Betonul armat cu fibre metalice (de oțel).

Armarea cu fibre a materialelor casante are o vechime milenară. Cărămizile nearse au fost armate cu paie sau cu păr de animale pentru a evita fisurarea şi micşorarea rezistenţei după apariţia unei fisuri. Extrapolarea s-a realizat de la argilă la ciment. Betonul armat cu fibre de oţel are o istorie de peste un secol, elementele de construcţii cu forme diferite sau realizarea din acest material având o rezistenţă mărită şi o lucrabilitate mai bună.  

Primul patent ce se referă la elemente din beton armat cu fibre, datează din 1874 şi a fost realizat în California (SUA) de A. Berard, care a încercat să fortifice betonul prin adăugarea unor resturi inegale de oţel. În prezent fibrele metalice ce se amestecă în beton arată ca în fotografia de mai jos:

În anii următori au aparut noi patente în SUA, Franţa şi Germania. Însă utilizarea pe scară largă a acestui material a fost limitată de costurile ridicate, dar în special de dezvoltarea betonului armat obişnuit şi până la începutul anilor ‘60 se observă o dezvoltare incertă a acestui material, marcata doar de utilizări în cadrul unor lucrări de mică importanţă. În continuare se poate evidenţia o etapă de dezvoltare ascendentă. În paralel cu formularea principiilor teoretice, s-a dezvoltat un domeniu larg de utilizare a betonul armat cu fibre metalice.

La începutul anilor ‘70 s-a extins cercetarea pe plan internaţional. Menţionăm cercetările din Germania de la Universitatea Ruhr din Bochum, în realizarea betonului armat cu fibre de oţel, utilizat la pereţii interiori ai metroului. S-au studiat proprietăţile mecanice, tehnologice ale materialului şi tehnologii de fabricaţie ale betonului denumit mai nou "torcretat". În 1972 s-a realizat o utilizare practică a acestui material la lucrările de consolidare a unui tunel din Idaho - SUA. În perioada 1974-1976 s-au realizat cercetări sistematice în Germania, la Institutul pentru Construcţii Inginereşti de la Universtatea Ruhr din Bochum, cu privire la utilizarea betonului torcretat cu fibre de oţel, la construcţiile miniere din munţii Alpi. În 1989 se utilizează cu succes acest material la construcţia unui tunel de metrou (de 100 metri) în Bielefeld - Germania.

Domenii de utilizare:

Betonul armat cu fibre metalice nu poate înlocui betonul armat obişnuit. Există însă domenii de utilizare, în care betonul armat cu fibre de oţel poate fi folosit alternativ sau în completare la cel cu armatură din oţel-beton, oferind avantaje constructive dar şi economice. Fibrele metalice îmbunătăţesc proprietăţile

betonului simplu. Oportunitatea utilizării armării cu fibre de oţel apare în situaţia folosirii unui procent mic de armare, sau în cazul armării constructive a betonului armat obişnuit.

Posibilităţile de utilizare se măresc, datorită îmbunătăţirii comportării la fisurare, a micşorării deformaţiilor din contracţii prin uscare sau din mărirea rezistenţei la forfecare. Un domeniu important îl constituie elementele de construcţie solicitate dinamic, la care se poate mări capacitate de preluare a energiei prin adăugarea de fibre metalice în beton. În prezent domeniul de utilizare a betonului armat cu fibre metalice are o arie extinsă, din care menţionăm: conducte din beton, ziduri de sprijin, elemente subţiri de faţadă, trepte prefabricate, piste pentru aeroporturi, fundaţii de maşini-unelte, cofraje pierdute, lucrări de consolidare la tuneluri cu beton torcretat, etc.

Mai jos  aveţi imaginea unei secţiuni dintr-o pardoseală armată cu fibre metalice:

În constructia de tuneluri betonul armat cu fibre metalice poate fi utilizat sub formă torcretată (beton proaspăt, turnat la faţa locului) sau elemente prefabricate. Acest material a modernizat şi dezvoltat construcţia clasică de tuneluri. Fibrele metalice îmbunătăţesc semnificativ proprietăţile betonului din pereţii tunelului simplificând astfel tehnologia de execuţie a acestor construcţii.

Betonul torcretat armat suplimentar cu bare de oţel este folosit pentru consolidarea pereţilor supuşi împingerii pământului sau pentru asigurarea în prealabil a interiorului unui tunel. Folosirea betonului torcretat cu fibre metalice la concepţia şi execuţia pereţilor multistrat, ai tunelului, oferă avantajul renunţării la executarea lucrărilor de cofrare, micşorând timpul şi costurile execuţiei. Astfel, utilizarea betonului torcretat cu fibre de oţel măreşte siguranţa în construcţia de tuneluri. O arie largă de utilizare este şi consolidarea pereţilor, din zidării sau beton a tunelurilor existente parţial avariate. Acest material este şi o soluţie, pentru întreţinerea construcţiilor, în cazul necesităţii unei acoperiri optime a armăturii din bare, ce conduce la mărirea durabilităţii şi siguranţei prin protecţia la coroziune a armăturii.

Betonul pompat cu fibre metalice este folosit pentru consolidarea pereţilor interiori, cu un strat suplimentar sau ca un element unic de consolidare la căptuşirea stâlpilor structurali. Avantajele acestui material îl constituie tehnologia simplă de fabricaţie, datorită eliminării armăturii din oţel-beton, obţinându-

se o omogenitate a betonului ce îl recomandă la cofraje de căptuşire sau a cofrajelor alunecătoare. Aceasta conduce la micşorarea timpului de execuţie, prin eliminarea timpului necesar realizării armăturii de oţel). Betonul pompat cu fibre metalice poate fi utilizat în producţia extrudată împreună cu scuturile de tunel. Se obţine un sistem închis de susţinere între suprafaţa scutului de tunel până la tavanul săpăturii, realizîndu-se astfel un sistem în care se va pompa beton torcretat ce va umple toate golurile, monolitizând astfel structura.

Tuneluri din elemente prefabricate. Betonul armat cu fibre metalice poate fi utilizat şi pentru confecţionarea elementelor sub formă de tuburi prefabricate. Confecţionarea este simplă, uşoară, cu omogenitate sporită datorită eliminării armăturilor din bare de oţel-beton. Se micşorează astfel riscul fisurării tuburilor la transport sau la introducerea prin împingere, datorită presiunilor mari. De asemenea se recomandă ca îmbinările solicitate la încovoiere să fie combinate cu rosturi longitudinale.

În exploatarea minieră. Betonul torcretat cu fibre metalice poate deveni un element important în concepţia galeriilor, datorită timpului redus de execuţie, a rezistenţei iniţiale mărite, a ductilităţii şi a comportării favorabile după fisurare în comparaţie cu betonul armat obişnuit. Chiar şi după producerea fisurilor materialul torcretat prezintă totuşi o rezistenţă ce oferă o siguranţă sporită în exploatare. În ţările dezvoltate, se deschid anual galerii cu lungimi mari (sute de km), dintre care părţi importante se realizeaza în teren stâncos. Galeriile sunt realizate cu arcade de oţel, ce reduc riscul producerii unor deformări semnificative. Galeriile trebuie însă întreţinute în permanenţă, iar cheltuielile anuale sunt foarte mari (în cazul companiilor miniere mari, de sute milioane EU). Creşterea adâncimii galeriilor în teren stâncos cu o durată de exploatare de 12 ani şi mai mare, conduce la o întreţinere neeconomică. Din acest motiv s-au luat în considerare şi în exploatarea minieră dezvoltarea concepţiei de construire şi consolidare utilizând betonul armat cu fibre metalice.

Construcţii inginereşti şi elemente prefabricate din beton armat cu fibre metalice în combinaţie cu bare din oţel-beton. Betonul armat cu fibre de oţel se utilizează la elementele în care solicitarea la încovoiere este nesemnificativă, iar din motive constructive, armarea cu fibre de oţel alături de barele din oţel-beton va prelua eforturile de contracţie.Armarea cu fibre metalice se utilizează la elemente prefabricate cum sunt: pereţi subţiri pentru faţadă, cămine de vizitare, garaje, ziduri cu traversări multiple, spaţii de pătrundere.Utilizarea elementelor de construcţie din beton armat cu fibre de oţel poate reduce cheltuielile lucrărilor de armare, în zonele cu concentrări de eforturi, la colţurile golurilor unde sunt preluate prin armarea constructivă. Avantajele folosirii betonului armat cu fibre metalice sunt evidente la prefabricatele cu dimensiuni reduse, la care costurile de armare cu bare sunt ridicate. Rezistenţa iniţială mai mare a betonului armat cu fibre metalice accelerează procesul de fabricaţie, ceea ce conduce la reducerea cheltuielilor de producţie. Armarea cu fibre de oţel conduce şi la mărirea rezistenţei betonului la forfecare, ceea ce facilitează reducerea armăturii sub formă de etrieri, îmbunătăţeşte durabilitatea betonului, micşorează tendinţa de contracţie, îmbunătăţind comportarea la fisurare şi realizează o acoperire favorabilă a armăturii (barele de oţel) previnind astfel coroziunea.

Dale carosabile utilizate la suprastructura şi la plăcile de fundare ale căilor de comuncaţii. În cazul unor încărcături mari sau la un ecartament de îmbinare mărit apare necesitatea armării suplimentare cu fibre metalice. Pentru a preveni supraîncărcarea la trecerea mijloacelor de transport de tonaj mare se recomandă turnarea unor plăci de beton cu grosimea de 15-25cm. La această grosime a plăcilor se reduce riscul apariţiei fisurilor şi mai trebuie avut în vedere, în cazul diferenţelor de temperatură (sezonalitatea iarnă vară), cantitatea de armătură va fi mai mare pentru a conferi durabilitate in timp betonului. Betonul armat cu fibre metalice are avantaje comparativ cu betonul armat tradiţional, în cazul proprietăţilor mecanice specifice de tipul rezistenţei la şoc şi la uzură, având o utilizare eficientă la pardoselile industriale şi la plăcile carosabile. Comportarea favorabilă se datorează capacităţii de a prelua eforturile ce apar în faza de hidratare, reducând riscul fisurării ulterioare a betonul armat cu fibre de oţel. În SUA au fost construite din beton armat cu fibre de oţel piste de decolare şi de aterizare pentru avioane. 

Fundaţii cu solicitare dinamică. Rezistenţa la solicitarea dinamică pentru majoritatea materialelor de construcţii este mai mică decât la solicitarea statica. Betonul armat cu fibre metalice este avantajos în realizarea fundaţiilor de maşini (utilaje, strunguri, etc) cu solicitări dinamice, datorită rezistenţei sporite la şoc, a comportării favorabile la amortizarea vibraţiilor dar şi la deformare. Astfel, solicitările variate, la

şocuri repetate, pot fi absorbite de betonul armat cu fibre de oţel. Avantajele tehnice şi economice ale betonului armat cu fibre metalice la fundaţiile de maşini cu solicitare dinamică se concretizează prin economii la armătura longitudinala, (etrieri) şi la viteza de punere în operă.

Conducte. În Ungaria anilor ‘70 s-au realizat conducte din beton armat cu fibre metalice având diametru de 1-1,5m. Armarea cu fibre de oţel a redus astfel riscul apariţiei fisurilor în condiţii de solicitare prin variaţia temperaturii dar şi a contracţiei betonului după turnare. La solicitări de întindere circulară prin încovoiere, pentru un conţinut de fibre de 55kg/mc beton şi o valoare a raportului apă/ciment de 0,36 s-a obţinut o rezistenţă la întindere prin încovoiere de 12-14N/mm2, adică peste medie. Conductele din beton pozate în pământ pot fi supuse unor solicitări de compresiune la partea superioară existând posibilitatea de mărire a grosimii pereţilor, de micşorare a lungimii conductelor şi de armare suplimentară a acestora. În Marea Britanie, Belgia, Austria şi Olanda conductele din beton armat cu fibre metalice se folosesc în mod curent. Proprietăţile cum sunt rezistenţa mărită la uzură şi la întindere a betonului armat cu fibre metalice sunt folosite la adaptarea soluţiilor tehnice constructive pentru repararea şi consolidarea sistemelor de canalizare.

Consolidarea taluzurilor, versanţilor şi a pereţilor stâncoşi ce s-ar putea prăbuşi din cauza acţiunilor climatice. Taluzurile abrupte de-a lungul şoselelor şi căilor ferate trebuie asigurate în mod constant, pentru a menţine zona de trafic în siguranţă, liberă circulaţiei rutieră, feroviară şi de persoane. Consolidarea cu beton torcretat cu fibre metalice a versanţilor stâncoşi şi a taluzurilor are de asemenea avantaje tehnico-economice, datorită unei bune adaptări a legăturii la structura terenului şi micşorarea timpului în procesele de armare. Rezistenţa la uzură şi la şocuri oferă condiţii superioare pentru protejarea constantă a versanţilor împotriva acţiunilor climatice (precipitaţii, îngheţ, avalanşe).

Construcţii rezistente la solicitari de impact. Impactul poate proveni din rezultatul unei împuşcături, solicitări dinamice din seism, fisurarea rezervoarelor, etc. Criteriile esenţiale în comportarea la impact a betonului sunt preluarea şi amortizarea energiei, influenţate favorabil de lungimea şi procentul de armarea al fibrelor de oţel din compoziţia betonului.

Stâlpi structurali. Rezistenţa la foc este mărită prin utilizarea betonului armat cu fibre metalice, ce protejează armătura din bare, longitudinală şi transversală. În cazul stâlpilor structurali solicitaţi doar la compresiune nu se observă nici un avantaj economic evident la folosirea fibrelor de oţel, însă folosirea betonului armat cu fibre metalice s-a dovedit eficientă pentru stâlpii cu secţiune redusă, solicitaţi la compresiune cu flambaj, unde se înregistrează deteriorări prin fisurarea betonului la îmbinări. În zonele în care se transmite o sarcină mare, s-a stabilit că fibrele metalice pot înlocui armătura puternică din etrieri, în situaţia când în secţiunea longitudinală se asigură introducerea directă a sarcinii, (spre exemplu prin dispunerea unei plăci rigide de beton în capătul stâlpului).

Repararea şi consolidarea elementelor de construcţie din beton supuse uzurii de natură mecanică sau datorită exploatării îndelungate a clădirii. Deteriorările betonului din construcţii sunt influenţate de condiţiile de mediu şi luarea în considerare a uzurii şi a suprasolicitărilor este necesară pentru a readuce construcţia în starea de exploatare normală. Betonul torcretat cu fibre metalice se dovedeşte o soluţie eficientă pentru întreţinerea în stare bună a construcţiilor din beton cu avantaje tehnico-economice cum ar fi: conservare pe termen mai lung, comportare bună la fisurare precum şi micşorarea contracţiei betonului. Această soluţie este recomandată în cazul în care suprafeţele deteriorate ce trebuie consolidate au grosimi diferite. Betonul torcretat cu fibre metalice poate fi utilizat imediat după curăţarea suprafeţei ce trebuie reparată, indiferent de presiunea ce trebuie suportată şi adaptată oricărei geometrii prestabilite. La întreţinerea şi consolidarea construcţiilor hidrotehnice, supuse eroziunii, poate fi folosit eficient betonul armat cu fibre de oţel ce oferă o alternativă la armătura convenţională, având ca avantaj timpul şi costurile de execuţie reduse a lucrărilor de întreţinere. În aceste situaţii folosirea betonului cu fibre metalice reduce grosimea noului strat de protecţie.

Recapitulare:

La toate aceste elemente de construcţii enumerate mai sus s-au evidenţiat avantajele utilizării betonului armat cu fibre metalice (de oțel) după cum urmează:

rezistenţa îmbunătăţita în stare proaspata, rezistenţa la solicitarea de întindere circulara prin încovoiere, comportare foarte bună la fisurare, reducerea lucrărilor de armare, din bare de oţel-beton.