الیاف پلی پروپیلن و کاربرد آن در بتن

بتن، به‌عنوان یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی در جهان، با وجود مزایای فراوان (مانند مقاومت‌ بالا، دوام نسبی، قابلیت قالب‌ریزی) همچنان دارای نقاط ضعفی از جمله ضعف در کشش، شکنندگی تحت بارِ کششی یا خمشی، ترک‌های ناشی از انقباض، و آسیب‌پذیری در شرایط محیطی سخت است. برای غلبه بر این محدودیت‌ها، طی سال‌های اخیر استفاده از الیاف در بتن، (Fiber-Reinforced Concrete) مورد توجه فراوان قرار گرفته است.
یکی از انواع پرکاربرد این الیاف، الیاف ساخته‌شده از پروپیلن (Polypropylene – PP) است که به‌واسطه خواص خاص خود نظیر وزن کم، مقاومت شیمیایی، و قیمت مناسب، طیف وسیعی از کاربردها در بتن یافته است.

در این مقاله، ابتدا تعاریف و مفاهیم پایه مطرح می‌شود، سپس ویژگی‌های الیاف پروپیلن، مکانیسم مؤثر بودن در بتن، تأثیرات فیزیکی–مکانیکی، نکات طراحی و اجرا، مزایا و محدودیت‌ها، و نهایتاً راهکارها و چشم‌اندازهای آینده بررسی خواهند شد.

تعریف و تاریخچه الیاف پلی پروپیلن

الیاف پلی پروپیلن (Polypropylene fibres) از مشتقات پلیمری پروپیلن هستند که به صورت فیلامنت‌های تزریقی یا فیبریل‌شده تولید می‌شوند. این الیاف عمدتاً در بتن به منظور کنترل ترک­‌های سطحی، بهبود پس از ترک‌خوردگی، افزایش مقاومت در برابر شوک حرارتی، و کاهش احتمال انفجار سطحی (spalling) در شرایط آتش‌سوزی به کار می‌روند.

تاریخچه کاربرد در بتن

استفاده از الیاف در بتن پیشینه‌ای نسبتا طولانی دارد؛ اما کاربرد خاص الیاف پروپیلن از چند دهه اخیر بیشتر گسترش یافته است. برای مثال، تحقیقاتی از دهه ۱۹۹۰ روی بتن دارای الیاف پروپیلن انجام شده‌اند. با گذشت زمان و افزایش نیاز به دوام بیشتر، سازگاری با محیط زیست و کنترل ترک‌های ریز، الیاف پروپیلن به مدار توجه صنعت و پژوهشگران بتن درآمده‌اند.

ویژگی‌های الیاف پلی پروپیلن

برای درک بهتر نقش این الیاف در بتن، لازم است ویژگی‌های فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی آن‌ها را بررسی کنیم.

خواص فیزیکی و شیمیایی

• چگالی کم: الیاف پروپیلن دارای چگالی پایین‌تر نسبت به بسیاری از الیاف فلزی یا شیشه‌ای هستند، که باعث کاهش وزن نهایی بتن می‌شود.
• مقاومت شیمیایی خوب: پروپیلن به خوردگی و محیط‌های قلیایی یا اسیدی نسبتا مقاوم است؛ این خاصیت برای بتن که محیطی قلیایی دارد، مهم است.
• انعطاف‌پذیری (نرم‌تر بودن نسبت به فلزات): مدول ارتجاعی آن‌ها پایین‌تر است، که ممکن است در انتقال تنش‌ها نقش داشته باشد

خواص مکانیکی

• مقاومت کششی: اگرچه الیاف پروپیلن در مقایسه با فیبرهای فلزی مقاومت بسیار بالایی ندارند، ولی بهبود محسوسی در مقاومت کششی و پس از ترک (post-crack) بتن می‌دهند.
• مدول الاستیسیته پایین‌تر: این امر باعث می‌شود نقش آن‌ها بیشتر در کنترل ترک‌های ریز و بهبود رفتاری پس از ترک باشد تا افزایش زیاد در مقاومت فشاری.
• توزیع تصادفی در بتن: الیاف به صورت تصادفی در ماتریس بتن پخش می‌شوند و بنابراین جهت‌پذیری خاصی ندارند که این موضوع مزایا و معایب خاص خود را دارد.

انواع الیاف پلی پروپیلن مورد استفاده

در منابع مختلف، انواع متفاوتی از الیاف پروپیلن مورد بررسی قرار گرفته‌اند:

• الیاف کوتاه (micro-fibres) با قطر کوچک و طول کم برای کنترل ترک‌های پلاستیک (Plastic shrinkage) و ابتدایی بتن
• الیاف درشت‌تر (macro-fibres) با طول و قطر وسیع‌تر برای بهبود پس از ترک‌خوردگی و مقاومت خمشی/کشش

مکانیسم اثر الیاف پروپیلن در بتن

در این بخش، چگونگی عملکرد الیاف پلی پروپیلن در ماتریس بتن توضیح داده می‌شود؛ چرا با وجود مدول پایین، این الیاف تأثیر مفیدی دارند.

کنترل ترک‌های اولیه و پلاستیک

یکی از مسائل رایج بتن، ترک‌های ناشی از انقباض پلاستیک یا خشک‌شدن اولیه است که ممکن است منجر به کاهش دوام شود. الیاف  پلی پروپیلن با توزیع خود در ماتریس، مهاجرت ترک‌های ریز را محدود کرده و مانع گسترش آن‌ها می‌شود. مثلاً گزارش شده است که افزودن ۰.۱-۰.۳ ٪ حجم الیاف، انقباض پلاستیک را بسیار کاهش می‌دهد.

بهبود رفتار پس از ترک (Post Crack Behaviour)

با ایجاد اولین ترک در ماتریس بتن، الیاف عمل «پل» بین دو سطح ترک‌خورده را انجام می‌دهند و از باز شدن سریع‌تر ترک و گسترش آن جلوگیری می‌کنند. این پدیده باعث می‌شود بتن دارای ظرفیت جذب انرژی بیشتر، نشانه‌های بارگذاری پس از ترک بهتر، و رفتار داکتیل‌تر (نسبتاً انعطاف‌پذیرتر) شود.

کاهش نفوذپذیری و افزایش دوام

الیاف پلی پروپیلن همچنین به بهبود دوام بتن کمک می‌کنند. مثلاً با کاهش حجم و اتصال ترک‌های ریز، مسیرهای نفوذ یون‌ها، آب و گازها کاهش می‌یابد که برای مقاوم‌سازی در برابر یخ‌زدن/ذوب‌شدن، نفوذ کلریدها و خوردگی آرماتورها مهم است

کنترل پاشش ناشی از آتش و افزایش ایمنی

در شرایط آتش‌سوزی، بخار آب درون بتن تمایل به تشکیل فشار و پاشش (spalling) دارد. الیاف پلی پروپیلن از طریق ایجاد مسیرهای میکرو برای خروج بخار، می‌توانند این پدیده را کاهش دهند که برای کاربردهای خاص نظیر تونل‌ها، سازه‌های زیرزمینی یا سازه‌های مقاوم در برابر آتش بسیار حائز اهمیت است

تأثیرات اصلی الیاف پلی پروپیلن بر خواص بتن

خواص بتن تازه (Fresh Concrete)

• کارپذیری (Workability): معمولاً افزودن الیاف باعث کاهش کارپذیری می­‌شود، زیرا الیاف ممکن است باعث گیرش، تداخل یا ایجاد توده ‌شوند. مطالعات نشان می‌دهند که با افزایش حجم الیاف، افت کارپذیری مشهود است
• هواداری (Air content) و چگالی (Density): الیاف ممکن است مقدار هوای محبوس را تغییر دهند یا باعث افزایش حفره‌های ریز شوند و چگالی بتن را کاهش دهند.
• زمان گیرش و تعبیه: ممکن است به دلیل توزیع الیاف و تغییرات میکرو، زمان گیرش یا پراکندگی بتن تحت تأثیر قرار گیرد (گرچه این امر کمتر گزارش شده است).

مقاومت فشاری (Compressive Strength)

نتایج در این حوزه متغیر است: برخی تحقیقات افزایش کمی در مقاومت فشاری را نشان داده‌اند، در حالی که برخی دیگر افزایش محسوسی مشاهده نکرده­‌اند یا حتی کاهش داده‌اند. برای مثال، در مطالعه‌ای آمده است که افزودن ۲ ٪ حجم الیاف پلی پروپیلن منجر به افزایش ۱۲٪ مقاومت فشاری شده است.
اما در مطالعات دیگر وقتی حجم زیاد یا توزیع ناصحیح باشد، ممکن است مقاومت کاهش یابد.
بنابراین، توصیه می‌شود که حجم، طول و نسبت الیاف به‌دقت انتخاب شود.

مقاومت کششی، خمشی و تقسیم­‌شده (Tensile, Flexural, Splitting)

در این حوزه، اثرات بسیار مثبت‌تری دیده شده‌اند:

• مقاومت کششی محوری: با افزودن الیاف، مقاومت کششی به‌ویژه در مقادیر بهینه افزایش یافته است. برای مثال، با محتوای ۰.۹ kg/m³، افزایش تا ۴۳٪ گزارش شده است.
• مقاومت خمشی: الیاف پلی پروپیلن در بهبود مقاومت پس از ترک خمشی مؤثر هستند؛ مطالعات نشان داده‌اند که طول و حجم الیاف باید با دقت انتخاب شود.
• تقسیم‌شده (splitting tensile): نیز با استفاده از این الیاف بهبود یافته است، هرچند تفاوت‌ها ممکن است بر اساس ترکیب دقیق بتن متفاوت باشد.

دوام (Durability)

همان‌گونه که در بخش مکانیسم توضیح داده شد، الیاف پلی پروپیلن عملکرد دوام بتن را تحت شرایط مختلف بهبود می‌دهند:

• کاهش جذب آب و نفوذپذیری: مطالعات نشان داده‌اند که اضافه کردن الیاف پلی پروپیلن مقاومت نفوذ یون‌ها یا آب را بالا می‌برد.
• مقاومت در برابر سیکل یخ‌زدن/ذوب‌شدن: الیاف می‌توانند مقاومت بتن را در برابر آسیب یخ‌زدن و ذوب بهتر کنند.
• مقاومت در برابر حمله کلرید، سولفات، کربناسیون: الیاف پلی پروپیلن در ترکیب با سایر افزودنی‌ها می‌توانند مقاومت در برابر این تأثیرات محیطی را بهبود دهند.

سایر خواص (مثلاً مقاومت در برابر آتش، پاشش)

همان‌طور که گفته شد، یکی از کاربردهای ویژه، بهبود ایمنی در برابر پاشش سطحی ناشی از آتش یا بخار در بتن با الیاف پلی پروپیلن است .

جدول عملکرد الیاف پروپیلن در بتن

طراحی و اجرا: نکات کاربردی

برای به حداقل رساندن معایب و بهره‌برداری صحیح از مزایای الیاف پلی پروپیلن در بتن، برخی نکات طراحی و اجرایی ضروری هستند.

انتخاب نوع و حجم الیاف

• حجم بهینه: حجم الیاف نباید خیلی زیاد باشد؛ زیرا توزیع مناسب و جلوگیری از تجمع الیاف اهمیت دارد. برای مثال، مطالعه‌ای نشان داد که با محتوای بیش از  ۰.۹  kg/m³  عملکرد کششی کاهش می‌یابد.
• طول و قطر الیاف: طول بیشتر معمولاً برای کنترل ترک‌های بزرگ‌تر مؤثرتر است، اما ممکن است کارپذیری را کاهش دهد. مثلاً الیاف ۱۲ mm و طول 30 mm یا‌50 mm در ترکیب با الیاف ریزتر عملکرد بهتری داشتند.
• نوع الیاف: فیبرهای فیبریل‌شده (fibrillated) یا فیلامنت‌های کوتاه کاربرد متفاوتی دارند؛ باید بر اساس هدف انتخاب شوند

تأثیر بر مخلوط بتن

• کارپذیری: در هنگام طراحی مخلوط باید توجه داشت که وجود الیاف ممکن است نیاز به افزایش روان‌ساز یا کاهش نسبت آب به سیمان داشته باشد.
• اختلاط و توزیع: باید اطمینان حاصل شود که الیاف به‌صورت یکنواخت در مخلوط پخش شده‌اند تا از تجمع و ایجاد حفره جلوگیری شود.
• ترازوی وزن: هنگام افزودن الیاف، باید وزن دقیق لحاظ شود چرا که چگالی متفاوت دارند.
• کنترل کیفیت اجرا: در هنگام بتن‌ریزی، لرزاندن، عمل‌آوری و کنترل تراکم اهمیت دارد، چون توزیع مناسب الیاف وابسته به این مراحل است.

توصیه‌های اجرایی خاص

• قبل از افزودن الیاف، اطمینان حاصل شود که مواد اولیه (سیمان، سنگدانه، آب) کیفیت لازم را دارند و نسبت آب به سیمان کنترل شده است.
• توصیه می‌شود هنگام افزودن الیاف، ابتدا مخلوط پایه را آماده کرده و سپس الیاف را به تدریج اضافه و اختلاط را ادامه دهید تا از تجمع جلوگیری شود.
• پس از بتن‌ریزی، عمل‌آوری مناسب را به‌ویژه در ۷ تا ۱۴‌روز نخست جدی بگیرید؛ چرا که بسیاری از بهبودها در دوره اولیه اتفاق می‌افتند. مثلاً در مطالعات دیده شده است که حدود ۱۴ روز بیش از ۹۰٪ مقاومت کششی بهبود یافته حاصل شده است.
• در انتخاب پروژه: اگر هدف کنترل ترک‌های سطحی (مانند کف‌های صنعتی، ‌سازه‌های با مقطع کم) است، الیاف ریز مناسب‌تر هستند؛ اگر هدف مقاوم‌سازی بیشتر در برابر ترک‌های بزرگ، ضربه یا ارتعاش است، ترکیب الیاف درشت‌تر یا هیبرید مدنظر قرار گیرد.
• هزینه و صرفه‌جویی: اگرچه قیمت الیاف پلی پروپیلن نسبتاً نازل است، اما تأثیر مثبت آن باید با هزینه و مزایا سنجیده شود؛ استفاده از آن در پروژه‌هایی با نیاز به دوام بالا یا شرایط محیطی سخت توجیه بیشتر دارد.

مزایا، محدودیت‌ها و راهکارها

مزایا

• افزایش مقاومت در برابر ترک‌های ریز، بهبود پس از ترک­خوردگی و جذب انرژی بیشتر.
• بهبود دوام بتن در شرایط محیطی سخت (نفوذ یون‌ها، یخ‌زدن/ذوب‌شدن، پاشش حرارتی).
• کنترل بهتر ترک‌های پلاستیک و انقباض اولیه.
• سبک بودن ماده افزودنی: وزن کم الیاف باعث افزایش وزن نهایی زیاد نمی‌شود.
• هزینه نسبتاً پایین‌تر نسبت به بسیاری از الیاف فلزی یا کامپوزیت.
• افزایش ایمنی در شرایط آتش، با کاهش پاشش سطحی بتن.

محدودیت‌ها

• کاهش کارپذیری مخلوط؛ نیاز به روان‌سازی یا تنظیم مخلوط.
• توزیع نامناسب الیاف (تجمع، حبس هوا) ممکن است کیفیت بتن را کاهش دهد.
• اثرات ژئومتریک روی مقاومت فشاری ممکن است مثبت نباشد یا حتی منفی شود؛ بنابراین انتخاب دقیق حجم و طول ضروری است.
• اتصال بین الیاف و ماتریس سیمانی نسبتاً ضعیف‌تر از فیبرهای فلزی یا شیشه‌ای است؛ بنابراین عملکردشان در بعضی شرایط ممکن است محدود باشد.
• در پروژه‌هایی با بارگذاری بسیار بالا یا استفاده تخصصی، ممکن است الیاف پلی پروپیلن به تنهایی کافی نباشد و نیاز به فیبرهای تقویتی دیگر یا طراحی ترکیبی باشد.

راهکارها و پیشنهادها

• ترکیب هیبریدی: استفاده از الیاف پلی پروپیلن همراه با فیبرهای فلزی یا شیشه‌ای (یا سایر مواد) می‌تواند عملکرد ترکیبی بهتری بدهد.
• اصلاح سطح الیاف یا افزودن پوشش خاص برای بهبود اتصال الیاف-ماتریس؛ پژوهش‌ها نشان داده‌اند که بهبود اتصال می‌تواند کارایی را بالا ببرد.
• استفاده از نرم‌افزارها یا مدل‌های عددی برای بهینه‌سازی حجم و طول الیاف در طراحی بتن بر اساس پروژه خاص. برای مثال، تحقیقی برای مدل‌سازی نفوذ یون‌ها در بتن دارای الیاف انجام شده است.
• کنترل دقیق کیفیت در زمان اختلاط، ریختن، لرزاندن و عمل‌آوری؛ و اجرای آزمایشات کنترل میکرو (مانند تعرفه جذب آب، سرعت امواج اولتراسونیک) برای اطمینان از عملکرد مطلوب.
• توجه به مشکلات زیست‌محیطی: اگرچه الیاف پلی پروپیلن از مواد پلیمری هستند، توجه به بازیافت یا استفاده از الیاف بازیافتی می‌تواند انتخاب به‌پایدارتری باشد؛ پژوهش‌هایی در این زمینه انجام شده است.

کاربردهای عملی و موردی

کف‌های صنعتی و سازه‌های با سطح بزرگ

در کف‌های صنعتی که ترک‌های سطحی ناشی از انقباض، بارگذاری چرخشی و ضربه رایج هستند، افزودن الیاف پلی پروپیلن می‌تواند به کنترل ترک‌های اولیه و کاهش هزینه‌های تعمیرات کمک کند.

تونل‌ها، سازه‌های زیرزمینی و سازه‌های مقاوم در برابر آتش

در کاربردهایی که مقاومت در برابر انفجار یا آتش اهمیت دارد، الیاف پلی پروپیلن به دلیل کاهش خطر پاشش سطحی بتن (spalling) می‌توانند انتخاب مناسبی باشند.

بتن خودتراکم، بتن سبک و پانل‌های پیش‌ساخته

در بتن‌هایی که ممکن است به کارپذیری بالا یا وزن پایین نیاز داشته باشند، الیاف پلی پروپیلن با حجم کم می‌توانند گزینه مناسبی ایجاد کنند. به‌ویژه زمانی که نیاز به دوام بالا یا مقاومت در برابر ترک‌های سطحی باشد.

تعمیرات و نوسازی سازه‌های موجود

در بهسازی و تقویت سازه‌ها، اضافه کردن الیاف پلی پروپیلن به بتن ترمیمی یا ملات‌های تعمیراتی می‌تواند عملکرد سازه را افزایش دهد؛ مخصوصاً زمانی که هدف کنترل ترک یا دوام بیشتر است.

چشم‌اندازها و تحقیق‌های آینده

با توجه به سرعت پیشرفت علم و نیاز روز افزون به استفاده از الیاف پلی پروپیلن در بتن، مباحث زیر به عنوان چشم اندازه های آینده الیاف در بتن توصیه می شود:

• بهینه‌سازی هندسه، سطح و گونه‌های مختلف الیاف پروپیلن برای افزایش اتصال با ماتریس سیمانی و افزایش عملکرد مکانیکی.
• انتشار مدل‌های عددی دقیق‌تر برای پیش‌بینی رفتار بتن دارای الیاف پروپیلن، از جمله در شرایط دینامیک یا سیکلی.
• تحقیقات بیشتر بر رفتار درازمدت (کِرِپ، خزش، خستگی) و عملکرد تحت شرایط محیطی دشوار (ساحلی، یخ‌زدن/ذوب‌شدن، حمله شیمیایی) برای تثبیت کاربرد صنعتی. مثلاً مقاله‌ای در این زمینه مقاوم‌سازی کرِپ و جذب آب را بررسی کرده است
• استفاده بیشتر از الیاف بازیافتی یا تولید پایدار الیاف پروپیلن برای کاهش اثرات زیست‌محیطی.
• ترکیب هوشمند الیاف (hybrid fibres) و توسعه سیستم‌های هوشمند نظارت بر ترک‌ها یا عملکرد با کمک حسگرها و مدل‌سازی.
• تدوین دستورالعمل‌ها و مقررات ملی یا بین‌المللی برای استفاده از الیاف پروپیلن در بتن؛ به‌گونه‌ای که طراحان ساختمان و مهندسان عمران بتوانند به شکلی دقیق از آن استفاده کنند.

جمع‌بندی مبحث الیاف پلی پروپیلن در بتن

در این مقاله، نقش مهم الیاف پروپیلن در بهبود رفتار بتن از منظر ترک‌خوردگی، دوام، رفتار پس از ترک، و کارایی ساختمانی بررسی شد. نتیجه‌گیری اصلی به شرح زیر است:

• الیاف پروپیلن با توجه به وزن کم، مقاومت شیمیایی، هزینه معقول و قابلیت کاربرد در بتن، گزینه بسیار مناسبی برای کنترل ترک، بهبود دوام و افزایش ایمنی سازه‌ای هستند.
• اثرات مثبت آن‌ها به‌ویژه در مقاومت کششی، خمشی، کنترل ترک‌های سطحی و دوام محیطی مشاهده شده است؛ در حالی که تأثیر بر مقاومت فشاری چندان چشمگیر نیست یا در شرایط خاص ممکن است حتی کاهش یابد.
• موفقیت کاربرد آن‌ها منوط به طراحی دقیق (انتخاب طول، حجم، توزیع)، کنترل اختلاط، و اجرای دقیق است.
• محدودیت‌هایی نیز وجود دارد که با ترکیب‌های هیبریدی، اصلاح سطح الیاف و بهبود روش‌های اجرا می‌توان آن‌ها را کاهش داد.
• با توجه به روند پژوهش‌ها، آینده استفاده از الیاف پروپیلن در بتن بسیار روشن به نظر می‌رسد و انتظار می‌رود که دستورالعمل‌های صنعتی و کاربردی بیشتری شکل بگیرد.

با توجه به موارد بالا می توان دریافت برای رسیدن به نتیجه بهینه و استفاده حداکثری از خواص الیاف پلی پروپیلن در بتن، نیاز به مشاوره با متخصص صاحب نظر در این زمینه می باشد.برای استفاده از مشاوره تخصصی و دریافت راهنمایی از مشاوران، می توانید از سایت های بتنو و ایران بتن استفاده نمایید.

منابع پیشنهادی

1. Liu, Yanzhu و همکاران. «Review on the Durability of Polypropylene Fibre-Reinforced Concrete». Advances in Civil Engineering, 2021.
2. Daoud، M. A، و همکاران. «Influence of Polypropylene Fibres on Concrete Properties».
3. «Experimental and Modeling Analysis of Polypropylene Fiber-Reinforced Concrete». (PMC
4. Mishra، «Impact of Polypropylene Fibres on the Properties of Concrete». Journal of Construction Engineering, Technology & Management, 2024.

مقالات ویژه:

بتن الیافی چیست؟ خصوصیات انواع الیاف های بتن  بررسی کامل مقدار مصرف الیاف پ پ در بتن بتن جی اف آر سی چیست؟ بتن یو اچ پی‌ سی UHPS چیست؟ سفید بام الیاف دار چیست؟ Control of Cracking in Reinforced Concrete Structures _ کنترل ترک خوردگی در سازه های بتنی مسلح Advanced Polymer Concretes and Compounds_بتن های پلیمری پیشرفته و اجزای آن Guide to Diagnosis and Appraisal of AAR Damage to Concrete in Structures_راهنمای تشخیص وارزیابی AAR آسیب به بتن در سازه ها