Χρήσεις, Οφέλη και Βασικά Ερωτήματα του Οπλισμένου με Ίνες Σκυροδέματος

Το σκυρόδεμα χρησιμεύει ως θεμέλιο της σύγχρονης κατασκευής, με τη συνεχή βελτίωση της απόδοσής του να αποτελεί πρωταρχικό στόχο στη μηχανική. Η εμφάνιση του οπλισμένου με ίνες σκυροδέματος (FRC) έχει φέρει νέα ζωτικότητα σε αυτό το απαραίτητο υλικό. Ωστόσο, εγείρει επίσης πολλά ερωτήματα: Τι ακριβώς είναι οι ίνες; Τι διακρίνει τις μακροΐνες από τις μικροΐνες; Πώς πρέπει να επιλεγεί ο κατάλληλος τύπος ίνας και η δοσολογία; Αυτό το άρθρο παρέχει μια εις βάθος εξερεύνηση του οπλισμένου με ίνες σκυροδέματος, αντιμετωπίζοντας πρακτικές ανησυχίες εφαρμογής και προσφέροντας καθοδήγηση για την κατασκευή πιο ανθεκτικών και ανθεκτικών κτιρίων.

Οι ίνες παίζουν καθοριστικό ρόλο στο σκυρόδεμα, λειτουργώντας ως υλικά ενίσχυσης και όχι ως απλά πρόσθετα. Όπως ορίζεται στο ACI CT-18 (Ορολογία Σκυροδέματος), οι ίνες γεφυρώνουν ρωγμές, συνδέοντας το σκυρόδεμα και ενισχύοντας σημαντικά τη συνολική του απόδοση.

Η κύρια διάκριση μεταξύ μακροϊνών και μικροϊνών έγκειται στο μέγεθός τους, που συνήθως μετράται με ισοδύναμη διάμετρο ή γραμμική πυκνότητα. Στη βιομηχανία FRC, η γραμμική πυκνότητα εκφράζεται συχνά σε denier, που αντιπροσωπεύει τη μάζα (σε γραμμάρια) 9.000 μέτρων ίνας.

Οι βασικές διαφορές μεταξύ μικροϊνών και μακροϊνών περιλαμβάνουν:

• Συνθετικές ίνες: Το ASTM D7508/D7508M καθορίζει τις απαιτήσεις για μακροΐνες, μικροΐνες και υβριδικές ίνες (συνδυασμοί και των δύο). Αυτό το πρότυπο χρησιμοποιεί επίσης την αντοχή σε εφελκυσμό και το μήκος κοπής ως πρόσθετες διακριτικές ιδιότητες.
• Φυσικές μικροΐνες: Το ASTM D7357 περιγράφει τις απαιτήσεις συμμόρφωσης για τις ίνες κυτταρίνης που χρησιμοποιούνται στο FRC.
• Χαλύβδινες ίνες: Ταξινομημένες ως μακροΐνες, το ASTM A820/A820M καθορίζει τις ελάχιστες απαιτήσεις για χαλύβδινες ίνες σε εφαρμογές FRC.

• Μικροΐνες: Ελέγχουν κυρίως τη ρηγμάτωση συρρίκνωσης πλαστικού. Σε τυπικές δοσολογίες, δεν παρέχουν έλεγχο ρωγμών θερμοκρασίας ή συρρίκνωσης, ούτε ενισχύουν άλλες ιδιότητες του σκυροδέματος. Ωστόσο, οι ινώδεις μικροΐνες που χρησιμοποιούνται σε ελάχιστες δοσολογίες 1,5 lb/yd³ (0,9 kg/m³) μπορούν να αντικαταστήσουν την ελαφριά ενίσχυση συγκολλημένου συρμάτινου πλέγματος (WWR) για έλεγχο ρωγμών θερμοκρασίας και συρρίκνωσης.
• Μακροΐνες: Βελτιώνουν σημαντικά την απόδοση του σκυροδέματος, συμπεριλαμβανομένης της υπολειπόμενης αντοχής μετά τη ρωγμή, της μεταφοράς φορτίου σε ρωγμές, της ενισχυμένης ανθεκτικότητας, της αντοχής σε κάμψη, της αντοχής σε κόπωση, της αντοχής σε κρούση και της διατμητικής ικανότητας.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι συνθετικών μακροϊνών, ο καθένας με μοναδικά πλεονεκτήματα. Πέρα από τις φυσικές ιδιότητες όπως η αντοχή σε εφελκυσμό, ο ελαστικός συντελεστής, η σύνθεση του υλικού ή το σχήμα, λιγότερο εμφανείς διαφορές περιλαμβάνουν την απόδοση ανάμειξης, την τάση συσσώρευσης, την ποιότητα φινιρίσματος επιφάνειας και τα χαρακτηριστικά πρόσδεσης με το σκυρόδεμα.

Το κλειδί για την επιτυχή χρήση συνθετικών μακροϊνών έγκειται στην επιλογή κατάλληλων δοσολογιών που πληρούν τόσο τις απαιτήσεις απόδοσης όσο και τις ανάγκες εργασιμότητας/φινιρίσματος. Οι ισχυρότερες ίνες ή αυτές με καλύτερα χαρακτηριστικά πρόσδεσης μπορεί να απαιτούν λιγότερο υλικό από τις ασθενέστερες εναλλακτικές λύσεις. Οι κατασκευαστές θα πρέπει να παρέχουν δεδομένα δοκιμών για την υποστήριξη των συστάσεων δοσολογίας, με δοκιμαστικές μίξεις να συνιστώνται όταν υπάρχουν αβεβαιότητες.

Οι μικροΐνες ελέγχουν κυρίως τη ρηγμάτωση συρρίκνωσης πλαστικού. Η έρευνα δείχνει ότι παρέχουν αμελητέα φέρουσα ικανότητα σε σκληρυμένο σκυρόδεμα σε τυπικές δοσολογίες. Οι υψηλότερες δοσολογίες μικροϊνών μπορούν να περιπλέξουν την ανάμειξη λόγω του αυξημένου αριθμού ινών και της επιφάνειας, προκαλώντας πιθανώς προβλήματα εργασιμότητας και σημαντική απώλεια καθίζησης.

Σε σύγκριση με τις κοντύτερες ίνες του ίδιου τύπου, οι μακρύτερες ίνες έχουν μεγαλύτερη επιφάνεια, βελτιώνοντας την αγκύρωση σε σκληρυμένο σκυρόδεμα και ενισχύοντας την απόδοση μετά τη ρωγμή σε ισοδύναμες δοσολογίες. Ωστόσο, υπάρχει ένα βέλτιστο μήκος για κάθε τύπο ίνας, ανάλογα με το συγκεκριμένο σχήμα, τα χαρακτηριστικά ακαμψίας και την αντοχή του σκυροδέματος σε θλίψη.

Οι δοκιμαστικές μίξεις πριν από το έργο, λαμβάνοντας υπόψη τις μεθόδους τοποθέτησης και τις απαιτήσεις φινιρίσματος, βοηθούν στον προσδιορισμό των ιδανικών μηκών ινών, αποτρέποντας προβλήματα όπως η συσσώρευση ή η προεξοχή ινών στην επιφάνεια.

Οι συνθετικές μακροΐνες (ιδιαίτερα τα μεγάλα, χοντρά μονοϊνήματα) μπορούν να παρέχουν υπολειπόμενη αντοχή συγκρίσιμη με τις χαλύβδινες ίνες, ανάλογα με τη δοσολογία. Άλλοι παράγοντες όπως η αναμενόμενη παραμόρφωση και οι περιβαλλοντικές συνθήκες θα πρέπει επίσης να επηρεάσουν την επιλογή ινών. Για ορισμένες δομικές εφαρμογές που απαιτούν χαλύβδινες ίνες, οι συνθετικές εναλλακτικές λύσεις δεν έχουν επικυρωθεί.

Ενώ οι συνθετικές μακροΐνες έχουν συνήθως χαμηλότερη αντοχή σε εφελκυσμό και ελαστικό συντελεστή από τις χαλύβδινες ίνες, παρέχουν σημαντικά περισσότερες ίνες για τη γεφύρωση πιθανών ρωγμών. Όταν δοσολογούνται σωστά, η συνολική ικανότητα μεταφοράς τάσης σε ρωγμές θα πρέπει να είναι ισοδύναμη. Η αποτελεσματική αντοχή της διατομής εξαρτάται επίσης από την ποιότητα πρόσδεσης μήτρας ινών — οι ίνες υψηλής αντοχής με ανεπαρκή πρόσδεση κάνουν κακούς υποψηφίους ενίσχυσης. Η απόδοση του FRC αντικατοπτρίζει τη σύνθετη συμπεριφορά, όχι τις μεμονωμένες ιδιότητες των ινών.

Το οπλισμένο με ίνες σκυρόδεμα (FRC) ενσωματώνει διακριτές ίνες (συνήθως έως 2,5 ίντσες ή 64 mm) σε σκυρόδεμα υδραυλικού τσιμέντου. Τα πολυμερή ενισχυμένα με ίνες (FRP) χρησιμοποιούν ουσιαστικά μακρύτερες ίνες ενσωματωμένες σε πολυμερικές μήτρες χωρίς τσιμέντο ή αδρανή.

Οι απαιτούμενες ποσότητες ινών εξαρτώνται από τα καθορισμένα κριτήρια απόδοσης FRC. Για μικροΐνες που ελέγχουν τη συρρίκνωση πλαστικού, οι λόγοι μείωσης ρωγμών (CRR) καθοδηγούν τον προσδιορισμό της δοσολογίας ανά ASTM C1579. Για μακροΐνες σε σκληρυμένο σκυρόδεμα, οι δοσολογίες θα πρέπει να πληρούν την καθορισμένη υπολειπόμενη αντοχή (ASTM C1399), την ισοδύναμη αντοχή σε κάμψη μετά τη ρωγμή (ASTM C1609) ή την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας (ASTM C1550), λαμβάνοντας υπόψη τον τύπο/πάχος του στοιχείου, την αντοχή του σκυροδέματος, τις προδιαγραφές ενίσχυσης και τις απαιτήσεις φόρτισης.

Πολλοί προμηθευτές παρέχουν εργαλεία σχεδιασμού (ιδιαίτερα για πλάκες) για τον υπολογισμό των κατάλληλων δοσολογιών.

Για πλάκες, οι ελάχιστες δοσολογίες καθορίζονται συνήθως από τους κατασκευαστές με βάση τυποποιημένες δοκιμές προϊόντων για την κάλυψη απαιτήσεων ή βιομηχανικών προτύπων.

Το ANSI/SDI C-2017 για σύνθετα μεταλλικά καταστρώματα καθορίζει ελάχιστες δοσολογίες μακροϊνών 4,0 lb/yd³ (2,4 kg/m³) για συνθετικές ίνες και 25,0 lb/yd³ (14,8 kg/m³) για χαλύβδινες ίνες όταν χρησιμοποιούνται για έλεγχο θερμοκρασίας/συρρίκνωσης. Σύμφωνα με τις απαιτήσεις UL, τα ανώτατα όρια είναι 5,0 lb/yd³ (3,0 kg/m³) για συνθετικές και 66,0 lb/yd³ (39,2 kg/m³) για χαλύβδινες ίνες. Η ενίσχυση με ίνες δεν αντικαθιστά επί του παρόντος τον χάλυβα αρνητικής ροπής σε συγκροτήματα σύνθετων καταστρωμάτων.

Δεν συνιστώνται δοσολογίες κάτω από τις συστάσεις του κατασκευαστή ή τις απαιτήσεις του κώδικα. Οι μηχανικοί θα πρέπει να συμβουλεύονται τους κατασκευαστές ινών όταν δεν είναι βέβαιοι για τις εφαρμογές ή τις δοσολογίες.

Αρκετές πηγές παρέχουν οδηγίες σχεδιασμού για οπλισμένο με μακροΐνες σκυρόδεμα σε διάφορες δομικές εφαρμογές:

• ACI 544.4R-18: Οδηγός για το σχεδιασμό με FRC
• ACI 360R-10: Οδηγός για το σχεδιασμό πλάκας
• ACI 322-14: Απαιτήσεις κώδικα οικιστικού σκυροδέματος

Οι κατασκευαστές ινών μπορούν να προσφέρουν πρόσθετες οδηγίες για συγκεκριμένα προϊόντα.

Οι προδιαγραφές FRC μακροϊνών θα πρέπει να βασίζονται στην απόδοση και να είναι ειδικές για την εφαρμογή, χρησιμοποιώντας εγκεκριμένες μεθόδους από το ACI 544.4R για τον υπολογισμό χαρακτηριστικών παραμέτρων όπως:

• Μέση υπολειπόμενη αντοχή (ASTM C1399)
• Υπολειπόμενη αντοχή ή ισοδύναμη αντοχή σε κάμψη (ASTM C1609)

Δείγμα προδιαγραφής: «Η δοσολογία ινών πρέπει να παρέχει ελάχιστη υπολειπόμενη αντοχή 200 psi (1,4 MPa) σε σκυρόδεμα 4.000 psi (28 MPa).» Η συμμόρφωση θα πρέπει να επαληθεύεται μέσω δεδομένων δοκιμών του κατασκευαστή σύμφωνα με τα σχετικά πρότυπα ASTM.

Για το εκτοξευμένο σκυρόδεμα, η απόδοση του εκτοξευμένου σκυροδέματος με ίνες (FRS) καθορίζεται από την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας (ASTM C1550 ή EN 14488-5). Δείγμα προδιαγραφής: «Η δοσολογία ινών πρέπει να παρέχει ελάχιστη απορρόφηση ενέργειας 280 J σε 7 ημέρες σε εκτοξευμένο σκυρόδεμα 4.000 psi (28 MPa).»

Η απόδοση του FRC μετά τη ρωγμή μπορεί να αξιολογηθεί μέσω των ASTM C1609, C1399 ή C1550 (απορρόφηση ενέργειας). Οι μηχανικοί θα πρέπει να καθορίσουν τις κατάλληλες τιμές με βάση την πρόθεση σχεδιασμού και τα απαιτούμενα επίπεδα απόδοσης, αναφερόμενοι στο ACI 544.4R για καθοδήγηση.

Ορισμένες ίνες (π.χ., χάλυβας) κοντά στις επιφάνειες σκυροδέματος σε εκτεθειμένα περιβάλλοντα μπορεί να διαβρωθούν. Ενώ αυτή η τοπική διάβρωση δεν θέτει σε κίνδυνο τη δομική ακεραιότητα, ο αισθητικός της αντίκτυπος θα πρέπει να αξιολογηθεί εκ των προτέρων. Οι συνθετικές και φυσικές ίνες είναι μη διαβρωτικές και χημικά αδρανείς, χωρίς να επηρεάζονται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες.

Ενώ οι ίνες συνήθως δεν αυξάνουν την αντοχή σε κάμψη πρώτης ρωγμής του σκυροδέματος (συντελεστής θραύσης, ASTM C78), ενισχύουν την ικανότητα κάμψης της πλάκας και την αντοχή σε κόπωση. Οι κατάλληλες τιμές σκληρότητας ειδικές για τις ίνες επιτρέπουν σε λεπτότερα τμήματα σκυροδέματος να υποστηρίζουν φορτία σχεδιασμού.

Το ANSI/SDI C-2017 επιτρέπει χαλύβδινες ή συνθετικές μακροΐνες (σε δοσολογίες που καθορίζονται από τον κατασκευαστή και πληρούν τις ελάχιστες απαιτήσεις) για την αντικατάσταση της ενίσχυσης συγκολλημένου συρμάτινου πλέγματος (WWR) για έλεγχο ρωγμών, όχι για δομική αντοχή σε τάση.

Σύμφωνα με τις αξιολογήσεις UL και ICC-ES, ορισμένες μικροΐνες αναγνωρίζονται ως εναλλακτικές λύσεις WWR σε συγκεκριμένα συγκροτήματα δαπέδου/οροφής με πυραντίσταση.

Αυτό το ιστορικό ζήτημα συνέβη κυρίως με συνθετικές μικροΐνες όταν χρησιμοποιήθηκαν ακατάλληλες τεχνικές φινιρίσματος. Οι σύγχρονες μονοϊνώδεις μικροΐνες (συνήθως περιορίζονται σε 1,0–1,5 lb/yd³ ή 0,6–0,9 kg/m³) και οι μακροΐνες ελαχιστοποιούν αυτό το φαινόμενο. Η σωστή ανάμειξη, τοποθέτηση και φινίρισμα παράγουν εξαιρετικές επιφάνειες. Η προεξοχή ινών στην επιφάνεια δεν θέτει σε κίνδυνο την ακεραιότητα της πλάκας — οι δάδες rosebud μπορούν να λιώσουν τις εκτεθειμένες ίνες εάν προκύψουν αισθητικές ανησυχίες.

Ενώ ορισμένα συνθετικά (π.χ., νάιλον) απορροφούν μικρές ποσότητες νερού παρτίδας, οι κοινές ίνες πολυπροπυλενίου/πολυαιθυλενίου είναι υδρόφοβες. Η φαινομενική μείωση καθίζησης σε υψηλότερες δοσολογίες προκύπτει από τις ίνες που δρουν ως συνεκτικοί παράγοντες και όχι από την απορρόφηση νερού.

Η προσθήκη νερού μειώνει την αντοχή του σκυροδέματος. Όταν η υψηλή περιεκτικότητα σε ίνες επηρεάζει την εργασιμότητα, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται χημικά πρόσμικτα — όχι επιπλέον νερό.

Τα ιδανικά σημεία προσθήκης ποικίλλουν ανάλογα με το σχήμα, την ακαμψία και τη δοσολογία της ίνας — ορισμένα αποδίδουν καλύτερα ως πρώτα συστατικά, άλλα αφού φορτωθούν όλα τα υλικά. Οι κατασκευαστές μπορούν να παρέχουν καθοδήγηση, με δοκιμές πριν από το έργο να συνιστώνται για τον προσδιορισμό του βέλτιστου χρονισμού προσθήκης και της διάρκειας ανάμειξης.

Για το κανονικό σκυρόδεμα, συνιστώνται συνήθως 4–5 λεπτά ανάμειξης μετά την προσθήκη όλων των συστατικών για λειτουργίες έτοιμου μίγματος.

Όλοι οι τύποι ινών μπορεί να συσσωρευτούν λόγω ανεπαρκούς ανάμειξης, ακατάλληλης ακολουθίας ή προσθήκης σε υπερβολικά ξηρά μίγματα που στερούνται επαρκούς λεπτότητας για την επικάλυψη των ινών. Οι δοκιμές πριν από το έργο βοηθούν στην επαλήθευση της συμβατότητας του μίγματος με τον προβλεπόμενο τύπο ίνας και τη δοσολογία.

Οι επιπτώσεις της καθίζησης εξαρτώνται από:

• Αρχική καθίζηση μίγματος (μεγαλύτερη επίδραση σε χαμηλότερες αρχικές καθιζήσεις)
• Αριθμός ινών και δοσολογία (οι υψηλότερες δοσολογίες αυξάνουν την επίδραση)
• Συνολική επιφάνεια ινών (η μεγαλύτερη επιφάνεια αυξάνει την επίδραση)

Λάβετε υπόψη ότι οι μετρήσεις κώνου καθίζησης υποδεικνύουν τη συνέπεια της παρτίδας, όχι απαραίτητα την πραγματική εργασιμότητα. Ενώ η οπτική καθίζηση μπορεί να φαίνεται μειωμένη, η πραγματική εργασιμότητα μπορεί να επηρεαστεί λιγότερο. Οι δοκιμές πριν από το έργο καθορίζουν εάν απαιτούνται προσαρμογές εργασιμότητας.

Οι μικροΐνες μπορεί να επηρεάσουν την καθίζηση περισσότερο από τις μακροΐνες σε ισοδύναμους λόγους μήκους προς διάμετρο και δοσολογίες λόγω των υψηλότερων αριθμών ινών ανά λίβρα. Γενικά:

• Συνθετικές μικροΐνες (1,0–3,0 lb/yd³ ή 0,6–1,8 kg/m³): 1–3 ίντσες (25–75 mm) απώλεια καθίζησης
• Συνθετικές μακροΐνες (3,0–10,0 lb/yd³ ή 1,8–6,0 kg/m³) ή χαλύβδινες ίνες (15–50 lb/yd³ ή 9–29,6 kg/m³): 1–5 ίντσες (25–125 mm) απώλεια καθίζησης

Τα πλαστικοποιητικά (μειωτικά νερού μέσης ή υψηλής κλίμακας) θα πρέπει να αντισταθμίζουν την απώλεια καθίζησης. Οι προσαρμογές του μίγματος μπορεί να είναι απαραίτητες σε υψηλές δοσολογίες για να διασφαλιστεί η επαρκής περιεκτικότητα σε πάστα. Αποφύγετε την υπερβολική ποσότητα νερού για να αποτρέψετε τη μείωση της αντοχής και τον διαχωρισμό.

Οι μακροΐνες γενικά δεν επηρεάζουν δυσμενώς την περιεκτικότητα σε αέρα ή την αντοχή σε θλίψη. Οι αντιληπτές αλλαγές συχνά προέρχονται από την υπερβολική ανάμειξη, την προσθήκη νερού, τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας ή την εσφαλμένη μέτρηση της υγρασίας στα αδρανή υλικά. Οι διακυμάνσεις του αέρα μπορεί επίσης να σχετίζονται με πραγματικές αλλαγές καθίζησης. Ορισμένες ιστορικές επεξεργασίες επιφανειών ινών θα μπορούσαν να εισαγάγουν ανεπιθύμητο αέρα, αλλά αυτό είναι πλέον σπάνιο.

Οι αλλαγές στη μονάδα βάρους εξαρτώνται από τον τύπο ίνας και τις προσαρμογές σχεδιασμού μίγματος. Οι συνθετικές ίνες συνήθως δεν αλλοιώνουν το βάρος της μονάδας εάν η περιεκτικότητα σε αέρα παραμένει σταθερή. Οι χαλύβδινες ίνες υψηλότερης πυκνότητας μπορεί να αυξήσουν το βάρος της μονάδας ανάλογα με το κλάσμα όγκου και τις προσαρμογές του μίγματος.

Σε σκυρόδεμα κανονικού βάρους, οι σωστά αναλογισμένες και αναμεμειγμένες ίνες ούτε επιπλέουν ούτε βυθίζονται λόγω της ειδικής βαρύτητας του υλικού και του ιξώδους του αναμεμειγμένου σκυροδέματος. Οι ίνες βοηθούν στην πραγματικότητα στην αναστολή μεγαλύτερων αδρανών υλικών και αποτρέπουν τον διαχωρισμό.

Γενικά συμβατά, αλλά ορισμένα βοηθήματα επεξεργασίας ινών ή φινιρίσματα περιστροφής μπορεί να επηρεάσουν άλλα χημικά σκυροδέματος. Πάντα να επαληθεύετε με τους κατασκευαστές ινών.