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 godina se brzo razvio u zemlji i inostranstvu. Prevazilazi nedostatke niske zatezne čvrstoće, malog krajnjeg izduženja i krhkosti betona. Ima odlična svojstva kao što su zatezna čvrstoća, otpornost na savijanje, otpornost na smicanje, otpornost na pucanje, otpornost na zamor i visoka žilavost. Primjenjuje se u hidrotehnici, cestogradnji i mostogradnji, građevinarstvu i drugim inženjerskim oblastima.
1. Razvoj betona ojačanog čeličnim vlaknima
Vlaknima ojačani beton (FRC) je skraćenica za vlaknima ojačani beton. Obično je to kompozit na bazi cementa sastavljen od cementne paste, maltera ili betona i metalnih vlakana, neorganskih vlakana ili materijala ojačanih organskim vlaknima. To je novi građevinski materijal koji se formira ravnomjernim raspršivanjem kratkih i finih vlakana sa visokom zateznom čvrstoćom, visokim konačnim istezanjem i visokom otpornošću na alkalije u betonskoj matrici. Vlakna u betonu mogu ograničiti stvaranje ranih pukotina u betonu i daljnje širenje pukotina pod djelovanjem vanjske sile, efikasno savladati inherentne nedostatke kao što su niska zatezna čvrstoća, lako pucanje i slaba otpornost betona na zamor, te značajno poboljšati performanse nepropusnosti, vodootpornosti, otpornosti na mraz i zaštite armature betona. Vlaknima ojačani beton, posebno beton ojačan čeličnim vlaknima, privlači sve više pažnje u akademskim i inženjerskim krugovima u praktičnom inženjerstvu zbog svojih superiornih performansi. 1907. godine sovjetski stručnjak B. P. Hekpocab počeo je koristiti beton ojačan metalnim vlaknima; 1910. godine, H. F. Porter objavio je istraživački izvještaj 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 Američkih Država dodao je čelična vlakna u obični beton kako bi poboljšao čvrstoću i stabilnost betona; Do 1940-ih, Sjedinjene Američke 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 sa 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 efektivnu ulogu u zateznom 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 distribucije 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.
2. Mehanizam ojačavanja betona armiranog čeličnim vlaknima
(1) Teorija mehanike kompozita. Teorija mehanike kompozita zasniva se na teoriji kontinuiranih vlaknastih kompozita i kombinovana je sa karakteristikama raspodjele čeličnih vlakana u betonu. U ovoj teoriji, kompoziti se smatraju dvofaznim kompozitima sa vlaknima kao jednom fazom i matricom kao drugom fazom.
(2) Teorija razmaka vlakana. Teorija razmaka vlakana, poznata i kao teorija otpornosti na pucanje, predložena je na osnovu linearne elastične mehanike loma. Ova teorija tvrdi da je učinak ojačanja vlakana povezan samo s ravnomjerno raspoređenim razmakom vlakana (minimalni razmak).
3. 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 je uglavnom 1% ~ 2% po volumenu, dok se 70 ~ 100 kg čeličnih vlakana miješa u svakom kubnom metru betona po težini. Dužina čeličnih vlakana treba biti 25 ~ 60 mm, promjer treba biti 0,25 ~ 1,25 mm, a najbolji omjer dužine i promjera treba biti 50 ~ 700. U usporedbi s običnim betonom, ne samo da može poboljšati otpornost na zatezanje, smicanje, savijanje, habanje i pucanje, već i znatno povećati žilavost betona na lom i udar, te značajno poboljšati otpornost na zamor i trajnost konstrukcije, posebno se žilavost može povećati za 10 ~ 20 puta. Mehanička svojstva betona ojačanog čeličnim vlaknima i običnog betona upoređuju se u Kini. Kada je sadržaj čeličnih vlakana 15% ~ 20%, a vodocementni omjer 0,45, zatezna 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 fizička i mehanička svojstva od običnog betona.
4. Hibridni vlaknasti beton
Relevantni istraživački podaci pokazuju da čelična vlakna ne povećavaju značajno tlačnu čvrstoću betona, niti je smanjuju; u poređenju s običnim betonom, postoje pozitivna i negativna (povećanje i smanjenje) ili čak posredna mišljenja o nepropusnosti, otpornosti na habanje, udar i otpornosti na habanje betona ojačanog čeličnim vlaknima i sprječavanju 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 požarom, što je u različitoj mjeri utjecalo na njegovu primjenu. Posljednjih godina, neki domaći i strani naučnici počeli su obraćati pažnju 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 nivoima i fazama opterećenja kako bi poboljšali različita svojstva betona, te zadovoljili potrebe različitih projekata. Međutim, s obzirom na njegova različita mehanička svojstva, posebno na deformaciju usljed zamora i oštećenje usljed zamora, zakon razvoja deformacije i karakteristike oštećenja pod statičkim i dinamičkim opterećenjima i cikličnim opterećenjima konstantne ili promjenjive amplitude, optimalnu količinu miješanja i omjer miješanja vlakana, odnos između komponenti kompozitnih materijala, učinak ojačanja i mehanizam ojačanja, performanse protiv zamora, mehanizam loma i tehnologiju gradnje, problemi projektovanja omjera miješanja trebaju se dalje proučavati.
5. 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 utiče 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 je ravnomjerno raspoređena na gornjoj i donjoj površini ploče puta, a sredina je i dalje sloj običnog betona. Čelična vlakna u LSFRC-u se obično raspoređuju ručno ili mehanički. Čelična vlakna su dugačka, a odnos dužine i prečnika je uglavnom između 70 ~ 120, pokazujući dvodimenzionalnu raspodjelu. Bez utjecaja na mehanička svojstva, ovaj materijal ne samo da značajno 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 čvrstoću betona na savijanje. Efekat ojačanja sloja čeličnih vlakana na dnu betona je najbolji. S položajem sloja čeličnih vlakana koji se pomiče prema gore, efekat ojačanja značajno se smanjuje. Savojna čvrstoća LSFRC-a je za 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 ne postoji problem teškog miješanja. Stoga je LSFRC novi materijal s dobrim društvenim i ekonomskim koristima i širokim mogućnostima primjene, koji je vrijedan popularizacije i primjene u izgradnji kolovoza.
6. Slojeviti hibridni vlaknasti beton
Hibridni beton ojačan vlaknima (LHFRC) je kompozitni materijal formiran dodavanjem 0,1% polipropilenskih vlakana na bazi LSFRC-a i ravnomjernom raspodjelom velikog broja finih i kratkih polipropilenskih vlakana s visokom zateznom čvrstoćom i visokim konačnim istezanjem u gornjem i donjem sloju čeličnih vlakana betona i 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 čvrstoću betona na savijanje. U poređenju s običnim betonom, njegova čvrstoća na savijanje običnog betona povećana je za oko 20%, a u poređenju s LSFRC-om, njegova čvrstoća na savijanje 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. Štaviše, zbog različitih performansi dva ili više vlakana u LHFRC-u u betonu, u skladu s inženjerskim potrebama, pozitivan hibridni efekat sintetičkih vlakana i čeličnih vlakana u betonu može se koristiti za značajno poboljšanje duktilnosti, trajnosti, žilavosti, čvrstoće na pucanje, savojne čvrstoće i zatezne čvrstoće materijala, poboljšanje kvalitete materijala i produženje vijeka trajanja materijala.
——Apstrakt (arhitektura Shanxi, tom 38, br. 11, Chen Huiqing)
Vrijeme objave: 24. avg. 2022.