مقایسه الیاف پلی‌استر و پلی‌پروپیلن در بتن و ملات سیمانی؛ بررسی فنی و عملکردی

مقدمه

بتن و ملات‌های سیمانی اگرچه مقاومت فشاری مناسبی دارند، اما مقاومت کششی پایین و رفتار نسبتاً ترد آن‌ها باعث می‌شود در اثر عواملی مانند جمع‌شدگی پلاستیک، خشک‌شدن، تغییرات دما و بارگذاری، مستعد ترک‌خوردگی باشند. استفاده از الیاف مصنوعی یکی از روش‌های متداول برای کنترل این ترک‌ها و بهبود رفتار بتن پس از ترک است.

در میان الیاف مصنوعی، پلی‌پروپیلن (Polypropylene یا PP) و پلی‌استر، به‌ویژه پلی‌اتیلن ترفتالات (Polyethylene Terephthalate یا PET)، کاربرد قابل توجهی دارند. عملکرد این دو الیاف تنها به جنس پلیمر وابسته نیست و عواملی مانند طول، قطر، نسبت طول به قطر، شکل سطح، درصد حجمی، نحوه پراکندگی و کیفیت اتصال الیاف به ماتریس سیمانی نیز نقش تعیین‌کننده دارند [1–3].

هدف این مقاله، بررسی و مقایسه فنی الیاف پلی‌پروپیلن و پلی‌استر در بتن و ملات سیمانی از نظر مکانیزم عملکرد، کنترل ترک، جمع‌شدگی، خواص مکانیکی، دوام، مقاومت قلیایی، رفتار حرارتی، کارایی و کاربردهای مختلف است.

مکانیزم عملکرد الیاف در بتن و ملات

الیاف پس از اختلاط در سراسر ماتریس سیمانی پراکنده می‌شوند. با ایجاد ترک، الیاف عبوری از ترک مانند یک پل عمل کرده و بخشی از تنش کششی را از یک طرف ترک به طرف دیگر منتقل می‌کنند.

به این فرآیند اصطلاحاً Crack Bridging گفته می‌شود.

در بتن بدون الیاف، پس از ایجاد ترک، ظرفیت انتقال تنش به سرعت کاهش پیدا می‌کند. اما در بتن الیافی، الیاف می‌توانند انتقال بخشی از نیرو را پس از ایجاد ترک ادامه دهند.

مهم‌ترین اثرات استفاده از الیاف مصنوعی عبارت‌اند از:

• کنترل ترک‌های اولیه؛
• کاهش ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی؛
• کاهش عرض ترک؛
• افزایش چقرمگی؛
• افزایش ظرفیت جذب انرژی؛
• بهبود رفتار پس از ترک؛
• افزایش مقاومت کششی و خمشی در برخی شرایط؛
• کاهش احتمال گسترش سریع ترک [1،4].

بنابراین نقش اصلی بسیاری از میکروفیبرهای مصنوعی، افزایش مستقیم مقاومت فشاری بتن نیست، بلکه کنترل ترک و بهبود رفتار بتن در مرحله پس از ترک است.

الیاف پلی‌پروپیلن؛ PP

پلی‌پروپیلن یکی از متداول‌ترین الیاف مصنوعی مورد استفاده در بتن و ملات است. این پلیمر چگالی پایین، جذب آب بسیار کم و مقاومت شیمیایی مناسبی دارد.

یکی از مهم‌ترین مزایای PP، پایداری مناسب آن در محیط قلیایی بتن است. به همین دلیل، الیاف پلی‌پروپیلن برای استفاده طولانی‌مدت در ماتریس‌های سیمانی مورد توجه قرار گرفته‌اند [1،5].

ویژگی‌های مهم الیاف PP شامل موارد زیر است:

• چگالی پایین؛
• جذب آب بسیار کم؛
• مقاومت مناسب در برابر مواد شیمیایی؛
• پایداری بالا در محیط قلیایی؛
• مقاومت مناسب در برابر رطوبت؛
• قابلیت تولید در اشکال مختلف؛
• امکان تولید به صورت Microfiber و Macrofiber؛
• عملکرد مناسب در کنترل ترک‌های اولیه و جمع‌شدگی.

سطح PP ماهیتی آب‌گریز و نسبتاً غیرقطبی دارد؛ بنابراین چسبندگی شیمیایی مستقیم آن با خمیر سیمان محدود است و انتقال نیرو بیشتر از طریق اصطکاک، قفل‌شدگی مکانیکی و هندسه الیاف انجام می‌شود.

به همین دلیل، شکل سطح، طول، قطر و ساختار الیاف PP تأثیر زیادی بر عملکرد نهایی آن دارد.

الیاف پلی‌استر و PET

اصطلاح Polyester Fiber در صنعت ساختمان می‌تواند به انواع مختلف الیاف پلی‌استر اشاره داشته باشد، اما بخش قابل توجهی از مطالعات علمی مرتبط با بتن به Polyethylene Terephthalate یا PET مربوط است.

PET دارای استحکام کششی و مدول الاستیسیته مناسبی است و به دلیل امکان تولید الیاف از ضایعات بطری‌های PET و سایر منابع بازیافتی، از نظر زیست‌محیطی نیز مورد توجه قرار گرفته است.

با این حال، یکی از تفاوت‌های مهم PET با PP، رفتار آن در محیط بسیار قلیایی سیمان است.

مطالعات نشان داده‌اند که PET در محیط قلیایی شدید می‌تواند تحت فرآیند هیدرولیز قلیایی قرار گرفته و بخشی از جرم و خواص مکانیکی خود را از دست بدهد [1،2].

در عین حال، تغییر سطح PET در اثر این فرآیند می‌تواند زبری و آب‌دوستی سطح را افزایش داده و در برخی شرایط باعث بهبود اتصال الیاف به ماتریس سیمانی شود. بنابراین تخریب شیمیایی سطح الیاف الزاماً به معنی کاهش مستقیم عملکرد کل کامپوزیت نیست؛ اما پایداری بلندمدت PET باید با توجه به نوع و مشخصات واقعی الیاف بررسی شود [1].

مقایسه کلی الیاف پلی‌پروپیلن و پلی‌استر

از نظر خواص عمومی، می‌توان این دو نوع الیاف را به شکل زیر مقایسه کرد:

پلی‌پروپیلن:

• چگالی پایین‌تر؛
• جذب آب بسیار کم؛
• پایداری بسیار مناسب در محیط قلیایی؛
• مدول الاستیسیته معمولاً پایین‌تر؛
• مقاومت حرارتی پایین‌تر؛
• عملکرد بسیار مناسب در کنترل ترک‌های اولیه؛
• سابقه گسترده در بتن و ملات؛
• مناسب برای میکروفیبرهای کنترل ترک و کاربردهای خاص مقاوم در برابر آتش.

پلی‌استر/PET:

• چگالی بالاتر از PP؛
• مدول الاستیسیته معمولاً بالاتر؛
• مقاومت حرارتی بالاتر؛
• امکان استفاده از منابع بازیافتی؛
• عملکرد مناسب در کنترل ترک؛
• نیاز بیشتر به بررسی دوام در محیط قلیایی؛
• وابستگی قابل توجه عملکرد به نوع PET، فرآیند تولید و اصلاح سطح.

تأثیر الیاف بر مقاومت فشاری

افزودن الیاف الزاماً باعث افزایش قابل توجه مقاومت فشاری بتن نمی‌شود.

در بسیاری از سیستم‌های بتن الیافی، هدف اصلی استفاده از الیاف، کنترل ترک و افزایش ظرفیت پس از ترک است.

افزایش بیش از حد مقدار الیاف نیز می‌تواند به دلیل کاهش کارایی، افزایش حفرات و پراکندگی نامناسب، حتی باعث کاهش مقاومت فشاری شود.

بنابراین مقاومت فشاری به تنهایی معیار مناسبی برای مقایسه عملکرد الیاف نیست.

برای ارزیابی واقعی باید پارامترهایی مانند مقاومت کششی، مقاومت خمشی، چقرمگی، جذب انرژی و رفتار پس از ترک نیز بررسی شوند.

مقاومت کششی و خمشی

اثر الیاف در مقاومت کششی و خمشی معمولاً محسوس‌تر از مقاومت فشاری است؛ زیرا این خواص ارتباط مستقیم‌تری با عملکرد الیاف در کنترل و پل‌زدن ترک دارند.

در یک مطالعه مقایسه‌ای بر روی الیاف PP و پلی‌استر، نوع و طول الیاف اثر قابل توجهی بر خواص مکانیکی کامپوزیت سیمانی داشت و در شرایط آزمایش‌شده، نمونه‌های حاوی PP عملکرد خمشی بالاتری نسبت به نمونه‌های دارای پلی‌استر نشان دادند [3].

همچنین افزایش مقدار الیاف تا یک مقدار بهینه باعث افزایش عملکرد شد، اما افزایش بیشتر از مقدار بهینه، به دلیل کاهش کارایی و پراکندگی نامناسب الیاف، می‌تواند اثر معکوس داشته باشد.

این موضوع نشان می‌دهد که انتخاب الیاف باید بر اساس مقدار بهینه مصرف انجام شود و افزایش صرف مقدار الیاف الزاماً به معنی افزایش عملکرد نیست.

کنترل ترک و جمع‌شدگی پلاستیک

یکی از مهم‌ترین کاربردهای الیاف پلی‌پروپیلن، کنترل ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک است.

در ساعات اولیه پس از بتن‌ریزی، اگر سرعت تبخیر آب از سطح بتن زیاد باشد، تنش کششی در سطح ایجاد شده و احتمال ایجاد ترک افزایش پیدا می‌کند.

الیاف با ایجاد یک شبکه پراکنده در بتن و ملات، می‌توانند بازشدگی و رشد این ترک‌ها را محدود کنند.

مطالعات مختلف نشان داده‌اند که استفاده از الیاف PP می‌تواند ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک را به میزان قابل توجهی کاهش دهد [4].

این ویژگی باعث شده است الیاف پلی‌پروپیلن در کاربردهایی مانند کف‌های بتنی، بتن‌های با سطح وسیع، شاتکریت، ملات‌های سیمانی، قطعات پیش‌ساخته و بتن‌هایی که در معرض باد و تبخیر سریع آب قرار دارند، مورد استفاده قرار گیرند.

الیاف PET نیز می‌توانند از طریق مکانیزم Crack Bridging در کنترل ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی مؤثر باشند؛ با این حال عملکرد آن‌ها به نوع، طول، درصد مصرف و ویژگی‌های سطح الیاف وابسته است.

دوام الیاف در محیط قلیایی

محیط داخل بتن و خمیر سیمان بسیار قلیایی است؛ بنابراین مقاومت شیمیایی الیاف یکی از پارامترهای مهم برای استفاده بلندمدت در بتن محسوب می‌شود.

PP در محیط قلیایی پایداری بسیار خوبی دارد و به همین دلیل سابقه طولانی در استفاده داخل کامپوزیت‌های سیمانی دارد.

در مقابل، PET می‌تواند در محیط قلیایی شدید تحت هیدرولیز قرار گیرد. در یک مطالعه مقایسه مستقیم، الیاف PET و PP با خواص اولیه مشابه در محیط قلیایی مورد بررسی قرار گرفتند. PET کاهش جرم و تغییر در خواص مکانیکی نشان داد، در حالی که PP پایداری بیشتری از خود نشان داد [1].

بنابراین در کاربردهایی که دوام بسیار طولانی‌مدت اهمیت دارد، بررسی مقاومت قلیایی و عملکرد واقعی الیاف PET ضروری است.

دوام بلندمدت پلی‌پروپیلن

یکی از مزایای مهم PP، وجود داده‌های بلندمدت درباره عملکرد آن در کامپوزیت‌های سیمانی است.

مطالعات دوام روی کامپوزیت‌های حاوی PP، عملکرد این الیاف را در بازه‌های زمانی طولانی بررسی کرده‌اند و پایداری مناسب آن‌ها در ماتریس سیمانی را گزارش کرده‌اند [5].

این سابقه پژوهشی یکی از عوامل مهم در استفاده گسترده از PP در محصولات تجاری بتن الیافی است.

رفتار در برابر حرارت و آتش

یکی از تفاوت‌های مهم PP و PET مربوط به رفتار حرارتی آن‌هاست.

پلی‌پروپیلن دمای ذوب نسبتاً پایینی دارد. در صورت افزایش شدید دمای بتن، میکروفیبرهای PP می‌توانند ذوب شده و کانال‌های بسیار ریزی در داخل بتن ایجاد کنند.

این کانال‌ها می‌توانند به کاهش فشار بخار داخلی کمک کرده و در برخی شرایط خطر Explosive Spalling یا جداشدگی انفجاری سطح بتن را کاهش دهند.

به همین دلیل، استفاده از میکروفیبر PP در برخی بتن‌های دارای الزامات مقاومت در برابر آتش مورد توجه قرار گرفته است.

PET دمای ذوب بالاتری دارد و بنابراین مکانیزم عملکرد حرارتی آن با PP متفاوت است.

تأثیر الیاف بر کارایی و اسلامپ

افزودن الیاف می‌تواند کارایی بتن و ملات را کاهش دهد. این اثر به پارامترهایی مانند طول، قطر، نسبت طول به قطر، درصد مصرف، شکل سطح الیاف و حجم خمیر سیمان بستگی دارد.

هرچه مقدار الیاف بیشتر شود، احتمال تشکیل شبکه الیافی و افزایش مقاومت داخلی مخلوط بیشتر می‌شود.

در نتیجه، در بتن‌های خودتراکم، ملات‌های روان و بتن‌های کم‌آب، انتخاب صحیح هندسه و مقدار الیاف اهمیت ویژه‌ای دارد.

در صورت نیاز، می‌توان با استفاده صحیح از فوق‌روان‌کننده، کاهش کارایی ناشی از الیاف را تا حدی جبران کرد؛ اما افزایش بی‌رویه افزودنی شیمیایی نیز بدون بررسی سازگاری با سیستم سیمانی توصیه نمی‌شود.

اهمیت طول و قطر الیاف

طول و قطر الیاف تأثیر مستقیمی بر عملکرد آن‌ها دارند.

الیاف کوتاه معمولاً تعداد بیشتری در واحد حجم ایجاد کرده و برای کنترل ترک‌های ریز و اولیه مناسب هستند.

الیاف بلندتر توانایی بیشتری برای پل‌زدن روی ترک‌های بزرگ‌تر دارند، اما در صورت افزایش بیش از حد طول یا مقدار مصرف، احتمال گره‌خوردگی، کاهش کارایی و ایجاد تجمع الیاف افزایش می‌یابد.

نسبت طول به قطر یا Aspect Ratio نیز یکی از پارامترهای مهم در انتقال نیرو بین الیاف و ماتریس است.

به همین دلیل مقایسه دو الیاف فقط بر اساس جنس پلیمر، بدون مقایسه هندسه آن‌ها، از نظر فنی کامل نیست [3].

میکروفیبر و ماکروفیبر

یکی از مهم‌ترین نکات در انتخاب الیاف، تفکیک Microfiber و Macrofiber است.

میکروفیبرها عمدتاً برای:

• کنترل ترک پلاستیک؛
• کاهش جمع‌شدگی؛
• کاهش عرض ترک؛
• کنترل ترک‌های اولیه؛
• و در برخی شرایط کاهش خطر Spalling

استفاده می‌شوند.

ماکروفیبرها معمولاً برای:

• افزایش چقرمگی؛
• جذب انرژی؛
• بهبود رفتار پس از ترک؛
• افزایش ظرفیت خمشی پس از ترک؛
• و برخی کاربردهای سازه‌ای

طراحی می‌شوند.

بنابراین مقایسه یک PP Microfiber با یک PET Macrofiber صرفاً بر اساس جنس پلیمر، مقایسه علمی مناسبی نیست.

تأثیر الیاف بر نفوذپذیری و دوام بتن

الیاف به‌صورت مستقیم الزاماً باعث کاهش نفوذپذیری بتن نمی‌شوند.

اگر الیاف به‌خوبی در بتن پخش شده و باعث کاهش ترک شوند، می‌توانند از ایجاد مسیرهای نفوذ ناشی از ترک جلوگیری کنند.

اما در صورت استفاده بیش از حد یا اختلاط نامناسب، کاهش کارایی و ایجاد حفرات می‌تواند اثر منفی بر ساختار بتن داشته باشد.

بنابراین تأثیر نهایی الیاف بر دوام بتن به ترکیبی از عوامل زیر وابسته است:

• کیفیت ماتریس سیمانی؛
• نسبت آب به سیمان؛
• مقدار الیاف؛
• پراکندگی الیاف؛
• نوع و هندسه الیاف؛
• کیفیت عمل‌آوری؛
• میزان ترک‌خوردگی.

در نتیجه، الیاف باید به عنوان بخشی از یک سیستم کامل طراحی بتن در نظر گرفته شوند، نه یک ماده مستقل برای کاهش نفوذپذیری.

مقاومت در برابر ضربه و جذب انرژی

الیاف مصنوعی می‌توانند مقاومت ضربه‌ای و ظرفیت جذب انرژی بتن را افزایش دهند.

این اثر عمدتاً ناشی از توانایی الیاف برای جلوگیری از گسترش سریع ترک و انتقال تنش بعد از ایجاد ترک است.

در مطالعات مختلف، استفاده از PP باعث بهبود مقاومت ضربه‌ای و چقرمگی بتن شده است؛ حتی در مواردی که افزایش مقاومت فشاری چندان قابل توجه نبوده است [6].

این ویژگی در کف‌های صنعتی، قطعات پیش‌ساخته، شاتکریت و سایر کاربردهایی که بتن در معرض ضربه یا بارگذاری تکراری قرار دارد، اهمیت دارد.

مزیت زیست‌محیطی الیاف PET

یکی از مهم‌ترین مزایای بالقوه پلی‌استر/PET، امکان استفاده از مواد بازیافتی است.

بطری‌های PET، ضایعات نساجی و سایر منابع پلی‌استری می‌توانند پس از فرآوری مناسب به الیاف مورد استفاده در کامپوزیت‌های سیمانی تبدیل شوند.

این فرآیند می‌تواند همزمان دو هدف را دنبال کند:

کاهش ضایعات پلاستیکی و تولید یک ماده تقویت‌کننده برای بتن.

با این حال، PET بازیافتی ممکن است از نظر ترکیب، سطح، قطر، میزان آلودگی و خواص مکانیکی یکنواختی کمتری نسبت به الیاف مهندسی‌شده داشته باشد.

بنابراین در محصولات تجاری، مشخصات فنی و نتایج آزمون عملکردی اهمیت بیشتری از صرفاً عنوان «الیاف PET بازیافتی» دارند.

چرا مقایسه PP و PET فقط بر اساس جنس پلیمر کافی نیست؟

فرض کنیم در یک آزمایش PP عملکرد خمشی بهتری داشته باشد. این نتیجه به معنی بهتر بودن تمام محصولات PP در تمام کاربردها نیست.

به همین ترتیب، اگر یک نوع PET در آزمایشی عملکرد کششی مناسبی نشان دهد، نمی‌توان نتیجه گرفت که تمام الیاف PET همین عملکرد را خواهند داشت.

عملکرد بتن الیافی تابع مجموعه‌ای از عوامل است:

نوع پلیمر + طول + قطر + شکل سطح + درصد حجمی + پراکندگی + چسبندگی به ماتریس + نسبت آب به سیمان + نوع سیمان + مواد افزودنی + روش اختلاط + عمل‌آوری.

به همین دلیل، برای مقایسه دو محصول تجاری، باید مشخصات فنی و عملکرد آزمایشگاهی هر دو محصول در شرایط یکسان بررسی شود.

پارامترهای مهم برای انتخاب الیاف

برای مقایسه فنی دو محصول الیافی بهتر است حداقل پارامترهای زیر بررسی شوند:

• نوع پلیمر؛
• طول الیاف؛
• قطر معادل؛
• نسبت طول به قطر؛
• چگالی؛
• مقاومت کششی؛
• مدول الاستیسیته؛
• درصد ازدیاد طول؛
• شکل سطح؛
• نوع عملیات سطحی؛
• مقاومت در برابر محیط قلیایی؛
• دمای ذوب؛
• درصد حجمی پیشنهادی؛
• مقدار مصرف پیشنهادی؛
• قابلیت پراکندگی در بتن؛
• عملکرد پس از ترک.

همچنین مقدار مصرف بهتر است علاوه بر kg/m³، در صورت امکان به صورت درصد حجمی نیز بیان شود؛ زیرا چگالی PP و PET یکسان نیست و مقایسه وزنی همیشه بیانگر مقدار واقعی الیاف در حجم بتن نیست.

جمع‌بندی مقایسه پلی‌پروپیلن و پلی‌استر

هر دو نوع الیاف پلی‌پروپیلن و پلی‌استر می‌توانند در کنترل ترک و بهبود رفتار بتن و ملات مؤثر باشند، اما ویژگی‌های آن‌ها یکسان نیست.

پلی‌پروپیلن به دلیل پایداری بسیار مناسب در محیط قلیایی، جذب آب پایین، چگالی کم، سابقه گسترده استفاده در بتن و عملکرد مناسب در کنترل ترک‌های اولیه و جمع‌شدگی، یکی از مهم‌ترین الیاف مصنوعی مورد استفاده در بتن و ملات محسوب می‌شود [1،5].

از سوی دیگر، پلی‌استر/PET می‌تواند خواص مکانیکی مناسبی ایجاد کند و امکان استفاده از منابع بازیافتی یکی از مزایای مهم آن است. با این حال، رفتار PET در محیط قلیایی باید با توجه به نوع الیاف و شرایط کاربرد بررسی شود [1،2].

در نهایت، انتخاب الیاف مناسب نباید صرفاً بر اساس عبارت «PP» یا «Polyester» انجام شود. طول، قطر، نسبت طول به قطر، ساختار سطح، درصد مصرف، پراکندگی، چسبندگی به ماتریس و دوام، همگی بر عملکرد نهایی تأثیر دارند.

بنابراین فرآیند انتخاب صحیح الیاف را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد:

هدف عملکردی → نوع ترک و بارگذاری → نوع الیاف → هندسه الیاف → درصد حجمی → مقدار مصرف → سازگاری با مخلوط → دوام → آزمون عملکردی

در نتیجه، هیچ پاسخ مطلقی برای این سؤال که «الیاف پلی‌پروپیلن بهتر است یا پلی‌استر؟» وجود ندارد؛ بلکه انتخاب مناسب باید بر اساس کاربرد، مشخصات الیاف و عملکرد مورد انتظار در بتن یا ملات انجام شود.

منابع

[1] Rostami, R., Zarrebini, M., Mandegari, M., Sanginabadi, K., Mostofinejad, D., & Abtahi, S. M. (2019). The effect of concrete alkalinity on behavior of reinforcing polyester and polypropylene fibers with similar properties. Cement and Concrete Composites, 97, 118–124. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2018.12.012.

[2] Rostami, R., Zarrebini, M., Mandegari, M., Mostofinejad, D., & Abtahi, S. M. (2020). A review on performance of polyester fibers in alkaline and cementitious composites environments. Construction and Building Materials, 241, 117998. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.117998.

[3] Effect of composition and length of PP and polyester fibres on mechanical properties of cement based composites. Construction and Building Materials, 36, 534–537, 2012. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2012.06.005.

[4] Effect of polypropylene fiber reinforcement on the properties of fresh and hardened concrete in the Arabian Gulf environment. Cement and Concrete Research, 18(4), 561–570, 1988. DOI: 10.1016/0008-8846(88)90049-X.

[5] Durability of polypropylene fibers in Portland cement-based composites: Eighteen years of data. Cement and Concrete Research, 28(12), 1809–1817, 1998. DOI: 10.1016/S0008-8846(98)00155-0.

[6] Alhozaimy, A. M., Soroushian, P., & Mirza, F. (1996). Mechanical properties of polypropylene fiber reinforced concrete and the effects of pozzolanic materials. Cement and Concrete Composites, 18(2), 85–92.

[7] ASTM C1116/C1116M. Standard Specification for Fiber-Reinforced Concrete. ASTM International.

[8] ACI 544.4R. Guide to Design with Fiber-Reinforced Concrete. American Concrete Institute.