Сталефибробетон (SFRC) — это новый тип композитного материала, который можно заливать и распылять путем добавления соответствующего количества короткой стальной фибры в обычный бетон. В последние годы он быстро развивался внутри страны и за рубежом. Он преодолевает недостатки низкой прочности на разрыв, малого предельного удлинения и хрупкости бетона. Он обладает превосходными свойствами, такими как прочность на растяжение, сопротивление изгибу, сопротивление сдвигу, сопротивление растрескиванию, сопротивление усталости и высокая ударная вязкость. Он применяется в гидротехнике, дорожно-мостовом, строительном и других инженерных областях.
1. Разработка сталефибробетона.
Фибробетон (FRC) — это аббревиатура фибробетона. Обычно это композит на цементной основе, состоящий из цементного теста, раствора или бетона и металлических волокон, неорганических волокон или материалов, армированных органическими волокнами. Это новый строительный материал, образованный путем равномерного распределения коротких и тонких волокон с высокой прочностью на разрыв, высоким предельным удлинением и высокой щелочестойкостью в бетонной матрице. Фибра в бетоне может ограничить образование ранних трещин в бетоне и дальнейшее расширение трещин под действием внешней силы, эффективно преодолеть присущие дефекты, такие как низкая прочность на растяжение, легкое растрескивание и плохая усталостная устойчивость бетона, а также значительно улучшить эксплуатационные характеристики. водонепроницаемости, морозостойкости и армирующей защиты бетона. Фибробетон, особенно железобетон, армированный сталью, привлекает все больше и больше внимания в академических и инженерных кругах практической инженерии из-за своих превосходных характеристик. 1907 Советский специалист Б.П. Хекпокаб начал использовать металлофибробетон; В 1910 году Х. Ф. Портер опубликовал отчет об исследовании армированного бетона с короткими волокнами, в котором предположил, что короткие стальные волокна должны быть равномерно распределены в бетоне для укрепления материалов матрицы; В 1911 году Грэм из США добавил стальную фибру в обычный бетон, чтобы улучшить прочность и стабильность бетона; К 1940-м годам США, Великобритания, Франция, Германия, Япония и другие страны провели множество исследований по использованию стальной фибры для повышения износостойкости и трещиностойкости бетона, технологии производства сталефибробетона, совершенствованию форма стальной фибры для улучшения прочности сцепления между фиброй и бетонной матрицей; В 1963 году Дж. П. Ромуальди и Г. Б. Бэтсон опубликовали статью о механизме развития трещин в сталефибробетоне и выдвинули вывод о том, что трещиностойкость сталефибробетона определяется средним расстоянием между стальными волокнами, которое играет эффективную роль. в растягивающем напряжении (теория расстояния между волокнами), что положило начало практическому этапу разработки этого нового композитного материала. До сих пор, с популяризацией и применением сталефибробетона, из-за различного распределения волокон в бетоне существует в основном четыре типа: сталефибробетон, гибридный фибробетон, слоистый сталефибробетон и слоистый гибридный фибробетон. железобетон.
2. Механизм усиления сталефибробетона.
(1) Теория механики композитов. Теория механики композитов основана на теории композитов с непрерывными волокнами и сочетается с характеристиками распределения стальных волокон в бетоне. В этой теории композиты рассматриваются как двухфазные композиты, в которых волокно является одной фазой, а матрица — другой фазой.
(2) Теория расстояния между волокнами. Теория расстояния между волокнами, также известная как теория трещиностойкости, предложена на основе линейной упругой механики разрушения. Эта теория утверждает, что эффект армирования волокон связан только с равномерно распределенным расстоянием между волокнами (минимальным расстоянием).
3. Анализ состояния развития сталефибробетона.
1.Стальфибробетон. Сталефибробетон — это разновидность относительно однородного и разнонаправленного железобетона, полученного путем добавления небольшого количества волокон низкоуглеродистой стали, нержавеющей стали и стеклопластика в обычный бетон. Количество стальной фибры при смешивании обычно составляет 1–2% по объему, в то время как 70–100 кг стальной фибры смешивается с каждым кубическим метром бетона по весу. Длина стальной фибры должна составлять 25 ~ 60 мм, диаметр - 0,25 ~ 1,25 мм, а лучшее соотношение длины к диаметру должно быть 50 ~ 700. По сравнению с обычным бетоном, он может не только улучшить растяжение, сдвиг и изгиб. , износостойкость и трещиностойкость, а также значительно повышают вязкость разрушения и ударопрочность бетона, а также значительно улучшают усталостную прочность и долговечность конструкции, особенно ударная вязкость может быть увеличена в 10-20 раз. В Китае сравниваются механические свойства сталефибробетона и обычного бетона. Когда содержание стальной фибры составляет 15% ~ 20%, а соотношение воды и цемента составляет 0,45, прочность на растяжение увеличивается на 50% ~ 70%, прочность на изгиб увеличивается на 120% ~ 180%, ударная вязкость увеличивается на 10 ~ 20. раз, ударная усталостная прочность увеличивается в 15–20 раз, вязкость при изгибе увеличивается в 14–20 раз, а также значительно улучшается износостойкость. Таким образом, сталефибробетон имеет лучшие физико-механические свойства, чем обычный бетон.
4. Гибридный фибробетон
Соответствующие данные исследований показывают, что стальная фибра существенно не повышает прочность бетона на сжатие и даже не снижает ее; По сравнению с простым бетоном существуют положительные и отрицательные (увеличение и уменьшение) или даже промежуточные взгляды на непроницаемость, износостойкость, ударопрочность и износостойкость сталефибробетона и предотвращение ранней пластической усадки бетона. Кроме того, сталефибробетон имеет некоторые проблемы, такие как большая дозировка, высокая цена, ржавчина и почти полное отсутствие устойчивости к взрыву, вызванному пожаром, что в разной степени повлияло на его применение. В последние годы некоторые отечественные и зарубежные учёные стали обращать внимание на гибридный фибробетон (ГФББ), пытаясь смешивать волокна с разными свойствами и преимуществами, перенимать опыт друг у друга, обыгрывать «положительный гибридный эффект» на разных уровнях и этапы загрузки для улучшения различных свойств бетона, чтобы удовлетворить потребности различных проектов. Однако, что касается его различных механических свойств, особенно его усталостной деформации и усталостного повреждения, закона развития деформации и характеристик повреждения при статических и динамических нагрузках, а также циклических нагрузках постоянной или переменной амплитуды, оптимальное количество смешивания и пропорция смешивания волокна, соотношение между компонентами композиционных материалов, эффектом упрочнения и механизмом упрочнения, противоусталостными характеристиками, механизмом разрушения и технологией строительства. Проблемы расчета пропорций смеси требуют дальнейшего изучения.
5. Слоистый сталефибробетон.
Монолитный фибробетон нелегко перемешать равномерно, волокно легко агломерируется, количество волокна велико, а стоимость относительно высока, что влияет на его широкое применение. Благодаря большому количеству инженерной практики и теоретических исследований предложен новый тип сталефиброконструкции — слоеный сталефибробетон (LSFRC). Небольшое количество стальной фибры равномерно распределено на верхней и нижней поверхностях дорожной плиты, а середина по-прежнему представляет собой простой бетонный слой. Стальная фибра в LSFRC обычно распределяется вручную или механически. Стальное волокно длинное, а соотношение длины и диаметра обычно составляет от 70 до 120, что свидетельствует о двумерном распределении. Не влияя на механические свойства, этот материал не только значительно уменьшает количество стальной фибры, но и позволяет избежать явления агломерации волокон при смешивании цельного фибробетона. Кроме того, положение слоя стальной фибры в бетоне оказывает большое влияние на прочность бетона на изгиб. Эффект армирования слоя стальной фибры в нижней части бетона является лучшим. При перемещении слоя стальной фибры вверх эффект армирования значительно снижается. Прочность на изгиб LSFRC более чем на 35% выше, чем у обычного бетона с той же пропорцией смеси, что немного ниже, чем у цельного сталефибробетона. Тем не менее, LSFRC может сэкономить значительную часть стоимости материала, и нет проблем со сложным смешиванием. Таким образом, LSFRC — это новый материал с хорошими социальными и экономическими преимуществами и широкими перспективами применения, который достоин популяризации и применения в дорожном строительстве.
6. Слоистый гибридный фибробетон.
Слойный гибридный фибробетон (LHFRC) представляет собой композиционный материал, образованный путем добавления 0,1% полипропиленовой фибры на основе LSFRC и равномерного распределения большого количества тонких и коротких полипропиленовых волокон с высокой прочностью на разрыв и высоким предельным удлинением в верхней и нижней части стали. фибробетон и простой бетон в среднем слое. Он может преодолеть слабость промежуточного слоя простого бетона LSFRC и предотвратить потенциальную угрозу безопасности после изнашивания поверхностной стальной фибры. LHFRC может значительно повысить прочность бетона на изгиб. По сравнению с простым бетоном, его прочность на изгиб обычного бетона увеличивается примерно на 20%, а по сравнению с LSFRC, его прочность на изгиб увеличивается на 2,6%, но это мало влияет на модуль упругости бетона при изгибе. Модуль упругости при изгибе LHFRC на 1,3% выше, чем у обычного бетона, и на 0,3% ниже, чем у LSFRC. LHFRC также может значительно повысить прочность бетона на изгиб, а его индекс прочности на изгиб примерно в 8 раз выше, чем у обычного бетона, и в 1,3 раза больше, чем у LSFRC. Более того, из-за различных характеристик двух или более волокон LHFRC в бетоне, в соответствии с инженерными потребностями, положительный гибридный эффект синтетического волокна и стальной фибры в бетоне может быть использован для значительного улучшения пластичности, долговечности, ударной вязкости и трещиностойкости. , прочность на изгиб и прочность материала на растяжение, улучшают качество материала и продлевают срок службы материала.
—— Аннотация (Архитектура Шаньси, Том 38, № 11, Чэнь Хуэйцин)
Время публикации: 24 августа 2022 г.