Beton -ojačan vlaknima (FRC) odnosi se na kompozitni materijal-na bazi cementa sastavljen od cementne paste, morta ili betona kao matrice i vlakana kao armature. Vlaknasti-beton, poznat i kao vlaknasti beton, obično se odnosi na kompozitni materijal-na bazi cementa koji se sastoji od cementne paste, morta ili betona kao matrice i diskontinuiranih kratkih vlakana ili kontinuiranih dugih vlakana kao armature. Vlakna mogu kontrolirati daljnji razvoj pukotina u matričnom betonu, čime se poboljšava otpornost na pukotine. Visoka vlačna čvrstoća i istezanje vlakana povećavaju vlačnu čvrstoću, čvrstoću na savijanje i udarnu čvrstoću, istezanje i žilavost betona. Glavne vrste vlaknastog betona uključuju azbestni cement, beton od čeličnih vlakana, beton od staklenih vlakana, beton od polipropilenskih vlakana, beton od ugljičnih vlakana, beton od biljnih vlakana i beton od sintetičkih vlakana visokog modula elastičnosti. To je opći naziv za kompozitne materijale koji se sastoje od vlakana i materijala na bazi cementa (cementne paste, morta ili betona). Glavni nedostaci cementne paste, morta i betona su niska vlačna čvrstoća, malo krajnje istezanje i krtost. Ovi se nedostaci mogu prevladati dodavanjem vlakana visoke vlačne čvrstoće, visokog krajnjeg istezanja i dobre otpornosti na alkalije.
Uloga vlakana u betonu:
Obični beton je krhak materijal koji već prije opterećenja ima brojne mikropukotine. Pod sve većim vanjskim silama, te se mikropukotine postupno šire i na kraju stvaraju makropukotine, što dovodi do loma materijala. Dodatak odgovarajuće količine vlakana sprječava i inhibira rast mikropukotina, značajno poboljšavajući vlačnu i savojnu čvrstoću, kao i energiju loma, kompozitnog materijala u usporedbi s nearmiranom cementnom matricom. Različite vrste vlakana poboljšavaju nepropusnost betona, otpornost na smrzavanje-odmrzavanje, otpornost na prodiranje kloridnih iona i otpornost na karbonizaciju u različitim stupnjevima. Vlaknasti-armirani beton prvenstveno koristi kratka vlakna s određenim omjerom širine i visine (omjer duljine vlakana i promjera). Međutim, ponekad se koriste dugačka vlakna (kao što su roving od staklenih vlakana i polipropilenski film od vlakana) ili proizvodi od vlakana (kao što su mreža od staklenih vlakana i prostirka od staklenih vlakana). Krajnja vlačna čvrstoća može se povećati za 30-50%. Primarna funkcija vlakana u betonu-ojačanom vlaknima je ograničavanje rasta pukotina u cementnoj matrici pod vanjskim silama. U početnoj fazi opterećenja (napetost i savijanje), kada su sastojci prikladni i kada je dodan odgovarajući-vodo-reducent s visokom učinkovitošću, cementna baza i vlakna zajedno podnose vanjsku silu, pri čemu je prva glavni nositelj vanjske sile; kada baza pukne, vlakna preko pukotina postaju glavni nositelji vanjske sile. Pretpostavimo da volumenski sadržaj vlakana premašuje određenu kritičnu vrijednost. U tom slučaju cijeli kompozitni materijal može nastaviti podnositi veća opterećenja i proizvoditi veće deformacije sve dok se vlakna ne pokidaju ili izvuku iz osnovnog materijala, uništavajući kompozitni materijal. U usporedbi s običnim betonom, beton armiran vlaknima ima veću vlačnu i savojnu čvrstoću, posebice poboljšanu žilavost.
Uobičajene klasifikacije vlakana
Vlakna se mogu klasificirati na temelju svojstava materijala:
① Metalna vlakna, kao što su čelična vlakna (beton ojačan čeličnim vlaknima) i vlakna od nehrđajućeg čelika (prikladna za beton -otporan na toplinu).
② Anorganska vlakna, prvenstveno prirodna mineralna vlakna (krizotil, krokidolit, amozit, itd.) i mineralna vlakna-proizvedena (staklena vlakna otporna na alkalije-, ugljična vlakna kao što je mineralna vuna -otporna na alkalije).
③ Organska vlakna, prvenstveno sintetička vlakna (polietilen, polivinil alkohol, najlon, aromatski poliimid, itd.) i biljna vlakna (sisal, agava, itd.). Beton ojačan sintetičkim vlaknima ne bi se trebao koristiti u okruženjima s temperaturama višim od 60 stupnjeva.
Na temelju modula elastičnosti vlakna se mogu podijeliti u dvije glavne kategorije:
Vlakna s modulom elastičnosti manjim od onog kod cementne matrice nazivaju se fleksibilnim vlaknima, uključujući polipropilenska vlakna, najlonska vlakna i celulozna vlakna.
Vlakna s modulom elastičnosti većim od modula matrice nazivaju se krutim vlaknima, kao što su čelična vlakna, staklena vlakna i karbonska vlakna.
Uobičajena betonska vlakna i njihove karakteristike
Čelično vlakno
Beton pripremljen ugradnjom odgovarajuće količine čeličnih vlakana u obični beton naziva se beton s čeličnim vlaknima ili beton ojačan čeličnim vlaknima. U usporedbi s običnim betonom, njegova vlačna čvrstoća, čvrstoća na savijanje, otpornost na habanje, otpornost na udarce, otpornost na zamor, žilavost, otpornost na pukotine i otpornost na eksploziju značajno su poboljšani. Visoko{2}}čelična žica rezana-krajnja kuka-vlakna, mljevena-krajnja kuka-vlakna, rezana posebno-oblikovana vlakna i vlakna nisko-taljenog čelika-vučena dobivaju široku primjenu u inženjerskim projektima zbog svoje poboljšane veze s betonom matrica, značajno sprječava pukotine, ojačava i ojačava beton.
Prednosti i nedostaci
Tehnička prednost čeličnih vlakana je njihova sposobnost povećanja žilavosti i vlačne čvrstoće betona. Međutim, čelična vlakna imaju tendenciju skupljanja tijekom miješanja, što rezultira slabom obradivošću, otežanim pumpanjem, teškom konstrukcijom i osjetljivošću na hrđu. Nadalje, beton od čeličnih vlakana je težak i zahtijeva značajnu proizvodnju čelika, povećavajući potrošnju čelika i troškove. Glavni oblik loma čeličnih vlakana tijekom uporabe je izvlačenje, a ne lomljenje, što ukazuje na nedovoljno prianjanje čeličnih vlakana na beton, što će utjecati na poboljšanje vlačne čvrstoće betona. Načelo kaljenja i ojačanja je da kada se pojave pukotine, visoki modul čelika i visoka vlačna čvrstoća jednog vlakna sprječavaju daljnji razvoj pukotina; međutim, zbog ograničenog broja, učinak obuzdavanja mikropukotina nije značajan, a poboljšanje svojstava protiv-procjeđivanja, smrzavanja-odmrzavanja i drugih svojstava nije očito. Osim toga, gustoća čeličnih vlakana je previsoka tijekom gradnje, te često potonu na dno betona tijekom vibracija i lijevanja, pa ih je nemoguće ravnomjerno rasporediti. To je glavni razlog zašto su teorijski zaključci istraživanja dobri, ali stvarni učinci primjene uvelike variraju.
Karbonska vlakna
Karbonska vlaknaje kompozitni materijal u kojem su ugljična vlakna ravnomjerno raspoređena unutar cementne matrice kako bi se poboljšala fizikalna i mehanička svojstva betona. Ključne značajke betona od karbonskih vlakana uključuju izvrsna mehanička svojstva, vodonepropusnost i otpornost na prirodne temperaturne fluktuacije, koje nema u konvencionalnom armiranom betonu. Također pokazuje stabilna kemijska svojstva, dugotrajnu-mehaničku čvrstoću i dimenzionalnu stabilnost u visoko alkalnim okruženjima.
Zamjena čelika ugljičnim vlaknima eliminira degradaciju i propadanje armiranog betona uzrokovano slanom vodom, smanjujući težinu građevinskih komponenti, olakšavajući instalaciju i konstrukciju te skraćujući rasporede izgradnje. Karbonska vlakna također imaju svojstva-prigušivanja vibracija, apsorbiraju udarne valove i povećavaju seizmičku otpornost i čvrstoću na savijanje za više od deset puta. Beton od karbonskih vlakana pokazuje visoku vlačnu čvrstoću, čvrstoću na savijanje, otpornost na lomove i otpornost na koroziju. Zbog niskog koeficijenta rastezanja, beton od karbonskih vlakana pokazuje izvrsnu toplinsku otpornost i minimalnu toplinsku deformaciju.
Primarna funkcija ugljičnih vlakana u betonu od ugljičnih vlakana je spriječiti širenje mikropukotina unutar betona te spriječiti nastanak i razvoj makropukotina. Stoga su njegova vlačna čvrstoća i čvrstoća na smicanje, savijanje i torzijska čvrstoća, koje su uglavnom kontrolirane glavnim vlačnim naprezanjem, značajno poboljšane; u isto vrijeme, ima visoku otpornost na deformaciju matrice, čime se poboljšava njegova vlačna žilavost, savijanje i udarna žilavost. Kada je volumni udio ugljičnih vlakana 1,18%, vlačna čvrstoća uzorka na cijepanje se povećava za 1,2%. Prema kompozitnom pravilu, učinak ojačanja karbonskih vlakana trebao bi se povećavati s povećanjem udjela vlakana u cementu. Kada je težinski postotak karbonskih vlakana manji od 5%, ovaj odnos je gotovo linearan. Kada se sadržaj dalje povećava, ugljična vlakna je teško ravnomjerno raspršiti u matrici i ne može se postići učinak ojačanja, a čak se i vlačna čvrstoća betona od ugljičnih vlakana smanjuje. Osim toga, beton od karbonskih vlakana također ima dobru otpornost na koroziju, otpornost na propusnost, otpornost na trošenje, otpornost na skupljanje i trajnost.
Stakloplastika
Beton ojačan staklenim vlaknima (GFRC) kompozitni je materijal izrađen ravnomjernom distribucijom staklenih vlakana -otpornih na alkalije s visokim modulom elastičnosti kroz cementni mort ili konvencionalni beton. Budući da je promjer staklenih vlakana samo 5 do 20 μm, gotovo identičan česticama cementa, vezivo koje se koristi u GFRC je cementna pasta ili fini pijesak, praktički bez grubog agregata. Stoga su kompozitni materijali izrađeni od ovog materijala također poznati kao ojačani cement. GFRC je budući razvojni trend u građevinarstvu. Ne samo da prevladava nedostatke konvencionalnih betonskih proizvoda, kao što su velika težina, niska vlačna čvrstoća i slaba otpornost na udarce, već također posjeduje svojstva koja se ne nalaze u konvencionalnom betonu. GFRC proizvodi su tanji i lakši. Budući da kao ojačanje koriste staklena vlakna izuzetno visoke vlačne čvrstoće, posjeduju visoku vlačnu čvrstoću. Ravnomjerna raspodjela staklenih vlakana u betonu sprječava pucanje površine. Budući da apsorbiraju značajnu energiju tijekom oštećenja, pokazuju izvrsnu otpornost na udarce i visoku čvrstoću na savijanje. GFRC proizvodi također nude izvrsna svojstva vađenja iz kalupa i jednostavni su za obradu, što ih čini lako prilagodljivim različitim oblicima.
Beton od polipropilenskih vlakana
Beton od polipropilenskih vlakana je kompozitni materijal izrađen ravnomjernom raspodjelom polipropilenskih vlakana izrezanih na određenu duljinu unutar cementnog morta ili konvencionalne betonske matrice kako bi se poboljšala fizikalna i mehanička svojstva matrice. Ovaj beton -ojačan vlaknima nudi prednosti poput male težine, visoke vlačne čvrstoće i otpornosti na udarce i pucanje. Polipropilenska vlakna također mogu djelomično zamijeniti čeličnu armaturu kako bi se smanjila težina betona, čime se povećala seizmička otpornost konstrukcije.
Polipropilenski fibrobeton je najistraživaniji i najprimjenjivani beton. Ovisno o obliku i strukturi vlakana, polipropilenska vlakna se mogu kategorizirati kao monofilamenti, paralelno fibrilirani snopovi vlakana i film vlakna. Monofilamenti imaju visok omjer širine i visine, dok se paralelni fibrilirani snopovi vlakana mogu lako raspršiti unutar cementne matrice. Dok je kemijsko vezivanje ograničeno, mehaničko vezivanje je jako, sprječavajući izvlačenje vlakana pod stresom.
Dok polipropilenska vlakna imaju veću vlačnu čvrstoću od konvencionalnog betona, njihov modul elastičnosti je relativno nizak, što ih čini sklonima ekstremnim deformacijama u uvjetima visokog naprezanja. Međutim, kada se doda odgovarajuća količina polipropilenskih vlakana, otpornost na udar ovog kompozitnog materijala mnogo je veća nego kod običnog betona. Ovo je pronašlo vrlo obećavajući način za proizvodnju komponenti s niskim opterećenjem, ali velikom otpornošću na udarce i žilavošću. Osim toga, polipropilensko vlakno je otporno-na hrđu i ima dobru otpornost na kiseline i lužine.
Bazaltna vlakna
Kontinuirano bazaltno vlakno (CBF) anorganski je vlaknasti materijal izrađen od čiste prirodne vulkanske ekstruzivne stijene. Brzo se izvlači nakon što se otopi na visokoj temperaturi od 1450-1500 stupnjeva. Ima zlatno smeđi izgled, izvrsnu sveobuhvatnu izvedbu i nisku cijenu.
Karakteristike bazaltnih vlakana:
(1) Prirodnost sirovina. Budući da sirovine za proizvodnju CBF-a ovise o prirodnoj vulkanskoj ekstruzivnoj stijeni, uz svojstvenu visoku kemijsku i toplinsku stabilnost, ne sadrži komponente štetne za ljudsko zdravlje.
(2) Sveobuhvatna izvedba. Bazaltna vlakna doista su "više-funkcionalna" vlakna. Na primjer, otporan je na-kiseline,-alkalije, niske-temperature-, visoke-temperature-otporan, toplinsko-izolacijski, električni-izolacijski i zvučni-izolacijski. Njegova vlačna čvrstoća premašuje onu velikih-ugljičnih vlakana, a njegovo istezanje pri prekidu bolje je nego kod malih-ugljičnih vlakana. CBF ima polarnu površinu i izvrsnu sposobnost vlaženja međupovršina kada se pomiješa sa smolom. CBF također ima tro{17}}dimenzionalne molekularne dimenzije, koje, u usporedbi s linearnim polimernim vlaknima s jedno-dimenzionalnim molekularnim dimenzijama, imaju veću tlačnu čvrstoću, čvrstoću na smicanje i prilagodljivost oštrim okruženjima i otpornost na starenje, među ostalim izvrsnim sveobuhvatnim svojstvima.
(3) Niska cijena. Cijena bazaltnih vlakana koja se koriste u cementnom betonu nije visoka, znatno je niža od cijene čeličnih vlakana, karbonskih vlakana itd. i usporediva sa sintetičkim vlaknima.
(4) Prirodna kompatibilnost. Bazaltna vlakna su tipična silikatna vlakna. Lako se raspršuje kada se pomiješa s cementom, betonom i mortom. Svježe miješani beton od bazaltnih vlakana ima stabilan volumen, dobru obradivost i dobru trajnost. Ima izvrsnu otpornost na-visoku temperaturu, otpornost-na curenje i pucanje te otpornost na udarce. Osim toga, bazaltna vlakna su otpornija-na alkalije od stakla-otpornog na alkalije.
Primjena betona-ojačanog vlaknima
Beton -ojačan vlaknima koristi se u raznim primjenama, ovisno o sposobnosti graditelja da iskoriste statička i dinamička svojstva materijala. Neke primjene uključuju piste, parkirne garaže, kolnike, obloge tunela, stabilnost padina, školjke, zidove, cijevi, poklopce šahtova, brane, hidrauličke strukture, vijadukte, ceste, mostove i podove skladišta.
Vlakna igraju ključnu ulogu u poboljšanju učinkovitosti i trajnosti betona. Bilo da se radi o čeličnim vlaknima, staklenim vlaknima, polipropilenskim vlaknima ili prirodnim vlaknima, svaka vrsta ima jedinstvene prednosti i prikladna je za različite građevinske potrebe. Ispravnim odabirom vrste i doze vlakana, inženjeri ne samo da mogu učinkovito poboljšati otpornost betona na pucanje, žilavost i dugoročnu-čvrstoću, već i značajno smanjiti naknadne troškove održavanja. Kako građevinska tehnologija napreduje, beton -ojačan vlaknima postaje ključno rješenje za stvaranje jačih, sigurnijih i održivijih struktura.
