การใช้ ประโยชน์ และคำถามสำคัญของคอนกรีตเสริมใย

คอนกรีตทำหน้าที่เป็นรากฐานของการก่อสร้างสมัยใหม่ โดยมีการปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่องซึ่งเป็นประเด็นหลักในด้านวิศวกรรม การเกิดขึ้นของคอนกรีตเสริมใย (FRC) ได้นำความมีชีวิตชีวาใหม่มาสู่วัสดุสำคัญนี้ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ยังก่อให้เกิดคำถามมากมาย: ใยคืออะไรกันแน่? อะไรคือความแตกต่างระหว่างมาโครไฟเบอร์กับไมโครไฟเบอร์? ควรเลือกชนิดและปริมาณการใช้ใยที่เหมาะสมอย่างไร? บทความนี้ให้การสำรวจเชิงลึกเกี่ยวกับคอนกรีตเสริมใย โดยกล่าวถึงข้อกังวลในการใช้งานจริงและให้คำแนะนำสำหรับการสร้างอาคารที่แข็งแกร่งและทนทานยิ่งขึ้น

ใยมีบทบาทสำคัญในคอนกรีต โดยทำหน้าที่เป็นวัสดุเสริมแรงแทนที่จะเป็นเพียงสารเติมแต่ง ตามที่กำหนดไว้ใน ACI CT-18 (ศัพท์คอนกรีต) ใยเชื่อมรอยร้าว ผูกคอนกรีตเข้าด้วยกัน และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมอย่างมาก

ความแตกต่างหลักระหว่างมาโครไฟเบอร์และไมโครไฟเบอร์อยู่ที่ขนาด โดยทั่วไปวัดจากเส้นผ่านศูนย์กลางเทียบเท่าหรือความหนาแน่นเชิงเส้น ในอุตสาหกรรม FRC ความหนาแน่นเชิงเส้นมักจะแสดงเป็นเดเนียร์ ซึ่งแสดงถึงมวล (เป็นกรัม) ของใย 9,000 เมตร

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างไมโครไฟเบอร์และมาโครไฟเบอร์ ได้แก่:

• ใยสังเคราะห์: ASTM D7508/D7508M ระบุข้อกำหนดสำหรับมาโครไฟเบอร์, ไมโครไฟเบอร์ และใยไฮบริด (การรวมกันของทั้งสองอย่าง) มาตรฐานนี้ยังใช้ความต้านทานแรงดึงและความยาวที่ตัดเป็นคุณสมบัติที่แตกต่างเพิ่มเติม
• ไมโครไฟเบอร์ธรรมชาติ: ASTM D7357 ระบุข้อกำหนดการปฏิบัติตามสำหรับใยเซลลูโลสที่ใช้ใน FRC
• ใยเหล็ก: จัดเป็นมาโครไฟเบอร์ ASTM A820/A820M กำหนดข้อกำหนดขั้นต่ำสำหรับใยเหล็กในการใช้งาน FRC

• ไมโครไฟเบอร์: ควบคุมการแตกร้าวจากการหดตัวของพลาสติกเป็นหลัก ที่ปริมาณการใช้ทั่วไป พวกมันไม่ได้ให้การควบคุมอุณหภูมิหรือการแตกร้าวจากการหดตัว และไม่ได้ช่วยเพิ่มคุณสมบัติอื่นๆ ของคอนกรีต อย่างไรก็ตาม ไมโครไฟเบอร์แบบไฟบริลเลทที่ใช้ในปริมาณการใช้อย่างน้อย 1.5 lb/yd³ (0.9 kg/m³) สามารถแทนที่การเสริมแรงด้วยลวดเชื่อมน้ำหนักเบา (WWR) เพื่อควบคุมอุณหภูมิและการแตกร้าวจากการหดตัว
• มาโครไฟเบอร์: ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของคอนกรีตอย่างมาก รวมถึงความแข็งแรงที่เหลือหลังการแตกร้าว การถ่ายโอนภาระข้ามรอยร้าว ความทนทานที่เพิ่มขึ้น ความเหนียวในการดัด ความต้านทานต่อความล้า ความต้านทานต่อแรงกระแทก และกำลังเฉือน

มีมาโครไฟเบอร์สังเคราะห์หลายชนิด แต่ละชนิดมีข้อดีเฉพาะตัว นอกเหนือจากคุณสมบัติทางกายภาพ เช่น ความต้านทานแรงดึง โมดูลัสยืดหยุ่น องค์ประกอบของวัสดุ หรือรูปร่าง ความแตกต่างที่ไม่ชัดเจนน้อยกว่า ได้แก่ ประสิทธิภาพการผสม แนวโน้มการจับตัวเป็นก้อน คุณภาพการตกแต่งพื้นผิว และลักษณะการยึดเกาะกับคอนกรีต

กุญแจสู่ความสำเร็จในการใช้มาโครไฟเบอร์สังเคราะห์อยู่ที่การเลือกปริมาณการใช้ที่เหมาะสมซึ่งตรงตามทั้งข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพและความต้องการด้านการทำงาน/การตกแต่ง ใยที่แข็งแรงกว่าหรือใยที่มีลักษณะการยึดเกาะที่ดีกว่าอาจต้องใช้วัสดุน้อยกว่าทางเลือกที่อ่อนแอกว่า ผู้ผลิตควรให้ข้อมูลการทดสอบเพื่อสนับสนุนคำแนะนำปริมาณการใช้ โดยแนะนำให้ทำการทดลองผสมเมื่อมีความไม่แน่นอน

ไมโครไฟเบอร์ควบคุมการแตกร้าวจากการหดตัวของพลาสติกเป็นหลัก งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าพวกมันให้ความสามารถในการรับน้ำหนักที่น้อยมากในคอนกรีตที่แข็งตัวที่ปริมาณการใช้ทั่วไป ปริมาณการใช้ไมโครไฟเบอร์ที่สูงขึ้นอาจทำให้การผสมซับซ้อนขึ้นเนื่องจากการเพิ่มจำนวนใยและพื้นที่ผิว ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาในการทำงานและการสูญเสียการทรุดตัวอย่างมาก

เมื่อเทียบกับใยที่สั้นกว่าชนิดเดียวกัน ใยที่ยาวกว่าจะมีพื้นที่ผิวมากกว่า ซึ่งช่วยปรับปรุงการยึดเกาะในคอนกรีตที่แข็งตัวและช่วยเพิ่มประสิทธิภาพหลังการแตกร้าวที่ปริมาณการใช้ที่เทียบเท่ากัน อย่างไรก็ตาม มีความยาวที่เหมาะสมที่สุดสำหรับใยแต่ละชนิด ขึ้นอยู่กับรูปร่าง ลักษณะความแข็งแกร่ง และกำลังอัดของคอนกรีต

การทดลองผสมก่อนโครงการโดยพิจารณาวิธีการวางและการตกแต่งที่ต้องการช่วยในการกำหนดความยาวของใยในอุดมคติ ป้องกันปัญหาต่างๆ เช่น การจับตัวเป็นก้อนหรือการยื่นออกมาของใยบนพื้นผิว

มาโครไฟเบอร์สังเคราะห์ (โดยเฉพาะเส้นใยเดี่ยวขนาดใหญ่และหยาบ) สามารถให้ความแข็งแรงที่เหลือเทียบได้กับใยเหล็ก ขึ้นอยู่กับปริมาณการใช้ ปัจจัยอื่นๆ เช่น การเสียรูปที่คาดไว้และสภาพแวดล้อมก็ควรมีอิทธิพลต่อการเลือกใยด้วย สำหรับการใช้งานโครงสร้างบางอย่างที่ต้องใช้ใยเหล็ก ยังไม่มีการตรวจสอบความถูกต้องของทางเลือกสังเคราะห์

ในขณะที่มาโครไฟเบอร์สังเคราะห์โดยทั่วไปมีความต้านทานแรงดึงและโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำกว่าใยเหล็ก พวกมันให้ใยมากกว่าอย่างมากในการเชื่อมรอยร้าวที่อาจเกิดขึ้น เมื่อใช้ในปริมาณที่เหมาะสม ความสามารถในการถ่ายโอนความเครียดทั้งหมดข้ามรอยร้าวควรเทียบเท่ากัน ความแข็งแรงของส่วนตัดที่มีประสิทธิภาพยังขึ้นอยู่กับคุณภาพการยึดเกาะของใยกับเมทริกซ์—ใยที่มีความแข็งแรงสูงพร้อมการยึดเกาะที่ไม่เพียงพอทำให้เป็นผู้สมัครเสริมแรงที่ไม่ดี ประสิทธิภาพของ FRC สะท้อนถึงพฤติกรรมแบบคอมโพสิต ไม่ใช่คุณสมบัติของใยแต่ละชนิด

คอนกรีตเสริมใย (FRC) รวมใยแบบแยก (โดยทั่วไปสูงถึง 2.5 นิ้ว หรือ 64 มม.) ในคอนกรีตซีเมนต์ไฮดรอลิก โพลิเมอร์เสริมใย (FRP) ใช้ใยที่ยาวกว่ามากที่ฝังอยู่ในเมทริกซ์โพลิเมอร์โดยไม่มีซีเมนต์หรือมวลรวม

ปริมาณใยที่ต้องการขึ้นอยู่กับเกณฑ์ประสิทธิภาพ FRC ที่ระบุ สำหรับไมโครไฟเบอร์ที่ควบคุมการหดตัวของพลาสติก อัตราส่วนการลดรอยร้าว (CRR) จะแนะนำการกำหนดปริมาณการใช้ต่อ ASTM C1579 สำหรับมาโครไฟเบอร์ในคอนกรีตที่แข็งตัว ปริมาณการใช้ควรเป็นไปตามความแข็งแรงที่เหลือที่ระบุ (ASTM C1399) ความแข็งแรงในการดัดเทียบเท่าหลังการแตกร้าว (ASTM C1609) หรือความสามารถในการดูดซับพลังงาน (ASTM C1550) โดยพิจารณาจากประเภท/ความหนาขององค์ประกอบ ความแข็งแรงของคอนกรีต ข้อกำหนดการเสริมแรง และข้อกำหนดในการรับน้ำหนัก

ซัพพลายเออร์หลายรายมีเครื่องมือออกแบบ (โดยเฉพาะสำหรับแผ่นพื้น) เพื่อคำนวณปริมาณการใช้ที่เหมาะสม

สำหรับแผ่นพื้น โดยทั่วไปจะมีการกำหนดปริมาณการใช้อย่างน้อยโดยผู้ผลิตตามการทดสอบผลิตภัณฑ์มาตรฐานเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดหรือมาตรฐานอุตสาหกรรม

ANSI/SDI C-2017 สำหรับดาดฟ้าโลหะผสมระบุปริมาณการใช้มาโครไฟเบอร์ขั้นต่ำ 4.0 lb/yd³ (2.4 kg/m³) สำหรับใยสังเคราะห์ และ 25.0 lb/yd³ (14.8 kg/m³) สำหรับใยเหล็กเมื่อใช้สำหรับการควบคุมอุณหภูมิ/การหดตัว ภายใต้ข้อกำหนด UL ขีดจำกัดบนคือ 5.0 lb/yd³ (3.0 kg/m³) สำหรับใยสังเคราะห์ และ 66.0 lb/yd³ (39.2 kg/m³) สำหรับใยเหล็ก ปัจจุบันการเสริมแรงด้วยใยไม่ได้แทนที่เหล็กโมเมนต์ลบในการประกอบดาดฟ้าแบบผสม

ไม่แนะนำให้ใช้ปริมาณการใช้ต่ำกว่าคำแนะนำของผู้ผลิตหรือข้อกำหนดของรหัส วิศวกรควรปรึกษาผู้ผลิตใยเมื่อไม่แน่ใจเกี่ยวกับการใช้งานหรือปริมาณการใช้

แหล่งข้อมูลหลายแห่งให้คำแนะนำในการออกแบบสำหรับคอนกรีตเสริมมาโครไฟเบอร์ในการใช้งานโครงสร้างต่างๆ:

• ACI 544.4R-18: คู่มือการออกแบบด้วย FRC
• ACI 360R-10: คู่มือการออกแบบแผ่นพื้น
• ACI 322-14: ข้อกำหนดรหัสคอนกรีตสำหรับที่อยู่อาศัย

ผู้ผลิตใยสามารถให้คำแนะนำเฉพาะผลิตภัณฑ์เพิ่มเติมได้

ข้อมูลจำเพาะของมาโครไฟเบอร์ FRC ควรเป็นไปตามประสิทธิภาพและเฉพาะการใช้งาน โดยใช้วิธีการที่ได้รับอนุมัติจาก ACI 544.4R เพื่อคำนวณพารามิเตอร์ลักษณะเฉพาะ เช่น:

• ความแข็งแรงที่เหลือเฉลี่ย (ASTM C1399)
• ความแข็งแรงที่เหลือหรือความแข็งแรงในการดัดเทียบเท่า (ASTM C1609)

ข้อมูลจำเพาะตัวอย่าง: "ปริมาณการใช้ใยจะต้องให้ความแข็งแรงที่เหลือขั้นต่ำ 200 psi (1.4 MPa) ในคอนกรีต 4,000 psi (28 MPa)" ควรตรวจสอบการปฏิบัติตามผ่านข้อมูลการทดสอบของผู้ผลิตตามมาตรฐาน ASTM ที่เกี่ยวข้อง

สำหรับช็อตกรีต ประสิทธิภาพของช็อตกรีตเสริมใย (FRS) จะถูกกำหนดโดยความสามารถในการดูดซับพลังงาน (ASTM C1550 หรือ EN 14488-5) ข้อมูลจำเพาะตัวอย่าง: "ปริมาณการใช้ใยจะต้องให้การดูดซับพลังงานขั้นต่ำ 280 J ที่ 7 วันในช็อตกรีต 4,000 psi (28 MPa)"

ประสิทธิภาพหลังการแตกร้าวของ FRC สามารถประเมินได้ผ่าน ASTM C1609, C1399 หรือ C1550 (การดูดซับพลังงาน) วิศวกรควรพิจารณาค่าที่เหมาะสมตามวัตถุประสงค์ในการออกแบบและระดับประสิทธิภาพที่ต้องการ โดยอ้างอิง ACI 544.4R สำหรับคำแนะนำ

ใยบางชนิด (เช่น เหล็ก) ใกล้พื้นผิวคอนกรีตในสภาพแวดล้อมที่เปิดเผยอาจเกิดการกัดกร่อน แม้ว่าการกัดกร่อนเฉพาะที่ดังกล่าวจะไม่กระทบต่อความสมบูรณ์ของโครงสร้าง แต่ควรประเมินผลกระทบด้านสุนทรียภาพก่อน ใยสังเคราะห์และใยธรรมชาติไม่กัดกร่อนและเฉื่อยทางเคมี ไม่ได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อม

ในขณะที่ใยโดยทั่วไปจะไม่เพิ่มความแข็งแรงในการดัดครั้งแรกของคอนกรีต (โมดูลัสการแตกหัก, ASTM C78) พวกมันช่วยเพิ่มกำลังการดัดของแผ่นพื้นและความแข็งแรงของความล้า ค่าความเหนียวเฉพาะของใยที่เหมาะสมช่วยให้ส่วนคอนกรีตที่บางลงรองรับภาระการออกแบบได้

ANSI/SDI C-2017 อนุญาตให้ใช้มาโครไฟเบอร์เหล็กหรือสังเคราะห์ (ที่ปริมาณการใช้ที่ผู้ผลิตกำหนดซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดขั้นต่ำ) เพื่อแทนที่การเสริมแรงด้วยลวดเชื่อม (WWR) เพื่อควบคุมรอยร้าว ไม่ใช่ความต้านทานต่อความเครียดของโครงสร้าง

ภายใต้การประเมิน UL และ ICC-ES ไมโครไฟเบอร์บางชนิดได้รับการยอมรับว่าเป็นทางเลือก WWR ในชุดประกอบพื้น/เพดานที่ทนไฟเฉพาะ

ปัญหานี้ในอดีตเกิดขึ้นเป็นหลักกับไมโครไฟเบอร์สังเคราะห์เมื่อใช้วิธีการตกแต่งที่ไม่เหมาะสม ไมโครไฟเบอร์โมโนฟิลาเมนต์สมัยใหม่ (โดยทั่วไปจำกัดอยู่ที่ 1.0–1.5 lb/yd³ หรือ 0.6–0.9 kg/m³) และมาโครไฟเบอร์ช่วยลดผลกระทบนี้ การผสม การวาง และการตกแต่งที่เหมาะสมทำให้เกิดพื้นผิวที่ดีเยี่ยม การยื่นออกมาของใยบนพื้นผิวไม่กระทบต่อความสมบูรณ์ของแผ่นพื้น—ไฟฉายดอกกุหลาบสามารถหลอมใยที่เปิดออกได้หากมีข้อกังวลด้านสุนทรียภาพ

ในขณะที่สารสังเคราะห์บางชนิด (เช่น ไนลอน) ดูดซับน้ำในปริมาณเล็กน้อย ใยโพลีโพรพิลีน/โพลีเอทิลีนทั่วไปเป็นสารที่ไม่ชอบน้ำ การลดลงของการทรุดตัวที่เห็นได้ชัดเจนที่ปริมาณการใช้ที่สูงขึ้นเกิดจากใยที่ทำหน้าที่เป็นสารยึดเกาะแทนการดูดซึมน้ำ

การเติมน้ำช่วยลดความแข็งแรงของคอนกรีต เมื่อปริมาณใยสูงส่งผลต่อการทำงาน ควรใช้สารเติมแต่งทางเคมี—ไม่ใช่การเติมน้ำ

จุดเติมในอุดมคติแตกต่างกันไปตามรูปร่าง ความแข็งแกร่ง และปริมาณการใช้ของใย—บางชนิดทำงานได้ดีที่สุดในฐานะส่วนผสมแรก อื่นๆ หลังจากที่วัสดุทั้งหมดถูกโหลด ผู้ผลิตสามารถให้คำแนะนำได้ โดยแนะนำให้ทำการทดลองก่อนโครงการเพื่อกำหนดเวลาในการเติมและการผสมที่เหมาะสมที่สุด

สำหรับคอนกรีตทั่วไป โดยทั่วไปแนะนำให้ผสม 4–5 นาทีหลังจากเติมส่วนผสมทั้งหมดสำหรับการดำเนินการแบบผสมพร้อมใช้

ใยทุกชนิดอาจจับตัวเป็นก้อนเนื่องจากการผสมที่ไม่เพียงพอ ลำดับที่ไม่เหมาะสม หรือการเติมลงในส่วนผสมที่แห้งเกินไปซึ่งขาดสารปรับละเอียดเพียงพอที่จะเคลือบใย การทดลองก่อนโครงการช่วยตรวจสอบความเข้ากันได้ของส่วนผสมกับชนิดและปริมาณการใช้ใยที่ต้องการ

ผลกระทบของการทรุดตัวขึ้นอยู่กับ:

• การทรุดตัวของส่วนผสมเริ่มต้น (ผลกระทบที่มากขึ้นในการทรุดตัวเริ่มต้นที่ต่ำกว่า)
• จำนวนใยและปริมาณการใช้ (ปริมาณการใช้ที่สูงขึ้นจะเพิ่มผลกระทบ)
• พื้นที่ผิวรวมของใย (พื้นที่ที่ใหญ่ขึ้นจะเพิ่มผลกระทบ)

โปรดทราบว่าการวัดกรวยทรุดตัวบ่งบอกถึงความสม่ำเสมอของชุดงาน ไม่จำเป็นต้องเป็นการทำงานจริง ในขณะที่การทรุดตัวด้วยสายตาอาจดูเหมือนลดลง การทำงานจริงอาจได้รับผลกระทบน้อยกว่า การทดลองก่อนโครงการจะพิจารณาว่าจำเป็นต้องปรับการทำงานหรือไม่

ไมโครไฟเบอร์อาจส่งผลกระทบต่อการทรุดตัวมากกว่ามาโครไฟเบอร์ที่อัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางและปริมาณการใช้ที่เทียบเท่ากันเนื่องจากจำนวนใยต่อปอนด์ที่สูงกว่า โดยทั่วไป:

• ไมโครไฟเบอร์สังเคราะห์ (1.0–3.0 lb/yd³ หรือ 0.6–1.8 kg/m³): การสูญเสียการทรุดตัว 1–3 นิ้ว (25–75 มม.)
• มาโครไฟเบอร์สังเคราะห์ (3.0–10.0 lb/yd³ หรือ 1.8–6.0 kg/m³) หรือใยเหล็ก (15–50 lb/yd³ หรือ 9–29.6 kg/m³): การสูญเสียการทรุดตัว 1–5 นิ้ว (25–125 มม.)

พลาสติไซเซอร์ (สารลดน้ำช่วงกลางหรือช่วงสูง) ควรชดเชยการสูญเสียการทรุดตัว อาจจำเป็นต้องปรับส่วนผสมที่ปริมาณการใช้สูงเพื่อให้แน่ใจว่ามีปริมาณวางเพียงพอ หลีกเลี่ยงน้ำส่วนเกินเพื่อป้องกันการลดความแข็งแรงและการแยกตัว

โดยทั่วไปมาโครไฟเบอร์ไม่มีผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ต่อปริมาณอากาศหรือความแข็งแรงในการอัด การเปลี่ยนแปลงที่รับรู้มักเกิดจากการผสมมากเกินไป การเติมน้ำ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ หรือการวัดความชื้นที่ไม่ถูกต้องในมวลรวม การผันผวนของอากาศอาจเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงการทรุดตัวจริงด้วย การบำบัดพื้นผิวใยในอดีตบางชนิดอาจทำให้เกิดอากาศที่ไม่ต้องการได้ แต่สิ่งนี้หายากในปัจจุบัน

การเปลี่ยนแปลงน้ำหนักต่อหน่วยขึ้นอยู่กับชนิดของใยและการปรับส่วนผสม โดยทั่วไปใยสังเคราะห์จะไม่เปลี่ยนแปลงน้ำหนักต่อหน่วยหากปริมาณอากาศยังคงที่ ใยเหล็กที่มีความหนาแน่นสูงกว่าอาจเพิ่มน้ำหนักต่อหน่วยขึ้นอยู่กับเศษส่วนปริมาตรและการปรับส่วนผสม

ในคอนกรีตน้ำหนักปกติ ใยที่ได้สัดส่วนและผสมอย่างเหมาะสมจะไม่ลอยหรือจมเนื่องจากแรงโน้มถ่วงจำเพาะของวัสดุและความหนืดของคอนกรีตผสม ในความเป็นจริง ใยช่วยแขวนมวลรวมขนาดใหญ่และป้องกันการแยกตัว

โดยทั่วไปเข้ากันได้ แต่สารช่วยในการประมวลผลใยหรือสารเคลือบผิวบางชนิดอาจส่งผลกระทบต่อสารเคมีอื่นๆ ของคอนกรีต ตรวจสอบกับผู้ผลิตใยเสมอ