مقدمه

امروزه بتن به عنوان یکی از پرکاربردترین مصالح در جهان می باشد. در سال‌های اخیر میزان مصرف بتن در کشور به بیش از 100 میلیون مترمکعب رسیده است. بنابراین کیفیت و دوام بتن و پیشگیری از وقوع شرایطی که منجر به خرابی بتن می شود مهمترین مسئله پیش روی تولیدکنندگان، مصرف کنندگان و پژوهشگران می باشد.

میلگردها (مش بندی) در کاربردهای مختلف مانند دال‌های روی زمین و لاینینگ تونل‌ها برای افزایش طاقت خمشی و کنترل ترک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. هنگامی که بتن ترک می‌خورد، این مسلح کننده‌های فولادی ترک‌ها را محکم کنار هم نگه می‌دارند و از گسیختگی سازه یا عضو جلوگیری می‌کنند. با این حال مشکلات و معضلات زیادی وابسته به کاربرد میلگرد در جامعه مهندسی شناخته شده می‌باشد.

اول از همه، آرماتور نیازمند قرارگیری دقیق در محل طراحی شده اش در بتن می باشد، موضوعی که اجرای آن بسیار سخت است و در صورت انجام بسیار زمان گیر. همچنین آرماتور تنها باعث مسلح کردن بتن در دو بعد می‌شود به دلیل اینکه در محل‌های مشخص قرار گرفته است و هرگز در کل مخلوط بتن پخش نشده، از این رو با بیشتر شدن ضخامت بتن تاثیر آن در کنترل ترک‌ها کمتر می‌شود. علاوه بر این نصب و اجرای آرماتور در محل مناسبش به یک چالش جدی تبدیل شده است، برای مثال در سقف‌ها و کفسازی‌ها، میلگردها معمولا در پایین و یا وسط دال قرار می‌گیرند، بنابراین باعث عدم عملکرد مناسب آرماتور برای جلوگیری از ایجاد ترک‌ها می‌شود و طول عمر عضو و سازه را کاهش می‌دهد. دوما حمل و انبار آرماتور در محل پروژه فضای زیادی را اشغال می‌کند، سوما معضل خوردگی در میلگرد باعث تاثیر منفی در ظاهر و دوام بتن می‌شود و از نظر مسائل اجرایی مثل بتن ریزی و ایجاد تراکم هم مشکلاتی ایجاد می‌کند. و در نهایت، مسلح کردن بتن با آرماتور و مصالح فلزی باعث کنترل ترک‌های پلاستیک بتن نمی‌شود.

تمامی مشکلات گفته شده ناشی از کاربرد میلگرد، با استفاده از الیاف‌ پلیمری ماکرو یا فولادی سازه ای حل خواهند شد. در حقیقت الیاف‌ در کل حجم بتن به صورت یکنواخت و همگن پخش می‌شوند و بتن را در سه بعد مسلح می‌کنند.

تعریف الیاف

الیاف یک ماده است که توسط ویژگی هایی مانند انعطاف پذیری، میزان لطافت و نرمی و نسبت بالای طول به قطر (ضخامت) شناخته می شود. از آن جایی که الیاف دارای نسبت زیاد سطح به حجمش می باشد، مواد بسیار قدرتمند و قوی ای محسوب می شوند.

طبقه بندی جنس الیاف

با توجه به نوع پدید آمدن الیاف، آن ها را به دو دسته الیاف طبیعی (natural fibers) وقتی به آن شکل به طور طبیعی درآمده اند، و الیاف مصنوعی-ساخت بشر (man-made fibers) وقتی که در طبیعت به شکل الیاف نیستند، طبقه بندی می کنند.

البته الیاف ساخت دست بشر را نیز وقتی از پلیمرهای طبیعی گرفته شده باشند، الیاف پلیمری طبیعی (natural polymer fibers)، و اگر از پلیمرهای مصنوعی گرفته شده باشند، الیاف مصنوعی (synthetic fibers) می گویند.

معمولا الیاف با عملکرد بالا از جنس الیاف مصنوعی هستند که برای کاربردهای خاصی مهندسی و تولید می شوند و در مشخصه هایی مانند مقاومت کششی بالا، سختی، مقاومت حرارتی و یا مقاومت در محیط های خاص برجسته می باشند. این نوع از الیاف معمولا دارای مدول و سختی بسیار بیشتری نسبت به مابقی الیاف دارند.

الیاف طبیعی

الیاف طبیعی سنتی مانند نخ، پشم و ابریشم دارای مدول هایی در رنج 3-7.5 GPa می باشند. اگرچه الیافی همچون کتان، کنف و الیاف برخی گیاهان دارای سختی و مقاومت بیشتری می باشند. میزان استفاده و مفید بودن الیاف طبیعی برای استفاده در مهندسی عمران وابسته به خواص مکانیکی و عملکرد آن ها می باشد.

الیاف پلیمری طبیعی

در ابتدا ابریشم مصنوعی و استات که اولین نوع احیاشده الیاف سلولزی بودند، سختی حدود 0.3 GPa از خود نشان داد. در نهایت با پیشرفت و توسعه در تولید الیاف سلولزی، الیاف دیگری با نام بوسل (Bocell) با مدول حدود 45 GPa یک مقاومت بالا را ارائه کرد.

الیاف مصنوعی

اولین نوع الیاف مصنوعی پلی آمید (Polyamide) بود که عموما به عنوان نایلون (Nylon) شناخته می شود. که از سال 1938 میلادی وارد بازار شد و به صورت کاربردی استفاده شد. مدول این الیاف در حدود 3.75 GPa بود. الیاف دیگری که در اوایل تولید شد، الیاف پلی استر (Polyester) بود که سختی ای مشابه نایلون ولی مدول بالاتر و در حدود 15 GPa داشت.

الیاف دیگری که با استقبال خوبی در کاربردهای فنی مواجه شد، الیاف پلی پروپیلن (Polypropylene) بود. این الیاف داری وزن مخصوص 91/0 و مدول حدود 10 GPaاست.

نسل جدیدی از الیاف با عملکرد بالا در دنیا در نیمه دوم قرن بیستم معرفی شدند که در مقایسه با الیاف قبلی دارای تغییرات محسوسی در مقاومت و سختی بودند.

با توسعه و پیشرفت در دهه 60 میلادی، محققان شرکت دوپونت در امریکا موفق به تولید الیافی از جنس آرامید شدند که مدول 120 گیگاپاسکالی داشت و با توسعه آن به الیاف آرامیدی با مدول بیش از 225 GPa دست یافتند. دیگر مزایای الیاف آرامید عبارتند از: مقاومت در برابر شعله و آتش، ضریب هدایت الکتریکی پایین، مقاومت شیمیایی بالا، پایداری ابعادی عالی، جمع شدگی حرارتی کم، جذب انرژی بالا و مقاومت در برابر بریده شدن بالا.

اولین الیاف کربن با مقاومت بالا در انگلستان برای کاربردهای هواپیمایی گسترش پیدا کرد که دارای مدول بیش از 600 GPa بود. اصولا الیاف کربن برای کاربردهای نیازمند مقاومت و سختی زیاد مهندسی و تولید شده است.