Beton zbrojony włóknami stalowymi (SFRC) to nowy rodzaj materiału kompozytowego, który można wylewać i natryskiwać poprzez dodanie odpowiedniej ilości krótkich włókien stalowych do zwykłego betonu. W ostatnich latach materiał ten szybko się rozwinął w kraju i za granicą. Pokonuje on wady betonu, takie jak niska wytrzymałość na rozciąganie, małe wydłużenie przy zerwaniu i kruchość. Posiada doskonałe właściwości, takie jak wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na zginanie, wytrzymałość na ścinanie, odporność na pękanie, odporność na zmęczenie i wysoka udarność. Znalazł zastosowanie w hydrotechnice, drogownictwie i mostach, budownictwie i innych dziedzinach inżynierii.

 

一．Rozwój betonu zbrojonego włóknami stalowymi

 

Beton zbrojony włóknami (FRC) to skrót od betonu zbrojonego włóknami. Jest to zazwyczaj kompozyt na bazie cementu, składający się z pasty cementowej, zaprawy lub betonu oraz włókien metalowych, nieorganicznych lub organicznych. Jest to nowy materiał budowlany powstały w wyniku równomiernego rozproszenia krótkich i cienkich włókien o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie, wysokim wydłużeniu przy zerwaniu i wysokiej odporności na alkalia w matrycy betonowej. Włókna w betonie mogą ograniczyć powstawanie wczesnych pęknięć w betonie i ich dalszą ekspansję pod wpływem działania sił zewnętrznych, skutecznie przezwyciężyć wady betonu, takie jak niska wytrzymałość na rozciąganie, łatwe pękanie i słaba odporność na zmęczenie, a także znacznie poprawić właściwości nieprzepuszczalności, wodoodporności, mrozoodporności i ochrony zbrojenia betonu. Beton zbrojony włóknami, zwłaszcza beton zbrojony włóknami stalowymi, przyciąga coraz większą uwagę w kręgach akademickich i inżynierskich w inżynierii praktycznej ze względu na swoje doskonałe właściwości. W 1907 roku radziecki ekspert B. P. Hekpocab zaczął stosować beton zbrojony włóknami metalowymi; W 1910 roku HF Porter opublikował raport badawczy na temat betonu zbrojonego krótkimi włóknami, sugerując, że krótkie włókna stalowe powinny być równomiernie rozprowadzone w betonie w celu wzmocnienia materiałów matrycy; W 1911 roku Graham ze Stanów Zjednoczonych dodał włókno stalowe do zwykłego betonu, aby poprawić jego wytrzymałość i stabilność; Do lat 40. XX wieku Stany Zjednoczone, Wielka Brytania, Francja, Niemcy, Japonia i inne kraje przeprowadziły wiele badań nad wykorzystaniem włókien stalowych w celu poprawy odporności na zużycie i pękanie betonu, technologią produkcji betonu z włóknami stalowymi oraz ulepszaniem kształtu włókien stalowych w celu zwiększenia wytrzymałości wiązania między włóknami a matrycą betonową; W 1963 roku JP Romualdi i GB Batson opublikowali artykuł na temat mechanizmu rozwoju pęknięć w betonie zbrojonym włóknami stalowymi i wysunęli wniosek, że wytrzymałość na pękanie betonu zbrojonego włóknami stalowymi jest określana przez średni odstęp między włóknami stalowymi, który odgrywa istotną rolę w naprężeniach rozciągających (teoria odstępu między włóknami), rozpoczynając w ten sposób etap praktycznego rozwoju tego nowego materiału kompozytowego. Do tej pory, wraz z popularyzacją i zastosowaniem betonu zbrojonego włóknami stalowymi, ze względu na różny rozkład włókien w betonie, wyróżnia się cztery główne rodzaje: beton zbrojony włóknami stalowymi, beton hybrydowy zbrojony włóknami stalowymi, beton warstwowy zbrojony włóknami stalowymi i beton warstwowy hybrydowy zbrojony włóknami.

 

二.Mechanizm wzmacniania betonu zbrojonego włóknami stalowymi

 

1. Teoria mechaniki kompozytów. Teoria mechaniki kompozytów opiera się na teorii kompozytów z ciągłymi włóknami i łączy ją z charakterystyką rozkładu włókien stalowych w betonie. W tej teorii kompozyty są traktowane jako kompozyty dwufazowe, z włóknami jako jedną fazą i osnową jako drugą fazą.

 

Teoria odstępu włókien. Teoria odstępu włókien, znana również jako teoria odporności na pękanie, została zaproponowana w oparciu o liniowo-sprężystą mechanikę pękania. Teoria ta zakłada, że ​​efekt wzmacniający włókien zależy wyłącznie od równomiernego rozmieszczenia włókien (odstępu minimalnego).

 

三．Analiza stanu rozwoju betonu zbrojonego włóknami stalowymi

 

1.Beton zbrojony włóknami stalowymi.Beton zbrojony włóknami stalowymi to rodzaj stosunkowo jednorodnego i wielokierunkowo zbrojonego betonu, który powstaje w wyniku dodania niewielkiej ilości stali niskowęglowej, stali nierdzewnej i włókien FRP do zwykłego betonu. Ilość włókien stalowych w mieszance wynosi zazwyczaj 1–2% objętości, podczas gdy na każdy metr sześcienny betonu dodaje się wagowo 70–100 kg włókien stalowych. Długość włókien stalowych powinna wynosić 25–60 mm, średnica 0,25–1,25 mm, a najlepszy stosunek długości do średnicy powinien wynosić 50–700. W porównaniu ze zwykłym betonem, beton zbrojony włóknami stalowymi może nie tylko poprawić wytrzymałość na rozciąganie, ścinanie, zginanie, zużycie i pękanie, ale także znacznie zwiększyć wytrzymałość na pękanie i udarność betonu, a także znacząco poprawić odporność zmęczeniową i trwałość konstrukcji, zwłaszcza że wytrzymałość może być zwiększona 10–20-krotnie. W Chinach porównano właściwości mechaniczne betonu zbrojonego włóknami stalowymi i zwykłego betonu. Przy zawartości włókien stalowych na poziomie 15–20% i stosunku wody do cementu 0,45, wytrzymałość na rozciąganie wzrasta o 50–70%, wytrzymałość na zginanie o 120–180%, udarność o 10–20 razy, wytrzymałość zmęczeniowa o 15–20 razy, wytrzymałość na zginanie o 14–20 razy, a odporność na zużycie również ulega znacznej poprawie. Dlatego beton zbrojony włóknami stalowymi ma lepsze właściwości fizyczne i mechaniczne niż beton zwykły.

2. Hybrydowy włóknobeton. Istotne dane badawcze pokazują, że włókna stalowe nie zwiększają znacząco wytrzymałości betonu na ściskanie, ani nawet jej nie zmniejszają. W porównaniu ze zwykłym betonem, istnieją pozytywne i negatywne (wzrost i spadek), a nawet pośrednie opinie na temat nieprzepuszczalności, odporności na zużycie, udarności i odporności na zużycie betonu zbrojonego włóknami stalowymi oraz zapobiegania wczesnemu skurczowi plastycznemu betonu. Ponadto beton zbrojony włóknami stalowymi ma pewne wady, takie jak duże dawki, wysoka cena, rdza i praktycznie zerowa odporność na rozerwanie spowodowane ogniem, co w różnym stopniu wpłynęło na jego zastosowanie. W ostatnich latach niektórzy krajowi i zagraniczni naukowcy zaczęli zwracać uwagę na hybrydowy beton z włóknami (HFRC), próbując mieszać włókna o różnych właściwościach i zaletach, uczyć się od siebie nawzajem i wykorzystać „pozytywny efekt hybrydowy” na różnych poziomach i etapach obciążenia, aby poprawić różne właściwości betonu, tak aby sprostać potrzebom różnych projektów. Jednakże, biorąc pod uwagę jego różne właściwości mechaniczne, zwłaszcza odkształcenia zmęczeniowe i uszkodzenia zmęczeniowe, prawo rozwoju odkształceń i charakterystykę uszkodzeń pod obciążeniami statycznymi i dynamicznymi oraz obciążeniami cyklicznymi o stałej amplitudzie lub zmiennej amplitudzie, optymalną ilość mieszanki i proporcje mieszania włókien, związek między składnikami materiałów kompozytowych, efekt wzmacniający i mechanizm wzmacniający, właściwości przeciwzmęczeniowe, mechanizm uszkodzenia i technologię konstrukcji, problemy projektowania proporcji mieszanki wymagają dalszych badań.

3.Beton warstwowy zbrojony włóknami stalowymi.Monolityczny beton zbrojony włóknami nie jest łatwy do równomiernego wymieszania, włókna łatwo się aglomerują, ich ilość jest duża, a koszt stosunkowo wysoki, co wpływa na jego szerokie zastosowanie. Dzięki licznym badaniom praktycznym i teoretycznym, zaproponowano nowy rodzaj konstrukcji z włókien stalowych – beton warstwowy zbrojony włóknami stalowymi (LSFRC). Niewielka ilość włókien stalowych jest równomiernie rozłożona na górnej i dolnej powierzchni płyty drogowej, a środek stanowi nadal gładka warstwa betonu. Włókna stalowe w LSFRC są zazwyczaj rozprowadzane ręcznie lub mechanicznie. Włókna stalowe są długie, a stosunek długości do średnicy wynosi zazwyczaj od 70 do 120, co oznacza rozkład dwuwymiarowy. Bez wpływu na właściwości mechaniczne, materiał ten nie tylko znacznie zmniejsza ilość włókien stalowych, ale także zapobiega zjawisku aglomeracji włókien podczas mieszania betonu zbrojonego włóknami. Ponadto, położenie warstwy włókien stalowych w betonie ma duży wpływ na jego wytrzymałość na zginanie. Efekt zbrojenia warstwy włókien stalowych na spodzie betonu jest najlepszy. Wraz z przesuwaniem się warstwy włókien stalowych w górę, efekt zbrojenia znacząco maleje. Wytrzymałość na zginanie betonu LSFRC jest o ponad 35% wyższa niż betonu zwykłego o tej samej proporcji mieszanki, która jest nieco niższa niż betonu z integralnym zbrojeniem włóknami stalowymi. Jednak LSFRC pozwala znacznie obniżyć koszty materiałowe i nie stwarza problemu z trudnym mieszaniem. Dlatego LSFRC to nowy materiał o korzystnych korzyściach społecznych i ekonomicznych oraz szerokich perspektywach zastosowania, który warto spopularyzować i wykorzystać w budowie nawierzchni.

 

4.Warstwowy beton hybrydowy z włókien.Hybrydowy beton zbrojony włóknami warstwowymi (LHFRC) to materiał kompozytowy powstały w wyniku dodania 0,1% włókien polipropylenowych na bazie LSFRC i równomiernego rozprowadzenia dużej liczby drobnych i krótkich włókien polipropylenowych o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i wysokim wydłużeniu przy zerwaniu w górnej i dolnej warstwie betonu zbrojonego włóknami stalowymi oraz w warstwie środkowej betonu zwykłego. Może on przezwyciężyć słabość pośredniej warstwy betonu zwykłego LSFRC i zapobiec potencjalnym zagrożeniom bezpieczeństwa po zużyciu się powierzchniowych włókien stalowych. LHFRC może znacząco zwiększyć wytrzymałość betonu na zginanie. W porównaniu ze zwykłym betonem, jego wytrzymałość na zginanie jest zwiększona o około 20%, a w porównaniu z LSFRC, jego wytrzymałość na zginanie jest zwiększona o 2,6%, ale ma to niewielki wpływ na moduł sprężystości przy zginaniu betonu. Moduł sprężystości przy zginaniu LHFRC jest o 1,3% wyższy niż w przypadku zwykłego betonu i o 0,3% niższy niż w przypadku LSFRC. Włókna LHFRC mogą również znacząco poprawić wytrzymałość betonu na zginanie, a ich wskaźnik wytrzymałości na zginanie jest około 8 razy wyższy niż w przypadku zwykłego betonu i 1,3 razy wyższy niż w przypadku włókna LSFRC. Co więcej, ze względu na zróżnicowane właściwości dwóch lub więcej włókien w betonie LHFRC, w zależności od potrzeb inżynieryjnych, pozytywny efekt hybrydowy włókien syntetycznych i stalowych w betonie może być wykorzystany do znacznej poprawy ciągliwości, trwałości, wytrzymałości, odporności na pękanie, wytrzymałości na zginanie i rozciąganie materiału, a także poprawy jego jakości i wydłużenia żywotności.

——Streszczenie (architektura Shanxi, tom 38, nr 11, Chen Huiqing)