Betonul armat cu fibre

Istoric

Armarea cu fibre a materialelor casante are o vechime milenara. Caramizile nearse au fost armate cu paie sau cu par de animale pentru a evita fisurarea si micsorarea rezistentei dupa aparitia unei fisuri. Extrapolarea s-a realizat de la argila la ciment. Betonul armat cu fibre de otel are o istorie de peste un secol, elementele de constructii cu forme diferite s-au realizarea din acest material având o rezistenta marita si o buna lucrabilitate.
Se mentioneaza ca primul patent se refera la elemente din beton armat cu fibre, dateaza din 1874 si a fost realizat în California (SUA) de A. Berard, care a încercat sa fortifice betonul prin adaugarea unor resturi de otel inegale.
În 1918, în Franta H. Alfsen, a anticipat o îmbunatatire a rezistentei betonului la întindere, prin adaugarea de fibre mai lungi din otel, lemn si alte materiale. La aceste elemente s-a evidentiat influenta suprafetei fibrei asupra comportarii la interfata, fibra-matrice, ca de exemplu îndoirile fibrelor, sau prin utilizarea de geometrii diferite.
În 1927 în California, G. C. Martin breveteaza realizarea de conducte din beton armat cu fibre de otel (fig. 1).

Fig. 1 - Patentul lui G.C.Martin, 1927. Reproducere

În lucrarie inginerului român Gogu Constantinescu, din 1943 în Anglia si 1945 în SUA se detaliaza noul material, betonul armat cu fibre de otel, în conceptul utilizarii actuale.
Studiile inginerului român contin informatii asupra modului de distributie a fisurilor si marirea capacitatii de preluare a eforturilor (fig. 2). 

Fig.2. - Patentul inginerului român
Gogu Constantinescu, 1954. Reproducere.

În anii urmatori au aparut noi patente în SUA, Franta si Germania. Utilizarea pe scara larga a acestui material a fost limitata de costurile ridicate, dar în special de dezvoltarea betonului armat obisnuit.
Pâna la începutul anilor ‘60 se observa o dezvoltare incerta a acestui material, marcata de utilizari de mica importanta.
În continuare se poate evidentia o etapa de dezvoltare ascendenta. În paralel cu formularea principiilor teoretice, s-a dezvoltat un domeniu larg de utilizare a betonul armat cu fibre de otel.
La începutul anilor ‘70 s-a extins cercetarea pe plan international. Mentionam cercetarile din Germania de la Universitatea Ruhr din Bochum, în realizarea betonului armat cu fibre de otel, utilizat la peretii interiori ai metroului. S-au studiat proprietatile mecanice, tehnologice ale materialului si tehnologii de fabricatie ale betonului torcretat.
În 1972 s-a realizat o utilizare practica a acestui material la lucrarile de consolidare a tunelului din Idaho - SUA.
În perioada 1974-1976 s-au realizat cercetari sistematice în Germania, la Institutul pentru Constructii Ingineresti de la Universtatea Ruhr din Bochum, cu privire la utilizarea betonului torcretat cu fibre de otel, la constructiile miniere din muntii Alpi.
În 1989 se utilizeaza cu succes acest material la constructia unui tunel de metrou (de 100 metri) în Bielefeld - Germania.

Betonul armat cu fibre de otel nu poate înlocui betonul armat obisnuit. Exista însa domenii de utilizare, în care betonul armat cu fibre de otel poate fi folosit alternativ sau în completare, la cel cu armatura din otel-beton, oferind avantaje constructive si economice.
Fibrele de otel îmbunatatesc proprietatile betonului simplu. Oportunitatea utilizarii armarii cu fibre de otel apare în situatia folosirii unui procent mic de armare, sau în cazul armarii constructive a betonului armat obisnuit.

Posibilitatile de utilizare se maresc, datorita îmbunatatirii comportarii la fisurare, a micsorarii deformatiilor din contractii prin uscare sau din marirea rezistentei la forfecare.
Un domeniu important îl constituie elementele de constructie solicitate dinamic, la care se poate mari capacitate de preluare a energiei din aceasta solicitare.
Domeniile de utilizare a betonului armat cu fibre de otel au o arie extinsa, din care mentionam: conducte din beton, ziduri de sprijin, elemente subtiri de fatada, trepte prefabricate, piste pentru aeroporturi, fundatii de masini, cofraje pierdute, lucrari de consolidare la tuneluri cu beton torcretat etc.
Utilizatorii pe scara larga a acestui material sunt SUA, Japonia, Norvegia, Suedia, Germania la care se adauga tarile din Europa de Est.
În constructia de tuneluri betonul armat cu fibre de otel poate fi folosit sub forma torcretata sau din elemente prefabricate. Acest material a modernizat si dezvoltat constructia clasica de tuneluri. Fibrele de otel influenteaza proprietatile betonului din peretii tunelului producând modificari în tehnologia de executie a acestor constructii.
Betonul torcretat armat cu fibre de otel este folosit împreuna cu o retea de otel-beton sub forma de plase, arcade pentru consolidarea peretilor supusi împingerii pamântului sau pentru asigurarea în prealabil a interiorului tunelului.
Folosirea betonului torcretat cu fibre de otel la conceptia si executia peretilor multistrat, ai tunelului, ofera avantajul renuntarii la executarea lucrtarilor de cofrare, micsorând timpul si costurile executiei.
Utilizarea betonul torcretat cu fibre de otel mareste siguranta în constructia de tuneluri.
O arie larga de utilizare este si consolidarea peretilor, din zidarii sau beton a tunelurilor existente partial avariate. Acest material este si o solutie, pentru întretinerea constructiilor, în cazul necesitatii unei acoperiri optime a armaturii din bare, ce conduce la marirea durabilitatii si sigurantei, prin protectia la coroziune a armaturii.
Betonul pompat cu fibre de otel este folosit pentru consolidarea peretilor interiori, cu un strat suplimentar sau ca un element unic de consolidare si la captusirea stâlpilor structurali.
Avantajele acestui material îl constituie tehnologia simpla de fabricatie, datorita eliminarii armaturii din otel-beton, obtinându-se o omogenitate a betonului ce îl recomanda la cofraje de captusire sau a cofrajelor alunecatoare. Aceasta conduce la micsorarea timpului de executie, prin eliminarea stratului de acoperire a armaturii.
Betonul pompat cu fibre de otel poate fi utilizat în productia extrudata împreuna cu scuturile de tunel. Obtinându-se un sistem închis de sustinere între suprafata scutului de tunel pâna la grosimea definitiva a constructiei, un sistem care are pe tot conturul contact direct cu suprafata sapaturii, reducând la minim umplutura.
Tuneluri din elemente prefabricate. Betonul armat cu fibre de otel poate fi utilizat si pentru confectionarea elementelor sub forma de tuburi prefabricate. Confectionarea este simpla, usoara, cu omogenitate sporita datorita eliminarii armaturilor din bare de otel-beton. Riscul fisurarii tuburilor se micsoreaza la transport si la introducerea prin împingere, datorita presiunilor mari. Se recomanda îmbinari solicitate la încovoiere combinate cu rosturi longitudinale.
În exploatarea miniera. Betonul torcretat cu fibre de otel poate deveni un element important în conceptia galeriilor, datorita timpului redus de executie, a rezistentei initiale marite, a ductilitatii si a comportarii favorabile dupa fisurare în comparatie cu betonul armat obisnuit. Dupa producerea fisurilor materialul prezinta o rezistenta ce ofera o siguranta sporita în exploatare.
În tarile dezvoltate, se deschid anual galerii cu lungimi mari (sute de km), dintre care o parte importanta se realizeaza în teren stâncos. Galeriile sunt realizate cu arcade de otel, ce reduc riscul producerii unor deformari semnificative.
Galeriile trebuie întretinute în permanenta, iar cheltuielile anuale sunt foarte mari (sute milioane EU). Cresterea adâncimii galeriilor, în teren stâncos cu o durata de 12 ani, conduce la o întretinere neeconomica. Din acest motiv s-au luat în considerare si în exploatarea miniera dezvoltarea conceptiei de construire si consolidare utilizând betonul armat cu fibre de otel.
Constructii ingineresti si elemente prefabricate. Din beton armat cu fibre de otel în combinatie cu bare din otel-beton. Betonului armat cu fibre de otel se utilizeaza la elementele în care solicitarea la încovoiere este nesemnificativa, iar din motive constructive, armarea cu fibre de otel alaturi de barele din otel-beton va prelua eforturile de contractie.
Armarea cu fibre de otel se utilizeaza la elemente prefabricate cu pereti subtiri pentru fatada, camine de vizitare, garaje, ziduri cu traversari multiple, spatii de patrundere.
Utilizarea elementelor de constructie din beton armat cu fibre de otel poate reduce cheltuielile lucrarilor de armare, în zonele cu concentrari de eforturi, la colturile golurilor unde sunt preluate prin armarea constructiva.
Avantajele folosirii betonului armat cu fibre de beton sunt evidente la prefabricatele cu dimensiuni reduse, la care costurile de armare cu bare sunt ridicate iar stratul de protectie având un rol major în grosimea finala.
Greutatea redusa a prefabricatelor este un avantaj, la placile de fatada, la lucrari de consolidare si la transportul elementelor. Rezistenta betonului armat cu fibre de otel în stare proaspata accelereaza procesul de fabricatie, ceea ce conduce la reducerea cheltuielilor de productie.
Armarea cu fibre de otel conduce la marirea rezistentei betonului la forfecare, ceea ce faciliteaza reducerea armaturii sub forma de etrieri, îmbunatateste durabilitatea betonului, micsoreaza tendinta de contractie, îmbunatatind comportarea la fisurare si realizeaza o acoperire favorabila a armaturii din barele de otel previnind coroziunea.
Dale carosabile utilizate la suprastructura si la placile de fundare a cailor de comuncatii. În cazul unor încarcaturi mari sau la un ecartament de îmbinare marit apare necesara armarea cu fibre de otel. Supraîncarcarea la trecerea mijloacelor de transport de tonaj mare se recomanda folosirea unor placi cu grosime de 15-25cm. La aceasta grosime a placilor se reduce riscul aparitiei fisurilor, în cazul diferentelor de temperatura, cantitatea de armatura trebuie sa fie relativ mare.
Betonul armat cu fibre de otel are avantaje comparativ cu betonul armat traditional, în cazul proprietatilor mecanice specifice, rezistenta la soc si uzura. Având o utilizare eficienta la pardoselile industriale si la placile carosabile.
Comportarea favorabila se datoreaza capacitatii de a prelua eforturile ce apar în faza de hidratare, reducând riscul fisurarii betonul armat cu fibre de otel.
Betonul armat cu fibre de otel în comparatie cu betonul obisnuit prezinta avantaje pentru placile suport ale pardoselii în zona rosturilor, evitând fisurarea.
În SUA au fost construite din beton armat cu fibre de otel piste de decolare si de aterizare pentru avioane.

Fundatii cu solicitare dinamica. Rezistenta la solicitarea dinamica pentru majoritatea materialelor de constructie este mai mica decât solicitarea statica.
Betonul armat cu fibre de otel este avantajos în realizarea fundatiilor de masini cu solicitari dinamice, datorita rezistentei sporite la soc, a comportarii favorabile la amortizare si la deformare. Solicitarile variate, la socuri repetate, pot fi absorbite de betonului armat cu fibre de otel. Avantajele tehnice si economice ale betonului armat cu fibre de otel la fundatiile de masini cu solicitare dinamica se concretizeaza prin economii la armatura longitudinala, etrieri (fig. 3).

Fig.3. – Fundatii de masini. Utilizarea comparativa a betonului armat obisnuit (a) si a betonului armat cu fibre din otel (b)

Conducte. În Ungaria în anii ‘70 s-au realizat conducte din beton armat cu fibre de otel cu diametru de 1-1,5m. Armarea cu fibre de otel a redus riscul aparitiei fisurilor în conditii de solicitare prin variatia temperaturii si a contractiei betonului.
La aceste elemente de constructii s-au evidentiat si alte avantaje ale betonului armat cu fibre de otel:

• rezistenta îmbunatatita în stare proaspata,
• rezistenta la solicitarea de întindere circulara din încovoiere,
• comportare buna la fisurare,
• reducerea lucrarilor de armare, din bare de otel-beton.

La solicitari de întindere circulara din încovoiere, pentru un continut de fibre de 55kg/m3 beton si o valoare A/C de 0,36 s-a obtinut o rezistenta la întindere din încovoiere, de 12-14N/mm2.
Conductele din beton pozate în pamânt pot fi supuse unor solicitari de compresiune la partea superioara existând posibilitatea de marire a grosimii peretilor, de micsorare a lungimii conductelor si de armare a acestora. Aceasta determina procese dificile de executie, îndeosebi la profilurile ovale ale conductelor.
În Marea Britanie, Belgia, Austria si Olanda conductele din beton armat cu fibre de otel se folosesc în mod curent. Rezistenta marita la uzura si cea necesara la întindere a betonului armat cu fibre de otel sunt folosite la repararea si consolidarea sistemelor de canalizare cu beton torcretat cu fibre de otel.
Consolidarea taluzurilor si versantilor. Peretii stâncosi ce s-ar putea prabusi din cauza actiunilor climatice. Taluzurile abrupte de-a lungul soselelor si cailor ferate trebuie asigurate în mod constant, pentru a mentine zona de trafic în siguranta, libera la circulatie rutiera, feroviara si de persoane.
Consolidarea versantilor stâncosi, a taluzurilor realizata cu beton torcretat cu fibre de otel, are avantaje tehnico-economice, datorita unei bune adaptari a legaturii la structura terenului si micsorarea timpului în procesele de armare. Rezistenta la uzura si la socuri, ofera conditii pentru protejarea constanta a versantilor împotriva actiunilor climatice (precipitatii, înghet, avalanse).
Constructii rezistente la solicitari de impact. Impactul poate proveni din rezultatul unei împuscaturi, solicitari dinamice din seism, fisurarea rezervoarelor, prabusirea unui avion. Prin utilizarea betonului armat, în forma unei retele de cabluri consolidate cu fibre de otel, energia cinetica este folosita în procesul de schimbare a formei, întrucât structura betonului în combinatie cu fibrele, reduce riscul fisurarii.
Criteriile esentiale în comportarea la impact sunt preluarea si amortizarea energiei, influentata favorabil de lungimea si procentul de armarea al fibrelor de otel.

Stâlpi structurali. Rezistenta la foc este marita prin utilizarea betonului armat cu fibre de otel, ce protejeaza armatura din bare, longitudinala si transversala.
În cazul stâlpilor structurali solicitati doar la compresiune nu se observa nici un avantaj economic evident la folosirea fibrelor de otel. Folosirea betonului armat cu fibre de otel s-a dovedit eficienta pentru stâlpii cu sectiune redusa, solicitati la compresiune cu flambaj, unde se înregistreaza deteriorari prin fisurarea betonului la îmbinari. În zonele în care se transmite o sarcina mare, s-a stabilit ca fibrele de otel pot înlocui armatura puternica din etrieri, în situatia când în sectiunea longitudinala se asigura introducerea directa a sarcinii, (spre exemplu prin dispunerea unei placi rigide în capatul stâlpului).
Repararea si consolidarea elementelor de constructie din beton supuse uzurii, de natura mecanica sau datorita exploatarii îndelungate a cladirii. Deteriorarile betonului din constructii sunt influentate de conditiile de mediu. Luarea în considerare a uzurii si a suprasolicitari este necesara pentru a readuce constructia în starea de exploatare normala.
Betonul torcretat cu fibre de otel se dovedeste o solutie eficienta pentru întretinerea în stare buna a constructiilor din beton, realizând avantaje tehnico-economice, conservare pe termen lung, comportare buna la fisurare si micsorarea tendintei din contractii. Aceasta solutie este favorabila în cazul suprafetelor deteriorate ce trebuie consolidate au grosimi diferite. Betonul torcretat cu fibre de otel poate fi utilizat imediat dupa curatarea suprafetei ce trebuie reparata, indiferent de presiunea ce trebuie suportata si adaptata oricarei geometrii prestabilite.
La întretinerea si consolidarea constructiilor hidrotehnice, supuse eroziunii, poate fi folosit eficient betonul armat cu fibre de otel. Betonul armat cu fibre de otel ofera o alternativa la armatura conventionala, având ca avantaj timpul si costurile reduse de executie a lucrarilor de întretinere. Folosirea betonului torcretat cu fibre de otel reduce grosimea noului strat de protectie.
Elementele de constructii noi sau reabilitate cu beton armat cu fibre de otel, utilizate de câteva secole si cu o pâlnie larga de folosire, având avantaje tehnico-economice evidente, trebuie sa intre în atentia specialistilor.