Το οπλισμένο σκυρόδεμα με ίνες χάλυβα (SFRC) είναι ένας νέος τύπος σύνθετου υλικού που μπορεί να χυθεί και να ψεκαστεί με την προσθήκη κατάλληλης ποσότητας κοντών χαλύβδινων ινών στο συνηθισμένο σκυρόδεμα. Αναπτύχθηκε ραγδαία στο εσωτερικό και στο εξωτερικό τα τελευταία χρόνια. Ξεπερνά τα μειονεκτήματα της χαμηλής αντοχής σε εφελκυσμό, της μικρής τελικής επιμήκυνσης και της εύθραυστης ιδιότητας του σκυροδέματος. Έχει εξαιρετικές ιδιότητες όπως αντοχή σε εφελκυσμό, αντίσταση κάμψης, αντίσταση διάτμησης, αντοχή σε ρωγμές, αντοχή στην κόπωση και υψηλή σκληρότητα. Έχει εφαρμοστεί στην υδραυλική μηχανική, στους τομείς των δρόμων και γεφυρών, στις κατασκευές και σε άλλους τομείς μηχανικής.
1. Ανάπτυξη οπλισμένου σκυροδέματος με ίνες χάλυβα
Το ινοπλισμένο σκυρόδεμα (FRC) είναι η συντομογραφία του ινοπλισμένου σκυροδέματος. Είναι συνήθως ένα σύνθετο υλικό με βάση το τσιμέντο που αποτελείται από τσιμεντοπολτό, κονίαμα ή σκυρόδεμα και μεταλλικές ίνες, ανόργανες ίνες ή υλικά ενισχυμένα με οργανικές ίνες. Είναι ένα νέο δομικό υλικό που σχηματίζεται με ομοιόμορφη διασπορά κοντών και λεπτών ινών με υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό, υψηλή τελική επιμήκυνση και υψηλή αντοχή στα αλκάλια στη μήτρα του σκυροδέματος. Οι ίνες στο σκυρόδεμα μπορούν να περιορίσουν τη δημιουργία πρώιμων ρωγμών στο σκυρόδεμα και την περαιτέρω επέκταση των ρωγμών υπό την επίδραση εξωτερικής δύναμης, να ξεπεράσουν αποτελεσματικά τα εγγενή ελαττώματα όπως η χαμηλή αντοχή σε εφελκυσμό, το εύκολο ράγισμα και η χαμηλή αντοχή του σκυροδέματος στην κόπωση και να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοση στεγανότητας, αδιάβροχο, παγετό και προστασία οπλισμού σκυροδέματος. Το ινοπλισμένο σκυρόδεμα, ειδικά το οπλισμένο με ίνες χάλυβα, έχει προσελκύσει όλο και περισσότερη προσοχή στους ακαδημαϊκούς και μηχανικούς κύκλους στην πρακτική μηχανική λόγω της ανώτερης απόδοσής του. 1907 Σοβιετικός ειδικός Β Π. Η Hekpocab άρχισε να χρησιμοποιεί οπλισμένο σκυρόδεμα με μεταλλικές ίνες. Το 1910, ο HF Porter δημοσίευσε μια ερευνητική έκθεση για το οπλισμένο σκυρόδεμα με κοντές ίνες, προτείνοντας ότι οι κοντές ίνες χάλυβα θα πρέπει να διασκορπίζονται ομοιόμορφα στο σκυρόδεμα για την ενίσχυση των υλικών μήτρας. Το 1911, ο Graham των Ηνωμένων Πολιτειών πρόσθεσε ίνες χάλυβα στο συνηθισμένο σκυρόδεμα για να βελτιώσει την αντοχή και τη σταθερότητα του σκυροδέματος. Μέχρι τη δεκαετία του 1940, οι Ηνωμένες Πολιτείες, η Βρετανία, η Γαλλία, η Γερμανία, η Ιαπωνία και άλλες χώρες είχαν κάνει πολλή έρευνα σχετικά με τη χρήση ινών χάλυβα για τη βελτίωση της αντοχής στη φθορά και της αντοχής σε ρωγμές του σκυροδέματος, την τεχνολογία κατασκευής του σκυροδέματος από ίνες χάλυβα και τη βελτίωση της σχήμα χαλύβδινων ινών για βελτίωση της αντοχής συγκόλλησης μεταξύ ίνας και μήτρας σκυροδέματος. Το 1963, ο JP romualdi και ο GB Batson δημοσίευσαν μια εργασία σχετικά με τον μηχανισμό ανάπτυξης ρωγμών του σκυροδέματος περιορισμένου με ίνες χάλυβα και υπέβαλαν το συμπέρασμα ότι η αντοχή στη ρωγμή του σκυροδέματος οπλισμένου με ίνες χάλυβα καθορίζεται από τη μέση απόσταση μεταξύ των ινών χάλυβα που παίζει αποτελεσματικό ρόλο. σε εφελκυσμό (θεωρία απόστασης ινών), ξεκινώντας έτσι το πρακτικό στάδιο ανάπτυξης αυτού του νέου σύνθετου υλικού. Μέχρι τώρα, με τη διάδοση και την εφαρμογή του οπλισμένου σκυροδέματος με ίνες χάλυβα, λόγω της διαφορετικής κατανομής των ινών στο σκυρόδεμα, υπάρχουν κυρίως τέσσερις τύποι: σκυρόδεμα οπλισμένο με ίνες χάλυβα, υβριδικό οπλισμένο σκυρόδεμα, οπλισμένο σκυρόδεμα με ίνες χάλυβα και πολυεπίπεδη υβριδική ίνα ενισχυμένο σκυρόδερμα.
2. Μηχανισμός ενίσχυσης σκυροδέματος οπλισμένου με ίνες χάλυβα
(1)Συνθετική μηχανική θεωρία. Η θεωρία της σύνθετης μηχανικής βασίζεται στη θεωρία των σύνθετων υλικών συνεχών ινών και συνδυάζεται με τα χαρακτηριστικά κατανομής των χαλύβδινων ινών στο σκυρόδεμα. Σε αυτή τη θεωρία, τα σύνθετα θεωρούνται ως σύνθετα δύο φάσεων με την ίνα ως μια φάση και τη μήτρα ως την άλλη φάση.
(2) Θεωρία απόστασης ινών. Η θεωρία της απόστασης ινών, γνωστή και ως θεωρία αντίστασης σε ρωγμές, προτείνεται με βάση τη γραμμική ελαστική μηχανική θραύσης. Αυτή η θεωρία υποστηρίζει ότι το αποτέλεσμα ενίσχυσης των ινών σχετίζεται μόνο με την ομοιόμορφα κατανεμημένη απόσταση των ινών (ελάχιστη απόσταση).
3. Ανάλυση της κατάστασης ανάπτυξης του οπλισμένου σκυροδέματος με ίνες χάλυβα
1.Σκυρόδεμα οπλισμένο με ίνες χάλυβα. Το οπλισμένο σκυρόδεμα με ίνες χάλυβα είναι ένα είδος σχετικά ομοιόμορφου και πολλαπλών κατευθύνσεων οπλισμένο σκυρόδεμα που σχηματίζεται με την προσθήκη μικρής ποσότητας χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, ανοξείδωτου χάλυβα και ινών FRP στο συνηθισμένο σκυρόδεμα. Η ποσότητα ανάμειξης των ινών χάλυβα είναι γενικά 1% ~ 2% κατ' όγκο, ενώ 70 ~ 100 κιλά χαλύβδινων ινών αναμιγνύονται σε κάθε κυβικό μέτρο σκυροδέματος κατά βάρος. Το μήκος της χαλύβδινης ίνας πρέπει να είναι 25 ~ 60 mm, η διάμετρος πρέπει να είναι 0,25 ~ 1,25 mm και η καλύτερη αναλογία μήκους προς διάμετρο πρέπει να είναι 50 ~ 700. Σε σύγκριση με το συνηθισμένο σκυρόδεμα, δεν μπορεί μόνο να βελτιώσει την εφελκυσμό, τη διάτμηση, την κάμψη , αντοχή στη φθορά και τη ρωγμή, αλλά επίσης ενισχύουν σημαντικά την αντοχή στη θραύση και την αντίσταση κρούσης του σκυροδέματος και βελτιώνουν σημαντικά την αντοχή στην κόπωση και την ανθεκτικότητα της δομής, ειδικά η σκληρότητα μπορεί να αυξηθεί κατά 10 ~ 20 φορές. Οι μηχανικές ιδιότητες του σκυροδέματος οπλισμένου με ίνες χάλυβα και του κοινού σκυροδέματος συγκρίνονται στην Κίνα. Όταν η περιεκτικότητα σε ίνες χάλυβα είναι 15% ~ 20% και η αναλογία τσιμέντου νερού είναι 0,45, η αντοχή σε εφελκυσμό αυξάνεται κατά 50% ~ 70%, η αντοχή στην κάμψη αυξάνεται κατά 120% ~ 180%, η αντοχή στην κρούση αυξάνεται κατά 10 ~ 20 φορές, η αντοχή στην κόπωση στην κρούση αυξάνεται κατά 15 ~ 20 φορές, η αντοχή στην κάμψη αυξάνεται κατά 14 ~ 20 φορές και η αντίσταση στη φθορά βελτιώνεται επίσης σημαντικά. Επομένως, το οπλισμένο σκυρόδεμα με ίνες χάλυβα έχει καλύτερες φυσικές και μηχανικές ιδιότητες από το απλό σκυρόδεμα.
4. Υβριδικό σκυρόδεμα ινών
Σχετικά ερευνητικά δεδομένα δείχνουν ότι οι ίνες χάλυβα δεν προάγουν σημαντικά τη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος, ούτε καν τη μειώνουν. Σε σύγκριση με το απλό σκυρόδεμα, υπάρχουν θετικές και αρνητικές (αύξηση και μείωση) ή ακόμη και ενδιάμεσες απόψεις σχετικά με τη στεγανότητα, την αντοχή στη φθορά, την αντοχή σε κρούση και τη φθορά του οπλισμένου σκυροδέματος με ίνες χάλυβα και την πρόληψη της πρώιμης πλαστικής συρρίκνωσης του σκυροδέματος. Επιπλέον, το οπλισμένο σκυρόδεμα με ίνες χάλυβα έχει ορισμένα προβλήματα, όπως μεγάλη δοσολογία, υψηλή τιμή, σκουριά και σχεδόν καμία αντίσταση στη διάρρηξη που προκαλείται από φωτιά, γεγονός που έχει επηρεάσει την εφαρμογή του σε διάφορους βαθμούς. Τα τελευταία χρόνια, ορισμένοι εγχώριοι και ξένοι μελετητές άρχισαν να δίνουν προσοχή στο σκυρόδεμα υβριδικών ινών (HFRC), προσπαθώντας να αναμίξουν ίνες με διαφορετικές ιδιότητες και πλεονεκτήματα, να μάθουν ο ένας από τον άλλο και να παίξουν το «θετικό υβριδικό αποτέλεσμα» σε διαφορετικά επίπεδα και στάδια φόρτωσης για την ενίσχυση των διαφόρων ιδιοτήτων του σκυροδέματος, έτσι ώστε να καλύπτονται οι ανάγκες διαφορετικών έργων. Ωστόσο, όσον αφορά τις διάφορες μηχανικές ιδιότητές του, ειδικά την παραμόρφωση κόπωσης και τη ζημιά κόπωσης, τον νόμο ανάπτυξης παραμόρφωσης και τα χαρακτηριστικά ζημιάς υπό στατικά και δυναμικά φορτία και σταθερό εύρος ή μεταβλητό εύρος κυκλικά φορτία, τη βέλτιστη ποσότητα ανάμειξης και την αναλογία ανάμειξης της ίνας, η σχέση μεταξύ συστατικών σύνθετων υλικών, ενισχυτικό αποτέλεσμα και μηχανισμός ενίσχυσης, απόδοση κατά της κόπωσης, μηχανισμός αστοχίας και τεχνολογία κατασκευής, Τα προβλήματα σχεδιασμού αναλογίας μίγματος πρέπει να μελετηθούν περαιτέρω.
5. Στερεωμένο σκυρόδεμα με ίνες χάλυβα
Το μονολιθικό σκυρόδεμα οπλισμένο με ίνες δεν είναι εύκολο να αναμιχθεί ομοιόμορφα, η ίνα είναι εύκολο να συσσωματωθεί, η ποσότητα των ινών είναι μεγάλη και το κόστος είναι σχετικά υψηλό, γεγονός που επηρεάζει την ευρεία εφαρμογή του. Μέσα από μεγάλο αριθμό μηχανικής πρακτικής και θεωρητικής έρευνας, προτείνεται ένας νέος τύπος κατασκευής από χαλύβδινες ίνες, το οπλισμένο σκυρόδεμα με ίνες χάλυβα στρώσης (LSFRC). Μια μικρή ποσότητα χαλύβδινων ινών κατανέμεται ομοιόμορφα στην άνω και κάτω επιφάνεια της πλάκας του δρόμου, και η μέση εξακολουθεί να είναι ένα απλό στρώμα σκυροδέματος. Οι ίνες χάλυβα στο LSFRC κατανέμονται γενικά χειροκίνητα ή μηχανικά. Η χαλύβδινη ίνα είναι μακριά και η αναλογία διαμέτρου μήκους είναι γενικά μεταξύ 70 ~ 120, δείχνοντας μια δισδιάστατη κατανομή. Χωρίς να επηρεάζει τις μηχανικές ιδιότητες, αυτό το υλικό όχι μόνο μειώνει σημαντικά την ποσότητα των ινών χάλυβα, αλλά επίσης αποφεύγει το φαινόμενο της συσσωμάτωσης ινών κατά την ανάμειξη ενσωματωμένου σκυροδέματος οπλισμένου με ίνες. Επιπλέον, η θέση του στρώματος ινών χάλυβα στο σκυρόδεμα έχει μεγάλο αντίκτυπο στην αντοχή σε κάμψη του σκυροδέματος. Το αποτέλεσμα ενίσχυσης του στρώματος ινών χάλυβα στον πυθμένα του σκυροδέματος είναι το καλύτερο. Με τη θέση του στρώματος ινών χάλυβα να κινείται προς τα πάνω, το αποτέλεσμα ενίσχυσης μειώνεται σημαντικά. Η αντοχή σε κάμψη του LSFRC είναι περισσότερο από 35% υψηλότερη από εκείνη του απλού σκυροδέματος με την ίδια αναλογία ανάμειξης, η οποία είναι ελαφρώς χαμηλότερη από αυτή του ενσωματωμένου σκυροδέματος οπλισμένου με ίνες χάλυβα. Ωστόσο, το LSFRC μπορεί να εξοικονομήσει πολύ κόστος υλικού και δεν υπάρχει πρόβλημα δύσκολης ανάμειξης. Επομένως, το LSFRC είναι ένα νέο υλικό με καλά κοινωνικά και οικονομικά οφέλη και ευρείες προοπτικές εφαρμογής, που αξίζει να διαδοθεί και να εφαρμοστεί στην κατασκευή οδοστρωμάτων.
6. Στερεωμένο σκυρόδεμα υβριδικών ινών
Το υβριδικό οπλισμένο σκυρόδεμα στρώσης (LHFRC) είναι ένα σύνθετο υλικό που σχηματίζεται με την προσθήκη 0,1% ινών πολυπροπυλενίου με βάση το LSFRC και την ομοιόμορφη κατανομή ενός μεγάλου αριθμού λεπτών και κοντών ινών πολυπροπυλενίου με υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό και υψηλή τελική επιμήκυνση στο άνω και κάτω χάλυβα. ινώδες σκυρόδεμα και το απλό σκυρόδεμα στο μεσαίο στρώμα. Μπορεί να ξεπεράσει την αδυναμία της ενδιάμεσης στρώσης απλού σκυροδέματος LSFRC και να αποτρέψει τους πιθανούς κινδύνους ασφάλειας μετά τη φθορά της επιφανειακής χαλύβδινης ίνας. Το LHFRC μπορεί να ενισχύσει σημαντικά την αντοχή σε κάμψη του σκυροδέματος. Σε σύγκριση με το απλό σκυρόδεμα, η αντοχή του σε κάμψη του απλού σκυροδέματος είναι αυξημένη κατά περίπου 20%, και σε σύγκριση με το LSFRC, η αντοχή του σε κάμψη αυξάνεται κατά 2,6%, αλλά έχει μικρή επίδραση στο μέτρο ελαστικότητας κάμψης του σκυροδέματος. Το μέτρο ελαστικότητας κάμψης του LHFRC είναι 1,3% υψηλότερο από αυτό του απλού σκυροδέματος και 0,3% χαμηλότερο από αυτό του LSFRC. Το LHFRC μπορεί επίσης να βελτιώσει σημαντικά την αντοχή σε κάμψη του σκυροδέματος και ο δείκτης σκληρότητας κάμψης του είναι περίπου 8 φορές αυτός του απλού σκυροδέματος και 1,3 φορές αυτός του LSFRC. Επιπλέον, λόγω της διαφορετικής απόδοσης δύο ή περισσότερων ινών σε LHFRC στο σκυρόδεμα, σύμφωνα με τις μηχανικές ανάγκες, η θετική υβριδική επίδραση των συνθετικών ινών και ινών χάλυβα στο σκυρόδεμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βελτιώσει σημαντικά την ολκιμότητα, την ανθεκτικότητα, τη σκληρότητα, την αντοχή στη ρωγμή , αντοχή σε κάμψη και αντοχή σε εφελκυσμό του υλικού, βελτιώνουν την ποιότητα του υλικού και παρατείνουν τη διάρκεια ζωής του υλικού.
——Περίληψη (αρχιτεκτονική Shanxi, Τόμος 38, Νο. 11, Chen Huiqing)
Ώρα δημοσίευσης: Αυγ-24-2022