معرفی کتاب مواد پایه سیمانی الیافی/دکتر سجاد میرزامحمدی، دکتر مسعود سلطانی محمدی
کتاب حاضر شامل کلیاتی در زمینۀ بتن و کامپوزیت‌های سیمانی الیافی تحت عنوان «مواد پایه سیمانی الیافی» است. طی سال‌های گذشته کتاب‌های مختلفی دربارۀ بتن و بتن‌های الیافی منتشر شده است، اما امروزه با گسترش علم و فناوری، مصالح جدیدی تحت عنوان «کامپوزیت‌های سیمانی مسلح به الیاف» به دنیای بتن معرفی شده‌اند که همواره باید در تکنولوژی بتن مورد توجه قرار گیرد. موضوع کتاب حاضر، آشنایی و شناخت مواد پایه سیمانی الیافی به‌عنوان مصالح جدید ساخت‌و‌ساز است.
توانایی سرویس‌‌دهی و افزايش ظرفيت باربري مصالح سازهای از ديرباز به‌عنوان یک مسئله‌‌ی مهم اقتصادی محسوب مي‌‌شده است. سال‌های زیادی است که بتن و فولاد به‌عنوان مصالح باربر ساختمانی استفاده می‌شوند. بتن به‌عنوان یک ماده‌‌ی سازهای پر کاربرد، امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌‌گیرد. از سال 1992 تا 1993 میلادی، تنها در کشور آمریکا 63 میلیون تن سیمان پرتلند برای تولید 500 میلیون تن بتن مصرف شده است؛ که این خود پنج برابر تولید فولاد، به‌صورت وزنی در مدت مشابه است. در اغلب کشور‌‌های جهان نسبت مصرف بتن به فولاد از 10 به 1 نیز فراتر رفته است. تا‌‌کنون تعاریف زیادی از بتن ارائه شده است. بر اساس این تعاریف، بتن از سه ماده‌‌ی اصلی تشکیل شده است. این مواد عبارت‌اند از: مواد سیمانی، آب که مواد سیمانی با آن واکنش داده و خاصیت چسبندگی پیدا میکنند؛ و مواد پرکننده که حجم قابل‌توجهی از بتن را تشکیل می‌‌دهند.
مواد پایه سیمانی الیافی شامل بتن‌های الیافی، ملات‌های الیافی و خمیر سیمان الیافی می‌باشند. حضور الیاف در بتن، ملات و یا خمیرهای سیمانی باعث تبدیل شدن آن‌ها به یک کامپوزیت یا ماده مرکب خواهد شد که از دو فاز تشکیل شده‌اند. یک فاز آن‌ها الیاف و فاز دیگر آن‌ها سایر مواد تشکیل دهنده خواهد بود (ترکیب آب، سیمان هیدرولیکی و سنگدانه) که به آن ماتریس می‌گویند. شکل 1 شمای کلی مواد پایه سیمانی الیافی را نشان می‌دهد. تفاوت مواد اشاره شده در رفتار و سنگدانه‌های مصرفی آن‌ها بوده به طوری که بتن الیافی معمولی (FRC) حاوی سنگدانه ریز و درشت همانند سنگدانه‌های مصرفی در بتن معمولی با رفتار نرم‌شوندگی کرنشی، بتن الیافی توانمند (HPFRC) حاوی ترکیبی از سنگدانه‌ها با اندازه‌ی مختلف (حداکثر اندازه 850 میکرومتر) با رفتار سخت‌شوندگی کرنشی، کامپوزیت سیمانی الیافی معمولی شامل سنگدانه‌های ریز (حداکثر اندازه 250 میکرومتر) با رفتار نرم‌شوندگی کرنشی، کامپوزیت سیمانی الیافی توانمند شامل سنگدانه‌های ریز (حداکثر اندازه 250 میکرومتر) با رفتار سخت‌شوندگی کرنشی، و خمیر الیافی فاقد سنگدانه می‌باشند.
مواد پایه سیمانی الیافی نوعی کامپوزیت با خاصیت یکپارچگی و پیوستگی مناسب بوده که با به کارگیری الیاف کوتاه و گسسته داخل ماتریس، مقاومت کششی و فشاری آن‌ها افزایش یافته و امکان استفاده از آن‌ها به‌عنوان یک ماده شکل‌پذیر جهت تولید سطوح مقاوم پرانحنا را فراهم می‌آورد. همچنین این مواد از قابلیت جذب انرژی بالایی نیز برخوردار بوده و تحت اثر بارهای ضربه‌ای به‌راحتی از هم پاشیده نمی‌شوند. شاهد تاریخی این فناوری، کاربرد کاه‌گل در بنای ساختمان است. در واقع مواد پایه سیمانی الیافی نوع پیشرفته این تکنولوژی است که الیاف طبیعی و مصنوعی جدید، جانشین کاه و سیمان جانشین گل به کار رفته در ترکیب کاه‌گل شده‌اند. این مواد از بهترین مصالح مورد استفاده در ساخت بناهای مقاوم به ضربه، همچون سازه پناهگاه‌ها و انبارهای نگهداری مواد منفجره به شمار می‌روند و بنای شکل گرفته، قابلیت فوق العاده‌ای در جذب انرژی ضربه دارد.
مواد پایه سیمانی الیافی بر حسب رفتار کششی به دو نوع تقسیم‌بندی می‌شوند:
الف: مواد پایه سیمانی الیافی با رفتار سخت‌شوندگی کرنشی
در این دسته از مواد، بعد از اولین ترک‌خوردگی از ظرفیت باربری کامپوزیت کاسته نمی‌شود و کامپوزیت همچنان قابلیت تحمل بارهای بیشتری را خواهد داشت. بتن‌های الیافی توانمند و کامپوزیت‌های سیمانی الیافی توانمند از دسته مواد با رفتار سخت‌شوندگی کرنشی بوده و مقاومت فشاری آن‌ها متفاوت می‌باشد (بتن‌های الیافی توانمند مقاومت فشاری بالاتری نسبت به کامپوزیت‌های سیمانی الیافی توانمند دارند).
ب: مواد پایه سیمانی الیافی با رفتار نرم‌شوندگی کرنشی
در این دسته از مواد به محض تشکیل شدن اولین ترک‌خوردگی از ظرفیت باربری کامپوزیت کاسته می‌شود و فرق آن با مواد سیمانی بدون الیاف جلوگیری از شکست ناگهانی می‌باشد.
اگرچه عملکرد شکنندگی مواد پایه سیمانی با به کارگیری الیاف به‌شدت کاهش می‌یابد اما اغلب مواد پایه سیمانی تقویت شده با الیاف ظرفیت کرنش کششی پایینی یعنی تقریبا در حدود 0/01 درصد دارند به طوری که خرابی در این مواد بعد از اولین ترک رخ داده و به یک رفتار نرم‌شوندگی کرنشی تحت کشش منجر می‌شود. در چند دهه اخیر مواد پایه سیمانی الیافی توانمند بر مبنای اصول میکرومکانیک توسعه یافته‌اند. این مواد رفتار سخت‌شوندگی کرنشی و ترک‌خوردگی چندگانه قابل‌توجهی از خود نشان داده و بتن‌های الیافی توانمند (HPFRC)، کامپوزیت سیمانی مهندسی‌شده (ECC)، کامپوزیت سیمانی سخت‌شدگی کرنشی (SHCC) یا کامپوزیت سیمانی با سختی فوق بالا (UHTCC) را شامل می‌شوند. از ویژگی‌های مواد پایه سیمانی الیافی توانمند نسبت به بتن سنتی می‌توان به شکل‌پذیری بسیار تحت بارهای یکنواخت و چرخه‌ای اشاره کرد که کاربردهای بالقوه‌ای برای دوام‌پذیری، مقاوم‌سازی و بهبود عملکرد (بهسازی) ساختارها دارد.
جایگزینی بتن معمولی با مواد پایه سیمانی الیافی در کل سازه منجر به هزینه بسیار بالا خواهد شد. زیرا الیاف مورد استفاده در این نوع مواد بسیار گران‌تر از سیمان، خاک و آب هستند. یک راه حل موثر استراتژیکی برای این مشکل استفاده جزئی از این مواد در المان‌های حیاتی و بهسازی انواع سازه‌ها همچون سازه‌های بتنی، فولادی و بنایی است. مواد پایه سیمانی الیافی توانمند از ویژگی سخت‌شوندگی کرنشی به‌منظور محدود کردن پهنای ترک، ورود مواد مخرب و افزایش ظرفیت بار المان‌های سازهای استفاده میکنند. با توجه به موارد اشاره شده می‌توان دریافت یکی از موثرترین کاربردهای مواد پایه سیمانی الیافی به‌خصوص مواد پایه سیمانی الیافی توانمند بهسازی ساختارهای موجود است. اگرچه ساخت ماده پایه سیمانی الیافی پیچیده‌تر از ساخت بتن معمولی است با این حال مواد پایه سیمانی الیافی قابل اسپری دارای مزایای فراوانی همچون اجرای سریع‌تر می‌باشند.
لازم به ذکر است، استفاده از مواد پایه سیمانی الیافی معمولی (رفتار نرم‌شوندگی) می‌تواند هم برای بهبود ظرفیت باربری و هم برای بهبود دوام سازه سودمند باشد. با این حال، در صورت استفاده از این مواد، ماهیت رفتار ترد مصالح ترمیمی به طور بنیادین بهبود نمی‌یابد و ترک‌ها یا سایر خرابی‌های مکانیکی سیستم بهسازی در دوره بهره‌برداری از سازه خود را نشان خواهند داد. بنابراین مصالحی که به‌منظور بهبود عملکرد ساختارها به کار می‌روند باید بادقت و با توجه به مقاومت و سختی مصالح به طور مشترک و توامان انتخاب شوند.
نگرانی‌های محیطی درباره مواد پایه سیمانی به‌دلیل استفاده از سیمان پرتلند به‌عنوان ماده اصلی چسباننده در آن‌ها بوده که دلیل تولید 5-8 درصد از کل گاز دی‌اکسیدکربن در طبیعت است. به‌عبارت دیگر یکی از چالش‌های کلیدی در دهه‌های آتی مربوط به طراحی و تولید مواد پایه سیمانی با میزان کمتر کلینکر و آلایندگی گاز دی‌اکسیدکربن نسبت به مواد پایه سیمانی سنتی و در عین حال همان اطمینان‌پذیری و حتی با پایداری و دوام بیشتر می‌باشد. در زمان تولید مواد پایه سیمانی الیافی توانمند، میزان استفاده از سیمان یا چسباننده همواره زیاد است (معمولا این میزان بیشتر از 1000 کیلوگرم بر مترمکعب می‌باشد). بدین منظور در یک فصل از کتاب حاضر به بررسی مواد جایگزین سیمان نیز پرداخته خواهد شد.
ترتیب ارائۀ مطالب در کتاب حاضر را می‌توان به‌صورت زیر خلاصه کرد:
فصل اول، مقدمهای است بر انواع مواد پایه سیمانی، تعریف و تقسیم‌بندی کلی آن‌ها. در فصل دوم اجزای تشکیلدهندۀ بتن‌های الیافی با تمرکز بر الیاف به طور مفصل بررسی می‌شوند. در فصل سوم مواد جایگزین سیمان و سیمان‌های LC3، مطالعه خواهد شد. فصل چهارم نیز به بررسی مواد پایه سیمانی الیافی پاششی (شاتکریت) و کاربرد این مواد می‌پردازد. انتظار میرود که خواننده با مطالعۀ مطالب کتاب، درک صحیحی از مواد پایه سیمانی الیافی و ویژگی‌های آن‌ها، بهدست آورد.
