Betonul armat cu fibre de oțel (SFRC) este un nou tip de material compozit care poate fi turnat și pulverizat prin adăugarea unei cantități adecvate de fibre scurte de oțel în betonul obișnuit. În ultimii ani, s-a dezvoltat rapid atât în țară, cât și în străinătate. Acesta depășește deficiențele betonului legate de rezistența scăzută la tracțiune, alungirea maximă mică și proprietatea de fragilitate. Are proprietăți excelente, cum ar fi rezistența la tracțiune, rezistența la încovoiere, rezistența la forfecare, rezistența la fisuri, rezistența la oboseală și tenacitatea ridicată. A fost utilizat în inginerie hidraulică, drumuri și poduri, construcții și alte domenii inginerești.
1. Dezvoltarea betonului armat cu fibre de oțel
Betonul armat cu fibre (FRC) este abrevierea pentru beton armat cu fibre. Este de obicei un compozit pe bază de ciment, alcătuit din pastă de ciment, mortar sau beton și fibre metalice, fibre anorganice sau materiale armate cu fibre organice. Este un material de construcție nou, format prin dispersarea uniformă a fibrelor scurte și fine, cu rezistență ridicată la tracțiune, alungire maximă mare și rezistență ridicată la alcali în matricea betonului. Fibrele din beton pot limita generarea fisurilor timpurii în beton și extinderea ulterioară a fisurilor sub acțiunea forței externe, depășind eficient defectele inerente, cum ar fi rezistența scăzută la tracțiune, fisurarea ușoară și rezistența slabă la oboseală a betonului și îmbunătățind considerabil performanța de impermeabilitate, impermeabilitate, rezistență la îngheț și protecție la armătură a betonului. Betonul armat cu fibre, în special betonul armat cu fibre de oțel, a atras din ce în ce mai multă atenție în cercurile academice și inginerești în ingineria practică datorită performanțelor sale superioare. În 1907, expertul sovietic B. P. Hekpocab a început să utilizeze betonul armat cu fibre metalice; În 1910, HF Porter a publicat un raport de cercetare asupra betonului armat cu fibre scurte, sugerând că fibrele scurte de oțel ar trebui dispersate uniform în beton pentru a consolida materialele matricei; În 1911, Graham din Statele Unite a adăugat fibre de oțel în betonul obișnuit pentru a îmbunătăți rezistența și stabilitatea betonului; Până în anii 1940, Statele Unite, Marea Britanie, Franța, Germania, Japonia și alte țări au făcut numeroase cercetări privind utilizarea fibrelor de oțel pentru a îmbunătăți rezistența la uzură și rezistența la fisuri a betonului, tehnologia de fabricație a betonului cu fibre de oțel și îmbunătățirea formei fibrelor de oțel pentru a îmbunătăți rezistența legăturii dintre fibre și matricea betonului; În 1963, JP Romualdi și GB Batson au publicat o lucrare despre mecanismul de dezvoltare a fisurilor în betonul confinat cu fibre de oțel și au ajuns la concluzia că rezistența fisurilor în betonul armat cu fibre de oțel este determinată de distanța medie dintre fibrele de oțel, care joacă un rol eficient în tensiunea de tracțiune (teoria distanței dintre fibre), începând astfel etapa de dezvoltare practică a acestui nou material compozit. Până în prezent, odată cu popularizarea și aplicarea betonului armat cu fibre de oțel, datorită distribuției diferite a fibrelor în beton, există în principal patru tipuri: beton armat cu fibre de oțel, beton armat cu fibre hibrid, beton stratificat armat cu fibre de oțel și beton stratificat armat cu fibre hibrid.
2. Mecanismul de consolidare a betonului armat cu fibre de oțel
(1) Teoria mecanicii compozitelor. Teoria mecanicii compozitelor se bazează pe teoria compozitelor cu fibre continue și este combinată cu caracteristicile de distribuție ale fibrelor de oțel în beton. În această teorie, compozitele sunt considerate compozite bifazice, cu fibra ca o fază și matricea ca cealaltă fază.
(2) Teoria spațierii fibrelor. Teoria spațierii fibrelor, cunoscută și sub denumirea de teoria rezistenței la fisuri, este propusă pe baza mecanicii fracturilor elastice liniare. Această teorie susține că efectul de armare al fibrelor este legat doar de spațierea uniformă a fibrelor (spațierea minimă).
3. Analiza stării de dezvoltare a betonului armat cu fibre de oțel
1. Betonul armat cu fibre de oțel. Betonul armat cu fibre de oțel este un tip de beton armat relativ uniform și multidirecțional, format prin adăugarea unei cantități mici de oțel cu conținut scăzut de carbon, oțel inoxidabil și fibre FRP în betonul obișnuit. Cantitatea de fibre de oțel amestecate este în general de 1% ~ 2% în volum, în timp ce 70 ~ 100 kg de fibre de oțel sunt amestecate în fiecare metru cub de beton în greutate. Lungimea fibrei de oțel trebuie să fie de 25 ~ 60 mm, diametrul trebuie să fie de 0,25 ~ 1,25 mm, iar raportul optim dintre lungime și diametru trebuie să fie de 50 ~ 700. Comparativ cu betonul obișnuit, acesta nu numai că poate îmbunătăți rezistența la tracțiune, forfecare, încovoiere, uzură și fisurare, dar poate spori considerabil tenacitatea la fractură și rezistența la impact a betonului și poate îmbunătăți semnificativ rezistența la oboseală și durabilitatea structurii, în special tenacitatea putând fi crescută de 10 ~ 20 de ori. Proprietățile mecanice ale betonului armat cu fibre de oțel și ale betonului obișnuit sunt comparate în China. Când conținutul de fibre de oțel este de 15% ~ 20%, iar raportul apă-ciment este de 0,45, rezistența la tracțiune crește cu 50% ~ 70%, rezistența la încovoiere crește cu 120% ~ 180%, rezistența la impact crește de 10 ~ 20 de ori, rezistența la oboseală la impact crește de 15 ~ 20 de ori, tenacitatea la încovoiere crește de 14 ~ 20 de ori, iar rezistența la uzură este, de asemenea, îmbunătățită semnificativ. Prin urmare, betonul armat cu fibre de oțel are proprietăți fizice și mecanice mai bune decât betonul simplu.
4. Beton hibrid cu fibre
Datele relevante din cercetări arată că fibra de oțel nu promovează semnificativ rezistența la compresiune a betonului și nici măcar nu o reduce. Comparativ cu betonul simplu, există opinii pozitive și negative (creșteri și scăderi) sau chiar intermediare cu privire la impermeabilitatea, rezistența la uzură, impactul și rezistența la uzură a betonului armat cu fibre de oțel și prevenirea contracției plastice timpurii a betonului. În plus, betonul armat cu fibre de oțel prezintă unele probleme, cum ar fi dozajul mare, prețul ridicat, rugina și rezistența aproape inexistentă la spargerea cauzată de foc, ceea ce a afectat aplicarea sa în grade diferite. În ultimii ani, unii cercetători autohtoni și străini au început să acorde atenție betonului hibrid cu fibre (HFRC), încercând să combine fibre cu diferite proprietăți și avantaje, să învețe unii de la alții și să pună în practică „efectul hibrid pozitiv” la diferite niveluri și etape de încărcare pentru a îmbunătăți diverse proprietăți ale betonului, astfel încât să satisfacă nevoile diferitelor proiecte. Cu toate acestea, având în vedere diversele sale proprietăți mecanice, în special deformarea prin oboseală și deteriorarea prin oboseală, legea dezvoltării deformării și caracteristicile de deteriorare sub sarcini statice și dinamice și sarcini ciclice cu amplitudine constantă sau variabilă, cantitatea optimă de amestec și proporția de amestec a fibrelor, relația dintre componentele materialelor compozite, efectul de întărire și mecanismul de întărire, performanța anti-oboseală, mecanismul de cedare și tehnologia de construcție, problemele proiectării proporției de amestec trebuie studiate în continuare.
5. Beton armat cu fibre de oțel stratificat
Betonul armat cu fibre monolitice nu este ușor de amestecat uniform, fibra este ușor de aglomerat, cantitatea de fibre este mare, iar costul este relativ ridicat, ceea ce afectează aplicarea sa largă. Printr-un număr mare de practici inginerești și cercetări teoretice, este propus un nou tip de structură din fibre de oțel, betonul armat cu fibre de oțel stratificat (LSFRC). O cantitate mică de fibre de oțel este distribuită uniform pe suprafețele superioare și inferioare ale plăcii de drum, iar la mijloc este încă un strat simplu de beton. Fibra de oțel din LSFRC este în general distribuită manual sau mecanic. Fibra de oțel este lungă, iar raportul lungime-diametru este în general între 70 ~ 120, prezentând o distribuție bidimensională. Fără a afecta proprietățile mecanice, acest material nu numai că reduce considerabil cantitatea de fibre de oțel, dar evită și fenomenul de aglomerare a fibrelor în amestecarea betonului armat cu fibre integrale. În plus, poziția stratului de fibre de oțel în beton are un impact mare asupra rezistenței la încovoiere a betonului. Efectul de armare al stratului de fibre de oțel la baza betonului este cel mai bun. Odată cu mișcarea în sus a poziției stratului de fibre de oțel, efectul de armare scade semnificativ. Rezistența la încovoiere a betonului armat cu fibre de oțel (LSFRC) este cu peste 35% mai mare decât cea a betonului simplu cu aceeași proporție de amestec, fiind puțin mai mică decât cea a betonului armat cu fibre de oțel integrale. Cu toate acestea, LSFRC poate economisi semnificativ costurile materialelor și nu există probleme legate de amestecarea dificilă. Prin urmare, LSFRC este un material nou cu beneficii sociale și economice bune și perspective largi de aplicare, care merită popularizat și aplicat în construcția de pavaje.
6. Beton hibrid stratificat cu fibre
Betonul armat cu fibre hibrid stratificat (LHFRC) este un material compozit format prin adăugarea a 0,1% fibre de polipropilenă pe bază de LSFRC și distribuirea uniformă a unui număr mare de fibre fine și scurte de polipropilenă cu rezistență ridicată la tracțiune și alungire maximă mare în stratul superior și inferior al betonului armat cu fibre de oțel și în stratul intermediar al betonului simplu. Acesta poate depăși slăbiciunea stratului intermediar de beton simplu LSFRC și poate preveni potențialele pericole pentru siguranță după uzura fibrei de oțel de la suprafață. LHFRC poate îmbunătăți semnificativ rezistența la încovoiere a betonului. Comparativ cu betonul simplu, rezistența la încovoiere a betonului simplu este crescută cu aproximativ 20%, iar comparativ cu LSFRC, rezistența sa la încovoiere este crescută cu 2,6%, dar are un efect redus asupra modulului de elasticitate la încovoiere al betonului. Modulul de elasticitate la încovoiere al LHFRC este cu 1,3% mai mare decât cel al betonului simplu și cu 0,3% mai mic decât cel al LSFRC. LHFRC poate, de asemenea, să îmbunătățească semnificativ rezistența la încovoiere a betonului, iar indicele său de rezistență la încovoiere este de aproximativ 8 ori mai mare decât cel al betonului simplu și de 1,3 ori mai mare decât cel al LSFRC. Mai mult, datorită performanței diferite a două sau mai multe fibre din LHFRC în beton, în funcție de nevoile inginerești, efectul hibrid pozitiv al fibrelor sintetice și al fibrelor de oțel din beton poate fi utilizat pentru a îmbunătăți considerabil ductilitatea, durabilitatea, tenacitatea, rezistența la fisuri, rezistența la încovoiere și rezistența la tracțiune a materialului, pentru a îmbunătăți calitatea materialului și pentru a prelungi durata de viață a acestuia.
——Rezumat (Arhitectura Shanxi, Vol. 38, Nr. 11, Chen Huiqing)
Data publicării: 24 august 2022