G.nther Ruffert – Tłumaczył Roman Benedykciuk

Beton z dodatkiem włókien stalowych to beton, do którego dodane są włókna stalowe w celu uzyskania określonych własności. Dodane włókna powodują zmianę własności, zarówno świeżego betonu, jak i betonu stwardniałego. W przypadku świeżego betonu osiągane jest w ten sposób istotne zmniejszenie rozpływu, co powoduje utrudnienie pompowania i zagęszczania. W przypadku stwardniałego betonu, jednolity rozkład włókien w trzech kierunkach, w formie betonowej powoduje, iż przejmowane są różne naprężenia: od naprężenia rozciągającego do złożonych naprężeń ścinających, wraz ze wszystkimi fazami przejściowymi, jakie wynikają z położenia włókien w stosunku do kierunku działania naprężenia. Współdziałanie włókien w procesie przejmowania od betonu różnych działających sił (naprężeń) wymaga dostatecznego stopnia przyczepności włókien do betonu. Wytrzymałość na rozciąganie włókien jest bardzo wysoka w stosunku do takiej wytrzymałości betonu. W zasadzie wszelkie “niepowodzenia” nigdy nie są spowodowane pęknięciem włókien lecz niewystarczającą ich przyczepnością do betonu.

Możliwości w zakresie przejmowania obciążeń przez włókna zależne są od:

  • właściwej ilości włókien (proporcja – ilość stali do ilości betonu),
  • stosunku powierzchni styku do przekroju włókna stalowego.

    Z praktyki wynika, iż ilość dodawanych włókien stalowych powinna stanowić ok. 2 do 8% masy (ciężaru) betonu. W przypadku niedużych ilości dodawanych włókien stalowych nie jest jeszcze możliwe stwierdzenie istotnego wpływu na własności betonu stwardniałego. Jeżeli natomiast do świeżego betonu zostanie dodana większa ilość włókien, to jego obróbka (pompowanie i zagęszczanie) staje się praktycznie niemożliwa.

    Jako dodatek stosowane są bardzo drobne włókna średnicy 0,2 do 1,0 mm lub też cienkie opiłki stalowe. Wymiary i kształt geometryczny włókien mają wpływ zarówno na wytwarzanie świeżego betonu, jak też na właściwości betonu stwardniałego. Włókna o większej powierzchni są szczególnie korzystne. Powierzchnia włókien ma wpływ głównie na wytrzymałość i plastyczność przed wystąpieniem pierwszej rysy (stan I). Z drugiej strony specjalny kształt włókien poprawia ich połączenie z betonem i tym samym korzystnie wpływa na plastyczność po pojawieniu się rys.

    Włókna stalowe nadają betonowi własności, które można najlepiej określić jako “twardy i oporny”. Z punktu widzenia praktyki budowlanej oznacza to właściwości materiału powodujące, iż po pojawieniu się pierwszej rysy dochodzi do dalszych odkształceń. Pojęcie “twardy i oporny” opisuje zatem raczej zachowanie betonu po pojawieniu się rys, kiedy znajduje się on w stanie II. Sam beton wprawdzie ma dużą wytrzymałość na ściskanie, ale także i większą wytrzymałość na rozciąganie; pęka po prostu po przekroczeniu granicy wytrzymałości na rozciąganie, ponieważ naprężenia nie mogą być przenoszone przez rysę. Natomiast włókna stalowe są w stanie przenosić siły rozciągające także ponad rysą i tym samym dzielą siły występujące po pojawieniu się rysy na cały przekrój elementu.

    Ze względu na wysoką wewnętrzną spójność betonu z włóknami stalowymi, muszą najpierw wystąpić duże odkształcenia plastyczne, zanim dojdzie do pęknięcia. Ma to szczególne znaczenie przy budowie tuneli, dzięki temu bowiem mogą być przejmowane odkształcenia powstające w masywie górotworu, a skutki przeciążenia, jakie oddziałują na materiał budowlany widoczne są na długo przed pęknięciem dzięki powoli powiększającej się rysie.

    Właściwości betonu z dodatkiem włókien stalowych występujące po powstaniu rys w betonie określane są często jako “energia zmagazynowana”. Ogólnie rozumie się przez to zdolność danego ciała do przekształcania sił odziałujących z zewnątrz na wewnętrzną energię. Owa energia zmagazynowana, zależna od ilości włókien stalowych i zdolności ich wiązania z betonem, może ulec istotnemu zwiększeniu (10 do 20 razy) w porównaniu z “energią zmagazynowaną” betonu bez włókien stalowych.



    Ponieważ zależności znane w przypadku normalnego betonu, jakie zachodzą pomiędzy wytrzymałością na ściskanie, rozciąganie przy zginaniu i ścinanie nie znajdują w ogóle zastosowania w odniesieniu do betonu z dodatkiem włókien stalowych. Przed zastosowaniem tego typu betonu konieczne jest przeprowadzenie prób, w celu określenia jego istotnych właściwości. Należy przy tym pamiętać, iż określone w ten sposób parametry betonu z dodatkiem włókien stalowych w większym stopniu aniżeli ma to miejsce w przypadku normalnego betonu, zależne są od kolejności dokonywanych prób.

    W odniesieniu do wytwarzania, stosowania i kontrolowania zachowania betonu z włóknami stalowymi, obowiązują zasadniczo warunki, takie jakie musi spełniać beton klasy B II. Wyjątki od tej reguły należy ustalać w sposób szczególny, lub są one podane w normach, wytycznych i przepisach.

    Kontrolowanie jakości odbywa się w oparciu o podstawowe normy dotyczące betonu.

    Wskazówki praktyczne
    Dodawanie włókien stalowych do betonu przynosi korzyści techniczne we wszystkich tych przypadkach, kiedy po powstaniu rys w betonie można jednak jeszcze praktycznie wykorzystać istniejącą “energię zmagazynowaną”.

    Głównym obszarem zastosowań jest tu budowa tuneli oraz prace związane z drążeniem w skale. Dodanie włókien stalowych umożliwia dokładne dopasowanie betonu zabezpieczającego do nierówności fragmentu skały i tym samym pozwala zaoszczędzić środki wzmacniające beton.

    Innym obszarem zastosowań betonu z dodatkiem włókien stalowych jest ochrona przeciwpożarowa. Dodanie włókien stalowych do betonu korzystnie wpływa na odkształcenia betonu powstające w wyniku działania wysokiej temperatury, a przede wszystkim zapobiega pękaniu betonowej powłoki położonej w celu ochrony konstrukcji stalowej. Jako materiał stosowany jest w tym przypadku przede wszystkim beton natryskowy z dodatkiem włókien stalowych.

    Jeszcze innym ważnym obszarem zastosowań jest wytwarzanie posadzek w obiektach przemysłowych, odpornych na pękanie i ścieranie. W tym zakresie od 1991 roku istnieją już odpowiednie doświadczenia i przepisy. Dodanie jednolitych i rozłożonych we wszystkich kierunkach w stosunku do powierzchni betonu włókien stalowych pozwala w sposób istotny zwiększyć odporność posadzki na uderzenia i ścieranie. Odpada zatem konieczność wykonywania niezbrojonej warstwy wierzchniej szczególnie narażonej na uderzenia, wykonywanej zwykle w przypadku stosowania normalnie zbrojonej posadzki.

    Zbrojenie, na które składają się jedynie włókna stalowe, nie jest jednak rozwiązaniem sensownym, już choćby ze względów ekonomicznych w odniesieniu do elementów budowlanych poddawanych oddziaływaniu sił roziągających lub zginających. Ukierunkowane naprężenia rozciągające, lepiej przejmowane są przez stal zbrojeniową, która umieszczana jest specjalnie w obszarach materiału budowlanego poddawanych rozciąganiu. Stąd też w przypadku betonu z dodatkiem włókien stalowych, ze względu na dość przypadkowe rozmieszczenie włókien w materiale budowlanym, jedynie część rozmieszczonej stali będzie w stanie przejąć naprężenia rozciągające.

    W odniesieniu do zastosowań betonu z dodatkiem włókien stalowych w konstrukcjach istnieją jeszcze pewne ograniczenia, albowiem brak jest ogólnie uznanych metod badań oraz ogólnych zasad dopuszczania tego nowego materiału budowlanego do zastosowania. Stąd też obecnie jego zastosowanie ogranicza się do tych elementów budowlanych, dla których istnieją pojedyncze dopuszczenia, jak np. garaże z gotowych elementów lub zadania ograniczone w czasie, jak np. zabezpieczający beton natryskowy stosowany przy budowie tuneli.

    W celu ułatwienia popularyzacji stosowania betonu z dodatkiem włókien stalowych Niemiecki Związek Producentów Betonu wydał w 1992 r. dwie instrukcje:

  • Technologia betonu z dodatkiem włókien stalowych oraz beton natryskowy z dodatkiem włókien stalowych,
  • Podstawy dokonywania badań i pomiarów elementów betonowych z dodatkiem włókien stalowych przy budowie tuneli.

    Literatura
    MŁODECKI J.: Domieszki do betonu. COIB, Warszawa 1997.
    HAHLHEGE, MAIDL: Stahlfaserspritzbeton im Tunnelbau (Beton natryskowy z dodatkiem włókien stalowych w budowie tuneli). Beton 2/88.
    RUFFERT G.: Stahlfaserbeton, Bautenschutz und Bausanierung (Beton z dodatkiem włokien stalowych; Ochrona i renowacja budynków), 4/5 95.
    PN-85/B-23010. Domieszki do betonu. Klasyfikacja i określenia.
    PN-90/B-06240. Domieszki do betonu. Metody badań efektów oddziaływania domieszek na beton.
    PN-90/B-06244. Domieszki do betonu. Domieszki kompleksowe. Wymagania i badania.
    PN-88/B-06250. Wytrzymałośc betonu na ściskanie.
    PN-63/B-06251. Badania i odbiór robót betonowych.
    Domieszki do zapraw cementowych. Aprobata techniczna nr AT-15-2998/98 Instytutu Techniki Budowlanej. Katalog 1999, Warszawa.
    Włókno stalowe. Aprobaty techniczne nr 2095/95-K, 2117/95-Z Instytutu Techniki Budowlanej. Katalog 1998, Warszawa.