بتن مسلح با الیاف سلولز چوب

چوب عمدتاً شامل سلولز، همی سلولز و لیگنین می باشد. خصوصیات الیاف سلولز چوب تا حد زیادی تحت تاثیر روش استخراج الیاف و فرایند تصفیه قرار می گیرد. فرایندی که با آن چوب تبدیل به حجم بزرگی از الیاف می شود، خمیری کردن نام دارد. فرایند مکانیکی، شیمیایی یا نیمه شیمیایی خمیری شدن به طور تجاری برای استخراج الیاف سلولز چوب به کار رفته است.

به دلیل اینکه لیگنین، اثر منفی بر روی مقاومت سلولز چوب دارد، مطلوب است از فرایند خمیری که لیگنین را از الیاف سلولز جدا می کند، استفاده شود. استفاده از فرایند شیمیایی خمیری کردن بعث
می شود که لیگنین باقیمانده، در الیاف سلولز به دست آمده، تا حدود زیادی کاهش یابد یا به کلی حذف شود. دو روش اصلی خمیری کردن شیمیایی، فرایند کرافت یا سولفات و فرایند سولفیت هستند.

فرایند کرافت، معمول ترین فرایند تولید الیاف سلولز چوب. این فرایند شامل پختن تراشه های چوب در محلولی از هیدروکسید سدیم، کربنات سدیم و سولفید سدیم می باشد. از طریق رنگبری، درجات مختلفی از الیاف سلولز چوب شامل تمامی یا برخی از سه عامل تشکیل دهنده آن (سلولز، همی سلولز و لیگنین) به دست می آید. رنگبری مقاری از الیاف چوب را که از مقادیر خاصی از تراشه های چوب به دست می آید، به شدت کاهش می دهد؛ با این حال لیگنین تقریباً به طور کامل از الیاف حذف می شود.

الیاف سلولز چوب در مقایسه با بسیاری از الیاف مصنوعی نظیر پلی پروپیلن، پلی اتیلن، پلی استر و آکریلیک، خصوصیات مکانیکی نسبتاً خوبی دارند. برای درجات انتخاب شده ای از چوب و فرایند خمیری می توان الیاف سلولز بدون لیگنین را با مقاومت کششی ای تا حدود ksi290 (Mpa2000)، تولید نمود. با استفاده از فرایند شیمیایی خمیری کردن چوب های متاول تر و ارزان تر، عموماً مقاومت کششی ای در حدود ksi73 (Mpa500) برای الیاف به دست می آید.

 ساختن بتن مسلح به الیاف سلولز چوب

ساخت ترکیبات حاوی الیاف سلولز چوب با روش های مختلفی امکان پذیر است. البته به منظور حصول یک ترکیب مقاوم و چگال، باید نسبت آب به سیمان پایین نگه داشته شود و الیاف باید به طور یکنواخت در ماتریس اطراف خود توزیع شوند. در روشهای معمول اختلاط، مقدار الیافی که می توانند در دال ماتریس، محدود می شود. بنابراین روش های ساختی که شامل اختلاط الیاف با ماتریس با مقادیر اولیه بالای آب و سپس به کارگیری فرایند آب زدایی هستند، بیشتر معمول و اثرگذار می باشند.

استفاده از  الیاف سلولز چوب که به طور کامل لیگنین آنها جدا شده است، بر عمل آوری ماتریس سیمان اثر گذار است. فروشویی الیاف داخل ماتریس سیمان از شکر یا دیگر ناخالصی های آلی می تواند به عنوان کندگیر کننده عمل کرده و یا حتی بکلی مانع از گیرش بتن گردد. استفاده از الیافی که لیگنین آنها از طریق فرایند شیمیایی قلیایی خمیری کردن به طور کامل جدا شده است، باعث حذف اندرکنش شیمیایی میان ماتریس سیمان و الیاف سلولز چوب می شود.

می توان از روش های عمل آوری با اتوکلاو در تولید ترکیبات بتنی مسلح به الیاف سلولز چوب بهره گرفت. یکی از محققین چنین نتیجه گیری کرد که ترکیبات مسلح به الیاف سلولز چوب بهره گرفت. یکی از محققین چنین نتیجه گیری کرد که ترکیبات مسلح به الیاف سلولز چوب اتوکلاو شده، نسبت به ترکیباتی که به طور معمول عمل آوری شده اند، پردوام تر می باشند. البته محققان دیگری هم دریافتند که ممکن است الیاف سلولز چوب به طور بالقوه تحت برخی شرایط عمل آوری با اتوکلاو، آسیب پذیر باشند.

خصوصیات بتن مسلح به الیاف چوب

خصوصیات مادی ترکیبات سیمانی مسلح به الیاف سلولز چوب بررسی شده اند. تاکنون اکثر کارهای تحقیقاتی بر روی ترکیبات مسلح به الیاف سلولزی ای انجام شده است که توسط فرایند خمیری کردن شیمیایی کرافت تولید شده اند. به طور کلی، بررسی ها نشان داده اند که با استفاده از الیاف سلولز چوب، می توان به افزایش سودمندی در مقاومت و سختی ترکیبات نائل شد. با این حال بتن مسلح به الیاف سلولز چوب تحت تاثیر برخی شرایط دچار افت مقاومت شده اند. عوامل کاهش دهنده مقاومت ترکیبات مسلح به الیاف سلولز چوب، موضوع تحقیقات مختلفی شده است.

تحقیقی که توسط گرام، یکی از اعضای موسسه سوئدی تحقیقات سیمان و بتن انجام شده است نشان می دهد که ترکیبات مسلح به الیاف سلولز چوب که در معرض چرخه های تکراری خشک و تر شدن قرار گرفته اند، متناسب با تعداد چرخه های اعمال شده، با افت مقاومت مواجه خواهند شد. مطابق فرضیه گرام، الیاف سلولز چوب از طریق رسوب ترکیبات آهکی در بطن الیاف (بخش توخالی درون الیاف) تبدیل به مواد معدنی می شوند. در اثتایی که مرز بین خمیر سیمان و الیاف چگال تر می شود و بطن الیاف با آهک پر

می گردد، پیوستگی بین الیاف و ماتریس خیلی محکم تر می شود و در نتیجه انعطاف پذیری الیاف کاهش می یابد. گرام، نتیجه گیری کرد که با جایگزینی بخشی از سیمان پرتلند با سیلیکافیوم یا جایگزینی کامل آن با سیمان پر آلومین، قلیای ماتریس و بنابراین مقدار آهک آزاد کاهش می یابد.

تحقیق انجام شده توسط فدرس و ترام نشان داده است که خصوصیات مکانیکی ترکیبات مسلح به الیاف سلولز چوب با مقدار رطوبت ترکیب تغییر بسیار زیادی می کند. ترکیبات خشک شده در کوره مقاومت خمشی به مراتب بزرگتری نسبت به آنهایی که پیش از آزمایش در آب خیسانده شده بودند، نشان دادند. همچنین مشاهده شد که پیوستگی الیاف و ماتریس در ترکیباتی که در کوره خشک شده اند، بیشتر است. در ترکیبات خشک شده در کوره، الیاف به شکست بیش از بیرون کشیدگی تمایل داشتند در حالیکه در ترکیبات خیسانده شده در آب، بیرون کشیدگی الیاف عامل از بین رفتن پیوستگی بین ماتریس و الیاف بود. نمونه های آزمایشی با مخلوطی از سیمان پرتلند معمولی، سیمان پرتلند کم قلیا و ضد سولفات، میکروسیلیس و در برخی موارد خاکستر بادی ساخته شدند.

تحقیق انجام شده توسط شارمن و واوتیر نشان داده است که درجه کربناسیون ترکیبات مسلح به الیاف سلولز چوب بر روی خصوصیات ترکیب تاثیر داشته است. مدول گسیختگی، مقاومت کششی و خروج رطوبت از ترکیبات مسلح به الیاف سلولز چوب همگی در اثر کربناسیون ماتریس سیمان افزایش یافتند. نشان داده شد که درروش های عمل آوری با اتوکلاو، سرعت وقوع کربناسیون سیمان افزایش می یابد. بنابراین شارمن و واوتیر، نتیجه گیری کردند که در حالت سرویس ترکیبات اتوکلاو شده احتمالاً دوام بیشتری نسبت به ترکیباتی که به طور معمول عمل آوری شده اند، دارند.

آنادونین، مایی و کترل خصوصیات شکست ترکیبات سیمانی مسلح به الیاف سلولز چوب را بررسی کردند. تحقیق آنها نشان داده است که هنگامی که ترکیبات دچار شکست می شوند، ممکن است دو مد گسیختگی متفاوت رخ دهد: بیرون کشیدگی الیاف و شکست الیاف. همان طور که پیش از این گفته شد، تحقیق انجام شده توسط فدرس و ترام، نشان داده است که مد گسیختگی الیاف بستگی به مقدار رطوبت ترکیب دارد. شکست الیاف مد غالب گسیختگی، در ترکیبات حاوی رطوبت کمتر می باشد در حالی که با افزایش رطوبت، بیرون کشیدگی الیاف به تدریج مد غالب می شود. کوتس و کیقتلی از این نتیجه گیری حمایت می کنند.

به نظر می رسد که با تغییر میزان رطوبت الیاف، پیوستگی ماتریس و الیاف تغییر می کند. مد گسیختگی بیرون کشیدگی الیاف منجر به انعطاف پذیری و طاقت بیشتر ترکیب می شود. با این حال از دیدگاه مقاومت کل ترکیب، شکست الیاف مطلوب ترین مد گسیختگی است.

روش های بهبود پیوستگی بین الیاف سلولز چوب و ماتریس سیمان توسط کوتس و کمپبل بررسی شده اند. نتایج کار آنها نشان می دهد که هنگامی که برخی اصلاحات سطحی (عامل جفت کننده) بر روی الیاف انجام گیرد، بهبودهایی در الیاف سلولز چوب و ماتریس سیمان و در نتیجه مقاومت ترکیب حاصل می شود. چندین عامل جفت کننده مناسب کشف شده اند.