بتن مسلح به الیاف فولادی (SFRC) نوع جدیدی از مواد کامپوزیتی است که می‌توان آن را با افزودن مقدار مناسبی از الیاف کوتاه فولادی به بتن معمولی ریخت و پاشید. این ماده در سال‌های اخیر در داخل و خارج از کشور به سرعت توسعه یافته است. این ماده بر کاستی‌های مقاومت کششی کم، ازدیاد طول نهایی کم و خاصیت شکنندگی بتن غلبه می‌کند. این ماده دارای خواص عالی مانند مقاومت کششی، مقاومت خمشی، مقاومت برشی، مقاومت در برابر ترک، مقاومت در برابر خستگی و چقرمگی بالا است. این ماده در مهندسی هیدرولیک، جاده و پل، ساخت و ساز و سایر زمینه‌های مهندسی کاربرد دارد.

 

.توسعه بتن مسلح به الیاف فولادی

 

بتن مسلح به الیاف (FRC) مخفف بتن مسلح به الیاف است. این بتن معمولاً یک کامپوزیت پایه سیمانی است که از خمیر سیمان، ملات یا بتن و الیاف فلزی، الیاف معدنی یا مواد تقویت‌شده با الیاف آلی تشکیل شده است. این یک مصالح ساختمانی جدید است که با پراکندگی یکنواخت الیاف کوتاه و ریز با مقاومت کششی بالا، ازدیاد طول نهایی بالا و مقاومت قلیایی بالا در ماتریس بتن تشکیل می‌شود. الیاف موجود در بتن می‌تواند ایجاد ترک‌های اولیه در بتن و گسترش بیشتر ترک‌ها تحت تأثیر نیروی خارجی را محدود کند، به طور مؤثر بر نقص‌های ذاتی مانند مقاومت کششی کم، ترک‌خوردگی آسان و مقاومت خستگی ضعیف بتن غلبه کند و عملکرد نفوذناپذیری، ضد آب بودن، مقاومت در برابر یخ‌زدگی و محافظت از آرماتور بتن را تا حد زیادی بهبود بخشد. بتن مسلح به الیاف، به ویژه بتن مسلح به الیاف فولادی، به دلیل عملکرد برتر خود، توجه روزافزونی را در محافل دانشگاهی و مهندسی در مهندسی عملی به خود جلب کرده است. در سال ۱۹۰۷، متخصص شوروی، B. P. Hekpocab، شروع به استفاده از بتن مسلح به الیاف فلزی کرد. در سال ۱۹۱۰، HF Porter گزارشی تحقیقاتی در مورد بتن مسلح به الیاف کوتاه منتشر کرد که نشان می‌داد الیاف فولادی کوتاه باید به طور یکنواخت در بتن پراکنده شوند تا مواد ماتریس تقویت شوند. در سال ۱۹۱۱، گراهام آمریکایی الیاف فولادی را به بتن معمولی اضافه کرد تا مقاومت و پایداری بتن را بهبود بخشد؛ تا دهه ۱۹۴۰، ایالات متحده، بریتانیا، فرانسه، آلمان، ژاپن و سایر کشورها تحقیقات زیادی در مورد استفاده از الیاف فولادی برای بهبود مقاومت سایشی و مقاومت ترک خوردگی بتن، فناوری ساخت بتن الیاف فولادی و بهبود شکل الیاف فولادی برای بهبود مقاومت پیوند بین الیاف و ماتریس بتن انجام داده بودند. در سال ۱۹۶۳، جی. پی. رومالدی و جی. بی. باتسون مقاله‌ای در مورد مکانیسم توسعه ترک بتن محصور شده با الیاف فولادی منتشر کردند و به این نتیجه رسیدند که مقاومت ترک بتن مسلح به الیاف فولادی با میانگین فاصله الیاف فولادی که نقش موثری در تنش کششی دارد (نظریه فاصله الیاف) تعیین می‌شود و بدین ترتیب مرحله توسعه عملی این ماده کامپوزیت جدید آغاز شد. تاکنون، با محبوبیت و کاربرد بتن مسلح به الیاف فولادی، به دلیل توزیع متفاوت الیاف در بتن، عمدتاً چهار نوع وجود دارد: بتن مسلح به الیاف فولادی، بتن مسلح به الیاف هیبریدی، بتن مسلح به الیاف فولادی لایه‌ای و بتن مسلح به الیاف هیبریدی لایه‌ای.

 

二مکانیزم تقویت بتن مسلح به الیاف فولادی

 

۱. نظریه مکانیک کامپوزیت. نظریه مکانیک کامپوزیت بر اساس نظریه کامپوزیت‌های الیاف پیوسته و ترکیب آن با ویژگی‌های توزیع الیاف فولادی در بتن است. در این نظریه، کامپوزیت‌ها به عنوان کامپوزیت‌های دو فازی در نظر گرفته می‌شوند که الیاف به عنوان یک فاز و ماتریس به عنوان فاز دیگر در نظر گرفته می‌شوند.

 

نظریه فاصله‌گذاری الیاف. نظریه فاصله‌گذاری الیاف، که به عنوان نظریه مقاومت در برابر ترک نیز شناخته می‌شود، بر اساس مکانیک شکست الاستیک خطی ارائه شده است. این نظریه معتقد است که اثر تقویت الیاف فقط به فاصله‌گذاری الیاف با توزیع یکنواخت (حداقل فاصله) مربوط می‌شود.

 

.تحلیل وضعیت توسعه بتن مسلح به الیاف فولادی

 

1.بتن مسلح به الیاف فولادی.بتن مسلح به الیاف فولادی نوعی بتن مسلح نسبتاً یکنواخت و چند جهته است که با افزودن مقدار کمی الیاف فولاد کم کربن، فولاد ضد زنگ و FRP به بتن معمولی تشکیل می‌شود. میزان اختلاط الیاف فولادی عموماً ۱٪ تا ۲٪ حجمی است، در حالی که ۷۰ تا ۱۰۰ کیلوگرم الیاف فولادی در هر متر مکعب بتن وزنی مخلوط می‌شود. طول الیاف فولادی باید ۲۵ تا ۶۰ میلی‌متر، قطر آن ۰.۲۵ تا ۱.۲۵ میلی‌متر و بهترین نسبت طول به قطر ۵۰ تا ۷۰۰ باشد. در مقایسه با بتن معمولی، این نوع بتن نه تنها می‌تواند مقاومت کششی، برشی، خمشی، سایش و ترک را بهبود بخشد، بلکه می‌تواند مقاومت در برابر شکست و مقاومت در برابر ضربه بتن را نیز تا حد زیادی افزایش دهد و مقاومت در برابر خستگی و دوام سازه را به طور قابل توجهی بهبود بخشد، به خصوص که می‌توان مقاومت آن را ۱۰ تا ۲۰ برابر افزایش داد. خواص مکانیکی بتن مسلح به الیاف فولادی و بتن معمولی در چین مقایسه شده است. وقتی میزان الیاف فولادی ۱۵٪ تا ۲۰٪ و نسبت آب به سیمان ۰.۴۵ باشد، مقاومت کششی ۵۰٪ تا ۷۰٪، مقاومت خمشی ۱۲۰٪ تا ۱۸۰٪، مقاومت ضربه ۱۰ تا ۲۰ برابر، مقاومت خستگی ضربه ۱۵ تا ۲۰ برابر، چقرمگی خمشی ۱۴ تا ۲۰ برابر و مقاومت سایشی نیز به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد. بنابراین، بتن مسلح به الیاف فولادی خواص فیزیکی و مکانیکی بهتری نسبت به بتن معمولی دارد.

۲. بتن الیافی هیبریدی. داده‌های تحقیقاتی مرتبط نشان می‌دهند که الیاف فولادی به طور قابل توجهی مقاومت فشاری بتن را افزایش نمی‌دهد یا حتی آن را کاهش نمی‌دهد. در مقایسه با بتن ساده، دیدگاه‌های مثبت و منفی (افزایش و کاهش) یا حتی بینابین در مورد نفوذناپذیری، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر ضربه و سایش بتن مسلح به الیاف فولادی و جلوگیری از انقباض اولیه پلاستیک بتن وجود دارد. علاوه بر این، بتن مسلح به الیاف فولادی دارای مشکلاتی مانند دوز زیاد، قیمت بالا، زنگ‌زدگی و تقریباً عدم مقاومت در برابر انفجار ناشی از آتش‌سوزی است که کاربرد آن را تا درجات مختلفی تحت تأثیر قرار داده است. در سال‌های اخیر، برخی از محققان داخلی و خارجی شروع به توجه به بتن الیافی هیبریدی (HFRC) کرده‌اند و سعی در ترکیب الیاف با خواص و مزایای مختلف، یادگیری از یکدیگر و به‌کارگیری "اثر هیبریدی مثبت" در سطوح و مراحل مختلف بارگذاری برای افزایش خواص مختلف بتن کرده‌اند تا نیازهای پروژه‌های مختلف را برآورده سازند. با این حال، با توجه به خواص مکانیکی مختلف آن، به ویژه تغییر شکل خستگی و آسیب خستگی، قانون توسعه تغییر شکل و ویژگی‌های آسیب تحت بارهای استاتیک و دینامیکی و بارهای چرخه‌ای با دامنه ثابت یا دامنه متغیر، مقدار اختلاط بهینه و نسبت اختلاط الیاف، رابطه بین اجزای مواد کامپوزیت، اثر تقویت و مکانیسم تقویت، عملکرد ضد خستگی، مکانیسم شکست و فناوری ساخت، مشکلات طراحی نسبت اختلاط نیاز به مطالعه بیشتر دارد.

۳. بتن مسلح به الیاف فولادی لایه‌ای.بتن مسلح به الیاف یکپارچه به راحتی به طور یکنواخت مخلوط نمی‌شود، الیاف به راحتی متراکم می‌شوند، مقدار الیاف زیاد است و هزینه آن نسبتاً بالا است که بر کاربرد گسترده آن تأثیر می‌گذارد. از طریق تعداد زیادی از تحقیقات مهندسی و نظری، نوع جدیدی از ساختار الیاف فولادی، بتن مسلح به الیاف فولادی لایه‌ای (LSFRC) پیشنهاد شده است. مقدار کمی الیاف فولادی به طور مساوی در سطوح بالایی و پایینی دال جاده توزیع می‌شود و وسط آن هنوز یک لایه بتنی ساده است. الیاف فولادی در LSFRC عموماً به صورت دستی یا مکانیکی توزیع می‌شود. الیاف فولادی بلند است و نسبت طول به قطر آن عموماً بین 70 تا 120 است که توزیع دو بعدی را نشان می‌دهد. بدون تأثیر بر خواص مکانیکی، این ماده نه تنها مقدار الیاف فولادی را به میزان زیادی کاهش می‌دهد، بلکه از پدیده تراکم الیاف در مخلوط کردن بتن مسلح به الیاف یکپارچه نیز جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، موقعیت لایه الیاف فولادی در بتن تأثیر زیادی بر مقاومت خمشی بتن دارد. اثر تقویتی لایه الیاف فولادی در پایین بتن بهترین است. با بالا رفتن موقعیت لایه الیاف فولادی، اثر تقویت‌کنندگی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. مقاومت خمشی LSFRC بیش از 35٪ بیشتر از بتن ساده با نسبت اختلاط یکسان است که کمی کمتر از بتن مسلح به الیاف فولادی یکپارچه است. با این حال، LSFRC می‌تواند در هزینه مصالح به میزان زیادی صرفه‌جویی کند و مشکل اختلاط دشوار وجود ندارد. بنابراین، LSFRC یک ماده جدید با مزایای اجتماعی و اقتصادی خوب و چشم‌انداز کاربرد گسترده است که شایسته محبوبیت و کاربرد در ساخت روسازی است.

 

4.بتن الیافی هیبریدی لایه‌ایبتن مسلح به الیاف هیبریدی لایه‌ای (LHFRC) یک ماده کامپوزیتی است که با افزودن 0.1٪ الیاف پلی‌پروپیلن بر پایه LSFRC و توزیع یکنواخت تعداد زیادی الیاف پلی‌پروپیلن ریز و کوتاه با مقاومت کششی بالا و ازدیاد طول نهایی بالا در بتن الیافی فولادی بالا و پایین و بتن ساده در لایه میانی تشکیل شده است. این ماده می‌تواند بر ضعف لایه میانی بتن ساده LSFRC غلبه کند و از خطرات ایمنی احتمالی پس از فرسودگی الیاف فولادی سطحی جلوگیری کند. LHFRC می‌تواند مقاومت خمشی بتن را به طور قابل توجهی افزایش دهد. در مقایسه با بتن ساده، مقاومت خمشی بتن ساده حدود 20٪ و در مقایسه با LSFRC، مقاومت خمشی آن 2.6٪ افزایش می‌یابد، اما تأثیر کمی بر مدول الاستیک خمشی بتن دارد. مدول الاستیک خمشی LHFRC 1.3٪ بیشتر از بتن ساده و 0.3٪ کمتر از LSFRC است. LHFRC همچنین می‌تواند به طور قابل توجهی مقاومت خمشی بتن را افزایش دهد و شاخص مقاومت خمشی آن حدود ۸ برابر بتن ساده و ۱.۳ برابر LSFRC است. علاوه بر این، با توجه به عملکرد متفاوت دو یا چند الیاف در LHFRC در بتن، با توجه به نیازهای مهندسی، می‌توان از اثر ترکیبی مثبت الیاف مصنوعی و الیاف فولادی در بتن برای بهبود قابل توجه شکل‌پذیری، دوام، چقرمگی، مقاومت در برابر ترک، مقاومت خمشی و مقاومت کششی ماده، بهبود کیفیت ماده و افزایش عمر مفید آن استفاده کرد.

——چکیده (معماری شانشی، جلد 38، شماره 11، چن هویکینگ)