Beton zbrojony włóknami

Beton zbrojony włóknem lub beton zbrojony włóknem ( FRC ) to beton zawierający materiał włóknisty, który zwiększa jego integralność strukturalną. Zawiera krótkie dyskretne włókna , które są równomiernie rozmieszczone i przypadkowo zorientowane. Włókna obejmują włókna stalowe, włókna szklane , włókna syntetyczne i włókna naturalne – z których każde nadaje betonowi różne właściwości. Ponadto charakter betonu zbrojonego włóknami zmienia się wraz z różnymi betonami, materiałami włóknistymi, geometrią, rozmieszczeniem, orientacją i gęstością.

Perspektywa historyczna

Koncepcja wykorzystania włókien jako wzmocnienia nie jest nowa. Włókna były używane jako wzmocnienie od czasów starożytnych. Historycznie włosie końskie było używane w zaprawie murarskiej , a słoma w cegłach mułowych . W XX wieku do betonu używano włókien azbestowych . W latach 50. pojawiła się koncepcja materiałów kompozytowych , a jednym z tematów zainteresowania był beton zbrojony włóknami. Po odkryciu zagrożeń dla zdrowia związanych z azbestem pojawiła się potrzeba znalezienia zamiennika tej substancji w betonie i innych materiałach budowlanych. W latach sześćdziesiątych XX wieku w betonie stosowano włókna stalowe , szklane ( GFRC ) i syntetyczne (takie jak polipropylen ). Badania nad nowymi betonami zbrojonymi włóknami trwają do dziś.

Włókna są zwykle stosowane w betonie do kontrolowania pęknięć spowodowanych skurczem plastycznym i skurczem suszenia. Zmniejszają również przepuszczalność betonu, a tym samym ograniczają podciekanie wody . Niektóre rodzaje włókien zapewniają większą odporność betonu na uderzenia, ścieranie i pękanie. Większe włókna stalowe lub syntetyczne mogą w pewnych sytuacjach całkowicie zastąpić pręt zbrojeniowy lub stal. Beton zbrojony włóknami prawie całkowicie zastąpił pręty w budownictwie podziemnym, takim jak segmenty tuneli, gdzie prawie wszystkie okładziny tuneli są wzmacniane włóknami zamiast prętów zbrojeniowych. Rzeczywiście, niektóre włókna faktycznie zmniejszają wytrzymałość betonu na ściskanie.

Ilość włókien dodanych do mieszanki betonowej jest wyrażona jako procent całkowitej objętości kompozytu (betonu i włókien), określana jako „ułamek objętościowy” (Vf ) . Vf zazwyczaj mieści się w zakresie od 0,1 do 3% . Współczynnik kształtu (l/d) oblicza się dzieląc długość włókna (l) przez jego średnicę (d). Włókna o przekroju innym niż kołowy wykorzystują równoważną średnicę do obliczenia współczynnika kształtu. moduł sprężystości włókna jest wyższy niż osnowy (beton lub spoiwo zaprawy), pomagają one przenosić obciążenie poprzez zwiększenie wytrzymałości materiału na rozciąganie. Zwiększenie współczynnika kształtu włókna zwykle segmentuje wytrzymałość na zginanie i wiązkość matrycy. Większa długość skutkuje lepszą matrycą wewnątrz betonu, a mniejsza średnica zwiększa liczbę włókien. Aby zapewnić skuteczność każdego pasma włókien, zaleca się stosowanie włókien dłuższych niż maksymalna wielkość kruszywa. Zwykły beton zawiera kruszywo o średnicy równoważnej 19 mm, co stanowi 35-45% betonu, włókna dłuższe niż 20 mm są bardziej efektywne. Jednak włókna, które są zbyt długie i niewłaściwie obrobione podczas przetwarzania, mają tendencję do „zbijania się” w mieszance i stwarzają problemy z urabialnością.

Włókna są dodawane w celu zapewnienia długotrwałej trwałości betonu. Szkło i poliester rozkładają się w środowisku alkalicznym betonu i różnych dodatków i obróbki powierzchniowej betonu.

High Speed ​​1 zawierały beton zawierający co najmniej 1 kg/m 3 włókien polipropylenowych o średnicy 18 i 32 μm, dając korzyści opisane poniżej. Dodatek włókien polipropylenowych o małej średnicy nie tylko zapewnia wzmocnienie wykładziny tunelu, ale także zapobiega „odpryskiwaniu” i uszkodzeniu wykładziny w przypadku pożaru w wyniku wypadku.

Korzyści

Włókna szklane mogą:

  • Popraw wytrzymałość betonu niskim kosztem.
  • Dodaje zbrojenie na rozciąganie we wszystkich kierunkach, w przeciwieństwie do prętów zbrojeniowych.
  • Dodaj dekoracyjny wygląd, ponieważ są one widoczne na gotowej powierzchni betonu.

polipropylenowe i nylonowe mogą:

  • Popraw spójność mieszanki, poprawiając pompowalność na duże odległości
  • Popraw odporność na zamrażanie i rozmrażanie
  • Popraw odporność na wybuchowe odpryski w przypadku poważnego pożaru
  • Popraw odporność na uderzenia i ścieranie
  • Zwiększają odporność na skurcz plastyczny podczas utwardzania
  • Popraw wytrzymałość konstrukcji
  • Zmniejsz wymagania dotyczące zbrojenia stalowego
  • Popraw plastyczność
  • Zmniejsz szerokość pęknięć i ściśle kontroluj szerokość pęknięć, poprawiając w ten sposób trwałość

stalowe mogą:

  • Popraw wytrzymałość konstrukcji
  • Zmniejsz wymagania dotyczące zbrojenia stalowego
  • Zmniejsz szerokość pęknięć i ściśle kontroluj szerokość pęknięć, poprawiając w ten sposób trwałość
  • Popraw odporność na uderzenia i ścieranie
  • Popraw odporność na zamrażanie i rozmrażanie

W projektach budowlanych często stosuje się mieszanki włókien stalowych i polimerowych, aby połączyć zalety obu produktów; ulepszenia strukturalne zapewniane przez włókna stalowe oraz ulepszenia odporności na odpryski wybuchowe i skurcz plastyczny zapewniane przez włókna polimerowe.

W pewnych szczególnych okolicznościach włókno stalowe lub makrowłókna syntetyczne mogą całkowicie zastąpić tradycyjne stalowe pręty zbrojeniowe („ pręty zbrojeniowe ”) w żelbetonie. Jest to najbardziej powszechne w podłogach przemysłowych, ale także w niektórych innych zastosowaniach prefabrykatów. Zazwyczaj są one potwierdzane testami laboratoryjnymi w celu potwierdzenia spełnienia wymagań dotyczących wydajności. Należy zadbać o to, aby spełnione były również wymagania lokalnych przepisów projektowych, które mogą narzucić minimalne ilości zbrojenia stalowego w betonie. Coraz więcej projektów tuneli wykorzystuje prefabrykowane segmenty okładzinowe wzmocnione wyłącznie włóknami stalowymi.

Mikropręty zbrojeniowe zostały niedawno przetestowane i zatwierdzone do zastąpienia tradycyjnego zbrojenia w ścianach pionowych zaprojektowanych zgodnie z ACI 318 Rozdział 14.

Niektóre zmiany

Co najmniej połowa betonu w typowym elemencie budowlanym jest wykorzystywana do ochrony zbrojenia stalowego przed korozją. Beton wykorzystujący wyłącznie włókno jako zbrojenie może skutkować oszczędnością betonu, a tym samym związanym z nim efektem cieplarnianym. FRC można formować w wiele kształtów, co daje projektantom i inżynierom większą elastyczność.

High performance FRC (HPFRC) twierdzi, że może wytrzymać utwardzanie przez odkształcenie do kilku procent odkształcenia, co skutkuje plastycznością materiału o co najmniej dwa rzędy wielkości wyższą w porównaniu ze zwykłym betonem lub standardowym betonem zbrojonym włóknami. HPFRC twierdzi również, że ma wyjątkowe zachowanie podczas pękania. Przy obciążeniu przekraczającym zakres sprężystości HPFRC utrzymuje szerokość pęknięć poniżej 100 μm, nawet przy odkształceniu do kilku procent naprężeń rozciągających. Wyniki terenowe z HPFRC i Departamentem Transportu stanu Michigan spowodowały pękanie we wczesnym wieku.

Niedawne badania przeprowadzone na wysokowartościowym betonie zbrojonym włóknami w płycie mostowej wykazały, że dodanie włókien zapewnia wytrzymałość szczątkową i kontrolowane pękanie. W FRC było mniej i węższych pęknięć, mimo że FRC miał większy skurcz niż kontrola. Wytrzymałość resztkowa jest wprost proporcjonalna do zawartości włókien.

Przeprowadzono pewne badania z wykorzystaniem odpadowych włókien dywanowych w betonie jako przyjaznego dla środowiska wykorzystania odpadów dywanowych pochodzących z recyklingu. Dywan zazwyczaj składa się z dwóch warstw podkładu (zwykle tkaniny z przędzy z taśmy polipropylenowej), połączonych lateksem styrenowo-butadienowym (SBR) wypełnionym CaCO3 i włóknami wierzchnimi (większość to teksturowane przędze nylon 6 i nylon 66) . Takie włókna nylonowe i polipropylenowe można stosować do zbrojenia betonu. Pojawiają się inne pomysły na wykorzystanie materiałów pochodzących z recyklingu jako włókien: na przykład przetworzone włókno z politereftalanu etylenu (PET).

Normy

  • EN 14889-1:2006 – Włókna do betonu. Włókna stalowe. Definicje, specyfikacje i zgodność
  • EN 14845-1:2007 – Metody badań włókien w betonie
  • ASTM A820-16 – Standardowa specyfikacja dla betonu zbrojonego włóknami (zastąpiona)
  • ASTM C1116/C1116M — Standardowa specyfikacja dla betonu zbrojonego włóknami
  • ASTM C1018-97 - Standardowa metoda badania wytrzymałości na zginanie i wytrzymałości na pierwsze pęknięcie betonu zbrojonego włóknami (przy użyciu belki z obciążeniem trzeciego punktu) (wycofana 2006)
  • CSA A23.1-19 Załącznik U — Beton ultrawysokiej wytrzymałości (ze zbrojeniem włóknistym i bez)
  • CSA S6-19, 8.1 — Wytyczne projektowe dla betonu o ultrawysokiej wytrzymałości

Zobacz też

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Fiber-reinforced_concrete&oldid=1137038723 ”