Армированный фибробетон – виды, свойства и преимущества армированного фибробетона

Фиброармированный бетон можно определить как композитный материал, состоящий из смеси цемента, раствора или бетона и прерывистых, дискретных, равномерно рассеянных подходящих волокон. Бетон, армированный волокнами, бывает разных типов и обладает множеством свойств и преимуществ. Непрерывные сетки, тканые полотна, длинные проволоки или стержни не считаются дискретными волокнами.
Волокно – это небольшой кусочек армирующего материала, обладающий определенными характеристиками. Они могут быть круглыми или плоскими. Волокно часто описывается удобным параметром, называемым “соотношением сторон”. Аспектное соотношение волокна – это отношение его длины к диаметру. Типичное соотношение сторон колеблется от 30 до 150.
Бетон, армированный волокнами (FRC) – это бетон, содержащий волокнистый материал, который повышает его структурную целостность. Он содержит короткие дискретные волокна, которые равномерно распределены и случайно ориентированы. Волокна включают стальные волокна, стеклянные волокна, синтетические волокна и натуральные волокна. В рамках этих различных волокон, характер бетона, армированного волокнами, меняется с различными бетонами, материалами волокон, геометрией, распределением, ориентацией и плотностью.
Фиброармирование в основном используется в торкрет-бетоне, но может применяться и в обычном бетоне. Обычный бетон, армированный фиброй, в основном используется для полов и дорожных покрытий, но может рассматриваться для широкого спектра строительных деталей (балки, клещи, фундаменты и т.д.) как отдельно, так и с арматурой, связанной вручную.
Бетон, армированный волокнами (которые обычно представляют собой стальные, стеклянные или “пластиковые” волокна), дешевле, чем арматура, связанная вручную, при этом прочность на растяжение увеличивается во много раз. Форма, размер и длина волокна имеют большое значение. Тонкое и короткое волокно, например, короткое стекловолокно в форме волоса, будет эффективно только в первые часы после заливки бетона (уменьшает растрескивание во время застывания бетона), но не увеличит прочность бетона на растяжение.

Влияние волокон в бетоне

Волокна обычно используются в бетоне для борьбы с растрескиванием при пластической усадке и растрескиванием при усадке при высыхании. Они также снижают проницаемость бетона и, таким образом, уменьшают утечку воды. Некоторые виды волокон повышают устойчивость бетона к ударам, истиранию и осыпанию. Как правило, волокна не увеличивают прочность бетона на изгиб, поэтому они не могут заменить арматуру, сопротивляющуюся воздействию моментов, или арматуру из конструкционной стали. Некоторые волокна снижают прочность бетона.
Количество волокон, добавленных в бетонную смесь, измеряется в процентах от общего объема композита (бетон и волокна) и называется объемной долей (Vf). Обычно Vf составляет от 0,1 до 3%. Аспектное отношение (l/d) рассчитывается путем деления длины волокна (l) на его диаметр (d). Волокна с некруглым поперечным сечением используют эквивалентный диаметр для расчета соотношения сторон.
Если модуль упругости волокон выше, чем у матрицы (бетонного или растворного связующего), они помогают нести нагрузку, увеличивая прочность материала на растяжение. Увеличение аспектного отношения волокна обычно приводит к увеличению прочности на изгиб и жесткости матрицы. Однако слишком длинные волокна имеют тенденцию “комковаться” в смеси и создавать проблемы с обрабатываемостью.
Некоторые недавние исследования показали, что использование волокон в бетоне оказывает ограниченное влияние на ударопрочность бетонных материалов. Этот вывод очень важен, поскольку традиционно люди считают, что при армировании бетона волокнами увеличивается пластичность. Результаты также показали, что микроволокна обладают лучшей ударопрочностью по сравнению с более длинными волокнами.

Необходимость армированного волокнами бетона

Факторы, влияющие на свойства фиброармированного бетона

Фибробетон – это композитный материал, содержащий волокна в цементной матрице в упорядоченном или случайном порядке. Его свойства, очевидно, зависят от эффективной передачи напряжения между матрицей и волокнами. Эти факторы кратко рассмотрены ниже:

1. Относительная жесткость матрицы с волокнами

Для эффективной передачи напряжения модуль упругости матрицы должен быть намного ниже, чем модуль упругости волокон. Волокна с низким модулем упругости, такие как нейлон и полипропилен, поэтому вряд ли дадут улучшение прочности, но помогут в поглощении большой энергии и, следовательно, придадут большую степень вязкости и стойкости. Высокомодульные волокна, такие как стальные, стеклянные и углеродные, придают композиту прочность и жесткость.
Межфазная связь между матрицей и волокном также определяет эффективность передачи напряжения от матрицы к волокну. Хорошая связь необходима для повышения прочности композита на растяжение.

2. Объем волокон

Прочность композита в значительной степени зависит от количества используемых в нем волокон. На рис. 1 и 2 показано влияние объема на вязкость и прочность. Из рис. 1 видно, что с увеличением объема волокон примерно линейно увеличиваются прочность на растяжение и вязкость композита. Использование более высокого процентного содержания фибры, скорее всего, приведет к расслоению и повышению жесткости бетона и раствора.

Влияние объема волокон при изгибе

Влияние объема волокон при растяжении

3. Соотношение сторон волокна

Другим важным фактором, влияющим на свойства и поведение композита, является соотношение сторон волокна. Сообщается, что до соотношения сторон 75, увеличение соотношения сторон линейно увеличивает предельную прочность бетона. После 75 относительная прочность и вязкость снижаются. Таблица-1 показывает влияние соотношения сторон на прочность и вязкость.
Таблица-1: Соотношение сторон волокна
Тип бетона
Соотношение сторон
Относительная прочность
Относительная вязкость
Обычный бетон
0
1
С
25
1.5
2.0
Случайно
50
1.6
8.0
Дисперсные волокна
75
1.7
10.5
100
8.5

4. Ориентация волокон

Одно из различий между обычным армированием и армированием волокнами заключается в том, что в обычном армировании стержни ориентированы в нужном направлении, в то время как волокна ориентированы произвольно. Чтобы увидеть эффект случайности, были испытаны образцы раствора, армированные волокнами с содержанием 0,5% объема. В одной группе образцов волокна были выровнены в направлении нагрузки, в другой – в направлении, перпендикулярном направлению нагрузки, а в третьей – распределены случайным образом.
Было замечено, что волокна, выровненные параллельно приложенной нагрузке, обладают большей прочностью на разрыв и вязкостью, чем случайно распределенные или перпендикулярные волокна.

5. Работоспособность и уплотнение бетона

Включение стальной фибры значительно снижает обрабатываемость. Это отрицательно сказывается на уплотнении свежей смеси. Даже длительная внешняя вибрация не способна уплотнить бетон. Объем волокна, при котором достигается такая ситуация, зависит от длины и диаметра волокна.
Другим следствием плохой обрабатываемости является неравномерное распределение волокон. Как правило, обрабатываемость и уплотняемость смеси улучшается за счет увеличения соотношения вода/цемент или использования тех или иных водоредуцирующих добавок.

6. Размер крупного заполнителя

Максимальный размер крупного заполнителя должен быть ограничен 10 мм, чтобы избежать значительного снижения прочности композита. Волокна, по сути, также являются заполнителем. Хотя они имеют простую геометрию, их влияние на свойства свежего бетона является сложным. Межчастичное трение между волокнами и между волокнами и заполнителями контролирует ориентацию и распределение волокон и, следовательно, свойства композита. Добавки, снижающие трение, и добавки, улучшающие связность смеси, могут значительно улучшить смесь.

7. Смешивание

Смешивание бетона, армированного волокнами, требует тщательных условий, чтобы избежать комкования волокон, сегрегации и вообще трудностей с равномерным смешиванием материалов. Увеличение аспектного соотношения, объемного процента, размера и количества крупного заполнителя усиливает трудности и тенденцию к комкованию. Содержание стальных волокон более 2% по объему и соотношение сторон более 100 трудно смешивать.
Важно, чтобы волокна были равномерно рассеяны по всей смеси; это может быть достигнуто путем добавления волокон до добавления воды. При смешивании в лабораторном смесителе введение волокон через сетчатую корзину поможет равномерному распределению волокон. Для использования в полевых условиях необходимо использовать другие подходящие методы.

Различные виды бетона, армированного волокнами

Ниже перечислены различные типы волокон, обычно используемых в строительстве.

1. Бетон, армированный стальными волокнами

В качестве арматуры могут использоваться различные типы стальных волокон. Круглое стальное волокно – наиболее часто используемый тип – производится путем резки круглой проволоки на короткие отрезки. Типичный диаметр находится в диапазоне от 0,25 до 0,75 мм. Стальные волокна с прямоугольным сечением производятся путем силосования листов толщиной около 0,25 мм.
Фибра изготовлена из стальной проволоки из низкоуглеродистой стали. Соответствующая стандарту IS:280-1976 с диаметром проволоки от 0,3 до 0,5 мм практически используется в Индии.
Круглые стальные волокна производятся путем резки или рубки проволоки, плоские листовые волокна, имеющие типичную с/с от 0,15 до 0,41 мм в толщину и от 0,25 до 0,90 мм в ширину, производятся путем силосования плоских листов.
Также выпускаются деформированные волокна, которые в виде жгута свободно скреплены водорастворимым клеем. Поскольку отдельные волокна имеют тенденцию собираться вместе, их равномерное распределение в матрице часто затруднено. Этого можно избежать, добавляя пучки волокон, которые разделяются в процессе смешивания.
Читайте также:
Применение бетона, армированного стальной фиброй
Приготовление и использование бетонной смеси, армированной стальной фиброй

2. Цементный раствор и бетон, армированный полипропиленовыми волокнами (PFR)

Полипропилен – один из самых дешевых и доступных полимеров. Полипропиленовые волокна устойчивы к большинству химических веществ, и именно цементная матрица разрушается первой при агрессивном химическом воздействии. Его температура плавления высока (около 165 градусов Цельсия). Таким образом, рабочая температура. (100 градусов Цельсия) может поддерживаться в течение короткого времени без ущерба для свойств волокна.
Полипропиленовые волокна, будучи гидрофобными, могут быть легко смешаны, поскольку они не требуют длительного контакта во время смешивания и нуждаются только в равномерном распределении в смеси.
Полипропиленовые короткие волокна в небольших объемных долях от 0,5 до 15 коммерчески используются в бетоне.

Цементный раствор и бетон, армированный полипропиленовыми волокнами

3. GFRC – Бетон, армированный стекловолокном

Стекловолокно состоит из 200-400 отдельных нитей, которые слегка скреплены между собой и образуют стойку. Эти нити могут быть нарезаны на отрезки различной длины или объединены в тканевые маты или ленты. При использовании обычных методов смешивания для обычного бетона невозможно смешать более 2% (по объему) волокон длиной 25 мм.
Основное применение стекловолокно нашло в армировании цементных или растворных матриц, используемых в производстве тонколистовой продукции. Широко используемые разновидности стекловолокна – это э-стекло. При армировании пластмассами и AR-стеклом E-стекло имеет недостаточную устойчивость к щелочам, присутствующим в портландцементе, в то время как AR-стекло имеет улучшенные щелочестойкие характеристики. Иногда в смеси добавляют полимеры для улучшения некоторых физических свойств, таких как движение влаги.

Бетон, армированный стекловолокном

4. Асбестовые волокна

Доступное в природе недорогое минеральное волокно, асбест, было успешно соединено с портландцементной пастой для получения широко используемого продукта, называемого асбестоцементом. Асбестовые волокна обладают термомеханической и химической стойкостью, что делает их пригодными для изготовления листовых изделий – труб, черепицы и волнистых элементов кровли. Асбестоцементный картон примерно в два-четыре раза прочнее неармированной матрицы. Однако из-за относительно небольшой длины (10 мм) волокна имеют низкую ударную прочность.

Асбестовое волокно

5. Углеродные волокна

Углеродные волокна из самых последних и, вероятно, наиболее эффектное дополнение к ассортименту волокон, доступных для коммерческого использования. Углеродное волокно имеет очень высокий модуль упругости и прочность на изгиб. Они являются экспансивными. Было установлено, что их характеристики прочности и жесткости превосходят даже характеристики стали. Но они более уязвимы к повреждениям, чем даже стекловолокно, и поэтому, как правило, на них наносят защитное покрытие.

Углеродные волокна

Читайте также: Бетон, армированный стекловолокном (GFRC) – свойства и применение в строительных работах

6. Органические волокна

Органические волокна, такие как полипропилен или натуральные волокна, могут быть химически более инертными, чем стальные или стеклянные волокна. Они также дешевле, особенно если они натуральные. Для получения композита с множественным растрескиванием можно использовать большое количество растительного волокна. Проблема смешивания и равномерной дисперсии может быть решена путем добавления суперпластификатора.

Органическое волокно

Читать далее:
Факторы, влияющие на долговечность армированного волокном бетона (FRC)
Армированный волокнами бетон в дорожных покрытиях

• Гибридный фиброармированный бетон – преимущества и применение в строительстве.
• Передовые композиционные материалы (ACM).
• Цементные композиты, армированные волокном (FRC), и высокоэффективные композиты FRC.
• Различные виды композитов в строительстве и их применение.
• ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ КОМПОЗИТНЫЕ ВОЛОКНА.
• Полимер, армированный волокном (FRP) в строительстве, виды и применение.
• Факторы, влияющие на долговечность фиброармированного бетона (FRC).