دیباچه:
امروزه نمای GFRC که مخفف واژه Glass Fibre Reinforced Concrete به معنی بتن تقویت شده با الیاف شیشه می باشد در صنعت ساختمان رایج شده است. این نما از لحاظ زیبایی و سبکی مورد انتخاب بسیاری از معماران و طراحان می باشد. در این مقاله به معرفی، بررسی ویژگی ها، خواص مکانیکی و فیزیکی و کابردهای GFRC در صنعت ساخت و ساز می پردازیم.
تاریخچه:
در دهه 1940، کاربرد شیشه به عنوان یک ماده ساختمانی اثبات گردید. در دهه 1960 با افزودن دی اکسید زیرکونیم برای محیط های با درجه قلیایی بالا بهبود داده شد. در نتیجه نسل جدیدی از الیاف شیشه با روند توسعه این پیشرفت ها حاصل گردید و تولید بتن تقویت شده با الیاف شیشه برای کاربردهای مختلف آغاز گردید. در دهه 1980 استانداردهای EN توسعه یافتند، کنترل کیفیت برای بهترین عملکرد در تولید و طرح های پشتیبانی شده توسط انجمن بین المللی بتن الیاف شیشه افزایش یافت. مطالعات و آزمایشات علمی روی GFRC نشان داده است که خواص فیزیکی و مکانیکی آن بسته به کیفیت مواد و دقت روش های تولید تغییر می کند. GFRC را می توان در هر جایی که به یک ماده سبک، قوی، مقاوم در برابر آتش، مقاوم در برابر آب و هوا، جذاب و غیر قابل نفوذ نیاز است، استفاده کرد. پیشرفت در تکونولوژی GFRC این انتظار را به وجود آورد که فرم های مختلف ساختمان با هزینه کمتری ساخته شود. در سالهای اولیه، تولید GFRC با ساخت و ساز در سراسر جهان افزایش چشمگیری یافت. در مقطعی رشد تولید آن به دلیل بحران اقتصادی جهانی کاهش یافت اما استفاده از GFRC توسط معماران بزرگ در مناطق مختلف جهان گسترده شد. در سالهای اخیر، اثر الیاف شیشه در مخلوطهای هیبریدی برای بتن با کارایی بالا (HPC)، یک فناوری نوظهور که در صنعت ساختوساز محبوب شده است، بررسی شده است.
معرفی:
GFRC ماده ای است که برای بیش از چهار دهه سهم قابل توجهی در اقتصاد، فناوری و زیبایی شناختی صنعت ساخت و ساز در سراسر جهان دارد. GFRC یکی از متنوع ترین مصالح ساختمانی در دسترس معماران و مهندسان است. در مقایسه با بتن مرسوم، به دلیل ساختار خاص خود دارای خواص پیچیده ای می باشد. پارامترهای مختلف از جمله نسبت آب به سیمان، تخلخل، چگالی کامپوزیت، محتوای بین پرکننده، محتوای فیبر، جهت و طول، نوع پخت بر خواص و رفتار GFRC و همچنین دقت روش تولید تأثیر میگذارد. GFRC را می توان تا ضخامت 6 میلیمتر تولید کرد، بنابراین وزن آنها بسیار کمتر از محصولات بتنی پیش ساخته مرسوم است. امروزه با پیشرفت فناوری، یک چاپگر سه بعدی با جوهر تقویت شده با الیاف شیشه می تواند یک ساختمان کامل و اشکال معماری پیچیده با قابلیت اطمینان بالا، بخوبی استفاده از روش های premix و spray–up و ترکیبی GFRC ایجاد کند. پانل های خود تمیز شونده کاملا سازگار با محیط زیست جهت ساخت و سازهای صنعتی هم از نظر هزینه و هم از نظر محبوبیت به توسعه GFRC کمک کرده اند. استفاده از الیاف شیشه در بتن با رده کارایی بالا (HPC) که دارای عملکرد مکانیکی، دوام، کارایی و زیبایی فوق العاده بالا است، در سال های اخیر شتاب بیشتری یافته است. طراحی و ساخت محصولات GFRC تحت پوشش استانداردهای بین المللی است که در اروپا، آمریکا، آسیا و استرالیا توسعه یافته است. امروزه GFRC در بیش از 100 کشور تولید می شود.
روش های تولید GFRC:
دو روش برای تولید GFRC وجود دارد که premix و spray–up نامیده می شوند.
Premix (پیش اختلاط):
در روش تولید GFRC با پیش اختلاط و ریختهگری، ابتدا ماتریس سیمان تولید میشود و با الیاف شیشهای از پیش بریده شده بین ۲ تا ۴ درصد (معمولاً ۵/۳ درصد) وزن، مخلوط میشوند. طول الیاف پیش برش معمولاً 6 تا 12 میلی متر است، با این حال، الیاف بلندتر منجر به محدود شدن کارایی مخلوط می شود. به ترتیب، ماتریس در یک میکسر با برش بالا تولید می شود و رشته های الیاف خرد شده به دلیل حداکثر کارایی در یک پروسه اختلاط با سرعت پایین یکپارچه می شوند. این امر پراکندگی آنها را در بالاترین حجم کاربردی با حداقل آسیب به الیاف تسهیل می کند. تولید GFRC با روش Premix ممکن است شامل چندین پروسه مانند تزریق و ویبره، پرس یا شاتکریت باشد.
spray–up:
در فرآیند spray–up ، ملات جدا از الیاف تولید می شود و در جت تفنگ اسپری مخلوط می شوند. رشته های الیاف شیشه در داخل تفنگ اسپری به اندازه مورد نیاز ،که معمولاً بین 25 تا 40 میلی متر است و حدود 4 تا 5 درصد وزن کل مخلوط را تشکیل می دهد، بریده می شوند. با استفاده از ماتریس بدون الیاف، یک پوشش نازک تا حد ممکن با اسپری ایجاد می شود. لایه های بعدی ماتریس با الیاف به سرعت اعمال می شوند تا از یکپارچگی اطمینان حاصل شود پس از اینکه بخش عمده ای از GFRC در لایه ها روی آن ساخته شد، مخلوط برای سفت شدن آماده می شود. ضخامت لایه پوششی معمولاً 3 تا 5 میلی متر است که بستگی به نوع عملیات سطحی دارد. هر پاس تفنگ اسپری لایه ای به ضخامت تقریبی 4-6 میلی متر رسوب می دهد، با این حال، باید در تامین ضخامت کافی در گوشه ها و اشکال پیچیده محتاط بود. در نهایت، سازه با یک غلتک استوانه ای یا یک شناور فشرده می شود تا الیاف داخل ملات آغشته شود و هوای باقی مانده در مخلوط خارج شود. با استفاده از یک عمق سنج یا یک الگو، ضخامت لایه طبق مشخصات GFRC بررسی می شود که حداقل ویژگی های لازم برای GFRC را تامین کند.
علاوه بر این دو روش اصلی تولید، روش تولید دیگری نیز وجود دارد: فرآیند هیبریدی. در روش هیبریدی جایگزین، از تفنگ قیف برای اسپری روی قشر رویه استفاده می شود. مخلوط نگهدار الیاف اغلب مانند بتن معمولی ریخته یا با دست متراکم می شود. مخلوط های رویه و نگهدار در زمان های مختلف اعمال می شوند زیرا قوام آنها می تواند متفاوت باشد. همیشه مهم است که اطمینان حاصل شود که ترکیب ناخالص همانند نسبت آب به سیمان و محتویات پلیمر به شکل یکسان باشد تا از پیچش جلوگیری شود. با این حال، دوز سنگین الیاف در مخلوط نگهدارنده، اغلب مانع از اسپری می شود، بنابراین روش های سنتی مورد نیاز است.
عمل آوری Curing:
مرحله عمل آوری اساساً با فناوری بتن معمولی متفاوت نیست. علاوه بر این، محصول GFRC نسبت به اثرات مضر عمل آوری نامناسب آب بسیار حساس تر است. سطح بالاتر و ضخامت کم GFRC می تواند منجر به افزایش خشک شدگی و کاهش استحکام آن شود. به دلیل محتوای پلیمری، عمل آوری مرطوب طولانی مدت اغلب غیر ضروری است. مقادیر کمی پلیمرهای اکریلیک در مخلوط تازه، رطوبت داخلی را حفظ کرده و از تبخیر آن جلوگیری می کند. از خشک شدن ناگهانی و سریع یا تغییرات زیاد دما باید اجتناب شود تا اطمینان حاصل شود که GFRC به استحکام کافی برای قالب برداری برسد. به طور کلی، قطعات GFRC روز بعد، عمدتاً 16 و 24 ساعت پس از ریختن، قالب برداری می شوند. عمل آوری طولانی تر همیشه بتن بهتری را به همراه خواهد داشت، اما تمایل عمومی به قالب برداری در سریعترین زمان ممکن می باشد.
ویژگی های ساختاری GFRC:
خواص مواد سیمانی تقویت شده با الیاف به ساختار کامپوزیت بستگی دارد. بنابراین، برای تجزیه و تحلیل این کامپوزیت ها و پیش بینی عملکرد آنها در شرایط بارگذاری مختلف، ساختار داخلی آنها باید مشخص شود. سه مؤلفه ای که باید در نظر گرفته شود عبارتند از:
- ساختار ماتریس سیمانی حجیم،
- شکل و توزیع الیاف،
- ساختار رابط الیاف-ماتریس
ماتریس:
ماتریس سیمانی حجیم را می توان بسته به ماده پرکننده ذرات (سنگدانه) که شامل آن می شود به دو نوع تقسیم کرد: خمیر/ملات (مخلوط سیمان/ماسه-آب) و بتن (سیمان-ماسه-سنگدانه درشت-آب). خمیرها یا ملات های بتن مسلح الیاف شیشه معمولاً در ورقه های نازکی استفاده می شود که عمدتاً برای روکش کاری استفاده می شود.. در این شیوه، الیاف به عنوان تقویت کننده اولیه عمل می کنند و محتوای آنها معمولاً در محدوده 5 تا 15 درصد حجمی است. برای ساخت چنین کامپوزیت هایی باید از روش های تولید خاصی استفاده شود.
الیاف ها:
به طور کلی دو نوع متفاوت از مجموعه تقویت کننده الیاف وجود دارد: تقویت پیوسته به شکل الیاف بلند که با تکنیک هایی مانند سیم پیچی رشته یا با چیدمان لایه های الیاف های در هم تنیده در ماتریس یکپارچه می شود. و الیاف کوتاه گسسته با طول معولا کمتر از 20 میلی متر که با روش هایی مانند اسپری و مخلوط کردن در ماتریس یکپارچه می شوند. مجموعه تقویت کننده را می توان با توجه به پراکندگی الیاف در ماتریس، به صورت تصادفی دو بعدی یا سه بعدی طبقه بندی کرد.
این زمانی اتفاق می افتد که الیاف ها در بتن مخلوط می شوند و بتن در قالب ریخته می شود. به دلیل جهت گیری تصادفی و سه بعدی، تعداد بسیار کمی از الیاف در واقع قادر به مقاومت در برابر بارهای کششی هستند که در جهت خاصی ایجاد می شوند. این سطح از تقویت الیاف بسیار کم بازده است و به بارهای بسیار بالایی از الیاف نیاز دارد. به طور معمول، تنها حدود 15٪ از الیاف به درستی جهت گیری می شوند
سطح دوم تقویت کننده تصادفی دو بعدی است. این همان چیزی است که در تولید GFRC با روش spray–up وجود دارد. الیاف ها به طور تصادفی در یک صفحه نازک جهت گیری می کنند. همانطور که الیاف ها به داخل قالب ها اسپری می شوند، در حالت مسطح قرار گرفته و شکل قالب را می گیرند. به طور معمول، 30 تا 50 درصد الیاف ها دارای جهت گیری بهینه هستند.
ساختار رابط الیاف- ماتریس:
کامپوزیت های سیمانی با یک منطقه انتقال سطحی در مجاورت سنگدانه های تقویت کننده مشخص می شوند، که در آن دور از سطح مشترک، ریزساختار ماتریس خمیر به طور قابل توجهی با خمیر حجیم متفاوت است، ماهیت و اندازه این منطقه انتقال به نوع الیاف و فناوری تولید بستگی دارد. در برخی موارد، می تواند به طور قابل توجهی با گذشت زمان تغییر کند. با توجه به توسعه ریزساختار در منطقه انتقال، باید یک پکیج رشته ساخته شود و در این پکیج رشته، فقط رشتههای خارجی تمایل به دسترسی مستقیم به ماتریس دارند.
ویژگی های GFRC:
پارامترهای مختلفی مانند نسبت آب به سیمان، تخلخل، چگالی کامپوزیت، محتوای بین پرکننده، محتوای فیبر، جهت و طول، و نوع عمل آوری بر خواص و رفتار GFRC تأثیر میگذارند. توانایی GFRC از دوز بهینه الیاف و پلیمر اکریلیک ناشی می شود. ماتریس پلیمر و بتن برای اتصال الیاف به یکدیگر و انتقال بارها از یک الیاف به الیاف دیگر از طریق تنش های برشی عمل می کند . چگالی و تخلخل بر میزان تراکم موثر است.
در سازه بتنی کارایی الیاف به جهت گیری آنها بستگی دارد. هنگامی که الیاف ها به صورت عمود بر دهانه های ترک در جهت تنش تراز شوند ، تأثیر مثبت الیاف بر عملکرد GFRC افزایش می یابد. علاوه بر آن به دلیل نیاز به بهبود عملکرد طولانی مدت GFRC، نوع الیاف شیشه مانند E و الیاف شیشه مقاوم در برابر قلیایی (AR) و همچنین شرایط محیطی باید در نظر گرفته شود. هنگامی که اثر قلیایی، مکانیسم اصلی تخریب در شیشه E در نظر گرفته می شود، باید توجه داشت که الیاف را به طور کامل از ماتریس درزگیری کنید یا از مواد سیمانی با خاصیت قلیایی بسیار کم استفاده کنید. از سوی دیگر، به منظور بهبود مقاومت قلیایی و دوام GFRC با الیاف شیشه ای AR، تلاش اصلی باید اصلاح ریزساختار ماتریس در مجاورت رشته های شیشه ای باشد. این می تواند با کنترل فرآیند هیدراتاسیون در مجاورت آن یا تغییر ترکیب ماتریس تامین شود.
سرعت فرسودگی تابعی از نوع الیاف شیشه است. نسل جدید الیاف AR-glass بهتر از الیاف شیشه E هستند. عملکرد فرسودگی کامپوزیت به شرایط نیز جوی حساس است. با ادامه روند فرسودگی ، حملات شیمیایی ممکن است قابل توجه باشد، بنابراین توسعه الیاف شیشه ای ویژه برای مقاومت قلیایی بهتر است. با توجه به اهمیت این پارامترها و شرایط موثر بر ویژگیهای GFRC، تجدید نظری برای نشان دادن اثرات آنها بر خواص مکانیکی و فیزیکی بتن انجام میشود.
خواص مکانیکی GFRC:
مقاومت فشاری:
مقاومت فشاری بتن با افزودن الیاف به مخلوط بتن افزایش یافته است، اما افزودن بیشتر الیاف نشان دهنده کاهش تدریجی جنبه های مقاومتی است.
مدول الاستیسیته:
در مواد ناهمگن و چند فازی مانند بتن، چگالی و ویژگیهای ناحیه انتقال، رفتار مدول الاستیسیته کامپوزیت را تعیین میکند. نتایج آزمایش تجربی نشان می دهد که استفاده از الیاف تاثیر مهمی بر مدول الاستیسیته بتن ندارد. گزارش شده است که عمدتاً کاهش اندکی در مدول الاستیسیته بتن دارد.
منحنی تنش کرنش:
رفتار تنش-کرنش تحت تأثیر پارامترهای مختلفی مانند اثر طول الیاف، نوع سنگدانه و اثر روش بارگذاری قرار میگیرد. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، GFRC تاثیر قابل توجهی بر قسمت صعودی منحنی تنش-کرنش دارد و علاوه بر این، قسمت نزولی منحنی تنش-کرنش یک عنصر کلیدی ضروری تحت بارهای فشاری است.
مقاومت خمشی:
الیاف شیشه در افزایش مقاومت خمشی بتن تاثیر دارند. شکل زیر نشان می دهد که افزایش محتوای الیاف (اما نه افزایش زیاد) منجر به افزایش مقاومت خمشی بتن در مقایسه با نمونه بتن ساده است. الیاف در برابر انتشار ترک ها مقاومت می کنند و باعث کاهش شکست ناگهانی سازه بتن می شوند و بنابراین منجر به افزایش ظرفیت تحمل بار بتن می شوند.
خواص فیزیکی GFRC:
انقباض در اثر خشک شدن:
انقباض در اثر خشک شدن تاثیر بسزایی بر عملکرد ساختاری و دوام بتن دارد. مکانیسم انقباض مواد سیمانی پیچیده است، اما انقباض کل اساساً تحت تأثیر نسبت و نوع سنگدانه و نسبت آب به سیمان است که بر خشک شدن تأثیر می گذارد و باعث انتشار بسیاری از ترک های میکرو به طور همزمان می شود. انقباض در سازه های بتنی همچنین ممکن است اشکالی از آسیب را در بتن ایجاد کند مانند خوردگی، آسیب یخ زدگی در این حالت، و به طور جدی عمر مفید بتن را کوتاه می کند. الیاف شیشه ای مقاوم در برابر قلیایی در کنترل ترک خوردگی انقباض محدود بتن موثر هستند و باعث ایجاد ترک های متعدد با عرض کمتر می شوند. شکل های زیر نشان می دهد که افزایش محتوای الیاف، منجر به کاهش قابل توجهی در کرنش انقباضی بتن، به خصوص از 25 تا 75 روز، در مقایسه با نمونه بتن ساده است.
خزش:
بتن به دلیل ظرفیت کرنش ضعیف و استحکام کششی کم، ماده ای شکننده است و به شدت مستعد ترک خوردن است. این ترک ها می توانند طول عمر یک سازه را با تسهیل عوامل تهاجمی کاهش دهند. بنابراین، سیر تکاملی دهانه های ترک در طول زمان برای دوام بتن مهم است. از نظر خزش و انقباض، تکنیک کاربردی GFRC باید در نظر گرفته شود. با اسپری پنوماتیک، الیاف شیشه در زمان ساخت مخلوط ملات اضافه می شود و تغییرات قابل توجهی در ترکیبات موجود جهت مصرف بیندر را در برمی گیرد. این می تواند بر کرنش خزشی تأثیر بگذارد.
تخلخل، مقاومت در برابر نفوذ کلرید و مقاومت الکتریکی:
بتن یک ماده چند فازی است و دارای منافذ ریز زیادی است که به دلیل یون ها، قابل انتقال است. بنابراین، اندازه گیری مقاومت روشی تعیین کننده برای کشف ریزساختار بتن است. مقاومت بتن تحت تأثیر عوامل زیادی مانند نسبت آب به سیمان، ترکیب بتن، مواد افزودنی، شرایط عمل آوری، رطوبت است. در نتیجه، تمام این اثرات می تواند باعث افزایش خطر خوردگی میلگرد فولادی در بتن شود که در شکل زیر قابل مشاهده است. علاوه بر این، وجود کلرید در سازه بتنی می تواند جریان الکتریکی و خطر خوردگی را افزایش دهد. مقاومت قلیایی GFRC باعث کاهش نفوذپذیری کلرید می شود که در نتیجه مقاومت در برابر خوردگی افزایش می یابد. همان طور که در شکل زیر قابل مشاهده است ، افزایش محتوای الیاف منجر به کاهش قابل توجهی در نفوذپذیری کلرید در بتن، در مقایسه با نمونه بتن ساده می شود. بنابراین، دوام که یکی از مهمترین جنبه های بتن است، می تواند در شرایط کار سازه های بتنی بهبود یابد.
مقاومت الکتریکی بتن با افزایش نسبت آب به سیمان کاهش می یابد. علاوه بر این، به دلیل افزایش تخلخل در بتن با افزودن الیاف، مقادیر مقاومت بتن های الیافی کمتر از یک بتن کنترل شده است. الیاف ها می توانند با نگه داشتن ماتریس در کنار یکدیگر نتیجه بسیار قابل قبولی را داشته باشند حتی اگر بتن آب زیادی را از دست بدهد و احتمال ترکیدن بتن را ایجاد کند. افزودن مواد پلیمری به GFRC بر خواص عملکرد حرارتی تاثیر می گذارد
کاربردها و آخرین پیشرفت های GFRC:
در مقایسه با بتن رایج ، GFRC به دلیل ساختار خاص خود، دارای خواص پیچیده ای است. در نتیجه خواص ساختاری، دارای قالب گیری مناسب، ساختار قوی و بادوام می باشد. علاوه بر این، به دلیل نصب سریع و حمل و نقل آسان، کم هزینه می باشد. صدا را جذب یا پراکنده می کند و سازگار با محیط زیست است.
یکی از ویژگی های کلیدی GFRC، تطبیق پذیری آن در استفاده است. GFRC به طور گسترده و قابل اعتماد در معماری (به عنوان مثال روکش فلزی، قالب گیری، محوطه سازی)، ساختمان (به عنوان مثال سقف ها، دیوارها و پنجره ها، نوسازی، پایه ها و کف)، مهندسی (به عنوان مثال قالب های دائمی، تاسیسات، آکوستیک، پل ها و تونل ها، جاده ها، آب و زهکشی) استفاده می شود.
معماری آزاد پیچیده یکی از بارزترین روندها در معماری عصر حاضر است. امروزه طراحی و ساخت چنین سازه هایی مبتنی بر فناوری های دیجیتالی است که در سایر صنایع (خودرو، نیروی دریایی، هوافضا) توسعه یافته است. چاپگر سه بعدی نتیجه فناوری ساختمانی با کارایی بالا، سازگار با محیط زیست و مقرون به صرفه است. با پیشرفت تکنولوژی چاپگر سه بعدی می توان کل یک ساختمان را با قابلیت اطمینان بالا ساخت که بی تردید یک تحول بزرگ در صنعت ساخت و ساز سنتی ایجاد خواهد کرد. این ساختمان با استفاده از یک چاپگر بزرگ که برای ابعاد خاص برنامه ریزی شده است و جوهر چاپ تقویت شده با الیاف شیشه ای با استحکام بالا طراحی شده است.
از آنجایی که رنگ آمیزی انبوه GFRC یک کار سخت است و این وضعیت مستلزم انتخاب خاصی از سیمان، گرانول ها، مواد معدنی خوب و رنگدانه ها است، بنابراین آن را نسبتاً پرهزینه می کند. محصولات اشباع رنگی جایگزینی برای رنگ آمیزی انبوه بتن معماری هستند.
نتیجه گیری:
GFRC یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی در دسترس معماران و مهندسان است و کمک قابل توجهی به اقتصاد، فناوری و زیبایی شناسی صنعت ساخت و ساز کرده است. به طور کلی، عمر مفید GFRC به دلیل کنترل انتشار ریز ترک ها، خوردگی (به ویژه الیاف شیشه ای AR) و نفوذپذیری کمتر، از بتن های معمولی بالاتر است. GFRC سبک وزن است و حدود 50 تا 70 درصد سبک تر از بتن های معمولی است. با این حال، اختلاط (نیاز به مواد خاص) دشوار است. و هزینه آن به دلیل کاربرد الیاف شیشه، مواد افزودنی و کوپلیمر، اکریلیک ، بیشتر از بتن معمولی است ، اما توسعه فناوری می تواند این مقایسه را به طور قابل توجهی تغییر دهد. علاوه بر این، فرم های پیچیده، مواد تزئینی و کل ساختمان را می توان با کمک فناوری های دیجیتال تولید کرد. GFRC همچنین منبع بسیار مهمی است که شامل پانل های سازگار با محیط زیست خود تمیز شونده، سطوح به راحتی قابل رنگ شدن و کاربردهای بتن با کارایی بالا می باشد. در نتیجه، کاربردهای زیادی برای GFRC در عمل وجود دارد، اما تحقیقات بسیار کمی برای پشتیبانی از آن وجود دارد. در پاسخ به این نیاز که استفاده آن در عمل در حال گسترش است ، تحقیقات پیشرفته GFRC می تواند انجام شود تا خواص آن را بیشتر بهبود بخشد.