بتن های مسلح به الیاف فولادی

بتن های مسلح به الیاف فولادی

تحقیقات انجام شده توسط رومالدی و بتون، و رومالدی و مندل در اواخر دهه 1950 و اوایل دهه 1960 نشانگر اولین گام های عمده به سوی توسعه تکنولوژی ساخت بتن های مسلح به الیاف فولادی (SFRC) بود. هر چند که از ابتدای قرن بیستم مجوز رسمی برای انواع مختلف بتن های مسلح فولاد، صادر گردید، اما توسعه فناوری SFRC تا اواخر دهه 1950 پیشرفت چندانی نکرد.

از آن زمان الیاف فولادی برای مصرف در بتن تا حدودی بهینه سازی شدند. علاوه بر آن تکنولوژی های اختلاط، بتن ریزی، سخت کردن و پرداخت این نوع بتن ها بهبود پیدا کرد. 

الیاف فولادی 

اولین الیاف فولادی مورد استفاده در بتن، گرد و صاف بودند. این الیاف با بریدن یا خرد کردن سیم ساخته می شدند. این کار در مواردی به این دلیل انجام می شد که بتوان از مواد زاید، بار دیگر در صنعت فولاد استفاده به عمل آورد. در سال های اخیر استفاد از الیاف صاف مستقیم تا حدود زیادی منسوخ شده است. بیشتر الیافی که هم اکنون مورد استفاده قرار می گیرند، دارای سطوح زبر با دو انتهای قلاب شده می باشند و یا در طول خود، به صورت موج دار در آمده اند. این مشخصه ها باعث می شود که قابلیت مقاومت در برابر بیرون کشیدگی الیاف از درون ماتریس های با پایه سیمانی بهبود یابد.

 

بیشتر الیاف فولادی تجاری موجود، از سیم های فولادی کشیده شده، تولید شده اند. با این حال همان طور که معدودی از تولید کنندگان الیاف نشان داده اند، می توان الیاف فولادی را از صفحه های فولادی (به روش بریدن صفحه به قطعات باریک) و با فرایند استخراج در حالت مذاب نیز تولید نمود. الیاف بریده شده از صفحات فولادی دقیقاً به همان طریقی که از نام آنها بر می آید، تولید می شوند؛ الیاف فولادی دقیقاً برش هایی از صفحات فولادی هستند. روش استخراج در حالت مذاب یک فرایند نسبتاً پیچیده در تولید الیاف فولادی می باشد. در این فرایند یک چرخ گردنده برای بالا بردن فلز مایع از سطح فلز مذاب توسط عمل میینگی به کار می رود. سپس فلز مذاب به سرعت به صورت الیاف، منجمد شد و در نهایت توسط نیروی گریز از مرکز از چرخ بیرون می آید. الیاف به دست آمده دارای مقطع عرضی نیم دایره می باشند.

جهت اطلاع از مطالعه مقاله بتن های مسلح به الیاف فولادی به طور کامل می توانید به وب سایت رسمی کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

خصوصیات بتن مسلح به الیاف فولادی (بخش2)

مقاومت خستگی

شواهد تجربی نشان می دهد که مقاومت خستگی با افزایش درصد الیاف فولادی، افزایش می یابد. اضافه کردن الیاف به سازه های بتن مسلح متداول، عمر خستگی را افزایش و عرض ترک ها را کاهش می دهد. همچنین خیز ناشی از خستگی با اضافه کردن الیاف فولادی، کاهش می یابد.

خزش و آب رفتگی

از آنجا که داده های خزش SFRC بسیار محدود است، آزمایش ها نشان می دهند که الیاف تاثیر کمی بر خزش در فشار دارد. آزمایش های خزش در خمش نشان می دهد که خیز تا اندازه ای کاهش می یابد.
آزمایش ها نشان داده اند که اضافه کردن الیاف فولادی، تاثیری بر کرنش ناشی از آب رفتگی خشک ندارد. با این حال الیاف میزان ترک های بزرگ و مخرب ناشی از آب رفتگی و نیز عرض ترک ها در هنگام آب رفتگی محدود شده را کاهش می دهد. این پدیده تاثیر سودمندی برکاهش خوردگی الیاف و افزایش پایایی بتن مسلح به الیاف دارد.

پایایی

بیشتر مباحث مربوط به پایایی SFRC به جای پرداختن به مقاومت مخلوط در برابر یخ زدن و آب شدن، به خوردگی الیاف می پردازد. پایایی یخ زدن و آب شدن بتنی که فی نفسه بادوام است، با اضافه کردن الیاف فولادی به صورتی که الیاف به خوبی در مخلوط جای بگیرند و در هنگام بتن ریزی نیز از تراکم مناسبی برخوردار باشند، کاهش نمی یابد.
مطالعات پایایی SFRC نشان می دهد که در نمونه های ترک نخوردهکه بتن آن به دقت طراحی و ریخته شده، خوردگی الیاف یا رخ نمی دهد و یا میزان آن ناچیز است. زنگ خوردگی بعضی سطوح، جنبه ظاهری داشته و اثر سازه ای ندارد.
خوردگی الیاف بر پایایی نمونه های الیاف ترک خورده تاثیردارد. آزمایش های دراز مدت که بر روی نمونه های ترک خورده انجام شده، نشان می دهد که کربناسیون ماتریس در نواحی ترک خورده با سرعت بیشتری نسبت به ماتریس بتنی ترک نخورده مجاور، روی می دهد. وقتی که کربناسیون به ماتریس اطراف الیاف تقویتی می رسد، حفاظت در برابر خوردگی که توسط محیط قلیایی اولیه در بتن ایجاد می شود، از بین می رود. با وقوع این پدیده، در صورت حضور آب و اکسیژن، الیاف در معرض خوردگی قرار می گیرند. سرعت وقوع این خوردگی مخرب بستگی به اندازه ترک، قطر الیاف و شرایط جوی (محیط دریایی یا اسیدی) دارد. آزمایش ها نشان داده اند که سرعت خوردگی، کم است و حداقل 5 سال یا بیشتر، زان لازم است تا افت در ظرفیت بار خمشی تیر ترک خورده به %20 برسد. باید توجه شود که در هر حال با استفاده از الیاف ضد خوردگی با کیفیت بالاتر، تاثیرات خوردگی کاهش می یابد.

طاقت خمشی

یکی از مهمترین مزایای استفاده از SFRC، افزایش طاقت خمشی است. طاقت خمشی به صورت انرژی نهایی جذب شده در طی شکستن نمونه، تعریف می شود و می توان مقدار آن را با اندازه گیری سطح زیر نمودار بار- خیز که با آزمایش خمش به دست می آید اندازه گیری کرد. 
مقاومت ضربه ای به طاقت خمشی وابسته است. اضافه کردن الیاف فولادی به بتن می تواند مقاومت ضربه ای بتن را به شدت افزایش دهد. الیاف اضافه شده تنها مقاومت ضربه ای را افزایش نمی دهند بلکه مانع از خرد شدن مخلوط پس از اعمال ضربه نیز می شوند. مشخص شده است که مقاومت دینامیکی بتن با درصد کمی الیاف فولادی (%5/0 تا%2 حجمی)، وقتی بتن در معرض ضربه های انفجاری یا آزمایش ضربه قرار 
می گیرد، 5 تا 10 برابر بیشتر از بتن غیر مسلح است.

 

جهت مطالعه مقاله خصوصیات بتن مسلح به الیاف فولادی (بخش2) به طور کامل می توانید به وب سایت کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

خصوصیات بتن مسلح به الیاف فولادی (بخش 1)

خصوصیات بتن مسلح به الیاف فولادی
چندین متغیر بر روی خصوصیات مکانیکی بتن های مسلح به الیاف تاثیر می گذارند. این متغیرها شامل نوع و درصد الیاف مصرفی، نسبت ظاهری الیاف، مقاومت ماتریس و اندازه سنگدانه است. سال های متمادی محققان مختلف بر روی بازه ای از متغیرها آزمایش کرده اند که داده های مربوط به آن موجود است. بنابراین این داده ها که به صورت بازه ای داده شده اند نماینده بهتری نسبت به مقادیر مطلق می باشند.

هرچه طول الیاف بیشتر شود، پیوستگی بین ماتریس و الیاف افزایش می یابد. بنابراین طول بلندتر الیاف منجر به مقاومت بالاتر مخلوط می گردد. مطلوب است که طول الیاف آنقدر بلند انتخاب شود که در الیاف ایجاد تنش کافی نماید و شکست کششی رخ دهد. با این حال از آنجا که توزیع یکنواخت الیاف با نسبت ظاهری بیش از 100 مشکل بوده و تولید یک مخلوط بتنی ناکارا می کند، معمولاً این کار عملی نیست. بنابراین در بیشتر مخلوط ها از نسبت ظاهری 100 یا کمتر استفاده می شود.

مقاومت کششی

داده های گزارش شده مربوط به تاثیر الیاف فولادی بر مقاومت کششی مخلوط های سیمانی بسیار متفاوتند. نشان داده شده است که اضافه کردن %5/1 حجمی از الیاف، مقاومت کششی مستقیم ملات را حدوداً %40 افزایش خواهد داد. افزایش در مقاومت کششی شکاف خوردگی تا اندازه ای بیشتر است که مقدار آن تا %100 گزارش شده است.

مقاومت خمشی

تاثیر الیاف فولادی بر مقاومت خمشی مخلوط ها بسیار بیشتر از مقاومت کششی است. معمولاً دو مقدار مقاومت گزارش می شود. یکی مقاومت اولین ترک که در آن نمودار بار- خیز از حالت خطی دور می شود و دیگری مقاومت خمشی نهایی. عموماً افزایشی تا %150 در مقاومت خمشی اولین ترک SFRC متداول، گزارش شده است.

مقاومت فشاری

بنابر نتایج بسیاری از محققان، افت مقاومتی فشاری SFRC متداول تا 40% هم گزارش شده است. به طور کلی در صورتی که نمونه ها به خوبی متراکم شده باشند، اضافه کردن الیاف فولادی (بین 5/0 تا 2% حجمی) تاثیر اندکی بر مقاومت فشاری SFRC متداول خواهد داشت. با این حال با استفاده از درصدهای حجمی بسیار بالای الیافی که با استفاده از روش ساخت SIFCON حاصل می شود، افزایش شگرفی در مقاومت فشاری نهایی (بیش از %500) گزارش شده است.

مقاومت در برابر سایش

اطلاعات درباره مقاومت سایشی SFRC بسیار کم و تا اندازه ای متناقض است. برمبنای داده های موجود، در مواردی که فرسایش ناشی از خلازدایی و سایش به دلیل جریان سریع آب یا ضربه نخاله های بزرگ اتفاق می افتد، SFRC می تواند بهبود قابل توجهی در مقاومت سایشی ایجاد کند. با این وجود در مواردی که فرسایش با سرعت کم رخ می دهد، میزان الیاف مقاومت فرسایشی را تعیین نمی کنند بلکه مشخصات ماتریس و سنگدانه ها، مقاومت فرسایشی را تعیین می کنند. به طور مشابه در سایش روسازی و دال، خصوصیات ماتریس مقاومت سایشی را تعیین می نماید.

ادامه دارد...

 

 

جهت مطالعه مقاله خصوصیات بتن مسلح به الیاف فولادی (بخش1) می توانید به وب سایت کلینیک بتن ایران مراجعه نمایید .

طراحی سازه های الیاف فولادی

روش های طراحی سازه های الیاف فولادی

روش های طراحی سازه هایی که در آنها از الیاف فولادی استفاده شده، برای کاربردهایی پیشنهاد گردیده که در آن شکست یک عضو منجر به گسیختگی سازه ای نمی شود. این کاربردها شامل روسازی آزادراه ها، روکش ها، عرشه پل و کف انبارها می شود. در این نوع کاربری ها، مقاومت کششی طراحی مصالح به دلیل اضافه شدن الیاف، افزایش می یابد. سپس از روش طراحی مشابه که برای بتن بدون اضافه کردن الیاف به کار رفته است، استفاده می شود. در مواردی که شکست کششی اعضای سازه منجر به گسیختگی سازه ای می شود، جایگزین کردن میلگردهای کششی با الیاف فولادی توصیه نشده است. در عوض الیاف فولادی علاوه بر میلگردهای تقویت به کار رفته اند تا باعث ایجاد خصوصیات سودمندی چون انعطاف پذیری مضاعف یا مقاومت ضربه ای مضاعف شوند.

روساز های بتنی

از SFRC در روسازی ها، عرشه پل ها، باند فرودگاه و پارکینگ عمدتاً به صورت روکش هایی بر روی دال های موجود استفاده می شود که یا تخریب شده و یا نیاز به تقویت دارد. مخلوط ها معمولاً حاوی %75/0 تا %5/1 حجمی الیاف فولادی هستند و در ضخامت های 2 تا in 3 (50 تا mm75) بتن ریزی می شوند. بررسی های انجام شده نشان می دهد در بیشتر موارد روکش ها یا به طور جزئی و یا کامل، به سازه موجود یکپارچه شدند. ولی در بعضی موارد، پیوستگی از بین رفته است. از آنجا که روکش های SFRC عموماً ترک ها را گسترش دادند، ترک ها کوچک مانده و تاثیری بر کیفیت روسازی ها نداشته اند. در قسمت هایی که پیوستگی از بین رفته، ترک ها نسبتاً آزاد مانده اند.

در تحقیقی، عرشه های پل با روکش های SFRC پوشانده شدند تا از خرابی ناشی از نفوذ نمک های یخ زدا در طول ترک ها و در نتیجه خوردگی الیاف تقویتی جلوگیری شود.
در طراحی دال های همکف باید تنش های خمشی وارده از طرف ترافیک و نیز دیگر بارها لحاظ شوند. از آنجا که تنش های وارده از ترافیک، تنش های تکراری هستند، باید یک تنش عملی و منطقی در نظر گرفته شود تا از عملکرد سازه، اطمینان حاصل شود. ضخامت مورد نیاز دال که بر مبنای تنش کششی خمشی محدود کننده است، معمولاً به روش تحلیل وسترگارد که برای دال روی پی الاستیک به دست آمده، تعیین می شود. انتخاب تنش کششی مجاز مناسب برای SFRC همانند بتن غیر مسلح دشوار است. زیرا تنش هایی که از نمونه های آزمایشگاهی به دست می آید ممکن است نماینده مقدار مشابه در کارگاه نباشد. به علاوه ضرایب کاهش برای احتساب خستگی و تغییرپذیری مصالح قطعی نیست. مقدار عددی دو سوم مدول گسیختگی که از آزمایش های آزمایشگاهی به دست آمده، برای استفاده به عنوان تنش کششی مجاز پیشنهاد شده است.
به طور کلی روش هایی که برای طراحی دال های بتنی مسلح نشده با الیاف در بزرگراه ها به کار می رود، قابل اعمال است. اما بدیهی است که خصوصیات اصلاح شده SFRC باید به عنوان یک مزیت در نظر گرفته شوند.
 

تیر ها

با آنکه افزایش ظرفیت خمش و برش تیرها تقریباً تعیین شده است، اما هنوز هیچ روش طراحی ای که در آن مزایای تقویت با الیاف فولادی در کاربردهای عملی مدنظر قرار گرفته باشد، اتخاذ نشده است. طراحان از اطلاعات موجود به اعضای سازه ای مشابه استفاده می کنند. با این حال ضرایب اطمینان بر مبنای قضاوت های صحیح مهندسی به کار می روند. ذیلاً گزارش کوتاهی از تحقیقاتی که جهت تعیین تاثیر الیاف فولادی به عنوان تقویت کنند برشی و خمشی انجام شده، آمده است.
روش های متعددی به منظور پیش بینی مقاومت خمشی تیرهای مسلح به الیاف فولادی مجزا به صورت تجربی یا تئوریک توسعه یافته است. اصطلاحات تئوریک از قانون مخلوط ها استفاده کرده و در آن عواملی چون ضرایب توزیع تصادفی، تنش پیوستگی، تنش الیاف، مدول الاستیسیته مصالح در کشش و فشار، تغییر در محور خنثی به دلیل توزیع غیر خطی تنش و ... به حساب آمده است. با این وجود اصلاحات تئوریک برای تغییرات وابسته به زمان در خصوصیات مکانیکی مورد توجه قرار نگرفته اند.
در روش های تجربی از داده های به دست آمده از تحقیقات آزمایشگاهی بهره گرفته می شود تا از این طریق روابطی که مقاومت خمشی را به طول الیاف، قطر، محتوای الیاف، و ناحیه پیوستگی الیاف مربوط  می سازد، استخراج شود. در این روش ها با در نظر گرفتن زمان یا سن نمونه در تحقیق، تغییرات وابسته به زمان خصوصیات مکانیکی به حساب آورده می شود. روش های معتبر طراحی تاکنون بر مبنای روش های تجربی توسعه یافته اند.
هانگر و دوهرتای روش طراحی برای محاسبه لنگر خمشی نهایی تیرها را به تفصیل بیان کرده اند. این روش همبستگی خوبی بین مقاومت پیش بینی شده و مقادیر آزمایشی فراهم می کند.
داده های آزمایشگاهی قابل ملاحظه ای در دسترسند که نشان می دهند ظرفیت برشی تیرهای بتنی با افزودن الیاف فولادی افزایش می یابد. به علاوه آزمایش های آزمایشگاهی نشان داده اند که می توان به شکل موثری از خاموت و الیاف تقویتی در ترکیب با هم استفاده نمود.
بستون، جنکینز و اسپتنی مجموعه ای از آزمایش ها را ترتیب دادند تا تاثیر استفاده از الیاف فولادی مستقیم را به عنوان تقویت کننده جان در تیرهای بتن مسلح متداول تعیین کنند. به طور کلی هر چه درصد حجمی الیاف افزایش یابد، تنش برشی متوسط در لحظه شکست، افزایش می یابد. همچنین معلوم شده است که هرچه نسبت دهانه برش به عمق افزایش یابد، تنش های برشی بالاتری در هنگام شکست ایجاد می شود. 
ویلیامسون با کار بر روی تیرهای مسلح متداول دریافت که با جایگزین کردن خاموت ها با الیاف فولادی مستقیم، ظرفیت برشی تیرها به اندازه %45 افزایش می یابد. استفاده از الیافی که در انتها موج دار شده اند نیز باعث افزایش قابل ملاحظه برشی تیرهای بتن مسلح می شود. آزمایش های انجام شده توسط کریگ و لاو نیز افزایشی بیش از %100 را با استفاده از الیاف فولادی علاوه بر خاموت نشان می دهد.
پاول و سینامون بر روی تاثیر الیاف فولادی مستقیم بر ظرفیت برشی تیرهای بتنی تحقیق کردند. کار آنها منجر به یک اصلاحیه پیشنهادی برای ساختن معادله ACI3177 در تعیین ظرفیت مشابه در معادله موجود ACI، یک حد بالایی برای ظرفیت برشی تعیین گردد.
در تحقیقی که سوامی، التاآن و علی بر روی تاثیر الیاف فولادی تقویتی بر مقاومت برشی صفحات مسطح بتن مسلح انجام داده اند، مقاومت برشی در حدود %22، %35 و %42 به ترتیب برای میزان الیاف %6/0، %9/0 و %1/1 حجمی افزایش یافته است.

جهت مطالعه مقاله طراحی سازه های الیاف فولادی می توانید به وب سایت رسمی کلینیک بتن ایران www.clinicbeton.ir مراجعه نمایید .