Hem Teknik Fiberbetong – ett kapitel för sig

Fiberbetong – ett kapitel för sig

Olika typer av fibrer. Syntetfibrer till vänster och stålfibrer till höger.

I nya utgåvan av Betonghandboken Material finns ett väsentligt utökat kapitel om fiberbetong. Eftersom boken handlar om materialet betong ligger fokus på mekaniska egenskaper och användningsområden. Här gör Johan Silfwerbrand en lite längre sammanfattning av kapitlet.

Text: Johan Silfwerbrand, professor, KTH. Foto: J Holmgren, J Hedebratt. 

Artikel från #5Armeringsarbetet är ett av de tyngsta på en byggarbetsplats. Tänk om man skulle kunna ersätta alla stänger, byglar och nät med små, tunna fibrer som man blandar in i betongen? Vilka besparingar i tid, slit och pengar man skulle få. Visionen är en fiberbetong lika bra i drag som i tryck och där fibrerna ger draghållfasthet och betongen tryckhållfasthet. Samtidigt skyddar betongen fibrerna mot utdragning och korrosion.

Riktigt så långt har man inte kommit ännu trots att fiberbetong är en gammal uppfinning. Det finns ett amerikanskt patent från 1874 men det var först på 1950-talet som fiberbetong fick någon större användning, då som energiupptagande material i bombsäkrare amerikanska flygfält. I vårt land har fiberbetong använts i bergförstärkningar sedan 1970-talet och i industrigolv sedan 1980-talet. Min kollega Jonas Holmgren har på ett pedagogiskt sätt beskrivit utvecklingen av sprutbetong med och utan fibrer i två artiklar i Tidskriften Betong [1, 2].

Länge har fiberbetongs användning begränsats av att det saknas standarder, rekommendationer och handböcker. Sådana finns för industrigolv och bergförstärkning men för så kallade bärande konstruktioner som balkar och bjälklag var det först 2014 som det publicerades en svensk standard [3]. Den internationella dimensioneringsnormen för betong (Eurokod 2) behandlar inte fiberbetong men materialet kommer att ingå i nästa utgåva av EK 2 som kommer om några år.

Under årens lopp har tillverkare tagit fram fibrer av många olika former, storlekar och material. Stål är det vanligaste fibermaterialet. Formen beror dels på hur fibern tillverkas, dels på hur man vill förbättra fiberns förankring i betong. Fibern kan tillverkas av dragen tråd, klippta band eller ur en smälta vilket ger cirkulärt, rektangulärt respektive oregelbundet tvärsnitt. För att förbättra förankringen har man utvecklat vågformiga och tandade fibrer, men fibrer med ändkrokar har visat sig mest konkurrenskraftiga.

Johan Silfwerbrand
Artikelförfattaren Johan Silfwerbrand.

Fibern kan antingen dras ur betongen eller gå av. Utdragsbrottet är segare och föredras därför framför det sprödare fiberbrottet. För att utnyttja ändankaret fullt ut behöver man välja en hög stålkvalitet och normalt har stålfibrer en draghållfasthet som är väsentligt höge än den hos vanligt armeringsstål. Hållfastheter på 1 100 till 1 200 MPa är vanliga, men även stål med hållfasthet upp till 2 300 MPa och en väsentligt högre seghet används.

Fiberns längd lf är normalt 30-70 millimeter och diametern df 0,5-1,0 millimeter. Man definierar också en slankhet f = lf / df som ligger i intervallet 60-80. Högre slankhet betyder i allmänhet att fiberbetongen har högre kapacitet efter uppsprickning vid lika fiberinnehåll men längre fibrer är samtidigt svårare att blanda in i betongen. Det finns en standard för stålfibrer, SS-EN 14889-1 [4].

Vid sidan av stål tillverkas fibrer av syntet, glas, kol, basalt, cellulosa och hampa. Syntet är ett samlingsnamn för olika plaster eller polymerer där polypropylen är vanligast. Syntetfibrer är näst vanligast och här finns också en standard, SS-EN 14889-2 [5].

Glasfibrer och kolfibrer används sällan i andra än mycket speciella fall såsom högpresterande betong där man kan utnyttja denna fiberbetongs höga böjdraghållfasthet. Glasfibern är inte beständig i konventionell betong utan bryts ned i den alkaliska miljön. Genom att tillsätta silika eller någon annan puzzolan förbrukas kalciumhydroxiden vilket innebär en mindre alkalisk miljö som glasfibern ”tål”.

Fibrer av hampa och cellulosa har använts i enklare betongkonstruktioner, speciellt i utvecklingsländer. Att använda olika naturfibrer i betong är inte nytt utan lär även ha förekommit på romartiden. Hampa- och cellulosafiberbetong behandlas inte vidare i detta kapitel.

En fördel med basaltfibern är att den har ungefär samma densitet som den omgivande betongen

Basaltfibrer är en relativt ny produkt i betongsammanhang även om den har rötter i 1920-talets Amerika [6]. Numera består fibern vanligen av en basaltfiberarmerad polymer med dimensioner som en rak stålfiber utan ändankare. Förankringen till betongen åstadkoms genom en skrovlig yta. En fördel med basaltfibern är att den har ungefär samma densitet som den omgivande betongen vilket gör att risken för separation minskar. En annan fördel är att basaltfibern inte rostar vilket gör den till ett intressant alternativ till stålfibern i aggressiva miljöer.

Traditionellt har fiberinnehållet varit den vanligaste parametern för karakterisering av fiberbetong. Fiberinnehållet definieras som massan fibrer per volym fiberbetong och uttrycks i kg/m3 eller volymprocent (ibland förkortat till vol.-%). Fiberinnehållet kan mätas i antingen färsk eller hårdnad betong.

Densitetsskillnaderna är stora mellan fibrer av olika material. Detta gör att jämförelser mellan olika fiberbetonger försvåras. 1 volymprocent stålfibrer motsvarar 78 kg/m3 medan 1 volymprocent syntetfibrer motsvarar 9 kg/m3.

Standardprovning av fiberbetongbalk
Standardprovning av fiberbetongbalk med spår (notch).

Fiberbetongens hållfasthetsegenskaper bestäms vanligtvis genom provning av en fiberbetongbalk som belastas till brott. Balkens dimensioner och utformning har varierat både från land till land och över tid. Sedan ett antal år tillbaka används i Europa en relativt liten, knubbig balk som är fritt upplagd i båda ändar och belastas med en punktlast i balkmitt [7]. För att göra tolkningen av resultatet enklare gör man ett spår i balkens underkant rakt under lasten. Spåret fungerar som brottanvisning.

Man mäter lasten och spricköppningen CMOD (crack moth opening displacement)i balkens underkant. Ur lasten kan man beräkna böjdraghållfasthet. Denna bestäms vid fyra olika förutbestämda värden på CMOD vilka ger en god bild över fiberbetongens seghet.

Betongs främsta mekaniska egenskaper är tryckhållfasthet och styvhet (ofta uttryckt som elasticitetsmodul). Betongens största svagheter är dess låga draghållfasthet och relativt stora krympning. Problem uppstår inte sällan då dessa kombineras. I till exempel betonggolv förhindras eller bromsas betongens naturliga strävan att förkortas på grund av krympning. I stället uppstår dragspänningar som vanligtvis överstiger draghållfastheten varför betonggolvet spricker.

Betongteknikerns dröm är en fiberbetong med så hög draghållfasthet att krympsprickorna helt försvinner. Där är vi ännu inte, men genom tillsättning av en tillräckligt stor mängd fibrer av god kvalitet kan man styra sprickbildningen i till exempel betonggolv så att man får ett finmaskigt nät av tunna, harmlösa sprickor. Genom att fibrer korsar sprickorna kan sprickan även överföra last. I oarmerad betong finns ingen sådan möjlighet.

Som nämnts ovan provar man fiberbetong genom belastning av balkar. Eftersom fibrerna egentligen inte gör någon nytta före uppsprickning är det skedet efter uppsprickning som är det intressanta. Hur stor del av lasten kan bäras efter uppsprickning? Normalt begränsas fiberinnehållet till 0,5 ibland 1,0 volymprocent vilket för de vanliga stålfibrerna innebär 40-80 kg/m3.

Den provade fiberbetongen bär då största lasten när den spricker och kan kanske bära 40-80 procent av maxlasten efter uppsprickning. Båda fallen karakteriseras som töjningsmjuknande fiberbetong. Ökar man fiberinnehållet ytterligare eller väljer fibrer med exceptionell prestanda kan man komma upp till 100 procent eller till och med litet högre. Då kan man tala om töjningshårdnande fiberbetong.

Tillsats av fibrer ökar betongbalkars tvärkraftkapacitet

I korthet kan sägas att fibrernas största påverkan på betongen handlar om beteendet efter uppsprickning. Deras inverkan på mekaniska egenskaper som tryckhållfasthet, ren draghållfasthet, elasticitetsmodul, fri krympning och krypning är mycket liten.

När det gäller balkar och fribärande plattor av fiberbetong ger fibrerna bidrag till kapaciteten för såväl böjande moment som tvärkraft. Fiberbetongbalkar kan dimensioneras för böjande moment men kan inte konkurrera med slakarmerade betongbalkar annat än vid mycket måttliga spännvidder. Momentkapaciteten hos industrigolv (av fiberbetong) och bergförstärkning (av sprutbetong med fibrer) är dock ofta fullt tillräcklig för att bära aktuella laster.

Tillsats av fibrer ökar betongbalkars tvärkraftkapacitet och betongplattors kapacitet mot genomstansning. Kombinationen av slakarmering för böjande moment och fibrer för tvärkraft kan vara ett konkurrenskraftigt alternativ som gör att det tyngsta armeringsarbetet (med byglar) kan elimineras.

Sprutbetong för bergförstärkning är kanske det viktigaste användningsområdet för stålfiberbetong, åtminstone i vårt land. Bergytan är ojämn och oregelbunden vilket gör armeringen med nät komplicerad. Till skillnad mot armeringsstänger och –nät behöver inte fiberbetongen ges något egentligt täckskikt. Sprutbetongen kan därför göras mycket tunnare.

Stålfibrer som är synliga i ytan kommer liksom fibrer som ligger i ytans närhet att så småningom korrodera men till skillnad från den grövre armeringen saknar fibrerna förmåga att avspjälka betong. Synliga fibrer kommer att missfärga betongen. För att säkerställa erforderlig beständighet bör man räkna bort en viss tjocklek av fiberbetongens tvärsnitt då man beräknar bärförmågan på lång sikt. Det förekommer även att man sprutar ett tunt skikt utan fibrer ytterst. Den sprutade fiberbetongen samverkar med bergväggen. Stålfiberinnehållet brukar vara tämligen högt, cirka 70-80 kg/m3.

Industrigolv av fiberbetong
Industrigolv av fiberbetong.

Industrigolv är vid sidan av bergförstärkningar det största området för fiberbetong. Det finns åtminstone två orsaker: (1) industrigolvet är oftast en platta på mark som kan dimensioneras fritt eftersom den inte räknas som en bärande konstruktion och (1) det finns talrika exempel på välfungerande fiberbetonggolv i både vårt land och utlandet. Ifall industribyggnaden byggs på lera eller annan lösan grund utformas golvet ofta som en pålunderstödd platta på mark. Är det en bärande konstruktion? Frågan är ännu inte entydigt besvarad. Här finns det konkurrerande lösningar med olika grad av säkerhet mot vidare sprickor och grövre skador. Skall fiberbetongplattan förstärkas med slakarmering över pålskallarna eller inte?

Pågjutningen är en vanlig form av reparation på brobanor, kantbalkar, bropelare, betongvägar, industrigolv med mera. Valet av fiberbetong motiveras här av en ökad säkerhet mot grova sprickor.

Långtidslast
Fältförsök med långtidslast hängande under fiberbetongbjälklag.

Hittills har våra betongnormer inte behandlat fiberbetongkonstruktioner. Det har kraftigt hämmat användningen av fiberbetong i balkar och fribärande plattor.

Fältförsök av bland andra Jerry Hedebratt [8] visar dock att fiberbetong kan fungera utmärkt i bjälklag med måttliga spännvidder. Men vi får nog vänta på nästa version av Eurokod 2 innan fiberbetongen på allvar börjar konkurrera i balkar och plattor.

Referenser

1. Holmgren J: ”35-årig kunskap om sprutbetong. Del 1”. Tidskriften Betong, nr 3, 2011, s. 33-35.
2. Holmgren J: ”35-årig kunskap om sprutbetong Del 2”. Tidskriften Betong, nr 4, 2011, s. 33-35.
3. SS 812310:2014: ”Fiberbetong – Dimensionering av fiberbetongkonstruktioner”. Stockholm: Swedish Standards Institute, 2014, 38 s.
4. SS-EN 14889-1:2006. ”Fibrer för betong – Del 1: Stålfibrer – Definitioner, specifikationer och överensstämmelse”. Stockholm: Swedish Standards Institute, 2006, 26 s.
5. SS-EN 14889-2:2006. ”Fibrer för betong – Del 2: Polymerfibrer – Definitioner, specifikationer och överensstämmelse”. Stockholm: Swedish Standards Institute, 2006, 27 s.
6. Mohammadi Mohaghegh A: “Structural Properties of High-Strength Macro Basalt Fibre Concrete; Flexure, Shear, Punching Shear and Fire Spalling”. Bulletin No. 152 (doktorsavhandling). Stockholm: KTH, skolan för arkitektur & samhällsbyggnad, institutionen för byggvetenskap, avdelningen för betongbyggnad, 2018.
7. SS-EN 14651:2005 + A.1:2007: ”Provningsmetod för betong med metallfibrer – Bestämning av böjdraghållfasthet”. Stockholm: Swedish Standards Institute, 2005, 28 s.
8. Hedebratt J: “Industrial Fibre Concrete Slabs – Experiences and Tests on Pile-Supported Slab”. Bulletin No. 113 (doktorsavhandling). Stockholm: KTH, skolan för arkitektur & samhällsbyggnad, institutionen för byggvetenskap, avdelningen för brobyggnad, 2012.