फाइबर प्रबलित कंक्रीट के उपयोग, लाभ और मुख्य प्रश्न

कंक्रीट आधुनिक निर्माण की नींव के रूप में कार्य करता है, जिसमें इंजीनियरिंग में इसके प्रदर्शन में निरंतर सुधार एक प्राथमिक फोकस है। फाइबर-प्रबलित कंक्रीट (FRC) के उद्भव ने इस आवश्यक सामग्री में नई जीवन शक्ति लाई है। हालाँकि, यह कई प्रश्न भी उठाता है: फाइबर वास्तव में क्या हैं? मैक्रोफाइबर को माइक्रोफाइबर से क्या अलग करता है? उपयुक्त फाइबर प्रकार और खुराक का चयन कैसे किया जाना चाहिए? यह लेख फाइबर-प्रबलित कंक्रीट की गहन खोज प्रदान करता है, व्यावहारिक अनुप्रयोग चिंताओं को संबोधित करता है और अधिक मजबूत और टिकाऊ इमारतों के निर्माण के लिए मार्गदर्शन प्रदान करता है।

फाइबर कंक्रीट में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, जो केवल योजक के बजाय सुदृढीकरण सामग्री के रूप में कार्य करते हैं। ACI CT-18 (कंक्रीट शब्दावली) में परिभाषित अनुसार, फाइबर दरारों को पाटते हैं, कंक्रीट को एक साथ बांधते हैं और इसके समग्र प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाते हैं।

मैक्रोफाइबर और माइक्रोफाइबर के बीच प्राथमिक अंतर उनके आकार में निहित है, जिसे आमतौर पर समतुल्य व्यास या रैखिक घनत्व द्वारा मापा जाता है। FRC उद्योग में, रैखिक घनत्व को अक्सर डेनियर में व्यक्त किया जाता है, जो फाइबर के 9,000 मीटर के द्रव्यमान (ग्राम में) का प्रतिनिधित्व करता है।

माइक्रोफाइबर और मैक्रोफाइबर के बीच प्रमुख अंतरों में शामिल हैं:

• सिंथेटिक फाइबर: ASTM D7508/D7508M मैक्रोफाइबर, माइक्रोफाइबर और हाइब्रिड फाइबर (दोनों के संयोजन) के लिए आवश्यकताओं को निर्दिष्ट करता है। यह मानक तन्य शक्ति और कट लंबाई का उपयोग अतिरिक्त विशिष्ट गुणों के रूप में भी करता है।
• प्राकृतिक माइक्रोफाइबर: ASTM D7357 FRC में उपयोग किए जाने वाले सेलूलोज़ फाइबर के लिए अनुपालन आवश्यकताओं को रेखांकित करता है।
• स्टील फाइबर: मैक्रोफाइबर के रूप में वर्गीकृत, ASTM A820/A820M FRC अनुप्रयोगों में स्टील फाइबर के लिए न्यूनतम आवश्यकताएं स्थापित करता है।

• माइक्रोफाइबर: मुख्य रूप से प्लास्टिक संकोचन क्रैकिंग को नियंत्रित करते हैं। विशिष्ट खुराक पर, वे तापमान या संकोचन दरार नियंत्रण प्रदान नहीं करते हैं, न ही वे अन्य कंक्रीट गुणों को बढ़ाते हैं। हालाँकि, 1.5 lb/yd³ (0.9 kg/m³) की न्यूनतम खुराक पर उपयोग किए जाने वाले फाइब्रिलेटेड माइक्रोफाइबर तापमान और संकोचन दरार नियंत्रण के लिए हल्के वेल्डेड वायर सुदृढीकरण (WWR) को बदल सकते हैं।
• मैक्रोफाइबर: कंक्रीट के प्रदर्शन में महत्वपूर्ण सुधार करते हैं, जिसमें पोस्ट-क्रैक अवशिष्ट शक्ति, दरारों पर भार हस्तांतरण, बढ़ी हुई स्थायित्व, फ्लेक्सुरल कठोरता, थकान प्रतिरोध, प्रभाव प्रतिरोध और कतरनी क्षमता शामिल है।

विभिन्न सिंथेटिक मैक्रोफाइबर प्रकार मौजूद हैं, प्रत्येक के अपने अनूठे फायदे हैं। तन्य शक्ति, लोचदार मापांक, सामग्री संरचना, या आकार जैसे भौतिक गुणों से परे, कम स्पष्ट अंतरों में मिश्रण प्रदर्शन, बॉलिंग प्रवृत्ति, सतह परिष्करण गुणवत्ता और कंक्रीट के साथ बंधन विशेषताएं शामिल हैं।

सफल सिंथेटिक मैक्रोफाइबर उपयोग की कुंजी उपयुक्त खुराक का चयन करना है जो प्रदर्शन आवश्यकताओं और कार्यशीलता/परिष्करण आवश्यकताओं दोनों को पूरा करते हैं। मजबूत फाइबर या बेहतर बंधन विशेषताओं वाले फाइबर को कमजोर विकल्पों की तुलना में कम सामग्री की आवश्यकता हो सकती है। निर्माताओं को खुराक सिफारिशों का समर्थन करने के लिए परीक्षण डेटा प्रदान करना चाहिए, जिसमें अनिश्चितताओं के होने पर परीक्षण मिश्रण की सिफारिश की जाती है।

माइक्रोफाइबर मुख्य रूप से प्लास्टिक संकोचन क्रैकिंग को नियंत्रित करते हैं। शोध से पता चलता है कि वे विशिष्ट खुराक पर कठोर कंक्रीट में नगण्य भार वहन क्षमता प्रदान करते हैं। उच्च माइक्रोफाइबर खुराक फाइबर गणना और सतह क्षेत्र में वृद्धि के कारण मिश्रण को जटिल बना सकती है, जिससे कार्यशीलता संबंधी समस्याएं और महत्वपूर्ण ढलान हानि हो सकती है।

एक ही प्रकार के छोटे फाइबर की तुलना में, लंबे फाइबर में अधिक सतह क्षेत्र होता है, जो कठोर कंक्रीट में लंगर में सुधार करता है और समतुल्य खुराक पर पोस्ट-क्रैक प्रदर्शन को बढ़ाता है। हालाँकि, प्रत्येक फाइबर प्रकार के लिए एक इष्टतम लंबाई मौजूद है, जो विशिष्ट आकार, कठोरता विशेषताओं और कंक्रीट संपीड़ित शक्ति पर निर्भर करती है।

प्लेसमेंट विधियों और परिष्करण आवश्यकताओं पर विचार करने वाले पूर्व-परियोजना परीक्षण मिश्रण, आदर्श फाइबर लंबाई निर्धारित करने में मदद करते हैं, जिससे बॉलिंग या सतह फाइबर प्रक्षेपण जैसी समस्याओं को रोका जा सकता है।

सिंथेटिक मैक्रोफाइबर (विशेष रूप से बड़े, मोटे मोनोफिलामेंट) स्टील फाइबर के समान अवशिष्ट शक्ति प्रदान कर सकते हैं, जो खुराक पर निर्भर करता है। अनुमानित विरूपण और पर्यावरणीय स्थितियों जैसे अन्य कारकों को भी फाइबर चयन को प्रभावित करना चाहिए। कुछ संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए स्टील फाइबर की आवश्यकता होती है, सिंथेटिक विकल्प मान्य नहीं किए गए हैं।

जबकि सिंथेटिक मैक्रोफाइबर में आमतौर पर स्टील फाइबर की तुलना में कम तन्य शक्ति और लोचदार मापांक होता है, वे संभावित दरारों को पाटने के लिए काफी अधिक फाइबर प्रदान करते हैं। जब ठीक से खुराक दी जाती है, तो दरारों पर कुल तनाव हस्तांतरण क्षमता समकक्ष होनी चाहिए। प्रभावी अनुभागीय शक्ति फाइबर-मैट्रिक्स बंधन गुणवत्ता पर भी निर्भर करती है—अपर्याप्त बंधन वाले उच्च-शक्ति वाले फाइबर खराब सुदृढीकरण उम्मीदवार बनाते हैं। FRC प्रदर्शन समग्र व्यवहार को दर्शाता है, न कि व्यक्तिगत फाइबर गुणों को।

फाइबर-प्रबलित कंक्रीट (FRC) हाइड्रोलिक सीमेंट कंक्रीट में अलग-अलग फाइबर (आमतौर पर 2.5 इंच या 64 मिमी तक) को शामिल करता है। फाइबर-प्रबलित पॉलिमर (FRP) सीमेंट या समुच्चय के बिना बहुलक मैट्रिक्स में एम्बेडेड काफी लंबे फाइबर का उपयोग करते हैं।

आवश्यक फाइबर मात्रा निर्दिष्ट FRC प्रदर्शन मानदंडों पर निर्भर करती है। प्लास्टिक संकोचन को नियंत्रित करने वाले माइक्रोफाइबर के लिए, दरार कमी अनुपात (CRR) ASTM C1579 के अनुसार खुराक निर्धारण का मार्गदर्शन करते हैं। कठोर कंक्रीट में मैक्रोफाइबर के लिए, खुराक निर्दिष्ट अवशिष्ट शक्ति (ASTM C1399), पोस्ट-क्रैक समतुल्य फ्लेक्सुरल शक्ति (ASTM C1609), या ऊर्जा अवशोषण क्षमता (ASTM C1550) को पूरा करना चाहिए, जिसमें तत्व प्रकार/मोटाई, कंक्रीट शक्ति, सुदृढीकरण विनिर्देशों और लोडिंग आवश्यकताओं पर विचार किया जाना चाहिए।

कई आपूर्तिकर्ता उपयुक्त खुराक की गणना करने के लिए डिज़ाइन टूल (विशेष रूप से स्लैब के लिए) प्रदान करते हैं।

स्लैब के लिए, न्यूनतम खुराक आमतौर पर निर्माताओं द्वारा मानकीकृत उत्पाद परीक्षण के आधार पर आवश्यकताओं या उद्योग मानकों को पूरा करने के लिए स्थापित की जाती है।

समग्र धातु डेक के लिए ANSI/SDI C-2017 सिंथेटिक फाइबर के लिए 4.0 lb/yd³ (2.4 kg/m³) और तापमान/संकोचन नियंत्रण के लिए उपयोग किए जाने पर स्टील फाइबर के लिए 25.0 lb/yd³ (14.8 kg/m³) की न्यूनतम मैक्रोफाइबर खुराक निर्दिष्ट करता है। UL आवश्यकताओं के तहत, ऊपरी सीमा सिंथेटिक के लिए 5.0 lb/yd³ (3.0 kg/m³) और स्टील फाइबर के लिए 66.0 lb/yd³ (39.2 kg/m³) है। फाइबर सुदृढीकरण वर्तमान में समग्र डेक असेंबली में नकारात्मक क्षण स्टील को प्रतिस्थापित नहीं करता है।

निर्माता की सिफारिशों या कोड आवश्यकताओं से कम खुराक की सलाह नहीं दी जाती है। इंजीनियरों को अनुप्रयोगों या खुराक के बारे में अनिश्चित होने पर फाइबर निर्माताओं से परामर्श करना चाहिए।

कई स्रोत विभिन्न संरचनात्मक अनुप्रयोगों में मैक्रोफाइबर-प्रबलित कंक्रीट के लिए डिज़ाइन मार्गदर्शन प्रदान करते हैं:

• ACI 544.4R-18: FRC के साथ डिज़ाइन करने के लिए गाइड
• ACI 360R-10: स्लैब डिज़ाइन के लिए गाइड
• ACI 322-14: आवासीय कंक्रीट कोड आवश्यकताएँ

फाइबर निर्माता अतिरिक्त उत्पाद-विशिष्ट मार्गदर्शन प्रदान कर सकते हैं।

मैक्रोफाइबर FRC विनिर्देशों को प्रदर्शन-आधारित और अनुप्रयोग-विशिष्ट होना चाहिए, ACI 544.4R से अनुमोदित विधियों का उपयोग करके जैसे कि विशेषता मापदंडों की गणना करना:

• औसत अवशिष्ट शक्ति (ASTM C1399)
• अवशिष्ट शक्ति या समतुल्य फ्लेक्सुरल शक्ति (ASTM C1609)

नमूना विनिर्देश: "फाइबर खुराक 4,000 psi (28 MPa) कंक्रीट में न्यूनतम 200 psi (1.4 MPa) अवशिष्ट शक्ति प्रदान करेगी।" अनुपालन को प्रासंगिक ASTM मानकों के अनुसार निर्माता परीक्षण डेटा के माध्यम से सत्यापित किया जाना चाहिए।

शॉटक्रिट के लिए, फाइबर-प्रबलित शॉटक्रिट (FRS) प्रदर्शन ऊर्जा अवशोषण क्षमता (ASTM C1550 या EN 14488-5) द्वारा निर्धारित किया जाता है। नमूना विनिर्देश: "फाइबर खुराक 4,000 psi (28 MPa) शॉटक्रिट में 7 दिनों में न्यूनतम 280 J ऊर्जा अवशोषण प्रदान करेगी।"

FRC के पोस्ट-क्रैक प्रदर्शन का मूल्यांकन ASTM C1609, C1399, या C1550 (ऊर्जा अवशोषण) के माध्यम से किया जा सकता है। इंजीनियरों को डिज़ाइन इरादे और आवश्यक प्रदर्शन स्तरों के आधार पर उपयुक्त मान निर्धारित करने चाहिए, मार्गदर्शन के लिए ACI 544.4R का संदर्भ देना चाहिए।

कुछ फाइबर (जैसे, स्टील) उजागर वातावरण में कंक्रीट की सतहों के पास संक्षारित हो सकते हैं। जबकि इस तरह का स्थानीयकृत संक्षारण संरचनात्मक अखंडता से समझौता नहीं करता है, इसके सौंदर्य प्रभाव का पहले से मूल्यांकन किया जाना चाहिए। सिंथेटिक और प्राकृतिक फाइबर गैर-संक्षारक और रासायनिक रूप से निष्क्रिय होते हैं, जो पर्यावरणीय परिस्थितियों से अप्रभावित होते हैं।

जबकि फाइबर आमतौर पर कंक्रीट की पहली-दरार फ्लेक्सुरल शक्ति (विदारण का मापांक, ASTM C78) को नहीं बढ़ाते हैं, वे स्लैब फ्लेक्सुरल क्षमता और थकान शक्ति को बढ़ाते हैं। उपयुक्त फाइबर-विशिष्ट कठोरता मान पतले कंक्रीट वर्गों को डिज़ाइन भार का समर्थन करने में सक्षम बनाते हैं।

ANSI/SDI C-2017 वेल्डेड वायर सुदृढीकरण (WWR) को दरार नियंत्रण के लिए प्रतिस्थापित करने के लिए स्टील या सिंथेटिक मैक्रोफाइबर (निर्माता-निर्धारित खुराक पर न्यूनतम आवश्यकताओं को पूरा करना) की अनुमति देता है, संरचनात्मक तनाव प्रतिरोध नहीं।

UL और ICC-ES मूल्यांकन के तहत, कुछ माइक्रोफाइबर को विशिष्ट अग्नि-रेटेड फर्श/छत असेंबली में WWR विकल्पों के रूप में मान्यता प्राप्त है।

यह ऐतिहासिक मुद्दा मुख्य रूप से सिंथेटिक माइक्रोफाइबर के साथ तब हुआ जब अनुचित परिष्करण तकनीकों का उपयोग किया गया था। आधुनिक मोनोफिलामेंट माइक्रोफाइबर (आमतौर पर 1.0–1.5 lb/yd³ या 0.6–0.9 kg/m³ तक सीमित) और मैक्रोफाइबर इस प्रभाव को कम करते हैं। उचित मिश्रण, प्लेसमेंट और परिष्करण उत्कृष्ट सतहें उत्पन्न करते हैं। सतह फाइबर प्रक्षेपण स्लैब अखंडता से समझौता नहीं करता है—सौंदर्य संबंधी चिंताओं के उत्पन्न होने पर गुलाब की कलियाँ उजागर फाइबर को पिघला सकती हैं।

जबकि कुछ सिंथेटिक (जैसे, नायलॉन) बैच पानी की थोड़ी मात्रा को अवशोषित करते हैं, सामान्य पॉलीप्रोपाइलीन/पॉलीइथिलीन फाइबर हाइड्रोफोबिक होते हैं। उच्च खुराक पर स्पष्ट ढलान में कमी फाइबर के पानी के अवशोषण के बजाय संसंजक एजेंट के रूप में कार्य करने का परिणाम है।

पानी मिलाने से कंक्रीट की ताकत कम हो जाती है। जब उच्च फाइबर सामग्री कार्यशीलता को प्रभावित करती है, तो अतिरिक्त पानी के बजाय रासायनिक मिश्रण का उपयोग किया जाना चाहिए।

आदर्श जोड़ बिंदु फाइबर आकार, कठोरता और खुराक के अनुसार भिन्न होते हैं—कुछ पहले अवयवों के रूप में सबसे अच्छा प्रदर्शन करते हैं, अन्य सभी सामग्री लोड होने के बाद। निर्माता मार्गदर्शन प्रदान कर सकते हैं, जिसमें इष्टतम जोड़ समय और मिश्रण अवधि निर्धारित करने के लिए पूर्व-परियोजना परीक्षणों की सिफारिश की जाती है।

सामान्य कंक्रीट के लिए, सभी अवयवों को जोड़ने के बाद 4–5 मिनट का मिश्रण आमतौर पर रेडी-मिक्स संचालन के लिए अनुशंसित किया जाता है।

सभी प्रकार के फाइबर अपर्याप्त मिश्रण, अनुचित अनुक्रमण, या अत्यधिक सूखे मिश्रण में मिलाने के कारण गेंद बन सकते हैं जिनमें फाइबर को कोट करने के लिए पर्याप्त महीनता नहीं होती है। पूर्व-परियोजना परीक्षण इच्छित फाइबर प्रकार और खुराक के साथ मिश्रण संगतता को सत्यापित करने में मदद करते हैं।

ढलान प्रभाव इस पर निर्भर करता है:

• प्रारंभिक मिश्रण ढलान (कम शुरुआती ढलानों पर अधिक प्रभाव)
• फाइबर गणना और खुराक (उच्च खुराक प्रभाव को बढ़ाती है)
• कुल फाइबर सतह क्षेत्र (बड़ा क्षेत्र प्रभाव को बढ़ाता है)

ध्यान दें कि ढलान शंकु माप बैच स्थिरता को इंगित करते हैं, जरूरी नहीं कि वास्तविक कार्यशीलता। जबकि दृश्य ढलान कम दिखाई दे सकता है, वास्तविक कार्यशीलता कम प्रभावित हो सकती है। पूर्व-परियोजना परीक्षण यह निर्धारित करते हैं कि क्या कार्यशीलता समायोजन की आवश्यकता है।

माइक्रोफाइबर, समतुल्य लंबाई-से-व्यास अनुपात और खुराक पर, प्रति पाउंड उच्च फाइबर गणना के कारण मैक्रोफाइबर की तुलना में ढलान को अधिक प्रभावित कर सकते हैं। सामान्यतः:

• सिंथेटिक माइक्रोफाइबर (1.0–3.0 lb/yd³ या 0.6–1.8 kg/m³): 1–3 इंच (25–75 मिमी) ढलान हानि
• सिंथेटिक मैक्रोफाइबर (3.0–10.0 lb/yd³ या 1.8–6.0 kg/m³) या स्टील फाइबर (15–50 lb/yd³ या 9–29.6 kg/m³): 1–5 इंच (25–125 मिमी) ढलान हानि

प्लास्टिसाइज़र (मध्य- या उच्च-श्रेणी के जल कम करने वाले) को ढलान हानि को ऑफसेट करना चाहिए। पर्याप्त पेस्ट सामग्री सुनिश्चित करने के लिए उच्च खुराक पर मिश्रण समायोजन आवश्यक हो सकते हैं। ताकत में कमी और पृथक्करण को रोकने के लिए अतिरिक्त पानी से बचें।

मैक्रोफाइबर आम तौर पर वायु सामग्री या संपीड़ित शक्ति को प्रतिकूल रूप से प्रभावित नहीं करते हैं। कथित परिवर्तन अक्सर अधिक मिश्रण, अतिरिक्त पानी, तापमान भिन्नता, या समुच्चय में गलत नमी माप से उत्पन्न होते हैं। वायु में उतार-चढ़ाव वास्तविक ढलान परिवर्तनों से भी संबंधित हो सकते हैं। कुछ ऐतिहासिक फाइबर सतह उपचार अवांछित हवा पेश कर सकते हैं, लेकिन यह अब दुर्लभ है।

इकाई भार परिवर्तन फाइबर प्रकार और मिश्रण डिज़ाइन समायोजन पर निर्भर करते हैं। सिंथेटिक फाइबर आमतौर पर इकाई भार को नहीं बदलते हैं यदि वायु सामग्री स्थिर रहती है। उच्च-घनत्व वाले स्टील फाइबर मात्रा अंश और मिश्रण समायोजन के आधार पर इकाई भार बढ़ा सकते हैं।

सामान्य-भार कंक्रीट में, उचित रूप से आनुपातिक और मिश्रित फाइबर सामग्री विशिष्ट गुरुत्वाकर्षण और मिश्रित कंक्रीट चिपचिपाहट के कारण न तो तैरते हैं और न ही डूबते हैं। फाइबर वास्तव में बड़े समुच्चय को निलंबित करने और पृथक्करण को रोकने में मदद करते हैं।

आम तौर पर संगत, लेकिन कुछ फाइबर प्रसंस्करण सहायता या स्पिन फिनिश अन्य कंक्रीट रसायनों को प्रभावित कर सकते हैं। हमेशा फाइबर निर्माताओं के साथ सत्यापित करें।