Железобетон, армированный стальными волокнами (SFRC), — это новый тип композитного материала, который можно заливать и наносить методом напыления путем добавления соответствующего количества коротких стальных волокон в обычный бетон. В последние годы он быстро развивается как в стране, так и за рубежом. Он преодолевает недостатки бетона, такие как низкая прочность на растяжение, малое предельное удлинение и хрупкость. Он обладает превосходными свойствами, такими как прочность на растяжение, сопротивление изгибу, сопротивление сдвигу, трещиностойкость, усталостная прочность и высокая ударная вязкость. Он находит применение в гидротехнике, дорожном и мостовом строительстве, строительстве и других областях техники.

 

一．Разработка сталефибробетона

 

Фибробетон (ФБ) — это аббревиатура от фибробетона. Обычно это цементный композит, состоящий из цементной пасты, раствора или бетона и армирующих материалов из металлических, неорганических или органических волокон. Это новый строительный материал, образованный путем равномерного распределения коротких и тонких волокон с высокой прочностью на растяжение, высоким пределом удлинения и высокой щелочестойкостью в бетонной матрице. Волокна в бетоне могут ограничивать образование ранних трещин в бетоне и дальнейшее их распространение под действием внешних сил, эффективно преодолевая присущие бетону недостатки, такие как низкая прочность на растяжение, легкое растрескивание и плохая усталостная прочность, а также значительно улучшая водонепроницаемость, гидроизоляцию, морозостойкость и защиту арматуры бетона. Фибробетон, особенно сталефибробетон, привлекает все больше внимания в академических и инженерных кругах в практической инженерии благодаря своим превосходным характеристикам. В 1907 году советский эксперт Б. П. Гекпокаб начал использовать металлофибробетон; В 1910 году Х.Ф. Портер опубликовал исследовательский отчет о бетоне, армированном короткими волокнами, в котором предлагалось равномерно распределять короткие стальные волокна в бетоне для упрочнения матричных материалов; в 1911 году Грэм из США добавил стальные волокна в обычный бетон для повышения его прочности и стабильности; к 1940-м годам в США, Великобритании, Франции, Германии, Японии и других странах было проведено множество исследований по использованию стальных волокон для повышения износостойкости и трещиностойкости бетона, технологии производства бетона со стальными волокнами, а также по улучшению формы стальных волокон для повышения прочности сцепления между волокном и бетонной матрицей; в 1963 году Ж.П. Ромуальди и Г.Б. Батсон опубликовали статью о механизме развития трещин в бетоне, армированном стальными волокнами, и пришли к выводу, что прочность на растрескивание бетона, армированного стальными волокнами, определяется средним расстоянием между стальными волокнами, которое играет эффективную роль в растягивающем напряжении (теория расстояния между волокнами), тем самым положив начало практическому этапу развития этого нового композитного материала. До настоящего времени, с распространением и применением сталефибробетона, из-за различного распределения волокон в бетоне, существует четыре основных типа: сталефибробетон, гибридный фибробетон, слоистый сталефибробетон и слоистый гибридный фибробетон.

 

二.Механизм упрочнения сталефибробетона

 

1. Теория механики композитов. Теория механики композитов основана на теории непрерывных волоконных композитов и сочетается с характеристиками распределения стальных волокон в бетоне. В этой теории композиты рассматриваются как двухфазные, где волокно является одной фазой, а матрица — другой.

 

Теория расстояния между волокнами. Теория расстояния между волокнами, также известная как теория сопротивления растрескиванию, предложена на основе линейной упругой механики разрушения. Эта теория утверждает, что армирующий эффект волокон зависит только от равномерного распределения расстояния между волокнами (минимального расстояния).

 

三．Анализ состояния развития сталефибробетона.

 

1.Железобетон, армированный стальными волокнами.Фибробетон — это относительно однородный и многонаправленный железобетон, получаемый путем добавления небольшого количества низкоуглеродистой стали, нержавеющей стали и волокон FRP в обычный бетон. Количество стальных волокон обычно составляет 1–2% по объему, при этом на каждый кубический метр бетона приходится 70–100 кг стальных волокон по весу. Длина стальных волокон должна составлять 25–60 мм, диаметр — 0,25–1,25 мм, а оптимальное соотношение длины к диаметру — 50–700. По сравнению с обычным бетоном, он не только улучшает сопротивление растяжению, сдвигу, изгибу, износу и растрескиванию, но и значительно повышает трещиностойкость и ударопрочность бетона, а также существенно улучшает усталостную прочность и долговечность конструкции, особенно прочность может быть увеличена в 10–20 раз. Механические свойства фибробетона и обычного бетона сравниваются в Китае. При содержании стальных волокон 15–20% и водоцементном соотношении 0,45 прочность на растяжение увеличивается на 50–70%, прочность на изгиб — на 120–180%, ударная вязкость — в 10–20 раз, прочность на усталость при ударе — в 15–20 раз, вязкость при изгибе — в 14–20 раз, а также значительно улучшается износостойкость. Таким образом, железобетон, армированный стальными волокнами, обладает лучшими физико-механическими свойствами, чем обычный бетон.

2. Гибридный фибробетон. Соответствующие данные исследований показывают, что стальные волокна не оказывают существенного влияния на повышение прочности бетона на сжатие, а иногда даже снижают её; по сравнению с обычным бетоном, в отношении водонепроницаемости, износостойкости, ударопрочности и предотвращения ранней пластической усадки бетона наблюдаются как положительные, так и отрицательные (увеличение и уменьшение), а также промежуточные показатели. Кроме того, железобетон, армированный стальными волокнами, имеет ряд проблем, таких как большие дозировки, высокая цена, ржавчина и практически полное отсутствие сопротивления разрушению при пожаре, что в различной степени ограничивает его применение. В последние годы некоторые отечественные и зарубежные ученые начали уделять внимание гибридному фибробетону (ГФБ), пытаясь смешивать волокна с различными свойствами и преимуществами, учиться друг у друга и использовать «положительный гибридный эффект» на разных уровнях и этапах нагружения для улучшения различных свойств бетона, чтобы удовлетворить потребности различных проектов. Однако, учитывая различные механические свойства материала, особенно его усталостную деформацию и усталостное повреждение, закономерности развития деформации и характеристики повреждений при статических и динамических нагрузках, а также при циклических нагрузках постоянной или переменной амплитуды, оптимальное количество и пропорции волокон, взаимосвязь между компонентами композитных материалов, упрочняющий эффект и механизм упрочнения, антиусталостные характеристики, механизм разрушения и технологии строительства, проблемы проектирования пропорций компонентов требуют дальнейшего изучения.

3. Многослойный железобетон, армированный стальными волокнами.Монолитный фибробетон трудно равномерно смешать, волокна легко агломерируются, их количество велико, а стоимость относительно высока, что ограничивает его широкое применение. В результате многочисленных инженерных практических и теоретических исследований был предложен новый тип фибробетона – многослойный фибробетон (LSFRC). Небольшое количество стальных волокон равномерно распределяется по верхней и нижней поверхностям дорожной плиты, а средняя часть остается слоем обычного бетона. В LSFRC стальные волокна обычно распределяются вручную или механически. Волокна длинные, а соотношение длины и диаметра обычно составляет от 70 до 120, что обеспечивает двумерное распределение. Этот материал, не влияя на механические свойства, не только значительно уменьшает количество стальных волокон, но и предотвращает явление агломерации волокон при смешивании цельного фибробетона. Кроме того, положение слоя стальных волокон в бетоне оказывает большое влияние на прочность бетона на изгиб. Наилучший эффект армирования достигается при расположении слоя стальных волокон в нижней части бетона. При перемещении слоя стальных волокон вверх армирующий эффект значительно снижается. Прочность на изгиб LSFRC более чем на 35% выше, чем у обычного бетона с тем же составом смеси, что немного ниже, чем у монолитного железобетона. Однако LSFRC позволяет значительно сэкономить на материалах, и отсутствует проблема трудностей смешивания. Поэтому LSFRC является новым материалом с хорошими социально-экономическими преимуществами и широкими перспективами применения, заслуживающим широкого распространения и применения в дорожном строительстве.

 

4.Многослойный гибридный фибробетон.Многослойный гибридный фибробетон (LHFRC) — это композитный материал, образованный путем добавления 0,1% полипропиленового волокна к LSFRC и равномерного распределения большого количества тонких и коротких полипропиленовых волокон с высокой прочностью на растяжение и высоким пределом удлинения в верхнем и нижнем слоях сталефибробетона и обычном бетоне в среднем слое. Он позволяет преодолеть недостатки промежуточного слоя обычного бетона LSFRC и предотвратить потенциальные угрозы безопасности после износа поверхностных стальных волокон. LHFRC значительно повышает прочность бетона на изгиб. По сравнению с обычным бетоном его прочность на изгиб увеличивается примерно на 20%, а по сравнению с LSFRC — на 2,6%, но оказывает незначительное влияние на модуль упругости при изгибе бетона. 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 изгибную вязкость бетона, причем его показатель изгибной вязкости примерно в 8 раз выше, чем у обычного бетона, и в 1,3 раза выше, чем у LSFRC. Более того, благодаря различным характеристикам двух или более волокон в LHFRC в бетоне, в зависимости от инженерных потребностей, положительный гибридный эффект синтетического и стального волокна в бетоне может быть использован для значительного улучшения пластичности, долговечности, вязкости, прочности на растрескивание, прочности на изгиб и прочности на растяжение материала, повышения качества материала и продления срока его службы.

——Аннотация (Архитектура Шаньси, Том 38, № 11, Чэнь Хуэйцин)