Technologia GRC i beton architektoniczny

Zasadniczo rozróżniamy dwa główne zastosowania włókna szklanego cyrkonowego
Cem-fil w budownictwie:
1. modyfikację betonów i zapraw cementowych (opartych na matrycy cementowej) w celu poprawy własności mechanicznych i reologicznych modyfikowanych materiałów
2. zbrojenie betonów i zapraw cementowych (opartych na matrycy cementowej)

Dzięki rozwojowi nowych rodzajów tkanych i nietkanych (tkanin i mat-: Cem-mesh i Cem-mat) z włókna Cem-fil materiałów, oraz włókien konstrukcyjnych typ Macro możemy zbroić beton konstrukcyjnie, zastępując lekkie siatki i pręty ze stali, zwłaszcza w cienkich warstwach zbrojonych materiałów (prefabrykaty GRC, posadzki, RMC).

Nomenklatura.
Dla powyższych aplikacji i zastosowania szklanego włókna cyrkonowego w budownictwie przyjęto następujące nazwy:
1. GMC (glass fibre modified concrete- beton/zaprawa modyfikowana włóknem szklanym)
To rodzina produktów opartych na cemencie, gdzie użyto włókna szklanego cyrkonowego do poprawy własności modyfikowanych materiałów (zbrojenie rozproszone). Typowe dozowanie włókna to 0,1- 1% wagi włókna w stosunku do wagi mieszanki w stanie suchym. Produkty finalne to między innymi: wyroby chemii budowlanej jak tynki, fugi, zaprawy naprawcze, kleje, posadzki samopoziomujące itp., oraz RMC (ready mix concrete).
2. GRC (glass fibre reinforced concrete- beton zbrojony włóknem szklanym)
To cienki prefabrykat betonowy, zawierający wagowo 2-5% włókna w stosunku do suchych składników mieszanki. Włókno szklane cyrkonowe integralne Cem-fil w stanie ciętym może być podawane na różne sposoby: do mieszanki w stanie suchym lub mokrym w procesie premix, cięte podawane natryskiem typu torkret, cięte z rowing (szpuli) w procesie spray-up, w procesach pół i automatycznych np. wtrysku lub ekstruzji/infuzji.
3. TRC (textile reinforced concrete- beton zbrojony tkaninami i matami szklanymi np.Cem-mat i Cem-mesh)
W celu zwiększenia wytrzymałości na rozciąganie i innych parametrów mechanicznych do zbrojenia rozproszonego Cem-fil dodajemy włókno w postaci tkanych siatek kierunkowych Cem-mesh i /lub nietkanych mat Cem-mat. Dzięki temu materiały zbrojone włóknem szklanym cyrkonowym Cem-fil mogą przenosić bez zniszczenia znacznie większe siły, zastępując tym lekkie zbrojenia stalowe. Jest to przydatne zwłaszcza w cienkich warstwach betonu, gdzie stal zbrojeniowa nie może być zastosowana z uwagi na zbyt cienką otulinę z betonu, co mogłoby powodować przyspieszoną korozję stali w betonie i utratę własności zbrojących stali w betonie. Tego typu betony są często określane w literaturze fachowej jako "intelligent concrete stuctures- inteligentne struktury betonowe".

Przy zawartości 2-5% włókna Cem-fil® w stosunku do suchej masy zarobu uzyskujemy tzw. kompozyt betonowo-szklany, znany pod nazwą GRC (Glass Reinforced Cement). Własności mechaniczne betonu poprawiają się ok. 10 krotnie. Można uzyskać wielkowymiarowe, bardzo cienkie elementy betonowe o praktycznie dowolnych kształtach.

GRC (w USA używany termin to GFRC) jest specjalnym betonem o przykładowej proporcji składników:

• cement/piasek 1:1
• włókno cyrkonowe 2-5% wagowo do suchej masy mieszanki (im więcej, tym lepiej)
• superplastyfikator + polimery 1-5,5% (lub Flowcast 250g/25 kg cementu)
• inne dodatki chemiczne i mineralne (barwniki, opóźniające wiązanie, mikrokrzemionka, itp.)
• woda (W/C< 0,35)

Prefabrykowane elementy GRC charakteryzują się:
1. Dużą nośnością przy minimalnych przekrojach. Pozwala to na stworzenie wielkogabarytowych elementów architektonicznych o skomplikowanych kształtach, w tym ażurowych, praktycznie dowolność w projektowaniu.
2. Zwiększoną odpornością ogniową, klasa A1 wg. DIN
3. Długa trwałość, elementy GRC stosowane są w budownictwie od 40 lat, niemal całkowita odporność na korozję chemiczną i biologiczną. Włókno cyrkonowe nie podtrzymuje życia pleśni i zarodników grzyba.
4. Lekkością - elementy betonowe zachowują własności użytkowe nawet przy 10-krotnych zmniejszeniu przekroju
5. Niewiarygodna możliwość formowania- wyginanie, odwzorowywanie, fazowanie, etc.
6. Dzięki różnym metodom produkcji (np. natrysk na matryce silikonowe) każdy element np. elewacji może nosić unikalne cechy indywidualne (każdy panel projektowany w 3d).
7. „zielony produkt” - włókno szklane jest dodatkiem mineralnym, podlegającym w 100% recyklingowi

Do uzyskania prefabrykatów GRC stosujemy głównie 3 metody produkcji
(+ ich kombinacje):

1. Tzw. Premix, czyli dodanie ciętego włókna integralnego (plus ew. do warstwy zewnętrznej włókna typ HD) w końcowej fazie przygotowania mieszanki w specjalnych mikserach o dużej sile ścinającej. Można też przygotować beton typu SCC, należy tylko wziąć pod uwagę wpływ włókna na samozagęszczenie betonu, zazwyczaj należy zweryfikować ilość superplastyfikatora. Tak przygotowaną mieszankę zawierającą zazwyczaj 2-3,5% włókna AR można następnie:
1.1. Wlać w tradycyjne formy dla prefabrykatów na stołach wibracyjnych
1.2. Wlać w formy silikonowe lub kompozytowe/stalowe bez wibracji (dla SCC)
1.3. Wtrysnąć w formy typu odlewniczego
1.4. Natrysnąć specjalnym pistoletem na wcześniej przygotowaną formę lub szalunek tracony (tzw. Spray-up z premix)
2. Tzw. Spray-up: Natrysk specjalnym pistoletem tnącym włókno ciągłe w szpulach (tzw. Rowing). Specjalny pistolet posiada rotacyjny nóż tnący włókno, jednocześnie do pistoletu jest podawana pompą mieszanka betonowa. W dyszy pistoletu następuje zmieszanie włókna z zarobem, tak, że na matrycę lub szalunek tracony podawana jest już mieszanka GRC, z zawartością ok. 4,5-5% włókna AR.
3. Proces automatycznej produkcji płaskich (lub lekko zakrzywionych) paneli GRC metodą ekstruzji.
W tym typie produkcji wykorzystuje się zarób GRC typu premix plus siatki z włókna typu AR.

Typowe zastosowania prefabrykatów GRC (GFRC):

1. Panele elewacyjne, dachowe i wewnętrzne, w tym o b. skomplikowanych kształtach, ażurowe itp.
2. Detale architektoniczne, w tym o bardzo skomplikowanych formach (ornamenty, ażury)
3. Panele i ekrany akustyczne/dekoracyjne (budownictwo komunikacyjne: tunele, lotniska, drogi,
koleje itp.)
4. Korytka do liniowych odwodnień, skrzynki na kable, płyty szalunków traconych, gzymsy mostowe itp.
5. Panele dla budownictwa modułowego, w tym typu sandwich (ze zintegrowanym ociepleniem)
6. Mariny i pływające doki, ścianki szczelne, grodzie przeciwpowodziowe
7. Odwzorowanie form skalnych i innych bardzo skomplikowanych kształtów
8. Mała architektura ogrodowa i meble: fontanny, stoły i ławki, donice itp. Technologia GRC pozwala na stworzenie wielkogabarytowych elementów tego typu przy małej wadze, co ma istotne znaczenie np. na dachach i tarasach zielonych.
9. Specjalne prefabrykaty dla budownictwa militarnego, chemicznego, spożywczego, agralnego i morskiego: o b. dużej odporności chemicznej (praktycznie brak korozji chemicznej i biologicznej).
W Polsce prefabrykaty GRC (GFRC) były już z powodzeniem wdrożone i stosowane od początku lat 70-tych ub. Wieku, wielką zasługę ma w tym PAN Instytut Podstwowych Problemów Techniki z Warszawy. Na chwilę obecną prefabrykaty GRC stały się już standardem na najbardziej prestiżowych budowach w Polsce.