Sợi gia cường bê tông là gì? Phân loại

📅 Cập nhật nội dung bài viết về “ Sợi gia cường bê tông là gì? Phân loại” ngày 14 tháng 03 năm 2023 tại TKT Factory

Sợi gia cường bê tông là gì? Tại sao chúng ngày càng được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực thi công sàn bê tông hay sàn đá terrazzo?

Cùng TKT Factory đi tìm hiểu chuyên sâu về sợi gia cường bê tông cũng như tìm cách phân loại chúng một cách chi tiết, khoa học nhất

1. Sợi gia cường bê tông là gì?

Định nghĩa: Sợi gia cường bê tông là là vật liệu dạng sợi làm tăng tính toàn vẹn của cấu trúc bê tông gia cường sợi FRC (fiber reinforced concrete). Đó là các sợi ngắn rời rạc được phân bố đồng đều và định hướng ngẫu nhiên trông bê tông. Các loại sợi gia cường bê tông bao gồm sợi thép, sợi thủy tinh, sợi tổng hợp và sợi tự nhiên – mỗi loại đều tạo ra các đặc tính khác nhau cho bê tông.

Ngoài ra, đặc tính của bê tông cốt sợi thay đổi với các loại bê tông, vật liệu sợi, hình học, phân bố, định hướng và mật độ khác nhau.

2. Lịch sử phát triển của sợi gia cường bê tông

Khái niệm sử dụng sợi để gia cường bê tông không phải là mới.

• Xơ đã được sử dụng làm chất gia cố từ thời cổ đại. Trong lịch sử, lông đuôi ngựa được sử dụng trong vữa và rơm trong xe bùn.
• Vào những năm 1900, sợi amiăng được sử dụng trong bê tông.
• Vào những năm 1950, khái niệm vật liệu composite ra đời và bê tông cốt sợi là một trong những chủ đề được quan tâm.
• Một khi các nguy cơ sức khỏe liên quan đến amiăng được phát hiện, cần phải tìm chất thay thế cho chất này trong bê tông và các vật liệu xây dựng khác.
• Vào những năm 1960, thép, thủy tinh (GFRC) và sợi tổng hợp (như polypropylene) được sử dụng trong bê tông.
• Ngày nay, nghiên cứu về bê tông cốt sợi mới vẫn tiếp tục.

3. Các đặc tính của sợi gia cường bê tông

Sợi gia cường thường được sử dụng trong bê tông để kiểm soát nứt do co ngót dẻo và co ngót khô. Chúng cũng làm giảm tính thấm của bê tông và do đó làm giảm thoát nước.

Một số loại sợi tạo ra khả năng chống va đập, mài mòn và chống nứt cao hơn trong bê tông.

Thép lớn hơn hoặc sợi tổng hợp có thể thay thế hoàn toàn thép cây hoặc thép trong một số trường hợp nhất định.

Bê tông cốt sợi thay thế thép cây (thép thanh) trong ngành xây dựng công trình ngầm như các đoạn đường hầm mà hầu như tất cả các vỏ hầm đều được gia cố bằng sợi thay cho việc sử dụng thép cây. Tuy vậy, một số sợi thực sự làm giảm cường độ nén của bê tông.

Lượng sợi gia cường bê tông thêm vào hỗn hợp bê tông được biểu thị bằng phần trăm tổng thể tích của hỗn hợp (bê tông và sợi), được gọi là “phần thể tích” (Vf). Vf thường dao động từ 0,1 đến 3%.

Tỷ lệ dài/đường kính (l / d) được tính bằng cách chia chiều dài sợi (l) cho đường kính của nó (d). Các sợi có mặt cắt ngang không tròn sử dụng đường kính tương đương để tính toán tỷ lệ khung hình. Nếu mô đun đàn hồi của sợi cao hơn ma trận (chất kết dính bê tông hoặc vữa), chúng sẽ giúp chịu tải nhờ làm tăng cường khả năng chịu kéo của bê tông.

Việc tăng tỷ lệ l/d của sợi gia cường bê tông thường tăng độ bền uốn và độ bền của hệ cấu trúc bê tông. Chiều dài mà dài hơn dẫn đến hệ cấu trúc tốt hơn bên trong bê tông và đường kính mịn hơn làm tăng số lượng sợi.

Để đảm bảo rằng mỗi sợi có hiệu quả, nên sử dụng các sợi dài hơn kích thước tối đa của cốt liệu. Bê tông thông thường chứa cốt liệu đường kính tương đương 19 mm, chiếm 35-45% bê tông, các sợi dài hơn 20mm có hiệu quả hơn. Tuy nhiên, các sợi quá dài và không được xử lý đúng cách tại thời điểm thi công có xu hướng “tạo bọt” trong hỗn hợp và tạo ra các vấn đề về khả năng làm việc của bê tông (tính linh hoạt bê tông bị giảm).

Sợi được thêm vào để tăng độ bền lâu dài của bê tông. Thủy tinh và polyester bị phân hủy trong điều kiện kiềm của bê tông và bị ảnh hưởng bởi các chất phụ gia khác nhau hoặc chất xử lý bề mặt bê tông.

Đường hầm Tốc độ cao 1 lót bê tông kết hợp có chứa 1 kg / m3 hoặc nhiều hơn các sợi polypropylene, đường kính 18 & 32 μm, mang lại những lợi ích được nêu dưới đây.

Thêm các sợi polypropylene có đường kính mịn, không chỉ cung cấp gia cố cho lớp lót đường hầm mà còn ngăn ngừa sự “cháy” và hư hỏng của lớp lót trong trường hợp hỏa hoạn do tai nạn.

3. So sánh các loại sợi gia cường bê tông

3.1. Sợi thủy tinh gia cường bê tông Glass fiber reinforced concrete (GFRC)

3.1.1. Sợi thủy tinh gia cường bê tông là gì

Sợi thủy tinh gia cường Glass fiber là dạng sợi bó, bền với alkalinity và concrete để thay thế cốt thép. Nó tăng cường tensile strength (bền kéo đứt) and flexual strength (bền uốn) giúp xi măng mỏng hơn và nhẹ hơn.

• Cải thiện cường độ bê tông với chi phí thấp.
• Gia cường chịu kéo theo mọi hướng, không giống như thép cây.
• Thêm một dạng trang trí vì chúng có thể nhìn thấy được trên bề mặt bê tông đánh bóng hoàn thiện.

Người ta cũng sử dụng lưới sợi thủy tinh gia cường dệt bền với bê tông chúng giúp tăng bền kéo đứt hơn là sử dụng 1 mình sợi thủy tinh gia cường

Sợi thủy tinh kháng kiềm (AR) được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong bê tông. Chúng được sản xuất từ ​​thành phần thủy tinh có công thức đặc biệt với hàm lượng Zirconia (ZrO2) tối ưu để thích hợp sử dụng cho bê tông.

Sợi có chiều dài 19mm (3/4 “), với 200 sợi trên mỗi bó sợi và đường kính sợi là 18 micron. Mặc dù các bó được thiết kế để chống đứt gãy trong quá trình trộn, nhưng phải cẩn thận để không trộn quá nhiều. So với monofilament sợi (Poly vinyl alcohol, hoặc acrylic), sợi bó có nhiều khả năng sẽ nhìn thấy trên bề mặt hoàn thiện nếu không thực hiện các biện pháp phòng ngừa.

Hàm lượng sử dụng điển hình: 3% trọng lượng của tổng hỗn hợp.

3.1.2. Tính chất của bê tông cốt sợi thủy tinh

Việc bổ sung các sợi thủy tinh khoảng 10% thể tích đã làm tăng độ bền kéo lên khoảng hai lần và khả năng chống va đập lên khoảng 10 lần. Các thử nghiệm tải tuần hoàn được thực hiện trên các tấm xi măng sợi thủy tinh cho thấy khả năng chịu mỏi của Bê tông cốt sợi thủy tinh (GFRC) gần tương đương với của Bê tông cốt sợi thép (SFRC).

3.1.3. Thành phần bê tông gia cường sợi thủy tinh

• Xi măng: Nói chung là xi măng poóc lăng được sử dụng.
• Cốt liệu: Cốt liệu mịn nói chung được sử dụng để sản xuất GFRC
• Sợi thủy tinh: Ưu tiên sử dụng sợi liên tục và sợi kháng kiềm
• Polyme: Polyme acrylic được ưu tiên

3.1.4. Điểm mạnh của bê tông gia cường sợi thủy tinh

• GFRC có trọng lượng rất nhẹ và linh hoạt. Một tấm ốp bê tông được làm từ bê tông đúc sẵn dày 100mm nặng hơn hai lần được làm bằng GFRC.
• Trong cột xuất hiện, GFRC linh hoạt cho khả năng tái tạo nhiều phong cách và thiết kế kiến ​​trúc. Các chi tiết bề mặt có thể được làm lại với sự trợ giúp của GFRC, bề ngoài của nó cũng có thể được làm giống như đá cẩm thạch, đất nung, đá phiến hoặc đá.
• GFRC rẻ hơn so với các vật liệu xây dựng khác hiện có trên thị trường.
• Cường độ chịu kéo cao và cường độ va đập của GFRC làm cho nó cứng hơn bê tông thường vì GFRC có sợi thủy tinh trong đó.
• GFRC có thể được đúc thành nhiều loại kết cấu, màu sắc, bề mặt hoàn thiện khác nhau khiến nó trở thành một trong những vật liệu linh hoạt nhất trên thị trường.
• GFRC có khả năng chống hóa chất.
• Một ưu điểm khác của nó là GFRC bền hơn vì nó không bị gỉ hoặc bị ăn mòn.
• Nó có đặc tính co ngót tốt hơn khi so sánh với bê tông thông thường.
• Nó có bản chất vô cơ và cũng có khả năng chống cháy.
• Tính thấm thấp của GFRC làm tăng khả năng chống ô nhiễm nước và không khí.
• Nó thân thiện với môi trường

3.1.5. Nhược điểm bê tông gia cường sợi thủy tinh

• Mặc dù rẻ hơn nhiều vật liệu được sử dụng để xây dựng, GFRC vẫn đắt hơn bê tông.
• GFRC được biết là sẽ mất dần sức mạnh trong thời gian dài.
• Cần có nhiều kế hoạch chuyển tiếp khi sử dụng GFRC vì nó được tạo sẵn so với tại chỗ.

3.1.6. Các ứng dụng của bê tông cốt sợi thủy tinh

Bê tông cốt sợi thủy tinh thường được ứng dụng trong các công trình xây dựng sau:

• Xây dựng công trình cải tạo
• Công trình cấp thoát nước
• Tấm lót cầu và đường hầm
• Phương pháp thi công ván khuôn vĩnh cửu
• Tấm ốp kiến ​​trúc
• Rào cản âm thanh và màn hình

3.2. Sợi gia cường bê tông từ polypropylene và nylon

Sợi tổng hợp Polypropylene có hay gọi tắt là sợi PP. Sợi có dạng tơ mảnh được sản xuất bằng công nghệ kéo sợi ly tâm tiên tiến, cho thêm chất phụ gia sức nặng và xử lý bề mặt đặc biệt.

Polypropylene có lợi thế của quá trình sản xuất đơn giản, độ bền cao, giá thành thấp nên được áp dụng rộng rãi nhất là trong ngành công nghiệp sản xuất bê tông.

Bê tông được sản xuất với cốt sợi PP có chất lượng cao, độ bền vượt trội và giá cả cũng rất hợp lý.

• Cải thiện sự kết dính hỗn hợp, cải thiện khả năng bơm trong khoảng cách dài
• Cải thiện khả năng chống đông lạnh
• Cải thiện khả năng chống bắn nổ trong trường hợp hỏa hoạn nghiêm trọng
• Cải thiện khả năng chống va đập và mài mòn
• Tăng khả năng chống co ngót dẻo trong quá trình đóng rắn của bê tông.
• Cải thiện sức mạnh cấu trúc
• Giảm yêu cầu về cốt thép
• Cải thiện độ dẻo
• Giảm chiều rộng vết nứt và kiểm soát chặt chẽ chiều rộng vết nứt, do đó cải thiện độ bền

3.3. Sợi gia cường bê tông bằng thép

• Cải thiện sức mạnh cấu trúc
• Giảm yêu cầu về cốt thép
• Giảm chiều rộng vết nứt và kiểm soát chặt chẽ chiều rộng vết nứt, do đó cải thiện độ bền
• Cải thiện khả năng chống va đập và mài mòn
• Cải thiện khả năng chống đông lạnh

Hỗn hợp của cả thép và sợi polyme thường được sử dụng trong các dự án xây dựng để kết hợp lợi ích của cả hai sản phẩm; cải tiến cấu trúc do sợi thép cung cấp và cải tiến khả năng chống bắn nổ và co ngót dẻo do sợi polyme cung cấp.

Trong một số trường hợp cụ thể, sợi thép hoặc sợi tổng hợp vĩ mô hoàn toàn có thể thay thế thanh cốt thép truyền thống (“thép cây”) trong bê tông cốt thép.

Điều này là phổ biến nhất trong sàn công nghiệp nhưng cũng có trong một số ứng dụng đúc sẵn khác. Thông thường, những điều này được chứng thực bằng thử nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác nhận rằng các yêu cầu về hiệu suất được đáp ứng.

Cần lưu ý để đảm bảo rằng các yêu cầu của mã thiết kế địa phương, điều này có thể áp đặt số lượng cốt thép tối thiểu trong bê tông. Ngày càng có nhiều dự án đào hầm sử dụng các đoạn đường hầm đúc sẵn chỉ được gia cố bằng sợi thép.

Thép cây siêu nhỏ gần đây cũng đã được thử nghiệm và chấp thuận để thay thế cốt thép truyền thống trong tường đứng.

3.4. Sợi gia cường bê tông Polyvinyl Alcohol (PVA)

PVA là sợi đơn, tức là nó sẽ phân tán vào hỗn hợp và tạo mạng lưới đa hướng kiểm soát nứt và mài mòn và chống lại giãn nở nhiệt. Sợi có đường kính càng nhỏ thì càng khó nhìn thấy.

Sợi PVA (polyvinyl alcohol) là sợi gia cường hiệu suất cao cho bê tông và vữa. Sợi PVA rất phù hợp cho nhiều ứng dụng vì đặc tính chống nứt vượt trội, mô đun đàn hồi cao, độ bền kéo và độ bền liên kết phân tử tuyệt vời, và khả năng chống kiềm, UV, hóa chất, chống mỏi và mài mòn cao.

Sợi PVA đặc biệt ở khả năng tạo liên kết phân tử với vữa và bê tông lớn hơn 300% so với các loại sợi khác.

Đây là những sợi monofilament có 3 chiều dài và đường kính sợi khác nhau.

Do bản chất mịn của những sợi này và thực tế là chúng phân tán thành sợi monofilament, chúng ít có khả năng được nhìn thấy trên bề mặt hoàn thiện. Mức độ hiển thị của chúng trong mối quan hệ với nhau tỷ lệ thuận với các đường kính khác nhau của chúng (7 là ít nhìn thấy nhất, 100 là hiển thị nhiều nhất).

Cũng đúng, sợi càng nhỏ, càng có nhiều sợi đối với bất kỳ đơn vị đo lường nhất định nào, thì càng có nhiều khả năng chúng bị sặc hỗn hợp ở tỷ lệ liều lượng cao hơn. Do đó, PVA100 được định lượng ở tỷ lệ cao hơn trong hỗn hợp dễ chảy hơn so với PVA15.

PVA 100 được ưa chuộng vì tính dễ làm việc so với 7 và 15. Đây là sợi PVA có thể nhìn thấy rõ nhất trong các bề mặt hoàn thiện do chiều dài của chúng. Lý tưởng để sử dụng trong hỗn hợp bê tông và phụ gia siêu hóa dẻo bê tông. Sợi PVA có thể được sử dụng như một phương tiện chính hoặc phụ để gia cố các vật thể bê tông thủ công, bao gồm mặt bàn bê tông, các phần tử bê tông kiến trúc, đồ nội thất bê tông và nhiều ứng dụng khác.

Chúng có thể sử dụng một mình hoặc kết hợp với các sợi khác.

3.5. Sợi gia cường bê tông Acrylic fiber

Sợi Acrylic thì khó nhìn thấy nhất sử dụng tốt với bay, tăng khả năng chống mài mòn cũng như độ bền uốn và kéo

Sợi acrylic là sợi polyme biến tính giúp tăng cường đáng kể hiệu suất và độ bền của bê tông. Chúng làm giảm đáng kể nứt do co ngót dẻo, cung cấp khả năng gia cường thứ cấp và tăng khả năng chống va đập.

Sợi acrylic có chiều dài 6 mm và là loại sợi ít được nhìn thấy, làm cho chúng phù hợp nhất cho các hỗn hợp mặt cần gia cố thêm. Chúng cũng cung cấp khả năng dụng bay.

Sợi acrylic là sợi đơn monofilament và có nhiều diện tích bề mặt hơn sợi bó. Do đó, chúng có thể dễ dàng làm hỗn hợp bê tông bị nghẹt nếu chúng được sử dụng quá liều lượng hoặc không được trộn kỹ. Nên trộn từ từ các sợi vào bê tông sau đó trong quá trình trộn.

4. Những phát triển gần đây

Ít nhất một nửa bê tông trong cấu kiện xây dựng điển hình được sử dụng để bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn. Bê tông chỉ sử dụng sợi gia cường có thể dẫn đến tiết kiệm bê tông, do đó giảm hiệu ứng nhà kính đi kèm với nó.

Sợi gia cường bê tông FRC có thể được đúc thành nhiều hình dạng, giúp các nhà thiết kế và kỹ sư linh hoạt hơn.

Sợi gia cường hiệu xuất cao HPFRC tuyên bố nó có thể duy trì biến dạng cứng lên đến vài phần trăm, dẫn đến độ dẻo của vật liệu cao hơn ít nhất hai bậc cường độ khi so sánh với bê tông thông thường hoặc bê tông cốt sợi tiêu chuẩn. HPFRC cũng tuyên bố một trường hợp bị nứt duy nhất. Khi chịu tải vượt quá phạm vi đàn hồi, HPFRC duy trì chiều rộng vết nứt dưới 100 μm, ngay cả khi bị biến dạng đến vài phần trăm biến dạng kéo. Kết quả thực địa với HPFRC và Sở Giao thông Vận tải Michigan cho biết.

Các nghiên cứu gần đây được thực hiện trên bê tông cốt sợi hiệu suất cao trong bản mặt cầu cho thấy rằng việc bổ sung thêm sợi cung cấp cường độ dư và kiểm soát nứt. Có ít vết nứt hơn và hẹp hơn trong FRC mặc dù FRC có độ co ngót nhiều hơn đối chứng. Độ bền dư tỷ lệ thuận với hàm lượng sợi.

Một số nghiên cứu đã được thực hiện bằng cách sử dụng sợi thảm phế thải trong bê tông như một cách sử dụng rác thải thảm tái chế thân thiện với môi trường.

• Một tấm thảm thường bao gồm hai lớp đệm (thường là vải từ sợi băng polypropylene), được kết hợp bởi cao su latex styrene-butadiene chứa đầy CaCO3 (SBR), và các sợi mặt (phần lớn là sợi nylon 6 và nylon 66).
• Những sợi nylon và polypropylene như vậy có thể được sử dụng để gia cố bê tông. Các ý tưởng khác đang xuất hiện để sử dụng vật liệu tái chế làm sợi: chẳng hạn như sợi polyethylene terephthalate (PET) tái chế.