סיבים-בטון מזוין (FRC) מתייחס לחומר מרוכב המבוסס על-צמנט המורכב ממשחת מלט, טיט או בטון כמטריצה וסיבים כחיזוק. בטון מזוין סיבים-, הידוע גם בשם בטון סיבי, מתייחס בדרך כלל לחומר מרוכב על בסיס צמנט- המורכב ממשחת מלט, טיט או בטון כמטריצה וסיבים קצרים לא רציפים או סיבים ארוכים רציפים כחיזוק. סיבים יכולים לשלוט בהתפתחות נוספת של סדקים בבטון המטריצה, ובכך לשפר את עמידות הסדקים. חוזק המתיחה וההתארכות הגבוהים של סיבים מגבירים את חוזק המתיחה, הכיפוף והפגיעה, ההתארכות והקשיחות של הבטון. סוגים עיקריים של בטון סיבים כוללים אסבסט צמנט, בטון סיבי פלדה, בטון סיבי זכוכית, בטון סיבי פוליפרופילן, בטון סיבי פחמן, בטון סיבים צמחיים ובטון סיבים סינתטיים עם מודול אלסטי גבוה. זהו כינוי כללי לחומרים מרוכבים המורכבים מסיבים וחומרים מבוססי מלט (-משחת מלט, טיט או בטון). החסרונות העיקריים של משחת מלט, טיט ובטון הם חוזק מתיחה נמוך, התארכות סופית נמוכה ושבירות. ניתן להתגבר על חסרונות אלו על ידי הוספת סיבים בעלי חוזק מתיחה גבוה, התארכות אולטימטיבית גבוהה ועמידות טובה בפני אלקלי.
תפקיד הסיבים בבטון:
בטון רגיל הוא חומר שביר, שכבר מכיל סדקים רבים לפני הטעינה. תחת כוחות חיצוניים הולכים וגדלים, המיקרו-סדקים הללו מתרחבים בהדרגה ובסופו של דבר יוצרים סדקים מאקרו, מה שמוביל לכשל חומרי. הוספה של כמות מתאימה של סיבים מונעת ומעכבת את הצמיחה של סדקים מיקרוניים, ומשפרת משמעותית את חוזק המתיחה והכיפוף, כמו גם את אנרגיית השבר, של החומר המרוכב בהשוואה למטריצת הצמנט הלא מחוזקת. סוגים שונים של סיבים משפרים את אטימות הבטון, עמידות להפשרה-, עמידות לחדירת יוני כלוריד ועמידות הגז בדרגות שונות. בטון מזוין סיבים- משתמש בעיקר בסיבים קצרים בעלי יחס רוחב-גובה מסוים (היחס בין אורך הסיבים לקוטר). עם זאת, לעתים נעשה שימוש בסיבים ארוכים (כגון סיבי זכוכית וסרט סיבי פוליפרופילן) או מוצרי סיבים (כגון רשת סיבי זכוכית ומחצלת סיבי זכוכית). ניתן להגדיל את חוזק המתיחה האולטימטיבי ב-30-50%. התפקיד העיקרי של סיבים בבטון מזוין סיבים- הוא להגביל את הצמיחה של סדקים במטריצת הצמנט תחת כוחות חיצוניים. בשלב הראשוני של הטעינה (מתח וכיפוף), כאשר המרכיבים מתאימים ומוסיפים חומר צמצום-מתאים-מתאים- גבוה, בסיס המלט והסיבים נושאים יחד את הכוח החיצוני, כשהראשון הוא הנושא העיקרי של הכוח החיצוני; כאשר הבסיס נסדק, הסיבים על פני הסדקים הופכים לנושאים העיקריים של הכוח החיצוני. נניח שתכולת הנפח של הסיב עולה על ערך קריטי מסוים. במקרה כזה, החומר המרוכב כולו יכול להמשיך לעמוד בעומסים גבוהים יותר ולייצר עיוותים גדולים יותר עד שהסיבים נשברים או נשלפים מהחומר הבסיסי, והורסים את החומר המרוכב. בהשוואה לבטון רגיל, לבטון מזוין בסיבים יש חוזק מתיחה וחוזק כיפוף גבוה יותר, במיוחד השיפור בקשיחות.
סיווגים נפוצים של סיבים
ניתן לסווג סיבים על סמך תכונות החומר שלהם:
① סיבי מתכת, כגון סיבי פלדה (בטון מזוין סיבי פלדה) וסיבי נירוסטה (מתאימים לבטון עמיד בחום).
② סיבים אורגניים, בעיקר סיבים מינרליים טבעיים (כריזוטיל, קרוצידוליט, אמוזיט וכו') וסיבים מינרליים מעשה ידי אדם (סיבי זכוכית עמידים-אלקליים, סיבי פחמן כגון צמר מינרלי עמיד בפני אלקלי-.
③ סיבים אורגניים, בעיקר סיבים סינתטיים (פוליאתילן, פוליוויניל אלכוהול, ניילון, פוליאמיד ארומטי וכו') וסיבים צמחיים (סיסל, אגבה וכו'). אין להשתמש בבטון מזוין בסיבים סינתטיים בסביבות עם טמפרטורות העולה על 60 מעלות.
בהתבסס על מודול האלסטי שלהם, ניתן לחלק סיבים לשתי קטגוריות עיקריות:
סיבים בעלי מודול אלסטי הקטן מזה של מטריצת הצמנט מכונים סיבים גמישים, כולל סיבי פוליפרופילן, סיבי ניילון וסיבי תאית.
סיבים בעלי מודול אלסטי גדול מזה של המטריצה נקראים סיבים קשיחים, כגון סיבי פלדה, סיבי זכוכית וסיבי פחמן.
סיבי בטון נפוצים והמאפיינים שלהם
סיבי פלדה
בטון שנוסח על ידי שילוב כמות מתאימה של סיבי פלדה בבטון רגיל נקרא בטון סיבי פלדה או בטון מזוין סיבי פלדה. בהשוואה לבטון רגיל, חוזק המתיחה, חוזק הכפיפה, עמידות הבלאי, עמידות הפגיעה, העמידות בפני עייפות, קשיחותו, עמידות הסדקים ועמידות הפיצוץ שלו משופרים משמעותית. חוט פלדה בעל חוזק-חוזק גבוה-סיבים מסוג-קצה-סיבים, סיבים מסוג-ווק קצה-מטיל, סיבים מיוחדים בצורת-גזוז, וסיבים נמשכים-נמוכים-מסגסוגת של פלדה נמשכים זוכים לחיבור נרחב הודות ליישום המטריצה ההנדסי שלהם, ומונעים קשר נרחב בפרויקט ההנדסי. סדקים, חיזוק והתקשות בטון.
יתרונות וחסרונות
היתרון הטכני של סיבי פלדה הוא ביכולתם להגביר את הקשיחות וחוזק המתיחה של הבטון. עם זאת, סיבי הפלדה נוטים להתקבץ במהלך הערבוב, וכתוצאה מכך יכולת עבודה ירודה, שאיבה קשה, בנייה קשה ורגישות לחלודה. יתר על כן, בטון סיבי פלדה הוא כבד ודורש ייצור פלדה משמעותי, הגדלת צריכת הפלדה ועלויות. הצורה העיקרית של כשל בסיבי פלדה במהלך השימוש היא שליפה החוצה ולא נשברה, מה שמעיד על כך שההיצמדות של סיבי פלדה לבטון אינה מספקת, מה שישפיע על שיפור חוזק המתיחה של הבטון. העיקרון של התקשות וחיזוק הוא שכאשר נוצרים סדקים, המודולוס הגבוה של הפלדה וחוזק המתיחה הגבוה של סיב בודד מונעים מהסדקים להתפתח עוד יותר; עם זאת, בשל המספר המוגבל, ההשפעה של ריסון המיקרו-סדקים אינה משמעותית, והשיפור בתכונות נגד-חלחול, הקפאה-ומאפיינים אחרים אינו ברור. בנוסף, צפיפות סיבי הפלדה גבוהה מדי במהלך הבנייה, ולעיתים קרובות הם שוקעים לתחתית הבטון בזמן רטט ויציקה, מה שלא מאפשר לפזר אותם באופן שווה. זו הסיבה העיקרית לכך שמסקנות המחקר התיאורטיות טובות, אך השפעות היישום בפועל משתנות מאוד.
סיבי פחמן
סיבי פחמןהוא חומר מרוכב שבו סיבי פחמן מפוזרים באופן אחיד בתוך מטריצת צמנט כדי לשפר את התכונות הפיזיקליות והמכניות של הבטון. תכונות מפתח של בטון סיבי פחמן כוללות תכונות מכניות מצוינות, איטום ועמידות בפני תנודות טמפרטורה טבעיות, שאינן נמצאות בבטון מזוין קונבנציונלי. הוא גם מפגין תכונות כימיות יציבות, חוזק מכני- לאורך זמן ויציבות מימדית בסביבות בסיסיות מאוד.
החלפת פלדה בסיבי פחמן מבטלת את השפלה וההידרדרות של בטון מזוין הנגרמת על ידי מים מלוחים, הפחתת משקלם של רכיבי הבניין, מקלה על ההתקנה והבנייה ומקצרת את לוחות הזמנים של הבנייה. לסיבי פחמן יש גם תכונות שיכוך רטט-, סופגים גלי הלם ומגדילים את ההתנגדות הסיסמית וחוזק הכיפוף ביותר מפי עשרה. בטון סיבי פחמן מפגין חוזק מתיחה גבוה, חוזק כיפוף, עמידות בפני שברים ועמידות בפני קורוזיה. בשל מקדם ההתפשטות הנמוך שלו, בטון סיבי פחמן מפגין עמידות מצוינת בחום ועיוות תרמי מינימלי.
תפקידם העיקרי של סיבי פחמן בבטון סיבי פחמן הוא למנוע את התפשטותם של מיקרו-סדקים בתוך הבטון ולמנוע התרחשות והתפתחות של מקרו-סדקים. לכן, חוזק המתיחה וחוזק הגזירה, הכיפוף והפיתול שלו, שנשלטים בעיקר על ידי מתח המתיחה העיקרי, משתפרים באופן משמעותי; יחד עם זאת, יש לו התנגדות דפורמציה מטריצת גבוהה, ובכך משפר את המתיחה, הכיפוף והקשיחות שלו. כאשר חלק הנפח של סיבי הפחמן הוא 1.18%, חוזק המתיחה של הדגימה גדל ב-1.2%. על פי הכלל המרוכב, השפעת החיזוק של סיבי פחמן צריכה לגדול עם העלייה בתכולת הסיבים במלט. כאשר אחוז המשקל של סיבי פחמן נמוך מ-5%, הקשר הזה הוא כמעט ליניארי. כאשר התוכן גדל עוד יותר, קשה לפזר את סיבי הפחמן באופן שווה במטריצה, ולא ניתן להשיג את אפקט החיזוק, ואפילו חוזק המתיחה של בטון סיבי פחמן מופחת. בנוסף, לבטון סיבי פחמן יש גם עמידות טובה בפני קורוזיה, עמידות בפני חדירות, עמידות בפני שחיקה, עמידות בפני התכווצות ועמידות.
סִיבֵי זְכוּכִית
בטון מזוין סיבי זכוכית (GFRC) הוא חומר מרוכב המיוצר על ידי הפצה אחידה של סיבי זכוכית עמידים-אלקליים עם מודול אלסטי גבוה בכל טיט צמנט או בטון רגיל. מכיוון שהקוטר של סיבי זכוכית הוא רק 5 עד 20 מיקרומטר, כמעט זהה לחלקיקי מלט, הקושר המשמש ב-GFRC הוא משחת צמנט או חול דק, כמעט ללא אגרגט גס. לכן, חומרים מרוכבים המיוצרים מחומר זה ידועים גם בשם מלט מחוזק. GFRC היא מגמת פיתוח עתידי בהנדסת בנייה. זה לא רק מתגבר על החסרונות של מוצרי בטון קונבנציונליים, כגון משקל כבד, חוזק מתיחה נמוך ועמידות ירודה בפני פגיעות, אלא גם בעל תכונות שאינן נמצאות בבטון קונבנציונלי. מוצרי GFRC דקים וקלים יותר. מכיוון שהם משתמשים בסיבי זכוכית עם חוזק מתיחה גבוה במיוחד כחיזוק, יש להם חוזק מתיחה גבוה. הפיזור האחיד של סיבי הזכוכית בבטון מונע סדקים של פני השטח. מכיוון שהם סופגים אנרגיה משמעותית במהלך הנזק, הם מציגים עמידות מעולה בפני פגיעה וחוזק כיפוף גבוה. מוצרי GFRC מציעים גם תכונות פירוק מעולות וקלים לעיבוד, מה שהופך אותם להתאמה בקלות לצורות שונות.
בטון סיבי פוליפרופילן
בטון סיבי פוליפרופילן הוא חומר מרוכב המיוצר על ידי פיזור שווה של סיבי פוליפרופילן חתוכים לאורך מסוים בתוך טיט צמנט או מטריצת בטון רגילה כדי לשפר את התכונות הפיזיקליות והמכניות של המטריצה. בטון מזוין סיבים-מציע יתרונות כגון קל משקל, חוזק מתיחה גבוה ועמידות בפני פגיעות וסדקים. סיבי פוליפרופילן יכולים גם להחליף חלקית חיזוק פלדה כדי להפחית את משקל הבטון, ובכך להגביר את ההתנגדות הסיסמית של המבנה.
בטון סיבי פוליפרופילן הוא הבטון הנחקר והמיושם ביותר. בהתאם לצורת הסיבים ולמבנה, ניתן לסווג סיבי פוליפרופילן כמונופילמנטים, צרורות סיבים פרפוריים מקבילים וסיבי סרט. למונופילמנטים יש יחס רוחב-גובה גבוה, בעוד שניתן לפזר בקלות צרורות סיבים מתפוררים בתוך מטריצת המלט. בעוד שהקשר הכימי מוגבל, ההתקשרות המכנית היא חזקה, ומונעת מהסיבים להיגרר החוצה תחת לחץ.
בעוד שלסיבי פוליפרופילן יש חוזק מתיחה גבוה יותר מבטון רגיל, מודול האלסטי שלהם נמוך יחסית, מה שהופך אותם לנטייה לעיוות קיצוני בתנאי לחץ גבוהים. עם זאת, כאשר מוסיפים כמות מתאימה של סיבי פוליפרופילן, עמידות הפגיעה של חומר מרוכב זה גדולה בהרבה מזו של בטון רגיל. זה מצא דרך מבטיחה מאוד לייצר רכיבים עם עומסים נמוכים אך עמידות גבוהה וקשיחות. בנוסף, סיבי פוליפרופילן עמידים בפני חלודה-ובעלי עמידות טובה לחומצות ולאלקליות.
סיבי בזלת
סיב בזלת רציף (CBF) הוא חומר סיבים אנאורגניים העשוי מסלע וולקני טבעי טהור. הוא נמשך במהירות לאחר שנמס בטמפרטורה גבוהה של 1450-1500 מעלות. יש לו מראה חום זהוב, ביצועים מקיפים מצוינים ומחיר נמוך.
מאפיינים של סיבי בזלת:
(1) טבעיות של חומרי גלם. מאחר וחומרי הגלם לייצור CBF תלויים בסלע וולקני טבעי, בנוסף ליציבות הכימית והתרמית הגבוהה הטבועה בו, הוא אינו מכיל רכיבים המזיקים לבריאות האדם.
(2) ביצועים מקיפים. סיבי בזלת הם באמת סיב "רב-תפקודי". לדוגמה, הוא עמיד לחומצה-, עמיד בפני-אלקלי, עמיד ל-טמפרטורות-נמוכות, עמיד ל-טמפרטורות-גבוהות, מבודד בחום-, מבודד חשמלי ובידוד רעש-. חוזק המתיחה שלו עולה על זה של סיבי פחמן גרור- גדולים, וההתארכות שלו בשבירה טובה יותר מזו של סיבי פחמן-קטנים. ל-CBF יש משטח קוטבי ויכולת הרטבה מצוינת של המשטחים בשילוב עם שרף. ל-CBF יש גם מימדים מולקולריים תלת-ממדיים-, שבהשוואה לסיבים פולימריים ליניאריים בעלי ממדים מולקולריים חד-ממדיים, יש חוזק לחיצה, חוזק גזירה ויכולת הסתגלות גבוהה יותר לסביבות קשות ועמידות להזדקנות, בין היתר, תכונות מקיפות מצוינות.
(3) עלות נמוכה. המחיר של סיבי בזלת המשמשים בבטון צמנט אינו גבוה, נמוך משמעותית מזה של סיבי פלדה, סיבי פחמן וכדומה, וניתן להשוות לסיבים סינתטיים.
(4) תאימות טבעית. סיבי בזלת הם סיב סיליקט טיפוסי. קל להתפזר כאשר מערבבים אותו עם מלט, בטון וטיט. לבטון סיבי בזלת מעורבב טרי יש נפח יציב, יכולת עבודה טובה ועמידות טובה. יש לו עמידות מצוינת ב-טמפרטורות, עמידות בפני-חלחול וסדקים, ועמידות בפני פגיעות. בנוסף, סיבי בזלת עמידים יותר ל-אלקלי מזכוכית עמידה ל-אלקלי.
יישומים של סיבים-בטון מזוין
בטון מזוין סיבים-משמש במגוון יישומים, בהתאם ליכולתם של הקונסטרוקטור והבנאי לנצל את התכונות הסטטיות והדינמיות של החומר. יישומים מסוימים כוללים מסלולים, חניונים, מדרכות, ציפיות מנהרות, יציבות שיפועים, פגזים, קירות, צינורות, מכסי ביוב, סכרים, מבנים הידראוליים, ויאדוקטים, כבישים, גשרים ורצפות מחסנים.
לסיבים יש תפקיד חיוני בשיפור הביצועים והעמידות של הבטון. בין אם מדובר בסיבי פלדה, סיבי זכוכית, סיבי פוליפרופילן או סיבים טבעיים, לכל סוג יתרונות ייחודיים והוא מתאים לצרכי בנייה שונים. על ידי בחירה נכונה של סוג ומינון הסיבים, מהנדסים יכולים לא רק לשפר ביעילות את עמידות הסדקים, הקשיחות והחוזק של הבטון-לטווח ארוך, אלא גם להפחית משמעותית את עלויות התחזוקה הבאות. ככל שטכנולוגיית הבנייה ממשיכה להתקדם, בטון מזוין סיבים- הופך לפתרון מפתח ליצירת מבנים חזקים, בטוחים וברי קיימא יותר.
