کاربرد اصلی الیاف چاپد FRP در بتن الیافی است. در پاسخ به این سؤال که بتن الیافی چیست، می‌توان گفت بتنی است که درون آن الیاف یا قطعات ریزی که به‌صورت تصادفی در کل حجم بتن پراکنده شده‌اند. این الیاف باعث افزایش مقاومت مکانیکی و تغییر شکل‌پذیری بیشتر بتن‌ها قبل از گسیختگی می‌شود. بتن الیافی یا FRC که در واقع نوعی مصالح کامپوزیت است، بسته به نوع الیاف، انواع گوناگونی دارد. بتن الیافی یا FRC دارای خواص و کاربردهایی بسیاری است که این موارد می‌تواند با عوض شدن مشخصات الیاف، تغییر کند. این الیاف در ساختار میکروسکوپی تغییراتی ایجاد می‌کند و با قطع کردن درز و ترک‌ها، مانع از رشد و گسترش آن‌ها می‌شود. بدین طریق مقاومت بتن را افزایش می‌دهد. یکی از بزرگترین مزایای بتن الیافی، افزایش مقاومت بتن در مقابل حریق و آتش سوزی است. البته در صورت استفاده از بتن الیافی در سازه، بتن کاملا ضد حریق نمی‌شود؛ اما مقاومت آن در مقابل حریق و آتش سوزی تا حد زیادی افزایش می‌یابد. بنابراین می‌توان گفت بتن الیافی نوعی بتن ضد حریق است. میزان افزایش مقاومت بتن الیافی در مقابل حریق و آتش سوزی نسبت به بتن‌های معمولی مشابه میزان افزایش مقاومت سازه فولادی با پوشش ضد حریق در مقابل حریق و آتش سوزی نسبت به سازه فولادی بدون ملات ضد حریق است.
الیاف چاپد کربن
تاریخچه استفاده از الیاف چاپد FRP در بتن الیافی
استفاده از بتن الیافی یا FRC و الیاف چاپد FRP مربوط به دوره‌های اخیر نیست. از زمان‌های خیلی دور از موی اسب برای ساخت ملات استفاده می‌شده است. در ایران نیز ملاتی که تحت عنوان کاه‌گل شناخته می‌شود، درواقع نوعی سازه کامپوزیتی تشکیل شده از الیاف است. در 1900 برای اولین بار از پنبه نسوز به عنوان الیاف برایی مسلح سازی بتن، استفاده شده است. به‌محض روشن شدن مضرات پنبه نسوز، کارشناسان سریعاً به فکر استفاده از مواد و الیاف جایگزین برای مسلح سازی بتن‌های الیافی افتادند. در دهه 1950 مفهوم مصالح کامپوزیتی عنوان شد و استفاده و پژوهش بر روی بتن‌های الیافی همواره یکی از موضوعات مورد علاقه پژوهشگران بوده است. در دهه 1960، الیاف فولادی و شیشه‌ای و الیاف مصنوعی مانند الیاف PP یا الیاف پلی‌پروپیلن، در بتن استفاده شد. تحقیقات بر روی انواع و مشخصات بتن‌های الیافی در حال حاضر در حال انجام است و نتیجه این تحقیقات در اینترنت به‌صورت مقاله بتن الیافی یا FRC قابل جست‌وجو است.
نمونه ای از تحقیقات صورت گرفته بر روی بتن الیافی
اثر الیاف چاپد FRP بر روی بتن
هدف اصلی استفاده از بتن‌های الیافی، افزایش جذب انرژی و افزایش سختی است؛ اما علاوه بر موارد ذکر شده، مقاومت کششی و خمشی بتن نیز افزایش پیدا می‌کند. این الیاف همچنین می‌توانند نفوذپذیری بتن را کاهش داده و بنابراین آب‌زدگی روی دوغاب بتن را بسیار کم می‌کند. برخی از الیافی توانند مقاومت در برابر خرد شدگی بتن نیز اثرگذار باشند. معمولاً الیاف نمی‌توانند مقاومت خمشی بتن را به حدی افزایش دهند که جای میلگرد خمشی بتن را بگیرند؛ بنابراین استفاده از آن‌ها درر بتن‌های در معرض خمش، باید همراه با میلگرد فولادی باشد. حتی برخی از انواع الیاف می‌توانند مقاومت بتن را کاهش دهند.
اثر الیاف بر رفتار بتن
در شکل فوق اثر الیاف بر رفتار بتن مشاهده می‌شود. همان‌طور که ملاحظه می‌گردد، بتن‌های معمولی بلافاصله بعد از ایجاد ترک، دچار گسیختگی می‌شوند. در عوض بتن‌های مسلح شده با الیاف، دارای رفتار پس ترک‌خوردگی نیز است. این مسئله می‌تواند به جذب انرژی بیشتر بتن قبل از گسیختگی کمک نماید. رفتار بتن‌های مسلح شده به الیاف نیز خود وابسته به عوامل ذکر شده است. در شکل زیر شکستگی بتن معمولی در مقایسه با بتن الیافی یا FRC آورده شده است. به دلیل جذب انرژی بیشتر بتن الیافی یا FRC، شکستگی آن ترد نبوده و قبل از گسیختگی، تغییر شکل زیادی دارد.
شکستگی بتن معمولی و بتن الیافی
مقدار الیاف اضافه‌شده به بتن می‌تواند در غالب درصد حجمی بیان شود. این درصد حجمی معمولاً بین 0.1 تا 3 درصد است.
انواع بتن الیافی یا FRC
الیافی که در بتن ترکیب می‌شوند خود به چند دسته تقسیم می‌شوند. مهم‌ترین انواع الیاف بتن عبارت‌اند از:
- الیاف فولادی: این الیاف خود شامل دو نوع فولادهای پر مقاومت و فولاد ضدزنگ هستند.
- الیاف شیشه
- الیاف مصنوعی: این الیاف خود شامل الیاف پلیمری (پلی‌پروپیلن‌ها، پلی‌اتیلن‌ها، پلی‌استرها و آرامیدها)، پنبه نسوز و الیاف کربن (الیاف چاپد FRP) است.
- الیاف طبیعی: این الیاف شامل الیاف چوبی، الیاف تهیه شده از گیاه آگو (Sisal)، الیاف نارگیل، الیاف گیاه بامبو، الیاف کنف هندی (مانند الیاف کیسه گونی) و موی بدن فیل می‌شود.
در جدول 1 مشخصات انواع الیاف مشاهده می‌گردد.
جدول 1 مشخصات انواع الیاف
| نوع الیاف | قطر (mm) | وزن مخصوص نسبت به آب | مدول الاستیسیته (MPa) | مقاومت کششی (MPa) | کرنش گسیختگی (%) | |
| فولاد | فولاد پر مقاومت | 1/0 تا 1 | 8/7 | 890 | 350 تا 1700 | 5/3 |
| فولاد ضدزنگ | 01/0 تا 3/0 | 8/7 | 160 | 2070 | 3 | |
| الیاف شیشه | 01/0 تا 127/0 | 5/2 تا 7/2 | 1 تا 11/1 | 35 تا 50 | 6/3 تا 8/4 | |
| الیاف مصنوعی
(الیاف چاپد FRP) |
پلی‌پروپیلن | 5/0 تا 4 | 9/0 | 05/0 | 5/7 تا 5/10 | 8 |
| پلی‌اتیلن | 025/0 تا 1 | 96/0 | 07/0 تا 8/4 | 8/2 تا 8/41 | 8 | |
| پلی‌استر | 01/0 تا 076/0 | 38/1 | 14/0 تا 25/0 | 5/7 تا 3/16 | 10 تا 50 | |
| آرامید | 01/0 | 44/1 | 86/0 تا 63/1 | 50 | 5/2 تا 6/3 | |
| پنبه نسوز | 00002/0 تا 03/0 | 6/2 تا 4/3 | 3/2 تا 72/2 | 77/2 تا 9/47 | 2 تا 3 | |
| کربن | 008/0 تا 009/0 | 9/1 | 2/3 تا 3/5 | 25 تا 4/36 | 5/0 تا 5/1 | |
| الیاف طبیعی | چوب | 02/0 تا 12/0 | 5/1 | 14/0 تا 55/0 | 2/4 تا 5/12 | – |
| Sisal | کمتر از 2/0 | – | 18/0 تا 36/0 | 93/3 تا 85/7 | 3 تا 5 | |
| الیاف نارگیل | 1/0 تا 4/0 | 12/1 تا 15/1 | 26/0 تا 36/0 | 63/1 تا 8/2 | 10 تا 25 | |
| بامبو | 06/0 تا 4/0 | 5/1 | 46/0 تا 56/0 | 88/4 تا 7 | – | |
| کنف هندی | 1/0 تا 2/0 | 02/1 تا 04/1 | 35/0 تا 44/0 | 5/3 تا 9/4 | 5/1 تا 9/1 | |
| موی فیل | 4/0 | – | 07/0 | 5/2 | 6/3 | |
کاربرد بتن الیافی یا FRC
از جمله کاربردهای بتن الیافی یا FRC در موارد زیر است:
- در مواردی که بار ضربه‌ای یا انفجاری وجود دارد.
- در مواردی که وضعیت تنش پیچیده است.
- در دیوارهای حائل
- قطعات پیش‌ساخته
- بتن‌های مقاوم در برابر آتش‌سوزی
- در بتن‌های پاششی (شاتکریت)
آیین‌نامه‌ها
برای طراحی بتن‌های الیافی آیین‌نامه‌هایی موجود است. ازجمله مهم‌ترین این آیین‌نامه‌ها عبارت‌اند از:
- ASTM A820-06: این آیین‌نامه استانداردهایی را مورد بتن‌های الیافی بیان می‌کند.
- ASTM C1018-97: این آیین‌نامه مبانی آزمایش‌ها سازه‌های بتن الیافی یا FRC را بیان می‌کند.
طرح اختلاط بتن الیافی یا FRC
برای اطلاع از نحوه طرح اختلاط بتن الیافی یا FRC و طراحی آن‌ها به بخش محصولات بتن الیافی یا FRC مراجعه نمایید. روش محاسبه طرح اختلاط بتن الیافی یا FRC مشابه روش محاسبه طرح اختلاط بتن معمولی است؛ با این تفاوت که در روش محاسبه طرح اختلاط بتن الیافی یا FRC، درصد الیاف ازز درصد سیمان کم می‌شود.
