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.

Mieszanka fibrobetonowa z włóknami stalowymi

Posadzka przemysłowa wykonana z fibrobetonu

Historia

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].

Wpływ włókien na właściwości betonu

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].

Rodzaje włókien

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 i rozmieszczenie włókien w betonie

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].

Rozkład włókien w zależności od średnicy ziaren kruszywa

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].

Układy orientacji włókien w kompozycie cementowym

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.

Przygotowanie mieszanki

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].

Zastosowanie fibrobetonu

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]

Procedury badawcze

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

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].

Zobacz też

• beton
• żelbet

Przypisy

1. Z. Jamroży, Drutobeton, Kraków 1985.
2. Z. Jamroży, Beton i jego technologie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005.
3. M.A. Glinicki, Beton ze zbrojeniem strukturalnym, XXV Ogólnopolskie warsztaty pracy projektanta konstrukcji, Szczyrk 10–13 marca 2010.
4. J. Katzer, Włókna stalowe stosowane do modyfikacji betonu, „Budownictwo, Technologie, Architektura” 3(23)/2003, s. 46–47.
5. J. Katzer, Kształtowanie właściwości wybranych fibrokompozytów cementowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 2010.
6. J. Karwowska, A. Łapko, Przydatność stosowania nowoczesnych kompozytów fibrobetonowych w konstrukcjach budowlanych, Budownictwo i Inżynieria Środowiska, Politechnika Białostocka, 2 (2011) Białystok.
7. X. Destree, Betonowe konstrukcje budowlane zbrojone włóknami stalowymi, „Inżynier Budownictwa”, 11/2012.
8. J. Karwacki: Beton zbrojony włóknem stalowym, Bautech, Warszawa 1996.
9. M.C. Nataraja, N. Dhang, A.P. Gupta: Toughness characterization of steel fiber-reinforced concreto by JSCE approach, „Cement and Concrete Research” 30/2000.

Kontrola autorytatywna (beton):

• LCCN: sh85112450
• GND: 4219806-9
• NKC: ph201889
• J9U: 987007529508105171