بخشی از مقاله
بررسی نماي سبک با استفاده از بتن مسلح به الیاف شیشه اي(GFRC )
چکیده
امروزه بتن هاي مسلح به الیاف شیشه اي به طور گسترده اي در صنعت ساختمان به ویژه صنعت نماسازي مورد استفاده قرار می گیرد. در این مقاله به موارد فنی بتن هاي حاوي الیاف شیشه اي و خصوصیات آنها پرداخته شده است.دو روش پاشش و پیش اختلاط براي تولید قطعات GFRC معرفی و با یکدیگر مقایسه شده اند.درصورتی که درصدو طول الیاف زیاد شود میزان هواي محبوس شده افزایش یافته و باعث کاهش چگالی ودر نتیجه کاهش وزن قطعات می شود.
واژههاي کلیدي: GFRC،الیاف شیشه اي،روش پاشش((spraying،روش پیش اختلاط .
.1 مقدمه
بتن هاي حاوي الیاف شیشه اي مخلوطی از ریزدانه،سیمان،آب،افزودنی هاي شیمیایی والیاف شیشه اي مقاوم در مقابل محیط هاي قلیایی هستند. GFRCهمانند بتن هاي معمولی براي اهداف مختلف طراحی می شود .بیشترین کاربرد بتن هاي حاوي الیاف شیشه اي به منظور اهداف زیبایی ونماسازي ساختمان است.این کاربرد تقریبا" هشتاد درصد کل کاربرد GFRC را در صنعت ساختمان شامل می شود.از دلایل استفاده ازGFRC در صنعت نماسازي ،می توان به موارد زیر اشاره کرد:
-کم بودن وزن المان هاي تولید شده با توجه به ضخامت کمتر -شکل گیري بسیار آسان GFRC با توجه فرم قالب
-توانایی تولید اشکال مختلف و پیچیده
-مقاومت خمشی،کششی وفشاري مناسب آن در شرایط مختلف
-پایایی و مقاومت در برابر شرایط محیطی مخرب
المان هاي GFRC معمولا" براي اجزاي پیش ساخته از قبیل پانل هاي دیوار،کتیبه ها،پوشش هاي ستون ها،زیر طاق ها،قطعه هاي معماري از قبیل قرنیس ها ،طاقچه ها سنگ زاویه ها، نرده ها وحتی براي لوازم داخلی خانه از قبیل پایه میز و صندلی ،گلدان ها ،شومینه ها و... مورد استفاده قرار می گیرند.
در اروپا ازGFRC به منظورهاي دیگرنیز استفاده می شود که تعدادي از آنها عبارتند از:پانل هاي ساندویچی ،ایستگاه هاي اتوبوس،عایق هاي صوتی،قالب هاي موقت و دائمی در هاي ضد آتش.در مواردي هم از GFRC براي ساخت لوله هاي فاضلابی ،آب روها ،قالب هاي در و پنجره وجعبه
ها استفاده شده است.ازGFRC همچنین براي عملیات لاینینگ تونل ها نیز استفاده می شود. در برخی موارد حتی براي ساخت اشیاء مصنوعی ،مجسمه ها و ... نیز استفاده می شود. قطعاتGFRC از سبکی قابل ملاحظه اي نسبت به المان هاي پیش ساخته معمولی دارند.این خاصیت باعث می شود تا وزن
ساختمان کم شده و شرایط براي مهندسان طراح مناسب تر شود.
.2 خواص عمومی GFRC
GFRC -1 در مقایسه با بتن هایی که به روش سنتی تولید می شوند داراي خواص بهتري می باشد.از خصوصیات برجسته GFRC می توان به موارد زیر اشاره کرد:
-1وزن کم به خاطر ضخامت کم
-2طراحی با انعطاف پذیري زیاد
-3 غیر قابل احتراق بودن
-4مقاوم بودن در برابر خوردگی هاي محیطی
-5مقاومت خمشی و کششی زیاد نسبت به بتن هاي معمولی
-6مقاومت زیاد در مقابل ضربه
به طور کلی GFRC با دو روش پاشش و پیش اختلاط ساخته می شود.در روش پاشش،دوغاب ماسه سیمان و الیاف شیشه اي بریده شده توسط یک نازل پاشش بر روي قالب مناسب پاشیده می شود. روش پیش اختلاط شامل مخلوط کردن سیمان،ماسه الیاف شیشه بریده شده و آب با یکدیگر در یک ملات با استفاده از مخلوط کن هاي استاندارد می باشد. GFRC هاي مختلف به علت روش اختلاط و کنترل کیفیت هاي متفاوت داراي خواص مختلفی هستند.فاکتورهاي اصلی تاثیر گذار بر مشخصات GFRC عبارتند از :
میزان درصد الیاف، جهت الیاف،طول الیاف ،نسبت آب به سیمان،تخلخل،چگالی،میزان فیلر مصرفی(ماسه نرم)، نوع عمل آوري.
درصد الیاف،طول و جهت آنها بر روي مقاومت کششی و خمشی نهایی و مقاومت ضربه اي GFRC تاثیر دارند.درصد زیاد الیاف باعث افزایش هواي محبوس شده در بتن می شود که این امر چگالی بتن را کاهش می دهد. طول الیاف نقش مهمی در مقاومت نهایی دارد اما طول بیش از حد آن باعث ایجاد مشکلاتی در مخلوط کردن بتن در روش پیش اختلاط و پاشیدن در روش پاشش دارد.به طور کلی طول الیاف 2 تا 5 سانتی متر مناسب می باشد.
جهت الیاف نیز تاثیر بسزایی برروي کارایی و خواص GFRC در جهات مختلف دارد. معمولا" در روش پاشش ،الیاف به صورت تصادفی در دوجهت مختلف پخش می شوند،اما در هنگام پخش باید دقت لازم باشد تا احیانا" الیاف به صورت موازي پخش نشوند چون در این صورت بتن داراي خواص مختلف در جهات مختلف خواهد داشت.
مقاومت هاي کششی و خمشی و مدول الاستیسیته با تغییر چگالی تغییر می کنند.با محبوس شدن هوا در اثر درصد و طول الیاف زیاد،میزان هواي محبوس شده افزایش یافته و باعث کاهش چگالی و در نتیجه کاهش وزن قطعات می شود اما تاثیر منفی برروي خواص بتن از قبیل کاهش مقاومت هاي نهایی خمشی وکششی و کاهش مدول الاستیسیته دارد.علت این موضوع کاهش سطح تماس خمیر والیاف و در نهایت کاهش چسبندگی آنها می باشد.
به این دلیل تراکم صحیح بتن هاي حاوي الیاف شیشه اي مهم بوده و به خصوص در روش پاشش به علت حجم زیاد هواي محبوس شده باید این تراکم با دقت بیشتري اجرا شود.در روش پیش اختلاط نیز معمولا" ازویبراتورها ویا مکنده هاي هوا براي این منظور استفاده می شود.عمل آوري درست نیز باعث کسب مقاومت بهتر بتن و درنتیجه پیوند درست الیاف و بتن می شود که خواص GFRC را بهبود می بخشد. نکته اي که در عمل آوري اولیه باید دقت شود این است که بتن هاي حاوي الیاف شیشه اي به علت سطح زیاد،ظرفیت جمع شدگی ناشی از خشک شدگی زیادي دارند و باید به خوبی عمل آوري شوند،البته وجود الیاف باعث کاهش ترك ها می شوند اما این امر توجیهی براي بی دقتی در این امر نمی باشد.
.3 معرفی الیاف شیشه اي (Glass Fiber)
بیشتر تحقیقات انجام شده بر روي بتن هاي مسلحبه الیاف شیشه اي (GFRC) به اوایل دهه 1960 بر می گردد. تحقیقات انجام شده بر روي الیافی از جنس بورو سیلیکات با اسم تجاري پیرکس (E-glass) و الیاف شیشه اي از جنس کربنات سدیم-آهک-سیلیس (A-glass) بود.مقاومت GFRC
هاي ساخته شده با الیاف مذکور پس از مدت نسبتا" کوتاهی به علت قلیائیتزیاد ماتریس خمیر سیمان، کاهش می یافت. زیرا این دو نوع الیاف با توجه به
درصد زیاد سیلیس در محیط هاي قلیایی نا پایدار بودند.در نتیجه براي موارد مصرف طولانی مدت مناسب نبودند.
ادامه تحقیقات منجر به تولید الیاف شیشه اي مقاوم در برابر محیط هاي قلیایی (AR-glass) و محصولات GFRC پایاتر شد. بتن هاي تولید شده
(AR- GFRC) نام گرفتند. این تحقیقات توسط موسسه تحقیقات ساختمانی انگلستان (BRE) در سال 1976 آغاز شد. آنها توانستند الیاف شیشه اي حاوي 16 درصد زیر کونیوم با مقاومت زیاد در مقابل محیط هاي قلیایی تولید کنند. در سال AR-glass 1971 ها توسط شرکت
Cem-Fill به تولید انبوه رسید. پس از آن شرکت NEG در ژاپن ،در سال AR-glass 1975 با 20 درصد زیرکونیوم تولید کرد. از آن پس استفاده از AR-glass در تولید GFRC افزایش یافت. در دهه 1970 اولین استاندارد مشخصات الیاف شیشه اي انتشار یافت و در دهه 1980، در
دوازده پروژه ساختمانی که در آمریکا اجرا شده بود براي ساخت پانل هاي دیواري ،از GFRC استفاده شد. در دو دهه اخیر موارد مختلف استفاده از
این محصولات به طور گسترده به وجود آمده است.امروزه انواع مختلفی از الیاف شیشه اي با خواص مختلف در جهان تولید می شود. آخرین نسل الیاف شیشه اي، AR-glass هستند که توسط دو شرکت بزرگ Cem-FILوNEG تولید و به تمام دنیا صادر می شود. علت نامگذاري این نوع
الیاف به الیاف شیشه اي ،داشتن پایه شیشه اي (Sio2)است الیاف شیشه اي از اکسیدهاي متنوعی از قبیل اکسید سدیم،سیلیس ، آهک و... ساخته شده اند. همانطور که قبلا" ذکر شد،در نسل جدید الیاف شیشه اي (AR-glass) با اضافه کردن اکسید زیر کونیوم((Zro2 پایایی الیاف تولیدي، در برابر
محیط هاي قلیایی بویژه بتن افزایش می یابد.برخی خواص الیاف شیشه اي از قبیل زیاد بودن مدول الاستیسیته نسبت به الیاف پلی پروپیلن، مقاوم بودن در
برابر محیط هاي قلیایی و زیاد بودن مقاومت کششی بتن هایی که با آنها سهخته می شود باعث شده که به طور وسیعی در صنعت ساختمان بخصوص در
بخش ساخت قطعات نما مورد استفاده قرار گیرند.در حال حاضر الیاف شیشه اي به سه شکل تولید می شود. -1به صورت رول هاي پیوسته (Roving) به منظور استفاده در روش پاشش (Spray)
-2به صورت بسته هاي با الیاف بریده شده به اندازه هاي مشخص به منظور استفاده در روش پیش اختلاط (Pre-mix) -3به صورت شبکه (داراي کاربردهاي خاص)
.4 روش هاي تولید GFRC
به طور کلی دوروش براي تولید قطعاتGFRC وجود دارد. این دو روش عبارتند از روش پاشش وروش پیش اختلاط.
روش پاشش((spraying
هنگامیکه GFRC به صورت مقاطع نازك مورد استفاده قرار می گیرد مهم این است که قطعه هاي GFRC خواص یکسانی در همه ي جهات سطح داشته باشند. روش پاشش روش موثري براي دستیابی به یکسان بودن این خواص است.در حال حاضر این روش در بیشتر محصولات تولید شده
GFRC در آمریکا مورد استفاده قرار می گیرد. در روش پاشش ،در واقع هر مقطعی به هر شکلی که باشد می تواند تولید شود. این مساله براي معماران این امکان را فراهم آورده است که طرح هایی که مد نظر دارند،تولید کننده هاي قطعات پیش ساخته می توانند آنها را تولید کنند.در این روش تولید،دوغاب ماسه سیمان و الیاف شیشه اي بریده شده توسط یک نازل پاشش بر روي قالب مناسب پاشیده می شود.نازل پاشش می تواند دستی حمل
شود یا بر روي دستگاه متصل گردد.دوغاب ماسه سیمان توسط یک پمپ با قابلیت اندازه گیري حجم به نازل منتقل می شودوتوسط هواي فشرده به صورت قطرات کوچک در می آید.از سوي دیگر رول هاي پیوسته الیاف شیشه شکل در دستگاه برشگر (chopper) به طول هاي از پیش تعیین شده (معمولا" ۵٢-٠۴ ميليمتر) بریده می شوند و توسط این دستگاه رشته هاي بریده شده را به نازل منتقل می کنند تا مخلوط یکنواختی از ملات و الیاف
به سطح قالب پاشیده شود.دوغاب معمولا" با نسبت 1:1 سیمان و ماسه و نسبت آب به سیمان در حدود 0.33 تولید می شود. با توجه به تامین کارپذیري مناسب نسبت آب به سیمان باید تا حد امکان کاهش یابد،زیرا افزایش نسبت آب به سیمان سبب کاهش مقاومت قطعات می گردد..به همین منظور
استفاده از افزودنی ها براي بدست آوردن کارپذیري مناسب،لازم است.نسبت الیاف به دوغاب قابل تنظیم است.معمولا" این نسبت در حدود 5 درصد وزنی می باشد. GFRC در چندین لایه پاشیده می شود.هر مرحله پاشش تقریبا" لایه اي با ضخامت 4 الی 6 متر را ایجاد می کند. بنابراین یک پانل به
ضخامت 12 میلیمتر به 2 تا 3 مرحله کامل احتیاج دارد. پس از اینکه هر لایه پاشیده شد،کاملا" تسطیح و فشرده می شوند. این کار به خارج کردن هواي محبوس و پوشاندن الیاف شیشه با خمیر سیمان کمک می کند.
هنگامیکه GFRCدر اوایل دهه 1970 به صورت صنعتی تولید گردید، نسبت ماسه به سیمان آن 1به 3 بود. در اواخر دهه 1970 برخی تولید کنندگان GFRC ، نوعی از آن را تولید کردند که در آن نسبت ماسه به سیمان را به 1 به 2 و حتی 1به 1 رساندند تا با این کار، میزان جمع شدگی را کمتر
کنند.از ارسال 1980 تا کنون نسبت ماسه ، به سیمان 1به 1 می باشد در حال حاضر مطالعاتی براي تولید مخلوط هاي GFRC که در آنها نسبت ماسه به سیمان بیشتر از یک است در حال انجام می باشد.
قطعات ساخته شده باید عمل آوري رطوبتی شوند تا حداکثر مقاومت خود را بدست آورند. عمل آوري این قطعات بسیار مهم است،زیرا بخاطر مقطع نازك مستعد از دست دادن سریع رطوبت هستند واگر در شرایط مناسبی عمل آوري نشوند کیفیت مناسبی بدست نمی آورند. حداقل 7 روز براي عمل آوري رطوبتی پیشنهاد می شود. اگر عمل آوري در مدت زمان کوتاهتري انجام گیرد سبب خشک شدن زیاد از حد قطعات می شود که برتاب برداشتن و تغییرشکل قطعات نازك GFRC می انجامد.
نیازي که به اجراي 7 روزه ي عمل آوري رطوبتی وجود دارد سبب ایجاد مشکلاتی مانند فضاي مورد نیاز براي عمل آوري توسط تولید کنندگان گردید. در اوایل دهه ي 1980 تحقیقاتی توسط (Portland Cement Association)PCA براي حذف این مرحله ي 7 روزه انجام گرفت تا
مشکلات تولید کنندگان را برطرف کند. نتیجه این تحقیقات نشان داد محصولاتی که حداقل 5 درصد جامدات پلی مري مخصوصی در برداشتند، بدون گذراندن مرحله ي عمل آوري مرطوب مقاومتی به دست می آورند که برابر یا حتی کمی بیشتر از ترکیباتی است که فاقد پلیمر بوده ومرحله ي حفاظت رطوبت را گذرانده بودند. این مطلب نشان می دهد که دوره ي 7 روزه ي عمل آوري رطوبتی براي پانل هاي GFRC می تواند با اضافه نمودن 5
درصد از جامدات پلی مري جایگزین شود. تمام اطلاعات منتشر شده در مورد GFRC از اواخر 1960 تا اواسط 1980 بر اساس طرح هایی بوده است که عمل آوري رطوبتی شده و فاقد هرگونه جامد پلی مري بوده اند. علاوه بر این اکثر اطلاعات منتشرشده تا سال 1980 براساس نسبت 1 به 3 براي ماسه و سیمان بوده است.
مراحل ساخت قطعات پیش ساخته GFRC به روش پاشش
-1 بتن رویه در قالب هاي تدارك دیده ریخته می شود. این بتن سطح نمایان قطعه نما می باشد. بتن رویه را می توان با توجه به ملزومات معماري در رنگها و اشکال مختلف طراحی کرد. قالب ها نیز با توجه به ملزومات طراحی معماري هر پروژه تولید می شوند.
-2 کارگران بتن رویه را پخش و تسطیح می کنند.
-3 سپس به وسیله یک ویبراتور بتن رویه متراکم شده و به تمام فضاهاي قالب هدایت می شود.
-4 مخلوط الیاف شیشه اي و دوغاب به پشت لایه رویه خشک نشده پاشیده می شود. این مخلوط در چندین مرحله پاشیده می شود تا ضخامت لازم تامین گردد.
-5 پس از هر مرحله پاشش GFRC ،سطح هر لایه باید تسطیح شود. اشکال پیچیده به عملیات دستی بیشتري احتیاج دارد.
-6 قاب پشتبند فلزي با دقت بر روي قطعه بتنی قرار داده می شود. این پشتبند به منظور نگه داشتن و اتصال قطعه GFRC به سازه می باشد. -7 قطعه فلزي به وسیله لایه GFRC و قلاب هاي انعطاف پذیر فلزي به قاب پشتبند متصل می شوند.
-8 پس از عمل آوري قطعات تعداد مشخصی از قطعات پیش ساخته به سایت کارگاه منتقل مشوند. -9 قطعات GFRC به سازه متصل می شوند.
روش پیش اختلاط
محصولات GFRC به روش پیش اختلاط ، از مخلوطی از دوغاب سیمانی و رشته هاي بریده شده الیاف شیشه وریختن آنها در غالب در حال لرزش
بدست می آیند.
کنترل و مکانیزه کردن روش قالب گیري به روش لرزش (Vibration Casting) نسبتا" ساده است.در این روش می توان قطعاتی تولید کرد که کنترل ابعاد آنها به خوبی انجام پذیر است و ساخت اشکال پیچیده نسبتا" راحت است .در این پروسه هدر رفتن مصالح کم، همچنین دقیق و کنترل وزن
محصولات ،قابل اجراست.
مراحل کلی ساخت GFRC به روش پیش اختلاط به صورت زیر می باشد: -1سیمان،ماسه،مصالح سنگی دیگر،آب و افزودنی را با پیمانه وزن می کنیم.
-2رشته هاي بریده شده الیاف را وزن می کنیم یا رول الیاف را برش می دهیم سپس با مخلوط کن دوسرعته ،سریع (براي اختلاط دوغاب)،کند (براي اختلاط دوغاب و الیاف) اختلاط انجام می گیرد.
-3ریختن یا پمپ کردن در قالب را انجام می دهیم.
.5 طرح اختلاط
۵.۱. طرح های اختلاط متداول
موارد مهمی که باید براي طرح اختلاط در نظر گرفته شوند عبارتند از:
الف) مقدار آب در طرح تا حد امکان کم باشد:بدین منظور استفاده از افزودنی هاي کاهنده آب توصیه می شود. هر چه آب بیشتر افزوده شود مقاومت GFRC کاهش می یابد.
ب)استفاده از مقدار الیاف کافی: با توجه به نوع الیاف، مقادیر کمتر از 3 درصد وزنی ممکن است خواص مکانیکی لازم را تامین نکند.
ج) مقادیر ماسه به سیمان یا فیلر به سیمان بیشتر از :%67استفاده از مقادیر زیاد سیمان سبب ایجاد مشکل جمع شدگی می شود.تا حدي که قابل اجرا باشد باید از ماسه یا فیلر بیشتري استفاده کرد. انواع طرح هاي اختلاط متعددي براي تولید GFRC به روش پیش اختلاط وجود دارد. یک طرح مشخص
GFRC ممکن است احتیاج به موارد زیر داشته باشد:
-یک فوق روانساز براي افزایش کارپذیري در نسبت هاي آب به سیمان کم
-مقدار ماسه یا فیلر بیشتر براي کاهش جمع شدگی
-پلیمر اکریلیک (Acrylic Polymer) براي عمل آوري در هوا بدون آنکه احتیاج به عمل آوري رطوبتی باشد. -مواد ضد جداشدگی (Desegregation Aids) براي بتن هاي پمپی
.2.5 -پمپ کردن
