Beton wzmocniony włóknami

Koncepcja wykorzystania włókien jako zbrojenia nie jest nowa. Włókna były używane jako zbrojenie od czasów starożytnych. Historycznie, włosie końskie było używane w zaprawie murarskiej, a słoma w cegłach mułowych. W latach 1900, włókna azbestowe były używane w betonie. W latach 50-tych pojawiła się koncepcja materiałów kompozytowych, a jednym z tematów zainteresowania był beton zbrojony włóknami. Po odkryciu zagrożeń dla zdrowia związanych z azbestem, pojawiła się potrzeba znalezienia zamiennika dla tej substancji w betonie i innych materiałach budowlanych. Do lat 60. w betonie stosowano włókna stalowe, szklane (GFRC) i syntetyczne (takie jak polipropylen). Badania nad nowymi betonami wzmocnionymi włóknami trwają do dziś.

Włókna są zwykle stosowane w betonie do kontroli pękania z powodu skurczu plastycznego i skurczu suszenia. Zmniejszają one również przepuszczalność betonu, a tym samym zmniejszają krwawienie wody. Niektóre rodzaje włókien produkują większą odporność na uderzenia, ścieranie i odporność na wstrząsy w betonie. Większe włókna stalowe lub syntetyczne mogą w pewnych sytuacjach całkowicie zastąpić pręty zbrojeniowe lub stal. Beton zbrojony włóknami całkowicie zastąpił pręty w budownictwie podziemnym, np. w segmentach tuneli, gdzie prawie wszystkie okładziny tuneli są zbrojone włóknami zamiast prętami zbrojeniowymi. Rzeczywiście, niektóre włókna faktycznie zmniejszyć wytrzymałość betonu na ściskanie.

Ilość włókien dodanych do mieszanki betonowej jest wyrażona jako procent całkowitej objętości kompozytu (betonu i włókien), określany jako „frakcja objętości” (Vf). Vf zazwyczaj waha się od 0,1 do 3%. Współczynnik kształtu (l/d) oblicza się dzieląc długość włókna (l) przez jego średnicę (d). W przypadku włókien o przekroju innym niż okrągły, do obliczenia współczynnika kształtu stosuje się średnicę zastępczą. Jeżeli moduł sprężystości włókien jest wyższy od modułu sprężystości matrycy (spoiwa betonowego lub zaprawy), włókna pomagają przenieść obciążenie, zwiększając wytrzymałość materiału na rozciąganie. Zwiększenie współczynnika kształtu włókien zazwyczaj zwiększa wytrzymałość na zginanie i ciągliwość matrycy. Większa długość włókien zapewnia lepszą matrycę wewnątrz betonu, a mniejsza średnica zwiększa liczbę włókien. Aby zapewnić, że każde pasmo włókien jest efektywne, zaleca się stosowanie włókien dłuższych niż maksymalny rozmiar kruszywa. Normalny beton zawiera kruszywo o ekwiwalentnej średnicy 19 mm, co stanowi 35-45% betonu, włókna dłuższe niż 20 mm są bardziej efektywne. Jednakże, włókna, które są zbyt długie i nie są odpowiednio traktowane w czasie przetwarzania mają tendencję do „piłki” w mieszance i stworzyć problemy work-ability.

Włókna są dodawane do długoterminowej trwałości betonu. Szkło i poliester rozkładają się w alkalicznym stanie betonu i różnych dodatkach i obróbce powierzchni betonu.

Wyłożenia tunelu High Speed 1 zawierały beton zawierający 1 kg/m3 lub więcej włókien polipropylenowych o średnicy 18 & 32 μm, dając korzyści opisane poniżej. Dodanie włókien polipropylenowych o drobnej średnicy, nie tylko zapewnia wzmocnienie okładziny tunelu, ale także zapobiega „wykruszaniu się” i uszkodzeniu okładziny w przypadku pożaru w wyniku wypadku.