Betoane neuzuale

Betoane neuzuale

Betoane armate dispers

Materialele compozite armate dispers structural pot fi asimilate sistemelor disperse in care dispersoidul este fibra sau whiskers-urile, iar mediul de dispersie o matrice solida, ce poate fi alcatuita dintr-un singur component (polimeri), sau din mai multe componente (ciment-apa, ipsos-apa, ciment-agregat-apa, ciment-polimer-apa, etc).

Fiecare component ce intra in alcatuirea acestor compozite indeplineste un rol bine determinat, valoarea de utilizare a compozitului fiind superioara celei corespuzatoare fiecarui component luat in parte.

Armarea dispersa a materialelor de constructie, ca idee, nu este noua, ea existand din antichitate cand se obtineau caramizi nearse (chirpici), din argila armata cu deseuri vegetale (paie tocate, de exemplu) sau se obtineau produse din ipsos armat cu par de cal.

Elementele de noutate constau in materialele ce concura la realizarea compozitelor, metodele de calcul ale elementelor constructiilor realizate cu astfel de materiale si, evident, asezarea pe baze stiintifice a intregii problematici a compozitelor armate dispers.

Fibrele utilizate pot fi:

minerale:

- naturale: azbest;

- de fabricatie: de otel, sticla, carbon, bazalt;

organice:

- naturale: bumbac, in, exotice

artificiale: polipropilena, poliesteri, poliamide etc.

1. Tipuri de fibre

Fibre de otel

Se obtin prin tehnologii diferite, cu forme geometrice variate ale sectiunilor, cu suprafete lise sau amprentate.

Din punct de vedere al tehnologiei, fibrele se obtin prin tocarea la ghilotina, la dimensiuni bine precizate (rezultate din calcul, ce are la baza cerintele de comportare sub sarcina, pentru betoane armate cu asemenea materiale).

Sarma in sine se obtine prin laminare - trefilare din oteluri cu caracteristici speciale. Asemenea sarme au sectiune circulara (d=0.2-0.8mm), dreptunghiulara (0.15-0.40/0.25- 0.90mm). Lungimea fibrelor de otel rezultata prin tocarea fasciculelor de sarma este de 5 - 50mm, astfel incat sa rezulte rapoarte l/d=30 - 250.

Fibrele de otel se obtin si direct din topitura prin tehnologii speciale, cum este cea folosita in SUA, unde din otel wirand se obtin "Chopped Steel Fibres".

Fibre de carbon

Se obtin din grafit sub forma unor fascicule formate din 10.000-20.000 de filamente (Anglia) cu lungimi nedeterminate si cu diametre d=7.9 - 9.2m. La armarea matricilor de ciment - apa, aceste fascicule se desprind unele de altele, fibrele (filamentele) functionand individual.

Fibre de sticla

Se fabrica din sticle speciale, compozitia sticlei permitand tragerea in fire si imprumutand sticlei proprietati diferite.

Rezistenta la intindere a firului de sticla creste invers proportional cu diametrul.

Rezistenta la intindere, pentru fire obtinute prin turnare, este diferita de cea a fibrelor obtinute prin tragere din topitura aceleiasi sticle (tehnologia clasica de obtinere a fibrelor):

R_{t, turnare}= 400 -1000daN/cm²

R_{t fibra}=19600 - 39500 daN/cm²

Fibrele de sticla isi pastreaza proprietatile intr-un interval limitat de temperatura.

Pentru obtinerea fibrelor si firelor de sticla se utilizeaza:

sticla borosilicatica, denumita sticla E, a carei compozitie oxidica este urmatoarea:

SiO₂    56-52%

Al₂O₃    12-16%

CaO    16-25%

MgO    0-6%

B₂O₃    8-13%

Na₂O+K₂O    0-3%

TiO₂    0-0.4%

Calitatea sticlei si pretul depinde si de donatorul de B₂O₃, din materiile prime (oxizi de bor, borax, etc).

Sticla E are urmatoarele caracteristici:

R_t=35.150daN/cm²

punct de inmuiere 846⁰C;

la 760⁰C isi pierde proprietatile mecanice;

nu rezista in mediu alcalin, drept care se utilizeaza la armarea matricilor in care pH-ul este neutru sau slab acid (polimeri, ipsos).

Se utilizeaza si pentru armarea matricilor pe baza de ciment, in conditia reducerii pH-ului matricii pe diferite cai (Forton-Olanda, studii IPCMC - UTCB).

Se utilizeaza sub forma de impaslituri, ca atare sau in structura unor materiale asociate pentru izolatii (electrice, hidro sau anticorozive).

Mai multe fire rasucite formeaza un roving.

Sticla zirconica denumita si alcalii-rezistenta (AR), se produce sub forma de fire, fibre si rovinguri. S-a introdus pe piata sub denumirea de CEM-FIL de catre firma Pilkington (Anglia), ca sticla din sistemul ternar Na₂O-SiO₂-ZrO₂, cu urmatoarea compozitie oxidica:

SiO₂ 71%

ZrO₂ 16%

Na₂O 11%

Al₂O₃ 1%

LiO₂ 1%

Exista si tehnologie romaneasca de fabricare.

Fibre de azbest

Provin din silicatul natural cu acelasi nume, cu structura fibroasa. Sunt fibre cu rezistente mecanice bune, necombustibile. S-au utilizat si se utilizeaza pentru armarea cimentului, obtinandu-se azbocimentul - material compozit, armat dispers, realizat prin omogenizarea si intarirea unui amestec de ciment, fibre de azbest si apa.

În utilizarea fibrelor pentru obtinerea betoanelor armate cu acestea, sunt importante caracteristicile lor fizico-mecanice si chimice.

În tabelul V-13 sunt cuprinse unele din aceste caracteristici.

Tabelul V-13. Caracteristici fizico-mecanice ale unor fibre

Din punct de vedere al coeficientului de calitate, cele mai bune sunt fibrele de sticla si de carbon. Importanta pentru utilizarea ca armatura dispersa este si natura suprafetei fibrelor, care este foarte buna la asbest, sticla, carbon.

Lungimea fibrelor este importanta pentru modul de transmitere a eforturilor unitare in matrice. Fibrele functioneaza ca "blocanti" ai fisurarii matricei, avand un rol asemanator agregatului mare din betonul obisnuit.

Influenta fibrei asupra rezistentei la intindere a materialului compozit este dependenta si de distanta dintre fibre, greu de apreciat din cauza dispersiei reale, haotice a acestora.

Distributia fibrelor se poate decela prin radiografierea cu raze X a materialelor.

2. Compozite armate dispers cu fibre

Azbocimentul

Este material compozit, armat dispers cu fibre scurte de azbest, cu matrice formata din ciment si apa.

Amestecul omogen de ciment, fibra de azbest si apa, se vacuumeaza (prin absorbtia apei pe o banda de pasla) si din masa virtoasa obtinuta se fasoneaza produsele finite (presare, extrudere, centrifugare) care se autoclavizeaza ingrijit, pentru a nu se deforma.

Se fabrica placi simple si ondulate, pentru acoperis, tuburi pentru alimentari cu apa, transportul unor lichide agresive, precum si fasii pentru realizarea de panouri sandwich.

Betoane armate cu fibre de otel (BAO)

Materiale componente

Fibre de otel cu urmatoarele caracteristici:

R_t min 1 KN/mm² (100 daN/mm²);

otel moale, cu rigiditate mica;

d=0.20 - 0.50 mm (200 - 500)

raport lungime/diametru~100

raport l_fibra/ dimensiunea minima a elementului de beton=0.4 - 0.6

Ciment - se recomanda: I 42.5, I 32.5, II A 32.5

Agregate - naturale, de balastiera:

- _{gaf uscat}=1200 Kg/m³

- sortul 0-7 spalat si fractionat in 2 sau 3 sorturi, dintre care cel cu dimensiunea cea mai mica a granulelor trebuie sa reprezinte 50% din agregatul total.

Apa - are aceleasi conditii impuse de calitate, ca si betonul obisnuit;

Aditivi plastifianti sau superplastifianti.

Se poate utiliza ca adaos cenusa de termocentrala care imbunatateste plasticitatea amestecului; reduce insa pH-ul matricei ceea ce poate conduce la accelerarea coroziunii fibrelor de otel.

Se utilizeaza betoane de clasa minim C8/10.

Dozajul in fibra (D_f) se apreciaza prin procent de armare volumic (p) sau masic (P_g) utilizand densitatea fibrei () sau a betonului ():

(5.10)

(5.11)

Stabilirea compozitiei se realizeaza experimental, prin tatonari.

Procentul maxim de fibra scade proportional cu cresterea continutului in sortul mare de agregat. La un continut de 10% sort mare de agregat, procentul volumic de armare, este de exemplu 2%, iar la 30% sort mare - p=1.4%

Cresterea continutului in agregat mare conduce la scaderea rezistentei la intindere a betonului armat cu fibre de otel. Daca, de exemplu, dimensiunea maxima a granulei de agregat creste de la 10 la 20 mm, rezistenta la intindere scade cu aproximativ 25%.

Fisurile mici din matrice, influenteaza mai putin proprietatile BAO; cele mari scad durabilitatea, favorizand coroziunea atat a a armaturii cat si a matricei si se reduce rezistenta la inghet-dezghet.

Comportarea la intindere din incovoiere a BAO este diferita de cea a betonului obisnuit. Zona intinsa se comporta diferit fata de zona comprimata si pe masura ce deformatia din zona intinsa creste, axul    de simetrie se deplaseaza catre zona comprimata.

Ruperea se produce prin smulgerea fibrelor si depinde de aderenta fibra - matrice. În cazul BAO desprinderea fibra - matrice este mai pronuntata decat in cazul altor fibre (sticla, carbon, azbest).

Deformatia specifica in zona intinsa a elementului solicitat la incovoiere este de 2-3 ori mai mare decat in zona comprimata.

Un exemplu de compozitie BAO este prezentat in tabelul V-14.

Tabelul V-14. Exemplu de compozitie pentru BAO

Tehnologia de fabricare a BAO

Amestecarea componentilor se realizeaza astfel incat sa se asigure o cat mai buna dispersie a fibrelor de otel in matrice. Omogenizarea agregatelor, introduse in ordinea descrescatoare a sorturilor si a cimentului se realizeaza in malaxoare cu palete sau in betoniere cu cadere libera, timp de 30-60 secunde.

Omogenizarea masei uscate ciment-agregat cu fibrele de otel se realizeaza fie pe o banda transportoare, dupa care se reintroduce masa in malaxor (betoniera) fie, se introduc fibrele direct in malaxor prin ciuruire (printr-un ciur cu diametrul ochiurilor de 16mm) si amestecare continua a celor ce cad, cu amestecul uscat ciment agregate. Dupa omogenizarea uscata, se introduce apa (cu eventualii aditivi si se omogenizeaza 30-60 secunde.

Lucrabilitatea se alege astfel incat la punerea in lucrare sa nu apara segregarea (beton vartos).

Dupa turnarea betonului are loc compactarea prin vibrare, urmata de finisarea suprafetelor.

BAO are rezistente bune la compresiune, intindere axiala, intindere din incovoiere, la actiuni dinamice (soc), oboseala, contractie si curgere lenta redusa.

Utilizari ale BAO

pentru elemente monolit: constructia, repararea imbracamintilor rutiere rigide, piste de aerodrom, tablieri poduri (SUA, Anglia, Canada, Japonia), lucrari de tuneluri (SUA, Anglia), acoperisuri industriale, cupole (SUA, Anglia, Italia);

pentru prefabricate: tuburi de beton, dale parcari, pontoane plutitoare, bolti subterane, etc.