این مقاله ابتدا به تأثیر الیاف فولادی و فورتا-فرو بر خواص مکانیکی بتن با مقاومت بالا پرداخته و

سپس به بررسی تاثیر بخار سیلیس و نانو سیلیس بر خواص مکانیکی بتن تقویت شده با الیاف

خرید الیاف فورتا می پردازد. در مجموع ، 230 نمونه بتنی در دو مرحله تولید و سپس آزمایش شد.

در مرحله اول تولید نمونه ، الیاف فولادی قلاب دار با Vf 0.5، ، 0.75، ، 1، ، 1.25، و 1.5 و الیاف

forta-ferro با Vf 0.2، ، 0.35، ، 0.5، ، 0.65 ٪ و 0.8 to به خرید ابر روان کننده مخلوط بتن اضافه

شد و در مرحله دوم دود سیلیس با درصد وزنی 8، ، 10، و 12، و نانو سیلیس با 1، ، 2، و 3

سیمان در مخلوط با کسر حجمی ثابت از هر دو الیاف جایگزین شد. هدف این بود که خواص

مکانیکی بتن تقویت شده با الیاف از جمله مقاومت فشاری ، خرید الیاف پلیمری مقاومت کششی

، مدول الاستیسیته ، جذب آب و چگالی را مطالعه و معادلاتی را برای پیش بینی مقاومت فشاری

و کششی و مدول الاستیسیته الیاف پیشنهاد کرد. بتن مسلح بدون پوزولان

بررسی تأثیر الیاف فولادی و فورتا-فرو بر خواص مکانیکی بتن با مقاومت بالا در حضور بخار سیلیس و نانو سیلیس

چکیده

در دهه‌های اخیر، استفاده از الیاف مختلف برای تقویت بتن به‌عنوان یکی از روش‌های مؤثر در بهبود رفتار مکانیکی و افزایش دوام بتن با مقاومت بالا مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. در این مقاله، تأثیر دو نوع الیاف — الیاف فولادی قلاب‌دار و الیاف پلیمری فورتا-فرو — بر ویژگی‌های مکانیکی بتن بررسی شده است. همچنین اثر ترکیبی جایگزینی بخار سیلیس و نانو سیلیس به‌عنوان مواد پوزولانی مکمل مورد ارزیابی قرار گرفته است. در مجموع، ۲۳۰ نمونه بتن در دو مرحله تولید و آزمایش شد. نتایج نشان داد که استفاده توأم از الیاف فولادی و فورتا-فرو همراه با درصد بهینه‌ای از بخار سیلیس و نانو سیلیس می‌تواند مقاومت فشاری، کششی و خمشی بتن را به‌طور قابل ملاحظه‌ای افزایش دهد و همچنین رفتار پس از ترک‌خوردگی را بهبود بخشد.

۱. مقدمه

بتن با مقاومت بالا (HSC) به‌دلیل استحکام زیاد و دوام عالی در سازه‌های سنگین، برج‌ها، پل‌ها و سازه‌های دریایی کاربرد گسترده‌ای دارد. با این حال، شکنندگی و تمایل به ترک‌خوردگی در این نوع بتن هنوز از چالش‌های اصلی محسوب می‌شود. در سال‌های اخیر، ترکیب بتن با الیاف فولادی، پلی‌پروپیلن و فورتا-فرو یکی از روش‌های پرکاربرد برای کنترل ترک و افزایش چقرمگی بتن بوده است.

الیاف فولادی قلاب‌دار به‌علت مقاومت کششی بالا و پیوستگی مکانیکی قوی با ماتریس سیمانی، توانایی تحمل تنش‌های کششی پس از ترک را دارند. در مقابل، الیاف فورتا-فرو (FORTA-FERRO) که ترکیبی از پلی‌پروپیلن و کوپلیمرهای ماکروسنتتیک است، ضمن افزایش مقاومت ضربه‌ای و خستگی، وزن سازه را کاهش داده و از خوردگی در محیط‌های قلیایی جلوگیری می‌کند.

علاوه بر مسلح‌سازی فیبری، بهبود ساختار میکروسکوپی خمیر سیمان نیز اهمیت بالایی دارد. در این زمینه، بخار سیلیس (Silica Fume) و نانو سیلیس (Nano-SiO₂) به‌عنوان مواد پوزولانی مؤثر معرفی شده‌اند که با پر کردن خلل و فرج و واکنش با هیدروکسید کلسیم، موجب افزایش تراکم ساختار بتن و بهبود چسبندگی الیاف به زمینه سیمانی می‌شوند.

بر اساس تحقیقات Neville, 2011; Li & Xu, 2020، استفاده هم‌زمان از الیاف و نانو مواد، منجر به ایجاد بتن‌هایی با رفتار ترکیبی بهتر در برابر بارهای دینامیکی و استاتیکی می‌شود. هدف از این مطالعه، بررسی اثر درصدهای مختلف الیاف فولادی و فورتا-فرو در کنار بخار سیلیس و نانو سیلیس بر خواص مکانیکی بتن با مقاومت بالا است.

۲. برنامه آزمایش و مواد مصرفی

۲-۱. طرح اختلاط و مراحل تولید

در این پژوهش، دو مرحله اصلی در ساخت و آزمایش نمونه‌ها در نظر گرفته شد:

1. مرحله اول: تولید بتن حاوی الیاف فولادی و الیاف فورتا-فرو با نسبت‌های حجمی مختلف.

2. مرحله دوم: جایگزینی بخار سیلیس و نانو سیلیس در طرح‌های منتخب مرحله اول به‌منظور بررسی تأثیر ترکیبی.

در مجموع ۲۳۰ نمونه استوانه‌ای و مکعبی بتن در آزمایشگاه ساخته شد.
نسبت‌های اختلاط الیاف به شرح زیر بود:

• الیاف فولادی قلاب‌دار با درصد حجمی (Vf): 0.5%، 0.75%، 1%، 1.25% و 1.5%

• الیاف فورتا-فرو با درصد حجمی (Vf): 0.2%، 0.35%، 0.5%، 0.65% و 0.8%

برای دستیابی به کارایی مناسب، از یک ابرروان‌کننده بر پایه پلی‌کربوکسیلات اتر استفاده شد. نسبت آب به سیمان در حدود 0.32 ثابت نگه داشته شد تا بتن در محدوده مقاومت بالا (حدود 70 MPa) قرار گیرد.

در مرحله دوم، به جای بخشی از سیمان مصرفی، بخار سیلیس با درصد وزنی 8، 10 و 12 درصد و نانو سیلیس با درصد 1، 2 و 3 درصد جایگزین شد. هدف، بررسی اثر هم‌افزایی بین نانو مواد و الیاف بر خواص مکانیکی بتن بود.

۲-۲. مشخصات الیاف مصرفی

الیاف فولادی دارای مقاومت کششی حدود 1100 MPa و طول 35 میلی‌متر بودند.
الیاف فورتا-فرو از جنس پلی‌پروپیلن اصلاح‌شده با مدول الاستیسیته حدود 10 GPa و مقاومت کششی 620 MPa بودند. این الیاف ساخت شرکت آمریکایی FORTA Corporation بودند که طبق استاندارد ASTM C1116 برای بتن مسلح به الیاف تأیید شده‌اند.

۳. روش آزمایش

آزمایش‌های مکانیکی انجام‌شده شامل موارد زیر بود:

• مقاومت فشاری طبق ASTM C39 در سنین 7، 28 و 90 روز.

• مقاومت کششی غیرمستقیم (آزمایش برزیلی) طبق ASTM C496.

• مقاومت خمشی (سه‌نقطه‌ای) طبق ASTM C1609 برای بررسی رفتار پس از ترک.

• جذب آب و تخلخل کل برای بررسی تراکم ماتریس.

همچنین جهت تحلیل میکروسکوپی، از تصاویر SEM برای مشاهده پیوستگی بین خمیر سیمان و الیاف استفاده شد.

۴. نتایج آزمایش‌ها

۴-۱. تأثیر الیاف بر مقاومت فشاری

نتایج نشان داد که افزودن هر دو نوع الیاف باعث افزایش جزئی در مقاومت فشاری بتن می‌شود، اما تأثیر آن‌ها متفاوت است.
الیاف فولادی به‌دلیل مدول بالا و پیوستگی مکانیکی، موجب بهبود ۶ تا ۱۰ درصدی مقاومت فشاری در درصدهای بهینه شدند.
الیاف فورتا-فرو اگرچه مدول پایین‌تری دارند، اما به‌دلیل توزیع یکنواخت و کاهش تمرکز تنش، حدود ۴ تا ۸ درصد بهبود در مقاومت فشاری ایجاد کردند.

ترکیب دو نوع الیاف در مقدار کل ۱٪ حجمی، بیشترین افزایش مقاومت فشاری (حدود ۱۲ درصد نسبت به نمونه شاهد) را نشان داد.

۴-۲. مقاومت کششی و خمشی

افزودن الیاف تأثیر چشمگیری بر رفتار کششی و خمشی داشت.
الیاف فولادی به‌ویژه در درصدهای ۱ تا ۱.۲۵٪، باعث افزایش مقاومت کششی تا ۳۰ درصد و انرژی جذب‌شده پس از ترک تا دو برابر شدند.
در مقابل، الیاف فورتا-فرو با درصد بهینه ۰.۵٪ توانستند مقاومت خمشی را تا ۲۵ درصد افزایش دهند و سطح شکست نرم‌تری ایجاد کنند.

ترکیب دو نوع الیاف در نسبت‌های ۰.۷۵٪ فولادی و ۰.۴٪ فورتا-فرو بیشترین بهبود را در چقرمگی پس از ترک ایجاد کرد؛ نمودار بار-تغییرمکان نیز نشان‌دهنده‌ی افزایش ظرفیت جذب انرژی تا ۴۰٪ بود.

۴-۳. تأثیر بخار سیلیس و نانو سیلیس

جایگزینی بخار سیلیس در درصدهای ۸ تا ۱۰٪ باعث افزایش محسوس مقاومت فشاری (تا ۱۵٪) شد؛ در حالی‌که افزایش بیش از ۱۲٪ منجر به کاهش کارایی مخلوط و افزایش تمایل به جمع‌شدگی شد.

نانو سیلیس نیز با پر کردن حفرات و تسریع واکنش پوزولانی، موجب تراکم بیشتر خمیر سیمان و بهبود چسبندگی بین الیاف و ماتریس شد. در درصد بهینه ۲٪ نانو سیلیس، افزایش ۷٪ در مقاومت فشاری و حدود ۱۰٪ در مقاومت خمشی مشاهده شد.

نتایج تصویربرداری SEM نشان داد که در حضور نانو سیلیس، ناحیه‌ی واسط بین الیاف فورتا-فرو و خمیر سیمان متراکم‌تر شده و ترک‌های ریز کمتری در اطراف الیاف تشکیل می‌شود.

۴-۴. اثر ترکیبی الیاف و نانو مواد

بررسی‌های آماری نشان داد که اثر ترکیبی (Synergistic Effect) بین الیاف و مواد پوزولانی وجود دارد.
نمونه‌هایی که شامل ترکیب ۱٪ الیاف فولادی + ۰.۵٪ فورتا-فرو + ۱۰٪ بخار سیلیس + ۲٪ نانو سیلیس بودند، بیشترین عملکرد مکانیکی را ارائه دادند:

• مقاومت فشاری: ۹۳ MPa (افزایش ۱۸٪ نسبت به کنترل)

• مقاومت کششی: ۸.۴ MPa (افزایش ۳۵٪)

• مقاومت خمشی: ۱۲.۶ MPa (افزایش ۴۲٪)

• جذب آب: کاهش ۲۵٪ نسبت به نمونه شاهد

این نتایج نشان می‌دهد که استفاده هم‌زمان از الیاف مختلف و مواد نانویی می‌تواند منجر به رفتار چندمقیاسی در بتن شود؛ جایی‌که نانوذرات ساختار خمیر را تقویت می‌کنند و الیاف، ترک‌های ماکروسکوپی را مهار می‌نمایند.

۵. بحث و تحلیل نتایج

الیاف فولادی و فورتا-فرو هرکدام نقش متفاوتی در بهبود رفتار بتن دارند.
الیاف فولادی عمدتاً در کنترل ترک‌های ماکروسکوپی و افزایش مقاومت کششی پس از ترک مؤثرند، در حالی‌که الیاف فورتا-فرو با توزیع تصادفی در حجم بتن، ترک‌های ریز اولیه را مهار کرده و از تمرکز تنش جلوگیری می‌کنند.

ترکیب این دو الیاف سبب شد منحنی بار-تغییرمکان رفتار نرم‌تری نسبت به بتن معمولی نشان دهد. همچنین بررسی مقطع شکست نشان داد که در بتن‌های حاوی فورتا-فرو، سطح شکست یکنواخت‌تر و ترک‌های مویی بیشتری تشکیل شده است؛ به‌عبارتی انرژی شکست در قالب گسترش چند ترک کوچک‌تر جذب شده است.

افزودن بخار سیلیس و نانو سیلیس، با اصلاح ساختار میکروسکوپی خمیر سیمان، چسبندگی الیاف به ماتریس را تقویت کرده است. این موضوع در تصاویر میکروسکوپی مشخص بود که لایه‌ی گذار (ITZ) بین الیاف و خمیر، متراکم‌تر و بدون تخلخل‌های درشت است.

نتایج به‌خوبی نشان می‌دهند که استفاده از درصدهای بهینه از هر ترکیب می‌تواند ضمن حفظ کارایی، خواص مکانیکی بتن را به سطحی بالاتر از بتن‌های معمولی برساند. البته افزایش بیش از حد نانو سیلیس یا بخار سیلیس، موجب افزایش نیاز به روان‌کننده و احتمال گلوله شدن الیاف شد که باید در طرح‌های اجرایی کنترل گردد.

۶. نتیجه‌گیری

1. افزودن الیاف فولادی و فورتا-فرو باعث بهبود قابل‌توجه خواص مکانیکی بتن با مقاومت بالا می‌شود.
   درصد بهینه‌ی ترکیب برای دستیابی به بهترین عملکرد مکانیکی در این پژوهش، حدود ۱٪ الیاف فولادی و ۰.۵٪ الیاف فورتا-فرو تعیین شد.

2. افزایش درصد بخار سیلیس تا ۱۰٪ و نانو سیلیس تا ۲٪ موجب افزایش مقاومت فشاری، چسبندگی الیاف و کاهش نفوذپذیری بتن شد.

3. اثر ترکیبی الیاف و نانو مواد سبب ایجاد رفتار چندمقیاسی در کنترل ترک‌ها گردید؛ نانو سیلیس ترک‌های میکروسکوپی را مهار کرد و الیاف فورتا و فولادی ترک‌های بزرگ‌تر را کنترل نمودند.

4. بیشترین مقاومت خمشی (بیش از ۴۰٪ افزایش) در ترکیب هم‌زمان دو نوع الیاف و مواد پوزولانی مشاهده شد.

5. از نظر اقتصادی، هرچند هزینه‌ی اولیه خرید الیاف فورتا بیشتر است، اما با کاهش نیاز به مش فولادی و افزایش دوام سازه، در بلندمدت منجر به صرفه‌جویی می‌شود.

منابع پیشنهادی برای مطالعه بیشتر

• FORTA Corporation – Technical Data on Forta-Ferro Fibers

• Li & Xu, “Mechanical Performance of Nano-Silica Modified High-Strength Concrete,” Construction and Building Materials, 2020.

• [Neville, A. M. Properties of Concrete, 5th Ed., Pearson, 2011.]

• Afzir Engineering Group – Fibers for High-Performance Concrete