Применение, преимущества и ключевые вопросы фибробетона

Бетон служит основой современного строительства, и постоянное улучшение его характеристик является основным направлением в инженерном деле. Появление фибробетона (FRC) вдохнуло новую жизнь в этот важный материал. Однако это также поднимает множество вопросов: Что именно представляют собой волокна? Чем макроволокна отличаются от микроволокон? Как следует выбирать подходящий тип и дозировку волокон? В этой статье представлено углубленное исследование фибробетона, рассматриваются вопросы практического применения и даются рекомендации по строительству более прочных и долговечных зданий.

Волокна играют решающую роль в бетоне, функционируя в качестве армирующих материалов, а не просто добавок. Как определено в ACI CT-18 (Терминология бетона), волокна перекрывают трещины, связывая бетон воедино и значительно улучшая его общие характеристики.

Основное различие между макроволокнами и микроволокнами заключается в их размере, который обычно измеряется эквивалентным диаметром или линейной плотностью. В индустрии FRC линейная плотность часто выражается в денье, представляющем собой массу (в граммах) 9000 метров волокна.

Основные различия между микроволокнами и макроволокнами включают:

• Синтетические волокна: ASTM D7508/D7508M определяет требования к макроволокнам, микроволокнам и гибридным волокнам (комбинациям обоих). Этот стандарт также использует прочность на растяжение и длину резки в качестве дополнительных отличительных свойств.
• Натуральные микроволокна: ASTM D7357 описывает требования соответствия для целлюлозных волокон, используемых в FRC.
• Стальные волокна: Классифицируются как макроволокна, ASTM A820/A820M устанавливает минимальные требования к стальным волокнам в применениях FRC.

• Микроволокна: В основном контролируют растрескивание при пластической усадке. При типичных дозировках они не обеспечивают контроль температуры или усадочного растрескивания, а также не улучшают другие свойства бетона. Однако фибриллированные микроволокна, используемые в минимальных дозировках 1,5 фунта/ярд³ (0,9 кг/м³), могут заменить легкое сварное проволочное армирование (WWR) для контроля температуры и усадочного растрескивания.
• Макроволокна: Значительно улучшают характеристики бетона, включая остаточную прочность после образования трещин, передачу нагрузки через трещины, повышенную долговечность, прочность при изгибе, устойчивость к усталости, ударопрочность и несущую способность при сдвиге.

Существуют различные типы синтетических макроволокон, каждый из которых имеет свои уникальные преимущества. Помимо физических свойств, таких как прочность на растяжение, модуль упругости, состав материала или форма, менее очевидные различия включают характеристики смешивания, тенденцию к образованию комков, качество отделки поверхности и характеристики сцепления с бетоном.

Ключ к успешному использованию синтетических макроволокон заключается в выборе соответствующих дозировок, которые соответствуют как требованиям к характеристикам, так и потребностям в удобоукладываемости/отделке. Более прочные волокна или волокна с лучшими характеристиками сцепления могут потребовать меньше материала, чем менее прочные альтернативы. Производители должны предоставлять данные испытаний для подтверждения рекомендаций по дозировке, при этом рекомендуется проводить пробные смеси при наличии неопределенностей.

Микроволокна в основном контролируют растрескивание при пластической усадке. Исследования показывают, что они обеспечивают незначительную несущую способность в затвердевшем бетоне при типичных дозировках. Более высокие дозировки микроволокон могут усложнить смешивание из-за увеличения количества волокон и площади поверхности, что потенциально может вызвать проблемы с удобоукладываемостью и значительную потерю осадки.

По сравнению с более короткими волокнами того же типа, более длинные волокна имеют большую площадь поверхности, улучшая закрепление в затвердевшем бетоне и повышая характеристики после образования трещин при эквивалентных дозировках. Однако существует оптимальная длина для каждого типа волокна, в зависимости от конкретной формы, характеристик жесткости и прочности бетона на сжатие.

Пробные смеси перед проектом с учетом методов укладки и требований к отделке помогают определить идеальную длину волокон, предотвращая такие проблемы, как образование комков или выступание волокон на поверхности.

Синтетические макроволокна (в частности, большие, грубые моноволокна) могут обеспечивать остаточную прочность, сопоставимую со стальными волокнами, в зависимости от дозировки. Другие факторы, такие как ожидаемая деформация и условия окружающей среды, также должны влиять на выбор волокон. Для некоторых конструктивных применений, требующих стальных волокон, синтетические альтернативы не были подтверждены.

Хотя синтетические макроволокна обычно имеют более низкую прочность на растяжение и модуль упругости, чем стальные волокна, они обеспечивают значительно больше волокон для перекрытия потенциальных трещин. При правильной дозировке общая способность передачи напряжения через трещины должна быть эквивалентной. Эффективная прочность сечения также зависит от качества сцепления волокно-матрица — высокопрочные волокна с недостаточным сцеплением являются плохими кандидатами для армирования. Характеристики FRC отражают композитное поведение, а не свойства отдельных волокон.

Фибробетон (FRC) включает в себя дискретные волокна (обычно до 2,5 дюймов или 64 мм) в гидравлическом цементном бетоне. В армированных волокнами полимерах (FRP) используются значительно более длинные волокна, встроенные в полимерные матрицы без цемента или заполнителей.

Требуемое количество волокон зависит от указанных критериев производительности FRC. Для микроволокон, контролирующих пластическую усадку, коэффициенты уменьшения трещин (CRR) определяют определение дозировки в соответствии с ASTM C1579. Для макроволокон в затвердевшем бетоне дозировки должны соответствовать указанной остаточной прочности (ASTM C1399), эквивалентной прочности при изгибе после образования трещин (ASTM C1609) или способности поглощения энергии (ASTM C1550) с учетом типа/толщины элемента, прочности бетона, спецификаций армирования и требований к нагрузке.

Многие поставщики предоставляют инструменты проектирования (в частности, для плит) для расчета соответствующих дозировок.

Для плит минимальные дозировки обычно устанавливаются производителями на основе стандартизированных испытаний продукции для соответствия требованиям или отраслевым стандартам.

ANSI/SDI C-2017 для композитных металлических настилов определяет минимальные дозировки макроволокон 4,0 фунта/ярд³ (2,4 кг/м³) для синтетических волокон и 25,0 фунтов/ярд³ (14,8 кг/м³) для стальных волокон при использовании для контроля температуры/усадки. В соответствии с требованиями UL верхние пределы составляют 5,0 фунтов/ярд³ (3,0 кг/м³) для синтетических и 66,0 фунтов/ярд³ (39,2 кг/м³) для стальных волокон. Армирование волокнами в настоящее время не заменяет сталь отрицательного момента в сборках композитных настилов.

Дозировки ниже рекомендаций производителя или требований кодекса не рекомендуются. Инженеры должны консультироваться с производителями волокон, если они не уверены в применении или дозировках.

Несколько источников предоставляют руководство по проектированию фибробетона с макроволокнами в различных конструктивных применениях:

• ACI 544.4R-18: Руководство по проектированию с использованием FRC
• ACI 360R-10: Руководство по проектированию плит
• ACI 322-14: Требования к коду для жилого бетона

Производители волокон могут предложить дополнительные рекомендации по конкретным продуктам.

Спецификации FRC с макроволокнами должны быть основаны на производительности и зависеть от области применения, используя утвержденные методы из ACI 544.4R для расчета характеристических параметров, таких как:

• Средняя остаточная прочность (ASTM C1399)
• Остаточная прочность или эквивалентная прочность при изгибе (ASTM C1609)

Пример спецификации: «Дозировка волокон должна обеспечивать минимальную остаточную прочность 200 фунтов на квадратный дюйм (1,4 МПа) в бетоне прочностью 4000 фунтов на квадратный дюйм (28 МПа)». Соответствие должно быть подтверждено данными испытаний производителя в соответствии с соответствующими стандартами ASTM.

Для торкретбетона характеристики торкретбетона с волокнами (FRS) определяются по способности поглощения энергии (ASTM C1550 или EN 14488-5). Пример спецификации: «Дозировка волокон должна обеспечивать минимальное поглощение энергии 280 Дж через 7 дней в торкретбетоне прочностью 4000 фунтов на квадратный дюйм (28 МПа)».

Характеристики FRC после образования трещин можно оценить с помощью ASTM C1609, C1399 или C1550 (поглощение энергии). Инженеры должны определять соответствующие значения на основе проектного замысла и требуемых уровней производительности, ссылаясь на ACI 544.4R для получения рекомендаций.

Определенные волокна (например, стальные) вблизи поверхностей бетона в условиях воздействия окружающей среды могут подвергаться коррозии. Хотя такая локализованная коррозия не ставит под угрозу структурную целостность, ее эстетическое воздействие следует оценивать заранее. Синтетические и натуральные волокна являются некоррозионными и химически инертными, не подверженными воздействию условий окружающей среды.

Хотя волокна обычно не увеличивают прочность бетона при изгибе при первом образовании трещин (модуль разрыва, ASTM C78), они увеличивают прочность плит при изгибе и усталостную прочность. Соответствующие значения прочности волокон позволяют использовать более тонкие бетонные секции для поддержки проектных нагрузок.

ANSI/SDI C-2017 разрешает использовать стальные или синтетические макроволокна (при дозировках, определяемых производителем, соответствующих минимальным требованиям) для замены армирования сварной проволокой (WWR) для контроля трещин, а не для сопротивления структурным напряжениям.

В соответствии с оценками UL и ICC-ES некоторые микроволокна признаны альтернативой WWR в определенных противопожарных сборках полов/потолков.

Эта историческая проблема в основном возникала с синтетическими микроволокнами при использовании неправильных методов отделки. Современные моноволоконные микроволокна (обычно ограничены 1,0–1,5 фунта/ярд³ или 0,6–0,9 кг/м³) и макроволокна минимизируют этот эффект. Правильное смешивание, укладка и отделка обеспечивают превосходные поверхности. Выступание волокон на поверхности не ставит под угрозу целостность плиты — паяльные лампы могут расплавить открытые волокна, если возникают эстетические проблемы.

Хотя некоторые синтетические материалы (например, нейлон) поглощают небольшое количество воды из партии, обычные полипропиленовые/полиэтиленовые волокна являются гидрофобными. Снижение кажущейся осадки при более высоких дозировках является результатом того, что волокна действуют как связующие агенты, а не поглощают воду.

Добавление воды снижает прочность бетона. Когда высокое содержание волокон влияет на удобоукладываемость, следует использовать химические добавки, а не дополнительную воду.

Идеальные точки добавления варьируются в зависимости от формы, жесткости и дозировки волокон — некоторые лучше всего работают в качестве первых ингредиентов, другие — после загрузки всех материалов. Производители могут предоставить рекомендации, при этом рекомендуется проводить пробные испытания перед проектом для определения оптимального времени добавления и продолжительности смешивания.

Для обычного бетона обычно рекомендуется смешивание в течение 4–5 минут после добавления всех ингредиентов для операций по производству готовых смесей.

Все типы волокон могут образовывать комки из-за недостаточного смешивания, неправильной последовательности или добавления в чрезмерно сухие смеси, в которых недостаточно мелких частиц для покрытия волокон. Пробные испытания перед проектом помогают проверить совместимость смеси с предполагаемым типом и дозировкой волокон.

Влияние осадки зависит от:

• Начальной осадки смеси (большее влияние при более низкой начальной осадке)
• Количества волокон и дозировки (более высокие дозировки увеличивают влияние)
• Общей площади поверхности волокон (большая площадь увеличивает влияние)

Обратите внимание, что измерения конуса осадки показывают консистенцию партии, а не обязательно фактическую удобоукладываемость. Хотя визуальная осадка может казаться уменьшенной, фактическая удобоукладываемость может быть менее затронута. Пробные испытания перед проектом определяют, необходимы ли корректировки удобоукладываемости.

Микроволокна могут больше влиять на осадку, чем макроволокна, при эквивалентных отношениях длины к диаметру и дозировках из-за большего количества волокон на фунт. В целом:

• Синтетические микроволокна (1,0–3,0 фунта/ярд³ или 0,6–1,8 кг/м³): потеря осадки 1–3 дюйма (25–75 мм)
• Синтетические макроволокна (3,0–10,0 фунтов/ярд³ или 1,8–6,0 кг/м³) или стальные волокна (15–50 фунтов/ярд³ или 9–29,6 кг/м³): потеря осадки 1–5 дюймов (25–125 мм)

Пластификаторы (водоредукторы среднего или высокого диапазона) должны компенсировать потерю осадки. При высоких дозировках может потребоваться корректировка смеси для обеспечения достаточного содержания пасты. Избегайте избытка воды, чтобы предотвратить снижение прочности и расслоение.

Макроволокна обычно не оказывают неблагоприятного воздействия на содержание воздуха или прочность на сжатие. Воспринимаемые изменения часто связаны с чрезмерным перемешиванием, добавлением воды, колебаниями температуры или неправильным измерением влажности в заполнителях. Колебания воздуха также могут быть связаны с фактическими изменениями осадки. Определенные исторические обработки поверхности волокон могли приводить к попаданию нежелательного воздуха, но сейчас это редкость.

Изменения объемного веса зависят от типа волокон и корректировок состава смеси. Синтетические волокна обычно не изменяют объемный вес, если содержание воздуха остается постоянным. Стальные волокна более высокой плотности могут увеличивать объемный вес в зависимости от объемной доли и корректировок смеси.

В бетоне нормального веса правильно пропорционированные и смешанные волокна не всплывают и не оседают из-за удельного веса материала и вязкости смешанного бетона. Волокна фактически помогают удерживать более крупные заполнители во взвешенном состоянии и предотвращают расслоение.

Обычно совместимы, но некоторые вспомогательные средства обработки волокон или отделки прядения могут влиять на другие химические вещества в бетоне. Всегда проверяйте у производителей волокон.