تکنولوژی بتن مسلح با الیاف شیشه ای

تکنولوژی بتن مسلح با الیاف شیشه ای

نگار حسینی- کارشناس ارشد مهندسی عمران- دانشگاه پارس

 negar_hoseini904@yahoo.com

الیاس آصفی- کارشناس ارشد مهندسی عمران- دانشگاه پارس

  elyas.asefii@gmail.com

چکیده

امروزه استفاده از سازه‌های پوسته‌ای به منظور سبک سازی ساختمان مورد توجه متخصصین در صنعت ساخت و ساز قرار گرفته  است. مقاومت مناسب در نمای بیرونی در کنار وزن کم باعث عملکرد بهتر آن در برابر نیروهای مختلف به ویژه نیروهای افقی در ساختمان‌های بلند مرتبه خواهد شد. این پژوهش به معرفی بتن مسلح با الیاف شیشه (GFRC) در صنعت ساختمان می‌پردازد که به طور گسترده در زمینه‌های نمای ساختمان، پارتیشن بندی، روکش‌کاری، قالب بندی دائمی، برجستگی‌ تزئینات سقف و دیوارها، دکوراسیون داخلی، قرنیز‌ها و… کاربرد دارد. در این راستا پس از بیان تاریخچه‌ای از (GFRC) و معرفی انواع پنل‌های آن به بررسی مواد تشکیل دهنده بتن (GFRC) خواهیم پرداخت، سپس نحوه ساخت و تولید آن(دو روش “اسپری ” و ” اختلاط”)، انواع قالب‌ های مورد استفاده در این تکنولوژی و همچنین نوع و نحوه اتصال آنها (نصب خشک،پیچ و…) بیان می‌گردد، در ادامه با توجه به اهمیت مرحله عمل‌آوری قطعات، به دو روش “عمل آوری خشک” و” اتاق بخار” اشاره خواهد شد و در پایان با توجه به تجربیات حاصل از اجرای این قطعات در پروژه‌های ساختمانی، به بیان مواردی از چالش‌ها و مزایای به کار‌گیری این تکنولوژی می‌پردازیم. لازم بذکر است که تکنولوژی بتن مسلح با الیاف شیشه با خواص ویژه خود ضمن در نظر‌داشتن مسائل زیست محیطی، می‌تواند محصولی ارزشمند در پاسخگویی به نیازهای امروزی بناها از جمله سهولت و سرعت در اجرا، تنوع و  انعطاف پذیری در طراحی، تولید و اجرا، کاهش هزینه‌های نگهداری و از بین بردن محدودیت های طراحی برای معماران باشد. امید است تا با مطالعات بیشتر در این زمینه، سهمی در پیشبرد هرچه بهتر این تکنولوژی و سایر روش‌های ساخت بتن در صنعت ساخت و ساز داشته باشیم.

کلید واژه: بتن مسلح با شیشه، بتن الیافی، نماسازی ساختمان.

پیشینه پژوهش

شکل گیری جی اف آر سی در سال 1940 میلادی توسط روس‌ها بوده ولی بعد از جنگ جهانی دوم بواسطه حجم سنگین ساخت و ساز در کشورهای اروپایی کاربرد بسیاری در صنعتی سازی ساختمان پیدا کرد و از سال 1970 میلادی در معماری‌های خاص و جنبه های دکوراتیو نیز مصرف شد بخصوص در کشورهای مسلمان در حال پیشرفت مانند مالزی، عربستان سعودی، امارات متحده عربی وترکیه به دلیل امکان استفاده در معماری اسلامی جایگاه خاصی را پیدا کرده است. در ایران نیز در اواخر دهه هفتاد و اوایل دهه هشتاد در چند پروژه کار شد که به دلیل معرفی مصالحی زرق و برق دار و عدم تمایل سرمایه گذاران به تولیدات داخلی نتوانست جایگاه خودرا تثبیت نماید و متاسفانه فراموش گردید. (خانجانی،1389)

کاربرد‌های GFRC در صنعت ساختمان

 GFRC به طور گسترده در زمینه های معماری و عمرانی با محصولات اصلی برای موارد زیر به کار می رود:

• روکش کاری
• قالب بندی دائمی
• برجستگی های سقف
• قرنیز ها
• ایوان ها
• دیوار ها و سقف های گردشگاه ها و پیاده رو ها
• صفحات خورشیدی
• سنگ های مصنوعی
• کانال های زهکشی
• وسایل خیابان
• تجهیزات کارخانه ای
• طاق ها و قوس ها
• نرده گذاری
• تیر های جعبه ای
• غلاف کابل ها
• دیوار های حفاظتی
• سقف های گنبدی
• در های محصور کننده
• آبرو های شیروانی
• مانع های صوتی
• برجستگی های قطاری

 انواع پنل

حداقل ضخامت طراحی پوسته ی GRC به طور عادی برای کاربرد های معماری کمتر از 10 میلی متر نخواهد بود، مگر این که پنل شکلی داشته باشد که خودش بر روی مقاومت و سختی تأثیر گذار باشد. برای پنل‌های نسبتا کوچک که اندازه شکل آن ها سختی و مقاومت مورد نیاز را تاین می کند، عادی است که از یک پوسته ی تک GFRC که در مجاورت اتصالات، ضخیم می شود استفاده شود. در غیر این صورت بمنظور تقویت اتصال و همچنین افزایش مقاومت پنل می توان در اطراف محیط پنل و یا  لبه ی آن بالا آمدگی ایجاد نمود.

1-2-1 انواع پنل های پوسته ی تک

پوسته صاف

لبه دار (بال دار)

پوسته موج دار

  شکل یافته (المان بتنی)                                            

پنل های دنده دار تک پوسته

پنل تک پوسته ی دنده دار

این اصل با اسپری کردن بتن بر روی شکل دهنده های(قالب) دنده به دست می آید که معمولا از پلی استرین یا مقاطع GFRC از قبل شکل گرفته ساخته شده است. این دنده ها باید در اطراف محیط پنل GFRC قرار بگیرند، که به پنل عمق کافی برای اتصال را بدهند، و در برخی موارد در سرتا سر پنل اجرا می شوند. (Jones & Peter, 2016)

آرایش معمولی قاب برش گیر GFRC

نشان دهنده ی درجات آزادی برای مهار انعطاف پذیر معمولی

  نشان دهنده ی مسیر بار در مهار وزنی معمولی

مواد تشکیل دهنده

مواد اصلی تشکیل دهنده جی اف آر سی شامل:

1-     آب      

2-      افزودنیهای مخصوص جهت مقاومت و سیال تر شدن بیشتر ملات

3-     سیمان که می تواند بسته به ظاهر و رنگ پنل‌ها از سیمان پورتلند معمولی (OPC)، سیمان پرتلند زودگیر (RHPC) یا سیمان سفید استفاده کرد.

4-      سنگدانه ها که عموماً از ماسه سیلیسی استفاده می شود

5-     رنگدانه های مخصوص بتن در صورت نیاز به پنلهای رنگی

6-      الیاف شیشه

7-     مواد خاصی که باعث تقویت خواص بتن الیافی شود مانند میکروسیلیس‌ها، میکروژل‌ها

8-     موادی که در عمل آوری GFRC  موثر می‌باشد به نام مواد عمل آوری اکرولیک. (رسولی نژاد،1395)

آب

آب باید تمیز و خالی از هرگونه مواد مضر باشد و باید استاندارد های لازم آب لازم برای ساخت بتن را داشته باشد. آب آشامیدنی به طور معمولی مناسب است

افزودنی ها (Admixture)

استفاده از افزودنی ها مانند روان کننده ها و فوق روان کننده ها، به خاطر ارتقا دادن مشخصات GRC پیشنهاد شده است.

افزودنی های استاندارد بتن یا آن هایی که مخصوص GRC ساخته شده اند می توانند مناسب باشند. افزودنی ها به طور عمومی به محصول اضافه شده و تأثیرات زیر را دارند:

1-     بدون افزایش نسبت آب به سیمان کارایی را افزایش می دهد.

2-     انسجام را بهبود می بخشد.

3-     جدا شدگی را کاهش می دهد.

4-     آب انداختگی را کاهش می دهد.

5-     فرایند گیرش(سخت شدن) را به تاخیر می اندازد.

6-     فرایند گیرش (سخت شدن را سرعت می بخشد.

7-     بر روی خواص سختی GRC:

8-     باعث افزایش سرعت رشد مقاومت می شود.

9-     باعت افزایش مقاومت می شود.

10- باعث کاهش نفوذ پذیری می شود.

افزودنی ها در مقادیر کم به مخلوط اضافه می شوند و باید مراقب بود که برای ساخت فقط مقدار مشخصی باید اضافه شود. سرعت بخش های بر پایه ی کلسیم کلرید در زمانی که محصول GRC شامل اجزای فولادی (یا لوازم) است نباید استفاده شود چون خطر خوردگی فلز وجود دارد.

سیمان

سیمان های رایج مورد استفاده در ساخت GRC، سیمان پرتلند معمولی (OPC)، سیمان پرتلند زود گیر (RHPC) و سیمان سفید است. سیمان پرتلند سفید از مواد خامی ساخته می شود که شامل تنها مقدار کمی آهن است. در زمانی که رنگ تمام شده ی سفید یا روشن برای GRC مورد نیاز است استفاده می شود. نوع های دیگر سیمان مانند سیمان دارای آلومینای بالا، سیمان مقاوم در برابر سولفات و سیمان زود آماده شونده  ممکن است در برخی کاربری های خاص استفاده شوند و باید مطابق با استاندارد باشد. باید مراقب بود که انتخاب سیمان مناسب با محصول و مطابق مقررات قانونی باشد.

خیلی مهم است که سیمان به صورت درست ذخیره شود.  سیمان باید خشک نگه داری شود و هوای مربوط می تواند همانند رطوبت مستقیم برای سیمان مضر باشد. سیمان های فله ای ذخیره شده در سیلو  حد اکثر تا مدت 3 ماه رضایت بخش است. سیمان های نگهداری شده در بسته های کاغذی 3 لایه در موقعیت های خوب می تواند تا 20 درصد از مقاومت خود را بعد از 4 تا 6 هفته از دست می دهد. بنابر این سیمان های بسته ای باید بعد از دریافت هر چه سریع تر استفاده شوند.

ماسه

سنگدانه های ریز یا به منظور حذف مواد محلول و کنترل نسبت آب به سیمان ماسه باید به صورت شسته شده و خشک شده عرضه شود. شکل ذرات باید گرد گوشه یا غیر منظم باشد و باید سطحی صاف و بدون ترک داشته باشند.

ماسه های دارای رطوبت بالاتر مشروط بر این که مقدار رطوبت مشخصی داشته باشند، مورد استفاده قرار می گیرند و بر همین اساس طرح اختلاط را تغییر می دهند.

ماسه های نیز همانند ماسه های سیلیسی ممکن است مورد استفاده قرار بگیرند اما عرضه کننده باید شواهدی برای اثبات مناسب بودن آن ها ارائه کند. ماسه های با ساختار نرم که دارای مشخصات مکانیکی پایینی هستند نباید استفاده شوند. مقدار سیلیکا لزوما نباید تا 96 درصد باشد. ماسه هایی با کیفیت خوب ولی با مقدار کمتری از سیلیکا هستند که برای ساخت GRC مناسب هستند.

ماسه / سنگدانه ی اختلاط های روی کار

زمانی که مخلوط روی کار برای ساخت یک سطح تمام شده ی معماری استفاده می شود، سنگدانه ها ی خاص و ماسه ی خاص ممکن است مورد نیاز باشد. رنگ سنگ دانه ها از لحاظ این که شامل ظاهر کلی می باشد، مهم است.

درجه بندی ماسه ی مورد استفاده در مخلوط GRC متفاوت است، به طور معمول 3-0 میلی متر زمانی که یک لایه ی روی کار اسپری می شود و تا 10 میلی متر زمانی که لایه ی روی کار ریخته شده و ویبره می شود مورد استفاده قرار می گیرد.

طرح اختلاط برای لایه ی پشت کار ممکن است متفاوت باشد. اما تفاوت پتانسیل جمع شدگی به عنوان نتیجه ای از استفاده از سیمان متفاوت باید در نظر گرفته شود.

سنگ های سخت خرد شده و درجه بندی شده مانند: سنگ آهک، گرانیت، اسپار، کلسیت، یا مرمر به طور خاص مناسب اند.

رنگدانه ها

پودر رنگدانه ها ممکن است برای ساخت GRC رنگی مورد استفاده قرار بگیرند.این رنگدانه ها معمولا بر پایه ی اکسید آهن هستند و باید با استاندارد های ملی و بین المللی مطابقت داشته باشند. به طور معمول برداشت شده است که برای شدت کم، سایه رنگ های خفیف (Pastel shade)  موفق تر هستند و تنوع های مورد انتظار را فراهم می کند.

الیاف شیشه ای AR

الیاف شیشه ای AR (مقاوم در برابر حملات قلیایی)  به طور خاصی طراحی شده اند که مقاومت بالایی در برابر حملات قلیایی و دوام بالا در سیمان داشته باشند. محلول سیمان بسیار قلیایی است (PH 12.9) که برای الیاف شیشه محیط مضری می باشد.الیاف  شیشه ی E که برای مسلح کردن پلاستیک ها استفاده می شوند به سرعت تخریب می شوند. طراحی خاص الیاف AR با محتوای خاص زیرکونیا در برابر این محیط مضر مقاوم است. تحقیقات آزمایشگاهی نشان می دهد که حداقل 16 درصد زیرکونیا برای مقاومت در برابر حملات قلیایی مورد نیاز است.

الیاف های AR معمولا به عنوان میله ها و رشته های ممتد با ضخامت 13 تا 20 میکرون ساخته می شوند. و این رشته ها در کنار هم قرار داده شده تا کابلی را تشکیل دهند. یک پوسته برای به هم پیوستن این رشته ها استفاده می شود. تعداد رشته ها برای ساخت کابل  و سایز آن برای ساخت محدوده ای از الیاف شیشه، مناسب برای کاربرد های خاص می تواند مختلف باشد.

انواع الیاف شیشه:

 چاپت: رشته های خرد شده عبارت اند از رشته های ممتد که به قطعات مساوی بریده می شوند. که یکپارچگی رشته های اصلی را دارا می باشند.اندازه و پوشش روی رشته های خرد شده، برای افزایش مقاومت در برابر خرابی‌های مکانیکی در فرایند مخلوط کردن، طراحی شده است. (Jones & Peter, 2016)

Roving: Roving ها گروهی از رشته های موازی و منحصر به فردی هستند که در دسته بندی های استوانه ای شکل بسته بندی شده اند  به طوری که هر بسته  به صورت معمولی شامل 18 تا 20 کیلوگرم از الیاف است.

(Jones & Peter, 2016)

مواد پوزولانی

PFA، GGBS، متا کاولین و میکروسیلیس طیف گسترده ای از مواد پوزولانی هستند که نشان داده اند که تأثیر خوبی بر ویزگی های GRC دارند. آن ها به وسیله واکنش دادن با آهک آزاد شده در طول فرایند هیدراتاسیون، به منظور شکل گیری محصولات هیدراتاسیون بیشتر عمل می کنند.

پلیمر های اکریلیک

محصولات سیمانی برای اطمینان از کافی بودن رطوبت باقی مانده برای تکمیل هیدراتاسیون سیمان باید به صورت مرطوب عمل آوری شوند. که این قضیه برای محصولات  روکش نازک GRC بسیار بحرانی است. نحوه ی عمل آوری پیشنهاد شده عمل آوری خیس در 95 % رطوبت نسبی برای 7 روز است. در بسیاری از موارد به علت کمبود فضا این کار عملی نخواهد بود.پلیمر های اکریلیک به منظور عمل آوری خشک در مراحل بعدی، ارتقای خصوصیات، به خصوص برای کاهش ترک های سطحی، به مخلوط اضافه می شود.

زمانی که پلیمر های اکریلیک به مقدار پیشنهاد شده به مخلوط اضافه می شوند، در ساعات اولیه ی عمل آوری یک غشا در داخل ماتریکس شکل می گیرد. تشکیل این غشا به طور قابل ملاحظه ای قابلیت نفوذ پذیری را کاهش می دهد. و درنتیجه با کاهش دادن مقدار تبخیر آب، از وجود آب کافی برای تکمیل هیدراتاسیون را اطمینان می دهد.

تولید

به طور کلی روش‌های تولید GFRC به 2 دسته تقسیم می‌شوند: (İSKENDER & KARASU, 2017)

1-روش اسپری کردن (spray)

2-روش اختلاط (premix)

• روش اسپری کردن (spray)

در این روش الیاف و بتن به طور جداگانه داخل قالب اسپری می‌شود.

• روش اختلاط (premix)

در این روش ملات و الیاف شیشه با یکدیگر ترکیب می‌شوند و بعد داخل قالب ریخته می‌شوند.

• ساخت قالب

جهت قالب سازی با توجه به هزینه و طرح قطعات از قالبها با جنس‌های مختلف استفاده می‌شود:

 قالب‌های چوبی

قالب‌های سیلیکونی

قالب های فلزی

• ساخت قاب برش گیر

به جای استفاده از دنده های GRC و سخت کننده ها استفاده از یک قالب که معمولا فولادی است، امکان پذیر است. قاب برش گیر یک تکیه گاه با قابلیت انتقال حرارتی و رطوبتی را برای پوسته فراهم می آورد. این فرم از ساخت زمانی که پنل های صاف و بزرگ ساخته می شوند، مورد استفاده قرار می گیرند. سیستم قاب برش گیر برای ساخت و انتقال و نصب پنل های از 10 تا 20 متر مربع مناسب است.

یک قاب برش گیر پنل پوسته ی GRC شامل یک تک پوسته ی GRC است که به قاب پیش ساخته، که معمولا فلزی، با شکل های L مهار انعطاف پذیر و مهار تکیه گاهی (مهار وزنی) شده و با فاصله های منظم از مهار های انعطاف پذیر متصل است. برای اطمینان از این که تأثیر بار باد در سطح های بزرگ پنل به خوبی توزیع می شود.

مهار های انعطاف پذیر تکیه گاه جانبی برای GRC هستند که اجازه ی چرخش تا بعضی درجات و جمع شدگی جابه جایی رطوبتی برا به GRC می دهد. مهار های وزنی در پایین پنل قرار دارند و تکیه گاهی برای وزن GRC هستند. (İSKENDER & KARASU, 2017)

• ابزارهای تولید

میکسرهای خاص دارای نیروی برشی زیاد جهت اختلاط خوب ملات

دستگاه اسپری ملات و شیشه

ابزارهای معمول دیگر شامل غلتک ویبره و ماله و…

• عمل‌آوری بتن

• روش اتاق بخار

 در این روش قطعات باید به مدت یک هفته در اتاقک‌هایی به نام اتاق بخار که توسط دستگاههای رطوبت ساز رطوبت آن تامین می‌شود، باقی بمانند تا عمل هیدراتاسیون سیمان به خوبی صورت گیرد و بتن مقاومت اولیه خود را به دست آورد و قالب‌ها باز شوند تا در مرحله بعدی قطعات دپو شوند.

روش خشک

 در این روش با اضافه کردن مواد افزودنی به مخلوط بتن از خروج آب از بتن جلوگیری می‌کنند که انجام عمل هیدراتاسیون توسط آب محبوس شده صورت می‌گیرد و باعث عمل‌آوری بتن می‌شود .

مراحل اجرا و دیتایل‌ها

معمولاً روش‌های نصب به نوع طرح معماری بستگی دارد و یک نوع اتصال ثابت وجود ندارد و روش نصب GFRC به صورت خشک می‌باشد.

• چالش‌های نصب

1- چگونگی جابه‌جایی و حمل قطعات به گونه‌ای که قطعات با وزن زیاد و ابعاد بزرگ دچار آسیب‌دیدگی نشوند.

2- مراقبت‌هایی که در حین بارگیری و تخلیه بار توسط جرثقیل‌ها باید صورت بگیرد که نیازمند نیروهای ماهر می‌باشد.

3- دسترسی به قطعات و محل اتصال آنها از دیگر مشکلات اجرا می‌باشد که به طراحی قطعات و محلی که می‌خواهد نصب شود بستگی دارد.

به طور کلی در تولید GFRC وقت و نیروی کار ماهر بزرگ‌ترین چالش می‌باشد و با مکانیزه‌تر شدن دستگاههای تولید و همچنین مدیریت مناسب (نظارت و برنامه‌ریزی)می‌توان مشکلات تولید را حل نمود.

• مزایا 

1. سهولت و سرعت در اجرا
2. تنوع در طراحی و کاربرد
3. بایداری و ثبات ظاهر
4. مقرون به صرفه
5. ضد حریق
6. قابلیت بازیافت
7. سبکی
8. تکنولوژی نانو

منابع

قدرت اله و مجید رسولی نژاد، تکنولوژی بتن مسلح با الیاف شیشه ای GFRC روش تولید و کاربرد آن در صنعت ساختمان، اولین کنفرانس ملی کاربرد کامپوزیت ها در صنعت ساخت، تهران، دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، 1395.

ژادبهرام, مهدی و محمد جواد خانجانی، بررسی نمای سبک با استفاده از بتن مسلح به الیاف شیشه ای(GFRC)، کنفرانس بین المللی سبک سازی و زلزله، کرمان، جهاد دانشگاهی استان تهران،1395.

İSKENDER, M. & KARASU, B., 2017. Glass Fibre Reinforced Concrete (GFRC). El-Cezerî Journal of Science and, 5(1), pp. 136-162.

Jones, G. & Peter, I.. D., 2016. PRACTICAL DESIGN GUIDE FOR GLASS REINFORCED CONCRETE, Northampton: International GRCA Technical.