Beton zbrojony włóknami stalowymi należy do grupy betonów specjalnych. Zbrojenie zwiększa wytrzymałość, ale przede wszystkim opóźnia proces pękania elementów konstrukcji dzięki przenoszeniu obciążeń przez włókna usytuowane zazwyczaj w sposób losowy. Analiza rozkładu włókien w objętości betonu jest ważnym narzędziem badawczym tego typu materiałów. Naukowcy z Instytutu Fraunhofera opracowali metodę zdecydowanie przyspieszającą czynności analityczne.
Beton jest jednym z najlepiej znanych nam materiałów budowlanych. Ludzkość stosuje go od bardzo dawna w różnego rodzaju konstrukcjach takich jak: mosty, ściany, tunele czy też budynki. Najczęściej przechodząc obok terenu budowy, mamy okazję zaobserwować beton w formie żelazobetonu często nazywanego niepoprawnie żelbetonem. W przypadku żelazobetonu stosowanego na konstrukcje, możliwe jest zakupienie gotowych elementów, lub zatrudnienie zbrojarza który wykona gęstą siatkę zbrojenia z drutu żebrowanego, a następnie zaleje ją betonem. Proces ten jest jednak czasochłonny ze względu na układanie zbrojenia oraz łączenie poszczególnych prętów. Znacznie szybszą alternatywą jest beton zbrojony włóknami stalowymi o rozmiarach igieł sosnowych, który po prostu miesza się z betonem. Gdy beton zwiąże, stalowe włókna działają w podobny sposób jak zbrojenie wykonane w sposób tradycyjny (przeciwdziałają pękaniu oraz zwiększają wytrzymałość na rozciąganie). Pomimo tego włókna stalowe nadal są produktem niszowym z uwagi na brak możliwości jednoznacznego określenia rozkładu włókien w objętości materiału, a co za tym idzie własności mechanicznych kompozytu. Biorąc pod uwagę niejednorodność rozmieszczenia włókien, tworzą się aglomeraty włókien oraz obszary nie zawierające zbrojenia, co rzutuje niekorzystnie na własności mechaniczne uzyskanego produktu. Firmy budowlane nie chcą ryzykować niepoprawnym wykonanien zlecenia, dlatego unikają one stosowania tego rodzaju materiału. Znajduje on natomiast zastosowanie w budowie tuneli, posadzek przemysłowych, ochronnych warstw przeciwpożarowych, nawierzchni komunikacyjnych a także prefabrykatów. Zastosowań jest niewiele, ze względu na brak ogólnych metod badań oraz zasad dopuszczania tego typu materiału do użytku. Ciekawym jest, iż taki kompozyt możemy stworzyć przy użyciu betoniarki, pamiętając oczywiście o odpowiedniej ilości zbrojenia tj. 2-8% włókien masy betonu.
Rozmieszczenie zbrojenia w postaci włókien w betonowej osnowie. Źródło: materiały firmy BAUTECH Sp.z o.o.
Z pomocą przyszli naukowcy z Instytutu Fraunhofera opracowując nową metodę analizy matematycznej. Wykorzystuje ona rachunek prawdopodobieństwa, w celu wyznaczenia rozkładu włókien w fragmentach próbek. Badanie nową metodą trwa tylko kilka sekund. Próbka jest skanowana za pomocą rentgenowskiej tomografii komputerowej, metody bliźniaczopodobnej do tej stosowanej w medycynie. Jedyną różnicą jest badany obiekt – w tym wypadku zamiast pacjentów badany jest beton. Do badania pobierana jest próbka o długości 10 cm w kształcie prostopadłościanu, a następnie zostaje prześwietlona skanerem, o rozdzielczości 1000 razy większej niż w medycznym odpowiedniku. System przetwarza obraz wyodrębniając mikrometryczne pęknięcia zarejestrowane w niesamowitej rozdzielczości 8 bilionów pikseli. Oprócz tego system potrafi oznaczyć interesujące nas elementy mikrostruktury takie jak pęcherzyki powietrza, włókna czy też drobne okruchy. “Zdjęcie samo w sobie nie wnosi zbyt wiele, gdyż sieć zbrojenia jest tak gęsta, iż nie da się dostrzec pojedynczego włókna” – wyjaśnia Rosch. Dlatego opracowano program, który potrafi sam zadecydować w jaki sposób włókno jest zorientowane w przestrzeni a następnie wyznacza jego współrzędne. Co więcej dla każdego piksela, program oblicza skład przylegającego doń materiału, wskazując czy mamy do czynienia z włóknem. Najtrudniejsze są przypadki, gdy włókna są skrzyżowane.
Własności mechaniczne fibrobetonu zależą nie tylko od udziału objętościowego włókien w kompozycie, ale także od ich orientacji. Zagadnienie to jest szczególnie ważne, gdy zbrojenie musi przenosić naprężenia pochodzące z określonego kierunku. Przykładem mogę być mosty infrastruktury kolejowej lub samochodowej. Zapoznanie się z wpływem orientacji włókien stalowych na własności wytrzymałościowe fibrobetonu, za pomocą najnowszych komputerowych metod badawczych pomoże określić zasady dopuszczania tego typu materiału do użytku powszechnego. Być może wtedy, przedsiębiorstwa budowlane zaczną odchodzić od konwencjonalnych rozwiązań i chętniej sięgać po nowe materiały budowlane.
Źródła:
[1] http://148.81.54.64/Repository/o70.pdf | 20.11.2013
[2] http://solidnydom.pl/beton-z-dodatkiem-wlokien-stalowych.html | 20.11.2013
[3]http://www.watech.pl/pl/pomoc-techniczna/23-beton-zbrojony-woknami-stalowymi.html | 20.11.2013
[4] http://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2013/november/speedy-analysis-of-steel-fiber.html | 20.11.2013
[5] Fotografie: materiały udostępnione dzięki uprzejmości firmy BAUTECH Sp.z o.o. , http://www.bautech.pl/pl/oferta/wlokna/html | 20.11.2013