Beton ojačan čeličnim vlaknima (SFRC) je nova vrsta kompozitnog materijala koji se može izlijevati i prskati dodavanjem odgovarajuće količine kratkih čeličnih vlakana u obični beton. Posljednjih se godina brzo razvio u zemlji i inozemstvu. Prevladava nedostatke niske vlačne čvrstoće, malog krajnjeg istezanja i krhkosti betona. Ima izvrsna svojstva kao što su vlačna čvrstoća, otpornost na savijanje, otpornost na smicanje, otpornost na pucanje, otpornost na umor i visoka žilavost. Primjenjuje se u hidrotehnici, cestogradnji i mostogradnji, građevinarstvu i drugim inženjerskim područjima.

 

一．Razvoj betona armiranog čeličnim vlaknima

 

Vlaknasti beton (FRC) je kratica za vlaknasto armirani beton. Obično je to kompozit na bazi cementa sastavljen od cementne paste, morta ili betona i metalnih vlakana, anorganskih vlakana ili organskih vlakana ojačanih materijala. To je novi građevinski materijal nastao jednoličnim raspršivanjem kratkih i finih vlakana s visokom vlačnom čvrstoćom, visokim konačnim istezanjem i visokom otpornošću na alkalije u betonskoj matrici. Vlakna u betonu mogu ograničiti nastanak ranih pukotina u betonu i daljnje širenje pukotina pod djelovanjem vanjske sile, učinkovito prevladati inherentne nedostatke poput niske vlačne čvrstoće, lakog pucanja i slabe otpornosti betona na umor te uvelike poboljšati performanse nepropusnosti, vodootpornosti, otpornosti na smrzavanje i zaštite armature betona. Vlaknasti beton, posebno beton ojačan čeličnim vlaknima, privlači sve više pažnje u akademskim i inženjerskim krugovima u praktičnom inženjerstvu zbog svojih vrhunskih performansi. 1907. sovjetski stručnjak B. П. Hekpocab počeo je koristiti beton ojačan metalnim vlaknima; 1910. godine H. F. Porter objavio je istraživačko izvješće o betonu ojačanom 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, Velika Britanija, Francuska, Njemačka, Japan i druge zemlje provele su mnogo istraživanja o korištenju čeličnih vlakana za poboljšanje otpornosti na habanje i pucanje betona, tehnologiji proizvodnje betona s čeličnim vlaknima i poboljšanju oblika čeličnih vlakana radi poboljšanja čvrstoće veze između vlakana i betonske matrice; Godine 1963. JP Romualdi i GB Batson objavili su rad o mehanizmu razvoja pukotina betona ojačanog čeličnim vlaknima i iznijeli zaključak da je čvrstoća na pukotine betona ojačanog čeličnim vlaknima određena prosječnim razmakom čeličnih vlakana koji igra učinkovitu ulogu u vlačnom naprezanju (teorija razmaka vlakana), čime je započela praktična faza razvoja ovog novog kompozitnog materijala. Do sada, s popularizacijom i primjenom betona ojačanog čeličnim vlaknima, zbog različite raspodjele vlakana u betonu, postoje uglavnom četiri vrste: beton ojačan čeličnim vlaknima, hibridni beton ojačan vlaknima, slojeviti beton ojačan čeličnim vlaknima i slojeviti hibridni beton ojačan vlaknima.

 

二.Mehanizam ojačanja betona armiranog čeličnim vlaknima

 

1. Teorija mehanike kompozita. Teorija mehanike kompozita temelji se na teoriji kontinuiranih vlaknastih kompozita i kombinira se s karakteristikama raspodjele čeličnih vlakana u betonu. U ovoj teoriji, kompoziti se smatraju dvofaznim kompozitima s vlaknima kao jednom fazom i matricom kao drugom fazom.

 

Teorija razmaka vlakana. Teorija razmaka vlakana, poznata i kao teorija otpornosti na pukotine, predložena je na temelju linearno elastične mehanike loma. Ova teorija tvrdi da je učinak ojačanja vlakana povezan samo s jednoliko raspoređenim razmakom vlakana (minimalni razmak).

 

三．Analiza statusa razvoja betona armiranog čeličnim vlaknima

 

1.Beton ojačan 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 u mješavini općenito je 1% ~ 2% po volumenu, dok se u svaki kubni metar betona po težini miješa 70 ~ 100 kg čeličnih vlakana. Duljina čeličnih vlakana treba biti 25 ~ 60 mm, promjer treba biti 0,25 ~ 1,25 mm, a najbolji omjer duljine i promjera treba biti 50 ~ 700. U usporedbi s običnim betonom, ne samo da može poboljšati otpornost na vlačnu čvrstoću, smicanje, savijanje, habanje i pucanje, već i uvelike povećati žilavost betona na lom i udarce, te značajno poboljšati otpornost na umor i trajnost konstrukcije, posebno se žilavost može povećati 10 ~ 20 puta. Mehanička svojstva betona ojačanog čeličnim vlaknima i običnog betona uspoređuju se u Kini. Kada je udio čeličnih vlakana 15% ~ 20%, a omjer vode i cementa 0,45, vlačna čvrstoća se povećava za 50% ~ 70%, savojna čvrstoća se povećava za 120% ~ 180%, udarna čvrstoća se povećava za 10 ~ 20 puta, udarna čvrstoća na zamor se povećava za 15 ~ 20 puta, savojna žilavost se povećava za 14 ~ 20 puta, a otpornost na habanje se također značajno poboljšava. Stoga, beton ojačan čeličnim vlaknima ima bolja fizikalna i mehanička svojstva od običnog betona.

2. Hibridni vlaknasti beton. Relevantni istraživački podaci pokazuju da čelična vlakna ne povećavaju značajno tlačnu čvrstoću betona, niti je smanjuju; u usporedbi s običnim betonom, postoje pozitivna i negativna (povećanje i smanjenje) ili čak posredna mišljenja o nepropusnosti, otpornosti na habanje, udarcima i otpornosti na habanje betona ojačanog čeličnim vlaknima te sprječavanju ranog plastičnog skupljanja betona. Osim toga, beton ojačan čeličnim vlaknima ima neke probleme, poput velike doze, visoke cijene, hrđe i gotovo nikakve otpornosti na pucanje uzrokovano požarom, što je u različitoj mjeri utjecalo na njegovu primjenu. Posljednjih godina neki domaći i strani znanstvenici počeli su obraćati pozornost na hibridni vlaknasti beton (HFRC), pokušavajući miješati vlakna s različitim svojstvima i prednostima, učiti jedni od drugih i davati prostora "pozitivnom hibridnom efektu" na različitim razinama i fazama opterećenja kako bi poboljšali različita svojstva betona i zadovoljili potrebe različitih projekata. Međutim, s obzirom na njegova različita mehanička svojstva, posebno na deformaciju uslijed zamora i oštećenja uslijed zamora, zakon razvoja deformacije i karakteristike oštećenja pod statičkim i dinamičkim opterećenjima te cikličkim opterećenjima konstantne ili promjenjive amplitude, optimalnu količinu miješanja i omjer miješanja vlakana, odnos između komponenti kompozitnih materijala, učinak ojačanja i mehanizam ojačanja, svojstva protiv zamora, mehanizam loma i tehnologiju gradnje, probleme projektiranja omjera miješanja potrebno je dalje proučavati.

3. Slojeviti beton ojačan čeličnim vlaknima.Monolitni vlaknima armirani beton nije lako ravnomjerno miješati, vlakna se lako aglomeriraju, količina vlakana je velika, a cijena je relativno visoka, što utječe na njegovu široku primjenu. Kroz veliki broj inženjerskih praksi i teorijskih istraživanja predložena je nova vrsta strukture čeličnih vlakana, slojeviti beton armirani čeličnim vlaknima (LSFRC). Mala količina čeličnih vlakana ravnomjerno je raspoređena na gornjoj i donjoj površini ploče ceste, a sredina je i dalje sloj običnog betona. Čelična vlakna u LSFRC-u se općenito raspoređuju ručno ili mehanički. Čelična vlakna su duga, a omjer duljine i promjera općenito je između 70 ~ 120, pokazujući dvodimenzionalnu raspodjelu. Bez utjecaja na mehanička svojstva, ovaj materijal ne samo da uvelike smanjuje količinu čeličnih vlakana, već i izbjegava fenomen aglomeracije vlakana prilikom miješanja integralnog betona armiranog vlaknima. Osim toga, položaj sloja čeličnih vlakana u betonu ima veliki utjecaj na savojnu čvrstoću betona. Učinak ojačanja sloja čeličnih vlakana na dnu betona je najbolji. S položajem sloja čeličnih vlakana koji se pomiče prema gore, učinak ojačanja značajno se smanjuje. Savojna čvrstoća LSFRC-a je više od 35% veća od čvrstoće običnog betona s istim omjerom miješanja, što je nešto niže od čvrstoće integralnog betona armiranog čeličnim vlaknima. Međutim, LSFRC može uštedjeti mnogo materijala i nema problema s teškim miješanjem. Stoga je LSFRC novi materijal s dobrim društvenim i ekonomskim prednostima i širokim mogućnostima primjene, koji je vrijedan popularizacije i primjene u izgradnji kolnika.

 

4.Slojeviti hibridni vlaknasti beton.Hibridni vlaknima ojačani beton (LHFRC) je kompozitni materijal nastao dodavanjem 0,1% polipropilenskih vlakana na bazi LSFRC-a i ravnomjernom raspodjelom velikog broja finih i kratkih polipropilenskih vlakana s visokom vlačnom čvrstoćom i visokim konačnim istezanjem u gornjem i donjem sloju čeličnih vlakana betona te običnom betonu 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 poboljšati savojnu čvrstoću betona. U usporedbi s običnim betonom, njegova savojna čvrstoća običnog betona povećana je za oko 20%, a u usporedbi s LSFRC-om, njegova savojna čvrstoća povećana je za 2,6%, ali ima mali utjecaj na modul elastičnosti betona pri savijanju. Modul elastičnosti pri savijanju LHFRC-a je 1,3% veći od običnog betona i 0,3% niži od LSFRC-a. LHFRC također može značajno poboljšati savojnu žilavost betona, a njegov indeks savojne žilavosti je oko 8 puta veći od običnog betona i 1,3 puta od LSFRC-a. Štoviše, zbog različitih performansi dvaju ili više vlakana u LHFRC-u u betonu, prema inženjerskim potrebama, pozitivan hibridni učinak sintetičkih vlakana i čeličnih vlakana u betonu može se koristiti za značajno poboljšanje duktilnosti, trajnosti, žilavosti, čvrstoće na pukotine, savojne čvrstoće i vlačne čvrstoće materijala, poboljšanje kvalitete materijala i produljenje vijeka trajanja materijala.

——Sažetak (Shanxi architecture, Vol. 38, No. 11, Chen Huiqing)