بتن مسلح به الیاف شیشه ای (GFRC)

اما این میلگردها از ایجاد ترک خوردگی‌های بتن و آسیب‌های ناشی از شرایط محیطی جلوگیری نمی‌کنند. و حتی گاهی ممکن است، به دلیل از بین رفتن روکش بتنی،  میلگردها نیز مورد حمله قرار بگیرند و دچار آسیب‌های جبران ناپذیری شوند. بدین منظور با پیشرفت دانش و آزمایش‌های متعدد، دانشمندان یافتند که  با ترکیب افزودنی‌هایی به بتن، می‌توان رفتار بتن را در کشش، در برابر خوردگی، ترک‌خوردگی، در برابر عوامل قلیایی و… تحت کنترل گرفت. یکی از این افزودنی‌ها، (الیاف چاپد شیشه) است که به صورت خرد شده یا به هر شکل دیگری با ترکیبات بتن مخلوط می‌شود. بتن مسلح شده با الیاف شیشه‌ای(الیاف GFRC)، دارای رفتاری بهتر نسبت به بتن بدون الیاف است.

الیاف شیشه (GFRC) چیست؟

الیاف یا فیبر شیشه، الیافی است که از مقاومت بالا در برابر ضربه، حرارت، سایش و خوردگی، مواد اسیدی و قلیایی و… برخوردار است. این الیاف از ذوب شیشه به همراه ترکیباتی شیمیایی و عبور آن از یک سطح پر روزنه که قطر هرکدام از آن روزنه‌ها بین 3 الی 25 میکرومتر است تشکیل می‌شود. سپس برای مقاوم‌سازی و همچنین بهبود اتصال الیاف شیشه با رزین به سطح رشته‌های الیاف، یک نوع ماده شیمیایی و روان کنده اعمال می‌شود. الیاف شیشه در انواع مختلفی در بازار ارائه می‌شود. ترکیبات شیمیایی هرکدام از این الیاف با یکدیگر متفاوت است. انواع مختلف الیاف شیشه به شرح زیر دسته بندی می‌شود:

• شیشه A: این نوع از ماده در برابر عوامل قلیایی و شیمیایی مقاوم است. این الیاف نفوذپذیری بتن را کاهش می‌دهد. از این نوع الیاف بیشتر در تجهیزات فرآیندی استفاده می‌شود.
• شیشه C: این نوع شیشه مقاومت بسیارخوبی در برابر عوامل شیمیایی دارد.
• شیشه E: این نوع از شیشه عایق برق بسیار خوبی است.
• شیشه AE: این شیشه در برابر عوامل قلیایی مقاوم است.
• شیشه S: به دلیل خواص مکانیکی خوب، بصورت سازه‌ای استفاده می‌شود .
• الیاف شیشه AR: نوعی از الیاف شیشه است که امروزه بسیار پرکاربردتر از انواع دیگر الیاف شیشه است. این نوع از الیاف به دلیل آغشته شدن با موادی شیمیایی خاصیت ضد قلیایی دارند. طبق ازمایشات صورت گرفته، پایداری الیاف شیشه ای ضدقلیا در دراز مدت یکی از مزیت‌های اصلی این نوع از الیاف محسوب می‌شوند. در واقع این نوع از الیاف نسبت به دیگر انواع الیاف شیشه، مقاوم‌تر هستند.

–  الیاف شیشه از نظر شکل ظاهری در انواع مختلفی در بازار ارائه می‌شود. زیرا رشته‌های الیاف شیشه می‌توانند با استفاده از رزین‌ها و چسب‌ها درکنارهم قرار بگیرند. بنابراین می‌توانند در انواع شکل‌ها تولید شوند. انواع الیاف شیشه از لحاظ شکل ظاهری به شرح زیراست:

 

الیاف شیشه خرده	الیاف شیشه پارچه ای
الیاف شیشه ای نواری	غلاف الیاف شیشه ای

غلاف الیاف شیشه چیست؟

خصوصیات GFRC (بتن مسلح شده با الیاف شیشه)

بتن‌های تقویت شده با الیاف شیشه دارای خصوصیاتی به شرح زیر هستند:

• کاهش جمع شدگی‌های پلاستیک
• کاهش ترک خوردگی
• مقاومت کششی بالا
• مقاومت بالا در برابر ضربه
• مقاومت بالا در برابر عوامل محیطی
• مقاومت بالا در برابر حرارت
• مدول الاستیسیته بالا
• وزن مخصوص پایین
• نسبت به دیگر الیاف کم هزینه‌تر است
• عایق الکتریکی مناسب
• مقاومت بالا در برابر رطوبت

نحوه ساخت بتن GFRC (بتن تقویت شده با الیاف شیشه)

برای ساخت بتن‌های تقویت شده با الیاف شیشه، می‌توان الیاف را به دو صورت زیر به بتن اضافه نمود:

1 . روش اختلاط از پیش: در این روش الیاف بتنی به صورت مرحله‌ای، به میکسر بتن اضافه شده و توسط آن همزده می‌شود. توجه شود که در این روش به هیچ عنوان نباید الیاف چاپد شیشه به صورت آنی به بتن اضافه شود. زیرا الیاف در بتن گوله گوله می‌شود.

2 . روش افشانه: در این روش الیاف بتن شیشه با استفاده از اسپری بر روی سطح بتن پاشیده می‌شود. در روش افشانه الیاف به طور یکنواخت در سطح بتن پخش می‌شود.

بهبود پایایی GFRC

به طور کلی بتن‌های تقویت شده توسط فیبر شیشه‌ای از ترکیب ماتریس سیمانی و الیاف شیشه تشکیل می‌شوند و در این گونه از بتن‌ها، الیاف شیشه وظیفه تامین مقاومت خمشی را بر عهده دارد و همچنین ماتریس سیمانی وظیفه انتقال آن را بر عهده دارد. برای افزایش دوام و همچنین افزایش عمر مفید بتن تقویت شده با الیاف باید ماتریس سیمانی و همچنین الیاف شیشه اصلاح شود. استانداردترین مخلوط GFRC شامل ماسه سلیس ریز، سیمان معمولی پرتلند، الیاف شیشه مقاوم در برابر قلیا (الیاف شیشه AR)، فوق روان کننده‌ها و آب هستند. همچنین برای افزایش دوام بتن تقویت شده با الیاف شیشه باید افزودنی‌های شیمیایی بتن مانند متاکائولین، میکروسیلیس، افزودنی‌های تثبیت کننده، پلیمرهای اکریلیک و پودر پلی وینیل استفاده نمود.

همانطور که بیان شد برای افزایش و بهبود پایایی GFRC، باید ماتریس سیمانی و همچنین الیاف شیشه اصلاح شود. معمولا ماتریس‌های سیمانی معمولی منجرب به تولید Ca(OH)2 می‌شوند. در واقع کلسیم هیدروکسید، منجرب به ایجاد فشار جانبی در مخلوط بتن تقویت شده توسط فیبر شیشه‌ای می‌شود که این موضوع باعث ایجاد نقص در سطح الیاف شیشه می‌شود. بدین منظور کاهش کلسیم هیدروکسید نقش به سزایی در افزایش دوام بتن خواهد داشت. بنابراین می‌توان با افزودن متاکائولین یا سولفات آلومینات‌ها، مقدار هیروکسیدکلسیم تولید شده را کاهش داد. برای اصلاح الیاف شیشه می‌توان از پلیمرها استفاده نمود. در واقع پلیمرهایی مثل اکریلیک،پلی کربوکسیلات می‌توانند در بهبود رفتار GFRC تاثیر گذار باشند. یکی از عوامل اصلی در خرابی GFRC، رشد عیوب روی سطح فیبر به دلیل رشد بلورهای پورتلاندیت است. انواع مختلفی از میکروپرکننده‌ها هستند که این فرآیند را با واکنش‌های پوزولانانیک با فاز پورتلاندیت کاهش می‌دهند. برای کاهش عیوب روی سطح الیاف شیشه می‌توان از پوشش‌های ارگانوسیلان، استایرن بوتادین و نانورس استفاده نمود.

بتن مسلح اصلاح شده با پلیمر(P-GFRC)

همانطور که در این مقاله بررسی شد، برای بهبود رفتار بتن‌های تقویت شده با الیاف شیشه به آن افزودنی‌های پلیمری اضافه می‌شود. در واقع هنگامی که الیاف به عنوان تقویت کننده به بتن اضافه می‌شود، کارایی بتن کاهش می‌یابد. بدین منظور برای استفاده از این گونه بتن‌ها باید از افزودنی‌های فوق روان کننده مثل پلیمرهای پلی کربوکسیلات استفاده نمود . همچنین مخلوط‌های تقویت شده با الیاف شیشه در اوایل از نوع الیاف شیشه E بودند که این نوع از الیاف در برابر محیط‌های قلیایی از خود رفتاری نامناسب نشان می‌دادند ( به سرعت خورده می‌شوند). علاوه بر الیاف شیشه، الیاف pp یا (پلی پروپیلن) نیز از جمله الیاف افزودنی بتن هستند که ویژگی های منحصر بفردی ارائه می‌نمایند، برای مثال خاصیت مقاومت در برابر جمع شدگی به بتن القا می‌کنند.

بدین منظور برای افزایش مقاومت و دوام بتن‌های تقویت شده با الیاف به آن‌ها پلیمر اضافه می‌نمودند. پلیمرها ذراتی ریزتر از سیمان هستند که به داخل مخلوط بتن نفوذ می‌کنند و سبب ساخت غشایی به دور هر الیاف می‌شوند. این غشاء باعث کاهش شکنندگی‌های ناشی از کلسیم هیدرات و همچنین افزایش مقاومت در برابر مواد قلیایی می‌شود. بنابراین به بتنی که برای اصلاح رفتارش و همچنین برای افزایش دوام در دراز مدت به آن پلیمرهایی اضافه می‌شوند، بتن مسلح شده با پلیمر (P-GFRC) گفته می‌شود. خوشبختانه با گذشت زمان نوعی الیاف مقاوم در برابر مواد قلیایی با نام تجاری AR به بازار ارائه شد. این نوع از مواد با یک نوع غشاء از مواد نانو در برابر موادقلیایی و همچنین آسیب‌های ناشی از کلسیم هیدرات تقویت شده است و نگرانی‌هایی مبنی بر خورده شدن الیاف در محیط‌های قلیایی تا حدودی کاهش یافته است.

روش‌های طراحی بتن تقویت شده با الیاف شیشه یا (GFRC)

طبق استاندارد ACI549.5R چندین روش برای طراحی بتن تقویت شده با الیاف شیشه (GFRC) وجود دارد. در این مقاله به روش طراحی GFRC ایالت متحده آمریکا و همچنین روش طراحی اروپا پرداخته شده است.

طراحی بتن تقویت شده با الیاف GFRC به روش ایالت متحده آمریکا : این روش از اصل تنش خمشی محدود کننده استفاده می‌کند، که بر اساس نظریه خط مستقیم تنش – کرنش است. تنش‌های ناشی از بارهای محاسبه شده در این روش نباید از مقدار زیر بیشتر باشند:

• ضریب کاهش مقاومت طبق آیین‌نامه برابر است با 0.75
• ضریب شکل برای سطوح مستطیلی برابر است با 1 و برای سطوح I شکل و جعبه‌ای برابر 0.5 است.
• مقدار نباید از مقادیر زیر کمتر لحاظ شود:
• مقاومت کششی نهایی بتن تقویت شده با الیاف شیشه (GFRC) در این روش با استفاده از اطلاعات بدست آمده از فرمول‌های بالا بدست می‌آید:
• طبق ACI به ندرت برش در طراحی اعضای تقویت شده با الیاف شیشه مورد بررسی و کنترل قرار می‌گیرد. مگر اینکه نسبت طول برش به عمق آن کمتر از 16 باشد. با این حال برش درون صفحه‌ایی باید بر اساس تنش‌های کششی مجاز ارزیابی شده بررسی شود.
• انحراف و تغییر شکل اعضا تحت بارهای سرویس باید به 240/1 طول محدود گردد.

طراحی بتن تقویت شده با الیاف GFRC به روش اروپا: به طور خلاصه می‌توان گفت که این نوع از روش طراحی تا حدودی همانند روش طراحی ایالت متحده آمریکا از حالت محدود استفاده می‌کند. در این روش برای طراحی از بارهای اعمال شده و همچنین مقاومت مصالح استفاده می‌گردد.

استاندارد بتن تقویت شده با الیاف چاپد شیشه (GFRC)

استاندارها و آیین نامه‌های زیادی برای الیاف شیشه وجود دارد. مثل ASTM-C1116 که با آزمایش‌های گوناگون رفتار بتن‌مسلح شده با الیاف GFRP را بررسی می‌کند. یا استاندارد و آیین‌نامه آمریکا (ACI) که مشخصات الیاف و بتن الیافی و نحوه طراحی این نوع از بتن‌ها را بیان کرده است. همچنین برای طراحی بتن‌های مسلح شده با الیاف مباحث مقررات ملی ساختمان و همچنین استانداردها و نشریاتی چون بتن آبا نیاز است.