คอนกรีตเสริมแรงด้วยไฟเบอร์ หรือ Fiber-reinforced concrete (FRC)

19/09/2021 | 7707

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


แนวคิดของวัสดุคอมโพสิต ถูกคิดและกล่าวถึงกันมากขึ้นในกลุ่มนักวิจัย และนักวัสดุศาสตร์ และคอนกรีตเสริมใยด้วยไฟเบอร์เป็นหนึ่งในหัวข้อที่กลุ่มคนเหล่านี้ให้ความสนใจ การใช้ใยหินผสมในคอนกรีตขยายวงกว้างและมีการประยุกต์ทำเป็น วัสดุหลายๆตัว เช่น กระเบื้องซีเมนต์ใยหิน,แผ่นเรียบซีเมนต์ใยหิน แต่ต่อมาไม่นานก็ค้นพบความเสี่ยงต่อสุขภาพที่เกี่ยวข้องกับแร่ใยหิน เพราะแร่ใยหินเป็นสารที่ไม่ย่อยสลาย หากเข้าไปในร่างกายของมนุษย์ หรือสัตว์ อาจจะทำให้เกิดเป็นสารก่อมะเร็งได้ ต่อจากนั้นจึงจำเป็นต้องหาสารทดแทนในคอนกรีตและวัสดุก่อสร้างอื่นๆ ในช่วง พ.ศ. 2500 ต่างประเทศเริ่ม มีการใช้เหล็กกล้า แก้ว (GFRC) และเส้นใยสังเคราะห์ (เช่น โพรไพลีน) มาผสมในคอนกรีต การวิจัยเกี่ยวกับคอนกรีตเสริมใยชนิดใหม่ๆ ยังคงดำเนินต่อมาจนถึงปัจจุบัน


ประโยชน์ ที่ได้จากการเติมเส้นใย ในคอนกรีต เน้นเพื่อควบคุมการแตกร้าว โดยหลังจากใช้งานมีผลประโยชน์อื่นๆ เช่น เส้นใยประเภทพลาสติกเมื่อหดตัวแห้งในคอนกรีต ช่วยลดการซึมผ่านของน้ำในคอนกรีต เส้นใยบางชนิดช่วยทำทนแรงแรงกระแทก ทนการเสียดสี เพิ่มความทนทานต่อการแตกร้าวในคอนกรีตมากกว่าการใช้ เหล็กขนาดใหญ่เป็นโครงสร้าง เส้นใยสังเคราะห์บางชนิด สามารถทดแทนเหล็กเส้นหรือเหล็กได้อย่างสมบูรณ์ โดยในอุตสาหกรรมการก่อสร้างใต้ดิน เช่น ส่วนอุโมงค์ ซึ่งปัจจุบันวัสดุบุผิวอุโมงค์เกือบทั้งหมดเป็นไฟเบอร์เสริมแรงแทนการใช้เหล็กเส้น ปัจจุบันยังใช้การเพิ่มเส้นใยในคอนกรีต เป็นการช่วยป้องกัน "การหลุดร่อน" และความเสียหายของผิวคอนกรีต ในกรณีที่เกิดไฟไหม้ ได้ด้วย

               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