Fibrobeton

Fibrobeton (włóknobeton lub drutobeton) – rodzaj betonu, który poza podstawowymi składnikami (cement, kruszywo, woda) zawiera krótkie włókna zbrojeniowe równomiernie rozmieszczone w całej objętości betonu^[1]. Włókna mogą być wykonane z materiałów takich jak: szkło, stal, tworzywo sztuczne, bazalt^[2]. W porównaniu do betonu zwykłego, charakteryzuje się większą wytrzymałością na rozciąganie przy zginaniu, na ściskanie oraz na ścinanie, a także zwiększoną odpornością zmęczeniową i udarnością^[3]. Ze względu na swoje właściwości wykorzystywany jest w elementach narażonych na działanie dużych obciążeń, np. posadzki przemysłowe, elementy cienkościenne^[2]. Obecnie najczęściej stosowanymi włóknami do modyfikowania betonu są włókna stalowe i włókna polimerowe.

Włókna jako zbrojenie stosowano już od czasów starożytności. W Mezopotamii budowniczy dodawali zwierzęcą sierść i ciętą słomę do wyrobów glinianych w celu ich wzmocnienia^[1].

Od początku XX wieku stosowano na całym świecie włókna z azbestu. Zmieszane z zaczynem cementowym tworzyły azbestocement zwany eternitem. Z eternitu produkowano płyty pokryć dachowych i elewacyjnych oraz rury instalacyjne. Obecnie, ze względu na szkodliwy wpływ azbestu na zdrowie człowieka, nie stosuje się włókien azbestowych do modyfikowania betonu^[1].

Proces powstawania kompozytu betonowego z dodatkiem włókien rozpoczął się w 1874 roku. Zapoczątkował go A. Bernard z Kalifornii, dodając do betonu niewielkie opiłki stalowe^[4]. Następnie w 1910 roku H. Porter wspomniał o możliwości zastosowania krótkich drutów do betonu, które polepszyły „jednorodność betonu zbrojonego tylko grubymi prętami”^[1]. W 1918 roku H. Alfsen opatentował wzmacnianie betonu długimi włóknami stalowymi. Twierdził, że podniesie to jego wytrzymałość na rozciąganie. Jako pierwszy dostrzegł wpływ chropowatości powierzchni włókien na ich przyczepność do betonu i zauważył, że ważne jest zakotwienie włókien^[4]. N. Zitkewic w 1938 roku wymyślił sposób na podwyższenie wytrzymałości i udarności betonu poprzez dodanie pociętego na kawałki drutu ze stali miękkiej^[1].

Dopiero w 1963 roku Romualdi i Baston na dużą skalę zajęli się modyfikacją betonów włóknami stalowymi. Przedstawili pogląd, w którym krótkie włókna stalowe utrudniają pojawianie się rys w betonie i hamują ich propagację. Technologię tego betonu opatentowano pod nazwą „Wirand”^[1].

Efektywność włókien zawartych w betonie zależy od ich ilości, właściwości, kształtu, wymiarów oraz od ich przyczepności do betonu. Jeżeli ich udział osiągnie pewną graniczną wartość, „przekształcą” go w materiał quasi-plastyczny. W przeciwieństwie do betonu zwykłego fibrobeton przenosi krótkotrwałe przeciążenia bez widocznych uszkodzeń. Kształt włókien sprawia, że pęknięty element nie rozpada się na kawałki i trudno go rozdzielić^[5].

Zawartość włókien stalowych pogarsza urabialność mieszanki betonowej. Aby polepszyć urabialność zalecane jest zwiększenie ilości zaczynu i drobnego kruszywa^[1]. Zalecane jest również zastosowanie superplastyfikatorów, które upłynnią konsystencję mieszanki^[5].

Włókna bardzo korzystnie wpływają na właściwości mechaniczne, fizyczne oraz reologiczne betonu.

Do najważniejszych korzyści należą:

• trzy do pięciokrotne zwiększenie wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu^[2],
• podwyższenie wytrzymałości na ściskanie w zakresie od 15 do 30%^[1][3],
• podwyższenie wytrzymałości na rozciąganie do 15%^[2],
• podniesienie wytrzymałości zmęczeniowej (zwłaszcza przy zginaniu) nawet trzykrotnie^[1],
• wysoka mrozoodporność^[1],
• wzrost udarności nawet kilkunastokrotny^[1],
• zwiększona odporność na pękanie, energia potrzebna do zniszczenia wzrasta kilkadziesiąt razy^[1][2],
• duża odporność na ścieranie^[2],
• wzrost wodoszczelności wraz ze wzrostem ilości włókien – nawet o 60%^[5],
• dodatek włókien stalowych wyraźnie podnosi odporność betonu na działanie wysokich temperatur, szczególnie na ich gwałtowne zmiany^[1],
• obniżenie skurczu i pełzania o 10–30%^[1][5],
• obniżenie modułu sprężystości od 10 do 25%^[2].

Włókna w betonie korzystnie wpływają na wytrzymałość na docisk miejscowy. Dzięki temu beton może przenieść duże obciążenia punktowe. Ograniczają również powstawanie rys w trakcie obciążania betonu oraz hamują ich propagację^[1].

Fibrobeton nie ulega zniszczeniu gdy dojdzie do pęknięcia materiału, lecz dalej się odkształca. Włókna spajają kompozyt i zapobiegają jego rozerwaniu^[1]. Przenoszą cześć naprężeń i równomiernie rozkładają je na cały obszar betonu. Ponadto włókna zmniejszają ilość pęknięć skurczowych^[1][5].

Włókna do modyfikowania betonu wytwarzane są z różnych materiałów, w różnych kształtach i rozmiarach^[6].

Można wyróżnić:

• włókna stalowe – najpowszechniej stosowane włókna do modyfikowania betonu w postaci krótko pociętego drutu stalowego^[3],
• włókna polimerowe (syntetyczne) – w postaci krótkich, cienkich nitek, postrzępionych powierzchni z materiału polimerowego^[3][6],
• włókna szklane – ciągło lub krótko cięte ze szkła o podwyższonej odporności na działanie środowiska agresywnego^[3],
• włókna węglowe,
• włókna bazaltowe – cienkie włókna wykonane z bazaltu powleczonego polimerem^[6],
• włókna naturalne – bardzo rzadko stosowane ze względu na słabe właściwości,
  • celulozowe

Ilość włókien dodanych do mieszanki betonowej wyraża się najczęściej jako udział procentowy w całkowitej objętości kompozytu fibrobetonowego. Zawartość włókien w kompozycie wynosi od 0,5 do 3% całej objętości. Jeżeli dodanych włókien będzie więcej niż 2% to może dojść do plątania się włókien i powstania tzw. „jeży”, czyli zbitych kul włókien, które tworzą się podczas mieszania składników. Z kolei dodatek włókien mniejszy niż 0,5% nie powoduje zauważalnych zmian cech mechanicznych modyfikowanego betonu^[5].

Zawartość włókien w betonie zależy także od ich smukłości ${\displaystyle l/d}$ (gdzie ${\displaystyle l}$ – długość włókna, a ${\displaystyle d}$ – średnica włókna). Im większa smukłość włókien, tym mniej można ich dodać do mieszanki betonowej^[5].

Na ilość i rozkład włókien w kompozycie cementowym wpływ ma także wielkość ziaren kruszywa. Włókna są bardziej równomiernie rozłożone w mieszance betonowej gdy wielkość kruszywa mieści się w przedziale od 4 do 8 mm. Kruszywo grube uniemożliwia równomierny rozkład włókien. W ten sposób kompozyt uzyskuje najlepsze efekty wytrzymałościowe^[1].

W celu uzyskania najwyższej wytrzymałości rozmieszczenie włókien w betonie powinno być równoległe do kierunku głównych naprężeń rozciągających^[6].

Można wyróżnić 3 typy orientacji włókien^[5]:

• liniowy 1D – włókna równolegle do siebie,
• płaski 2D – włókna równoległe względem jednej płaszczyzny,
• przestrzenny 3D – włókna ukierunkowane równomiernie we wszystkich kierunkach.

Najczęściej występuje układ przestrzenny 3D, który prowadzi do uzyskania najwyższych właściwości i wytrzymałości kompozytu cementowego.

Najczęściej mieszankę przygotowuje się w betoniarce zaczynając od wsypania do niej 2/3 części masy kruszywa wysuszonego do stałej masy. Następnie dodaje się cement, a potem pozostałą część kruszywa i wszystkie suche składniki poddaje się wstępnemu mieszaniu. Po określonym czasie dolewa się wodę, mieszając dalej aż do uzyskania jednorodnej mieszanki. Dodawanie włókien odbywa się stopniowo podczas mieszania składników w celu równomiernego rozprowadzenia ich w mieszance betonowej^[5].

Fibrobeton znajduje zastosowanie zarówno bezpośrednio na placu budowy, jak i do produkcji elementów prefabrykowanych^[1].

Najczęściej stosowany w:

• nawierzchniach drogowych i lotniskowych^[1],
• posadzkach przemysłowych, posadzkach posadowionych na palach^[7],
• fundamentach płytowych budynków mieszkalnych, użyteczności publicznej, magazynów, zbiorników^[7],
• fundamentach pod maszyny^[1],
• monolitycznych, wolnopodpartych stropach międzykondygnacyjnych oraz stropach zespolonych^[7],
• budownictwie wodnym – zapory wodne, kanały, śluzy, koryta ściekowe^[1],
• ścianach oporowych^[7],
• płytach pomostowych^[7],
• elementach ogniotrwałych – pokrywy otworów wsadowych^[1],
• elementach cienkościennych – rury, płyty osłonowe^[2],
• naprawach betonu w konstrukcjach, w tym betonowania metodą natryskiwania^[2],
• konstrukcjach narażonych na obciążenia dynamiczne^[6].
• budowach tuneli^[1]

Fibrobeton, to materiał, w którym stosuje się wszystkie procedury badawcze, dotyczące cech mechanicznych, jak w przypadku betonu zwykłego. Występują jednak sytuacje wyjątkowe, gdzie specyficzne zachowanie fibrokompozytu uniemożliwia zastosowania tych samych procedur, jak dla betonu niemodyfikowanego włóknami^[5]. Przede wszystkim w inny sposób rozpatrywana jest wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu. Do tego zadania wykorzystywane są procedury opisane w normach: japońskiej JSCI-SF4, amerykańskiej ASTM C1018-97 oraz europejskiej EN 14651:2005.

Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu według normy japońskiej określana jest maksymalnym obciążeniem niszczącym ${\displaystyle P_{u}}$ oraz naprężeniem rozciągającym ${\displaystyle f_{u},}$ nazywanym również umowną nośnością na zginanie elementów próbnych.

Parametr ${\displaystyle f_{u}}$ wyznacza się z zależności:

${\displaystyle f_{u}={\frac {P_{u}l}{bh^{2}}}}$

gdzie:

${\displaystyle b}$ – szerokość próbki w kształcie graniastosłupa o przekroju kwadratowym,

${\displaystyle h}$ – wysokość próbki w kształcie graniastosłupa o przekroju kwadratowym,

${\displaystyle l}$ – rozpiętość próbki w kształcie graniastosłupa o przekroju kwadratowym.

Cechą charakterystyczną fibrobetonu jest współczynnik odporności na pękanie przy zginaniu ${\displaystyle f_{e},}$ nazywany również „równoważną wytrzymałością na rozciąganie przy zginaniu”.

Parametr ${\displaystyle f_{e}}$ wyznacza się z zależności:

${\displaystyle f_{e}={\frac {T_{\delta }}{\delta }}\cdot {\frac {l}{bh^{2}}},}$

gdzie:

${\displaystyle T_{\delta }}$ – odporność na pękanie przy zginaniu ${\displaystyle (N\cdot mm),}$ będąca polem powierzchni pod krzywą ugięcia belki w przedziale do ${\displaystyle {\frac {1}{150}}l}$^[8],

${\displaystyle b}$ – szerokość próbki w kształcie graniastosłupa o przekroju kwadratowym,

${\displaystyle h}$ – wysokość próbki w kształcie graniastosłupa o przekroju kwadratowym,

${\displaystyle l}$ – rozpiętość próbki w kształcie graniastosłupa o przekroju kwadratowym.

Badanie wytrzymałościowe jest stosunkowo łatwe do wykonania, lecz jest obarczone pewnymi nieścisłościami, zależnymi między innymi od wymiarów próbki czy wyznaczeniem granicznego punktu ugięcia belki. Badanie należy przerwać w chwili osiągnięcia przez próbkę wartości ${\displaystyle {\frac {1}{150}}l,}$ co oznacza, że moment pojawienia się pierwszej rysy nie jest poddany dalszym obserwacjom.

Norma amerykańska badanie wytrzymałościowe określa, jako wytrzymałość do momentu pojawienia się pierwszej rysy. Jest to moment, w którym krzywa zależności obciążenie – odkształcenie odchyla się od linii prostej. Wartość, która charakteryzuje wielkość odporności na pękanie jest stosunek pochłoniętej energii dla danego odkształcenia do energii wykorzystanej w celu pojawienia się pierwszej rysy, będący wskaźnikiem tej odporności. Wskaźnik odporności na pękanie mówi, w jakim stopniu różni się od ciała idealnie sprężysto – plastycznego mieszanka betonowa modyfikowana włóknami.

W normie amerykańskiej spotykamy pojęcie „wskaźnika rezydualnej wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu” ${\displaystyle R.}$ Dla ciała będącego materiałem idealnie sprężysto-plastycznym wartość ${\displaystyle R=100.}$ Dla mieszanki betonowej modyfikowanej włóknami wartość należy obliczyć według wzoru^[5]:

${\displaystyle R_{a,b}={\frac {100\cdot (I_{b}-I_{a})_{SFRC}}{(I_{b}-I_{a})_{EP}}},}$

gdzie:

${\displaystyle SFRC}$ – mieszanka betonowa modyfikowana włóknami,

${\displaystyle EP}$ – materiał, będący ciałem idealnie sprężysto – plastycznym.

Wśród producentów włókien stalowych można się zetknąć z pojęciami „ilorazów odporności na pękanie” ${\displaystyle R_{u}}$ oraz ${\displaystyle R_{e}.}$ Podane parametry należy obliczać według wzorów:

${\displaystyle R_{u}=100{\frac {f_{u}}{f_{o}}}\;{}}$ oraz ${\displaystyle {}\;R_{e}=100{\frac {f_{e}}{f_{o}}},}$

gdzie:

${\displaystyle f_{u}}$ – naprężenia rozciągające, nazywane również umowną nośnością na zginanie elementów próbnych,

${\displaystyle f_{e}}$ – współczynnik odporności na pękanie przy zginaniu, nazywany również „równoważną wytrzymałością na rozciąganie przy zginaniu”,

${\displaystyle f_{o}}$ – współczynnik wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu kompozytu bez dodatku włókien.

Jak w przypadku normy japońskiej, norma amerykańska także jest obarczona pewnymi niedokładnościami. Po pierwsze – należy precyzyjnie pomierzyć ugięcie próbki. Wartość ugięcia zależy od sposobu podparcia próbki na podporach oraz narastające odkształcenie w miejscu pojawienia się rysy. Po drugie – należy dokładnie określić ugięcie przy powstaniu pierwszej rysy^[5][9].

• beton
• żelbet