الیاف پلی پروپیلن و نقش آن در دوام بتن

یکی از راهکارهای افزایش دوام بتن استفاده از الیاف مسلح کننده بتن به عنوان مواد افزودنی در طرح اختلاط بتن می باشد. از جمله انواع الیاف‌ مسلح کننده گوناگونی که در بتن استفاده می شود، الیاف پلی پروپیلن PP بتن است.
واقعیت این است که امروزه، علاوه بر الیاف پلی پروپیلن، الیاف مسلح کننده متنوع بسیار دیگری نیز در بازار وجود دارد. در نتیجه برای انتخاب نوع الیاف مناسب، گزینه‌های فراوانی پیش رو دارید که ممکن است شما را در انتخاب الیاف تقویت کننده بتن مناسب با کاربری پروژه‌تان، دچار اشتباه گرداند.
در این مقاله بررسی ویژگی ها و نقش الیاف تقویت کننده بتن در افزایش دوام بتن مورد بحث است. همچنین پیرامون این سوال که: “آیا الیاف مصنوعی و به طور ویژه الیاف PP، می تواند تمام نیازهای مقاوم سازی یک پروژه را برآورده نماید یا خیر؟” نیز صحبت شده است.

انتخاب تقویت کننده مناسب جهت افزایش دوام بتن

همانطور که اشاره شد یکی از انواع افزودنی های تقویت کننده بتن، الیاف پلی پروپیلن هستند. این الیاف به منظور جلوگیری از رشد و انتشار ترک به مخلوط بتن افزوده می شوند. در واقع، این الیاف از تشکیل ترک های ریز انقباضی و ترک هایی که حین خشک شدن سریع ایجاد می شوند و یا ترک هایی که در اثر نوسانات دمایی و حرارتی ایجاد خواهند شد، جلوگیری می کند. این الیاف که معمولا از جنس پروپیلن یا اتیلن هستند، بسیاری از ترک خوردگی‌های بتن را کاهش داده و طول و عرض ترک های ایجاد شده را نیز به حداقل می رسانند.

در پی تحقیقات علمی صورت گرفته بر روی نقش این الیاف در تقویت کنندگی بتن این نکته بیان شده است که استفاده از انواع الیاف مصنوعی مانند الیاف پلی پروپیلن در بتن نسبت به استفاده از آرماتورها و میلگردها، مزایای بسیار بیشتری دارد.

در مقایسه بین این آرماتور و الیاف مسلح کننده بتن، باید بگوییم که حمل و نقل، آرماتور بندی و جایگذاری آرماتورها در عمق مناسب درون دال، امری تقریبا زمان بر است. مطابق با استانداردهای موجود، میلگردها باید بین یک سوم ابتدایی و میانی دال قرار داده شود، که از نظر اجرایی برای نیروی آرماتوربند کار زمان بر و طاقت فرسایی است. اغلب نیز به درستی انجام نمی شود و به عنوان یک خطر و ریسک جدی در سازه تلقی می شود.
اما در مقابل، استفاده از الیاف مصنوعی مانند الیاف PP به عنوان جایگزین آرماتور در بتن، سریع تر، کم کارتر و ایمن تر است. بعلاوه از نظر وزن و قیمت الیاف بتن نیز این نوع افزودنی ها امتیاز برتری دارند.

جایگزینی آرماتورها با الیاف پلی پروپیلن

به طور کلی در طراحی های مهندسی، از دو نوع آرماتور با ویژگی‌هایی کاملا متفاوت استفاده می شود:
– آرماتورهای اصلی که با عنوان فولاد سازه ای شناخته می شوند. این آرماتورها برای تحمل و کنترل بار کششی سازه طراحی می شوند.
– آرماتورهای فرعی که معمولا با عنوان آرماتور حرارتی و انقباض شناخته می شوند و با هدف به حداقل رساندن اثرات انقباضی حین خشک شدن و انبساط و انقباض حرارتی طراحی می شوند.
البته نکته مهم اینجاست که نه آرماتورهای حرارتی و نه الیاف مصنوعی و مسلح کننده بتن مانند الیاف پلی پروپیلن، هیچ کدام نمی توانند جایگزین آرماتورهای اصلی شوند. اما می توان از هر دوی اینها به عنوان آرماتور فرعی استفاده نمود. البته این را نیز به خاطر داشته باشید که آرماتورهای فرعی مانع از تشکیل ترک نمی شوند، بلکه تنها می توانند جلوی انتشار و عریض شدن ترک پس از شکل گیری آن را بگیرند.
دال های بتنی غیر مسلحی که به درستی طراحی، اجرا و ساخته شده اند (که البته این مورد در شرایط واقعی به ندرت اتفاق می افتد)، اغلب نیازی به آرماتورهای دما و انقباض ندارند. بنابراین تقریبا در همه پروژه ها باید کاهش ترک ناشی از شرایطی مانند مهار بستر، نشست زیر لایه، انقباض حین خشک شدن و انبساط و انقباض های حرارتی در نظر گرفته شود. برای به حداقل رساندن انتشار ترک و جلوگیری از باز شدن عرض ترک، استفاده از آرماتورهای فرعی در مواردی مانند دال های کف، مجموعه عرشه های مرکب فولادی کف، دال های رویه ای و روکش های پیش ساخته دیواره نازک، ضروری است.

ویژگی های و انواع الیاف پلی پروپیلن کدام است؟

بر اساس تحقیقات صورت گرفته بر روی خواص الیاف PP، گزارش شده است این الیاف می توانند بر روی بهبود خواصی همچون مقاومت خمشی، مقاومت فشاری، مقاومت کششی، مقاومت در برابر پوسته پوسته شدن و پایداری و دوام بتن تاثیر مثبتی داشته باشند.
الیاف پلی پروپیلن بر اساس ابعاد رشته ها، به دو دسته میکرو الیاف ها و ماکرو الیاف ها تقسیم می شوند:

میکرو الیاف‌

از میکرو الیاف ها، برای کاهش ترک های انقباض پلاستیک در بتن استفاده می شود. ترک های انقباض پلاستیک، به ترک هایی است که در زمانی که هنوز بتن پلاستیک است و قابلیت جابجایی دارد، تشکیل شده باشند. این ترک ها معمولا در اثر از دست دادن رطوبت در بتن ایجاد می شوند. میکرو الیاف ها باعث یکنواختی بیشتر رطوبت در بتن شده و در نتیجه ترک انقباضی پلاستیک کمتر ایجاد می شود.
عموما از میکرو الیاف پلی پروپیلن در تقویت آرماتورهای حرارتی استفاده می شود. حتی اگر عملکرد خمشی آنها با میلگردهای آرماتور یکسان باشد نیز نمی توان آنها را جایگزین آرماتورها نمود.
به طور کلی، میکرو الیاف ها به دو گروه میکرو الیاف های تک رشته ای که شبیه رشته‌های ابریشم منفرد هستند و میکرو الیاف های چند رشته ای که شبیه شبکه های در هم تنیده هستند، تقسیم می شوند.

ماکرو الیاف

از ماکرو الیاف پلی پروپیلن عموما برای به حداقل رساندن و یا حذف ترک های انقباض پلاستیک و ترک های حین خشک شدن استفاده می شوند. این مواد را می توان به عنوان جایگزینی برای آرماتورهای حرارتی، مش بندی و الیاف فلزی در سازه استفاده نمود. حتی در صورت استفاده از مقدار مناسب، می تواند نسبت به آرماتورها عملکرد بسیار بهتری نیز داشته باشند. ماکرو الیاف ها علاوه بر تمام ویژگی های میکرو الیاف ها، موجب افزایش دوام و پایداری، چقرمگی خمشی و مقاومت در برابر ضربه و سایش سازه نیز می شوند. لذا از این الیاف در کف سازی های صنعتی، روسازی های بتنی، عرشه های فولادی، قطعات پیش ساخته، شاتکریت و … استفاده می شود. برای این منظور پیشنهاد می کنیم مقاله “افزایش عمر مفید کف های صنعتی با استفاده از الیاف فولادی” را مطالعه کنید.

نوع الیاف مصنوعی	قطر	مقدار مورد استفاده
ماکرو الیاف	برابر با بزرگتر از 0.3 میلی متر (0.12 اینچ)	معمولا 0.2 تا 1 درصد حجمی یا بیشتر
میکرو الیاف	کمتر از 0.3 میلی متر (0.12 اینچ)	معمولا 0.05 تا 0.2 درصد حجمی

چه مقدار الیاف پلی پروپیلن در بتن استفاده کنیم؟

پس از انتخاب نوع الیاف پلی پروپیلن مناسب، باید مقدار مناسب آن نیز تعیین شود. در میکرو الیاف ها تعیین مقدار مناسب تقریبا آسان است. در اکثر کاربردها، استفاده از 0.65 تا 1 کیلوگرم در متر مکعب میکرو الیاف تک رشته، عملکرد مورد نظر را به همراه خواهد داشت. در میکرو الیاف های رشته ای نیز معمولا 1 تا 1.95 کیلوگرم در متر مکعب می تواند هدف مورد نظر را برآورده نماید.
اما تعیین مقدار مناسب ماکرو الیاف پلی پروپیلن کمی پیچیده تر است. ابتدا باید هدف استفاده از ماکرو الیاف را مشخص نمایید. برای اکثر دال های کف در سازه های مسکونی و تجاری، مقدار 3.9 کیلوگرم در هر متر مکعب به اندازه ای است که از سازه در برابر دما و انقباض محافظت نماید. با این حال، اگر اهداف دیگری دارید باید با یک مهندس و مشاور با تجربه مسلط به طراحی بتن مسلح با الیاف، مشورت نمایید.
استاندارد ACI 544.4 R-18 برای طراحی بتن مسلح با الیاف یا بتن الیافی و برای طراحی بتن مسلح شده با الیاف پروپیلن در کاربردهای سازه ای و غیر سازه ای، دستورالعمل های ساده‌ای ارائه داده است. علاوه بر آن نیز می توانید از استاندارد ASTM C1609/C1609M برای مقایسه الیاف مصنوعی و آرماتورهای حرارتی استفاده نمایید. بر اساس این استاندارد افزودن 3.9 کیلوگرم الیاف مصنوعی و الیاف پروپیلن در یک متر مکعب بتن، نسبت به آرماتورهای حرارتی عملکرد بهتری را ارائه می‌کند.
البته در برخی موارد ادعا شده است که میکرو الیاف های رشته‌ای می توانند به طور معادل جایگزین میلگردهای حرارتی شوند. اما اطلاعات جدول زیر خلاف این ادعا را اثبات می کند. در این جدول مقدار Fe3 نسبت تنش خمشی ماکزیمم به تنش خمشی در فاصله 1/150 مقطع تیر مورد آزمایش است.

توضیحات	میکروفایبر	ماکروفایبر	فولاد
ابعاد	38	38	152*152
میزان مصرف	Pcy5/1	Pcy0/3	W 4/1
ابعاد تیر(میلیمتر)	152*152	152*152	152*152
مقاومت فشاری (مگاپاسکال)	44/23	28	37
تنش خمشی بیشینه (مگاپاسکال)	58/3	65/3	27/4
Fe₃ (مگاپاسکال)	43/0	77/0	94/0
Re₃ %	2/13	3/23	9/21