Stålfiberforstærket beton (SFRC) er en ny type kompositmateriale, der kan hældes og sprøjtes ved at tilsætte en passende mængde korte stålfibre til almindelig beton. Det har udviklet sig hurtigt i ind- og udland i de senere år. Det overvinder manglerne ved lav trækstyrke, lille ultimativ forlængelse og sprødhed i beton. Det har fremragende egenskaber såsom trækstyrke, bøjningsmodstand, forskydningsmodstand, revnemodstand, udmattelsesmodstand og høj sejhed. Det er blevet anvendt inden for vandbygning, vej- og broteknik, byggeri og andre ingeniørområder.
1. Udvikling af stålfiberforstærket beton
Fiberforstærket beton (FRC) er en forkortelse for fiberforstærket beton. Det er normalt en cementbaseret komposit bestående af cementpasta, mørtel eller beton og metalfibre, uorganiske fibre eller organiske fiberforstærkede materialer. Det er et nyt byggemateriale dannet ved ensartet fordeling af korte og fine fibre med høj trækstyrke, høj ultimativ forlængelse og høj alkaliresistens i betonmatricen. Fiber i beton kan begrænse dannelsen af tidlige revner i beton og yderligere udvidelse af revner under påvirkning af ydre kræfter, effektivt overvinde de iboende defekter såsom lav trækstyrke, let revnedannelse og dårlig udmattelsesmodstand i beton og forbedre betonens uigennemtrængelighed, vandtæthed, frostbestandighed og armeringsbeskyttelse betydeligt. Fiberforstærket beton, især stålfiberforstærket beton, har tiltrukket sig mere og mere opmærksomhed i akademiske og ingeniørkredse inden for praktisk ingeniørvidenskab på grund af sin overlegne ydeevne. I 1907 begyndte den sovjetiske ekspert B. P. Hekpocab at bruge metalfiberforstærket beton; I 1910 udgav H. F. Porter en forskningsrapport om kortfiberforstærket beton, der foreslog, at korte stålfibre skulle fordeles jævnt i beton for at styrke matrixmaterialerne; I 1911 tilsatte Graham fra USA stålfibre i almindelig beton for at forbedre betonens styrke og stabilitet. I 1940'erne havde USA, Storbritannien, Frankrig, Tyskland, Japan og andre lande forsket en del i brugen af stålfibre til at forbedre betonens slidstyrke og revnemodstand, fremstillingsteknologien af stålfiberbeton og forbedring af stålfiberens form for at forbedre bindingsstyrken mellem fibre og betonmatrix. I 1963 udgav JP Romualdi og GB Batson en artikel om revneudviklingsmekanismen i stålfiberbeton og fremsatte den konklusion, at revnestyrken i stålfiberforstærket beton bestemmes af den gennemsnitlige afstand mellem stålfibrene, som spiller en effektiv rolle i trækspændingen (fiberafstandsteori), hvilket startede den praktiske udviklingsfase af dette nye kompositmateriale. Indtil videre, med populariseringen og anvendelsen af stålfiberforstærket beton, er der på grund af den forskellige fordeling af fibre i beton primært fire typer: stålfiberforstærket beton, hybridfiberforstærket beton, lagdelt stålfiberforstærket beton og lagdelt hybridfiberforstærket beton.
2. Forstærkningsmekanisme for stålfiberforstærket beton
(1) Teori om kompositmekanik. Teorien om kompositmekanik er baseret på teorien om kontinuerlige fiberkompositter og kombineret med fordelingsegenskaberne for stålfibre i beton. I denne teori betragtes kompositter som tofasede kompositter med fiber som den ene fase og matrix som den anden fase.
(2) Fiberafstandsteori. Fiberafstandsteori, også kendt som revnemodstandsteori, er foreslået baseret på lineær elastisk brudmekanik. Denne teori hævder, at fibrenes forstærkningseffekt kun er relateret til den ensartet fordelte fiberafstand (minimumsafstand).
3. Analyse af udviklingsstatus for stålfiberforstærket beton
1. Stålfiberforstærket beton. Stålfiberforstærket beton er en type relativt ensartet og multidirektionel armeret beton, der dannes ved at tilsætte en lille mængde lavkulstofstål, rustfrit stål og FRP-fibre til almindelig beton. Blandingsmængden af stålfibre er generelt 1% ~ 2% efter volumen, mens 70 ~ 100 kg stålfibre blandes i hver kubikmeter beton efter vægt. Længden af stålfibrene skal være 25 ~ 60 mm, diameteren skal være 0,25 ~ 1,25 mm, og det bedste forhold mellem længde og diameter skal være 50 ~ 700. Sammenlignet med almindelig beton kan det ikke kun forbedre træk-, forskydnings-, bøjnings-, slid- og revnemodstanden, men også forbedre betonens brudstyrke og slagfasthed betydeligt og forbedre konstruktionens udmattelsesmodstand og holdbarhed betydeligt, især sejheden kan øges med 10 ~ 20 gange. De mekaniske egenskaber ved stålfiberforstærket beton og almindelig beton sammenlignes i Kina. Når indholdet af stålfibre er 15% ~ 20% og vandcementforholdet er 0,45, øges trækstyrken med 50% ~ 70%, bøjningsstyrken øges med 120% ~ 180%, slagstyrken øges med 10 ~ 20 gange, slagudmattelsesstyrken øges med 15 ~ 20 gange, bøjningssejheden øges med 14 ~ 20 gange, og slidstyrken forbedres også betydeligt. Derfor har stålfiberforstærket beton bedre fysiske og mekaniske egenskaber end almindelig beton.
4. Hybrid fiberbeton
Relevante forskningsdata viser, at stålfiber ikke signifikant forbedrer betonens trykstyrke eller endda reducerer den. Sammenlignet med almindelig beton er der positive og negative (stigning og fald) eller endda mellemliggende synspunkter på uigennemtrængelighed, slidstyrke, slagfasthed og slidstyrke af stålfiberarmeret beton og forebyggelse af tidlig plastisk krympning af beton. Derudover har stålfiberarmeret beton nogle problemer, såsom stor dosering, høj pris, rust og næsten ingen modstandsdygtighed over for sprængning forårsaget af brand, hvilket har påvirket dens anvendelse i varierende grad. I de senere år er nogle indenlandske og udenlandske forskere begyndt at være opmærksomme på hybridfiberbeton (HFRC) og forsøger at blande fibre med forskellige egenskaber og fordele, lære af hinanden og give spil til den "positive hybrideffekt" på forskellige niveauer og belastningstrin for at forbedre forskellige egenskaber ved beton og dermed imødekomme behovene i forskellige projekter. Med hensyn til dens forskellige mekaniske egenskaber, især dens udmattelsesdeformation og udmattelsesskader, deformationsudviklingsloven og skadeskarakteristika under statiske og dynamiske belastninger og cykliske belastninger med konstant amplitude eller variabel amplitude, den optimale blandingsmængde og blandingsforhold for fiber, forholdet mellem komponenter i kompositmaterialer, forstærkningseffekt og forstærkningsmekanisme, anti-udmattelsesydelse, svigtmekanisme og konstruktionsteknologi, skal problemerne med blandingsforholdsdesign undersøges yderligere.
5. Lagdelt stålfiberforstærket beton
Monolitisk fiberforstærket beton er ikke let at blande jævnt, fibrene er lette at agglomerere, mængden af fibre er stor, og omkostningerne er relativt høje, hvilket påvirker dens brede anvendelse. Gennem en lang række tekniske praksisser og teoretisk forskning er der foreslået en ny type stålfiberstruktur, lagdelt stålfiberforstærket beton (LSFRC). En lille mængde stålfiber er jævnt fordelt på de øvre og nedre overflader af vejpladen, og midten er stadig et almindeligt betonlag. Stålfibrene i LSFRC fordeles generelt manuelt eller mekanisk. Stålfibrene er lange, og forholdet mellem længde og diameter er generelt mellem 70 og 120, hvilket viser en todimensionel fordeling. Uden at påvirke de mekaniske egenskaber reducerer dette materiale ikke kun mængden af stålfibre betydeligt, men undgår også fænomenet fiberagglomerering ved blanding af integreret fiberforstærket beton. Derudover har stålfiberlagets placering i betonen stor indflydelse på betonens bøjningsstyrke. Forstærkningseffekten af stålfiberlaget i bunden af betonen er den bedste. Når stålfiberlagets placering bevæger sig opad, falder forstærkningseffekten betydeligt. Bøjningsstyrken for LSFRC er mere end 35 % højere end for almindelig beton med samme blandingsforhold, hvilket er en smule lavere end for integreret stålfiberforstærket beton. LSFRC kan dog spare mange materialeomkostninger, og der er ikke noget problem med vanskelig blanding. Derfor er LSFRC et nyt materiale med gode sociale og økonomiske fordele og brede anvendelsesmuligheder, som er værd at popularisere og anvende i vejbelægningskonstruktioner.
6. Lagdelt hybridfiberbeton
Lagdelt hybridfiberforstærket beton (LHFRC) er et kompositmateriale dannet ved at tilsætte 0,1% polypropylenfibre på basis af LSFRC og jævnt fordele et stort antal fine og korte polypropylenfibre med høj trækstyrke og høj ultimativ forlængelse i det øvre og nedre stålfiberbeton og det midterste lag af almindelig beton. Det kan overvinde svagheden i det mellemliggende lag af almindelig beton af LSFRC og forhindre potentielle sikkerhedsrisici, efter at stålfiberoverfladen er slidt op. LHFRC kan forbedre betonens bøjningsstyrke betydeligt. Sammenlignet med almindelig beton øges bøjningsstyrken for almindelig beton med ca. 20%, og sammenlignet med LSFRC øges bøjningsstyrken med 2,6%, men det har ringe effekt på betonens bøjningselasticitetsmodul. Bøjningselasticitetsmodulet for LHFRC er 1,3% højere end for almindelig beton og 0,3% lavere end for LSFRC. LHFRC kan også forbedre betons bøjningssejhed betydeligt, og dens bøjningssejhedsindeks er omkring 8 gange højere end almindelig beton og 1,3 gange højere end LSFRC. På grund af de forskellige ydeevner af to eller flere fibre i LHFRC i beton kan den positive hybrideffekt af syntetiske fibre og stålfibre i beton, afhængigt af de tekniske behov, bruges til at forbedre materialets duktilitet, holdbarhed, sejhed, revnestyrke, bøjningsstyrke og trækstyrke betydeligt, forbedre materialekvaliteten og forlænge materialets levetid.
——Abstract (Shanxi-arkitektur, bind 38, nr. 11, Chen Huiqing)
Opslagstidspunkt: 24. august 2022