بتن مسلح به الیاف شیشهای که به اختصار (GFRC- Glass Fiber Reinforced Concrete) نامیده میشود، نوعی مواد کامپوزیتی حاوی الیاف شیشهای مقاوم در برابر قلیا است. بهکارگیری الیاف شیشهای در ماتریس سیمانی باعث بهبود ظرفیت تحمل تنش کششی بتن و کنترل ترکها میگردد. برخلاف الیاف فولادی، الیاف شیشهای دچار زنگزدگی و خوردگی در محیط بتن نمیشوند و چگالی کمتری دارند.
همچنین، در مقایسه با الیاف پلیمری (مانند پلیپروپیلن)، مدول الاستیسیته و مقاومت کششی بیشتری دارند که امکان تحمل تنش در بتن سختشده را فراهم میکند. البته الیاف شیشهای رفتار ترد و غیرچکشخوار داشته و دچار تسلیم پلاستیک نمیشوند، از این رو طراحی مخلوط و سازه باید بهگونهای باشد که تنشهای کششی در محدوده الاستیک الیاف باقی بماند. نکته مهم دیگر آن است که شیشه معمولی در محیط قلیایی سیمان ناپایدار است و واکنش شیمیایی بین قلیای سیمان و سیلیس الیاف شیشه، موجب افت مقاومت الیاف و خردشدن آنها میشود. بنابراین، تنها الیاف شیشهای با ترکیب ویژه مقاوم در برابر قلیا (الیاف AR) برای مسلحکردن بتن مناسب بوده و به کار میروند.
انواع الیاف شیشهای
- الیاف شیشه مقاوم در برابر قلیا (AR-Glass): تقریباً تمامی الیاف شیشهای که در بتن مصرف میشوند از نوع AR هستند. این الیاف با افزودن اکسید زیرکن (ZrO₂) به ترکیب شیشه تولید میشوند تا در محیط قلیایی بتن پایدار بمانند. طبق استانداردهای بینالمللی، حداقل 16 درصد وزنی ترکیب شیشه باید از اکسید زیرکن باشد تا الیاف به عنوان نوع AR و پایا در بتن شناخته شوند. الیاف شیشهای AR تجاری معمولاً درصد زیرکن بیشتری (حدود 19 درصد یا بیشتر) دارند که دوام و عمر مفید آنها را در بتن بهبود میبخشد. این الیاف به طور اختصاصی برای استفاده در بتن طراحی شدهاند و دارای مقاومت کششی و مدول بیشتری بوده و برخلاف فولاد دچار زنگزدگی نمیشوند.
- الیاف شیشه کوتاه (چاپد یا خردشده): این دسته شامل الیاف شیشهای بریده شده در طولهای کوتاه است که عمدتاً در مخلوط بتن به صورت مستقیم اضافه میشوند. طول این الیاف بسته به محصول بین حدود ۶ تا ۳۸ میلیمتر متغیر است، اما طولهای متداول برای بتن معمولاً ۱۲، ۱۹ یا ۲۵ میلیمتر است. الیاف چاپد به صورت رشتههای نازک دستهبندیشده، عرضه میشوند که هر رشته ممکن است دهها تا صدها فیلامنت شیشهای نازک را شامل شود. وجود این رشتههای چندفیلامانی به ایجاد رفتاری شبهشکلپذیر در مقیاس ریزساختار کمک میکند، زیرا در هنگام گسیختگی بتن، فیلامنتها به تدریج از ماتریس بیرون کشیده شده و انرژی زیادی را جذب میکنند. الیاف شیشهای کوتاه AR برای روش مخلوط از پیش آمدهشده بسیار مناسب هستند و در تولید قطعات پیشساخته بتن الیافی بهکار میروند.
- الیاف شیشه بلند (پیوسته): این نوع به صورت الیاف پیوسته (مثلاً کلاف) عرضه میشود که معمولاً حین فرآیند پاشش بتن به طولهای دلخواه بریده میشوند. در این روش، الیاف شیشهای از قرقره به داخل تفنگ پاشش کشیده شده و به صورت قطعات بلند (مثلاً ۳۰ تا ۵۰ میلیمتر) همزمان با ملات تازه به داخل قالب پاشیده میشوند. وجود الیاف بلند و حجم زیاد الیاف در روش پاششی باعث افزایش قابل توجه مقاومت و ظرفیت تحمل بار در قطعات پیشساخته میشود. الیاف پیوسته AR به شکل نخهای تابیدهشده (متشکل از چندین رشته شیشهای) عرضه میگردند و فقط با تجهیزات ویژه پاشش قابل استفادهاند.
- مش و شبکههای الیاف شیشهای: این نوع الیاف شیشهای نیز در برخی کاربردهای بتن مورد استفاده قرار میگیرند. مش فایبرگلاس مقاوم در برابر قلیا (توریهای بافته یا چسباندهشده از الیاف شیشه) میتواند به عنوان تقویتکننده سطحی در قطعات گسترده برای کنترل ترک عمل کند. همچنین، شبکههای پیشساخته الیاف شیشهای در لایههای نزدیک به سطح قطعات پیشساخته قرار داده میشوند تا ظرفیت کنترل ترکخوردگی در سطح عناصر معماری افزایش یابد.
الیاف شیشهای AR دارای خصوصیات فیزیکی و مکانیکی قابل توجهی هستند که بر رفتار بتن تأثیر مثبت میگذارد. چگالی این الیاف حدود 6/2 گرم بر سانتیمتر مکعب است که در حد چگالی سنگدانههای معمول (مانند ماسه) بوده و بسیار کمتر از فولاد (8/7 گرم بر سانتیمترمکعب) است. مقاومت کششی تکمحوری الیاف شیشهای عموماً در بازه ۱۰۰۰ تا ۱۷۰۰ مگاپاسکال قرار دارد که بیشتر از تنش تسلیم فولاد معمول ساختمانی است. مدول الاستیسیته این الیاف حدود ۷۰ گیگاپاسکال (تقریباً معادل ۳ برابر مدول خمیر سیمان/بتن) است. این مدول بیشتر نسبت به ماتریس بتن موجب میشود تحت بارگذاری، سهم قابل توجهی از تنش کششی توسط الیاف جذب شود و از گسترش ترک جلوگیری گردد. در عین حال مدول الیاف شیشهای از فولاد کمتر است (حدود یکسوم)، بنابراین، سختی کمتری نسبت به میلگرد یا الیاف فولادی دارند و برای دستیابی به ظرفیت مشابه، ممکن است درصد حجمی الیاف بیشتری نیاز باشد.
از دیگر ویژگیهای مهم الیاف شیشهای، دوام شیمیایی و پایداری در محیط قلیایی آنها است. همانگونه که اشاره شد، استفاده از الیاف شیشهای معمولی (نوع E-glass) در بتن به دلیل حمله شدید قلیاهای سیمان به سیلیس شیشه، با شکست و کاهش مقاومت الیاف همراه است. این مشکل با توسعه الیاف شیشهای مقاوم قلیا حل شده است؛ البته توجه به این نکته ضروری است که حتی الیاف AR نیز در شرایط بسیار قلیایی و دمای بالا ممکن است اندکی از مقاومت خود را در طول زمان از دست بدهند.
خواص کامپوزیتهای مسلح به الیاف شیشهای
خواص کامپوزیتهای مسلح به الیاف شیشهای تحت تأثیر فرآیند تولید، مقدار و طول الیاف شیشهای قرار دارند. نوع الیاف E یا AR و همچنین شرایط محیطی تأثیرگذار هستند. قرار گرفتن بتن مسلح به الیاف شیشهای در معرض شرایط جوی طبیعی میتواند ویژگیهای مکانیکی آن را تغییر دهد و بهویژه در اثر تغییرات رطوبت و دما، ابعاد آن دچار تغییر میشود. با گذشت زمان و در نتیجه قرارگیری در معرض محیط، اکثر کامپوزیتهای بتن مسلح به الیاف شیشهای، کاهش در مقاومت کششی، خمشی و شکلپذیری را تجربه میکنند.
عدم خوردگی و مقاومت در برابر شرایط محیطی
این مورد از مزایای بارز الیاف شیشهای نسبت به الیاف فولادی است. این الیاف ماهیت غیر فلزی داشته و در نتیجه در برابر زنگزدگی و خوردگی الکتروشیمیایی مصون هستند. در محیطهای مرطوب یا خورنده، الیاف شیشهای برخلاف فولاد، بدون نیاز به پوشش یا تمهید خاصی پایدار میمانند و از این منظور دوام بتن مسلح شده را افزایش میدهند. همچنین، الیاف شیشهای برخلاف الیاف پلیمری در برابر حرارت غیرقابل اشتعال بوده و تا دماهای نسبتاً بالاتری پایداری خود را حفظ میکنند. این ویژگی در کاربردهای در معرض حریق یا دمای بالا (نسبت به پلیمرهایی که در دمای حدود ۱۶۰-۱۷۰ درجه سلسیوس ذوب میشوند) مزیت مهمی بهشمار میرود. لازم به ذکر است که افزودن درصد بالاتر الیاف شیشهای تا حدی خواص مقاومتی بتن را ارتقاء میدهد اما از سوی دیگر میتواند کارایی مخلوط تازه را کاهش دهد. بنابراین باید انتخاب درصد مناسب را به متخصصی در این زمینه سپرد.
بهرهگیری مؤثر از الیاف شیشهای
بهرهگیری مؤثر از الیاف شیشهای در بتن مستلزم رعایت اصول فنی در مرحله مخلوطکردن است. مخلوطکن باید توان کافی برای پراکندگی یکنواخت الیاف داشته باشد، زیرا این الیاف سبک و ظریفاند و در صورت افزودن نادرست، بهسرعت گلوله میشوند. برای پیشگیری، الیاف بهتر است تدریجی و در دو تا سه مرحله به مخلوط افزوده شوند تا هر بخش بهخوبی پخش شود. در ادامه به صورت مختصر به نکاتی در این زمینه اشاره میکنیم.
- ابتدا مصالح خشک همراه بخشی از آب و روانکنندهها مخلوط شده و سپس الیاف بهتدریج اضافه شوند.
- برای حفظ روانی مناسب، بهکارگیری فوقروانکنندهها توصیه میشود.
- هنگام افزودن الیاف به دیگ کامیون حمل بتن، باید پس از ریختن الیاف، مخلوطکردن اضافی حداقل پنج دقیقه در دور تند انجام شود.
- در روش پاششی تنظیم صحیح دستگاه (سرعت برش و شدت پاشش) اهمیت بسیار دارد.
- از آنجا که بتن مسلح به الیاف شیشهای بیشتر در مقاطع نازک بهکار میرود، یکنواختی خواص در کل پانل ضروری است.
ویژگیهای مکانیکی کامپوزیتهای بتنی مسلح شده با الیاف شیشهای
این ویژگی به مقدار الیاف، نسبت آب به سیمان، تخلخل، مقدار ماسه، جهتگیری الیاف، طول الیاف و عملآوری بستگی دارد. یک منحنی کلی بار-تغییرشکل برای یک کامپوزیت بتن مسلح شده با الیاف شیشهای با عمر ۲۸ روز که تحت آزمایش خمش قرار گرفته، در شکل زیر نشان داده شده است. همانطور که این منحنی نشان میدهد، کامپوزیتهای بتن مسلح شده با الیاف شیشهای معمولاً ظرفیت باربری و تغییرشکل قابلتوجهی فراتر از مقاومت ترکخوردگی ماتریس دارند. مکانیزم اصلی مسئول این مقاومت و شکلپذیری اضافی، بیرونکشیدهشدن الیاف است.
تغییرات ابعادی در بتن مسلح به الیاف شیشهای
تغییرات ابعادی در بتن مسلح به الیاف شیشهای نسبت به بتن معمولی به دلیل مقدار زیاد سیمان در ماتریس ملات بیشتر است. کرنشهای ناشی از خشک و مرطوبشدن ممکن است به 15/0 درصد برسند که میتواند در طول عمر پنلهای نما قابل توجه باشد. دو نظریه برای توضیح کاهش مقاومت و ظرفیت کرنش در بتن مسلح به الیاف شیشهای وجود دارد:
- حمله قلیایی: قلیای موجود در محیط میتواند به سطوح الیاف شیشهای آسیب بزند و منجر به کاهش مقاومت کششی آنها شود.
- هیدراتاسیون مداوم: نفوذ محصولات هیدراسیون به فضاهای بین الیاف شیشهای میتواند منجر به افزایش پیوستگی و کاهش امکان بیرون کشیدگی الیاف شود، که این امر کاهش مقاومت و شکلپذیری را به همراه دارد.
این دو پدیده ممکن است همزمان و با سرعتهای متفاوتی اتفاق بیفتند. کاهش چقرمگی در بتن مسلح به الیاف شیشهای به عنوان یک چالش اساسی در کاربردهای ساختوساز مطرح است و برای مقابله با آن دو رویکرد پیشنهاد میشود:
- توسعه کامپوزیتهای با عملکرد دوام بهتر با فرمولاسیونهای اصلاح شده شیشه و ماتریس.
- طراحی اجزای بتن مسلح به الیاف شیشهای با در نظر گرفتن تغییرات خواص آنها در طول فرآیند پیرشدگی.