Бетонът, армиран със стоманени влакна (SFRC) е нов тип композитен материал, който може да се излива и пръска чрез добавяне на подходящо количество къси стоманени влакна към обикновен бетон. През последните години се развива бързо у нас и в чужбина. Той преодолява недостатъците на ниската якост на опън, малкото крайно удължение и крехкостта на бетона. Има отлични свойства като якост на опън, устойчивост на огъване, устойчивост на срязване, устойчивост на пукнатини, устойчивост на умора и висока якост. Прилага се в хидротехническото, пътно и мостово строителство, строителство и други инженерни области.
1. Разработване на бетон, армиран със стоманени влакна
Фиброармираният бетон (FRC) е съкращението на армиран с фибри бетон. Обикновено това е композит на циментова основа, съставен от циментова паста, хоросан или бетон и метални влакна, неорганични влакна или материали, подсилени с органични влакна. Това е нов строителен материал, образуван от равномерно диспергиране на къси и фини влакна с висока якост на опън, високо крайно удължение и висока алкална устойчивост в бетонната матрица. Фибрите в бетона могат да ограничат генерирането на ранни пукнатини в бетона и по-нататъшното разширяване на пукнатините под действието на външна сила, ефективно да преодолеят присъщите дефекти като ниска якост на опън, лесно напукване и лоша устойчивост на умора на бетона и значително да подобрят работата на непропускливост, водоустойчивост, устойчивост на замръзване и защита на армировката на бетона. Бетонът, подсилен с влакна, особено бетонът, подсилен с влакна, привлича все повече и повече внимание в академичните и инженерните кръгове в практическото инженерство поради превъзходното си представяне. 1907 съветски експерт B П. Hekpocab започна да използва стоманобетон с метални влакна; През 1910 г. HF Porter публикува изследователски доклад за бетон, подсилен с къси влакна, като предполага, че късите стоманени влакна трябва да бъдат равномерно диспергирани в бетона, за да се укрепят матричните материали; През 1911 г. Греъм от Съединените щати добавя стоманени влакна в обикновения бетон, за да подобри здравината и стабилността на бетона; До 40-те години на миналия век Съединените щати, Великобритания, Франция, Германия, Япония и други страни са направили много изследвания за използването на стоманени влакна за подобряване на износоустойчивостта и устойчивостта на пукнатини на бетона, технологията за производство на бетон от стоманени влакна и подобряването на форма на стоманени влакна за подобряване на якостта на свързване между влакната и бетонната матрица; През 1963 г. JP romualdi и GB Batson публикуват статия за механизма за развитие на пукнатини на бетон, ограничен от стоманени влакна, и излагат заключението, че якостта на пукнатини на армиран със стоманени влакна бетон се определя от средното разстояние на стоманените влакна, което играе ефективна роля в напрежението на опън (теория за разстоянието между влакната), като по този начин започва етапът на практическо развитие на този нов композитен материал. Досега, с популяризирането и прилагането на бетона, подсилен със стоманени влакна, поради различното разпределение на влакната в бетона, има основно четири типа: бетон, подсилен със стоманени влакна, бетон, подсилен с хибридни влакна, слоест бетон, подсилен със стоманени влакна и слоест хибриден влакна стоманобетон.
2. Укрепващ механизъм на бетон, армиран със стоманени влакна
(1) Теория на композитната механика. Теорията на механиката на композита се основава на теорията на композитите с непрекъснати влакна и се комбинира с характеристиките на разпределението на стоманените влакна в бетона. В тази теория композитите се разглеждат като двуфазни композити с влакна като една фаза и матрица като друга фаза.
(2) Теория за разстоянието между влакната. Теорията за разстоянието между влакната, известна също като теория за устойчивост на пукнатини, е предложена въз основа на линейно еластична механика на счупване. Тази теория твърди, че ефектът на подсилване на влакната е свързан само с равномерно разпределеното разстояние между влакната (минимално разстояние).
3. Анализ на състоянието на развитие на стоманобетон
1. Бетон, армиран със стоманени влакна. Бетонът, подсилен със стоманени влакна, е вид сравнително равномерен и многопосочен стоманобетон, образуван чрез добавяне на малко количество нисковъглеродна стомана, неръждаема стомана и FRP влакна в обикновен бетон. Количеството стоманени влакна за смесване обикновено е 1% ~ 2% по обем, докато 70 ~ 100 kg стоманени влакна се смесват във всеки кубичен метър бетон по тегло. Дължината на стоманените влакна трябва да бъде 25 ~ 60 mm, диаметърът трябва да бъде 0,25 ~ 1,25 mm, а най-доброто съотношение на дължина към диаметър трябва да бъде 50 ~ 700. В сравнение с обикновения бетон, той може не само да подобри якостта на опън, срязване, огъване , устойчивост на износване и напукване, но също така значително повишава якостта на счупване и устойчивостта на удар на бетона и значително подобрява устойчивостта на умора и издръжливостта на конструкцията, особено якостта може да се увеличи с 10 ~ 20 пъти. Механичните свойства на армирания със стоманени влакна бетон и обикновения бетон се сравняват в Китай. Когато съдържанието на стоманени влакна е 15% ~ 20% и съотношението вода цимент е 0,45, якостта на опън се увеличава с 50% ~ 70%, якостта на огъване се увеличава със 120% ~ 180%, якостта на удар се увеличава с 10 ~ 20 пъти, якостта на умора при удар се увеличава с 15 ~ 20 пъти, издръжливостта на огъване се увеличава с 14 ~ 20 пъти, а устойчивостта на износване също е значително подобрена. Следователно армираният със стоманени влакна бетон има по-добри физични и механични свойства от обикновения бетон.
4. Хибриден фибробетон
Съответни данни от изследвания показват, че стоманените влакна не повишават значително якостта на натиск на бетона или дори я намаляват; В сравнение с обикновения бетон има положителни и отрицателни (увеличаване и намаляване) или дори междинни възгледи за непропускливостта, устойчивостта на износване, устойчивостта на удар и износване на армирания със стоманени влакна бетон и предотвратяването на ранното пластично свиване на бетона. Освен това армираният със стоманени влакна бетон има някои проблеми, като голяма доза, висока цена, ръжда и почти никаква устойчивост на спукване, причинена от пожар, което е повлияло на приложението му в различна степен. През последните години някои местни и чуждестранни учени започнаха да обръщат внимание на хибридния фибробетон (HFRC), опитвайки се да смесят влакна с различни свойства и предимства, да се учат един от друг и да играят на „положителния хибриден ефект“ на различни нива и етапи на натоварване за подобряване на различни свойства на бетона, така че да отговарят на нуждите на различни проекти. Въпреки това, по отношение на неговите различни механични свойства, особено неговата деформация от умора и увреждане от умора, закон за развитие на деформация и характеристики на повреда при статични и динамични натоварвания и циклични натоварвания с постоянна амплитуда или променлива амплитуда, оптималното количество на смесване и пропорцията на смесване на влакното, връзката между компонентите на композитните материали, ефект на укрепване и механизъм на укрепване, характеристики против умора, механизъм на повреда и технология на конструиране, Проблемите на дизайна на съотношението на сместа трябва да бъдат допълнително проучени.
5. Слоест бетон, армиран със стоманени влакна
Монолитният стоманобетон с влакна не е лесен за равномерно смесване, влакното е лесно за агломериране, количеството влакна е голямо и цената е сравнително висока, което влияе върху широкото му приложение. Чрез голям брой инженерни практики и теоретични изследвания се предлага нов тип конструкция от стоманени влакна, бетон, подсилен със стоманени влакна (LSFRC). Малко количество стоманени влакна е равномерно разпределено върху горната и долната повърхност на пътната плоча, а средата все още е обикновен бетонов слой. Стоманените влакна в LSFRC обикновено се разпределят ръчно или механично. Стоманеното влакно е дълго и съотношението на диаметъра на дължината обикновено е между 70 ~ 120, което показва двуизмерно разпределение. Без да засяга механичните свойства, този материал не само значително намалява количеството на стоманените влакна, но също така избягва феномена на агломерация на влакна при смесването на бетон, подсилен с интегрални влакна. В допълнение, позицията на слоя от стоманени влакна в бетона има голямо влияние върху якостта на огъване на бетона. Ефектът на подсилване на слоя от стоманени влакна на дъното на бетона е най-добър. Когато позицията на слоя от стоманени влакна се движи нагоре, ефектът на подсилване намалява значително. Якостта на огъване на LSFRC е повече от 35% по-висока от тази на обикновения бетон със същото съотношение на сместа, което е малко по-ниско от това на интегралния армиран със стоманени влакна бетон. Въпреки това, LSFRC може да спести много разходи за материали и няма проблем с трудно смесване. Следователно LSFRC е нов материал с добри социални и икономически ползи и широки перспективи за приложение, който е достоен за популяризиране и приложение в строителството на тротоари.
6. Слоест хибриден фибробетон
Слоевият хибриден армиран с влакна бетон (LHFRC) е композитен материал, образуван чрез добавяне на 0,1% полипропиленови влакна на базата на LSFRC и равномерно разпределяне на голям брой фини и къси полипропиленови влакна с висока якост на опън и високо крайно удължение в горната и долната стомана фибробетон и обикновен бетон в средния слой. Той може да преодолее слабостта на междинния обикновен бетонен слой LSFRC и да предотврати потенциалните опасности за безопасността след износване на повърхностните стоманени влакна. LHFRC може значително да подобри якостта на огъване на бетона. В сравнение с обикновения бетон, неговата якост на огъване на обикновения бетон се увеличава с около 20%, а в сравнение с LSFRC, неговата якост на огъване се увеличава с 2,6%, но има малък ефект върху еластичния модул на огъване на бетона. Модулът на еластичност при огъване на LHFRC е с 1,3% по-висок от този на обикновения бетон и с 0,3% по-нисък от този на LSFRC. LHFRC може също така значително да подобри издръжливостта на огъване на бетона и неговият индекс на издръжливост на огъване е около 8 пъти по-висок от този на обикновения бетон и 1,3 пъти по-висок от този на LSFRC. Освен това, поради различното представяне на две или повече влакна в LHFRC в бетон, според инженерните нужди, положителният хибриден ефект на синтетичните влакна и стоманените влакна в бетона може да се използва за значително подобряване на пластичността, издръжливостта, якостта, якостта на пукнатини , якостта на огъване и якостта на опън на материала, подобряват качеството на материала и удължават експлоатационния живот на материала.
——Абстракт (Shanxi architecture, Vol. 38, No. 11, Chen Huiqing)
Време на публикуване: 24 август 2022 г