חומרי בניה/בטונים מיוחדים/בטון משוריין בסיבי פלדה

מבוא

השימוש בסיבים לשריון בטון החל מהשימוש בלוחות אסבסט-צמנט דקים טרומים. עם פיתוח של מגוון סיבים, מתכתיים ופולימריים, ניתן ליצור אלמנטים בעלי תכונות משופרות, כתלות בסוג ובתכולת הסיבים בתערובת. תכנון ויישום נכון של האלמנטים המשוריינים בסיבים ייתן תפקוד טוב יותר של הרכיב, יתרונות בביצוע ובעלות. כיום ישנם סוגים רבים של סיבים, לא כולם בשימוש בתעשיית הבנייה: סיבי פלדה, פוליפרופילן, פחמן, קבלר, זכוכית, אסבסט ועץ. חוזקי הסיבים כולם הינם גבוהים – מעל 500 מגפ"ס, לכן ההבדלים אותם יש לקחת בחשבון הם מודול האלסטיות וכושר העיגון. תכונות אלו הן שיקבעו את סוג הסיב אשר באמצעותו נשריין את הבטון, לפי הדרישות הספציפיות, כאשר סיבים בעלי מודול אלסטיות נמוך מזה של הבטון (20000 מגפ"ס) לא ישמשו לשריונו. השימוש בסיבים אינו מיועד לשמש כתחליף לבטון מזויין קונבנציונלי עבור אלמנטים קונסטרוקטיביים, אלא לפתרון בעיות בהן השימוש בבטון רגיל הוא פחות יעיל, או בלתי אפשרי, כמו בעיות תיקון שונות, או לפיתוח ושיפור רכיבים מיוחדים, עקב התכונות המשופרות של האלמנט – ונרחיב בהמשך. סיבים פולימריים משמשים אף הם לשריון בטון, והם מעניקים לבטון תכונות חוזק משופרות ועמידות בתנאי שירות. השימוש בהם הולך וגובר ואף הופך לכלכלי יותר מהשימוש בסיבי פלדה. בעבודה זו נציג מאפיינים של סיבי הפלדה, יתרונות וחסרונות בשימוש בסיבים אלה, נבחן את השימושים בארץ ונסקור את התקינה בנושא.  

סיבים לשריון בטון – עקרונות הפעולה

הבטון כשלעצמו הינו חומר פריך, חזק מאוד בלחיצה, אך בעל חוזק מתיחה נמוך יחסית, ולכן הוא נוטה להיסדק ולהגיע לכשל בעומסים נמוכים. כדי להתגבר על תופעה זו משריינים את הבטון באמצעות גורם נוסף, שתפקידו לשאת את מאמצי המתיחה. בבנייה הקונבנציונלית השריון מתבצע באמצעות מוטות פלדה המיושמים באיזורי המתיחה, שנושאים את המאמצים לאחר שהבטון באיזור נסדק.

השיריון בסיבים פועל על פי עקרונות דומים – אך בקנה מידה אחר, ולכן השפעתו שונה באופן מהותי. הסיבים מפוזרים במרחב, וכיוונם אקראי. כל סדק הנוטה להתפתח בבטון נמצא בד"כ בסמוך לסיב, כי הסיבים צפופים במערכת, והסיב מגשר על פני הסדק ומונע את גדילתו. כאן הסדקים שנוצרים הם דקים וקצרים יותר ולכן גם באיזור בו נסדק החומר ניתן להתייחס למערכת כאל חומר רציף.

ההשפעה של הסיבים על חוזק המתיחה והכפיפה – כלומר הכוח הדרוש ליצירת סדק ראשון - הינה מזערית. ההשפעה העיקרית של הסיבים היא על ההתנהגות לאחר הופעת הסדק. גרף 2.1 - תיאור סכמטי של עקומי מאמץ-עיבור במתיחה מהגרף אנו רואים כי הסיבים משפרים את היכולת להעביר עומסים לאחר הופעת הסדק – דהיינו משפרים את משיכות החומר ומאפשרים קבלת דפורמציות גדולות. זהו היתרון העיקרי של פעולת הסיבים ונוסיף לדון בו בפרק היתרונות. יכולת הסיב לגשר על סדק – כלומר לשריין את הבטון, תלויה במספר גורמים:

• חוזק החומרים
• מודול האלסטיות של החומרים
• תכולת הסיבים בתערובת
• חוזק ההדבקה בין הסיב למטריצה
• קוטר ואורך הסיב

באופן כללי: ככל שהיחס בין מודול האלסטיות של הסיבים למודול האלסטיות של המטריצה גבוה יותר ככל שהתכולה הנפחית של הסיבים במטריצה גבוהה יותר – השריון יעיל יותר.

המנגנון המאפשר שיפור משיכות ובליעת אנרגיה מתקבל בעקבות השליפה ההדרגתית של הסיב מתוך המטריצה. ההנחה היא שחוזק ההדבקה אינו גבוה מספיק כדי לפתח בסיב מאמץ השווה לחוזק, וכך, בנוסף לשליפת הסיב, מתרחב הסדק.

מכאן נובעת החשיבות הגדולה שיש לחוזק ההדבקה של הסיב למטריצה, כי הוא זה שיקבע למעשה את ההתנהגות לאחר הופעת הסדק. לכן, עבור מערכת של סיבים מאותה המשפחה (אותו חוזק ומודול אלסטיות) הבדלים בתכונות הבטון המזוין ינבעו מהבדלים בחוזקי ההדבקה. ההדבקה המתקבלת ע"י המגע בין הסיב והבטון הינה קטנה ביותר ובלתי מספקת לצורך שריון משמעותי. לכן בפועל הטכנולוגיות לשיפור ההדבקה מבוססות על יצירת מנגנוני עיגון מכני באמצעות בליטות או פרופילציה של הסיב. לאור כל זאת, התכונה החשובה ביותר של הסיב היא לאו דווקא חוזקו, כי אם הצורה הגיאומטרית של הסיב, הקובעת את כושר ההדבקה שלו לבטון. אפיון הגיאומטריה של הסיב נקבע ע"י "מקדם הצורה" (aspect ratio) - זהו היחס בין אורך הסיב לקוטרו; ככל שהוא גדול יותר לסיב שטח סגולי גדול יותר, ועל כן הוא בעל כושר עיגון משופר, אך עם זאת ככל שהסיב ארוך יותר הוא עלול ליצור בעיות בערבול והתזה, וכאן נכנס תפקיד המהנדס ליצירת תערובת אופטימלית תוך התחשבות בכל הדרישות מהאלמנט.  

שימושים

השימוש בסיבי פלדה בבטון מתחלק בין מספר שימושים עיקריים:

• תוספת סיבים לאלמנטים מסיביים

תחת עומסים סטטיים תוספת התסבולת המושגת באמצעות סיבים קטנה בהרבה מזו שניתן להשיג ע"י זיון קונבנציונלי בנפח דומה של מוטות פלדה. לכן לא ניתן להתיחס לשריון בטון בסיבים כאלטרנטיבה לבטון מזויין קונבנציונלי; השריון בסיבים יבוא בנוסף לזיון הקונבנציונלי במקרים מיוחדים, כאשר המבנה צריך לעמוד בעומסים דינמיים, פיצוץ או התעייפות. הזיון הרגיל יקבל את העומסים הסטטיים והסיבים יקנו משיכות וישפרו תפקוד בתחום הדינמי.

• אלמנטים משוריינים בסיבים

כאן התכן לוקח בחשבון את חוזק הכפיפה של הבטון ואינו כולל זיון קונבנציונלי כלל. השימוש הוא למשטחים בעיקר.

• בטון מותז משוריין בסיבים

השיפור בחוזק הכפיפה ובמשיכות מספיק גדולים כדי לשמש חלופה לבטון מותז על רשת פלדה.

• לוחות צמנטיים משוריינים בסיבים

כאן מדובר על אלמנטים שאינם קונסטרוקטיביים והסיבים נותנים את תוספת החוזק הדרוש לכפיפה ומקטינים את הרגישות לסדיקה.

• ישנם שימושים נוספים לסיבים בבטון, שאינם למטרות קונסטרוקטיביות, כמו תוספת סיבים להקטנת סדיקה פלסטית של בטון טרי ואפילו שימוש בסיבים להגנה מציטוטים והאזנות.

פרויקטים שהתבצעו בארץ לדוגמא: בסיס אחסנה צבאי בנחשונים – כל מיסעות הטנקים עשויות בטון משוריין בסיבים, ללא רשת ברזל. מנהרות הכרמל – דיפון המנהרות נעשה בבטון סיבי. רצפות תעשייתיות במחסנים לוגיסטיים רבים. שטחן מגיע לעשרות אלפי מ"ר, ללא רשתות ברזל. השימוש בסיבים נובע מהדרישות לדיוק רב, כמות תפרים מינימלית ועמידות גבוהה בפני שחיקה.

יתרונות השימוש בסיבים

השיפור העיקרי המושג בשימוש בסיבים בא לידי ביטוי בהגדלת המשיכות של החומר – כלומר לשאת עומסים לאחר שנוצר סדק, ולהתנהג בצורה מעין פלסטית, שבאה לידי ביטוי בכושר לספיגת אנרגיה. את ההתנהגות הזו מאפיינים באופן כמותי באמצעות צפידות (toughness). הצפידות היא השטח מתחת לעקום כוח-שקיעה, והיא האנרגיה שהמדגם מסוגל לספוג עד לכשל. ככל שהצפידות גבוהה יותר החומר משיך יותר. באופן מעשי, צפידות גבוהה מביאה לעמידות טובה יותר בעומסים דינמיים ובהקטנת רגישות החומר לסדיקה.

גרף 4.1 – צפידות (לפי התקן היפני) – איפיון המשיכות

שיפור המשיכות/ הצפידות הגבוהה שמתקבלת ע"י הוספת הסיבים לבטון מנוצלת בבטונים המיועדים לרצפות תעשייתיות, מסלולים בשדות תעופה, מיסעות כבישים, מבנים הנדרשים לעמוד בעומסי פיצוץ והתעייפות (מבני מגן וציפויים לכספות, למשל) ובבטון מותז לדיפון מנהרות וייצוב מדרונות. היתרון של השימוש בסיבים למשטחים תעשייתיים ומיסעות הוא הקטנת הרגישות לסדיקה, שיפור תפקוד הבטון באיזור התפרים ושיפור חוזק ההתעייפות, בעיקר לגבי עומסים מחזוריים. המשטחים המתקבלים מתפקדים טוב יותר לאורך זמן, תוך הקטנת הצורך בטיפולי אחזקה בבטון ובתפרים. כמו כן הוספת הסיבים מאפשרת הקטנת עובי המשטח והגדלת המרווח בין המישקים. שני מאפיינים אלו, שיפור משיכות והקטנת הרגישות לסדיקה מנוצלים במבנים מיוחדים אשר תכונות אלו נדרשות בהם במיוחד, למשל בתי כלא, מאגרי מים, תאי ביקורות באדמה ורכיבים תת קרקעיים. בתכן מבנה משוריין בסיבים ניתן להביא בחשבון את העמידות המשופרות במתיחה, חוזק מוגדל לגזירה, הקטנת רגישות לסדיקה ושיפור עמידה בעומסים דינמיים. תכונות אלו יכולות לבוא לידי ביטוי במספר היבטים של רכיבים, שגם יביאו לחסכון כלכלי, למשל: מניעת צורך בחישוקים או הקטנתם, הגדלת מרווח בין תפרים או אפילו לאפשר משטח ללא תפרים, הקטנת עובי ועוד.

לבטון המשוריין בסיבים יתרונות נוספים לעומת בטון המשוריין ברשת/מוטות ברזל או בטון מותז עם שריון רשת, מהיבטים של יישום וביצוע. אופן היישום יידון בפרק הבא, אך באופן כללי, באלמנטים ללא זיון קונבנציונלי ישנו חסכון רב בכח אדם עקב ביטול הצורך בסידור וקשירה של הזיון, חסכון בשטח אחסון וציוד לשינוע ויישום מוטות/רשת. לבטון מותז סיבי יתרונות נוספים על אלה בכך שהוא פותר בעיות ביצוע קשות של הבטון המותז הרגיל; כאשר הטופוגרפיה של הרקע מאוד לא אחידה הבטון הסיבי עוקב בקלות אחרי הרקע המפותל, לעומת הביצוע בבטון רגיל, שם נוצרים כיסים גדולים בין הרשת והסלע ונדרש נפח בטון רב כדי למלא אותם, או שלעיתים נוצרים חללים בין הרשת והסלע עקב הערמות של בטון מותז על גבי הרשת. כאן אנו מקבלים הקטנה של פחת הבטון וכמובן שיפור בתפקוד. יתרון נוסף הוא שניתן, באופן עקרוני, ליישם בטון סיבי בציוד ובשיטות הרגילות, ללא צורך בציוד מיוחד עבור הסיבים. אופן יישום סיבים ובטון סיבי יפורטו בהמשך. נוסף על כך, פני השטח של הבטון מתקבלים כמו בבטון רגיל וללא סיבים שבולטים מהם, וניתן להחליקם בשיטות המקובלות.

חסרונות השימוש בסיבים

הבעיה העיקרית של השימוש בסיבים בישראל היא החוסר בתקינה. אין תקן ישראלי בעניין, הידע מצומצם והשימוש בסיבים עדיין אינו נפוץ ומוכר לרוב המהנדסים. ההיבט הכלכלי נראה על פניו כחסרון, בגלל המחיר הגבוה של הסיבים. אך תכן ותחשיב נכונים מראים כי השיפור בתכונות, החסכון בתחזוקה ושאר היתרונות שהוצגו לעיל מביאים את השימוש בסיבים לכלכלי יותר מאשר שימוש בבטון מזויין קונבנציונלי. יש לציין, כי עם עליית מחירי הפלדה כיום, השימוש בסיבים פולימריים הופך כלכלי יותר מהשימוש בסיבי פלדה, בנוסף על העמידות הכימית המשופרת שהם נותנים. היווצרות גושים עקב הסתבכות הסיבים מהווה בעיה מהותית בשימוש בבטון הסיבי (תפורט בפרק היישום). על אף הוראות היצרן, המאפשרות שימוש במסוע להוספת הסיבים לערבל, הדרך הטובה ביותר להוספתם היא ע"י ריקון ידני של השק אל הערבל, פעולה הדורשת כח אדם ושעות עבודה נוספות. אחת הבעיות לבטון מותז סיבי היא הנתז של סיבים, אשר יכול להיות משמעותי ולגרום לכך שכמות הזיון תהיה קטנה משמעותית מהמתוכנן, עד למקרי קיצון של 40-80% מהסיבים. אך על חסרון זה ניתן להתגבר ע"י תכן תערובת נכון לשיפור הידבקות התערובת, או ביצוע נכון, כמצויין בפרק היישום. בסביבה ימית סיבי הפלדה חשופים לתנאי התפתחות קורוזיה, ועל כן בד"כ נדרוש סיבים מפלדת אל חלד או סיבי פולימר בסביבה שכזו. נרחיב בנושא זה בפרק הקיים של הסיבים. .  

קיים של סיבי פלדה בבטון

הניסיון בשטח ובדיקות מעבדה מראות שבבטון מזוין בסיבי פלדה אין בדרך כלל בעיות קורוזיה והמערכת פחות רגישה בעניין זה מאשר בטון עם זיון קונבנציונלי. לעיתים, על פני הבטון הסיבי רואים סימני חלודה רבים, ונראה כי קיימת בו בעיית קורוזיה. סימני חלודה אלה הם תוצאה של סיבים הנמצאים על פני השטח או בולטים מעליו, והפגיעה בהם אינה משפיעה על תפקוד הרכיב והם מהווים אחוז קטן מאוד מכלל הסיבים. סימנים אלו כן מהווים בעיה אסטטית וכדי להימנע מהם יש צורך בגימור והחלקה של הבטון, כדי שלא יהיו סיבים בולטים מפני השטח. סיבים הנמצאים מתחת לפני השטח, אפילו בעלי עובי כיסוי קטן מאוד הינם מוגנים, עקב מספר סיבות:

• העובי הקטן של הסיב אינו מספיק כדי לייצר חלודה במידה שתגרום לסדיקה בבטון, כפי שמתרחש בבטון מזויין רגיל.
• הבטון הסיבי רגיש פחות לסדיקה מבטון רגיל ולכן התנאים להתפתחות קורוזיה קטנים יותר.
• שכבת הפסיבציה הנוצרת מסביב לסיב הינה צפופה יחסית, בגלל שטח הפנים הגדול של הסיב. מנגנון זה יוצר הגנה על הסיב, שאינה קיימת באותה האפקטיביות בזיון רגיל; הצפיפות נותנת לשכבה יציבות ועמידות משופרת בפני התקפת כלורידים.
• מערכת הסיבים מורכבת מסיבים קצרים, לכן לא נוצר רצף של מוליכות כמו בבטון רגיל – הקטנת השטח הקתודי תקטין את מידת הקורוזיה.

מחקרים מראים כי בסביבה ימית קשה לא תהיה קורוזיה בסיבים רגילים, כל עוד רוחב הסדק לא עולה על 0.2 מ"מ. כאשר הסדקים רחבים יותר הפתרון יתקבל בצורת סיבים מפלדת אל-חלד או סיבים פולימריים.

לפעמים אף מוסיפים סיבים לבטון כדי להקטין את סכנת הקורוזיה של פלדת הזיון, עקב הפחתת רוחב הסדק המתקבלת על ידם.

 

טכנולוגיה ויישום של סיבי פלדה

סיבי פלדה לא מיוצרים בארץ כלל, אלא מיובאים מארה"ב וסין, בעיקר. כיום, פרויקט הכולל שימוש בסיבים לבטון עובר לחברה ממנה קונים את הסיבים, ומהנדס מטעמה הוא זה שמתכנן את המצע, לפי נתונים שקיבל לגבי האלמנטים ובשיתוף עם המהנדס של הפרויקט. התכן יכלול, בין השאר את סוג ותכולת הסיבים. תכולת הסיבים הנפחית תלויה בסוג האלמנט והיא נעה בין 0.5% להקטנת סדיקה בלבד, ועד 2% באלמנטים משוריינים בסיבים. אחוזים גבוהים – 7% ניתן לשלב בבטון מותז שאינו מכיל אגרגט דק.

יישום הסיבים בבטון, ויישום הבטון הסיבי הינם קריטיים לתפקוד האלמנט לפי התכנון. התהליך זהה לתהליך תכן התערובת והיישום של בטון רגיל, אך יש לשים דגש על מספר נקודות, אשר עלולות לגרום לנקודות חולשה ותפקוד לא יעיל של הרכיב:

• תכן תערובת הבטון: הקריטריון העיקרי לתכן יהיה עבידות, ולא חוזק. המטרה היא לקבל פיזור טוב של הסיבים בתערובת,וזאת יתקבל ע"י הגבלת מקדם הצורה, הגבלת תכולת הסבים, הגדלת כמות הדקים בתערובת או שימוש במוספים.

• עירבול הבטון: בשלב זה עלולה להיווצר הבעיה העיקרית של הוסבת הסיבים לבטון, והיא הסתבכות הסיבים זה בזה ויצירת גושים ("קיפודים") שאינם מתפזרים בבטון. במקרה זה הסיבים אינם משריינים אלא גורמים להחלשת האלמנט. כדי להימנע מכך יש לדאוג שהסיבים ייכנסו לתערובת כבודדים, בקצב שאינו מהיר מדי ושהערבול לא יהיה ממושך מדי, כך כל סיב יהיה מוקף במטריצה ומרוחק מסיבים אחרים. את זאת אפשר להשיג במספר דרכים:
  • תוספת סיבים לבטון הרטוב או לאגרגט הדק במפעל באמצעות מסוע ודרך נפה.
  • הזנת סיבים מאוגדים באמצעות דבק מסיס במים לתערובת הרטובה בערבל. במקרה זה הסיבים אינם נוטים להתכדרר, והם נפרדים אחד מהשני בתערובת . שיטה זו נוחה מאחר ואינה דורשת אמצעי עזר מיוחדים והיא הנפוצה יותר.

"קיפודים": גושי בטון הנוצרים כתוצאה מהסתבכות הסיבים

אגד סיבים מודבקים בדבק מסיס

• הובלה ושימה: הובלת הבטון ניתנת לביצוע באמצעים רגילים ואף במשאבה, תוך הקפדה על מספר גורמים:
  • ריטוט וציפוף יעיל בעזרת ויברציה.
  • קוטר גדול לצינור המשאבה.
  • הימנעות משימוש בצינור גמיש.
  • שימוש ברשת בכניסה למשאבה. כדי להימנע מכניסת גושים.
  • שימוש בתערובת שאינה רטובה מדי, למניעת היפרדות המרכיבים הגדולים משאר העיסה (סגרגציה).

• בטון מותז – הקטנת הנפולת: כאמור, הנתז עלול להביא להקטנה משמעותית של הזיון. צמצום הנפולת יכול להתקבל בנקיטת מספר אמצעים:
  • הקטנת לחץ האוויר בצינור ההתזה.
  • תכן תערובת בעלת מאפייני הדבקות טובים יותר או פלסטית יותר, להקטנת הרתע של הסיבים המותזים.

בבטון מותז יש לבצע התזת ניסוי לבדיקת התערובת והמפעיל.

שאר השלבים – גימור, אשפרה והכנת תפרים ואיטומם זהים לאלה המקובלים.

תקינה

כיום אין התייחסות בתקנים הישראלים לבטון המשוריין בסיבים, אך ישנה הצעה לתקן. מתכננים לפי תקנים זרים, וכאמור, מהנדס מטעם היצרן הוא זה שמתכנן, כך שהתקן ייקבע לפי ארץ המוצא של החברה המספקת את הסיבים, ובד"כ האחריות תחול עליה. התקנים קובעים דרכים לאפיון התנהגות רכיבים משוריינים בסיבים, דרישות מהסיבים, שיטות בדיקה ותכן תערובת.

תקנים לדוגמא: תקן אמריקאי ASTM A 820 - Standard Specification for Steel Fibers for Fiber-Reinforced Concrete.

ASTM C 1609 /C 1609M - Standard Test Method for Flexural Performance of Fiber-Reinforced Concrete

תקן יפני JCI-SF4 - Method of Test for Flexural Strength and Flexural Toughness of Fiber Reinforced Concrete.

תקן בריטי BS EN 14889-1 - Fibers for concrete. Steel fibers. Definitions, specifications and conformity