Стоманено-фибробетонът (SFRC) е нов вид композитен материал, който може да се излива и пръска чрез добавяне на подходящо количество къси стоманени влакна към обикновения бетон. Той се развива бързо в страната и чужбина през последните години. Той преодолява недостатъците на ниската якост на опън, малкото крайно удължение и крехкостта на бетона. Притежава отлични свойства като якост на опън, устойчивост на огъване, устойчивост на срязване, устойчивост на напукване, устойчивост на умора и висока жилавост. Намира приложение в хидротехниката, пътното и мостовото строителство, строителството и други инженерни области.
1. Разработване на стоманенофибробетон
Фибробетонът (FRC) е съкращение от фибробетон. Обикновено това е циментова композитна смес, съставена от циментова паста, хоросан или бетон и метални влакна, неорганични влакна или материали, подсилени с органични влакна. Това е нов строителен материал, образуван чрез равномерно разпръскване на къси и фини влакна с висока якост на опън, високо максимално удължение и висока алкална устойчивост в бетонната матрица. Влакната в бетона могат да ограничат образуването на ранни пукнатини в бетона и по-нататъшното им разширяване 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 характеристиките на непропускливост, водоустойчивост, устойчивост на замръзване и защита на армировката на бетона. Фибробетонът, особено стоманено-фибробетонът, привлича все повече внимание в академичните и инженерните среди в практическото инженерство поради превъзходните си характеристики. През 1907 г. съветският експерт Б. П. Хекпокаб започва да използва метално-фибробетон; през 1910 г. Х. Ф. Портър публикува изследователски доклад за късо-фибробетон, в който предполага, че късите стоманени влакна трябва да бъдат равномерно разпръснати в бетона за укрепване на матричните материали; През 1911 г. Греъм от Съединените щати добавя стоманени фибри към 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 провели много изследвания върху използването на стоманени фибри за подобряване на износоустойчивостта и устойчивостта на напукване на бетона, технологията на производство на стоманено-фибробетон и подобряването на формата на стоманените фибри за подобряване на якостта на свързване между фибрите и бетонната матрица. През 1963 г. Дж. П. Ромуалди и Г. Б. Батсън публикуват статия за механизма на развитие на пукнатини в стоманено-фибробетон и правят заключението, че якостта на напукване в стоманено-фибробетон се определя от средното разстояние между стоманените влакна, което играе ефективна роля в напрежението на опън (теория на разстоянието между влакната), като по този начин започва практическият етап на разработване на този нов композитен материал. Досега, с популяризирането и приложението на стоманено-фибробетон, поради различното разпределение на влакната в бетона, съществуват основно четири вида: стоманено-фибробетон, хибридно-фибробетон, слоест стоманено-фибробетон и слоест хибридно-фибробетон.
2. Механизъм за укрепване на стоманенофибробетон
(1) Теория на механиката на композитите. Теорията на механиката на композитите се основава на теорията за непрекъснатите влакнести композити и е комбинирана с характеристиките на разпределение на стоманените влакна в бетона. В тази теория композитите се разглеждат като двуфазни композити, като едната фаза е влакното, а другата - матрицата.
(2) Теория за разстоянието между влакната. Теорията за разстоянието между влакната, известна още като теория за устойчивост на пукнатини, е предложена въз основа на линейно-еластична механика на разрушаване. Тази теория твърди, че армиращият ефект на влакната е свързан само с равномерно разпределеното разстояние между влакната (минимално разстояние).
3. Анализ на състоянието на развитието на стоманенофибробетон
1. Стоманено-фибробетонният бетон. Стоманено-фибробетонният бетон е вид относително равномерен и многопосочен стоманобетон, образуван чрез добавяне на малко количество нисковъглеродна стомана, неръждаема стомана и FRP влакна към обикновения бетон. Количеството стоманени влакна в сместа обикновено е 1% ~ 2% от обема, като във всеки кубичен метър бетон се смесват 70 ~ 100 кг стоманени влакна по тегло. Дължината на стоманените влакна трябва да бъде 25 ~ 60 мм, диаметърът трябва да бъде 0,25 ~ 1,25 мм, а най-доброто съотношение дължина към диаметър трябва да бъде 50 ~ 700. В сравнение с обикновения бетон, той може не само да подобри устойчивостта на опън, срязване, огъване, износване и напукване, но също така значително да подобри якостта на счупване и удароустойчивостта на бетона, както и значително да подобри устойчивостта на умора и дълготрайността на конструкцията, като по-специално якостта може да се увеличи 10 ~ 20 пъти. Механичните свойства на стоманено-фибробетонния бетон и обикновения бетон са сравнени в Китай. Когато съдържанието на стоманени фибри 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 ударна умора се увеличава с 15 ~ 20 пъти, якостта на огъване се увеличава с 14 ~ 20 пъти, а износоустойчивостта също се подобрява значително. Следователно, стоманено-фибробетонът има по-добри физико-механични свойства от обикновения бетон.
4. Хибриден фибробетон
Съответните изследователски данни показват, че стоманените фибри не повишават значително якостта на натиск на бетона, нито дори я намаляват. В сравнение с обикновения бетон, има положителни и отрицателни (увеличаване и намаляване) или дори междинни мнения относно непропускливостта, износоустойчивостта, удароустойчивостта и износоустойчивостта на стоманено-фибробетонния бетон и предотвратяването на ранно пластично свиване на бетона. Освен това, стоманено-фибробетонният бетон има някои проблеми, като например голяма дозировка, висока цена, ръжда и почти никаква устойчивост на спукване, причинено от пожар, което е повлияло в различна степен на приложението му. През последните години някои местни и чуждестранни учени започнаха да обръщат внимание на хибридния фибробетон (HFRC), опитвайки се да смесват влакна с различни свойства и предимства, да се учат едно от друго и да дадат тласък на „положителния хибриден ефект“ на различни нива и етапи на натоварване, за да подобрят различните свойства на бетона, така че да отговорят на нуждите на различни проекти. Въпреки това, по отношение на различните му механични свойства, особено деформацията от умора и повредата от умора, закона за развитие на деформацията и характеристиките на повредата при статични и динамични натоварвания и циклични натоварвания с постоянна или променлива амплитуда, оптималното количество смесване и пропорцията на влакната при смесване, връзката между компонентите на композитните материали, укрепващия ефект и механизма на укрепване, противоуморните характеристики, механизма на разрушаване и строителната технология, проблемите на проектирането на пропорциите на смесване трябва да бъдат допълнително проучени.
5. Слоест стоманенофибробетон
Монолитният фибробетон не се смесва лесно равномерно, влакната лесно се агломерират, количеството на влакната е голямо, а цената е сравнително висока, което влияе върху широкото му приложение. Чрез голям брой инженерни практики и теоретични изследвания е предложен нов тип структура от стоманени влакна, слоест стоманено-фибробетон (LSFRC). Малко количество стоманени влакна се разпределят равномерно по горната и долната повърхност на пътната плоча, а средната част е обикновен бетонен слой. Стоманените влакна в LSFRC обикновено се разпределят ръчно или механично. Стоманените влакна са дълги, а съотношението дължина-диаметър обикновено е между 70 ~ 120, което показва двуизмерно разпределение. Без да се засягат механичните свойства, този материал не само значително намалява количеството стоманени влакна, но и избягва явлението агломерация на влакната при смесването на интегрален фибробетон. Освен това, позицията на слоя стоманени влакна в бетона има голямо влияние върху якостта на огъване на бетона. Армировъчният ефект на слоя стоманени влакна в долната част на бетона е най-добър. С изместването на позицията на слоя стоманени влакна нагоре, армировъчният ефект намалява значително. Якостта на огъване на LSFRC е с повече от 35% по-висока от тази на обикновения бетон със същото съотношение на смесване, което е малко по-ниско от това на интегралния стоманено-фибробетон. LSFRC обаче може да спести много разходи за материали и няма проблем с трудното смесване. Следователно, LSFRC е нов материал с добри социални и икономически ползи и широки перспективи за приложение, който заслужава популяризиране и приложение в пътното строителство.
6. Слоест хибриден фибробетон
Хибридният фибробетон (LHFRC) е композитен материал, образуван чрез добавяне на 0,1% полипропиленови влакна на базата на LSFRC и равномерно разпределение на голям брой фини и къси полипропиленови влакна с висока якост на опън и високо крайно удължение в горния и долния слой на стоманено-фибробетонния бетон и в средния слой на обикновения бетон. Той може да преодолее слабостта на междинния слой на обикновения бетон от LSFRC и да предотврати потенциални рискове за безопасността след износване на повърхностните стоманени влакна. LHFRC може значително да подобри якостта на бетона на огъване. В сравнение с обикновения бетон, якостта му на огъване на обикновения бетон се увеличава с около 20%, а в сравнение с LSFRC, якостта му на огъване се увеличава с 2,6%, но има малък ефект върху модула на еластичност на бетона при огъване. Модулът на еластичност на 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 якостта на огъване на бетона, като индексът му на якост на огъване е около 8 пъти по-висок от този на обикновения бетон и 1,3 пъти от този на LSFRC. Освен това, поради различните характеристики на две или повече влакна в LHFRC в бетона, в зависимост от 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 напукване, якостта на огъване и якостта на опън на материала, подобряване на качеството на материала и удължаване на експлоатационния живот на материала.
——Резюме (Shanxi architecture, Vol. 38, No. 11, Chen Huiqing)
Време на публикуване: 24 август 2022 г.