Fibrobeton

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Mieszanka fibrobetonowa z włóknami stalowymi
Posadzka przemysłowa wykonana z fibrobetonu

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.

Historia[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

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%[3][1],
  • 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[2][1],
  • 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[edytuj | edytuj kod]

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

Można wyróżnić:

  • celulozowe

Ilość i rozmieszczenie włókien w betonie[edytuj | edytuj kod]

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 l/d (gdzie l – długość włókna, a 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[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

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

Najczęściej stosowany w:

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x Jamroży Z., Drutobeton, Kraków 1985
  2. a b c d e f g h i Jamroży Z., Beton i jego technologie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005
  3. a b c d e Glinicki M. A., Beton ze zbrojeniem strukturalnym, XXV Ogólnopolskie warsztaty pracy projektanta konstrukcji, Szczyrk 10-13 marca 2010
  4. a b Katzer J., Włókna stalowe stosowane do modyfikacji betonu, „Budownictwo, Technologie, Architektura”, Wydanie 3(23)/2003, s. 46-47
  5. a b c d e f g h i Katzer J., Kształtowanie właściwości wybranych fibrokompozytów cementowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 2010
  6. a b c d e Karwowska J., Łapko A., Przydatność stosowania nowoczesnych kompozytów fibrobetonowych w konstrukcjach budowlanych, Budownictwo i Inżynieria Środowiska, Politechnika Białostocka, 2 (2011) Białystok
  7. a b c d e Destree X., Betonowe konstrukcje budowlane zbrojone włóknami stalowymi, Inżynier Budownictwa, 11/2012