بتن الیافی

همان‌طور که می ‌دانیم مقاومت کششی بتن حدود 8% الی ۱۲% مقاومت فشاری آن می ‌باشد. بخشی از ضعف مقاومت کششی بتن با استفاده از آرماتور جبران می گردد. اما با توجه به اینکه آرماتورها نمی ‌توانند انتشار ترک‌های مویی را در بتن کنترل نمایند، کاربرد الیاف منقطع و با جهت گیری تصادفی در داخل المان سازه‌ای، سبب بهبود رفتار بتن غیرمسلح هم در ناحیه کششی و هم در ناحیه فشاری می شود. انواع مختلفی از الیاف در ساخت بتن الیافی استفاده می شود که دسته بندی اصلی آنها به شرح زیر است:

الیاف فولادی (SFRC)

 الیاف شیشه (GFRC)

 الیاف مصنوعی (SNFRC) شامل پلی پروپیلن، آکریلیک، آرامید، کربن، نایلون، پلی استر و پلی اتیلن

الیاف طبیعی (NFRC)

 الیاف بازیافتی

 الیاف نانو

در حقیقت مهمترین دلایل استفاده از الیاف در بتن بهبود طاقت و مقاومت کششی، بهبود کنترل ترک و شکل پذیری آن است. به طور کلی، خواص بتن الیافی وابسته به مشخصات الیاف (درصد حجمی، مقاومت، مدول الاستیسیته و پارامتر چسبندگی الیاف) و مشخصات بتن (مقاومت و نوع مصالح) و مشخصات سطح مشترک الیاف و بتن می باشد. به منظور کنترل ترک، الیاف در دو مقیاس کوچک و بزرگ ایفای نقش می نمایند. در مقیاس کوچک، الیاف مانع از ایجاد و رشد ریز ترک­ها می شوند. زمانی که ترک های کوچک (Micro Crack) به ترک های بزرگ (Macro Crack) تبدیل شد، الیاف با پل زدن روی ترک ها سبب تامین جذب انرژی و جلوگیری از رشد ترک ها می شوند. برخی از مزایای استفاده از الیاف در بتن به شرح زیر است:

کاهش ترکهای جمع شدگی بتن

افزایش طاقت و مقاومت کششی و خمشی

افزایش شکل‌پذیری

افزایش مقاومت بتن در برابر بارهای ضربه ای و دینامیکی

کاهش عرض ترک در بتن و افزایش دوام و طول عمر بتن

کاهش هزینه‌های دوره عمر سازه

شرکت دانش بتن امیرکبیر اقدام به ارائه طرح مخلوط بتن الیافی حاوی الیاف فولادی و پلیمری و هیبریدی در پروژه های مختلف از جمله پروژه ایران مال، دیوار انسداد مرزی، روسازی های بتنی، کفسازی چندین کارخانه و پارکینگ و … نموده است.

الیاف چه به صورت تک رشته ایی و چه به صورت توده‌ای، تمایل به چسبندگی قابل توجهی در مخلوط بتن الیافی دارند که این سبب کاهش کارآیی بر اثر اضافه کردن الیاف به بتن می شود. بسیاری از مخلوط‌های بتن الیافی با اسلامپ بسیار کم به راحتی تحت اثر ویبره جاری می‌شوند و بنابراین آزمایش تعیین کارآیی بتن الیافی، با استفاده از ویبره و در شرایط دینامیکی بسیار مناسب‌تر از آزمایش اسلامپ استاندارد می باشد. زیرا جا دادن بتن در داخل قالب در اجرا معمولاً با استفاده از ویبره صورت می‌گیرد.

بتن های توانمد و فوق توانمند

بتن توانمند (High Performance Concrete) با همان مواد و مصالح بتن معمولی ساخته می شود، اما نسبتها به گونه ای طراحی یا مهندسی می شوند که تامین کننده الزامات مقاومت (مقاومت بالاتر از ۵۰ مگاپاسکال) و دوامی مورد نظر باشند. راهکارهای تولید بتن توانمند شامل افزایش مقاومت خمیر سیمان، افزایش مقاومت ناحیه انتقال، افزایش مقاومت سنگدانه می باشد. بتن فوق توانمند (Ultra High Performance Concrete) بتن ساخته شده از مواد سیمانی با حداقل مقاومت فشاری 150 مگاپاسکال می باشد.

بهره­گیری از بتن­هاي با مقاومت و عملکرد بالا در ساخت سازه­هاي بتنی در حقیقت به منزله استفاده بهینه از مصالح ساخت بتن و همچنین بکارگیری پتانسیل­ها و ظرفیت­هاي این ماده می باشد. بتن توانمند (HPC) به بتنی گفته می­شود که مقاومت فشاري بیش از ۵۰ مگاپاسکال و خصوصیات ویژه­ای نظیر کارایی و دوام بالا، داشته باشد.

در مدّت 30 سال گذشته، عموماً از بتن توانمند برای ساخت سازه های بتن آرمه 30 طبقه به بالا استفاده شده است. اگر در ساختمان های بلند از بتن معمولی استفاده شود، ابعاد ستون ها در طبقات پایین بسیار بزرگ شده و از مساحت مفید ساختمان به شدت کاسته می شود. در  ارتفاع بالایی ساختمان، ستون ها با بتن معمولی (MPa 35-30) ساخته می شوند. امّا چنانچه در  پایین ساختمان، ستون ها با بتن معمولی ساخته شوند، ابعاد ستون ها بسیار بزرگ خواهد شد.

آغاز استفاده از بتن های مقاومت بالا، ساخت برج Lake Point در سال 1965 در شیکاگو با استفاده از بتن با مقاومت فشاری MPa50  بوده است. برج 79 طبقه Water Tower Place  در شیکاگو با بتنی با مقاومت فشاری حدود MPa 65 در سال های 1974 تا 1976 ساخته شد. ساختمان Scotia Plaza در تورونتو و ساختمان Tow Union Square در سیاتل به ترتیب با بتن هایی با مقاومت فشاری حدود MPa  85 و MPa 120 ساخته شده اند. برای ساختن چنین بتن هایی (بتن های مقاومت بالا) نسبت آب به مواد سیمانی (w/cm) به 0.4 محدود شده و از فوق روان کننده ها برای افزایش کارایی بتن استفاده می شود. روانی بالای بتن بدون جداشدگی، عاملی دیگر در افزایش استفاده از مواد افزودنی (مواد اصلاح کننده ویسکوزیته) در بتن های ساختمان های بلند است. جداشدگی بتن های با اسلامپ بالا می تواند با استفاده از مواد جایگزین سیمان مانند خاکستر بادی، پودر سنگ آهک، روباره ی کوره ی آهنگدازی و دوده ی سیلیس نیز بهبود یابد. استفاده از این مواد می تواند به ساخت بتنی با قابلیت پمپ و ریختن مناسب کمک کرده و باعث کاهش هزینه های پروژه شود.

برای تولید بتنی با مقاومت بیش از MPa ۵۰، نیاز به کنترل کیفیت دقیق تر و همچنین دقت بیش تر در انتخاب مصالح و نسبت های آن (روان کننده ها،  مواد افزودنی معدنی، نوع و اندازه سنگدانه ها و…) نسبت به بتن معمولی است. از این رو برای تمایز این نوع بتن ها، که دارای مقاومت فشاری بیش از MPa 40 هستند، در مقایسه با بتن های معمولی، آنها را بتن های مقاومت بالا می نامند.

تاکنون بیشترین استفاده از بتن مقاومت بالا در ایالات متحده، محدود به مناطق شیکاگو، نیویورک و هوستون بوده است. از شروع سال 1965، پس از ساخت بتن با مقاومت MPa 52 برای ستون های برج کناره ی دریاچه در منطقه ی شیکاگو، ساختمان های بلند متعددی با بتن مقاومت بالا ساخته شده است. از سال 1972، برای ساخت ساختمان های تجاری بیش از 50 طبقه، استفاده از بتن با مقاومت MPa 60 عمومیت پیدا کرد. می توان ادعا کرد که با استفاده از مقاومت زیاد می توان ابعاد ستون ها را به حداقل رسانیده و در نتیجه زیبایی آنها نیز تأمین کرد.