Zastosowania, korzyści i kluczowe pytania dotyczące betonu zbrojonego włóknami

Beton służy jako fundament nowoczesnego budownictwa, a ciągłe ulepszanie jego właściwości jest głównym celem inżynierii. Pojawienie się betonu zbrojonego włóknami (FRC) wniosło nową witalność do tego istotnego materiału. Jednak rodzi to również liczne pytania: Czym dokładnie są włókna? Co odróżnia makrowłókna od mikrowłókien? Jak należy dobrać odpowiedni rodzaj i dawkę włókien? Niniejszy artykuł zawiera dogłębną analizę betonu zbrojonego włóknami, omawiając kwestie praktycznego zastosowania i oferując wskazówki dotyczące budowy bardziej wytrzymałych i trwałych budynków.

Włókna odgrywają kluczową rolę w betonie, działając jako materiały zbrojeniowe, a nie tylko dodatki. Zgodnie z definicją w ACI CT-18 (Terminologia betonu), włókna mostkują pęknięcia, wiążąc beton i znacząco poprawiając jego ogólną wydajność.

Podstawowa różnica między makrowłóknami a mikrowłóknami polega na ich wielkości, mierzonej zazwyczaj równoważną średnicą lub gęstością liniową. W branży FRC gęstość liniowa jest często wyrażana w denierach, reprezentujących masę (w gramach) 9000 metrów włókna.

Kluczowe różnice między mikrowłóknami a makrowłóknami obejmują:

• Włókna syntetyczne: ASTM D7508/D7508M określa wymagania dla makrowłókien, mikrowłókien i włókien hybrydowych (połączeń obu). Norma ta wykorzystuje również wytrzymałość na rozciąganie i długość cięcia jako dodatkowe cechy rozróżniające.
• Naturalne mikrowłókna: ASTM D7357 określa wymagania dotyczące zgodności dla włókien celulozowych stosowanych w FRC.
• Włókna stalowe: Klasyfikowane jako makrowłókna, ASTM A820/A820M ustala minimalne wymagania dla włókien stalowych w zastosowaniach FRC.

• Mikrowłókna: Przede wszystkim kontrolują pękanie skurczowe tworzywa sztucznego. Przy typowych dawkach nie zapewniają kontroli temperatury ani skurczu, ani nie poprawiają innych właściwości betonu. Jednakże, fibrylowane mikrowłókna stosowane w minimalnych dawkach 1,5 funta/yd³ (0,9 kg/m³) mogą zastąpić lekkie zbrojenie z drutu spawanego (WWR) do kontroli pękania spowodowanego temperaturą i skurczem.
• Makrowłókna: Znacząco poprawiają właściwości betonu, w tym wytrzymałość resztkową po pęknięciu, przenoszenie obciążenia przez pęknięcia, zwiększoną trwałość, wytrzymałość na zginanie, odporność na zmęczenie, odporność na uderzenia i nośność na ścinanie.

Istnieją różne rodzaje syntetycznych makrowłókien, z których każdy ma unikalne zalety. Oprócz właściwości fizycznych, takich jak wytrzymałość na rozciąganie, moduł sprężystości, skład materiału lub kształt, mniej oczywiste różnice obejmują wydajność mieszania, tendencję do kulkowania, jakość wykończenia powierzchni i charakterystyki wiązania z betonem.

Kluczem do udanego zastosowania syntetycznych makrowłókien jest dobór odpowiednich dawek, które spełniają zarówno wymagania dotyczące wydajności, jak i potrzeby w zakresie urabialności/wykończenia. Mocniejsze włókna lub te o lepszych właściwościach wiązania mogą wymagać mniejszej ilości materiału niż słabsze alternatywy. Producenci powinni dostarczyć dane z badań potwierdzające zalecenia dotyczące dawkowania, a w przypadku występowania niepewności zaleca się mieszanki próbne.

Mikrowłókna przede wszystkim kontrolują pękanie skurczowe tworzywa sztucznego. Badania pokazują, że przy typowych dawkach zapewniają one pomijalną nośność w stwardniałym betonie. Wyższe dawki mikrowłókien mogą skomplikować mieszanie ze względu na zwiększoną liczbę włókien i powierzchnię, potencjalnie powodując problemy z urabialnością i znaczną utratę osiadania.

W porównaniu z krótszymi włóknami tego samego typu, dłuższe włókna mają większą powierzchnię, co poprawia zakotwienie w stwardniałym betonie i poprawia wydajność po pęknięciu przy równoważnych dawkach. Istnieje jednak optymalna długość dla każdego rodzaju włókna, w zależności od konkretnego kształtu, charakterystyki sztywności i wytrzymałości betonu na ściskanie.

Przedprojektowe mieszanki próbne uwzględniające metody układania i wymagania dotyczące wykończenia pomagają określić idealne długości włókien, zapobiegając problemom takim jak kulkowanie lub wystawanie włókien z powierzchni.

Syntetyczne makrowłókna (szczególnie duże, grube monofilamenty) mogą zapewniać wytrzymałość resztkową porównywalną do włókien stalowych, w zależności od dawki. Inne czynniki, takie jak przewidywane odkształcenia i warunki środowiskowe, powinny również wpływać na dobór włókien. W przypadku niektórych zastosowań konstrukcyjnych wymagających włókien stalowych, alternatywy syntetyczne nie zostały zatwierdzone.

Chociaż syntetyczne makrowłókna mają zazwyczaj niższą wytrzymałość na rozciąganie i moduł sprężystości niż włókna stalowe, zapewniają znacznie więcej włókien do mostkowania potencjalnych pęknięć. Przy odpowiednim dozowaniu, całkowita zdolność przenoszenia naprężeń przez pęknięcia powinna być równoważna. Efektywna wytrzymałość przekroju zależy również od jakości wiązania włókno-matryca — włókna o wysokiej wytrzymałości z niewystarczającym wiązaniem są słabymi kandydatami na zbrojenie. Wydajność FRC odzwierciedla zachowanie kompozytowe, a nie indywidualne właściwości włókien.

Beton zbrojony włóknami (FRC) zawiera dyskretne włókna (zazwyczaj do 2,5 cala lub 64 mm) w betonie cementowym hydraulicznym. Polimery zbrojone włóknami (FRP) wykorzystują znacznie dłuższe włókna osadzone w matrycach polimerowych bez cementu i kruszyw.

Wymagane ilości włókien zależą od określonych kryteriów wydajności FRC. W przypadku mikrowłókien kontrolujących skurcz tworzywa sztucznego, współczynniki redukcji pęknięć (CRR) stanowią wskazówkę przy określaniu dawki zgodnie z normą ASTM C1579. W przypadku makrowłókien w stwardniałym betonie, dawki powinny spełniać określoną wytrzymałość resztkową (ASTM C1399), równoważną wytrzymałość na zginanie po pęknięciu (ASTM C1609) lub zdolność pochłaniania energii (ASTM C1550), biorąc pod uwagę typ/grubość elementu, wytrzymałość betonu, specyfikacje zbrojenia i wymagania dotyczące obciążenia.

Wielu dostawców oferuje narzędzia projektowe (szczególnie dla płyt), aby obliczyć odpowiednie dawki.

W przypadku płyt minimalne dawki są zazwyczaj ustalane przez producentów na podstawie znormalizowanych testów produktów w celu spełnienia wymagań lub standardów branżowych.

ANSI/SDI C-2017 dla kompozytowych pokładów metalowych określa minimalne dawki makrowłókien 4,0 funta/yd³ (2,4 kg/m³) dla włókien syntetycznych i 25,0 funtów/yd³ (14,8 kg/m³) dla włókien stalowych, gdy są one stosowane do kontroli temperatury/skurczu. Zgodnie z wymaganiami UL, górne limity wynoszą 5,0 funtów/yd³ (3,0 kg/m³) dla włókien syntetycznych i 66,0 funtów/yd³ (39,2 kg/m³) dla włókien stalowych. Zbrojenie włókniste obecnie nie zastępuje stali momentu ujemnego w zespołach pokładów kompozytowych.

Dawki poniżej zaleceń producenta lub wymagań kodowych nie są zalecane. Inżynierowie powinni skonsultować się z producentami włókien, gdy nie są pewni co do zastosowań lub dawek.

Kilka źródeł dostarcza wskazówek dotyczących projektowania betonu zbrojonego makrowłóknami w różnych zastosowaniach konstrukcyjnych:

• ACI 544.4R-18: Przewodnik po projektowaniu z FRC
• ACI 360R-10: Przewodnik po projektowaniu płyt
• ACI 322-14: Wymagania dotyczące kodu dla betonu mieszkalnego

Producenci włókien mogą oferować dodatkowe wskazówki dotyczące konkretnych produktów.

Specyfikacje makrowłóknistego FRC powinny być oparte na wydajności i specyficzne dla zastosowania, z wykorzystaniem zatwierdzonych metod z ACI 544.4R do obliczania charakterystycznych parametrów, takich jak:

• Średnia wytrzymałość resztkowa (ASTM C1399)
• Wytrzymałość resztkowa lub równoważna wytrzymałość na zginanie (ASTM C1609)

Przykładowa specyfikacja: „Dawka włókien powinna zapewniać minimalną wytrzymałość resztkową 200 psi (1,4 MPa) w betonie 4000 psi (28 MPa)”. Zgodność powinna być weryfikowana na podstawie danych z badań producenta zgodnie z odpowiednimi normami ASTM.

W przypadku natrysku, wydajność betonu natryskowego zbrojonego włóknami (FRS) jest określana przez zdolność pochłaniania energii (ASTM C1550 lub EN 14488-5). Przykładowa specyfikacja: „Dawka włókien powinna zapewniać minimalne pochłanianie energii 280 J po 7 dniach w betonie natryskowym 4000 psi (28 MPa).

Wydajność FRC po pęknięciu można ocenić za pomocą ASTM C1609, C1399 lub C1550 (pochłanianie energii). Inżynierowie powinni określić odpowiednie wartości na podstawie zamierzeń projektowych i wymaganych poziomów wydajności, odwołując się do ACI 544.4R w celu uzyskania wskazówek.

Niektóre włókna (np. stalowe) w pobliżu powierzchni betonu w narażonych środowiskach mogą korodować. Chociaż taka zlokalizowana korozja nie wpływa na integralność konstrukcyjną, jej wpływ estetyczny należy ocenić wcześniej. Włókna syntetyczne i naturalne są niekorozyjne i chemicznie obojętne, niewrażliwe na warunki środowiskowe.

Chociaż włókna zazwyczaj nie zwiększają wytrzymałości betonu na zginanie przy pierwszym pęknięciu (moduł pękania, ASTM C78), poprawiają nośność na zginanie płyt i wytrzymałość zmęczeniową. Odpowiednie wartości wytrzymałości specyficzne dla włókien umożliwiają cieńszym przekrojom betonowym przenoszenie obciążeń projektowych.

ANSI/SDI C-2017 zezwala na stosowanie stalowych lub syntetycznych makrowłókien (w dawkach określonych przez producenta, spełniających minimalne wymagania) w celu zastąpienia zbrojenia z drutu spawanego (WWR) do kontroli pęknięć, a nie odporności na naprężenia konstrukcyjne.

W ramach ocen UL i ICC-ES, niektóre mikrowłókna są uznawane za alternatywę dla WWR w określonych zespołach podłóg/sufitów o odporności ogniowej.

Ten historyczny problem występował głównie w przypadku syntetycznych mikrowłókien, gdy stosowano niewłaściwe techniki wykańczania. Nowoczesne mikrowłókna monofilamentowe (zazwyczaj ograniczone do 1,0–1,5 funta/yd³ lub 0,6–0,9 kg/m³) i makrowłókna minimalizują ten efekt. Właściwe mieszanie, układanie i wykańczanie zapewniają doskonałe powierzchnie. Wystawanie włókien z powierzchni nie wpływa na integralność płyty — palniki do róż mogą stopić odsłonięte włókna, jeśli pojawią się problemy estetyczne.

Chociaż niektóre syntetyki (np. nylon) pochłaniają niewielkie ilości wody zarobowej, powszechne włókna polipropylenowe/polietylenowe są hydrofobowe. Pozorne zmniejszenie osiadania przy wyższych dawkach wynika z działania włókien jako środków spójnych, a nie pochłaniania wody.

Dodawanie wody zmniejsza wytrzymałość betonu. Gdy wysoka zawartość włókien wpływa na urabialność, należy stosować domieszki chemiczne — a nie dodatkową wodę.

Idealne punkty dodawania różnią się w zależności od kształtu, sztywności i dawki włókien — niektóre najlepiej sprawdzają się jako pierwsze składniki, inne po załadowaniu wszystkich materiałów. Producenci mogą udzielić wskazówek, a przed rozpoczęciem projektu zaleca się przeprowadzenie prób w celu określenia optymalnego czasu dodawania i czasu mieszania.

W przypadku zwykłego betonu, do operacji mieszania w betoniarniach zaleca się zazwyczaj 4–5 minut mieszania po dodaniu wszystkich składników.

Wszystkie rodzaje włókien mogą się kulkować z powodu niewystarczającego mieszania, niewłaściwej sekwencji lub dodawania do zbyt suchych mieszanek, w których brakuje wystarczającej ilości drobnych cząstek do pokrycia włókien. Próby przed rozpoczęciem projektu pomagają zweryfikować zgodność mieszanki z zamierzonym rodzajem i dawką włókien.

Efekty osiadania zależą od:

• Początkowego osiadania mieszanki (większy wpływ przy niższych osiadaniach początkowych)
• Liczby włókien i dawki (wyższe dawki zwiększają wpływ)
• Całkowitej powierzchni włókien (większa powierzchnia zwiększa wpływ)

Należy pamiętać, że pomiary stożka osiadania wskazują na konsystencję partii, a niekoniecznie na rzeczywistą urabialność. Chociaż wizualne osiadanie może wydawać się zmniejszone, rzeczywista urabialność może być mniej dotknięta. Próby przed rozpoczęciem projektu określają, czy konieczne są korekty urabialności.

Mikrowłókna mogą mieć większy wpływ na osiadanie niż makrowłókna przy równoważnych stosunkach długości do średnicy i dawkach ze względu na większą liczbę włókien na funt. Ogólnie:

• Syntetyczne mikrowłókna (1,0–3,0 funta/yd³ lub 0,6–1,8 kg/m³): utrata osiadania 1–3 cale (25–75 mm)
• Syntetyczne makrowłókna (3,0–10,0 funtów/yd³ lub 1,8–6,0 kg/m³) lub włókna stalowe (15–50 funtów/yd³ lub 9–29,6 kg/m³): utrata osiadania 1–5 cali (25–125 mm)

Plastyfikatory (reduktory wody średniego lub wysokiego zakresu) powinny kompensować utratę osiadania. W przypadku wysokich dawek konieczne mogą być korekty mieszanki w celu zapewnienia odpowiedniej zawartości zaczynu. Unikaj nadmiaru wody, aby zapobiec zmniejszeniu wytrzymałości i segregacji.

Makrowłókna generalnie nie wpływają niekorzystnie na zawartość powietrza ani wytrzymałość na ściskanie. Dostrzegane zmiany często wynikają z nadmiernego mieszania, dodanej wody, wahań temperatury lub nieprawidłowego pomiaru wilgotności w kruszywach. Wahania powietrza mogą również odnosić się do rzeczywistych zmian osiadania. Niektóre historyczne obróbki powierzchni włókien mogły wprowadzać niepożądane powietrze, ale obecnie jest to rzadkie.

Zmiany ciężaru jednostkowego zależą od rodzaju włókien i korekt projektu mieszanki. Włókna syntetyczne zazwyczaj nie zmieniają ciężaru jednostkowego, jeśli zawartość powietrza pozostaje stała. Włókna stalowe o wyższej gęstości mogą zwiększyć ciężar jednostkowy w zależności od ułamka objętościowego i korekt mieszanki.

W betonie normalnej wagi, odpowiednio proporcjonowane i zmieszane włókna ani nie unoszą się, ani nie toną ze względu na ciężar właściwy materiału i lepkość zmieszanego betonu. Włókna faktycznie pomagają zawiesić większe kruszywa i zapobiegają segregacji.

Zasadniczo kompatybilne, ale niektóre środki pomocnicze w przetwarzaniu włókien lub wykończenia przędzalnicze mogą wpływać na inne chemikalia w betonie. Zawsze sprawdzaj u producentów włókien.