Фибри за армиране и укрепване на бетон

Преди хиляди години, в древен Египет и Рим, се популяризира използването на влакна като средство за подобряване на качествата на строителните материали. Египтяните са използвали нишки от слама, за да повишат якостта и жилавостта на тухлите от глина и кал. Така, с употребата на различни влакна-фибри, се постига по-голяма здравина и дълготрайност на строителнните смеси. В днешното промишлено строителство армирането с фибри е изключително ефективен и лесно приложим метод навсякъде, където се работи с бетон и циментови разтвори.

Бетонът е най-често изпозваният строителен материал. Той се характеризира с качества като голяма якост на натиск, коравина, ниска електропроводимост и ниска токсичност. Позволява изпълняване на разнообразни форми, както в заводски условия, така и на строителния обект. Но две негови качества му пречат да бъде идеалния конструктивен материал. Това са неговата крехкост и малката му якост на опън при огъване. Традиционният начин за преодоляване на тези недостатъци е използването на стоманена армировка за поемане на опънните напрежения и увеличаване на пластичността. Но дори с прътова армировка бетонът не може да се предпази от образуване на пукнатини. Последните могат да са следствие на напрежения от външно натоварване, на вътрешните напрежения, породени от структурните преобразувания, които протичат в бетонната смес при превръщането й в твърд материал. Пукнатини в бетона могат да се появят от съсъхването при изпаряване на течната фаза. Опитно е установено, че при дисперсно армиране на бетона с фибри пукнатинообразуването се свежда до минимум. Съвременна тенденция е приложението на индустриалните бетонни настилки да се изпълняват като дисперсно-армирани с използване на фибри.

Основни компоненти на стоманобетона
Традиционният стоманобетон се състои от два материала – бетон, получен от свързването и втвърдяването на разтвор от цимент, пясък и трошен камък и армировка, направена от стоманени пръти. Така двата материала взаимно се допълват и стоманобетонната конструкция е едновременно устойчива на натиск и на опън. Ако единият от двата компонента загуби своите качества, цялата система започва да се руши.

Разпределителната стоманена армировка за поемане на напреженията от съсъхване е разположена линейно в едно или две направления. Съсъхването е процес, протичащ в целия обем на бетона. С армировъчните пръти се поемат само част от възникващите напрежения и в бетона се появяват пукнатини.

Предимства на фибро-армировката
Дисперсното армиране предствлява равномерно пространствено разпределение в целия обем на бетона на огромно количество влакна-фибри с различни дължини и форми. Този вид армиране има съществени предимства по отношение на традиционните средства за вторично армиране, като например заварените стоманени мрежи. Армировката с влакна е отличен заместител на класическата армираща стоманена мрежа. Фибрите не заменят носещата армировка-предвидена по проект. Те са 100% алтернатива на конструктивната армировка - заварената мрежа. Дисперсно армираната бетонна настилка с фибри придобива качества, които армираната със стоманена мрежа не притежава.

Замяната на конвенционалната стоманена армировка с дисперсното армиране с фибри осигурява по-голяма устойчивост срещу появяването на пукнатини при съсъхване на бетона. Причината е равномерното разпределение на влакната в целия обем на бетонния елемент. Фибрите облекчават работата на носещата армировка в зоната, където се получават опънни експлоатационни напрежения. Приносът на фибрите е очевиден в пластичния, до структурния и втвърден стадий на бетона, което означава по-висока дълготрайност и по-високо качество. Това се постига в определени случаи дори на по-ниска цена в сравнение с традиционните способи за армиране с метални мрежи. Заместването на армиращата стоманена мрежа с фибри поевтинява циментовите настилки и замазки от два до четири пъти. Дългогодишната практика многократно е доказала, че армираният по този начин бетон има значително по-високи експлоатационни характеристики от обикновения.

Така, с по-малкия брой и размер на пукнатините в бетона, значително се повишава неговата водонепропускливост, удароустойчивост, мразоустойчивост, пожароустойчивост, а също и устойчивостта му срещу раздробяване и изтриване. Бетоните армирани с фибри имат по-малки деформации от пълзене при дълготрайно постоянно натоварване. Всичко това гарантира една по-голяма дълготрайност на строителните конструкции, изпълнени от фибробетони.

Якостно-деформационни характеристики на фибробетона
Фибрите са леки, чисти и безопасни и удобни за работа, съвместими с всички видове цимент и добавъчни материали. Не изискват промяна в проектната рецептура на сместа. Фибрите са химически инертни, не взаимодействат с алкалната среда, в която се намират. Използването им заедно с познатите химически добавки е безпроблемно.

Наличието на фибри увеличава реалното вътрешно сцепление - кохезията в бетона. Леко намалява слягането на бетонната смес и подобрява нейната обработваемост.

Фибрите превръщат втвърдения бетон в една по-деформируема композитна ситема с еднакви характеристики по цялото сечение. Тя е способна да абсорбира енергия и да поема по-големи напрежения на опън, включително при знакопроменливо натоварване и след развитие на процеси на образуване на пукнатини. Армирането с фибри рязко повишава съпротивлението срещу крехко разрушаване, увеличава остатъчната якост след появата на първата пукнатина. Увеличава якостта на умора при дълготрайно натоварване и якостта на удар. Всичко това осигурява целостта на бетонната конструкция дори и при изчерпване на нейната способност да поема натоварване.

В днешно време за армиране на бетон се използват различни видове влакна. В тях се включват микро и макро влакна, като метални нишки, полипропиленови влакна, целулозни влакна, фибростъкло, базалт и др. Правилното определяне на подходящия вид влакно, което е необходимо за армирането на бетона, зависи от преследваната строителна цел.

Нормативни изисквания
Налични са два основни стандарта за армиране на бетона-EN 14889 и ASTM C 116-03. Американският стандарт ASTM C 116-03 описва армирането на бетоните и торкретирането с фибри, като определя три армитовъчни класове на бетона. Те са съответно армиране на бетон със стоманени влакна или торкретобетон, армиране на бетон със стъклено влакно или торкретобетон и армиране на бетон с полимерно влакно или торкретобетон.

Европейският стандарт EN 14889 "Влакна за бетон, част 2", определя полимерните влакна, като "полимерни материали, такива като полиолефини, например, полипропилен или полиетилен, полиестер, найлон, поливинилацетат, полиакрил, арамид, и смеси от тях". Този стандарт разделя полимерните влакна в две основни категории, в зависимост от техните физически форми, а именно на микровлакна-по-малки от 0,3mm в диаметър и с дължина по-малка от 24mm и макровлакна-по-големи от 0,3mm в диаметър.

Микрофибрите са предназначени за намаляване на пластичното свиване в пластичния стадий на бетона, за повишаване на удароустойчивостта, за намаляване на разслояването на сместта, за повишаване на пожароустойчивостта и пожарната безопасност. Микровлакната не са структурни и не могат да бъдат използвани за замяна на прътовата арматура, металната мрежа, или всякакви други работни метални елементи от конструкцията.

Типични представители на микрофибрите са фибростъкло, базалт и полипропилен. Фибростъклените и базалтовите влакна на се препоръчва да се използват в дребнозърнест пластичен бетон заради нестабилността на влакното, в фибростъклоцементи за тънкостенни конструкции под формата на фиксиран кофраж, в архитектурни украси, изпълнени с помощта на пневматични пистолети.

Структурните макрофибри може да се използват за замяна на прътовата арматура. Тази замяна трябва да се потвърди чрез изчисления или като допълнение към прътовата работна арматура. Използват се за намаляване на пукнатинообразуването, за осигуряване на остатъчната носимоспособност на бетона или торкретобетона, за увеличаване на якостта на опън при огъване, за поемане на работните натоварвания и придаване устойчивост на разрушаване.

Едновременното използване на различни видове фибри спомага за намаляване на броя, както на микро-, така и на макропукнатините, които могат да възникнат от различни фактори. Такива са неправилен състав на бетоновата смес, нарушение на времето и начина на приготвяне и полагане на бетонова смес. Микропукнатините, образувани при съсъхването на бетона и определени конкретни якостни натоварвания, водят до формиране на по-голяма пукнатина, която налага добавянето на макрофибри.

Освен това, хомогенността на разпределението на влакната в бетона допълнително увеличава неговата експлоатационна надеждност. Бетон, в който влакната са равномерно разпределени, е най-устойчив на действащите натоварвания. Комбинираното използване на фибри с различни дължини предотвратява процесите на пуктинообразуване, предизвикани от натоварване на опън и огъване.

Армирането на бетона с фибри създава висока устойчивост при ниски температури, агресивни въздействия. Тя се постига с използване на влакна от полиолефини, полипропилен, с преразпределение на напреженията в бетонната конструкция между неговите компоненти. На българския пазар най-масово са разпространени полипропиленовите и стоманените фибри.

Полипропиленови фибри
Полипропиленовите фибри се произвеждат от химически инертен полипропилен, който не реагира с компонентите и добавките на бетона. Същият не задържа протичането на хидратацията на цимента и се характеризира с много добра устойчивост в алкална среда. В зависимост от структурата си полипропиленовите фибри могат да бъдат моновлакнести или разклонено-влакнести, т.е. мрежести

Моновлакнестите фибри предотвратяват ефективно разслояването на бетонната смес и образуването на пукнатини от съсъхване в най-ранния възрастов стадий. След втвърдяването вероятността за изваждане на отделните нишки, следствие на работата им на опън, е голяма.

Моновлакната са технологични и ефективни за полагане на замазки върху всякакъв вид подово отопление и плаващи подови замазки. Подходящи са и за варо-циментови мазилки, като заменят стоманената или стъклената рабицова мрежа.

Разклонено-влакнестите фибри имат правоъгълно напречно сечение и са свързани по между си механично. Това осигурява по-доброто им закотвяне във втвърдения бетон. Те имат добро сцепление както с бетонната смес, така и с втвърдения бетон. Така се осигурява пълното използване на якостта на опън на нишките и успешното поемане на напреженията от температурни промени и структурни деформации през целия експлоатационен период. Затова армирания с разклонено-влакнести фибри бетон има по-висока остатъчна якост.

Друг показател, влияещ върху закотвянето, е дължината на влакната. Тя може да варира в границите 3-51mm. При употреба на по-дълги влакна трябва да се отчита възможността за неравномерно разпределение в обема на бетона и появата на проблеми при разбъркването на сместа.

Създадени са и специални смеси от фибри с различни дължини и структура-технологията „е3” на SI Concrete Systems. Например, такъв продукт е Novomesh e3-смес от стоманени и полипропиленови фибри. Така се осигурява още по-добро взаимодействие с добавъчните материали в бетонната смес на всички зърнометрични нива.

Влагането на полипропиленови влакна в бетонния разтвор намалява образуването на пукнатини до 100% и подобрява хомогенността на бетона. Специфичната плътност на полипропиленовите фибри е около 0,9g/cm3, якостта на опън около 0,5GРa. Модулът на еластичност е 5GРa.

Малкото им собствено тегло, в сравнение със стоманата, прави строителната конструкцията по-лека, без да се намалява носещата й способност. Това, в комбинация с по-големите възможности за поглъщане на енергия при динамично натоварване, прави полипропиленовите фибри незаменими при проектиране на конструкции в райони с повишена сеизмична опасност.

Армирането с полипропиленови фибри повишава устойчивостта на бетона срещу ударни, абразивни и динамични разрушаващи сили, увеличава неговата водонепропускливост и мразоустойчивост. Фибрите придават на армирания бетон "жилавост", което е уникално качество. Последното се прояввява като остатъчна якост и запазване на целостта на конструкцията дори и след поява на пукнатини. Предимство на полипропиленовите фибри е, че за разлика от стоманените мрежи, те не корозират.

Полипропиленовите фибри се използват при бетонни настилки върху земна основа, замазки, мазилки, торкрети, бетонни елементи, сухи смеси, леки бетони. Армирани бетони с полипропиленови фибри, намират приложение за изработване на бетонни тръби, керемиди, плочки, бордюри, решетки, пилотни фундаменти, стълбове, вълноломи, фасадни панели. Използват се също и като заместител на разпределителна армировка. При торкретиране се постига по-голяма плътност и се намаляват загубите на материал. Благодарение на добрите си качества при динамично и ударно натоварване, и разбира се на дълготрайността си, армирният бетон с полипропиленови влакна се прилага с успех и при възстановяването на износени асфалтови пътни настилки. От друга страна, изключителната простота при работа, относително ниската цена и ефективността на полипропиленовите фибри против съсъхване, ги правят предпочитани за армиране на цименто-пясъчни замазки. Полипропиленовите влакна се използват при тънките подови замазки и настилки. В последните повишеното съдържание на цимент е предпоставка за образуване на пукнатини от съсъхване.

Някои видове фибри са произведени по специална технология с вграждане на антимикробен агент и така осигуряват защита срещу микроби. Освен полипропиленови фибри, има и стоманени, които се използват в промишленото строителство.

Стоманени фибри
Стоманените фибри се получават чрез студено изтегляне на нисковъглеродна стомана. На строителния пазар те се предлагат в различни форми и размери, като праволинейни, вълнообразни, спираловидни и др. Най-разпростанените им дължини са от 35 до 50mm, с различни диаметри и дебелини. Целта на производителите на стоманени фибри е да се осигурява равномерно разпределение на отделните нишки в бетонната смес, без необходимостта от допълнителни писпособления за разбъркване.

Дисперсно армирания бетон със стоманени фибри притежава завишена якост на срязване и огъване. Затова той се явява добро строително решение за изпълнение на тежконатоварени индустриални подове. Якостта му на умора при циклично натоварване също е много по-голяма, в сравнение с обикновения бетон. Стоманените фибри, подобно на полипропиленовите фибри, осигуряват добра възможност за поглъщане на енергия и работа при наличие на немалки пластични деформации, т.е. дуктилност. А също така и устойчивост на динамични натоварвания.

Притежават специфична плътност около 7,8g/cm3. Якостта им на опън е между 1 и 3GPa, а модулът на еластичност е 200GPa. Тези техни характеристики определят в голяма степен практическото им приложение. Използат се за изпълнение на предварително напрегнати стоманобетонни елементи, на подове на производствени и обществени сгради, изложени на тежки условия и въздействия. В строителството на тунели и подземни пътища, за горен слой на пътни настилки, при изпълнението на летищни писти и мостове Възможно е и приложението им в етажни плочи на жилищни сгради за поемане на вътрешните напрежения, подобно на полипропиленовите фибри. Най-широко е приложението на стоманените фибри в силно натоварени строителни елементи, като фундаменти под машини, хидродинамични конструкции.

Предимства на полипропиленовите и стоманените фибри
Полипропиленовите и стоманените фибри са една препоръчителна съставна част на всяка бетонова смес. С тях се постига значително редуциране на появилите се пластични деформации от температурните промени, съсъхването и пълзенето. По този начин се ограничава, проникването на вода и соли в бетона, както и дълбочината на карбонизация. Намаляват се рисковете за корозия на циментовия камък и се гарантира дълъг експлоатацонен период на строителната конструкция.

Използването на синтетични фибри е свързано и със значителни икономии на разходи за складиране, инсталиране и транспорт. При производството и приложението им нивата на отделения в атмосферата въглероден диоксид са с 70% по ниски в сравнение с тези от производството на стоманените фибри.

Независими изпитвания, проведени в Австралия, показват, че напукани плочи от армиран със стоманени фибри бетон, тествани една година след като са изложени на въздействието на природните стихии, губят над 45% от способността си да поглъщат енергия, сравнено с измервания на 28-мия ден. Същите плочи, армирани със макросинтетични фибри изложени на същите условия и период от време, губят само 0.2% от експлоатационните си характеристики. Този фактор силно променя в положителна посока отношението на много строителни специалистити към приложенито на синтетичните фибри.

Технология на армирането с фибри
Необходимото количество фибри се добавя в готовата бетонна смес на бетоновия възел или на строителния обект. Препоръчителната дължина на фибрите не трябва да е по-голяма от максималния размер на пълнителя. Минималната дозировка зависи от преследваната за постигане строителна цел. Пет минути за разбъркване са достатъчни за пълното им смесване с бетоновата смес. Когато фибрите се добавят на строителния обект, те се изсипват в миксера на бетоновоза. Той също се върти с висока скорост около 5min при преди изливане или изпомпване на разтвора.

От гледна точка здравословните и безопасни условия на труд се препоръчва на работниците, добавящи фибрите в бетонната смес, да са снабдени с ръкавици и очила за адекватна защита на очите.