بتنهایی که با الیاف طبیعی مسلح شدهاند، تحت عنوان بتن مسلح به الیاف طبیعی (NFRC – Natural Fiber Reinforced Concrete) شناخته میشوند. بسیاری از مواد مسلحکننده طبیعی با هزینه، انرژی پایین و با استفاده از نیروی کار محلی و دانش فنی در دسترس قابل تهیه هستند. این الیاف در تولید بتنهای مسلح به الیاف با مقدار کم و گاهی اوقات در تولید بتنهای مسلح به الیاف زیاد در ورقهای نازک استفاده شدهاند. این الیاف معمولاً به عنوان الیاف طبیعی پردازشنشده (UNF) شناخته میشوند. با این حال، الیاف طبیعی دیگری نیز موجود است که برای بهبود خواص آنها پردازش شدهاند.
این الیاف از چوب از طریق فرآیندهای شیمیایی مانند فرآیند کرافت به دست میآیند. الیاف پالپ کرافت در فرآیندهای تولید پیشرفته مانند فرآیند هاتچک برای تولید بتنهای مسلح به الیاف زیاد در ورقهای نازک استفاده میشوند. این الیاف معمولاً به عنوان الیاف طبیعی پردازششده شناخته میشوند و بتنهای ساخته شده از آنها به عنوان بتن مسلح به الیاف طبیعی پردازششده (PNFRC) نامیده میشوند.
تاریخچه توسعه بتنهای مسلح به الیاف طبیعی
الیاف طبیعی پردازشنشده در مقادیر نسبتاً زیادی در بسیاری از کشورها موجود هستند و یک منبع تجدیدپذیر پیوسته به شمار میآیند. الیاف طبیعی پردازشنشده نسبت به برخی از انواع دیگر الیاف، انرژی و دانش فنی کمتری برای تولید نیاز دارند. از نظر تاریخی، استفاده از الیاف طبیعی خام در ساخت و ساز به طور قابل توجهی پیش از ظهور بتن مسلح معمولی بوده است. استفاده از الیاف کاه در برخی آجرها برای ساخت دیوارها و استفاده از موی اسب در ملات، نمونههایی از نحوه استفاده از الیاف طبیعی در گذشته هستند. فرآیندهای تولید مناسب برای تولید تجاری این الیاف در کشورهای مختلف آمریکای مرکزی، آفریقا و آسیا توسعه یافت. محصولاتی که با سیمان پرتلند و الیاف طبیعی پردازشنشده مانند فیبر نارگیل، سیسال، تفاله نیشکر، بامبو، جوت، کتان و دیگر الیاف گیاهی ساخته شدهاند، برای خواص مهندسی آنها و استفاده احتمالی در ساختمانها، در بیش از ۴۰ کشور مختلف آزمایش شدهاند. اگرچه نتایج امیدوارکننده بودند، ولی برخی از نقصها در دوام آنها مشاهده شد. به نظر میرسد که این نقصها ناشی از واکنش بین ملات سیمان و الیاف و تورم الیاف در حضور رطوبت باشد.
انواع الیاف طبیعی
- الیاف نارگیل: نارگیل بالغ دارای پوستهای از جنس الیاف است. این بخش از نارگیل که به نام پوست شناخته میشود، شامل یک پوست سخت و مقدار زیادی الیاف است که در ماده نرم قرار دارند. الیاف میتوانند به راحتی با خیساندن پوست در آب برای تجزیه ماده نرم اطراف الیاف استخراج شوند. این فرآیند که به آن “ریتنینگ” گفته میشود، در کشورهای کمتر توسعهیافته به طور گستردهای استفاده میشود.
- الیاف سیسال: در استرالیا، الیاف سیسال بهطور موفقیتآمیز برای ساخت ورقهای گچپلاستر استفاده شده است. تحقیقات قابل توجهی در سوئد برای توسعه محصولات بتنی با کیفیت بالا تقویت شده با الیاف سیسال انجام شده است. این الیاف مقاومتر از اکثر دیگر الیاف طبیعی هستند.
- الیاف تفاله نیشکر: نیشکر در مناطق گرمسیری و نیمه گرمسیری کشت میشود. تفاله نیشکر باقیماندهای است که پس از استخراج عصاره آن به دست میآید و حاوی حدود ۵۰ درصد الیاف است. خواص الیاف تفاله نیشکر بستگی زیادی به نوع آنها دارد.
- الیاف بامبو: بامبو به خانواده گیاهان علفی تعلق دارد و میتواند به ارتفاع ۱۵ متر، با قطرهایی در بازه ۲۵ تا ۱۰۰ میلیمتر رشد کند. این گیاه به طور طبیعی در مناطق گرمسیری و نیمهگرمسیری رشد میکند. ساقههای خشکشده بامبو معمولاً برای ساخت سازههای موقت مانند داربست استفاده میشوند. همچنین، میتوانند به شکل یک ماده تقویتکننده پیوسته برای بتن ساخته شوند. الیاف بامبو در کشش قوی هستند و میتوانند به عنوان ماده تقویتکننده استفاده شوند. با این حال، آنها ظرفیت جذب آب بالایی دارند، مدول الاستیسیته کمتری دارند و برای استخراج آنها از ساقهها به تجهیزات خاص نیاز است.
- الیاف جوت: جوت عمدتاً در هند، بنگلادش، چین و تایلند کشت میشود. این گیاه به طور خاص برای الیاف آن کشت میشود که به طور سنتی برای ساخت طنابها و کیسهها برای حمل غلات و مواد دیگر از جمله سیمان و شکر استفاده میشود. الیاف جوت در کشش قوی هستند و میتوانند در ماتریس سیمانی استفاده شوند. فرآیند به دست آوردن الیاف جوت بسیار ساده است. گیاهان بالغ قطع شده و برای مدت حدود ۴ هفته در آب خیسانده میشوند که پوسته آنها به طور کامل تجزیه میشود. سپس الیاف از ساقه جدا، شسته و خشک میشوند.
- کتان: کتان یک گیاه لاغر و ایستاده است که عمدتاً برای الیاف آن کشت میشود. هر دو مقاومت کششی و مدول الاستیسیته کتان نسبت به سایر الیاف طبیعی بسیار بیشتر است.
- دیگر الیاف گیاهی: از میان انواع مختلف الیاف گیاهی، تنها تعداد کمی از آنها به عنوان مواد تقویتکننده بالقوه مناسب مانند علف فیل، نی آبی، موز و موسامبا شناخته شدهاند. تحقیقات دیگری نیز برای بررسی امکان استفاده از الیاف طبیعی دیگر مانند الیاف نخل و الیاف آکوارا به عنوان مواد تقویتکننده بتن انجام شده است. این الیاف معمولاً به صورت دستی از ساقه گیاه استخراج میشوند.
الیاف طبیعی پردازششده
الیاف طبیعی پردازش شده از دهه ۱۹۶۰ میلادی برای تولید محصولات سیمانی مسلح به الیاف نازک ورقی به صورت تجاری استفاده شدهاند. این الیاف ابتدا به عنوان مکملی برای آزبست و از اوایل دهه ۱۹۸۰ میلادی به عنوان تنها الیاف مسلحکننده مورد استفاده قرار گرفتهاند. استفاده تجربی از این الیاف به مراتب پیش از استفاده تجاری وسیع آنها بوده است. اولین آزمایش با استفاده از پالپ چوب به عنوان جایگزینی برای آزبست در سیمان آزبستی به دوران جنگ جهانی اول بازمیگردد. صنعت سیمان نروژ مجبور شد در این دوره ورقهای سیمانی تقویت شده با پالپ چوب را برای استفاده تجاری تولید کند زیرا به دلیل جنگ قادر به تأمین آزبست معمولی خود نبودند.
نحوه تهیه الیاف طبیعی
پردازش مواد گیاهی برای استخراج الیاف، پالپینگ نامیده میشود و منبع اصلی آن درختان هستند. در این فرآیند، پیوند بین الیاف در چوبهای نرم و سخت شکسته میشود. پالپینگ به سه روش کلی مکانیکی، شیمیایی و نیمهشیمیایی انجام میگیرد. در روش مکانیکی، الیاف با خردکردن چوب جدا میشوند؛ در روش شیمیایی، چوب به قطعات حدود 2/5 سانتیمتری تقسیم و در قلیاها پخته میشود تا مواد نگهدارنده الیاف حل شوند؛ در روش نیمهشیمیایی، ترکیبی از پخت شیمیایی (برای نرم کردن الیاف) و خردکردن مکانیکی بهکار میرود. تحقیقات نشان دادهاند اجزایی از چوب که در فرآیند شیمیایی حذف میشوند، در تخریب سیمان و بتن حاوی الیاف طبیعی خام نقش دارند؛ به همین دلیل، پالپهای شیمیایی (کرفت) برای تقویت سیمان مناسبترند.
یک قطعه چوب سالم میتواند مقاومت کششی حدود ۶۹ مگاپاسکال داشته باشد، در حالی که الیاف منفرد چوب استحکامی تا ۶۹۰ مگاپاسکال و سلولز، ترکیب اصلی الیاف طبیعی، مقاومتی در حدود ۶۴۰۰ مگاپاسکال دارد. چوبهای نرم، منبع الیاف بلند (۲ تا ۷ میلیمتر) با عرض ۱۵ تا ۸۰ میکرون هستند؛ در حالیکه چوبهای سخت الیافی کوتاهتر و باریکتر تولید میکنند (حدود یکسوم تا نصف طول و عرض الیاف چوب نرم). حتی در یک گونه درخت نیز، مقاومت الیاف میتواند بهطور قابلتوجهی متفاوت باشد. شکل زیر به طور مختصر ساختار چوب را نشان میدهد.
انواع مخلوط الیاف طبیعی
دو روش مخلوطکردن و اجرا برای بتنهای مسلح به الیاف طبیعی وجود دارد: ۱ – مخلوط مرطوب ۲ – مخلوط فشرده خشک.
در مخلوط مرطوب، از حجم کمی از الیاف استفاده میشود. مقدار آب اضافهشده به مخلوط باید با در نظر گرفتن مقدار زیاد آب طبیعی در الیاف طبیعی تعیین شود. روش مخلوطکردن باید مطابق با فرآیند ASTM C 94 و بخشهایی از توصیههای ACI 304 باشد. انجام آزمایشهای اولیه توصیه میشود و نیاز به یک ایستگاه مخلوطکردن است. روش مخلوطکردن پیشنهادی این است که ابتدا سیمان همراه با آب و افزودنیها برای تشکیل یک دوغاب اضافه شوند. سپس مصالح ریزدانه اضافه میشود. در نهایت الیاف اضافه شده و در دوغاب پخش میشود.
مخلوط فشرده خشک عموماً برای پروژههای صنعتی یا نیمهصنعتی استفاده میشود. در این نوع مخلوط، حجم الیاف استفادهشده تقریباً ۱۰ برابر حجم استفادهشده در مخلوط مرطوب است. روش مخلوطکردن پیشنهادی این است که الیاف در وضعیت اشباع با سطح خشک به سیمان و مصالح ریزدانه اضافه شوند و سپس مقدار بسیار کمی آب اضافه گردد. مخلوطکردن میتواند به صورت دستی انجام شود، هرچند که لازم است تا مطابق با ASTM C 94 انجام میشود. نمونههای مخلوط خشک ریخته شده و پس از آن اعمال فشار صورت میگیرد، زیرا مقدار بسیار کم یا هیچ آبی به مخلوط اضافه نمیشود.
مشخصات مقاومتی بتن مسلح به الیاف طبیعی
ویژگیهای مکانیکی و دوام بتن مسلح به الیاف طبیعی به شدت وابسته به نوع الیاف، درصد مصرف و نحوه پیوند الیاف با خمیر سیمان است. از نظر مکانیکی، الیاف طبیعی معمولاً تأثیر چندانی بر مقاومت فشاری ندارند و در بسیاری موارد حتی باعث کاهش جزئی آن میشوند.
در مقابل، بزرگترین مزیت آنها افزایش مقاومت کششی و خمشی پس از ترک و ارتقای شکلپذیری است؛ بهویژه به دلیل پدیده پلزنی ترکها که مانع گسیختگی ناگهانی بتن میشود. مدول الاستیسیته تغییر محسوسی نمیکند، اما چقرمگی و ظرفیت جذب انرژی بتن به طور چشمگیری افزایش مییابد و شکست بتن از حالت ترد به حالت تدریجی و مقاومتر تبدیل میشود.
مشخصات دوامی بتن مسلح به الیاف طبیعی
از نظر دوام، الیاف طبیعی ماهیتی آبدوست دارند و معمولاً جذب آب و نفوذپذیری بتن را افزایش میدهند، مگر آن که با روشهای شیمیایی یا پوششهای مقاوم اصلاح شوند. در برابر چرخههای یخزدن و آبشدن، وجود مقدار مناسب الیاف میتواند دوام بتن را بهبود بخشد. با این حال، الیاف گیاهی در محیطهای مرطوب یا قلیایی، مستعد تخریب زیستی و شیمیایی هستند و نیازمند تمهیداتی مانند استفاده از پوزولانها یا بهبودهای سطحیاند. همچنین، در دماهای بیشتر از حدود 200 تا 300 درجه سلسیوس مقاومت خود را از دست میدهند و در برابر اشعه فرابنفش نیز آسیبپذیرند مگر آن که درون بتن مدفون یا با روکش محافظ پوشانده شوند.
جمعبندی و نتیجهگیری
با وجود این چالشها، بتن الیاف طبیعی در بسیاری کاربردهای سبک و غیرسازهای نظیر دالهای کمبار، قطعات پیشساخته سبک، پانلهای فایبرسمنت، روسازیهای کمترافیک، و پروژههای ساختوساز پایدار و روستایی میتواند جایگزینی مناسب و کمهزینه باشد. همچنین، در شرایط اضطراری و موقت به دلیل در دسترس بودن و قیمت پایین الیاف طبیعی، این نوع بتن گزینهای ارزشمند محسوب میشود. در جمعبندی، اگرچه الیاف طبیعی به اندازه الیاف فولادی یا مصنوعی عملکرد مکانیکی و دوام بلندمدت ندارند، اما میتوانند با بهبود شکلپذیری، افزایش انرژی شکست و مزایای زیستمحیطی، بخشی از نیازهای ساختوساز پایدار را تأمین کنند. موفقیت گسترده این مصالح منوط به توسعه روشهای بهبود دوام و استانداردسازی در سطح صنعتی است.