توانایی سرویس دهی و افزایش ظرفیت باربری مصالح سازه­ای از دیر باز به عنوان یک مسئله­ مهم اقتصادی محسوب می­شده است.
بتن به عنوان یک ماده­ی سازه­ای پر کاربرد, امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می­گیرد. از سال 1992 تا 1993 میلادی، تنها در کشور آمریکا 63 میلیون تن سیمان پرتلند برای تولید 500 میلیون تن بتن مصرف شده است؛ که این خود پنج برابر تولید فولاد، به صورت وزنی در مدت مشابه است. در اغلب کشور­های جهان نسبت مصرف بتن به فولاد از 10 به 1 نیز فراتر رفته است[1]. تا کنون تعاریف زیادی از بتن ارائه شده است. بر اساس این تعاریف, بتن از سه ماده­ی اصلی تشکیل شده است. این مواد عبارتند از: مواد سیمانی, آب که مواد سیمانی با آن واکنش داده و خاصیت چسبندگی پیدا می­ کنند؛ و مواد پر کننده­ که حجم قابل توجهی از بتن را تشکیل می­دهند.
با وجود ویژگی­های قابل توجه این ماده از جمله شکل­پذیری بالا, مقاومت و عمر زیاد, در دسترس و ارزان قیمت بودن, بتن ماده­ای ترد است و تحت بارهای خمشی و کششی به شدت ضعیف عمل می­ کند.
آرماتور­های فولادی, بتن را تحت کشش مسلح می­ کنند؛ ولی تقریباً اثری بر روند گسترش ترک ندارند. به عبارت دیگر با رسیدن انتهای ترک به موقعیت آرماتورهای کششی، نرخ افزایش باز­شدگی دهانه­ی ترک و هم­چنین انتشار ترک کاهش یافته و سپس با عبور ترک از آرماتور، توسعه­ ترک با نرخ بیشتری افزایش می­یابد. علاوه بر آن وجود آرماتور در نواحی خاص کششی، بتن را از حالت همگن و یکنواخت خارج کرده و فرض همگنی بتن در روش­های آنالیز را با اشکال مواجه می­ کند ]1[.
به طور کلی خرابی و انهدام بتن به شدت به تشکیل ترک­ها و ریز ترک­ها بستگی دارد. با افزایش بار­گذاری, ریز ترک­ها به هم متصل شده و ترک­ها را تشکیل می­ دهند [2]. به‌منظور رفع این مشکل و همچنین ایجاد شرایط همگن، در چند دهه اخیر از یک سری رشته‌های نازک که در تمام حجم بتن گسترده شده، استفاده می‌شود؛ که به آن­ها الیاف گفته می­ شود.

1-2-      بتن الیافی

با توجه به تعریف ACI 544.2R-89 [3], بتن الیافی بتنی است كه با سیمان هیدرولیكی, مصالح سنگی ریزدانه و درشت­دانه ساخته شده و به ­وسیله­ الیاف تقویت می­ شود.
كاربرد گسترده­ی بتن الیافی از اواسط سال 1960 برای روسازی جاده­ها، كف سالن­های صنعتی، جداره­ی كوره­ها و غیره, آغاز گردید [4]. مهمترین مشخصه­ی بتن الیافی, خاصیت جذب انرژی و انعطاف پذیری آن است. به همین دلیل امروزه این بتن نقشی بسیار جدی در پیشرفت تکنولوژی بتن ایفا می­ کند.
در کل از بتن الیافی می­توان انتظار ارتقای پارامتر­های مرتبط با ضرایب باربری نظیر مقاومت فشاری، کششی، خمشی، برشی و مقاومت در برابر خزش، سایش و فرسایش را داشت.

1-3-      الیاف مورد استفاده در بتن

همان­طور که گفته شد, با رسیدن تنش­های وارده به حداکثر مقاومت ملات, ترک­ها تشکیل می­شوند. در نهایت تجمع این ترک­ها در یک ناحیه باعث انهدام بتن می­ شود. در این شرایط استفاده از الیاف باعث جلوگیری از گسترش ترک­ها و اتصال آنها به یکدیگر می­ شود.
استفاده از الیاف در بتن از حدود 50 سال پیش شروع شد و روز­ به ­روز بر استفاده از این ماده در طرح­های اختلاط بتن افزوده می­ شود. مزایای گوناگون كاربرد الیاف در بتن نظیر افزایش مقاومت خمشی, افزایش مقاومت برشی, افزایش مقاومت كششی, افزایش مقاومت در برابر بارهای ضربه­ای, افزایش میزان جذب انرژی و افزایش مقاومت مقطع در مقابل ترک خوردگی, باعث شده که از الیاف در تقویت و مرمت انواع سازه­های بتنی استفاده شود [5].
انتخاب نوع الیاف، تعیین کننده­ خواص کامپوزیت­ها است. امروزه به منظور تقویت بتن از الیاف مختلفی منجمله الیاف فولادی, الیاف پلی­پروپیلن, الیاف آرامید (کولار), الیاف کربن و الیاف شیشه استفاده می­ شود (شکل 1-1).
الیاف مورد استفاده در بتن را می­توان از نظر جنس به 4 گروه زیر تقسیم کرد [6]:

• مواد مصنوعی آلی مانند پلی­پروپیلن و کربن

• مواد مصنوعی غیر آلی مانند فولاد و شیشه

• مواد طبیعی آلی مانند سلولز

• مواد طبیعی غیر آلی مانند آزبست

شکل ‏1‑1– انواع الیاف کامپوزیتی؛ الف) الیاف شیشه؛ ب) الیاف کربن؛ ج) الیاف پلی­پروپیلن؛ د) الیاف فولاد

1-3-1-      الیاف طبیعی

الیاف طبیعی مانند نارگیل، سیسال، تفاله­ی نیشکر، بامبو، کنف، کتان، چوب و الیاف گیاهی جهت تشخیص خصوصیات مهندسی و احتمال استفاده از آن­ها در ساختمان­سازی در 40 کشور مورد آزمایش قرار گرفتند. هرچند نتایج دلگرم کننده بود, اما به دلیل فعل و انفعال بین ملات سیمان و الیاف, ضعف­هایی در دوام آن­ها مشاهده گردید. الیاف گیاهی استحکام بالایی ندارد و در اثر افزایش بارهای وارده با پارگی الیاف و یا با بیرون کشیده شدن آن­ها از درون ملات بتن، شکست در سازه بتنی ایجاد می­ شود [9].
 

1-3-2-      الیاف فولادی

امروزه الیاف فولادی به منظور بهبود بخشیدن به خواص مکانیکی بتن، کاربرد وسیعی را در سازه‌های بتنی و بتن الیافی پیدا کرده ­اند. بتن مسلح شده با الیاف فولادی می ­تواند به­ طور موضعی و یا کلی جایگزین بتن مسلح شده با میلگرد­های فولادی گردد.
الیاف فولادی دارای اشکال متفاوتی می­باشند و به طور معمول بر اساس روش تولید, این الیاف را به 4 دسته تقسیم می­ کنند [10]:

• کشیدن و بریدن سیم­های فولادی (الیاف سیمی)

• نورد و برش ورق­های فولادی (الیاف برشی یا نواری)

• استخراج شده از حالت مذاب (الیاف ریخته­گری)

• تراشیدن سطح ورق­های فولادی (الیاف ماشینی)

از جمله­ موارد استفاده از الیاف فولادی عبارتند از: روکش جاده ها، شمع­ها, پی ماشین آلات, پوشش تونل­ها و سازه­های دریایی [11].
شکل ‏1‑2– استفاده از بتن مسلح به الیاف فولادی در ساخت تونل CTRL در شهر لندن [12]

1-3-3-      الیاف آرامید

آرامید نوعی الیاف مصنوعی از مواد پلیمری است که دارای مدول الاستیسیته­ی بالا است. استفاده از الیاف آرامید به سال 1970 بر­می­گردد. این الیاف اولین بار توسط دوپنت در کشور آلمان با نام کولار ساخته شد [13].
الیاف آرامید تركیب آلی حلقوی از كربن, هیدروژن، اكسیژن و نیتروژن می­باشد. دانسیته­ی کم و مقاومت کششی بالای این الیاف, موجب تشکیل یک ساختار مقاوم در مقابل ضربه می­ شود. مدول کششی و استحکام این الیاف با الیاف شیشه قابل مقایسه است. اما به طور معمول دانسیته­ی الیاف آرامید در حدود نصف دانسیته­ی الیاف شیشه می­باشد. بنابراین می­توان از این الیاف به عنوان جایگزین مناسبی برای الیاف شیشه ­ای که وزن پایین­تری برای آن مد نظر است, استفاده کرد [14].

1-3-4-      الیاف کربن

الیاف کربن از جمله­ الیاف مصنوعی است که از سال 1959 به صورت صنعتی تولید شد. از آن زمان تا به امروز, این الیاف در زمینه­­های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. این الیاف به دلیل وزن مخصوص کم, مقاومت بالا در محیط­های قلیایی, مقاومت حرارتی بالا و …., به عنوان یکی از اجزای مهم در تولید مواد کامپوزیت در صنعت هوا فضا, مورد استفاده قرار می­گیرد [15].

1-3-5-      الیاف شیشه

الیاف شیشه به عنوان مشهورترین تقویت کننده­ مورد استفاده در بتن شناخته می­ شود. كاربرد این الیاف از سال 1950 در شوروی و انگلستان به‌طور همزمان آغاز شد [16]. به دلیل مقاومت کششی بالا, وزن مخصوص کم, جذب آب پایین, مدول الاستیسیته و وزن بالا, این الیاف از پتانسیل بالایی برای استفاده در بتن برخوردار است. با توجه به کاربرد­های مختلف الیاف شیشه, این الیاف را به 4 دسته­ی A-GLASS, E-GLASS, S-GLASS و AR-GLASS تقسیم می­ کنند [17].
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)