Stålfiberarmerad betong (SFRC) är en ny typ av kompositmaterial som kan gjutas och sprutas genom att tillsätta en lämplig mängd kort stålfiber i vanlig betong. Den har utvecklats snabbt både hemma och utomlands de senaste åren. Den övervinner bristerna med låg draghållfasthet, liten slutlig töjning och spröda egenskaper hos betong. Den har utmärkta egenskaper som draghållfasthet, böjmotstånd, skjuvmotstånd, sprickmotstånd, utmattningsbeständighet och hög seghet. Den har använts inom vattenbyggnad, väg- och brobyggnad, byggbranschen och andra teknikområden.
1. Utveckling av stålfiberarmerad betong
Fiberförstärkt betong (FRC) är en förkortning för fiberförstärkt betong. Det är vanligtvis en cementbaserad komposit bestående av cementpasta, murbruk eller betong och metallfibrer, oorganiska fibrer eller organiska fiberförstärkta material. Det är ett nytt byggmaterial som bildas genom att jämnt fördela korta och fina fibrer med hög draghållfasthet, hög slutlig töjning och hög alkalibeständighet i betongmatrisen. Fiber i betong kan begränsa uppkomsten av tidiga sprickor i betong och ytterligare expansion av sprickor under påverkan av yttre krafter, effektivt övervinna inneboende defekter som låg draghållfasthet, lätt sprickbildning och dålig utmattningsbeständighet hos betong, och avsevärt förbättra prestandan för ogenomtränglighet, vattentäthet, frostbeständighet och armeringsskydd hos betong. Fiberförstärkt betong, särskilt stålfiberförstärkt betong, har väckt mer och mer uppmärksamhet inom akademiska och tekniska kretsar inom praktisk ingenjörskonst på grund av dess överlägsna prestanda. 1907 började den sovjetiska experten B. P. Hekpocab använda metallfiberförstärkt betong; År 1910 publicerade H. F. Porter en forskningsrapport om kortfiberförstärkt betong, där han föreslog att korta stålfibrer skulle fördelas jämnt i betong för att förstärka matrismaterialen; År 1911 tillsatte Graham från USA stålfiber i vanlig betong för att förbättra betongens hållfasthet och stabilitet. På 1940-talet hade USA, Storbritannien, Frankrike, Tyskland, Japan och andra länder forskat mycket om att använda stålfiber för att förbättra betongens slitstyrka och sprickmotstånd, tillverkningstekniken för stålfiberbetong och förbättring av stålfiberns form för att förbättra bindningsstyrkan mellan fiber och betongmatris. År 1963 publicerade JP Romualdi och GB Batson en artikel om sprickutvecklingsmekanismen i stålfiberbegränsad betong och drog slutsatsen att sprickhållfastheten hos stålfiberarmerad betong bestäms av det genomsnittliga avståndet mellan stålfibrerna, vilket spelar en viktig roll i dragspänningen (fiberavståndsteori), vilket inledde den praktiska utvecklingsfasen av detta nya kompositmaterial. Hittills, med populariseringen och tillämpningen av stålfiberarmerad betong, finns det på grund av den olika fördelningen av fibrer i betong huvudsakligen fyra typer: stålfiberarmerad betong, hybridfiberarmerad betong, skiktad stålfiberarmerad betong och skiktad hybridfiberarmerad betong.
2. Förstärkningsmekanism för stålfiberarmerad betong
(1) Teori för kompositmekanik. Teorin om kompositmekanik är baserad på teorin om kontinuerliga fiberkompositer och kombinerad med fördelningsegenskaperna hos stålfibrer i betong. I denna teori betraktas kompositer som tvåfaskompositer med fiber som en fas och matris som den andra fasen.
(2) Fiberavståndsteori. Fiberavståndsteori, även känd som sprickmotståndsteori, föreslås baserat på linjär elastisk brottmekanik. Denna teori menar att fibrernas förstärkningseffekt endast är relaterad till det jämnt fördelade fiberavståndet (minimala avståndet).
3. Analys av utvecklingsstatus för stålfiberarmerad betong
1. Stålfiberarmerad betong. Stålfiberarmerad betong är en typ av relativt jämn och mångsidig armerad betong som bildas genom att tillsätta en liten mängd lågkolstål, rostfritt stål och FRP-fibrer till vanlig betong. Blandningsmängden stålfiber är vanligtvis 1–2 volymprocent, medan 70–100 kg stålfiber blandas per kubikmeter betong. Stålfiberns längd bör vara 25–60 mm, diametern bör vara 0,25–1,25 mm, och det bästa förhållandet mellan längd och diameter bör vara 50–700. Jämfört med vanlig betong kan den inte bara förbättra draghållfastheten, skjuvningshållfastheten, böjhållfastheten, slitstyrkan och sprickmotståndet, utan också avsevärt förbättra betongens brottseghet och slagtålighet, och avsevärt förbättra konstruktionens utmattningsbeständighet och hållbarhet, särskilt kan segheten ökas med 10–20 gånger. De mekaniska egenskaperna hos stålfiberarmerad betong och vanlig betong jämförs i Kina. När stålfiberhalten är 15 % ~ 20 % och vattencementförhållandet är 0,45 ökar draghållfastheten med 50 % ~ 70 %, böjhållfastheten ökar med 120 % ~ 180 %, slaghållfastheten ökar med 10 ~ 20 gånger, slagutmattningshållfastheten ökar med 15 ~ 20 gånger, böjsegheten ökar med 14 ~ 20 gånger och slitstyrkan förbättras också avsevärt. Därför har stålfiberarmerad betong bättre fysikaliska och mekaniska egenskaper än vanlig betong.
4. Hybridfiberbetong
Relevanta forskningsdata visar att stålfiber inte signifikant förbättrar betongens tryckhållfasthet, eller ens minskar den. Jämfört med vanlig betong finns det positiva och negativa (ökning och minskning) eller till och med mellanliggande åsikter om ogenomtränglighet, slitstyrka, slag- och slitstyrka hos stålfiberarmerad betong och förebyggandet av tidig plastisk krympning av betong. Dessutom har stålfiberarmerad betong vissa problem, såsom stor dosering, högt pris, rost och nästan ingen motståndskraft mot sprängning orsakad av brand, vilket har påverkat dess tillämpning i varierande grad. Under senare år har vissa inhemska och utländska forskare börjat uppmärksamma hybridfiberbetong (HFRC), och försökt blanda fibrer med olika egenskaper och fördelar, lära av varandra och ge spelrum till den "positiva hybrideffekten" på olika nivåer och belastningsstadier för att förbättra betongens olika egenskaper, för att möta behoven hos olika projekt. Med avseende på dess olika mekaniska egenskaper, särskilt dess utmattningsdeformation och utmattningsskador, deformationsutvecklingslag och skadeegenskaper under statiska och dynamiska belastningar och cykliska belastningar med konstant amplitud eller variabel amplitud, den optimala blandningsmängden och blandningsproportionen för fiber, förhållandet mellan komponenter i kompositmaterial, förstärkningseffekt och förstärkningsmekanism, antiutmattningsprestanda, felmekanism och konstruktionsteknik, behöver problemen med blandningsproportionsdesign studeras ytterligare.
5. Skiktad stålfiberarmerad betong
Monolitisk fiberarmerad betong är inte lätt att blanda jämnt, fibern är lätt att agglomerera, mängden fiber är stor och kostnaden är relativt hög, vilket påverkar dess breda tillämpning. Genom ett stort antal tekniska praktiker och teoretisk forskning har en ny typ av stålfiberstruktur, stålfiberarmerad betong (LSFRC), föreslagits. En liten mängd stålfiber är jämnt fördelad på vägplattans övre och nedre ytor, och mitten är fortfarande ett slätt betonglager. Stålfibern i LSFRC fördelas vanligtvis manuellt eller mekaniskt. Stålfibern är lång och längd- och diameterförhållandet är vanligtvis mellan 70 och 120, vilket visar en tvådimensionell fördelning. Utan att påverka de mekaniska egenskaperna minskar detta material inte bara mängden stålfiber avsevärt, utan undviker också fenomenet med fiberagglomerering vid blandning av integrerad fiberarmerad betong. Dessutom har stålfiberlagrets position i betongen stor inverkan på betongens böjhållfasthet. Armeringseffekten av stålfiberlagret längst ner i betongen är bäst. När stålfiberlagrets position rör sig uppåt minskar armeringseffekten avsevärt. Böjhållfastheten hos LSFRC är mer än 35 % högre än hos vanlig betong med samma blandningsandel, vilket är något lägre än hos integrerad stålfiberarmerad betong. LSFRC kan dock spara mycket materialkostnader, och det finns inga problem med svårigheter att blanda. Därför är LSFRC ett nytt material med goda sociala och ekonomiska fördelar och breda tillämpningsmöjligheter, vilket är värt att populariseras och tillämpas inom vägbeläggningskonstruktioner.
6. Skiktad hybridfiberbetong
Hybridfiberarmerad betong (LHFRC) är ett kompositmaterial som bildas genom att tillsätta 0,1 % polypropenfiber baserat på LSFRC och jämnt fördela ett stort antal fina och korta polypropenfibrer med hög draghållfasthet och hög brottöjning i det övre och nedre stålfiberbetongen och den obehandlade betongen i det mellanliggande lagret. Det kan övervinna svagheten hos LSFRC:s mellanliggande obehandlade betonglager och förhindra potentiella säkerhetsrisker efter att stålfibern på ytan är utsliten. LHFRC kan avsevärt förbättra betongens böjhållfasthet. Jämfört med obehandlad betong ökar dess böjhållfasthet med cirka 20 %, och jämfört med LSFRC ökar dess böjhållfasthet med 2,6 %, men det har liten effekt på betongens böjelasticitetsmodul. Böjelasticitetsmodulen för LHFRC är 1,3 % högre än för obehandlad betong och 0,3 % lägre än för LSFRC. LHFRC kan också avsevärt förbättra betongens böjhållfasthet, och dess böjhållfasthetsindex är cirka 8 gånger högre än för vanlig betong och 1,3 gånger högre än för LSFRC. Dessutom, på grund av de olika prestandana hos två eller flera fibrer i LHFRC i betong, kan den positiva hybrideffekten av syntetfiber och stålfiber i betong, beroende på tekniska behov, användas för att avsevärt förbättra materialets duktilitet, hållbarhet, seghet, sprickhållfasthet, böjhållfasthet och draghållfasthet, förbättra materialkvaliteten och förlänga materialets livslängd.
——Abstract (Shanxi-arkitektur, vol. 38, nr 11, Chen Huiqing)
Publiceringstid: 24 augusti 2022