Współczesne niemetaliczne zbrojenia rozproszone stosowane w konstrukcjach betonowych

Szybki rozwój m.in. superplastyfikatorów, domieszek, dodatków i metod projektowania betonu pozwolił na polepszenie się urabialności – beton samozagęszczalny (Self-Compacting Concrete), zmniejszenie masy – beton lekki (Lightweight Concrete) czy wzrost wytrzymałości na ściskanie – beton wysokowytrzymałościowy (High Strenght Concrete). Należy jednak pamiętać, że wraz ze wzrostem wytrzymałości beton staje się materiałem bardziej kruchym, który nie pracuje w zakresie plastycznym.

W celu uniknięcia kruchego pękania, polepszenia właściwości mechanicznych oraz fizycznych możliwe jest dodanie do mieszanki betonowej włókien. W ten sposób powstaje fibrobeton (Fibre Reinforced Concrete), czyli kompozyt cementowy ze zbrojeniem rozproszonym w postaci włókien stalowych, polimerowych, polipropylenowych, szklanych, węglowych i innych [1]. W niniejszym artykule przedstawiono wpływ rozproszonego zbrojenia niemetalicznego na właściwości betonu.

Rodzaje włókien niemetalicznych

Charakteryzując włókna zbrojenia rozproszonego, należy zwrócić uwagę na:

• materiał,
• kształt,
• wymiary (długość l, średnicę d i smukłość l/d),
• objętość w mieszance betonowej V_f.

Efektywność włókien zależy głównie od powyższych parametrów, a także od ich przyczepności do stwardniałego zaczynu cementowego [2]. W celu zwiększenia powierzchni kontaktowej z zaczynem włókna mają falisty kształt lub są fibrylowane (podczas mieszania dochodzi do rozszczepienia ich końcówek).

Ze względu na materiał, z którego są wykonane, włókna do modyfikacji betonu można podzielić na metaliczne i niemetaliczne. Do tych pierwszych zaliczamy na przykład włókna stalowe, grupa druga jest natomiast bardzo zróżnicowana. Należą do niej: włókna syntetyczne (polimerowe, polipropylenowe), szklane, węglowe, bazaltowe i naturalne.

Włókna do zbrojenia betonu dzieli się ponadto na makrowłókna i mikrowłókna. Różnią się one przede wszystkim długością, ale również funkcją, jaką spełniają w betonie.

RYS. 1. Wpływ mikrowłókien na mostkowanie mikropęknięć i zwiększenie wytrzymałości na rozciąganie. Objaśnienia: 1 – makrowłókno, 2 – mikropęknięcie, 3 – mikrowłókna mostkują mikropęknięcia; rys.: [3]	RYS. 2. Wpływ makrowłókien na mostkowanie makropęknięć i wzrost ciągliwości. Objaśnienia: 1 – makropęknięcie, 2 – makrowłókna mostkują makropęknięcie; rys.: [3]

Makrowłókna nazywane są czasami włóknami konstrukcyjnymi, ponieważ mogą zastępować tradycyjne zbrojenie w postaci prętów stalowych. Mają zatem zdolność do przenoszenia obciążeń działających na konstrukcję. Zaletą stosowania fibrobetonu jest więc oszczędność czasu potrzebnego do wykonania zbrojenia stalowego, a tym samym kosztów realizacji inwestycji. Zazwyczaj długość makrowłókien waha się od 30 do 50 mm.

Mikrowłókna są krótsze i nie pełnią funkcji nośnej. Minimalizują skurcz plastyczny i ograniczają powstawanie rys w betonie. Pomagają zatem poprawić trwałość konstrukcji i zmniejszyć koszty jej utrzymania.

Ideę łączenia w mieszance betonowej włókien krótszych i dłuższych (Hybrid-Fibre Reinforced Concrete) pokazano na RYS. 1 i RYS. 2.

Mikrowłókna mostkują mikropęknięcia, kiedy te pojawiają się w betonie. Są bardziej efektywne od makrowłókien, ponieważ przy tej samej objętości ich liczba jest większa. W związku z tym już w początkowej fazie rozciągania zwiększa się wytrzymałość betonu.

RYS. 3. Wpływ zawartości makrowłókien syntetycznych na wytrzymałość na ściskanie; rys.: [4]

Kiedy dojdzie do połączenia się mikropęknięć i powstania makropękniecia włókna dłuższe włączają się do współpracy i zaczynają przeciwdziałać zwiększaniu się rysy. W ten sposób, mimo ciągle zwiększających się odkształceń, beton jest w stanie przenosić znaczące obciążenie, polepsza się zatem ciągliwość betonu [3].

Efektywność łączenia tych dwóch rodzajów włókien potwierdzono m.in. w badaniach [4], gdzie po dodaniu mikrowłókien do mieszanki betonowej z makrowłóknami poprawiła się wytrzymałość na ściskanie (RYS. 3), rozciąganie i zginanie oraz rysoodporność.

Tosun-Felekoglu i in. w swoich badaniach [5] udowodnili, że dzięki mieszance typów włókien możliwe jest uzyskanie betonu o lepszej wytrzymałości na zginanie i zwiększonej udarności. Z kolei w pracy Silvy i in. [6] zanotowano wzrost wytrzymałości na ściskanie i zginanie.

Czytaj też: Fibrobeton jako materiał konstrukcyjny >>>