بتن مسلح‌شده با الیاف فولادی (SFRC- Steel Fiber Reinforced Concrete) نوعی بتن است که از سیمان‌های هیدرولیکی، به همراه مصالح ریزدانه یا ترکیبی از ریزدانه، درشت‌دانه، الیاف فولادی گسسته و ناپیوسته تشکیل می‌شود. در این بتن، الیاف فولادی به شکل تصادفی در حجم بتن پخش می‌گردند و به صورت سه‌بعدی و ایزوتروپ در ماتریس بتن عمل می‌کنند. حضور این الیاف باعث انتقال تنش و محدودکردن گسترش ترک‌ها در بتن می‌شود، به طوری که عرض ترک‌های ایجاد شده به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد.
به دلیل همین کنترل ترک و بهبود مقاومت پس از ترک‌خوردگی، بتن الیاف فولادی برای بهبود شکل‌پذیری، مقاومت ضربه‌ای و دوام بتن در کاربردهای گوناگون (از دال‌های صنعتی گرفته تا پوشش تونل‌ها و سازه‌های مقاوم در برابر زلزله) مورد توجه ویژه قرار گرفته است. در حالت کششی، بتن مسلح‌شده با الیاف فولادی تنها زمانی دچار شکست می‌شود که یا الیاف فولادی بشکنند یا از ماتریس سیمانی بیرون کشیده شوند. شکل زیر سطح شکست نمونه‌ای از بتن مسلح‌شده با الیاف فولادی را نشان می‌دهد.
الیاف فولادی مورد استفاده برای مسلح‌سازی بتن، به صورت قطعات کوتاه و گسسته‌ای از فولاد تعریف می‌شوند که نسبت طول به قطر آنها در حدود ۲۰ تا ۱۰۰ است. این الیاف می‌توانند دارای مقاطع مختلفی باشند و اندازه آنها به‌گونه‌ای است که با استفاده از روش‌های متداول مخلوط‌کردن، به‌طور یکنواخت در مخلوط بتن تازه توزیع می‌شوند. ASTM A820، الیاف فولادی را بر اساس روش تولید، به چهار نوع کلی تقسیم‌بندی می‌کند:
- نوع I: سیم سردکشیده شده (Cold-drawn wire): الیاف تولیدشده از سیم سردکشیده متداول‌ترین نوع در بازار هستند. این الیاف معمولاً به قطر 25/0 تا ۱ میلی‌متر و طولی در حدود ۲۵ تا ۶۰ میلی‌متر ساخته می‌شوند و می‌توانند به صورت صاف یا با تغییر شکل در سطح یا انتها (مانند قلاب‌دار) عرضه شوند. مقاومت کششی این الیاف بالاست (بیش از ۱۰۰۰ مگاپاسکال در بسیاری موارد) و بیشترین تأثیر را در افزایش مقاومت خمشی و ظرفیت باربری پس از ترک دارند (شکل 1- 11 الف/ب).
- نوع II: ورق‌های برش‌خورده (Cut sheet): این نوع الیاف با برش نوارهای فولادی نازک تولید می‌شوند. مقطع آنها معمولاً تخت و مستطیلی است و ضخامت 15/0 تا 64/0 میلی‌متر و عرض 25/0 تا ۲ میلی‌متر دارند. مقاومت کششی آنها به اندازه نوع I نیست، اما در کنترل ترک‌های جمع‌شدگی و حرارتی مؤثر هستند (شکل 1- 11 ج/د).
- نوعIII : الیاف استخراج‌شده از ذوب (Melt-extracted): در این روش، فولاد مذاب روی سطحی دوار ریخته می‌شود و در اثر سرد شدن سریع به الیاف بسیار نازک با سطح ناهموار تبدیل می‌گردد. این الیاف سطح زبری بالایی دارند و در برابر دماهای بالا و محیط‌های خورنده مقاوم‌ترند. بنابراین، بیشتر در بتن‌های نسوز و مقاوم در برابر حرارت به کار می‌روند.
- نوع IV: سایر انواع الیاف (Other fibers): شامل الیاف حاصل از تراشکاری (براده‌ها و تراشه‌های فولادی با سطح زبر و مقطع هلالی – شکل 1- 11 هـ)، الیاف دسته‌بندی‌شده با چسب موقت برای سهولت حمل، مخلوط‌کردن و الیاف با سطح تغییرشکل‌یافته (مثل الیاف آجدار یا مارپیچی). هرکدام از این‌ها ویژگی‌های خاص خود را دارند و معمولاً در کاربردهای خاص یا به‌صورت ترکیبی با سایر الیاف استفاده می‌شوند.
این درحالی است که انجمن مهندسان عمران ژاپن (JSCE)، الیاف فولادی را بر اساس شکل مقطع عرضی به سه دسته؛ نوع (1) مقطع مربع‌شکل، نوع (2) مقطع دایره‌ای و نوع (3) مقطع هلالی طبقه‌بندی کرده است.
شکل سطحی و نوع تغییر شکل
یکی از معیارهای طبقه‌بندی الیاف فولادی، شکل سطحی و نوع تغییر شکل در انتهای آنها است. شکل هندسی الیاف فولادی تأثیر زیادی بر اتصال الیاف به ماتریس سیمانی و نحوه عملکرد آنها در مهار ترک دارد. مهم‌ترین آنها عبارت‌اند از:
- الیاف صاف (Straight): این الیاف به صورت مفتول‌های مستقیم و بدون هیچ تغییر شکل در طول یا انتها هستند. سطح آنها معمولاً صاف و بدون برجستگی است. الیاف صاف به دلیل نداشتن مهار مکانیکی در انتها، اتصال خود به بتن را صرفاً از طریق اصطکاک و چسبندگی شیمیایی تأمین می‌کنند. در نتیجه، مقاومت کششی قابل ملاحظه‌ای دارند اما در برابر بیرون‌کشیدگی از بتن مقاومت کمتری نسبت به انواع دارای قلاب یا تغییرشکل دارند. از این الیاف گاهی برای کنترل ترک‌های اولیه (مانند ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک) یا در ترکیب با الیاف‌های دیگر استفاده می‌شود.
- الیاف قلاب‌دار (Hooked-End): این الیاف در انتهای خود دارای خمیدگی به شکل قلاب یا چنگک هستند. وجود قلاب در دو سر الیاف باعث ایجاد نوعی مهار مکانیکی در داخل بتن می‌شود که در هنگام تلاش الیاف برای خروج از ماتریس، درگیری مکانیکی قابل توجهی با بتن ایجاد می‌کند. بنابراین، الیاف قلاب‌دار ظرفیت مهار ترک و انرژی جذب‌شده زیادی را پس از ترک‌خوردگی فراهم می‌کنند. مطالعات نشان داده‌اند که به دلیل همین گیرکردن مکانیکی، الیاف قلاب‌دار عملکرد بهتری نسبت به الیاف ساده یا موج‌دار در افزایش ماومت باقیمانده و جذب انرژی شکست بتن دارند. این نوع الیاف بسیار پرکاربرد بوده و نوع رایج در پروژه‌های سازه‌ای (مانند دال‌ها، تیرها و قطعات پیش‌ساخته) محسوب می‌شود.
- الیاف موج‌دار یا چین‌دار (Crimped/Wavy): این دسته از الیاف در طول خود دارای اعوجاج‌ها یا انحناهای منظم به صورت موج یا طرح زیگزاگی هستند. انحنای طولی الیاف موجب افزایش اصطکاک مکانیکی بین الیاف و بتن می‌شود و عملکردی شبیه میلگرد آجدار (در مقابل میلگرد صاف) ایجاد می‌کند. هرچند گیرایی الیاف موج‌دار معمولاً به اندازه قلاب انتهایی مؤثر نیست، اما نسبت به الیاف کاملاً صاف، مقاومت به کشیده‌شدن بهتری فراهم می‌کنند و می‌توانند در کنترل ترک‌های بتن مؤثر باشند. این الیاف به ویژه برای کنترل ترک‌های حرارتی و جمع‌شدگی در اجزایی مثل روسازی‌ها یا پانل‌های بتنی استفاده شده‌اند.
- الیاف تابیده (Twisted): الیاف تابیده دارای سطح مقطع یا شکل پیچ‌خورده حول محور طولی خود هستند (شکل مارپیچی یا پیچ مانند). این پیچش در هندسه الیاف باعث می‌شود زمانی که الیاف از داخل ترک بیرون کشیده می‌شوند، نوعی روش عملکرد “پیچ و مهره” ایجاد شود که مقاومت در برابر بیرون‌کشیدگی را افزایش می‌دهد. به عبارتی، سطح تماس مؤثر و درگیری مکانیکی الیاف تابیده با بتن بیشتر بوده و برای خارج شدن، باید بازتابیده شوند که انرژی زیادی مصرف می‌کند. الیاف تابیده در بهبود مقاومت خمشی و کششی بعد از ترک‌خوردن بتن بسیار مؤثر گزارش شده‌اند و می‌توانند عملکردی همتراز یا حتی بهتر از الیاف قلاب‌دار فراهم کنند، به‌ویژه در بتن‌های توانمند و فوق توانمند.
- الیاف با سطح زبر یا تغییر شکل سطحی: دسته‌ای از الیاف نیز هستند که با روش‌های مختلف دارای سطحی زبر، آجدار یا شاخه‌شاخه هستند. برای مثال، برخی الیاف از جنس ضدزنگ که با روش استخراج مذاب تولید می‌شوند، سطحی ناهموار و مقطع نامنظم دارند. همچنین، برخی الیاف ممکن است دارای برجستگی‌ها یا عاج‌های سطحی ریز باشند. زبری سطح الیاف باعث افزایش اصطکاک و چسبندگی بین فولاد و خمیر سیمان می‌شود و نیروی بیشتری برای جدا شدن الیاف از بتن نیاز است. بنابراین، چنین الیافی می‌توانند بهبود در طاقت بتن را سبب شوند. با این حال، دستیابی به سطح بسیار زبر معمولاً به روش تولید بستگی دارد (مثلاً الیاف حاصل از مذاب فولاد یا الیاف حاصل از تراشه‌های فولادی معمولاً سطح زبر دارند).
به‌طورکلی، هرچه روش‌های گیرایی مکانیکی الیاف در بتن بیشتر باشد (نظیر قلاب انتهایی، پیچ‌خوردگی یا موج‌دار بودن)، انرژی مصرفی برای بیرون‌کشیدگی الیاف افزایش یافته و عملکرد الیاف در کنترل ترک و افزایش چقرمگی بتن بهتر خواهد بود. در مقابل، الیاف صاف با این که مقاومت کششی ذاتی زیادی دارند، اما به‌دلیل عدم وجود قفل و بست مکانیکی، در زمان ترک‌خوردن بتن زودتر از ماتریس خارج می‌شوند و سهم کمتری در ظرفیت پس از تنش نهایی بتن ایفا می‌کنند.
اهمیت نسبت طول به قطر
نسبت منظر یا نسبت طول به قطر (L/D) یکی از مهم‌ترین مشخصات هندسی الیاف است که نقش بسزایی در عملکرد آنها در بتن دارد. منظور از نسبت منظر، نسبت طول الیاف (L) به قطر معادل مقطع آن (D) است. معمولاً الیاف فولادی تجاری دارای طولی بین ۶ تا ۶۰ میلی‌متر و قطر (یا ضخامت) بین حدود 2/0 تا ۱ میلی‌متر هستند. برای مثال، الیافی با قطر 5/0 میلی‌متر و طول ۳۰ میلی‌متر نسبت منظر ۶۰ دارند؛ یا الیاف بسیار ریز با قطر 2/0 میلی‌متر و طول ۱۳ میلی‌متر در بتن‌های فوق توانمند مورد استفاده قرار می‌گیرند که نسبت منظر حدود ۶۵ دارند. به‌طورکلی، بر اساس ابعاد هندسی می‌توان الیاف فولادی را به دو زیر گروه کلی تقسیم می‌شوند و مقایسه آنها در ادامه متن قرار گرفته است:
- الیاف کوتاه (ریز) با نسبت منظر کم: این دسته معمولاً شامل الیاف با طول کمتر از ۲۰ میلی‌متر و نسبت منظر پایین‌تر (حدود ۳۰ تا ۵۰) است. این الیاف به علت کوتاه بودن، کارایی مخلوط‌کردن بهتری دارند و خطر گیرکردن یا گلوله‌شدن آنها در بتن کم است. هرچند به دلیل طول کم، توانایی پل زدن ترک‌های عریض را ندارند، اما می‌توانند تعداد زیادی ترک‌های ریز و مویین را مهار کرده و از گسترش آنها جلوگیری کنند. از الیاف کوتاه و ریز بیشتر در بتن‌های خاص (مثل بتن فوق توانمند) یا برای کنترل ترک‌های پلاستیک و حرارتی در سنین اولیه بتن استفاده می‌شود. برای نمونه، در بتن‌های فوق توانمند اغلب از میکروالیاف فولادی به طول حدود ۱۳ میلی‌متر و قطر 2/0 میلی‌متر استفاده می‌گردد.
- الیاف بلند (درشت) با نسبت منظر زیاد: این گروه الیاف‌هایی را شامل می‌شود که طول آنها معمولاً ۳۰ میلی‌متر یا بیشتر بوده و نسبت منظر زیادی (اغلب بین ۵۰ تا ۱۰۰ و بالاتر) دارند. هرچه الیاف بلندتر و نازک‌تر باشد (L/D بزرگتر)، در صورت پراکندگی مناسب می‌تواند ترک‌های بازتر و بزرگ‌تری را پل بزند و انرژی بیشتری را پس از ترک‌خوردگی بتن جذب کند. بنابراین، الیاف با نسبت منظر زیاد معمولاً تأثیر بیشتری در افزایش مقاومت پس از ترک‌خوردگی و طاقت بتن دارند. به‌عنوان مثال، الیاف قلاب‌دار متداول اغلب دارای طول ۳۰ تا ۵۰ میلی‌متر و نسبت منظر ۵۰ تا ۸۰ هستند که برای بهبود مقاومت خمشی و برشی بتن بسیار مؤثرند. البته باید توجه داشت که افزایش بیش از حد طول الیاف می‌تواند مشکلاتی در مخلوط‌کردن و کارایی بتن ایجاد کند (مثلاً تمایل به درهم‌تنیدگی الیاف و تشکیل گلوله). از این رو، یک حد بهینه برای طول و نسبت منظر بسته به طرح مخلوط بتن وجود دارد که در آن همزمان هم‌پوشانی عملکردی و سهولت اجرای بتن تأمین شود.
طراحی مخلوط بتن مسلح به الیاف فولادی
در موضوع طراحی مخلوط بتن مسلح به الیاف فولادی در مقایسه با بتن معمولی، برخی مخلوط‌های حاوی الیاف فولادی دارای مقدار بیشتر سیمان، مقدار بیشتر مصالح ریزدانه هستند که به ازای افزایش الیاف در مخلوط، کاهش اسلامپ مخلوط مشاهده می‌شود. بنابراین، میزان جایگزینی آرماتور فولادی با ماکروالیاف دارای محدودیت است. در صورت امکان، این مشکل می‌تواند با اصلاح طرح مخلوط بتن و استفاده از افزودنی‌های کاهنده آب برطرف شود. هرگز نباید از آب اضافی (بیش از مقدار طرح محلوط) برای افزایش کارایی استفاده کرد. افزودنی‌های رایج و پوزولان‌ها به‌طور گسترده در مخلوط‌های بتن مسلح‌شده با الیاف فولادی به منظور هوازایی، کاهش آب، بهبود کارایی و کنترل جمع‌شدگی مورد استفاده قرار می‌گیرند. تجربیات نشان داده‌اند که اگر منحنی دانه‌بندی ترکیبی مصالح ریز و درشت رعایت شود، احتمال گلوله شدن الیاف کاهش یافته و کارایی مخلوط بهبود می‌یابد. از سوی دیگر، می‌توان از مخلوط‌های تجربی برای ساخت مخلوط آزمایشی استفاده کرد. پس از انتخاب مخلوط نهایی، توصیه می‌شود پیش از آغاز عملیات اجرایی، یک تولید کامل در شرایط کارگاهی و با استفاده از تجهیزات مخلوط‌کن موردنظر پروژه آماده‌سازی شود. همچنین، توصیه‌هایی درباره ساخت مخلوط‌های آزمایشی و حداکثر میزان الیاف برای حفظ کارایی مناسب از سوی تولیدکنندگان الیاف فولادی ارائه می‌شود.
ترکیب شیمیایی الیاف فولادی
ترکیب شیمیایی الیاف فولادی معمولاً شامل فولاد کربنی (یا فولاد کم‌کربن، گاهی همراه با عناصر آلیاژی) یا فولاد ضد زنگ (Stainless steel) است. البته، لازم به ذکر است که بسته به نوع کاربرد، ممکن است ترکیب‌های متفاوتی از الیاف مورد نیاز باشد. در محیط‌های خاص، به‌ویژه در بتن‌های نسوز یا بتن‌هایی که در معرض عوامل خورنده قرار دارند، استفاده از فولاد ضدزنگ ضروری است. انواع مختلف فولاد ضدزنگ در برابر دماهای بالا و محیط‌های خورنده رفتار متفاوتی دارند و انتخاب آنها باید با توجه به شرایط پروژه صورت گیرد. ماتریس سیمانی قلیایی به طور طبیعی لایه‌ای محافظ روی فولاد ایجاد می‌کند و اغلب مانع خوردگی می‌شود، هرچند در بتن‌های با تخلخل زیاد یا در مجاورت سطح، خطر زنگ‌زدگی موضعی وجود دارد.
مقاومت، سختی و توانایی الیاف برای چسبندگی با بتن
این ویژگی از خواص مهم تقویت‌کنندگی الیاف هستند. چسبندگی به نسبت ابعاد الیاف بستگی دارد. نسبت‌های ابعاد معمولی از حدود ۲۰ تا ۱۰۰ متغیر است، در حالی که ابعاد طولی الیاف از 6/4 تا ۷۶ میلی‌متر متغیر است. الیاف فولادی دارای مقاومت و مدول الاستیسیته نسبتاً بالایی هستند و توسط محیط قلیایی ماتریس سیمانی از خوردگی محافظت می‌شوند و چسبندگی آنها با ماتریس می‌تواند با استفاده از مهار مکانیکی یا زبری سطح تقویت شود. بارگذاری بلندمدت تأثیری منفی بر خواص مکانیکی الیاف فولادی ندارد. در محیط‌های خاص مانند کاربردهای نسوز با دمای بالا، استفاده از الیاف فولاد ضدزنگ ممکن است ضروری باشد. انواع مختلف فولاد ضد زنگ که به صورت الیاف در دسترس هستند، در برابر قرار گرفتن در معرض دمای بالا و محیط‌های احتمالی خورنده واکنش‌های متفاوتی نشان می‌دهند. مصرف‌کننده باید تمام این عوامل را هنگام طراحی با بتن نسوز تقویت‌شده با الیاف فولادی، برای کاربردهای خاص در نظر بگیرد. ASTM A 820 حداقل مقاومت کششی و الزامات خمش برای الیاف فولادی، همچنین رواداری مربوط به طول، قطر (یا قطر معادل) و نسبت طول به قطر را تعیین می‌کند. حداقل مقاومت تسلیم کششی مورد نیاز طبقASTM A 820 ، ۳۴۵ مگاپاسکال است، در حالی‌که این مقدار در مشخصات JSCE برابر با ۵۵۲ مگاپاسکال است.