Fibrobeton

Mieszanka fibrobetonowa z włóknami stalowymi
Posadzka przemysłowa wykonana z fibrobetonu

Fibrobeton (włóknobeton lub drutobeton) – rodzaj betonu, który poza podstawowymi składnikami (cement, kruszywo, woda) zawiera krótkie włókna zbrojeniowe równomiernie rozmieszczone w całej objętości betonu[1]. Włókna mogą być wykonane z materiałów takich jak: szkło, stal, tworzywo sztuczne, bazalt[2]. W porównaniu do betonu zwykłego, charakteryzuje się większą wytrzymałością na rozciąganie przy zginaniu, na ściskanie oraz na ścinanie, a także zwiększoną odpornością zmęczeniową i udarnością[3]. Ze względu na swoje właściwości wykorzystywany jest w elementach narażonych na działanie dużych obciążeń, np. posadzki przemysłowe, elementy cienkościenne[2]. Obecnie najczęściej stosowanymi włóknami do modyfikowania betonu są włókna stalowe i włókna polimerowe.

Historia

Włókna jako zbrojenie stosowano już od czasów starożytności. W Mezopotamii budowniczy dodawali zwierzęcą sierść i ciętą słomę do wyrobów glinianych w celu ich wzmocnienia[1].

Od początku XX wieku stosowano na całym świecie włókna z azbestu. Zmieszane z zaczynem cementowym tworzyły azbestocement zwany eternitem. Z eternitu produkowano płyty pokryć dachowych i elewacyjnych oraz rury instalacyjne. Obecnie, ze względu na szkodliwy wpływ azbestu na zdrowie człowieka, nie stosuje się włókien azbestowych do modyfikowania betonu[1].

Proces powstawania kompozytu betonowego z dodatkiem włókien rozpoczął się w 1874 roku. Zapoczątkował go A. Bernard z Kalifornii, dodając do betonu niewielkie opiłki stalowe[4]. Następnie w 1910 roku H. Porter wspomniał o możliwości zastosowania krótkich drutów do betonu, które polepszyły „jednorodność betonu zbrojonego tylko grubymi prętami”[1]. W 1918 roku H. Alfsen opatentował wzmacnianie betonu długimi włóknami stalowymi. Twierdził, że podniesie to jego wytrzymałość na rozciąganie. Jako pierwszy dostrzegł wpływ chropowatości powierzchni włókien na ich przyczepność do betonu i zauważył, że ważne jest zakotwienie włókien[4]. N. Zitkewic w 1938 roku wymyślił sposób na podwyższenie wytrzymałości i udarności betonu poprzez dodanie pociętego na kawałki drutu ze stali miękkiej[1].

Dopiero w 1963 roku Romualdi i Baston na dużą skalę zajęli się modyfikacją betonów włóknami stalowymi. Przedstawili pogląd, w którym krótkie włókna stalowe utrudniają pojawianie się rys w betonie i hamują ich propagację. Technologię tego betonu opatentowano pod nazwą „Wirand”[1].

Wpływ włókien na właściwości betonu

Efektywność włókien zawartych w betonie zależy od ich ilości, właściwości, kształtu, wymiarów oraz od ich przyczepności do betonu. Jeżeli ich udział osiągnie pewną graniczną wartość, „przekształcą” go w materiał quasi-plastyczny. W przeciwieństwie do betonu zwykłego fibrobeton przenosi krótkotrwałe przeciążenia bez widocznych uszkodzeń. Kształt włókien sprawia, że pęknięty element nie rozpada się na kawałki i trudno go rozdzielić[5].

Zawartość włókien stalowych pogarsza urabialność mieszanki betonowej. Aby polepszyć urabialność zalecane jest zwiększenie ilości zaczynu i drobnego kruszywa[1]. Zalecane jest również zastosowanie superplastyfikatorów, które upłynnią konsystencję mieszanki[5].

Włókna bardzo korzystnie wpływają na właściwości mechaniczne, fizyczne oraz reologiczne betonu.

Do najważniejszych korzyści należą:

  • trzy do pięciokrotne zwiększenie wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu[2],
  • podwyższenie wytrzymałości na ściskanie w zakresie od 15 do 30%[1][3],
  • podwyższenie wytrzymałości na rozciąganie do 15%[2],
  • podniesienie wytrzymałości zmęczeniowej (zwłaszcza przy zginaniu) nawet trzykrotnie[1],
  • wysoka mrozoodporność[1],
  • wzrost udarności nawet kilkunastokrotny[1],
  • zwiększona odporność na pękanie, energia potrzebna do zniszczenia wzrasta kilkadziesiąt razy[1][2],
  • duża odporność na ścieranie[2],
  • wzrost wodoszczelności wraz ze wzrostem ilości włókien – nawet o 60%[5],
  • dodatek włókien stalowych wyraźnie podnosi odporność betonu na działanie wysokich temperatur, szczególnie na ich gwałtowne zmiany[1],
  • obniżenie skurczu i pełzania o 10–30%[1][5],
  • obniżenie modułu sprężystości od 10 do 25%[2].

Włókna w betonie korzystnie wpływają na wytrzymałość na docisk miejscowy. Dzięki temu beton może przenieść duże obciążenia punktowe. Ograniczają również powstawanie rys w trakcie obciążania betonu oraz hamują ich propagację[1].

Fibrobeton nie ulega zniszczeniu gdy dojdzie do pęknięcia materiału, lecz dalej się odkształca. Włókna spajają kompozyt i zapobiegają jego rozerwaniu[1]. Przenoszą cześć naprężeń i równomiernie rozkładają je na cały obszar betonu. Ponadto włókna zmniejszają ilość pęknięć skurczowych[1][5].

Rodzaje włókien

Włókna do modyfikowania betonu wytwarzane są z różnych materiałów, w różnych kształtach i rozmiarach[6].

Można wyróżnić:

Ilość i rozmieszczenie włókien w betonie

Ilość włókien dodanych do mieszanki betonowej wyraża się najczęściej jako udział procentowy w całkowitej objętości kompozytu fibrobetonowego. Zawartość włókien w kompozycie wynosi od 0,5 do 3% całej objętości. Jeżeli dodanych włókien będzie więcej niż 2% to może dojść do plątania się włókien i powstania tzw. „jeży”, czyli zbitych kul włókien, które tworzą się podczas mieszania składników. Z kolei dodatek włókien mniejszy niż 0,5% nie powoduje zauważalnych zmian cech mechanicznych modyfikowanego betonu[5].

Rozkład włókien w zależności od średnicy ziaren kruszywa

Zawartość włókien w betonie zależy także od ich smukłości l / d {\displaystyle l/d} (gdzie l {\displaystyle l} – długość włókna, a d {\displaystyle d} – średnica włókna). Im większa smukłość włókien, tym mniej można ich dodać do mieszanki betonowej[5].

Na ilość i rozkład włókien w kompozycie cementowym wpływ ma także wielkość ziaren kruszywa. Włókna są bardziej równomiernie rozłożone w mieszance betonowej gdy wielkość kruszywa mieści się w przedziale od 4 do 8 mm. Kruszywo grube uniemożliwia równomierny rozkład włókien. W ten sposób kompozyt uzyskuje najlepsze efekty wytrzymałościowe[1].

Układy orientacji włókien w kompozycie cementowym

W celu uzyskania najwyższej wytrzymałości rozmieszczenie włókien w betonie powinno być równoległe do kierunku głównych naprężeń rozciągających[6].

Można wyróżnić 3 typy orientacji włókien[5]:

  • liniowy 1D – włókna równolegle do siebie,
  • płaski 2D – włókna równoległe względem jednej płaszczyzny,
  • przestrzenny 3D – włókna ukierunkowane równomiernie we wszystkich kierunkach.

Najczęściej występuje układ przestrzenny 3D, który prowadzi do uzyskania najwyższych właściwości i wytrzymałości kompozytu cementowego.

Przygotowanie mieszanki

Najczęściej mieszankę przygotowuje się w betoniarce zaczynając od wsypania do niej 2/3 części masy kruszywa wysuszonego do stałej masy. Następnie dodaje się cement, a potem pozostałą część kruszywa i wszystkie suche składniki poddaje się wstępnemu mieszaniu. Po określonym czasie dolewa się wodę, mieszając dalej aż do uzyskania jednorodnej mieszanki. Dodawanie włókien odbywa się stopniowo podczas mieszania składników w celu równomiernego rozprowadzenia ich w mieszance betonowej[5].

Zastosowanie fibrobetonu

Fibrobeton znajduje zastosowanie zarówno bezpośrednio na placu budowy, jak i do produkcji elementów prefabrykowanych[1].

Najczęściej stosowany w:

Procedury badawcze

Fibrobeton, to materiał, w którym stosuje się wszystkie procedury badawcze, dotyczące cech mechanicznych, jak w przypadku betonu zwykłego. Występują jednak sytuacje wyjątkowe, gdzie specyficzne zachowanie fibrokompozytu uniemożliwia zastosowania tych samych procedur, jak dla betonu niemodyfikowanego włóknami[5]. Przede wszystkim w inny sposób rozpatrywana jest wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu. Do tego zadania wykorzystywane są procedury opisane w normach: japońskiej JSCI-SF4, amerykańskiej ASTM C1018-97 oraz europejskiej EN 14651:2005.

Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu

Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu według normy japońskiej określana jest maksymalnym obciążeniem niszczącym P u {\displaystyle P_{u}} oraz naprężeniem rozciągającym f u , {\displaystyle f_{u},} nazywanym również umowną nośnością na zginanie elementów próbnych.

Parametr f u {\displaystyle f_{u}} wyznacza się z zależności:

f u = P u l b h 2 {\displaystyle f_{u}={\frac {P_{u}l}{bh^{2}}}}

gdzie:

b {\displaystyle b} – szerokość próbki w kształcie graniastosłupa o przekroju kwadratowym,
h {\displaystyle h} – wysokość próbki w kształcie graniastosłupa o przekroju kwadratowym,
l {\displaystyle l} – rozpiętość próbki w kształcie graniastosłupa o przekroju kwadratowym.

Cechą charakterystyczną fibrobetonu jest współczynnik odporności na pękanie przy zginaniu f e , {\displaystyle f_{e},} nazywany również „równoważną wytrzymałością na rozciąganie przy zginaniu”.

Parametr f e {\displaystyle f_{e}} wyznacza się z zależności:

f e = T δ δ l b h 2 , {\displaystyle f_{e}={\frac {T_{\delta }}{\delta }}\cdot {\frac {l}{bh^{2}}},}

gdzie:

T δ {\displaystyle T_{\delta }} – odporność na pękanie przy zginaniu ( N m m ) , {\displaystyle (N\cdot mm),} będąca polem powierzchni pod krzywą ugięcia belki w przedziale do 1 150 l {\displaystyle {\frac {1}{150}}l} [8],
b {\displaystyle b} – szerokość próbki w kształcie graniastosłupa o przekroju kwadratowym,
h {\displaystyle h} – wysokość próbki w kształcie graniastosłupa o przekroju kwadratowym,
l {\displaystyle l} – rozpiętość próbki w kształcie graniastosłupa o przekroju kwadratowym.

Badanie wytrzymałościowe jest stosunkowo łatwe do wykonania, lecz jest obarczone pewnymi nieścisłościami, zależnymi między innymi od wymiarów próbki czy wyznaczeniem granicznego punktu ugięcia belki. Badanie należy przerwać w chwili osiągnięcia przez próbkę wartości 1 150 l , {\displaystyle {\frac {1}{150}}l,} co oznacza, że moment pojawienia się pierwszej rysy nie jest poddany dalszym obserwacjom.

Norma amerykańska badanie wytrzymałościowe określa, jako wytrzymałość do momentu pojawienia się pierwszej rysy. Jest to moment, w którym krzywa zależności obciążenie – odkształcenie odchyla się od linii prostej. Wartość, która charakteryzuje wielkość odporności na pękanie jest stosunek pochłoniętej energii dla danego odkształcenia do energii wykorzystanej w celu pojawienia się pierwszej rysy, będący wskaźnikiem tej odporności. Wskaźnik odporności na pękanie mówi, w jakim stopniu różni się od ciała idealnie sprężysto – plastycznego mieszanka betonowa modyfikowana włóknami.

W normie amerykańskiej spotykamy pojęcie „wskaźnika rezydualnej wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu” R . {\displaystyle R.} Dla ciała będącego materiałem idealnie sprężysto-plastycznym wartość R = 100. {\displaystyle R=100.} Dla mieszanki betonowej modyfikowanej włóknami wartość należy obliczyć według wzoru[5]:

R a , b = 100 ( I b I a ) S F R C ( I b I a ) E P , {\displaystyle R_{a,b}={\frac {100\cdot (I_{b}-I_{a})_{SFRC}}{(I_{b}-I_{a})_{EP}}},}

gdzie:

S F R C {\displaystyle SFRC} – mieszanka betonowa modyfikowana włóknami,
E P {\displaystyle EP} – materiał, będący ciałem idealnie sprężysto – plastycznym.

Wśród producentów włókien stalowych można się zetknąć z pojęciami „ilorazów odporności na pękanie” R u {\displaystyle R_{u}} oraz R e . {\displaystyle R_{e}.} Podane parametry należy obliczać według wzorów:

R u = 100 f u f o {\displaystyle R_{u}=100{\frac {f_{u}}{f_{o}}}\;{}} oraz R e = 100 f e f o , {\displaystyle {}\;R_{e}=100{\frac {f_{e}}{f_{o}}},}

gdzie:

f u {\displaystyle f_{u}} – naprężenia rozciągające, nazywane również umowną nośnością na zginanie elementów próbnych,
f e {\displaystyle f_{e}} – współczynnik odporności na pękanie przy zginaniu, nazywany również „równoważną wytrzymałością na rozciąganie przy zginaniu”,
f o {\displaystyle f_{o}} – współczynnik wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu kompozytu bez dodatku włókien.

Jak w przypadku normy japońskiej, norma amerykańska także jest obarczona pewnymi niedokładnościami. Po pierwsze – należy precyzyjnie pomierzyć ugięcie próbki. Wartość ugięcia zależy od sposobu podparcia próbki na podporach oraz narastające odkształcenie w miejscu pojawienia się rysy. Po drugie – należy dokładnie określić ugięcie przy powstaniu pierwszej rysy[5][9].

Zobacz też

Przypisy

  1. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x Z. Jamroży, Drutobeton, Kraków 1985.
  2. a b c d e f g h i Z. Jamroży, Beton i jego technologie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005.
  3. a b c d e M.A. Glinicki, Beton ze zbrojeniem strukturalnym, XXV Ogólnopolskie warsztaty pracy projektanta konstrukcji, Szczyrk 10–13 marca 2010.
  4. a b J. Katzer, Włókna stalowe stosowane do modyfikacji betonu, „Budownictwo, Technologie, Architektura” 3(23)/2003, s. 46–47.
  5. a b c d e f g h i j k l J. Katzer, Kształtowanie właściwości wybranych fibrokompozytów cementowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 2010.
  6. a b c d e J. Karwowska, A. Łapko, Przydatność stosowania nowoczesnych kompozytów fibrobetonowych w konstrukcjach budowlanych, Budownictwo i Inżynieria Środowiska, Politechnika Białostocka, 2 (2011) Białystok.
  7. a b c d e X. Destree, Betonowe konstrukcje budowlane zbrojone włóknami stalowymi, „Inżynier Budownictwa”, 11/2012.
  8. J. Karwacki: Beton zbrojony włóknem stalowym, Bautech, Warszawa 1996.
  9. M.C. Nataraja, N. Dhang, A.P. Gupta: Toughness characterization of steel fiber-reinforced concreto by JSCE approach, „Cement and Concrete Research” 30/2000.
  • LCCN: sh85112450
  • GND: 4219806-9
  • NKC: ph201889
  • J9U: 987007529508105171