Kuituvahvisteinen betoni

Käsite kuitujen käyttämisestä raudoituksena ei ole uusi. Kuituja on käytetty raudoituksena jo antiikin ajoista lähtien. Historiallisesti hevosen hiuksia käytettiin laastissa ja olkia savitiilissä. 1900-luvulla betonissa käytettiin asbestikuituja. 1950-luvulla syntyi käsite komposiittimateriaalit, ja kuituvahvisteinen betoni oli yksi kiinnostuksen aiheista. Kun asbestiin liittyvät terveysriskit havaittiin, betonissa ja muissa rakennusmateriaaleissa käytetylle aineelle oli löydettävä korvaava aine. 1960-luvulle tultaessa betonissa käytettiin teräs-, lasi- (GFRC) ja synteettisiä kuituja (kuten polypropeenia). Uusien kuituvahvisteisten betonien tutkimus jatkuu nykyäänkin.

Kuituja käytetään betonissa yleensä hallitsemaan plastisesta kutistumisesta ja kuivumiskutistumisesta johtuvaa halkeilua. Ne myös vähentävät betonin läpäisevyyttä ja siten vähentävät veden vuotamista. Jotkin kuitutyypit lisäävät betonin iskunkestävyyttä, kulutuskestävyyttä ja pirstoutumiskestävyyttä. Suuremmat teräs- tai synteettiset kuidut voivat korvata raudoituksen tai teräksen kokonaan tietyissä tilanteissa. Kuitubetoni on lähes kokonaan korvannut tangon maanalaisessa rakennusteollisuudessa, kuten tunneleissa, joissa lähes kaikki tunnelien vuoraukset ovat kuituvahvistettuja raudoitustangon sijasta. Jotkin kuidut itse asiassa vähentävät betonin puristuslujuutta.

Betoniseokseen lisättyjen kuitujen määrä ilmaistaan prosenttiosuutena komposiitin (betoni ja kuidut) kokonaistilavuudesta, jota kutsutaan ”tilavuusosuudeksi” (Vf). Vf on tyypillisesti 0,1-3 %. Kuitusuhde (l/d) lasketaan jakamalla kuidun pituus (l) sen halkaisijalla (d). Kuidut, joiden poikkileikkaus ei ole pyöreä, käyttävät vastaavaa halkaisijaa sivusuhteen laskemiseen. Jos kuidun kimmomoduuli on suurempi kuin matriisin (betonin tai laastin sideaineen), kuitu auttaa kantamaan kuormaa lisäämällä materiaalin vetolujuutta. Kuitujen kuvasuhteen kasvattaminen parantaa yleensä matriisin taivutuslujuutta ja sitkeyttä. Pitempi pituus johtaa parempaan matriisiin betonin sisällä ja hienompi halkaisija lisää kuitujen lukumäärää. Sen varmistamiseksi, että jokainen kuitusäie on tehokas, on suositeltavaa käyttää kuituja, jotka ovat pidempiä kuin kiviaineksen enimmäiskoko. Tavallinen betoni sisältää 19 mm:n halkaisijaltaan vastaavaa kiviainesta, joka on 35-45 % betonista, ja yli 20 mm:n pituiset kuidut ovat tehokkaampia. Liian pitkät kuidut, joita ei ole käsitelty kunnolla prosessoinnin yhteydessä, pyrkivät kuitenkin ”palloilemaan” seoksessa ja aiheuttavat työstettävyysongelmia.

Kuituja lisätään betonin pitkäaikaisen kestävyyden vuoksi. Lasi ja polyesteri hajoavat betonin emäksisessä tilassa ja erilaisissa lisäaineissa sekä betonin pintakäsittelyssä.

High Speed 1 -tunnelin vuorauksissa käytettiin betonia, joka sisälsi vähintään 1 kg/m3 polypropeenikuituja, joiden halkaisija oli 18 & 32 μm, mikä antoi alla mainitut edut. Halkaisijaltaan hienojen polypropeenikuitujen lisääminen ei ainoastaan vahvista tunnelin vuorausta, vaan myös ehkäisee ”lohkeilua” ja vuorauksen vaurioitumista onnettomuuden aiheuttamassa tulipalossa.