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 rozwija się dynamicznie w kraju i za granicą. Eliminuje wady związane z niską wytrzymałością na rozciąganie, małym wydłużeniem ostatecznym i kruchością betonu. Ma doskonałe właściwości, takie jak wytrzymałość na rozciąganie, odporność na zginanie, odporność na ścinanie, odporność na pękanie, odporność na zmęczenie i wysoką wytrzymałość. Znajduje 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. Zwykle jest to kompozyt na bazie cementu składający się z zaczynu cementowego, zaprawy lub betonu i włókien metalowych, włókien nieorganicznych lub materiałów wzmocnionych włóknami organicznymi. Jest to nowy materiał budowlany powstały w wyniku równomiernego rozproszenia krótkich i drobnych włókien o dużej wytrzymałości na rozciąganie, dużym wydłużeniu przy zerwaniu i wysokiej odporności na działanie zasad w matrycy betonowej. Włókno w betonie może ograniczyć powstawanie wczesnych pęknięć w betonie i dalsze rozszerzanie się pęknięć pod działaniem siły zewnętrznej, skutecznie pokonać nieodłączne wady, takie jak niska wytrzymałość na rozciąganie, łatwe pękanie i słaba odporność zmęczeniowa betonu, a także znacznie poprawić wydajność wodoszczelności, wodoodporności, mrozoodporności i ochrony zbrojenia betonu. Beton zbrojony włóknami, zwłaszcza beton zbrojony włóknami stalowymi, przyciąga coraz więcej uwagi w kręgach akademickich i inżynieryjnych w praktycznej inżynierii ze względu na swoje doskonałe właściwości. 1907 Radziecki ekspert B П. Hekpocab zaczął stosować beton wzmocniony włóknami metalowymi; W 1910 roku HF Porter opublikował raport z badań na temat betonu zbrojonego krótkimi włóknami, sugerujący, że krótkie włókna stalowe powinny być równomiernie rozproszone w betonie, aby wzmocnić materiały osnowy; W 1911 roku Graham ze Stanów Zjednoczonych dodał włókno stalowe do zwykłego betonu, aby poprawić wytrzymałość i stabilność betonu; Do lat czterdziestych XX wieku Stany Zjednoczone, Wielka Brytania, Francja, Niemcy, Japonia i inne kraje przeprowadziły wiele badań nad wykorzystaniem włókien stalowych do poprawy odporności betonu na zużycie i pękanie, technologią produkcji betonu z włókna stalowego oraz udoskonaleniem kształt włókna stalowego poprawiający siłę wiązania pomiędzy włóknem a matrycą betonową; W 1963 roku JP Romualdi i GB Batson opublikowali artykuł na temat mechanizmu powstawania pęknięć w betonie zawierającym włókna stalowe i wysunęli wniosek, że wytrzymałość na pękanie betonu zbrojonego włóknami stalowymi zależy od średniego rozstawu włókien stalowych, który odgrywa efektywną rolę naprężenia rozciągającego (teoria rozstawu włókien), rozpoczynając w ten sposób praktyczny etap rozwoju tego nowego materiału kompozytowego. Do chwili obecnej, wraz z popularyzacją i zastosowaniem betonu zbrojonego włóknami stalowymi, ze względu na różne rozmieszczenie włókien w betonie, istnieją głównie cztery jego typy: beton zbrojony włóknami stalowymi, beton zbrojony włóknami hybrydowymi, beton zbrojony warstwami włóknami stalowymi i warstwowe włókna hybrydowe żelbet.

 

二.Mechanizm wzmacniający beton zbrojony włóknami stalowymi

 

1.Teoria mechaniki kompozytów. Teoria mechaniki kompozytów opiera się na teorii kompozytów z włókien ciągłych i jest połączona z charakterystyką rozmieszczenia włókien stalowych w betonie. W tej teorii kompozyty są uważane za kompozyty dwufazowe, w których jedną fazą jest włókno, a drugą fazą jest osnowa.

 

Teoria rozstawu włókien. Zaproponowano teorię rozstawu włókien, znaną również jako teoria odporności na pękanie, opartą na mechanice liniowego sprężystego pękania. Teoria ta głosi, że działanie wzmacniające włókien jest związane jedynie z równomiernie rozłożonym rozstawem włókien (odstęp minimalny).

 

三．Analiza stanu rozwoju betonu zbrojonego włóknami stalowymi

 

1.Beton zbrojony włóknami stalowymi.Beton zbrojony włóknami stalowymi jest rodzajem stosunkowo jednolitego i wielokierunkowego żelbetu powstałego przez dodanie niewielkiej ilości włókien stali niskowęglowej, stali nierdzewnej i FRP do zwykłego betonu. Mieszana ilość włókna stalowego wynosi zazwyczaj 1% ~ 2% objętościowo, podczas gdy na każdy metr sześcienny betonu dodaje się wagowo 70 ~ 100 kg włókna stalowego. Długość włókna stalowego powinna wynosić 25 ~ 60 mm, średnica powinna wynosić 0,25 ~ 1,25 mm, a najlepszy stosunek długości do średnicy powinien wynosić 50 ~ 700. W porównaniu ze zwykłym betonem może on nie tylko poprawić wytrzymałość na rozciąganie, ścinanie i zginanie , odporność na zużycie i pękanie, ale także znacznie zwiększają odporność betonu na pękanie i uderzenia, a także znacznie poprawiają odporność na zmęczenie i trwałość konstrukcji, zwłaszcza wytrzymałość można zwiększyć 10 ~ 20 razy. W Chinach porównuje się właściwości mechaniczne betonu zbrojonego włóknami stalowymi i betonu zwykłego. Gdy zawartość włókien stalowych wynosi 15% ~ 20%, a stosunek cementu wodnego wynosi 0,45, wytrzymałość na rozciąganie wzrasta o 50% ~ 70%, wytrzymałość na zginanie wzrasta o 120% ~ 180%, udarność wzrasta o 10 ~ 20 razy, wytrzymałość zmęczeniowa na uderzenia wzrasta 15 ~ 20 razy, wytrzymałość na zginanie wzrasta 14 ~ 20 razy, a odporność na zużycie również znacznie się poprawia. Dlatego beton zbrojony włóknami stalowymi ma lepsze właściwości fizyczne i mechaniczne niż zwykły beton.

2. Beton włóknisty hybrydowy. Odpowiednie dane badawcze pokazują, że włókno stalowe nie poprawia znacząco wytrzymałości betonu na ściskanie, ani nawet jej nie zmniejsza; W porównaniu ze zwykłym betonem istnieją pozytywne i negatywne (wzrost i spadek) lub nawet pośrednie poglądy na temat nieprzepuszczalności, odporności na zużycie, udarności i odporności na zużycie betonu zbrojonego włóknami stalowymi oraz zapobiegania przedwczesnemu skurczowi plastycznemu betonu. Ponadto beton zbrojony włóknami stalowymi ma pewne problemy, takie jak duże dawki, wysoka cena, rdza i prawie brak odporności na pękanie spowodowane ogniem, co w różnym stopniu wpływa na jego zastosowanie. W ostatnich latach niektórzy uczeni krajowi i zagraniczni zaczęli zwracać uwagę na hybrydowy beton włóknisty (HFRC), próbując mieszać włókna o różnych właściwościach i zaletach, uczyć się od siebie nawzajem i bawić się „pozytywnym efektem hybrydowym” na różnych poziomach i etapy załadunku w celu poprawy różnych właściwości betonu, aby spełnić potrzeby różnych projektów. Jednakże w odniesieniu do jego różnych właściwości mechanicznych, zwłaszcza odkształcenia zmęczeniowego i uszkodzenia zmęczeniowego, prawa rozwoju odkształcenia i charakterystyki uszkodzeń pod obciążeniami statycznymi i dynamicznymi oraz obciążeniami cyklicznymi o stałej lub zmiennej amplitudzie, optymalną ilość i proporcję mieszania włókna, zależność między składnikami materiałów kompozytowych, efektem wzmacniającym i mechanizmem wzmacniającym, właściwościami przeciwzmęczeniowymi, mechanizmem awarii i technologią konstrukcyjną. Problemy projektowania proporcji mieszanki wymagają dalszych badań.

3.Warstwowy beton zbrojony włóknami stalowymi.Monolityczny beton zbrojony włóknami nie jest łatwy do równomiernego wymieszania, włókno łatwo ulega aglomeracji, ilość włókien jest duża, a koszt jest stosunkowo wysoki, co wpływa na jego szerokie zastosowanie. Dzięki dużej liczbie praktyki inżynierskiej i badań teoretycznych zaproponowano nowy typ konstrukcji z włókien stalowych, beton zbrojony warstwowo włóknami stalowymi (LSFRC). Niewielka ilość włókien stalowych jest równomiernie rozłożona na górnej i dolnej powierzchni płyty drogowej, a środek stanowi nadal gładka warstwa betonu. Włókno stalowe w LSFRC jest zazwyczaj rozprowadzane ręcznie lub mechanicznie. Włókno stalowe jest długie, a stosunek średnicy długości wynosi zwykle od 70 do 120, co wskazuje na rozkład dwuwymiarowy. Bez wpływu na właściwości mechaniczne, materiał ten nie tylko znacznie zmniejsza ilość włókien stalowych, ale także pozwala uniknąć zjawiska aglomeracji włókien podczas mieszania betonu zbrojonego integralnymi włóknami. Ponadto położenie warstwy włókien stalowych w betonie ma duży wpływ na wytrzymałość betonu na zginanie. Najlepszy jest efekt wzmocnienia warstwy włókien stalowych na dnie betonu. Wraz z przesuwaniem się warstwy włókien stalowych w górę, efekt wzmocnienia znacznie maleje. Wytrzymałość na zginanie LSFRC jest o ponad 35% wyższa niż w przypadku zwykłego betonu przy tej samej proporcji mieszanki, która jest nieco niższa niż w przypadku betonu zbrojonego integralnymi włóknami stalowymi. Jednakże LSFRC może zaoszczędzić wiele kosztów materiałów i nie ma problemu trudnego mieszania. Dlatego LSFRC jest nowym materiałem o dobrych walorach społecznych i ekonomicznych oraz szerokich perspektywach zastosowań, godnym popularyzacji i zastosowania w budowie nawierzchni.

 

4.Warstwowy hybrydowy beton włóknisty.Warstwowy hybrydowy beton zbrojony włóknami (LHFRC) to materiał kompozytowy powstały przez dodanie 0,1% włókna polipropylenowego na bazie LSFRC i równomierne rozprowadzenie dużej liczby drobnych i krótkich włókien polipropylenowych o dużej wytrzymałości na rozciąganie i dużym wydłużeniu końcowym w górnej i dolnej stali włóknobeton i zwykły beton w warstwie środkowej. Może przezwyciężyć słabość pośredniej warstwy zwykłego betonu LSFRC i zapobiec potencjalnym zagrożeniom bezpieczeństwa po zużyciu powierzchniowego włókna stalowego. LHFRC może znacznie zwiększyć wytrzymałość betonu na zginanie. W porównaniu do zwykłego betonu jego wytrzymałość na zginanie zwykłego betonu 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 zwykłego betonu i o 0,3% niższy niż LSFRC. LHFRC może również znacząco zwiększyć wytrzymałość betonu na zginanie, a jego wskaźnik wytrzymałości na zginanie jest około 8 razy większy niż w przypadku zwykłego betonu i 1,3 razy większy niż LSFRC. Co więcej, ze względu na różną wydajność dwóch lub więcej włókien w LHFRC w betonie, zgodnie z potrzebami inżynieryjnymi, pozytywny efekt hybrydowy włókien syntetycznych i włókien stalowych w betonie można wykorzystać do znacznej poprawy plastyczności, trwałości, wytrzymałości i wytrzymałości na pękanie , wytrzymałość na zginanie i wytrzymałość na rozciąganie materiału, poprawiają jakość materiału i przedłużają żywotność materiału.

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