الیاف مصنوعی محصول صنایع پتروشیمی و نساجی هستند و در بتن به‌عنوان تقویت‌کننده استفاده می‌شوند. بتن مسلح به الیاف مصنوعی (SNFRC- Synthetic Fiber Reinforced Concrete) شامل الیافی از جنس پلیمرهای آلی مانند آکریلیک، آرامید، کربن، نایلون، پلی‌استر، پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن است. برخی از این الیاف تنها در حد تحقیق بررسی شده‌اند و برخی دیگر به‌طور تجاری به کار رفته‌اند. الیاف مصنوعی با توزیع سه‌بعدی در مخلوط بتن، نقش شبکه‌ای چندجهته را ایفا کرده و از ایجاد و گسترش ترک‌ها جلوگیری کرده و در سنین اولیه جمع‌شدگی پلاستیک را کاهش می‌دهند. در درازمدت نیز با محدودکردن عرض و تعداد ترک‌ها، دوام بتن را افزایش می‌دهند. همچنین این الیاف برخلاف فولاد دچار خوردگی نمی‌شوند.
انواع الیاف مصنوعی مورد استفاده در بتن‌های مسلح به الیاف
- الیاف پلی‌پروپیلن (PP): پرکاربردترین نوع الیاف مصنوعی در بتن است. این الیاف از جنس پلیمر پلی‌پروپیلن بوده و به دلیل قیمت پایین، دسترسی آسان و پایداری شیمیایی در محیط قلیایی بتن بسیار مورد توجه هستند. الیاف PP معمولاً به دو صورت الیاف بسیار ریز (میکرو) و درشت (ماکرو) تولید می‌شوند.
مقاومت کششی الیاف PP بین حدود ۶۰ تا ۷۰۰ مگاپاسکال و مدول الاستیسیته آن‌ها حدود 5/1 تا ۱۰ گیگاپاسکال است؛ بنابراین، نسبت به الیاف دیگر مانند فولاد یا شیشه مقاومت و سختی کمتری دارند. به‌طورکلی، پلی‌پروپیلن به عنوان یک الیاف همه‌منظوره، ارزان‌قیمت و مؤثر در کنترل ترک‌های بتن شناخته می‌شود و تقریباً تمامی تولیدکنندگان الیاف آن را عرضه می‌کنند.
- الیاف پلی‌اتیلن (PE): پلی‌اتیلن یکی دیگر از پلیمرهای متداول برای ساخت الیاف است. الیاف PE معمولی از نظر مقاومت و سختی نزدیک به PP و PO (پلی‌اولفین) هستند و در گذشته عمدتاً مدول و مقاومت کمی داشتند. اما با توسعه پلی‌اتیلن با وزن مولکولی فوق‌العاده بالا، الیاف پلی‌اتیلنی تولید شده‌اند که استحکام و صلبیت بسیار زیادی دارند. به این نوع، الیاف پلی‌اتیلن پرمقاومت گفته می‌شود. مقاومت کششی الیاف می‌تواند تا حدود ۳۰۰۰ مگاپاسکال باشد و مدول آن‌ها نیز حتی از سایر الیاف پلیمری بیشتر است. البته لازم به ذکر است که این محصولات بسیار گران‌قیمت‌اند و کاربردشان محدود به مصارف خاص مهندسی است.
در مقابل، الیاف PE بازیافتی از پلاستیک‌های ضایعاتی (مانند بطری‌ها) نیز برای بتن به کار رفته‌اند؛ اگرچه مقاومت و مدول نسبتاً کمتری دارند اما از نظر زیست‌محیطی و اقتصادی گزینه‌های جذابی هستند. پلی‌اتیلن نیز مانند PP در برابر محیط قلیایی بتن پایدار و خنثی است و آب یا مواد شیمیایی را جذب نمی‌کند.
- الیاف نایلون (پلی‌آمید): نایلون (polyamide) نخستین الیاف مصنوعی ساخته‌شده به دست بشر است که در بتن نیز کاربرد دارد. مقاومت کششی الیاف نایلون حدود ۳۰۰ تا ۹۵۰ مگاپاسکال و مدول الاستیسیته حدود ۳ تا ۵ گیگاپاسکال است که از این نظر در رده مشابه با PP قرار می‌گیرند. وجه تمایز نایلون جذب آب جزئی آن است
حضور آب می‌تواند باعث تورم جزئی الیاف نایلون در بتن شود و همین تورم در حین تماس با خمیر سیمان، اتصال فیزیکی را افزایش می‌دهد. به بیان دیگر، الیاف نایلون برخلاف PP کاملاً آب‌گریز نیست و این ویژگی سبب گیرش بهتر آن در بتن می‌شود. البته به علت قیمت بیشتر نایلون نسبت به پلی‌پروپیلن، کاربرد آن کمتر رایج بوده و بیشتر در پروژه‌های خاص یا پژوهش‌ها استفاده شده است.
- الیاف پلی‌وینیل الکل (PVA): الیاف PVA از جنس پلیمر Polyvinyl Alcohol هستند و به علت مقاومت نسبتاً زیاد و پیوند شیمیایی با ماتریس سیمانی شناخته می‌شوند. مقاومت کششی این الیاف معمولاً بین ۸۵۰ تا ۱۶۰۰ مگاپاسکال و مدول الاستیسیته آن‌ها حدود ۲۵ تا ۴۰ گیگاپاسکال است که به مراتب بیشتر از PP و نایلون است. نقطه ضعف PVA قیمت بیشتر و دسترسی محدودتر آن است که باعث شده بیشتر در پروژه‌های خاص یا محصولات پیش‌ساخته تخصصی (مثلاً صفحه‌های مقاوم جایگزین پنبه‌نسوز) استفاده شود.
- الیاف پلی‌استر (PET): منظور از پلی‌استر در بتن معمولاً الیاف تهیه‌شده از پلی‌اتیلن‌تری‌فتالات (PET) است که ماده اولیه بطری‌های پلاستیکی است. این الیاف چه به صورت صنعتی و چه بازیافتی در بتن به کار رفته‌اند. مقاومت کششی الیاف PET در محدوده ۲۵۰ تا ۱۰۰۰ مگاپاسکال و مدول آن‌ها حدود ۱۰ تا ۲۰ گیگاپاسکال است که نسبت به سایر الیاف مصنوعی مقدار متوسطی محسوب می‌شود. مزیت مهم PET امکان تولید از مواد دور ریختنی است که آن را گزینه‌ای سازگار با محیط‌زیست می‌سازد. از معایب این نوع الیاف میتوان به عمر پایین اشاره کرد. به همین دلیل، کاربرد الیاف پلی‌استر بیشتر در مصارفی است که عمر طرح پایین‌تر یا حساسیت کمتری به کاهش مقاومت درازمدت دارند
روش‌های طراحی
روش‌های طراحی اختصاصی برای مصرف کم‌حجم الیاف مصنوعی هنوز تدوین نشده است؛ بسته به کاربرد مورد نظر، تولیدکنندگان مختلف ممکن است مقدار حجمی و هندسه الیاف متفاوتی را پیشنهاد کنند. لازم به ذکر است که معیارهای پذیرش در ASTM C1116 آمده است. نتایج آزمون‌های فشار، کشش و خمش نشان می‌دهد در مقدارهای مصرف کم (0/1 تا 0/2 درصد حجمی) بهبود معنی‌داری در این مقاومت‌ها رخ نمی‌دهد. بااین‌حال، در سنین اولیه، زمانی که ماتریس ضعیف و شکننده است، الیاف مصنوعی مؤثرند.
در بتن بالغ، بهبود سختی تابع مقدار حجمی الیاف و دوام الیاف در ماتریس است. برای برخی الیاف، بهبود سختی و کنترل ترک نشان داده شده است. پیوند الیاف مصنوعی (نایلون، پلی‌استر، پلی‌پروپیلن) در بتن عمدتاً مکانیکی است و پیوند شیمیایی ندارد. مدول الاستیسیته و ضریب پواسون الیاف/ماتریس، همچنین هندسه و تک‌رشته‌ای یا رشته‌وار بودن، بر رفتار پیوند اثر می‌گذارند. آزمون‌هایی مانند ضربه با وزنه سقوطی و شاخص سختی توان پیوند انواع الیاف را می‌سنجند و اثر حجم، آرایش و طول الیاف را نیز آشکار می‌کنند.
انتخاب نوع الیاف و انواع آزمون‌ها
برای انتخاب نوع الیاف انجام آزمون‌های خمش، چقرمگی و… ضروری است. بنابراین، عملکرد بتن مسلح به الیاف را میتوان در سه مرحله یا فاز رفتاری بررسی کرد؛ الیاف مصنوعی در هر یک از این مراحل نقش‌های متفاوتی ایفا می‌کنند:
- مرحله پیش از ترک‌خوردن: در آغاز بارگذاری، ماتریس یکپارچه است و ترک قابل‌مشاهده‌ای وجود ندارد. الیاف می‌کوشند با ماتریس هم‌تغییرشکل شوند و تنش را تقسیم کنند. الیاف مدول با مدول زیاد (مانند PVA، آرامید و کربن) بخشی از تنش کششی را پیش از گسیختگی ماتریس حمل کرده و تنش ترک‌خوردگی نخستین را افزایش می‌دهند یا به تعویق می‌اندازند؛ ازاین‌رو بتن حاوی PVA در لحظه نخستین ترک، تنش بیشتری نسبت به بتن بدون الیاف یا با PP تحمل می‌کند. الیاف با مدول کم (مثل PP و PE) عمدتاً همراه ماتریس کشیده می‌شوند و جذب نیروی چشمگیری ندارند، پس اثر اندکی بر مقاومت کششی اولیه دارند؛ با این‌همه، همین الیاف نرم ریزترک‌های اولیه ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک و تنش حرارتی را مهار می‌کنند. مثلاً میکروالیاف‌های PP ترک‌های مویین ساعات ابتدایی گیرش را کاهش می‌دهند.
- کنترل ریزترک‌ها و عرض ترک: با افزایش بار، ریزترک‌ها در خمیر سیمان پدید می‌آیند. در این مرحله تمام انواع الیاف مانند پل‌های میکروسکوپی بین لبه‌های ترک عمل کرده و از گشایش و هم‌پیوستن آن‌ها می‌کاهند. تعداد زیاد میکروالیاف سبب می‌شود هر ریزترک خیلی زود به الیاف برخورد و متوقف شود. آزمایش‌ها نشان داده‌اند افزودن حتی 5/0 درصد حجمی الیاف PP عرض ترک‌های خمشی را به‌طور چشمگیری کاهش و توزیع ترک را یکنواخت‌تر می‌کند. به‌دلیل چسبندگی بالاتر، الیاف PVA در مهار رشد ترک‌های اولیه مؤثرترند. نتیجه آن‌که مسیر رشد از ریزترک تا ترک بزرگ طولانی‌تر و تدریجی‌تر می‌شود، شکست نهایی به تعویق می‌افتد و مخلوط کرنش و انرژی بیشتری را تحمل می‌کند.
- رفتار پس از ترک و پل‌زنی ترک: پس از تشکیل ترک‌های عمده و عبور از نقطه اوج بار در کشش یا خمش، بتن بدون الیاف تقریباً ظرفیت کششی ندارد؛ اما در بتن الیافی، مکانیزم پل‌زنی ترک فعال است و بار کششی توسط الیاف در دو سوی ترک حمل می‌شود. منحنی تنش-کرنش وارد شاخه‌ای نزولی ملایم یا تقریباً افقی می‌شود که بیان‌گر چقرمگی و ظرفیت جذب انرژی است. اندازه مقاومت پس از ترک تابع نوع و حجم الیاف مصنوعی است: برای الیاف با مدول کم ممکن است به نزدیک صفر برسد، ولی برای ماکروالیاف‌های مصنوعی یا PVA پرمقاومت مقدار قابل‌ملاحظه دارد. به‌عنوان مثال، 1 درصد حجمی ماکروالیاف مصنوعی می‌تواند مقاومت پس از ترک هم‌تراز الیاف فولادی با حجم مشابه ایجاد کند و نمودار بار-تغییرمکان خمشی پس از ترک را تقریباً مسطح سازد (رفتار شبه‌پلاستیک). هرچه مقاومت کششی و چسبندگی الیاف بیشتر باشد، تنش پس از ترک بیشتری تحمل می‌شود؛ الیاف PVA به‌سبب مدول و چسبندگی زیاد سهم بالایی در ظرفیت خمشی پس از ترک دارند، در حالی‌که الیاف PP عمدتاً از رهاشدگی ترک جلوگیری می‌کند و بار قابل‌توجهی حمل نمی‌نماید.
جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
برای بهره‌گیری مؤثر از الیاف مصنوعی در بتن، رعایت اصول انتخاب، مقدار مصرف، مخلوط‌کردن و اجرا ضروری است. بهتر است برای این مسئله با یک متخصص مشورت‌های لازم صورت پذیرد. به طور مثال هر کدام از شرایط زیر نیاز به نوع خاصی از الیاف دارد.
- کنترل ترک‌های پلاستیک و حرارتی و افزایش یکپارچگی بتن
- افزایش چقرمگی و مقاومت پس از ترک
- جایگزین بخشی از مش فولادی یا میلگردهای حرارتی
بتن الیافی مشابه بتن معمولی اجرا می‌شود، با این تفاوت که ممکن است اسلامپ کاهش یابد و نیاز به فوق‌روان‌کننده وجود داشته باشد. تراکم با ویبراتور مشکل خاصی ندارد. میکروالیاف‌ها معمولاً در بتن مدفون می‌شوند؛ ولی در ماکروالیاف‌ها ممکن است تعدادی اندک در سطح دیده شود که با پرداخت نهایی یا در گذر زمان برطرف می‌گردد. بتن الیاف‌دار را میتوان مشروط بر انتخاب لوله مناسب برای جلوگیری از گیرکردن الیاف بلند پمپ کرد.