Beton ojačan čeličnim vlaknima (SFRC) nova je vrsta kompozitnog materijala koji se može lijevati i prskati dodavanjem odgovarajuće količine kratkih čeličnih vlakana u obični beton. Posljednjih se godina brzo razvija u zemlji i inozemstvu. Nadilazi nedostatke niske vlačne čvrstoće, malog krajnjeg istezanja i svojstava krtosti betona. Ima izvrsna svojstva kao što su vlačna čvrstoća, otpornost na savijanje, otpornost na smicanje, otpornost na pukotine, otpornost na zamor i visoku žilavost. Primijenjen je u hidrogradnji, cestogradnji i mostovima, građevinarstvu i drugim područjima inženjerstva.
1. Razvoj betona armiranog čeličnim vlaknima
Vlaknasti beton (FRC) je skraćenica od vlaknasti beton. Obično je to kompozit na bazi cementa sastavljen od cementne paste, morta ili betona i metalnih vlakana, anorganskih vlakana ili materijala ojačanih organskim vlaknima. To je novi građevni materijal nastao jednolikom dispergijom kratkih i finih vlakana visoke vlačne čvrstoće, visokog krajnjeg istezanja i visoke otpornosti na alkalije u betonskoj matrici. Vlakna u betonu mogu ograničiti stvaranje ranih pukotina u betonu i daljnje širenje pukotina pod djelovanjem vanjske sile, učinkovito prevladati inherentne nedostatke kao što su niska vlačna čvrstoća, lako pucanje i slaba otpornost betona na zamor, te uvelike poboljšati performanse vodonepropusnosti, otpornosti na smrzavanje i zaštite armature betona. Beton armiran vlaknima, posebno beton armiran čeličnim vlaknima, privlači sve više pozornosti u akademskim i inženjerskim krugovima u praktičnom inženjerstvu zbog svojih vrhunskih performansi. 1907 Sovjetski stručnjak B P. Hekpocab je počeo koristiti beton ojačan metalnim vlaknima; Godine 1910. HF Porter objavio je izvješće o istraživanju betona ojačanog kratkim vlaknima, sugerirajući da bi kratka čelična vlakna trebala biti ravnomjerno raspršena u betonu kako bi se ojačali matrični materijali; Godine 1911. Graham iz Sjedinjenih Država dodao je čelična vlakna u obični beton kako bi poboljšao čvrstoću i stabilnost betona; Do 1940-ih, Sjedinjene Države, Britanija, Francuska, Njemačka, Japan i druge zemlje provele su mnogo istraživanja o korištenju čeličnih vlakana za poboljšanje otpornosti betona na habanje i pucanje, tehnologiji proizvodnje betona od čeličnih vlakana i poboljšanju oblik čeličnih vlakana za poboljšanje čvrstoće veze između vlakana i betonske matrice; Godine 1963. JP romualdi i GB Batson objavili su rad o mehanizmu razvoja pukotina u betonu ograničenom čeličnim vlaknima i iznijeli zaključak da je čvrstoća pukotina betona armiranog čeličnim vlaknima određena prosječnim razmakom čeličnih vlakana koji igra učinkovitu ulogu. u vlačnom naprezanju (teorija razmaka vlakana), čime započinje faza praktičnog razvoja ovog novog kompozitnog materijala. Do sada, s popularizacijom i primjenom betona ojačanog čeličnim vlaknima, zbog različite distribucije vlakana u betonu, uglavnom postoje četiri vrste: beton ojačan čeličnim vlaknima, hibridni beton ojačan vlaknima, slojeviti beton ojačan čeličnim vlaknima i slojeviti hibridni beton armirani beton.
2. Mehanizam ojačanja betona armiranog čeličnim vlaknima
(1)Teorija kompozitne mehanike. Teorija mehanike kompozita temelji se na teoriji kompozita s kontinuiranim vlaknima iu kombinaciji s karakteristikama distribucije čeličnih vlakana u betonu. U ovoj teoriji, kompoziti se smatraju dvofaznim kompozitima s vlaknima kao jednom fazom i matriksom kao drugom fazom.
(2) Teorija razmaka vlakana. Teorija razmaka vlakana, također poznata kao teorija otpornosti na pukotine, predložena je na temelju linearne elastične mehanike loma. Ova teorija smatra da je učinak ojačanja vlakana povezan samo s ravnomjerno raspoređenim razmakom vlakana (minimalni razmak).
3. Analiza stanja razvoja betona armiranog čeličnim vlaknima
1.Beton armiran čeličnim vlaknima. Beton ojačan čeličnim vlaknima je vrsta relativno ujednačenog i višesmjernog armiranog betona koji se formira dodavanjem male količine niskougljičnog čelika, nehrđajućeg čelika i FRP vlakana u obični beton. Količina čeličnih vlakana za miješanje općenito je 1% ~ 2% po volumenu, dok se 70 ~ 100 kg čeličnih vlakana miješa u svaki kubni metar betona po težini. Duljina čeličnih vlakana trebala bi biti 25 ~ 60 mm, promjer bi trebao biti 0,25 ~ 1,25 mm, a najbolji omjer duljine i promjera trebao bi biti 50 ~ 700. U usporedbi s običnim betonom, ne samo da može poboljšati vlačnost, smicanje, savijanje , otpornost na habanje i pukotine, ali također uvelike povećavaju žilavost loma i otpornost betona na udarce, te značajno poboljšavaju otpornost na zamor i trajnost strukture, posebno žilavost se može povećati za 10 ~ 20 puta. U Kini se uspoređuju mehanička svojstva betona ojačanog čeličnim vlaknima i običnog betona. Kada je sadržaj čeličnih vlakana 15% ~ 20%, a omjer vode i cementa 0,45, vlačna čvrstoća se povećava za 50% ~ 70%, čvrstoća na savijanje se povećava za 120% ~ 180%, otpornost na udar se povećava za 10 ~ 20 puta, otpornost na zamor od udarca povećava se za 15 ~ 20 puta, otpornost na savijanje se povećava za 14 ~ 20 puta, a otpornost na habanje je također značajno poboljšana. Stoga beton armiran čeličnim vlaknima ima bolja fizikalna i mehanička svojstva od običnog betona.
4. Hibridni vlaknati beton
Relevantni podaci istraživanja pokazuju da čelična vlakna značajno ne pospješuju tlačnu čvrstoću betona, pa čak je ni smanjuju; U usporedbi s običnim betonom, postoje pozitivni i negativni (povećanje i smanjenje) ili čak srednji pogledi na nepropusnost, otpornost na habanje, otpornost na udarce i habanje betona armiranog čeličnim vlaknima i sprječavanje ranog plastičnog skupljanja betona. Osim toga, beton ojačan čeličnim vlaknima ima neke probleme, kao što su velika doza, visoka cijena, hrđa i gotovo nikakva otpornost na pucanje uzrokovano vatrom, što je u različitim stupnjevima utjecalo na njegovu primjenu. Posljednjih su godina neki domaći i strani znanstvenici počeli obraćati pozornost na hibridni vlaknasti beton (HFRC), pokušavajući pomiješati vlakna s različitim svojstvima i prednostima, učiti jedni od drugih i dati prednost "pozitivnom hibridnom učinku" na različitim razinama i faze opterećenja za poboljšanje različitih svojstava betona, kako bi se zadovoljile potrebe različitih projekata. Međutim, s obzirom na njegova različita mehanička svojstva, posebno njegovu deformaciju uslijed zamora i oštećenje uslijed zamora, zakon razvoja deformacije i karakteristike oštećenja pod statičkim i dinamičkim opterećenjima i cikličkim opterećenjima s konstantnom amplitudom ili promjenjivom amplitudom, optimalna količina miješanja i udio miješanja vlakana, odnos između komponenata kompozitnih materijala, učinak ojačanja i mehanizam ojačanja, učinak protiv zamora, mehanizam sloma i tehnologija konstrukcije, Problemi projektiranja omjera mješavine trebaju se dalje proučavati.
5. Slojeviti beton armiran čeličnim vlaknima
Monolitni vlaknasti beton nije lako ravnomjerno miješati, vlakna se lako aglomeriraju, količina vlakana je velika, a cijena relativno visoka, što utječe na njegovu široku primjenu. Kroz veliki broj inženjerskih praksi i teorijskih istraživanja predložen je novi tip konstrukcije od čeličnih vlakana, beton armiran čeličnim vlaknima (LSFRC). Mala količina čeličnih vlakana ravnomjerno je raspoređena na gornjoj i donjoj površini ploče ceste, a sredina je i dalje običan betonski sloj. Čelična vlakna u LSFRC općenito se distribuiraju ručno ili mehanički. Čelično vlakno je dugo, a omjer duljine i promjera općenito je između 70 ~ 120, što pokazuje dvodimenzionalnu distribuciju. Bez utjecaja na mehanička svojstva, ovaj materijal ne samo da uvelike smanjuje količinu čeličnih vlakana, već također izbjegava pojavu aglomeracije vlakana u miješanju integralnog betona ojačanog vlaknima. Osim toga, položaj sloja čeličnih vlakana u betonu ima velik utjecaj na čvrstoću betona na savijanje. Učinak ojačanja slojem čeličnih vlakana na dnu betona je najbolji. Kako se položaj sloja čeličnih vlakana pomiče prema gore, učinak ojačanja značajno opada. Čvrstoća LSFRC-a na savijanje je više od 35% veća od čvrstoće običnog betona s istim omjerom mješavine, što je nešto niže od čvrstoće integralnog betona ojačanog čeličnim vlaknima. Međutim, LSFRC može uštedjeti puno troškova materijala i nema problema s teškim miješanjem. Stoga je LSFRC novi materijal s dobrim društvenim i ekonomskim prednostima i širokim izgledima za primjenu, koji je vrijedan popularizacije i primjene u kolničkoj konstrukciji.
6. Slojeviti hibridni vlaknati beton
Slojeviti hibridni beton armiran vlaknima (LHFRC) je kompozitni materijal formiran dodavanjem 0,1% polipropilenskih vlakana na bazi LSFRC i ravnomjernom raspodjelom velikog broja finih i kratkih polipropilenskih vlakana visoke vlačne čvrstoće i visokog krajnjeg istezanja u gornjem i donjem dijelu čelika. vlaknasti beton i obični beton u srednjem sloju. Može prevladati slabost LSFRC međusloja običnog betona i spriječiti potencijalne sigurnosne opasnosti nakon što se površinska čelična vlakna istroše. LHFRC može značajno povećati čvrstoću betona na savijanje. U usporedbi s običnim betonom, njegova čvrstoća na savijanje običnog betona povećana je za oko 20%, au usporedbi s LSFRC, njegova čvrstoća na savijanje povećana je za 2,6%, ali ima mali učinak na modul elastičnosti pri savijanju betona. Modul elastičnosti pri savijanju LHFRC-a je 1,3% veći nego kod običnog betona i 0,3% niži od modula LSFRC-a. LHFRC također može značajno povećati savojnu žilavost betona, a njegov indeks savijalne žilavosti je oko 8 puta veći od običnog betona i 1,3 puta veći od LSFRC. Štoviše, zbog različite izvedbe dva ili više vlakana u LHFRC u betonu, u skladu s inženjerskim potrebama, pozitivni hibridni učinak sintetičkih vlakana i čeličnih vlakana u betonu može se koristiti za značajno poboljšanje duktilnosti, trajnosti, žilavosti, čvrstoće na pukotine , čvrstoća na savijanje i vlačna čvrstoća materijala, poboljšavaju kvalitetu materijala i produžuju životni vijek materijala.
——Sažetak (Shanxi architecture, Vol. 38, No. 11, Chen Huiqing)
Vrijeme objave: 24. kolovoza 2022