بررسی آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن پر مقاومت

امروزه بتن به عنوان یکی از مهمترین و پر مصرفترین مصالح ساختمانی جایگاه ویژه ای در ساخت و سازها دارد. ویژگی های منحصر بفرد فنی و اقتصادی بتن سبب گسترش روز افزون استفاده از آن شده است. شکل پذیری، ایجاد اتصالات متنوع،مقاومت بالا، سهولت کار و دوام از یک سو و هزینه نسبی کمتر و همخوانی با مسائل زیست محیطی و از سوی دیگر در بسیاری از اوقات موجب ارجحیت آن نسبت به سایر مصالح می باشد. در ادامه به برسی آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن خواهیم پرداخت.
برای ارتقای کیفیت بتن شناخت نقاط ضعف و قوت و تلاش برای کاهش نقصانها و افزایش نقاط قوت اهمیت فراوانی دارد. از مواردی که برای ارتقاء کیفیت بتن و یا تقویت خصوصیت ویژه ای از آن مورد استفاده قرار می گیرد میتوان از انواع مواد افزودنی و پوزولانها و خصوصا الیاف نام برد. در بررسی آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن، با توجه به اینکه بتن ذاتاً یک ماده ترد بوده و مقاومت کششی آن به مراتب کمتر از مقاومت فشاری است.
لیکن با مسلح کردن بتن با الیاف کوتاهی که به صورت تصادفی درحجم آن پراکنده شده اند به این نتیجه رسیدیم که استفاده از الیاف نایلون در بتن یک روش موثر برای کاهش ترک خوردگی، افزایش طاقت و شکل پذیری و جذب بهتر انرژی و نیز افزایش مقاومت کششی بتن می باشد. در

آتار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن

بتن ذاتاًیک ماده ترد بوده و مقاومت کششی آن به مراتب کمتر از مقاومت فشاری است. مسلح کردن بتن با الیاف کوتاهی که به صورت تصادفی در حجم آن پراکنده شده اند، یک روش موثر برای کاهش ترک خوردگی، افزایش طاقت و شکل پذیری وجذب بهتر انرژی و نیز افزایش مقاومت کششی بتن می باشد. در خمیر سیمانی مسلح به الیاف، عناصر میبایست به صورت متعارف به کار برده شوند تا بتوان در مقدار ترک خوردگی پلاستیک و حرارتی کاهش معنی داری را مشاهده کرد. در ادامه با ما باشید تا به برسی بیشتر آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن بپردازیم.
بتن یکی از مصالح مناسب جهت استفاده در انواع سازه ها می باشد. با این حال ضعف مذکور همواره یکی از اهداف مهندسین می باشد. استفاده از بتن مسلح سیمانی اولین روش جهت مقابله با مشکل ذکر شده است. اما مشکلاتی از قبیل خوردگی آرماتور باعث شده است تحقیقات زیادی در مورد مواد تقویت کننده مضاعف بتن در حال انجام باشد. به طور کلی استفاده از الیاف با جهت گیری های متفاوت که به طور تصادفی در بتن پخش شده می تواند خواص مکانیکی بتن را تقویت نماید.
در سالهای اخیر فوایدی مانند فواید اقتصادی، محیط زیستی و… استفاده از الیاف در بتن را افزایش داده است. بر طبق تعریف بتن الیافی بتنی است مرکب از سیمان هیدرولیکی، سنگدانه ها و الیاف. امروزه از الیاف فولادی، الیاف شیشه ای، الیاف پلاستیکی به عنوان مواد مسلح کننده برای ایجاد بتن با دوام و پایایی بالا در تونلها و سازه ها زیرزمینی استفاده می شود.
استفاده از بتن الیافی بسته به نوع الیاف با توجه به اینکه خواص ذکر شده را ارضا نماید، به علت ایجاد چسبندگی کافی بین الیاف پلیمری و ماتریس بتن نیز منجر می گردد، خواهد شد. به عبارت دیگر وجود الیاف در بتن به علت مسلح نمودن بتن در سه جهت باعث افزایش در میزان دوام و چقرمگی بتن می شود. این امر در آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن دخیل است.
البته باید توجه نمود که توانمندی بتن الیافی رابطه مستقیمی با اختلاط و خواص بتن، مشخصات فیزیکی الیاف، جنس الیاف، پخش الیاف در بتن و در کنار هم قرار گرفتن الیاف مورد استفاده و از طرف دیگر مشخصات هندسی الیاف مانند نسبت طول الیاف به قطر، مهار مکانیکی، زبری سطح الیاف و همچنین جهت قرار گیری الیاف در بتن بستگی دارد.
از بین انواع الیافی که در بتن به کار برده می شود، کاربرد الیاف مصنوعی مانند آرامید، پلی اتیلن، پلی استر و بخصوص پلی پروپیلن نیز به تدریج در حال گسترش است. یکی دیگر از این مواد مضاعف مصنوعی الیاف نایلون می باشد. بتن نایلونی با توجه به آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن مانند نسبت مقاومت به وزن، در دسترس بودن و قیمت نسبتاً پایین آن می تواند مورد توجه قرار گیرد.
قابلیت انعطاف بتن الیاف از جمله بتن حاوی  الیاف نایلون همانند خواص مواد پلاستیکی باعث میشود بتن الیافی گسیختگی ناگهانی نداشته باشد. از آنجایی که الیاف نایلون به صورت سه بعدی در بتن پراکنده میشوند، با ایجاد اولین ترک که معمولاً انتظار تغییر شکل می رود، این الیاف در جهات اتصالاتی را به وجود آورده و از گسترش ترک جلوگیری می نمایند.
نتیجه آن محدود کردن عرض ترکها، تشکیل ریز ترکها و در نتیجه افزایش قابلیت بهره برداری و اقتصادی شدن طرح می باشد. به طور کلی برای اینکه بتوان از الیاف در ماتریس های سیمانی استفاده نمود باید الیاف به آسانی در ماتریس پخش شود، خواص مکانیکی قابل قبول داشته و در برابر محیطهای مخرب و قلیایی دارای دوام و پایانی کافی باشد.
میزان الیاف به طور مستقیم با فاصله آنها از هم ارتباط پیدا میکند که این فاصله در کنترل ترکهای کوچک و بزرگ و به دنبال آن در دوام موثر است. لذا پخش الیاف در بتن به منزله بهبود خواص بتن الیافی می باشد. الیاف نایلون از لحاظ پخش شدن در بتن نسبت به الیاف مصنوعی وضعیت خوبی را دارا می باشد. در مقایسه ای که بین الیاف نایلون و الیاف پلی پروپیلن برای پخش در بتن صورت گرفت نایلون، نسبت به الیاف پلی پروپیلن که یکی از پرکاربردترین الیاف در زمینه بتن الیافی میباشد، بهتر پخش می‌شود.
البته شاید به طور غیر مستقیم با مقایسه ای بین آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن و پلی پروپیلن این موضوع تایید شود. اما در زمینه خواص  مکانیکی بتن نایلونی حاوی الیاف نایلون می باشد. الیاف نایلون به میزان 6/0، 2/1، 8/1 و 4/2 ( kg/m ³ ) بتن کنترل که برای مقاومت فشاری 28روزه  MPa35 و اسلامپ  cm8 طراحی شده مخلوط گردید تا بدین ترتیب خواص مکانیکی بتن نایلونی نظیر مقاومت فشاری، مقاومت کششی، مقاومت خمشی و چقرمگی با بتن کنترل مقایسه گردد.

برسی مقاومت بتن با آزمایش آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن

از لحاظ دوام در برابر محیطهای مخرب میتوان نایلون را جزء الیاف با خواص مقاوم در برابر محیط های قلیایی دانست. البته این خاصیت در مورد بعضی الیاف مصنوعی مانند پلی پروپیلن نیز تایید و برای بعضی دیگر مانند پلی استر و الیاف طبیعی تنزل می یابد. نکته بعدی درمورد بتن نایلونی این است که تبخیر آب سطحی با آمده روی بتن معمولی باعث کاهش سطح آب بتن شده و این کاهش سطح آب خود سبب ایجاد تنشهای داخلی در بتن می شود.
تنش های داخلی باعث نزدیکتر شدن سنگدانه ها به هم و در نتیجه ایجاد ترک انقباضی بر روی سطح بتن میشود. برای مقابله با مشکل فوق میتوان از بتن های پرمقاومت دارای نسبت آب به سیمان پایین میباشند، استفاده نمود. روش دیگر که در برسی آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن مورد توجه قرار گرفته، استفاده از بتن نایلونی است.
یکی از خواص بتن نایلونی، جلوگیری از فرار آب اختلاط به سطح بتن میباشد. با توجه مکانیسم بالا، این عمل علاوه براینکه در کاهش ترکهای ناشی از انقباظ کمک میکند، باعث کنترل نسبت واقعی آب به سیمان و به تبع آن مقاومت و چقرمگی بالاتر و جذب آب پایین تر می شود.

تاثیرمواد و مصالح در آزمایش آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن

سیمان مصرفی در این پروژه از نوع پر تلند تیپ 2که مطابق با استاندارد  ASTM C 152بوده و دارای وزن مخصوص 16/3 و نرمی gr/cm² 3354  میباشد. ماسه مصرفی در این پروژه از نوع رودخانه ای بوده که وزن مخصوص ظاهری در حالت SSD و جذب آب آن به ترتیب 6/2و 8/0% میباشد. شن مصرفی از نوع شکسته با بزرگترین اندازه اسمی 5/12 وزن مخصوص ظاهری در حالت  SSD، 65/2 و جذب آب 85/0%  میباشد. آب مصرفی در این پروژه جهت ساخت بتن و همچنین عمل آوری نمونه ها از آب آشامیدنی و بر طبق ASTM D 1129است.
عیار سیمان مصرفی Kg/m³ 350 و میزان آب  Kg/m³200 می باشد که با  Kg/m³915 شن و  Kg/m³885  ماسه برای ساخت بتن کنترل مخلوط شدند. در این آزمایش از الیاف مختلف نایلون شامل الیاف نایلون 6، نایلون 6-6، و نایلون 6-6 با خواص بهبود یافته (SP) استفاده شد که بعد از بررسی مقاومت بتن حاوی الیاف مختلف نایلون و موفولوژی الیاف، نایلون 6-6 با خواص بهبود یافته ( SP) به عنوان نایلون مصرفی انتخاب گردید.
در جدول  خصوصیات الیاف آورده شده است. فوق روان کننده مصرفی با نام تجاری ویسکو کریت 1، از نوع اسید کربوکسییک، از نسل سوم فوق روان کننده، بیرنگ، با وزن مخصوص که در آن یون کلر وجود ندارد.
جدول مشخصات فیزیکی آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن بهبود یافته:

آماده سازی نمونه ها و روش انجام آزمایش آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن

برای ساخت بتن الیافی در محیط آزمایشگاه در بتن یر با ظرفیت تولیدLit  100بتن، ابتدا درشت دانه ها به همراه یک سوم آب مصرفی در میکسر مخلوط شده و سپس ماسه، سیمان و باقیمانده آب به طور تدریجی و به مدت 5 دقیقه مخلوط می گردند. بعد از 1دقیقه الیاف به طور دستی بر روی بتن پخش شده و در نهایت مجموعه به مدت 5 دقیقه دیگر مخلوط میشود تا بدین ترتیب از پخش کامل الیاف در بتن اطمینان حاصل شود. در ساخت هر کدام از اختلاط ها بتن الیافی با میزان الیاف مذکور مشکل خاصی مشاهده نشد.
لذا تا میزان Kg/m 4/2 الیاف نایلون احتیاجی به تمهیدات خاصی نمیباشد و الیاف نایلون به صورتی که شرح داده شد و با اختلاط مذکور میتواند مورد استفاده قرار گیرد. بعد از ساخت، هر کدام از اختلاط ها بتن الیافی از لحاظ کارایی مورد ارزیابی قرار گرفت که نتایج حاصل در جدول  مشاهده میشود. سپس جهت بررسی آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن در درون قالب ریخته میشود. برای سنجش کارایی بتن الیافی از آزمایش اسلامب بر طبق  ASTM C143استفاده شد که میزان اسلامپ برای بتن بدون الیاف  cm8 اندازه گیری گردید.
افزودن به بتن باعث کاهش کارایی بتن میشود که جهت مقابله با مشکل مذکور میتوان از  فوق روان کننده استفاده نمود. به علت اینکه در این مطالعه سعی بر آن است که خواص بتن کنترل تغییری نکند، نسبت آب به سیمان را ثابت در نظر گرفته و از فوق روان کننده برای ایجاد روانی مورد نظر استفاده شده است. جهت ارزیابی آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن از قالبهای مکعبی cm10 و استوانه ای cm 15 × 30 به ترتیب برای اندازه گیری مقاومت های فشاری و کششی به کار گرفته شد.
برای بدست آوردن مقاومت خمشی نیز از قالبهای منشوری با ابعادcm   10×10×30 استفاده شد. بعد از قالب گیری، جهت جلوگیری از تبخیر آب موجود، بر روی نمونه ها گونی قرار داده و در محیط آزمایشگاه به مدت 24 ساعت قرار داده شد. بعد از قالب گیری نمونه ها، بر طبق ASTM C511 عمل آوری نمونه ها صورت میگیرد. البته باید توجه نمود که تا زمان اندازه گیری مقاومت نمونه ها نباید از آب بیرون آورده شوند.

 نتایج آزمایشات و بررسی آنها در آزمایش آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن

نتیجه‌ی آزمایش بتن تازه در آزمایش آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن

جریان پذیری بتن تازه بر اساس آزمایش اسلامپ صورت گرفت. با افزایش الیاف نایلون در بتن کارایی بتن نایلونی کاهش مییابد. این کاهش کارایی برای الیاف نایلون به علت جاذب آب بودن آنها نسبت به بعضی از الیاف مصنوعی که جاذب آب نمیباشند مثل پلی پروپیلن مشهورتر است. با پخش الیاف در بتن، نایلون با ایجاد شبکه سه بعدی از جریان پذیری بتن و جدا شدگی سنگدانه ها جلوگیری مینماید.
همانطور که در آزمایش آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن دیدیم، برای ایجاد روانی برای تمامی نمونه ها از فوق روان کننده استفاده شد تا روانی در حد بین 50 تا 80 میلی متر قرار گیرد. با افزایش میزان نایلون با اینکه حتی میزان فوق روان کننده نیز افزایش پیدا نموده است، شاهد کاهش کارایی می باشیم. از طرفی وزن مخصوص بتن  با افزایش الیاف نایلون تغییر چندانی پیدا نمی نماید به طوری که میتوان از این تغییر صرف نظر نمود.

برسی مقاومت فشاری بتن با آزمایش آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن

مهمترین خصوصیت مکانیکی بتن مقاومت فشاری آن میباشد، زیرا بسیاری از خواص بتن با آن رابطه مستقیمی دارند. در بسیاری از کاربردهای عملی استااده از الیاف مصنوعی در بتن جهت افزایش مقاومت فشاری آن نمی‌باشد، بلکه هدف ثابت نگاه مقاومت فشاری و با بردن بقیه خواص مثبت بتن مانند کنترل ترکها، مقاومت کششی، مقاومت خمشی و چقرمگی میباشد. مقاومت بتن الیافی در سنین مختلف آزمایش گردیده و نتایج حاصل با بتن بدون الیاف مقایسه شد.نتایج آزمایشات مقاوت فشاری که میانگین 3 نمونه آزمایشگاهی است.
نتایج بدست آمده از آزمایش آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن نشان می دهد که با افزایش میزان نایلون به میزان kg/m  33/1 مقاومت فشاری بتن الیافی تا حدود %1/15 افزایش مییابد در حالی که با افزایش مقدار نایلون از این مقدار روند افزایش مقاومت متوقف میگردد. دلیل افزایش مقاومت فشاری را میتوان اینطور مقاومت  انتظار داشت که با افزایش بار وارده الیاف نایلونی با انسداد یا ند کردن و یا تغییر جهت ترکها با افزایش تنش جانبی نمونه ها در اثر افزایش بار مقابله کرده و به این صورت سبب افزایش مقاومت ماتریس میشود.
بر خلاف الیاف فولادی که در بعضی از مطالعات برسی آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن، شاهد افزایش مقاومت بتن حاوی آن الیاف و در پارهای از مطالعات کاهش مقاومت فشاری نتیجه شده است. الیاف نایلون از لحاظ افزایش مقاومت فشاری قابل اعتمادی میباشد. این مقدار نسبت به نمونه های حاوی پلی پروپلین برای میزان الیاف (Kg/m 73/0) حدوداً % 7 افزایش در مقاومت گزارش شده است، بیشتر می باشد. در برسی آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن دریافتیم که، به علت مقاومت کششی بالاتری که نسبت به الیاف پلی پروپیلن دارند تنش کششی بیشتری را در ناحیه ترک خورده انتقال می دهد که منجر به افزایش تنش فشاری می شود.
از طرف دیگر پخش نسبی بهتر نایلون نسبت به الیاف مصنوعی مانند پلی پروپلین و ایجاد شبکه سه بعدی که باعث پخش تنش در سرتاسر این شبکه در ماتریس بتن میشود نیزاز دلایل ازدیاد مقاومت فشاری میتواند باشد. بدین ترتیب مکانیسم ترک های کوچک و بزرگ اصلاح شده و علاوه بر مقاومت، دوام بتن نیز بهبود می یابد. این امر در آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن دخیل است.
برسی مقدار مقاومت فشاری نمونه‌ی بدون الیاف و الیاف‌دار در آزمایش آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن :

 نتایج آزمایش مقاومت کششی بتن در آزمایش آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن

برای تعیین مقاومت کششی از آزمایش شکافت کششی بر طبق  ASTM C 496استفاده شد. افزایش مقاومت کششی از جمله خواص بتن الیافی نایلون می‌باشد که در این مطالعه نیز نتیجه شده است. بر این اساس میتوان روند افزایش مقاومت کششی را با افزایش در میزان الیاف در بتن نایلونی شاهد بود. مقاومت کششی در برسی آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن از میزان (kg/m 37/0) به بالا با افزایش مقاومت بیشتری روبرو است.
بیشترین مقدار افزایش مقاومت کششی درمورد آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن به میزان (kg/m 3 ) 55/2 کششی در ماتریس میشود. طبق اطلاعات گفته شده، با استفاده از درصدهای بالای الیاف، افزایش مقاومت کششی با کاهش مقاومت فشاری مواجه میشود. در جدول زیر مقدار مقاومت کششی در برسی آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن مشخص شده است.

نوع شکست نیز از پارامترهای مورد توجه در این مطالعه می باشد. مود شکست کششی در بتن نایلون از مود شکست کششی بتن معمولی تبعیت نمی کند. بر این اساس بر خلاف بتن بدون الیاف که در آن شکست به صورت آنی و با جدا شدن دو قطعه از هم همراه است، در برسی آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن، با افزایش میزان الیاف شکست به صورت تدریجی است و از حالت تردی خارج می شود و با جدا شدن دو قطعه از هم همراه نیست.
میتوان شکست بتن نایلونی را به دو مرحله تقسیم نمود. در مرحله اول بتن تحت کشش قرار گرفته و هنوز الیاف وارد عمل نشده اند بعد از رسیدن بتن به مرحله تسلیم و شکست، در مرحله دوم الیاف وارد عمل شده و تنشهای کششی را تحمل نموده و به دو قطعه مجاور منتقل مینماید و بدین ترتیب باعث افزایش ظرفیت جذب انرژی بتن میشود.
نکته قابل توجه در رفتار تغییر شکل نمونه های بتن نایلونی در زیر بار ملاحظه می‌شود که پس از شکست کششی بتن در مرحله ای که الیاف در حال تحمل کشش میباشند، مقطع از حالت دایروی خارج میشد که این پدیده به ویژه برای درصد با ی الیاف دیده میشود که میتواند نشانه ای از ظرفیت با لای جذب انرژی بتن نایلون می باشد.

نتیجه‌ی آزمایش ٰآثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن

پس از بررسی ها و آزمایشات متفاوت بر روی آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن مشخص گردید که بهترین نمونه بتن حاوی الیاف نایلون که دارای 4/2 کیلوگرم بر مترمکعب از این ماده می باشد به ترتیب دارای مقاومت فشاری23 مگاپاسکال ومقاومت خمشی 54/4 مگاپاسکال و مقاومت کششی 78/3 مگاپاسکال می باشد. عوامل مهم در افزایش مدول شکست بتن های الیافی، تنش کششی، طول و مدول الاستیسیته الیاف است.
پس از انجام آزمایش آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن دریافتیم که، در بهبود مقاومت ضربه، الیاف بعد از ایجاد اولین ترک نقش موثرتری ایفا می نمایند. در نمونه های شاهد بین تعداد ضربات لازم برای ایجاد اولین ترک و شکست نهایی تفاوت کمی دیده میشود. درحالیکه در نمونه های بتن الیافی تعداد ضربات لازم برای شکست نهایی حدود 5/4 برابر تعداد ضربات لازم برای ایجاد اولین ترک می باشد.

کلام پایانی

در آخر امیدواریم که این مطالب برای شما مفید بوده باشد و توانسته باشیم به سوالاتی که در ذهن شما درمورد آثار الیاف نایلون بر خواص مکانیکی بتن بوده، پاسخ داده باشیم. اگر به دنبال خرید بتن، جهت استحکام بخشی به سازه‌ی خود هستید ما به شما سیوان لند را معرفی می‌کنیم. شما می‌توانید جهت استعلام قیمت بتن به سیوان لند مراجعه و محصول را پس از ثبت سفارش خود در محل پروژه تحویل بگیرید.