بتن تقویت شده با الیاف PP

توانایی یک سازه برای مقاومت در برابر شرایط جوی، حمله مواد شیمیایی، سایش و سایر فرآیندهای تخریب در طول عمر مفید آن با حداقل تعمیر و نگهداری بسیار مهم است. استفاده از بتن مزایای زیادی در خصوص ویژگی‌های مکانیکی و جنبه‌های اقتصادی ساختمان دارد، اما رفتار شکننده‌ی آن یک نقص بزرگ برای کاربردهای لرزه‌ای است. با این حال، اخیراً توسعه بتن تقویت شده با الیاف PP  شرایطی را برای بهبود این کمبودها فراهم کرده است.

اهمیت استفاده از الیاف PP در بتن برای مقاوم سازی

بتن به دلیل ویژگی های مکانیکی، نفوذپذیری کم و مقاومت بالاتر در برابر حملات شیمیایی و مکانیکی، مزایای زیادی در کاربرد دارد. اگرچه رفتار بتن به طور قابل توجهی مقاومت فشاری خوبی دارد، اما مقاومت کششی بتن نسبتاً کمتر است. به همین منظور تاثیر آن بر روی دوام بتن مهم است. بنابراین، استفاده از الیاف برای افزایش مقاومت کششی خمشی، سیستم مهار ترک و رفتار شکل پذیر پس از ترک توصیه می شوند.

تاریخچه اصلاح و مقاوم سازی بتن

در چهار دهه گذشته، اصلاح و مقاوم سازی بتن با استفاده از مواد پلیمری مورد مطالعه قرار گرفته است. به طور کلی، تقویت مصالح ساختمانی شکننده با الیاف از دوران باستان مانند ریختن کاه در گل برای دیوارهای خانه یا تقویت ملات با استفاده از موی حیوانات و غیره شناخته شده است. بسیاری از مواد مانند جوت، بامبو، نارگیل، پوست برنج، نیشکر باگاس، و خاک اره و همچنین مواد مصنوعی مانند پلی وینیل الکل، پلی پروپیلن (PP)، پلی اتیلن، پلی آمیدها و غیره نیز برای تقویت بتن استفاده شده است.

شروع استفاده از الیاف پروپیلن برای مقاوم سازی بتن

الیاف پلی پروپیلن برای اولین بار به عنوان افزودنی به بتن در سال 1965 برای ساخت ساختمان های مقاوم در برابر انفجار پیشنهاد شد. این الیاف متعاقباً بیشتر بهبود یافته است و در حال حاضر یا به صورت چابد برای تولید بتن مسلح با الیاف یا به صورت پیوسته برای تولید ورق نازک استفاده می شود. از آن زمان استفاده از این الیاف در ساخت سازه ها به شدت افزایش یافته است زیرا افزودن الیاف در بتن باعث بهبود چقرمگی، مقاومت خمشی کششی، مقاومت ضربه ای و همچنین کاهش حالت شکست بتن می شود. ریسمان پلی پروپیلن ارزان، در دسترس و مانند تمام الیاف مصنوعی با کیفیت ثابت است.

خواص الیاف پلی پروپیلن

پلی پروپیلن از ماده اولیه به نام مونومر C3H6 که یک هیدروکربن است، به دست می آید. حالت پلیمریزاسیون، وزن مولکولی بالای آن و روشی که به الیاف تبدیل می شود، خواص بسیار مفیدی به الیاف پلی پروپیلن می دهد. از این خواص می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• آرایش اتمی منظم: به دلیل ساختار منظم در مولکول پلیمر، به پلی پروپیلن ایزوتاکتیک معروف است.
• بی اثر بودن شیمیایی: هر ماده شیمیایی که به اجزای تشکیل دهنده بتن حمله می کند، تأثیری روی الیاف نیز نخواهد داشت. در تماس با مواد شیمیایی تهاجمی تر، بتن همیشه ابتدا خراب می شود ولی الیاف پروپیلن در برابر اکثر مواد شیمیایی مقاوم است.
• سطح آبگریز و جلوگیری از خیس شدن: این خصوصیت باعث می شود تا از گلوله شدن الیاف خرد شده در حین اختلاط برخلاف دیگر الیاف جلوگیری می کند.
• جهت گیری مناسب بین مخلوط سیمانی و الیاف: تضعیف جهت گیری در جهت جانبی و تسهیل فیبریلاسیون، باعث می شود مخلوط سیمانی در ساختار مش بین الیاف نفوذ و پیوند مکانیکی بین مخلوط و الیاف ایجاد کند.

انواع الیاف پلی پروپیلن

الیاف پلی پروپیلن از انبساط یک لایه نازک پلاستیکی تشکیل می شود که به صورت نوارهایی جدا شده و سپس به طول های مشخص برش داده می شوند.  این الیاف به صورت مونوفیلامنت یا میکروفیلامنت ها ظاهر می شوند. خواص این دو نوع الیاف PP در جدول زیر آورده شده است.  در الیاف مونوفیلامنت، حداکثر بار و انتقال تنش را می توان با پیچاندن الیاف به دست آورد.

 

خصوصیات انواع الیاف پلی پروپیلن
نوع الیاف	طول (mm)	قطر (mm)	مقاومت کششی (Mpa)	مدول الاستیسیته (Gpa)	سطح تماس موثر (m2/Kg)	دانسیته یا چگالی (Kg/cm3)
مونوفیلامینت	30-50	0.3 – 0.35	547-658	3.50-7.50	91	0.90
میکروفینلامنت	12-20	0.05 – 0.20	330-414	3.70-5.50	225	0.91

 

دلایل اصلی ایجاد ترک های ساختمانی و استفاده از الیاف برای جلوگیری از آنها

ترک ها در ساختمان نقش مهمی را ایفا می کنند. وجود ترک، سازه های بتنی را به عناصر نفوذپذیر تبدیل می کنند و در نتیجه خطر خوردگی بالایی دارند. ترک ها نه تنها کیفیت بتن را کاهش داده، بلکه سازه ها را از کار می اندازد. اگر این ترک ها از عرض معینی تجاوز نکنند، برای سازه و برای قابلیت سرویس دهی آن مضر نیستند. بنابراین کاهش عرض ترک مهم است و این امر با افزودن الیاف پلی پروپیلن به بتن، قابل دستیابی است.

بنابراین با افزودن الیاف به  بتن سیمانی می توان باعث جلوگیری از باز شدن این ترک ها شد. زمانی که الیاف در بتن استفاده می شود نیرو و انرژی بیشتری برای ایجاد انحراف در تیر و بیرون کشیدن یا شکستن بتن مورد نیاز است. این فرآیند جدا از حفظ یکپارچگی بتن، ظرفیت تحمل بار اعضای سازه را بهبود می بخشد. الیاف پلی پروپیلن این مزیت را دارند که به طور یکنواخت مخلوط شده و در سراسر بتن پراکنده می شوند. انقباض، نشست، ذوب یخ، آتش سوزی و غیره می توانند از اصلی ترین عوامل ایجاد ترک باشند.

خواص بتن مسلح با الیاف پلی پروپلین pp

قبل از اختلاط بتن، طول الیاف، مقدار و متغیرهای مخلوط مشخص می شوند، تا از توپی شدن الیاف در بتن جلوگیری شود. مخلوط‌های FRC خوب معمولاً در مقایسه با مخلوط‌های بتن معمولی دارای حجم ملات بالایی هستند. نسبت ابعاد برای الیاف معمولاً بین 100 تا 200 محدود می شود زیرا الیافی که بیش از حد طولانی هستند تمایل به “توپ” شدن در مخلوط دارند و مشکلات کارایی ایجاد می کنند.

برای افزایش کارایی، مواد افزودنی شیمیایی به مخلوط بتن تقویت شده با الیاف اضافه می شود. عوامل ضد حباب هوا و افزودنی های کاهنده آب معمولاً به مخلوط هایی با محتوای دانه های ریز 50 درصد یا بیشتر اضافه می شوند. فوق روان کننده ها، زمانی که به بتن تقویت شده با الیاف اضافه می شوند، می توانند نسبت آب سیمان را کاهش دهند و استحکام، پایداری حجمی و ویژگی های جابجایی مخلوط مرطوب را بهبود بخشند.

الیاف پروپیلن ضد انقباض

الیاف پلی پروپیلن به دلیل انعطاف پذیری و قابلیت انطباق، انقباض ناحیه ترک را کاهش می دهند. افزودن 0.1 درصد حجمی الیاف در کاهش وسعت ترک خوردگی به میزان 5-10 موثر است. میزان کاهش ترک متناسب با محتوای الیاف در بتن است.

با کاهش ترک خوردگی ناشی از انقباض، تعداد ترک‌های بتن تحت بارگذاری کاهش می‌یابد. اگر ترک های انقباضی همچنان ایجاد شوند، الیاف این ترک ها را پل می کنند و در عین حال طول و عرض آنها را کاهش می دهند. علاوه بر این، با کاهش میزان آب اندازی، استفاده از الیاف پلی پروپیلن ممکن است زمان گیرش اولیه و نهایی بتن را تسریع کند زیرا این امر منجر به سرعت خشک شدن در بتن می شود.

مقاوم در برابر نشست

میزان بالای  آب اندازی همراه با نشست مهار (به عنوان مثال با میلگردهای تقویت کننده) منجر به ترک خوردگی و نشست می شود. در مورد  PFRC، الیاف به طور یکنواخت توزیع می شوند و انعطاف پذیر نیز هستند، بنابراین باعث ایجاد محدودیت در نشست سنگدانه ها می شوند.

مخلوط بتن با الیاف پلی پروپیلن در مقایسه با بتن ساده، باعث کاهش میزان آب اندازی و جداسازی می شود. این به این دلیل است که الیاف، بتن را در کنار هم نگه می دارند و در نتیجه باعث کاهش نشست سنگدانه های درون بتن می شود. به دلیل استحکام کششی بالا، الیاف PP حتی با افزایش ظرفیت کششی بتن تازه برای مقاومت در برابر تنش های کششی ناشی از تغییرات حجم معمول، ترک خوردگی اولیه ناشی از انقباض را کاهش می دهند. این الیاف همچنین این تنش ها را به طور یکنواخت در سراسر بتن توزیع می کنند.

مقاوم در برابر یخ زدگی

افزودن الیاف پلی پروپیلن در بتن باعث جلوگیری و کاهش انتقال آب از حالت های معمولی ورود، می شود. این خصوصیت در بتن باعث بهبود هیدراتاسیون سیمان، کاهش جداسازی سنگدانه‌ها و خوردگی میلگرد در اثر جریان آب در بتن می شود. همچنین محیطی ایجاد می کند که در آن دوام افزایش می یابد.

عایق در برابر آتش سوزی

زمانی که گرما به بتن نفوذ می کند و رطوبت آن به صورت بخار در لایه بیرونی دفع می شود. بخارات رطوبت به سمت داخل برمی گردند و دوباره جذب حفره ها می شوند. آب و بخار در داخل انباشته شده و در نتیجه فشار بخار را به سرعت افزایش می دهد و باعث ایجاد ترک و ریزش در بتن می شود. در مورد الیاف  PFRC، آنها در دمای 160 درجه سانتیگراد ذوب می شوند، فشار بخار در حفره های تازه تشکیل شده آزاد می شود و پوسته شدن مواد به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

تقویت مواد سیمانی با الیاف پلی پروپیلن

الیاف پلی پروپیلن به دو روش مختلف برای تقویت مواد سیمانی استفاده می شود. یکی از کاربردهای آن تقویت اولیه در قطعات ورق نازک با استفاده از پلی پروپیلن است. محتوای حجمی آن نسبتاً زیاد و بیش از 5٪ است تا هم استحکام و هم سختی را به دست آورد. در کاربردهای دیگر، محتوای حجمی پلی پروپیلن کمتر از 0.3 درصد حجمی در نظر گرفته شده است که عمدتا به عنوان تقویت کننده ثانویه برای کنترل ترک عمل کند، اما نه برای کاربردهای باربر ساختاری مناسب نیست. عملکرد و تاثیر الیاف پلی پروپیلن در بتن تازه و سخت شده متفاوت است و بنابراین این دو موضوع جداگانه بررسی می شوند.

اثرات الیاف PP بر بتن تازه

پارامتر اصلی که اغلب برای تعیین کارایی بتن تازه استفاده می شود، آزمایش اسلامپ یا نشست بتن است. مقدار اسلامپ عمدتاً به جذب و محتوای آب، تخلخل و مقدارسنگدانه ها و مواد ریز، شکل سنگدانه ها و ویژگی های سطحی اجزاء در مخلوط بستگی دارد.

با افزودن الیاف پلی پروپیلن، مقادیر نشست در آزمایش اسلامپ به طور قابل توجهی کاهش می یابد. مخلوط بتن نسبتاً چسبنده می شود و در نتیجه انسجام بتن افزایش می یابد. در طول اختلاط، سنگدانه ها، الیاف را از هم جدا می کند، به طوری که آنها از رشته های خود باز و به رشته هایی مجزا تبدیل می شوند. این الیاف به دلیل سطح ویژه بزرگ خود به صورت مکانیکی به خمیر سیمان می چسبد.

اثرات افزودن الیاف PP بر بتن سخت شده

افزودن الیاف پلی پروپیلن در بتن، تاثیر قابل توجهی بر مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته ندارد اما باعث افزایش مقاومت کششی آن می شود. استحکام کششی بتن حاوی الیاف تقریباً از 9% تا 13% مقاومت فشاری آن متغیر است. افزودن الیاف PP در بتن، مقاومت کششی را تقریباً 20 تا 50 درصد افزایش می‌دهد .

مقاومت فشاری

مقاومت فشاری بتن یک پارامتر حیاتی است؛ زیرا پارامترهای دیگر مانند کشش، خمش و غیره را تعیین می کند. الیاف پلی پروپیلن باعث کاهش یا افزایش مقاومت فشاری بتن می شود ولی در بسیاری از موارد تاثیر آن ناچیز است. در واقع، اثر حجم کم الیاف پلی پروپیلن بر مقاومت فشاری بتن ممکن است با خطای آزمایشی پنهان شود.

مقاومت کششی و خمشی

با افزایش حجم الیاف در بتن، مقاومت کششی خمشی آن افزایش می یابد. با افزایش مقاومت کششی و خمشی، از ایجاد ترک در راستاهای مختلف جلوگیری می شود. این موضوع باعث کاهش آسیب به بتن و افزایش طول عمر آن می شود.

به عنوان یک قاعده، الیاف به طور تصادفی در بتن توزیع می شوند. با این حال، قرار دادن بتن باید به گونه ای باشد که الیاف در جهت تنش اعمال شده در یک راستا قرار گیرند، که منجر به مقاومت کششی و خمشی بیشتر می شود. همچنین 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 روی سطح شناور شوند یا در بتن تازه به پایین فرو روند.

استحکام در اتصالات و مهار

لازم است پیوند خوبی بین الیاف و مخلوط بتن وجود داشته باشد. اگر حجم الیاف تقویت کننده به حجم بحرانی برسد، امکان ایجاد ترک های متعدد وجود دارد. استفاده از الیاف باعث می شود تا یک ماده اساسا شکننده به یک ماده انعطاف پذیر تبدیل بشود. این باعث می شود تا اضافه بار جزئی و ضربه‌ها را با آسیب دیدگی بسیار کم تر جذب کند. بنابراین هدف این است که تعداد زیادی ترک به طوری ایجاد شود که عرض ترک بسیار کوچک و تقریباً با چشم غیرمسلح نامرئی باشد. این امر باعث می شود تا سرعت نفوذ مواد تهاجمی به بتن کاهش یابد. بارهای عمومی الیاف پلی پروپیلن ممکن است از 300 تا 500 نیوتن برای بست ها و اتصالات معمولی متغیر باشد.

عدم نفوذ کلرید

علاوه بر بهبود خواص مکانیکی به دلیل گنجاندن الیاف، نفوذ کلرید نیز با حضور الیاف بسته به جهت آن به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. اثر نفوذ کلرید برای الیاف کوتاهتر به دلیل جهت گیری تصادفی الیاف کوتاه در مقایسه با الیاف بلند ناچیز است. علاوه بر این، با حضور الیاف به عنوان منطقه انتقال سطحی در جهت عمود، حرکت و نفوذ کلرید به داخل بتن با به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

خصوصیات شکست یا ترک

رفتار شکست بتن های با مقاومت بالا به طور موثر با استفاده از الیاف بهبود می یابد.  همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، می توان از گسیختگی اتصال برشی معمول به دلیل محلی سازی کرنش اجتناب کرد(شکل سمت چپ). و به جای تعداد زیادی از ترک های طولی، که عمدتاً در جهت موازی یا زیر موازی تنش های فشاری خارجی بودند، در کل نمونه های بتنی تشکیل شود (شکل سمت راست).

خصوصیات خزشی و جمع شدگی یا انقباص بتن

الیاف باعث کاهش میزان خزش در بتن می شود. میزان خزش به عنوان تغییر شکل وابسته به زمان بتن تحت تنش ثابت تعریف می شود. با این حال، مقادیر خزش فشاری ممکن است تنها 10 تا 20 درصد از مقادیر برای بتن معمولی باشد. انقباض بتن که در اثر خروج آب از بتن در هنگام خشک شدن ایجاد می شود نیز توسط الیاف کاهش می یابد.

کاهش انقباض ناشی از وجود الیاف از چند دیدگاه مورد انتظار است. اول، الیاف هیچ گونه انقباضی نشان نمی دهند، بنابراین انقباض کلی مخلوط را کاهش می دهد. بعلاوه الیاف در حفظ آب در مخلوط بتن تا حد معینی نقش دارند که به تاخیر در انقباض کمک می کند. بنابراین افزودن الیاف به مخلوط بتن همیشه در کاهش تغییر شکل انقباض مفید است.

محاسبه اثر خمشی الیاف پلی پروپیلن:

تعداد ضربه های مورد نیاز برای ایجاد اولین ترک قابل مشاهده در سطح زیرین تیر به عنوان  (Ncr) تعریف می شود. عدد ضربه شکست Nf به عنوان عددی تعریف می شود که در آن یک ماکرو ترک اصلی از پایین به بالای تیر ایجاد می شود. نسبت عدد ضربه شکست Nf به عدد ضربه اولیه ترک (Ncr)  می تواند به عنوان شاخص شکل پذیری اثر خمشی استفاده شود.  (J=Nf/Ncr)

در این فرمول J شاخص شکل پذیری اثر خمشی یا ضربه است. به طور مثال این عدد برای بتن ساده برابر با عدد 1 است.

برخی معایب استفاده از الیاف پروپیلن در بتن چیست؟

• اگرچه الیاف PP در بسیاری از زمینه ها کاربرد گسترده ای پیدا می کنند، اما هنوز نیاز به بهبود در برخی خواص وجود دارد.
• در یک آتش سوزی بزرگ باعث می شود تا بتن تخلخل اضافی در حدود 0.3 تا 1.5 درصد در کسر حجمی داشته باشد.
• در مورد الیاف تک رشته ای، پیوند ضعیف بین الیاف و مخلوط منجر به مقاومت کششی پایین می شود.
• الیاف  PP یا الیاف پلی پروپیلن توسط نور خورشید و اکسیژن مورد حمله قرار می گیرند، اما بتن  به خوبی از الیاف پلی پروپیلن PFRC محافظت می کند که این نقص قابل توجه نیست.
• علاوه بر این، گاهی اوقات الیاف به دلیل مدول الاستیسیته پایین آنها در مقایسه با مخلوط سیمانی به عنوان آغازگر ریز ترک عمل می کنند. بنابراین پیوند مکانیکی با ماتریس سیمانی نیز کم است. الیاف با ایجاد عیوب ریز بیشتر در زمینه سیمانی باعث افزایش حجم منافذ بتن می شوند.

در نتیجه استفاده از الیاف پروپیلن برای مقاوم سازی بتن مناسب است؟

نوآوری‌ها در طراحی و ساخت‌وساز، که اغلب به مصالح ساختمانی جدید نیاز دارند، کاربردهای بتن تقویت‌شده با الیاف پلی‌پروپیلن را ایجاد کرده‌اند. در چند سال گذشته، تعداد زیادی از ساخت و سازبا بتن حاوی الیاف پلی پروپیلن مانند شمع های فونداسیون، شمع های پیش تنیده، پایه ها، بزرگراه ها، کف های صنعتی، عرشه پل ها و پوشش های سنگین وزن برای زیر آب و همچنین برای کنترل ترک خوردگی انقباض و دما استفاده شده است.

به دلیل افزایش کارایی و نسبت هزینه به سود موثر، اخیراً استفاده از الیاف پلی پروپیلن برای سازه های بتنی توصیه می شود .به راحتی قابل جاگذاری، فشرده سازی، پمپاژ است و با افزایش انسجام بتن مرطوب، اثر برگشتی را در کاربردهای بتن پاششی کاهش می دهد.

استفاده ازالیاف  PFRC محیط کار ایمن تری را فراهم می کند و با کنترل آب اندازی در زمانی که بتن در مرحله سفت شدگی است، مقاومت سایشی در کف بتنی را نیز بهبود می بخشد. امکان افزایش استحکام کششی و مقاومت ضربه ای باعث کاهش وزن و ضخامت اجزای سازه می شود و همچنین باید آسیب های ناشی از حمل و نقل و جابجایی را کاهش دهد.