Сталефібробетон (SFRC) – це новий тип композитного матеріалу, який можна заливати та напилювати шляхом додавання відповідної кількості короткої сталевої фібри до звичайного бетону. Він швидко розвивався в країні та за кордоном останніми роками. Він долає недоліки низької міцності на розтяг, малого граничного видовження та крихкості бетону. Він має чудові властивості, такі як міцність на розтяг, опір вигину, опір зсуву, тріщиностійкість, опір втомі та висока міцність. Він застосовується в гідротехніки, дорожньому та мостовому будівництві та інших галузях машинобудування.
1. Розробка сталефібробетону
Фібробетон (FRC) – це абревіатура від fiberarmed concrete (фібробетон). Зазвичай це композит на основі цементу, що складається з цементної пасти, розчину або бетону та металевого волокна, неорганічного волокна або матеріалів, армованих органічним волокном. Це новий будівельний матеріал, утворений шляхом рівномірного розподілу коротких і тонких волокон з високою міцністю на розтяг, високим граничним подовженням та високою стійкістю до лугів у бетонній матриці. Фібробетон у бетоні може обмежити утворення ранніх тріщин у бетоні та подальше розширення тріщин під дією зовнішньої сили, ефективно подолати притаманні йому дефекти, такі як низька міцність на розтяг, легке розтріскування та низька стійкість до втоми бетону, а також значно покращити характеристики непроникності, водонепроникності, морозостійкості та захисту арматури бетону. Фібробетон, особливо сталефібробетон, привертає все більше уваги в академічних та інженерних колах у практичній інженерії завдяки своїм чудовим характеристикам. 1907 року радянський експерт Б. П. Хекпокаб почав використовувати металофібробетон; у 1910 році Г. Ф. Портер опублікував дослідницький звіт про короткофібробетон, припустивши, що короткі сталеві волокна повинні бути рівномірно розподілені в бетоні для зміцнення матричних матеріалів; У 1911 році Грем зі США додав сталеву фібру до звичайного бетону для покращення міцності та стійкості бетону; До 1940-х років Сполучені Штати, Велика Британія, Франція, Німеччина, Японія та інші країни провели багато досліджень щодо використання сталевої фібри для покращення зносостійкості та тріщиностійкості бетону, технології виробництва сталефібробетону та покращення форми сталевої фібри для покращення міцності зчеплення між фіброю та бетонною матрицею; У 1963 році Дж. П. Ромуальді та Г. Б. Батсон опублікували статтю про механізм розвитку тріщин у сталефібробетоні та висунули висновок, що міцність на тріщини в сталефібробетоні визначається середньою відстанню між сталевими волокнами, яка відіграє важливу роль у напрузі розтягу (теорія відстані між волокнами), тим самим розпочавши практичну стадію розробки цього нового композитного матеріалу. На сьогоднішній день, з популяризацією та застосуванням сталефібробетону, через різний розподіл волокон у бетоні, існує чотири основні типи: сталефібробетон, гібридний фібробетон, шаруватий сталефібробетон та шаруватий гібридний фібробетон.
2. Механізм зміцнення сталефібробетону
(1) Теорія механіки композитів. Теорія механіки композитів базується на теорії композитів із безперервним волокном та поєднується з характеристиками розподілу сталевих волокон у бетоні. У цій теорії композити розглядаються як двофазні, де волокно є однією фазою, а матриця – іншою.
(2) Теорія відстані між волокнами. Теорія відстані між волокнами, також відома як теорія тріщиностійкості, запропонована на основі лінійно-пружної механіки руйнування. Ця теорія стверджує, що армуючий ефект волокон пов'язаний лише з рівномірно розподіленою відстанню між волокнами (мінімальна відстань).
3. Аналіз стану розвитку сталефібробетону
1. Сталефібробетон. Сталефібробетон – це вид відносно однорідного та багатонаправленого залізобетону, що утворюється шляхом додавання невеликої кількості низьковуглецевої сталі, нержавіючої сталі та FRP-волокна до звичайного бетону. Кількість сталевого волокна в суміші зазвичай становить 1% ~ 2% за об'ємом, тоді як на кожен кубічний метр бетону за вагою додається 70 ~ 100 кг сталевого волокна. Довжина сталевого волокна повинна бути 25 ~ 60 мм, діаметр – 0,25 ~ 1,25 мм, а найкраще співвідношення довжини до діаметра – 50 ~ 700. Порівняно зі звичайним бетоном, він може не тільки покращити стійкість до розтягу, зсуву, вигину, зносу та тріщиноутворення, але й значно підвищити в'язкість бетону на розрив та удар, а також значно покращити стійкість до втоми та довговічність конструкції, особливо в'язкість, яку можна збільшити в 10 ~ 20 разів. Механічні властивості сталефібробетону та звичайного бетону порівнюються в Китаї. Коли вміст сталевої фібри становить 15% ~ 20%, а водоцементне співвідношення — 0,45, міцність на розтяг збільшується на 50% ~ 70%, міцність на згин — на 120% ~ 180%, ударна в'язкість — у 10 ~ 20 разів, ударна в'язкість — у 15 ~ 20 разів, міцність на згин — у 14 ~ 20 разів, а зносостійкість також значно покращується. Таким чином, сталефібробетон має кращі фізико-механічні властивості, ніж звичайний бетон.
4. Гібридний фібробетон
Відповідні дослідницькі дані показують, що сталева фібра суттєво не підвищує міцність бетону на стиск або навіть знижує її; порівняно зі звичайним бетоном, існують позитивні та негативні (збільшення та зменшення) або навіть проміжні погляди на непроникність, зносостійкість, ударостійкість та зносостійкість сталефібробетону та запобігання ранній пластичній усадці бетону. Крім того, сталефібробетон має деякі проблеми, такі як велике дозування, висока ціна, іржа та майже відсутність стійкості до розриву, спричиненого вогнем, що різною мірою впливає на його застосування. В останні роки деякі вітчизняні та зарубіжні вчені почали звертати увагу на гібридний фібробетон (HFRC), намагаючись змішувати волокна з різними властивостями та перевагами, вчитися одне в одного та використовувати «позитивний гібридний ефект» на різних рівнях та етапах навантаження для покращення різних властивостей бетону, щоб задовольнити потреби різних проектів. Однак, враховуючи його різні механічні властивості, особливо його втомну деформацію та втомне пошкодження, закон розвитку деформації та характеристики пошкодження при статичних та динамічних навантаженнях, а також циклічних навантаженнях з постійною або змінною амплітудою, оптимальну кількість змішуваного матеріалу та пропорцію змішування волокна, взаємозв'язок між компонентами композитних матеріалів, ефект зміцнення та механізм зміцнення, протиутомні властивості, механізм руйнування та технологію будівництва, проблеми проектування пропорцій змішування потребують подальшого вивчення.
5. Шаруватий сталефібробетон
Монолітний фібробетон важко змішувати рівномірно, фібра легко агломерується, кількість фібри велика, а вартість відносно висока, що впливає на його широке застосування. Завдяки великій кількості інженерних практик та теоретичних досліджень запропоновано новий тип структури зі сталевої фібри - шаруватий сталевої фібробетон (LSFRC). Невелика кількість сталевої фібри рівномірно розподіляється на верхній та нижній поверхнях дорожньої плити, а середина все ще залишається шаром звичайного бетону. Сталева фібра в LSFRC зазвичай розподіляється вручну або механічно. Сталева фібра довга, а співвідношення довжини та діаметра зазвичай становить від 70 до 120, що демонструє двовимірний розподіл. Не впливаючи на механічні властивості, цей матеріал не тільки значно зменшує кількість сталевої фібри, але й запобігає явищу агломерації волокон під час змішування цілісного фібробетону. Крім того, положення шару сталевої фібри в бетоні має великий вплив на міцність бетону на згин. Армуючий ефект шару сталевої фібри внизу бетону є найкращим. Зі зміщенням шару сталевої фібри вгору армуючий ефект значно зменшується. Міцність на згин LSFRC більш ніж на 35% вища, ніж у звичайного бетону з такою ж пропорцією суміші, що трохи нижче, ніж у інтегрального сталефібробетону. Однак LSFRC може значно заощадити кошти на матеріалах, і немає проблем зі складним змішуванням. Таким чином, LSFRC є новим матеріалом з хорошими соціальними та економічними перевагами та широкими перспективами застосування, який заслуговує на популяризацію та застосування в будівництві дорожніх покриттів.
6. Шаруватий гібридний фібробетон
Шаруватий гібридний фібробетон (LHFRC) – це композитний матеріал, утворений шляхом додавання 0,1% поліпропіленового волокна на основі LSFRC та рівномірного розподілу великої кількості тонких і коротких поліпропіленових волокон з високою міцністю на розтяг та високим граничним подовженням у верхньому та нижньому сталефібробетоні, а також у звичайному бетоні в середньому шарі. Він може подолати слабкість проміжного шару звичайного бетону LSFRC та запобігти потенційним загрозам безпеці після зносу поверхневого сталевого волокна. LHFRC може значно підвищити міцність бетону на згин. Порівняно зі звичайним бетоном, його міцність на згин звичайного бетону збільшується приблизно на 20%, а порівняно з LSFRC, його міцність на згин збільшується на 2,6%, але це мало впливає на модуль пружності бетону при згині. Модуль пружності при згині LHFRC на 1,3% вищий, ніж у звичайного бетону, і на 0,3% нижчий, ніж у LSFRC. LHFRC також може значно підвищити в'язкість бетону на згин, а його індекс в'язкості на згин приблизно у 8 разів перевищує показник звичайного бетону та в 1,3 раза перевищує показник LSFRC. Більше того, завдяки різним характеристикам двох або більше волокон у LHFRC у бетоні, відповідно до інженерних потреб, позитивний гібридний ефект синтетичного та сталевого волокна в бетоні може бути використаний для значного покращення пластичності, довговічності, в'язкості, міцності на розтріскування, міцності на згин та розтяг матеріалу, покращення якості матеріалу та продовження терміну служби матеріалу.
——Анотація (Shanxi architecture, Vol. 38, No. 11, Chen Huiqing)
Час публікації: 24 серпня 2022 р.