Vlakna za beton čine osnovnu komponentu betona armiranog (ojačanog) vlaknima. Beton armiran (ojačan) vlaknima (FRC – Fiber Reinforced Concrete) je beton ojačan diskretnim kratkim vlaknima i kao takav naziva se kompozitnim materijalom. Vlakna za beton se razlikuju po obliku, dužini i materijalu. Iako se vlakna dodaju betonu poput aditiva, vlakna su definisana kao armatura (pogledajte ACI CT-18 – Terminologija betona) jer drže beton zajedno premošćavajući pukotine. U ovom tekstu istražujemo vrste vlakana, njihove prednosti i specifične primjene, s posebnim fokusom na makro sintetička i čelična vlakna kao najčešće tipove u primjeni.
Vrste vlakana za armiranje betona
Celulozna vlakna – Proizvedena od obrađene drvne pulpe, celulozna vlakna za beton koriste se na sličan način kao mikro-sintetička vlakna za kontrolu i smanjenje plastičnih pukotina uslijed skupljanja betona.
Staklena vlakna – Beton ojačan staklenim vlaknima (GFRC) uglavnom se koristi u arhitektonskim primjenama i za modifikovane cementne panele.
Makro sintetička vlakna – Ova novija klasa vlakana za beton pojavila se u posljednjih nekoliko decenija sa najznačajnijim napretkom u posljednjem desetljeću kao odgovarajuća alternativa čeličnim vlaknima, kada se pravilno dozira. Uobičajeni materijali uključuju polipropilen i druge polimerne mješavine sa sličnim fizičkim karakteristikama kao čelična vlakna. Doziranje može varirati od 1,8 do 12 kg/m³.
Mikro sintetička vlakna – Ova vlakna se uglavnom koriste za zaštitu betona i smanjenje plastičnih pukotina uslijed skupljanja betona. Mikro-sintetička vlakna za beton se obično doziraju u malim količinama, od 0,03 do 0,2% volumena betona, što odgovara od 0,3 do 0,9 kg/m³.
Prirodna vlakna – Prirodna vlakna se koriste za ojačavanje proizvoda na bazi cementa u nekonvencionalnim primjenama širom svijeta. Obuhvataju materijale kao što su kokos, sisal, juta i šećerna trska, a dostupna su u različitim dužinama, geometrijama i karakteristikama.
Čelična vlakna – Obično su pojedinačna ili grupisana, izrađena od ugljičnog ili nehrđajućeg čelika i oblikovana u različite geometrije, poput talasastih, sa kukama na krajevima ili drugih mehaničkih deformacija za bolje sidrenje u betonu. Prema klasifikaciji ACI 544, čelična vlakna se dijele na Tipove I do V. Njihove dužine obično variraju od 30 do 80 mm, a doziranje se kreće od 6 do 67 kg/m³.
Vlakna za beton prema EN 14889:2006
Vlakna za beton definisana su prema europskoj normi EN 14889:2006 kao i prema američkom ASTM-u. U europskoj normi EN 14889:2006 (Dio 1 i 2), vlakna su svrstana u AVCP sisteme 1 i 3, odnosno za strukturalnu upotrebu u betonu i za ostale nestrukturalne primjene u betonu.
Sistem 1 AVCP (makro vlakna >0,3mm u prečniku) odnosi se na strukturalna vlakna, gdje proizvođač mora angažovati ovlašteno tijelo za procjenu performansi inicijalnog ispitivanja tipa, kontrole proizvodnje u fabrici i stalnog nadzora nad procesom. Primarna namjena je za strukturalnu upotrebu u betonu i malteru.
Sistem 3 AVCP (mikro vlakna <0,3mm u prečniku) se odnosi na nestrukturalna vlakna, gdje imenovano tijelo vrši procjenu performansi inicijalnog ispitivanja tipa, dok je odgovornost za fabričku kontrolu proizvodnje i stalnu ocjenu na samom proizvođaču. Primarna namjena je za druge upotrebe u betonu i malteru.
Strukturalno vlakno je termin koji se koristi za makro vlakna koja pružaju betonu preostalu čvrstoću na savijanje nakon pucanja i žilavost na savijanje. Dodatne informacije o tome šta čini strukturalno vlakno za armiranje betona mogu se naći u EN 14889:2006, dio 1 i 2.
EN 14889-1 Čelična vlakna Definicije, specifikacije i usklađenost.
EN 14889-2 Polimerna vlakna Definicije, specifikacije i usklađenost.
Kako vlakna za beton ojačavaju (armiraju) beton
Vlakna mogu ojačati beton tako što se vezuju za cement na sličan način na koji to radi agregat, na taj način omogućavaju prijenos napona preko pukotina. Oblik i geometrija vlakana utiču na spajanje. Kada FRC beton pukne, vlakna se izvlače. Ovaj proces troši energiju i daje žilavost materijalu koji beton inače nema.
Vlakna za beton pružaju rezidualnu čvrstoću betonu nakon pucanja za razliku od običnog nearmiranog betona. Jednostavno rečeno, rezidualna (preostala) čvrstoća nakon pucanja je mjera sposobnosti armaturnih vlakana da apsorbuju energiju držeći napukli beton zajedno.
Žilavost prema ASTM C-1018, mjera je sposobnosti betona armiranog vlaknima da izdrži opterećenje nakon prve pukotine. Ovo se ponekad naziva i duktilnošću. Dodatno, ASTM C- 1116 navodi da je žilavost postignuta u bilo kojoj mješavini prvenstveno funkcija vrste, dužine i količine upotrijebljenih vlakana. Obični beton nema žilavost. Žilavost betona armiranog vlaknima može se izmjeriti pomoću ispitivanja greda ili ploča.
Ključni elementi koji određuju rezidualnu (preostalu) čvrstoću nakon pucanja vlakna su materijal od kojeg je proizvedeno vlakno, fizička konfiguracija koja utječe na vezu vlakna s betonom i doza vlakana koja se koriste. Ovo se obično opisuje u kilogramima po kubnom metru (kg/m3) potrebnim za postizanje rezidualne čvrstoće od 1,5 N/mm2 pri CMOD=0,5 mm i 1,0 N/mm2 pri CMOD=3,5 mm. Čelična vlakna za beton postižu zahtijevanu rezidualnu čvrstoću sa doziranjem od 25-30 kg/m3 u zavisnosti od proizvođača dok makro sintetička vlakna za beton to postižu sa 3-6 kg/m3 zbog značajno većeg broja vlakana u 1 kg. Kvalitetna betonska vlakna pružaju odličnu preostalu čvrstoću ili žilavost nakon pucanja.
Primjena vlakana u betonu
Vlakna u betonu danas nalaze široku primjenu u različitim građevinskim sektorima zahvaljujući svojoj sposobnosti da povećaju čvrstoću, žilavost i trajnost betona pri tome smanjujući troškove izvođenja i skraćivanjem vremena izgradnje. Vlakna se koriste u prskanom betonu za stabilizaciju podzemnih prostora u tunelogradnji i rudarstvu te za zaštitu kosina. Za industrijske podove, vlakna omogućavaju otpornost na velika opterećenja i smanjenje pukotina, dok se u prefabrikovanim elementima koriste za povećanje trajnosti, smanjenje težine elemenata i smanjenje deformacija. Također, vlakna postaju ključna u izgradnji betonskih kolnika te željezničkih i tramvajskih pruga, gdje doprinose otpornosti na habanje i dugotrajnoj stabilnosti ovih kritičnih infrastrukturalnih objekata.
Iako su čelična vlakna i čelične mreže korišteni u posljednjim godinama, makro sintetička vlakna nude značajne prednosti u odnosu na čelik, prije svega jer nisu podložna koroziji. Mnoge betonske konstrukcije pucaju nakon izgradnje, budući da je beton krhak materijal. Pukotine omogućavaju prodor vlage do armature, što može uzrokovati koroziju i smanjenje trajnosti konstrukcije. Kako se makro sintetička vlakna izrađuju od polipropilena, ovaj problem je u potpunosti eliminisan, čime se značajno produžava vijek trajanja konstrukcije i smanjuju dugoročni troškovi održavanja.
Ostale prednosti makro sintetičkih vlakana uključuju lakšu i bržu ugradnju uz iste performanse kao čelična vlakna, te mogućnost da se vlakna unaprijed izmiješaju s betonom, eliminirajući potrebu za dodatnom obradom na gradilištu.
Saznajte više u sljedećem tekstu: „Sve što trebate znati o vlaknima za beton – II dio Makro sintetička vlakna“.