Utilizarea in constructii a betoanelor cu armatura dispersa din fibre metalice

Cercetarile in domeniu si constructiile existente peste tot in lume atesta faptul ca betonul era materialul folosit de romani inca din sec. II i.e.n. Spre sfarsitul sec. I romanii utilizau, pe scara larga, betonul la constructia de drumuri si la cele hidrotehnice. Din sec. II, betonul devine materialul de constructie cel mai mult folosit pentru fundatii, pereti si bolti.

Betonul armat a fost inventat in anul 1849 de gradinarul francez Joseph Monier, care a obtinut un brevet (1867) pentru confectionarea vaselor de flori, fiind, astfel, cel dintai care a folosit acest material.

In anul 1888, inginerul roman Anghel Saligny a utilizat, pentru prima data, betonul armat la constructia silozurilor din portul Braila.

In cadrul expozitiei de la Paris din anul 1900 a fost prezentat un studiu privind folosirea betonului armat in lume, aratandu-se largile posibilitati de utilizare a noului material.

Betonul, sub diferitele variante pe care le cunoastem astazi, continua sa fie unul dintre principalele materiale folosite in constructii.

Comparativ cu betonul de ciment, simplu (nearmat), care prezinta rezistenta mare numai la compresiune, betonul armat, ce cuprinde in masa lui o serie de bare de otel, ne­tede sau cu nervuri, care ii confera rezistenta, prezinta numeroase si insemnate avantaje tehnico-econo­mice, cum ar fi:

• rezistenta mecanica si stabilitate ridicata;

• comportare buna la actiunea temperaturilor ridicate si, mai ales, la incendii de durata si intensitate mode­rata;

• durabilitate mare, datorita rezistentei deosebite pe care o prezinta betonul si armatura inglobata, la actiunea distructiva a diversilor agenti chimici si fizici;

• pret relativ scazut;

• posibilitatea realizarii unor forme structurale deosebite, capabile sa satisfaca diverse cerinte estetice, constructive sau tehnologice;

• lucrari de intretinere reduse si, in general, putin costisitoare.

Dintre dezavantajele betonului armat, cele mai importante sunt:

• rezistenta redusa la intindere;

• greutate proprie apreciabila, comparativ cu posibilitatea de a prelua tensiuni;

• capacitate redusa de izolare termica, fonica si hidrofuga;

• coroziune avansata in conditii de mediu si exploatare deosebit de agresive.

In prezent, pe plan mondial se inregistreaza o tendinta de creare de noi tipuri de betoane, cu calitati imbunatatite. Astfel, betonul armat dispers cu fibre (de diferite tipuri si dimensiuni) reprezinta un exemplu in domeniul materialelor de constructii.

Armarea dispersa a betonului cu fibre metalice

Primul patent care se refera la un element din beton armat dispers cu fibre metalice exista din 1874 si a fost brevetat in SUA (California) de A. Bernard care a probat imbuna­tatirea rezistentei betonului prin adaugarea unor resturi de otel inegale.

In 1927, tot in California, G. C. Martin breveteaza realizarea de conducte din beton armat cu fibre de otel.

Meischke – Smith in 1920 si Etheridge in 1933 au pus in evidenta corelatia intre forma fibrei si marirea aderentei. Primul a folosit sarme plate si sarme rasucite cu fete plane, in timp ce al doilea a utilizat fibre inelare, cu diferite marimi si diametre, pentru a ameliora rezistenta la fisurare si rupere a betonului.

Fibrele metalice au fost create pentru a imbunatati durabilitatea si flexibilitatea betonului sub sarcini mari, pe perioade indelungate. Fibrele metalice asigura armarea tridimensionala a betonului, asemenea altor microsisteme.

Betonul armat dispers cu fibre nu poate inlocui, in totalitate, betonul armat obisnuit. Exista, insa, domenii de utilizare in care betonul armat cu fibre poate fi folosit alternativ sau in completare la cel armat clasic, oferind avantaje constructive si economice. S-a constatat ca fibrele, de orice natura ar fi, imbunatatesc proprietatile betonului simplu.

Betonul armat dispers cu fibre metalice este definit ca „materialul obtinut prin amestecul cimentului, agregatelor, fibrelor metalice, aditivilor, adaosurilor minerale si apei, in proportiile prestabilite, ale carui proprietati se dezvolta prin hidra­tarea si intarirea cimentului si interactiunea dintre fibrele metalice si matrice”.

Betoanele armate dispers rezulta prin inglobarea in masa betonului a unei cantitati variabile de  fibre discontinuie.

Majoritatea aplicatiilor din beton armat dispers cu fibre sunt bazate pe principiul imbunatatirii proprietatilor si caracteristicilor mecanice (de rezistenta) ale materialului. Totusi, rolul armarii cu fibre a betoanelor simple sau armate clasic nu trebuie redus numai la acest principiu al imbunatatirii rezistentelor, ci mai ales la controlul procesului de fisurare si, prin aceasta, la imbu­natatirea rezistentelor, a proprietatilor de absorbtie a energiei si a rezistentei la impact, soc, variatii de temperatura, gradient de tempe­ratura, rezistenta la foc.

Cerintele de baza ale fibrelor, atunci cand este necesara imbuna­tatirea rezistentelor mecanice si intarzierea procesului de fisurare, sunt: rezistenta ridicata la alungire si modul de elasticitate adecvat, aderenta sporita la matrice, stabilitate chimica; mai mult, fibrele ar trebui sa aiba calitatea de a suporta eforturile o perioada mai mare de timp. Proprietatile fibrelor folosite la armarea dispersa a betoanelor sunt acum, in marea lor majoritate, cunoscute.

Majoritatea aplicatiilor din beton armat dispers cu fibre sunt bazate pe ideea imbunatatirii proprietatilor de rezistenta. Totusi, rolul armarii cu fibre nu consta atat in imbunatatirea rezistentelor statice, cat in controlul procesului de fisurare, si prin aceasta, in imbunatatirea ductilitatii, a proprietatilor de absorbtie a energiei si a rezistentei la impact, soc si variatii de temperatura.

Fibrele s-au produs prin taierea sarmelor de otel cu sectiunea transversala rotunda si uniforma. Pentru marirea productivitatii la fabricatie, fibrele de otel se pot grupa in fascicule, taiate cu cutite ghilotina sau cu alte dispozitive speciale.

Fibrele cu suprafata neteda au rezistenta la smulgere scazuta din cauza slabei aderente la beton. In vederea imbunatatirii caracteristicii de rezistenta la smulgere, au fost omologate si utilizate tipuri de fibre cu suprafete deformate. Fibrele ondulate, cu forma continua pe toata lungimea, au imbunatatit rezistenta la smulgere.

Mai recent, fibrele au fost produse intr-o mare varietate de forme, ondulate sau drepte, cu suprafata neprelucrata, cu sau fara capete ingrosate. Acest gen de fibre este utilizat, in principal, in betoane si, mai rar, in mortare sau paste de ciment, unde, spre deosebire de multe alte fibre, nu sunt afectate de alcalinitatea amestecului.

Fabricarea unor fibre unite la un loc, cu ajutorul unei solutii de lipire speciale, solubila in apa, faciliteaza utilizarea fibrelor cu lungimi mai mari decat in cazul in care acestea ar fi separate, eliminandu-se, astfel, pro­blemele ce apar din cauza formarii unor gheme (aglomerari de fibre).

Imbunatatirea proprietatilor fibrelor din otel influenteaza cresterile de rezistenta la intindere ale betonului armat cu astfel de fibre.

In practica, se constata cresterea rezistentei la incovoiere a elementului din beton armat cu fibre din otel, datorita faptului ca distributia eforturilor in zona intinsa este aproape constanta.

Fibrele metalice pentru armarea dispersa a betoanelor pot fi:

– lise (drepte) tip FML (fig.1, a);

– cu ciocuri la capete tip FMC (fig.1, b);

– ondulate tip FMO (fig.1, c);

– frezate tip FMF (fig.1, d).

Principalele caracteristici tehnice ale fibrelor metalice sunt prezentate in Tabelele 1 si 2.

Fibrele metalice pentru armarea dispersa a betoanelor sunt fabricate din sarma din otel trasa la rece, cu continut scazut de carbon (de ex.: SAE1008 similar cu OL37) sau din otel inox (ex: SS302/ SS304).

Fibrele frezate din otel pentru armarea dispersa a betoanelor sunt fabricate din brame de otel carbon (ex: S355 similar cu OL52).

Punerea in opera a betoanelor armate dispers cu fibre metalice din otel cu s_t = 1.000 N/mm2 se rea­lizeaza fara dificultati intr-o tehnologie de executie normala astfel:

• In cazul lucrarilor din beton armat dispers monolit si in cazul realizarii de elemente prefabricate din beton armat dispers, se aplica prevederile din reglementarea tehnica „Normativ pentru producerea si executarea lucrarilor din beton, beton armat si beton precomprimat – Partea 2: Executarea lucrarilor din beton”, indicativ NE 012/2:2010, precum si din standardul SR EN 206-1:2002 cu amendamentele SR EN 206-1:2005/A1 si SR EN 206-1:2006/A2 si erata SR EN 206-1/C91:2008, cu completarile nece­sare legate de dozarea fibrelor metalice, prepararea, compac­tarea si finisa­rea betoanelor armate dispers;

• Proiectarea compozitiilor betoa­nelor armate dispers cu fibre meta­lice se face conform “Ghidului pentru stabilirea criteriilor de performanta si a compozitiilor, pentru betoanele armate dispers cu fibre metalice” – GP 075-02, avand in vedere urmatoarele aspecte:

• Compozitia betoanelor armate dispers se stabileste pe baza de incercari initiale, conform SR EN 206-1:2002 cu amendamentele SR EN 206-1:2005/A1 si SR EN 206-1:2006/A2 si erata SR EN 206-1/C91:2008 si GP 075-02;

• Dozajele de ciment, fibre meta­lice si agregate fine din beton se vor incadra in limitele indicate de proiectant (dozaje mai mari sau mai reduse de fibre metalice sau ciment fiind admise in situatiile in care acestea sunt justificate la proiectare pe criterii tehnice economice si se asigura respectarea cerintelor privind clasele de durabilitate conform SR EN 206-1:2002 cu amendamentele SR EN 206-1:2005/A1 si SR EN 206-1:2006/A2 si erata SR EN 206-1/C91:2008 si prin alte norme aflate in valabilitate la pro­iectarea lucrarilor);

• Armarea dispersa a betoanelor cu fibre frezate din otel, cu rezistenta de rupere la tractiune s_t = 800 N/mm2, presupune introducerea fibrelor in beton in dozajele prevazute prin proiectul lucrarilor ce se executa, fara dificultati, intr-o tehnologie  normala de preparare a betonului;

• Dozajul minim recomandat este de 20 kg fibre/m3 beton, dozajul maxim fiind de 100 kg fibre/m3 beton. Dozaje mai mari pot sa fie  utilizate atunci cand sunt justificate de proiectant pe baza de calcule si rezultate ale unor incercari de laborator concludente;

• Compozitia betoanelor armate dispers se stabileste in functie de cerintele de performanta, pentru elementele si structurile ce se executa, avand in vedere prevederile SR EN 206-1:2002 cu amendamentele SR EN 206-1:2005/A1 si SR EN 206-1:2006/A2 si erata SR EN 206-1/C91:2008 si GP 075-02 si cele ale docu­mentelor nationale de apli­care a normelor europene;

• Dozarea fibrelor de otel se face ori in statia de betoane (amestecand cu agregate in malaxor), ori direct in autobetoniera tot in statia de betoa­ne sau pe santier;

– Dozarea fibrelor in amestecul proaspat de beton trebuie efectuata cat mai uniform si este necesar sa se amestece energic timp de 8-10 minute (in cazul autobetonierei minimum 10 minute cu turatie maxima). Dupa aceasta, betonul astfel obtinut se pune in opera prin metode clasice cu o compactare intensiva;

– Utilizarea betoanelor intarite cu fibre de otel este recomandata datorita avantajelor lor tehnice si economice, cum ar fi: costuri mai mici de materiale, scaderea substantiala a timpului de executie, tur­narea betonului nu trebuie executata obligatoriu cu pompa, amestecul insa este pompabil. Nu este neaparat necesar beton de montaj (beton de egalizare) si armatura; betonul fiind preamestecat si intarit cu fibre, suprafata se prelucreaza mai usor si se adapteaza deosebit de bine la sisteme moderne de prelucrare a suprafetelor;

– Betonul cu fibre de otel este capabil de preluare de sarcini, a carei valoare depinde de: rezistenta fibrelor de otel (600 -1.200 N/mm2), forma lor, capacitatea lor de ancorare, dimensiunea lor (ø 0,5 – 1,2 mm; L = 25 – 60 mm) si cantitatea lor (20 – 100 kg/m3).

Aplicatii ale  betonului armat dispers cu fibre

Betonul armat dispers cu fibre metalice, sub forma de elemente monolite, este folosit in diverse aplicatii, cum ar fi:

• constructia, ranforsarea si repa­rarea imbracamintilor rutiere, pistelor de aerodromuri si tablierelor de poduri;

• lucrari in mine si tuneluri;

• acoperisuri industriale;

• elemente refractare;

• repararea deversoarelor la baraje;

• stabilizarea taluzurilor.

In constructia de tuneluri, betonul armat cu fibre poate fi folosit sub forma torcretata, extrudata sau sub forma de elemente prefabricate. Avantajele principale ale torcretului armat cu fibre sunt: imbunatateste rezistenta la fisurare, rezistenta la intindere a betonului etc.

Din punct de vedere economic, utilizarea acestui beton reduce considerabil timpul de executie. O arie larga de utilizare este si consolidarea peretilor din zidarii sau beton ai tunelurilor existente partial avariate.

Utilizarea betonul armat cu fibre este si o solutie pentru intretinerea constructiilor in cazul necesitatii unei acoperiri optime a armaturii din otel, ceea ce conduce la marirea durabi­litatii si sigurantei prin protectia la coroziune a armaturii.

Betonul armat cu fibre, pus in opera prin pompare, poate fi utilizat in tehnologia de extrudare impreuna cu scuturile de tunel, obtinandu-se un sistem inchis de sustinere a suprafetei scutului de tunel pana la grosimea definitiva a constructiei, un sistem care are pe tot conturul contact direct cu suprafata sapaturii, reducand la minimum umplutura.

Exploatarile miniere folosesc betonul armat cu fibre atat pentru realizarea noilor galerii, cat si pentru repararea galeriilor existente.

Acest material s-a folosit si se foloseste la realizarea pardoselilor, a pistelor pentru aeroporturi, la constructia unor depozite si garaje subterane, la realizarea stalpilor pentru instalatiile electrice etc.

Betonul armat cu fibre este avantajos pentru realizarea fundatiilor de masini cu solicitari dinamice, datorita rezistentei sporite la soc, a comportarii favorabile la amortizare si la deformare.

In Marea Britanie, Belgia, Austria si Olanda conductele din beton armat cu fibre se folosesc in mod curent.

Consolidarea versantilor stancosi, a taluzurilor, realizata cu beton tor­cretat cu fibre, are avantaje tehnico-economice datorita unei bune adaptari a legaturii la structura terenului si reducerii timpului in procesele de armare.

Rezistenta la foc este marita prin utilizarea la armare a fibrelor ce protejeaza armatura longitudinala si transversala formata din bare.

La intretinerea si consolidarea constructiilor hidrotehnice supuse eroziunii, poate fi folosit eficient betonul armat cu fibre. Betonul armat cu fibre ofera o alternativa la armatura conventionala, avand ca avantaj timpul si costurile reduse de executie a lucrarilor.

In tabelul 3 prezentam cateva caracteristici tehnice ale diferitelor tipuri de elemente de constructii armate cu fibre de otel.

Prezentam, pe scurt, avantajele performantei fibrelor de metal in pavajele de beton:

• Forta de incovoiere – In timpul comportamentului critic post-fisurare a matricei de beton, poate fi demonstrata superioritatea fibrelor de otel, fibrele metalice cu ciocuri necesitand un aport sporit de energie pentru extragerea din matrice. Pentru un continut al fibrelor ce variaza de la 20 kg/m3 la 45 kg/m3 ordinul de crestere al rezultatului la incovoiere reziduala este de aproximativ 60%.

• Rezistenta la oboseala prin incovoiere a betonului cu fibre de otel este mai mare decat a betonului simplu. Fibrele metalice previn dezvoltarea unor fisuri majore in betonul supus sarcinilor ciclice. Rezistenta imbunatatita la oboseala permite fibre­lor de metal sa fie folosite eficient in pavaje, straturi de acoperire si acoperiri propriu-zise.

• Rezistenta la impact – Fibrele de otel sporesc rezistenta la impact a betonului prin abilitatea inerenta de a creste forta matricii si de a absorbi energia.

• Rezistenta la abraziune – Fibrele de otel sunt orientate aleatoriu si dispersate uniform in masa betonului. Rezultatul este ca suprafata betonului este mai bine armata astfel incat se mareste rezistenta la abraziune a betonului.

• Durabilitatea – Fibrele de otel au fost  folosite in diferite aplicatii ce implica o gama larga de conditii de mediu. Fibrele metalice s-au comportat bine pentru ca sunt scurte si discontinue. Aceste trasaturi imbu­natatesc rezistenta la coroziune cauzata de efectele oxidarii.

• Avantaje economice – Fibrele de otel introduse in beton aduc o gama de avantaje economice:

– Pregatire rapida si asternere a stratului de beton;

– Substituirea formelor conventi­onale de armare unde este cazul;

– Reducerea costului de munca ce este in mod normal asociat cu fixarea metalului;

– Reducerea posibila a grosimii dalelor;

– O mai usoara turnare a betonului;

– Fiabilitatea crescuta a rosturilor pe durata de viata a placii;

– Potentiale reduceri ale costului de intretinere.

In Laboratorul ICECON TEST din cadrul ICECON SA, s-au preparat 4 compozitii de betoane, din care 2 compozitii betoane martor si 2 com­pozitii betoane armate dispers cu fibre din otel (tabelul 4, Raport de incercare nr. RI – 13.10.405), dife­rentiate prin:

– dozajul de ciment: 332-580 kg/m3;

– dozajul de fibre metalice: 31 … 82 kg/m3;

– raport A/C 0,58… 0,33.

Rezultatele obtinute sunt prezentate in tabelul 4.

La compozitii si la lucrabilitati (exprimate prin grad de compac­tare), aproximativ egale, betoanele armate dispers asigura in raport cu betoanele simple (martori), urmatoarele:

• cresterea usoara a rezistentei la compresiune la 28 de zile si o crestere importanta a rezistentei la intindere la 28 de zile in functie de compozitie;

• contractii egale sau usor inferioare betoanelor martor, insa in cazul betoanelor armate dispers, datorita unei rezistente mai mari la intindere, se reduce sau elimina tendinta de finisare a betonului;

• o comportare ductila si capacitatea de a prelua solicitari si deformatii post varful de sarcina (fig. 2).

Fibrele metalice din beton utilizate ca armatura dispersa permit preluarea eforturilor de intindere induse de solicitarile la care este supus elementul de constructie din beton. Forma ondulata a fibrelor permite atat o buna ancorare in beton cat si a fibrelor intre ele, realizandu-se o retea uniforma, in intreg volumul elementului de constructie din beton.

Controlul productiei de beton armat dispers Si realizarea performantelor elementelor Si lucrarilor realizate

Controlul productiei de beton armat cu fibre din otel si realizarea performantelor elementelor si lucra­rilor realizate se face conform:

• codului de practica pentru lucrarile din beton, beton armat si beton precomprimat pentru lucrarile executate monolit;

• codului de practica pentru realizarea elementelor prefabricate din beton, beton armat si beton precomprimat pentru elementele prefabricate, cu urmatoarele precizari:

– fibrele metalice se controleaza pentru fiecare lot pe baza documentului de calitate emis de producator;

– pentru lucrari importante si in caz de dubiu, fibrele sunt controlate la un laborator de specialitate cu determinarea rezistentei la tractiune pe cel putin trei probe din sarma din care sunt fabricate fibrele sau cel putin 10 fibre. Se verifica si tole­rantele dimensionale si aspectul suprafetei, procedandu-se conform normelor in vigoare pentru fibrele neconforme;

– lucrabilitatea betonului armat cu fibre este indicat sa fie determinata prin metoda VE-BE sau a gradului de compactare si in mod informativ prin metoda raspandirii si a tasarii.

Concluzii

Datorita caracteristicilor sale (rezistenta la incovoiere, mai mare de trei ori decat a betonului conventional, rezistenta la oboseala, rezistenta la deteriorare in caz de impact – capacitate ridicata de a absorbi si disipa energia – permeabilitate mare, rezistenta la abraziune si exfoliere, eliminarea fisurilor), betonul armat cu fibre este un  material ideal pentru diferitele aplicatii mentionate.

Folosirea tehnicilor adecvate de preparare si punere in opera a betonului armat dispers cu fibre me­talice (chiar daca acestea sunt scumpe), asigura realizarea calitativa a lucrarilor, durate de executie reduse, cu consecinte economice favorabile.

De asemenea, un aspect fundamental in utilizarea betonului armat dispers cu fibre metalice il reprezinta autorizarea proceselor de fabricatie a fibrelor si a calitatii betonului ce urmeaza a fi pus in opera, acestea trebuind sa primeasca confirmarea ca indeplinesc caracteristicile si ce­rintele calitative prevazute in norme.

Proprietatile betonului armat cu fibre din otel sunt mai critice decat proprietatile fibrelor considerate in mod independent. Din acest motiv, standardul european SR EN 14889-1 “Fibre pentru beton. Partea 1: Fibre de otel. Definitii, specificatii si conformitate” este o “specificatie de performanta”, in masura in care se impune producatorilor sa declare un dozaj de fibre pentru a atinge un nivel minim de performanta (rezistenta la incovoiere reziduala post-fisurare) intr-un beton de referinta. Acest lucru permite utilizatorului sa compare echitabil performantele asteptate pe tipuri de fibre diferite. Aceste informatii, impreuna cu descrierea fibrei, rezistenta la tractiune, modulul de elasticitate si modul in care dozajul minim influenteaza consistenta (lucrabilitatea) sunt cuprinse pe eticheta atasata la fiecare sac cu fibre din otel.

Bibliografie

• Decizia:  99/469/EC, Familia de produse, produsul / utilizarea preconizata: Produse aferente betonului, mortarului si pastei de ciment (1/2): – Fibre (pentru utilizari structurale in beton, mortar si pasta de ciment);

• SR EN 14889-1:2007 “Fibre pentru otel. Partea 1: Fibre de otel. Definitii, specificatii si conformitate”;

• SR EN 206-1:2002 cu amendamentele SR EN 206-1:2005/A1 si SR EN 206-1:2006/A2 si erata SR EN 206-1/C91:2008.  „Beton. Partea 1: Specificatie, performanta, productie si conformitate”;

• GP-075-02 „Ghid pentru stabilirea criteriilor de performanta si a compozitiilor pentru betoanele armate dispers cu fibre metalice”;

• CP 012-1: 2007  „Cod de practica pentru executarea lucrarilor din beton, beton armat si beton precomprimat. Partea 1: Producerea betonului”;

• NE 012/2-2010  „Normativ pentru producerea betonului si executarea lucrarilor din beton, beton armat si beton precomprimat, Partea 2: Executarea  lucrarilor din beton”;

• CIOC, Aurora, BADIU, Marian, – „Fibre din otel pentru armarea betonului in conformitate cu standardul european armonizat SR EN 14889/1:2007”, Al XVII-leaSimpo­zion national de utilaje pentru constructii SINUC 2011. UTC  Bucuresti, decembrie 2011;

• CIOC, Aurora, BADIU, Marian, – “Cerinte din standardul european armonizat SR EN 14889-1 care trebuie indeplinite de fibrele din otel pentru armarea betonului” – Revista Constructiilor nr. 84 iunie2012;

• IOFCEA, Doina, BADIU, Marian, „Certificarea produselor de constructii – obligativitate si necesitate”, Conferinta tehnico-stiintifica internationala “Probleme actuale ale urbanismului si amenajarii teritoriului”: 15-16 noiembrie 2012, Chisinau;
• Prospecte produse SC CHIRCU PROD IMPEX COMPANY SRL Bucuresti;

• Prospecte produse SC NEOTEHNIC MACON SRL Bucuresti.

Autori:
dr. ing. Aurora CIOC, ICECON SA
dr. ing. Marian BADIU, ICECON SA
conf. dr. ing. Doina IOFCEA, Facultatea de Utilaj Tehnologic pentru Constructii 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 105 – iulie 2014, pag. 26