Бетон, армированный волокнами не просто лучше, чем арматура, а арматура не просто лучше, чем бетон, армированный волокном. Они выполняют разные задачи. В самом ясном инженерном смысле арматура по-прежнему является лучшим выбором для непрерывного первичного армирования при растяжении во многих балках, стенах, колоннах и подвесных перекрытиях, поскольку ACI объясняет, что арматура используется для обеспечения дополнительной прочности там, где она необходима, и что сталь обеспечивает прочность на растяжение в балках и перекрытиях, дополняет сжатие в колоннах и стенах и добавляет прочность на сдвиг в балках. В то же время в руководстве ACI по FRC объясняется, что волокна могут дополнять и уменьшать количество арматуры в различных конструкциях, а в некоторых областях применения, таких как плиты на грунте, тротуары, перекрытия, торкрет-облицовки, плиты на сваях и некоторые сборные блоки, волокна могут использоваться в качестве единственной арматуры.
Поэтому правильный ответ на заголовок таков: Армированный волокнами бетон лучше, когда проект требует распределенного контроля трещин, жесткости, остаточной прочности после трещин, более быстрой установки или менее традиционной обработки сетки; арматура лучше, когда конструкция нуждается в непрерывном, анкерном, привычном для кода растягивающем армировании через опоры и через критические секции. Во многих реальных проектах лучший ответ - не тот или другой. Это оба варианта. Стандарт ACI 544.4R прямо предусматривает гибридное армирование, что означает арматурный стержень плюс волокна, как определенная область применения для проектирования.
Они конкурируют не совсем одинаково
Одна из причин, по которой этот вопрос вызывает путаницу, заключается в том, что “бетон, армированный волокнами” охватывает несколько различных материалов. Стандарт ASTM C1116 классифицирует FRC по типу волокон: сталь, щелочестойкое стекло, синтетика, и натуральные целлюлозные волокна. Все они работают не одинаково. Синтетическое микроволокно с низкой дозировкой, используемое для контроля усадки пластика, не эквивалентно высокоэффективному стальному макроволокну, используемому для замены сварной арматуры в плите. Стандарт ASTM также четко указывает, что FRC - это все еще бетон, поставляемый в виде смешанного материала, а не отдельная структурная система, которая автоматически заменяет арматуру повсюду.
Арматура также является очень специфическим видом арматуры. Она непрерывна, укладывается до заливки и устанавливается в точных местах, чтобы пересекать опоры, крепиться в критических зонах, обеспечивать непрерывность соединений и противостоять известным растягивающим усилиям. Именно поэтому она до сих пор используется по умолчанию для многих конструкций. Волокна - это совсем другое. Они представляют собой короткие дискретные элементы, перемешанные по всему бетону, поэтому они обеспечивают трехмерное распределенное армирование, а не один непрерывный путь армирования. В этом различии и заключается суть сравнения.
Где арматура однозначно лучше
Арматура, безусловно, лучше, если конструкция нуждается в непрерывная первичная растягивающаяся арматура. В ACI 544.4R говорится, что в качестве консервативного и оправданного подхода в таких конструкциях, как балки, колонны, стены и подвесные перекрытия, следует использовать арматурные стержни для восприятия общей растягивающей нагрузки. Это одно предложение уже отвечает на большую часть вопроса. Если проект представляет собой обычную конструкцию каркаса, арматура по-прежнему является более безопасным ответом по умолчанию.
Это также верно, когда конструкция зависит от непрерывности армирования через опоры, стыки, края и локальные зоны напряжения. В руководстве по стальным/бетонным подвесным полам, разработанном Обществом бетона, объясняется, что волокна могут заменить номинальную стальную ткань в некоторых композитных плитах, но любая дополнительная арматура, необходимая для структурных целей, например, U-образные балки для краевых балок, все равно должна оставаться, и арматура также необходима для обеспечения непрерывности через строительные швы. Это практический взгляд на проблему. Волокна могут выполнять часть работы, но они не устраняют автоматически необходимость в правильно расположенных стержнях там, где важна непрерывность.
Арматура также является лучшим ответом, когда проектная группа хочет получить наиболее знакомый код и наименьшую двусмысленность в отношении долгосрочного поведения. Общество бетона отмечает, что макросинтетические волокна не заменяют конструкционную сталь, что их долгосрочные структурные характеристики при устойчивом повышенном напряжении не так хорошо изучены, и что ползучесть становится значительной проблемой при проектировании, когда эксплуатационные характеристики зависят от прочности волокна после растрескивания. В книге также предупреждается, что макросинтетические волокна размягчаются и плавятся при пожаре, теряя структурную способность. Это веская причина, по которой арматура остается лучшим решением для многих постоянных элементов зданий при длительных нагрузках и пожарных требованиях.
Где фибробетон лучше
Бетон, армированный фиброволокном, лучше использовать, когда проект требует распределенное армирование по всему объему бетона, особенно для борьбы с трещинами и повышения прочности. В стандарте ACI 544.4R говорится, что волокна надежно контролируют растрескивание и повышают устойчивость к разрушению, вызванному усталостью, ударными, усадочными и термическими нагрузками. Также поясняется, что волокна улучшают характеристики двумя основными способами: сопротивляясь растягивающим напряжениям и играя структурную роль, или контролируя развитие трещин и повышая долговечность. В этом и заключается настоящая сила FRC. Арматура сильна там, где она установлена. Волокна помогают везде в сечении.
FRC также часто лучше с точки зрения конструктивных особенностей. Поскольку фибра замешивается в бетон, она позволяет избежать многих проблем, связанных с размещением сварной сетки или легкой обычной арматуры в нужном месте. Бетонное общество отмечает, что в грунтовых несущих перекрытиях замена обычной сварной сетки на стальную фибру может компенсировать стоимость фибры за счет экономии рабочей силы и позволяет избежать проблем, вызванных неправильным размещением обычной стали в глубине перекрытия. FRCA также выделяет ускорение строительства, уменьшение опасности падения, более гибкие методы разгрузки и снижение стоимости на месте как общие преимущества при использовании фибры вместо обычной вторичной арматуры.
Еще одна область, в которой FRC часто оказывается лучше, - это характеристики плит и дорожных покрытий. FRCA утверждает, что использование волокнистой арматуры вместо сварной проволочной арматуры и стержней малого диаметра, используемых для температурного и усадочного армирования, оказалось экономически выгодным, и что стальные и синтетические макроволокна в больших количествах успешно используются для увеличения расстояния между швами в плитах на грунте, иногда устраняя сужающиеся швы. Руководство ACI по проектированию FRC и спецификация 2023 года также прямо указывают на плиты перекрытия и накладки как на основные области применения, где стальные, синтетические и стеклянные макроволокна могут заменить стальные стержни и сварную проволочную арматуру при соблюдении эксплуатационных требований.
Когда волокна могут заменить арматуру
Самый честный ответ заключается в том, что волокна могут заменить несколько арматура в несколько но не вся арматура в любом бетоне. ACI SPEC-544.12-23 особенно полезен здесь, потому что он актуален и очень конкретен. В нем говорится об армированном фиброволокном бетоне для наземных и надземных перекрытий и говорится, что он применяется к стальному, синтетическому и стеклянному макроволокну, используемому для замены арматурных стальных стержней и сварной проволочной арматуры. Это прямое, основанное на стандартах заявление о том, что волокна могут заменить обычную арматуру в этих областях применения.
ACI 544.4R выражает ту же идею в более широком смысле. В нем говорится, что там, где непрерывное армирование не является необходимым для обеспечения безопасности и целостности конструкции, например, в плитах на грунте, тротуарах, накладках, торкрет-бетонных облицовках, плитах на сваях и некоторых сборных конструкциях, фибра может использоваться в качестве единственного средства армирования. Именно поэтому промышленные полы, внешние асфальтированные площадки, торкрет-бетон и некоторые сборные изделия являются такими сильными рынками для стальной фибры и макросинтетических волокон.
Существуют также особые случаи, когда FRC может заменить традиционную арматуру даже в более сложных областях применения. В отчете ACI о сегментах сборных железобетонных туннелей говорится, что волокнистая арматура стала альтернативой традиционным арматурным стержням и сварным сеткам в этой области из-за улучшенного поведения после растрескивания и контроля трещин. Это важно, поскольку показывает, что волокна не ограничиваются использованием в легких условиях. Но это все же специализированное, разработанное применение с собственными рекомендациями, а не общее правило для всего конструкционного бетона.
Не все волокна могут заменить арматуру
Это одна из самых важных частей статьи. Не все волокна заменяют арматуру. FRCA объясняет, что малообъемные синтетические микроволокна и натуральные волокна в основном используются для борьбы с растрескиванием при пластической усадке и обычно дают мало пользы, если вообще дают, в затвердевшем бетоне, за исключением некоторых ограниченных случаев использования фибриллированных микроволокон для замены самой легкой сварной проволочной арматуры в плитах на земле. Спецификация ACI на плиты перекрытий, основанная на эксплуатационных характеристиках, также четко определяет это различие, говоря, что она применяется к макроволокнам, используемым для замены арматурных стержней и сварной проволочной арматуры, и что микроволокна для контроля ширины трещин пластической усадки к ним не относятся.
Поэтому если кто-то сравнивает “фиброармированный бетон” с арматурой, не называя тип волокна, сравнение будет неполным. Плита с малой дозой микрополипропиленового волокна не конкурирует с плитой, армированной арматурой. Правильно спроектированная плита из стального волокна или макросинтетического волокна может конкурировать с арматурой из сварной проволоки или номинальной арматурой из стержней при правильном применении. Тип волокна, дозировка и данные испытаний определяют ответ.
Когда арматура должна оставаться
Даже при использовании волокон арматура часто остается в проекте, если конструкция имеет концентрированные растягивающие усилия, сильные требования к непрерывности или критические условия по краям и опорам. Руководство по подвесным полам от Concrete Society очень практично в этом вопросе: волокна могут заменить номинальную ткань, но дополнительное структурное армирование и армирование непрерывности все равно остается там, где это необходимо. Это соответствует более широкой позиции ACI, согласно которой арматура должна поддерживать общую растягивающую нагрузку в балках, стенах, колоннах и многих надземных перекрытиях.
Есть и простая причина, связанная с уверенностью проектировщика. Арматура размещается именно там, где проектировщик хочет получить прочность на разрыв. Волокна распределены случайным образом, даже если они хорошо перемешаны. Такое случайное распределение является преимуществом для борьбы с трещинами, но оно не всегда является лучшим ответом в тех случаях, когда траектории действия сил очень специфичны. В заметке FRCA “Волокна против обычного армирования” говорится, что при существующей технологии конструкционная сталь, разработанная в соответствии с ACI 318 в балках, колоннах, подвесных настилах и консольных секциях, не может быть уменьшена или заменена макроволокнами, хотя ACI 318 допускает использование стальных волокон в качестве сдвигового армирования в определенных случаях. Это хороший пример реальной пограничной линии: фибры играют все большую конструктивную роль, но арматура все еще контролирует большинство конструкций первичного армирования.
Почему лучшим ответом часто является оба варианта
Во многих современных бетонных конструкциях самым сильным ответом является гибридное армирование. ACI 544.4R прямо перечисляет гибридное армирование, то есть арматура плюс волокна, среди основных областей применения, обсуждаемых в руководстве по проектированию. В нем также говорится, что волокна могут дополнять и уменьшать количество арматурных стержней в различных конструкциях. Обычно это наиболее сбалансированный способ использования FRC в строительстве. Арматура обеспечивает известное непрерывное растяжение. Волокна улучшают контроль над трещинами, вязкость, сопротивление усадке и поведение после трещин во всем сечении.
Эта гибридная логика также проявляется в исследованиях растрескивания мостовых настилов. Опубликованные ACI исследования железобетонных мостовых настилов показали, что добавление волокон без изменения деталей внутреннего стального армирования уменьшает тяжесть и протяженность трещин, увеличивает нагрузку на трещину и приводит к уменьшению ширины трещин по сравнению с идентичными образцами без волокон. Это не означает, что стержни были удалены. Это означает, что волокна улучшили характеристики системы, армированной арматурой. Для многих инженеров это наиболее реалистичный способ сравнения FRC и арматуры: не как враги, а как материалы, которые часто работают лучше всего вместе.
В компании Ecocretefiber™ мы объясняем рынок именно так. Клиенты часто спрашивают, стоит ли им “переходить с арматуры на фибру”. Более правильный вопрос обычно звучит так: “С какой частью работ по армированию фибра может хорошо справиться на данном проекте, а какая часть все еще нуждается в стержнях?” Компания Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd. поддерживает такой подход к выбору материалов с учетом их эксплуатационных характеристик, потому что он приводит к созданию более качественных перекрытий, более качественного торкрет-бетона, более качественных сборных конструкций и меньшему количеству ошибочных замен.
Самое практичное правило покупки и дизайна
Хорошее правило очень простое. Если работа заключается в основном в контроль усадки пластмассы, распределенный контроль трещин, повышенная прочность, ускоренное строительство перекрытий, уменьшенная обработка сетки, или замена номинальной арматуры в плитах перекрытия, накладках, торкрет-бетоне и некоторых сборных элементах, Для этой цели бетон, армированный волокнами, может оказаться лучше арматуры. Если работа заключается главным образом в непрерывное структурное напряжение, поддержка непрерывности, действие консолей, конструкция рамы, или Первичные пути нагрузки с высокой степенью достоверности, Как правило, лучше использовать арматуру. Если требуется одновременно бороться с трещинами и обеспечивать прочность конструкции, лучшим вариантом часто является гибридная система.
Именно поэтому проектная документация имеет большее значение, чем лозунги. ACI, ASTM и Concrete Society указывают на необходимость выбора с учетом характеристик, а не на пустую замену. Волокна могут быть отличным армированием. Но они не являются универсальным решением при проектировании конструкций, и арматура не всегда является самым разумным выбором для каждой плиты или обделки туннеля. Правильный выбор зависит от функции арматуры в данном конкретном элементе.
Заключение
Фиброармированный бетон не лучше арматуры в общем смысле. Он лучше для одних работ, а арматура - для других. Арматура остается лучшим выбором для первичного непрерывного растягивающего армирования во многих балках, стенах, колоннах, консолях и подвесных плитах. Армированный волокнами бетон часто является лучшим выбором для контроля распределенных трещин, вязкости, ударной и усталостной прочности, а также для замены сварной проволоки или номинальной арматуры во многих плитах на земле, тротуарах, перекрытиях, торкрет-обделках, а также в некоторых сборных конструкциях и тоннелях.
Поэтому самый точный окончательный ответ таков: Бетон, армированный волокнами, не является универсальной заменой арматуре, но он может превосходить ее по определенным функциям армирования, особенно в перекрытиях и для борьбы с трещинами. Во многих реальных проектах в наилучшем варианте используются оба варианта. Такова позиция, поддерживаемая текущими рекомендациями ACI и отраслевого руководства, а также позиция, которую мы поддерживаем в Ecocretefiber™. Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd. считает, что лучшее решение для армирования - это то, которое точно соответствует роли, которую должен выполнять бетон.
