیر دال استفاده کرد. این الیاف منجر به مقاومت خمشی بالاتر و کاهش ضخامت روسازی می شود. علاوه بر این، مقاومت در برابر ضربه و بارگذاری مکرر را افزایش می یابد، ظرفیت کرنش کششی بیشتر و منجر به افت حداکثر عرض ترک نسبت به بتن ساده می شود.

2.سازه های هیدرولیکی

مهمترین مزیت استفاده از بتن مسلح شده با الیاف فولادی در سازه های هیدرولیکی، مقاومت این نوع بتن در برابر حفره یا فرسایش به دلیل سرعت زیاد جریان آب در مقایسه با بتن مسلح معمولی است.

3. شاتکریت الیافی

 شاتکریت الیافی در تثبیت شیب سنگ، پوشش تونل و ترمیم پل استفاده می شود. ممکن است یک پوشش نازک از شاتکریت ساده به صورت یکپارچه در بالای شاتکریت الیافی برای جلوگیری از لکه گیری سطح به دلیل زنگ زدگی الیاف فولادی استفاده شود. از شاتکریت الیافی می‌توان در محافظت از سازه های فلزی استفاده کرد.

4. بتن نسوز

بتن های نسوز تقویت شده با الیاف فولادی در معرض تنش حرارتی زیاد، چرخه حرارتی و شوک حرارتی دوام بیشتری نسبت به بتن معمولی دارند. افزایش سرویس دهی احتمالاً به دلیل ترکیبی از کنترل ترک، مقاومت بالا، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر سایش است که توسط الیاف فولادی ایجاد می شود.

5. بتن پیش ساخته

از بتن الیافی فولادی می توان در ساخت محصولات پیش ساخته مانند پوشش منفذ، لوله های بتنی و پایه‌ها و قاب‌ها استفاده کرد. مقاومت خمشی و مقاومت در برابر ضربه بتن مسلح شده با الیاف فولادی یافته اجازه استفاده از این محصولات را در شرایط سخت را می‌دهد.

6. صنعت ساختمان

افزودن الیاف فولادی به  بتن‌های مسلح معمولی دارای مزایای مختلفی از جمله موارد زیر ست:

1. افزودن الیاف فولادی می تواند مقاومت در برابر ضربه را نسبت به اعضای متداول بتن مسلح معمولی را افزایش دهد، در نتیجه مقاومت در برابر آسیب محلی و جوش خوردن را افزایش می دهد.

 2. افزودن الیاف‌ فولادی می تواند رشد ترک و گسترش ترک را مهار کند. این باعث اجازه استفاده از میلگرده‌های فولادی با مقاومت بالا را بدون داشتن عرض ترک زیاد یا تغییر شکل در بارهای سرویس ‌می‌شود.

3.  افزودن الیاف فولادی باعث شکل پذیری اعضای متداول بتن مسلح معمولی می شود و از این رو پایداری و یکپارچگی آنها را تحت بارهای زلزله و انفجار افزایش می دهد.

4. افزودن الیاف فولادی باعث افزایش مقاومت برشی اعضای بتن مسلح معمولی می‌شود. در نتیجه مقاومت بتن دردال‌ها افزایش یافته و شکست ناگهانی ناشی از تورفتگی می تواند به یک شکست تدریجی شکل پذیر تبدیل شود.

هر آنچه که باید بیشتر بدانید : محصولات الیاف بتن

خصوصیات مکانیکی بتن الیافی مسلح شده با الیاف فولادی

مکانیزم ترک و کنترل ترک الیاف‌های فولادی سه تأثیر عمده در رفتار سازه های بتن الیافی فولادی دارد:

1.  افزودن الیاف فولادی باعث تاخیر در ترک خوردگی خمشی می شود. کرنش کششی در اولین ترک می تواند تا 100 درصد افزایش یابد و کرنش نهایی ممکن است به اندازه 20 تا 50 برابر بتن ساده باشد.

 2. افزودن الیاف‌های فولادی رفتار پس از ترک خوردگی کاملاً مشخصی را به ساختار منتقل می کند.

 3. خاصیت توقف ترک و در نتیجه افزایش شکل پذیری، ظرفیت جذب انرژی بیشتری (چقرمگی بالاتر) را به سازه قبل از خرابی اعطا می کند.

1. مقاومت فشاری

تحقیقا نشان داده است افزودن 1.5٪ الیاف فلزی باعث افزایش مقاومت فشاری تا 15% می شود. شیب تدریجی در قسمت نزولی منحنی های تنش-کرنش نشان دهنده بهبود مقاومت در برابر سایش، شکل پذیری و مقاومت بتن الیافی فولادی است که در شکل زیر نشان داده شده است.

2. مقاومت برشی

تحقیقات نشان داده است که افزودن الیاف فولادی به میزان قابل توجهی مقاومت برشی بتن را افزایش می دهد. مقاومت برشی نهایی بتن حاوی 1٪ حجمی الیاف فولادی تا 170٪ در مقایسه با بتن مسلح معمولی بدون الیاف افزایش می یابد.

تقویت برشی عرضی سنتی می تواند با افزودن الیاف فولادی به عنوان یک گزینه موثر کاملاً جایگزین شود و همچنین به جای استفاده از یک نوع الیاف فولادی، ترکیبی از الیاف فولادی با  نسبت های مختلف در بهبود عملکرد مکانیکی بتن مسلح شده با الیاف فولادی موثرتر است.

3. مقاومت کششی

افزودن 1.5٪ حجمی الیاف فولادی می تواند مقاومت کششی مستقیم بتن را تا 40٪ بهبود بخشد. الیاف‌های فولادی صاف و بدون قلاب به افزایش قابل ملاحظه مقاومت در برابر کشش مستقیم بتن تا 133٪ برای افزودن 6٪ وزنی الیاف فولادی کمک می کنند. به طور کلی افزودن الیاف صرفاً برای افزایش مقاومت کششی مستقیم احتمالاً ارزش ندارد. با این حال، همانند مقاومت فشاری ، الیاف فولادی منجر به بهبود در رفتار پس از ترک خوردگی یا مقاومت می شود.

4. مقاومت در برابر ضربه

مقاومت بتن مسلح شده با الیاف فولادی در برابر بارهای دینامیکی یا مواد منفجره 8 تا 10 برابر بیشتر از بتن ساده است. نتایج آزمایش نمونه های حاوی مقاومت کششی بالا الیاف‌های فولادی سینوسی به قطر 0.50 میلی متر نشان دهنده بهبود مقاومت در برابر بتن تحت بارگذاری ضربه بیش از 400 درصد است. افزایش قدرت خستگی با افزایش درصد الیاف فولادی نیز مشاهده شده است.

5. دوام

خوردگی در سازه های بتنی به دلیل وجود ترک کمتر در ساختارهای بتن الیافی فولادی در مقایسه با سازه های معمولی کمتر است.

6. مقاومت خمشی و سختی

طی تحقیقات دریافتند كه تأثیر الیاف فولادی بر مقاومت خمشی بتن بسیار بیشتر از تأثیر آن بر كشش مستقیم یا فشاری است.

برای مطالعه بیشتر : ضد یخ بتن

خصوصیات فیزیکی و شیمیایی الیاف فولادی

1. مقاومت کششی 700-1200 مگاسکال

2.  حالت فیزیکی: رشته های گسسته فولادی جنس

3. فولاد کم کربن

4. رنگ: مسی و خاکستری

برای مطالعه بیشتر : انواع چسب بتن

انواع الیاف فولادی

الیاف فولادی از لحاظ اندازه به دو اندازه میکرو و ماکرو تقسیم می‌شوند که الیاف‌ فولادی میکرو معمولا با قطر 0.8 میلی‌متر و طول 16 میلی‌متر و الیاف‌های ماکرو با قطری معادل 0.8 تا 1 و طول 50 میلی‌متر در بازار موجود می‌باشد.

از لحاظ شکل ظاهری هم به صورت الیاف‌های صاف و مستقیم، دو سر قلاب و یا دو سر قلاب سینوسی تقسیم می‌شوند.

 هر آنچه باید بدانید : محصولات فوق روان کننده بتن