คอนกรีตเสริมแรงด้วยไฟเบอร์ หรือ Fiber-reinforced concrete (FRC)
เป็นคอนกรีตที่มีวัสดุเส้นใยซึ่งเพิ่มความสมบูรณ์ของโครงสร้าง ประกอบด้วยเส้นใยสั้นที่ไม่ต่อเนื่องซึ่ง ผสมให้มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอ เส้นใย ที่เติมในคอนกรีต ได้แก่ เส้นใยเหล็ก เส้นใยแก้ว เส้นใยสังเคราะห์ และเส้นใยธรรมชาติ ซึ่งเส้นใยแต่ละชนิด จะมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันไป นอกจากนี้ ลักษณะของคอนกรีตเสริมแรงด้วยไฟเบอร์ จะมีคุณสมบัติเปลี่ยนแปลงไปตาม คุณสมบัติของคอนกรีต คุณสมบัติของวัสดุเส้นใย รูปทรงของไฟเบอร์ การกระจายไฟเบอร์ และการวางแนวไฟเบอร์ รวมถึง ความหนาแน่นของไฟเบอร์ด้วย
แนวคิดของการใช้ไฟเบอร์ในการเสริมแรงไม่ใช่เรื่องใหม่ มีการใช้เส้นใยเสริมแรงมาตั้งแต่สมัยโบราณ ในอดีต ในสมัยรัชการที่ 5 ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2443 ต่างประเทศมีการใช้ขนของม้าผสมกับฟาง ใช้ใส่เป็นเส้นใยเสริมแรงในอิฐที่ทำด้วยโคลน ต่อมาในปี พ.ศ.2493 หรือในช่วงเริ่มต้น รัชการที่ 9 นี่เอง มีการใช้เส้นใยแร่ใยหิน มาผสมในคอนกรีต เช่นการทำ ท่อซีเมนต์ใยหิน เป็นต้น
ปริมาณเส้นใยที่เติมลงในส่วนผสมคอนกรีต จะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรรวมของคอมโพสิต (คอนกรีตและเส้นใย) เรียกว่า "เศษส่วนปริมาตร" (Vf) โดยทั่วไปแล้ว Vf จะอยู่ในช่วง 0.1 ถึง 3% อัตราส่วนกว้างยาว (l/d) คำนวณโดยการหารความยาวของเส้นใย (l) ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลาง (d) เส้นใยที่มีหน้าตัดที่ไม่เป็นวงกลมจะใช้เส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากันในการคำนวณอัตราส่วนกว้างยาว หากโมดูลัสความยืดหยุ่นของเส้นใยสูงกว่า สารยึดเกาะคอนกรีตหรือซีเมนต์ จะช่วยรับน้ำหนักโดยเพิ่มความต้านทานแรงดึงของวัสดุ การเพิ่มอัตราส่วนกว้างยาวของเส้นใย จะเพิ่มกำลังรับแรงดัดงอ และ เพิ่มความเหนียวของสารยึดเกาะคอนกรีตหรือซีเมนต์ ความยาวของเส้นใยที่ยาวขึ้นส่งผลให้เหมือนการเพิ่มสารยึดเกาะคอนกรีตหรือซีเมนต์ มากขึ้นภายในคอนกรีต และ ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของเส้นใยที่ละเอียดยิ่งขึ้นคือการเพิ่มจำนวนเส้นใยนั่นเอง การใช้งานเส้นใยแต่ละเส้นมีประสิทธิภาพ นักวิจัยจะใช้เส้นใยที่ยาวกว่าขนาดสูงสุดของมวลรวม คอนกรีตธรรมดามีมวลรวมเส้นผ่านศูนย์กลางเทียบเท่า 19 มม. ซึ่งเท่ากับ 35-45% ของคอนกรีต เส้นใยที่ยาวกว่า 20 มม. จะให้คอนกรีตที่มีประสิทธิภาพมากกว่า อย่างไรก็ตามสิ่งที่ต้องระวังคือ หากเส้นใยที่ยาวเกินไปและไม่ได้ถูกผสมใช้งานอย่างถูกวิธี ในการทำงาน เส้นใยมักจะม้วน "เป็นก้อนกลม" ในการผสมและสร้างปัญหาในการทำงาน
เส้นใย เหล็กกล้าและเส้นใยโพลีเมอร์ มีการใช้ในโครงการก่อสร้างเพื่อรวมเอาประโยชน์ของทั้งสองชนิดเส้นใยเข้าด้วยกัน โดยเฉพาะการปรับปรุงโครงสร้างโดยเส้นใยเหล็กและความทนทานต่อการหลุดลอกที่ระเบิดได้และการหดตัวของพลาสติกจากเส้นใยโพลีเมอร์
เส้นใยเหล็กหรือเส้นใยสังเคราะห์ สามารถแทนที่เหล็กเสริมเหล็กแบบเดิม ("เหล็กเส้น") ในคอนกรีตเสริมเหล็กได้ทั้งหมด ซึ่งพบได้บ่อยในงานทำพื้นอุตสาหกรรม และ งานพรีคาส อื่นๆ ด้วย โดยทั่วไปแล้ว การใช้เส้นใยเหล่านี้จะได้รับการยืนยัน รับรองด้วยการทดสอบในห้องปฏิบัติการเพื่อยืนยันว่าเป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ ควรใช้ด้วยความระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามข้อกำหนดทางวิศวกรรม ซึ่งอาจกำหนดปริมาณการเสริมเหล็กขั้นต่ำภายในคอนกรีต ในต่างประเทศ มีโครงการขุดอุโมงค์จำนวนมากขึ้นที่ใช้คอนกรีตสำเร็จรูปที่เสริมด้วยเส้นใยเหล็กเท่านั้น
เส้นใยสังเคราะห์ ไมโครไฟเบอร์ (Synthetic micro fibers) มีการใช้แทนไวร์เมช แทนที่การเสริมแรงแบบดั้งเดิมในพรีแคส หรือผนังหล่องแนวตั้ง
เส้นใยแต่ละประเภทและประโยชน์ในการใช้งาน
ใยแก้ว (Glass fibers) :
1. ปรับปรุงความแข็งแรงของคอนกรีตด้วยต้นทุนที่ต่ำ
2. เสริมกำลังรับแรงดึงในทุกทิศทาง ไม่เหมือนเหล็กเส้น
3. เพิ่มรูปลักษณ์เพื่องานตกแต่ง โดยจะที่มองเห็นใยแก้วได้ในพื้นผิวคอนกรีตสำเร็จรูป
เส้นใยโพลีโพรพิลีนและไนลอน (Polypropylene and nylon fibers) :
1. ปรับปรุงการเกาะติดกันของส่วนผสม ผสมคอนกรีตที่ใช้กับปั๊มคอนกรีตกรณีต้องเดินทางไปปั๊มระยะไกลมาก
2. ปรับปรุงความต้านทานการแช่แข็ง-การละลาย
3. ปรับปรุงความทนทานต่อการถล่มของการระเบิดในกรณีที่เกิดไฟไหม้รุนแรง
4. ปรับปรุงการต้านทานการกระแทกและการขัดถู
5. เพิ่มความทนทานต่อการหดตัวระหว่างการบ่ม
6. ปรับปรุงความแข็งแรงของโครงสร้าง
7. ลดข้อกำหนดการเสริมเหล็ก
8. ปรับปรุงความเหนียว
9. ลดความกว้างของรอยแตกและควบคุมความกว้างของรอยแตก
เส้นใยเหล็ก (Steel fibers) :
1. ปรับปรุงความแข็งแรงของโครงสร้าง
2. ลดข้อกำหนดการเสริมเหล็ก
3. ลดความกว้างของรอยแตกและควบคุมความกว้างของรอยแตกให้แน่นจึงช่วยเพิ่มความทนทาน
4. ปรับปรุงการต้านทานการกระแทกและการขัดถู
5. ปรับปรุงความต้านทานการแช่แข็ง-ละลาย
เส้นใยสังเคราะห์ ไมโครไฟเบอร์ (Synthetic micro fibers) – เส้นผ่าศูนย์กลางของเส้นใย น้อยกว่า 0.3 มม.
1. ลดการแตกร้าวที่เกิดขึ้นใน 24 ชั่วโมงแรกของการบ่มคอนกรีต
2. ป้องกันแรงกระแทก และการลดการระเบิดของขุยระหว่างเกิดเพลิงไหม้
3. ทางเลือกแทนตาข่าย ไวร์เมช ควบคุมการแตกร้าว
เส้นใยสังเคราะห์ แมคโครไฟเบอร์ (Synthetic macro fibers) – เส้นผ่าศูนย์กลางของเส้นใย มากกว่า 0.3 มม.
1. เสริมแรงโครงสร้างในคอนกรีตหรือช็อตครีต
2. เพิ่มแรงดัดงอ เพิ่มแรงดึง
3. เพิ่มความต้านทานแรงกระแทก
ที่มาของข้อมูล
1. BarChip Inc. www.barchip.com
2. SikaFiber www.sika.com
3. Fiber Concrete in Construction , Wietek B. , Springer 2021 , pages 268 ; ISBN 978-3-658-34480-1