Το σκυρόδεμα οπλισμένο με χαλύβδινες ίνες (SFRC) είναι ένας νέος τύπος σύνθετου υλικού που μπορεί να χυθεί και να ψεκαστεί με την προσθήκη κατάλληλης ποσότητας κοντών χαλύβδινων ινών σε συνηθισμένο σκυρόδεμα. Έχει αναπτυχθεί ραγδαία τόσο στην εγχώρια όσο και στην εξωτερική αγορά τα τελευταία χρόνια. Ξεπερνά τα μειονεκτήματα της χαμηλής αντοχής σε εφελκυσμό, της μικρής τελικής επιμήκυνσης και της ψαθυρότητας του σκυροδέματος. Έχει εξαιρετικές ιδιότητες όπως αντοχή σε εφελκυσμό, αντοχή σε κάμψη, αντοχή σε διάτμηση, αντοχή σε ρωγμές, αντοχή σε κόπωση και υψηλή σκληρότητα. Έχει εφαρμοστεί στην υδραυλική μηχανική, στην οδοποιία και στις γέφυρες, στις κατασκευές και σε άλλους τομείς της μηχανικής.

 

一.Ανάπτυξη σκυροδέματος οπλισμένου με ίνες χάλυβα

 

Το σκυρόδεμα οπλισμένο με ίνες (FRC) είναι η συντομογραφία του σκυροδέματος οπλισμένου με ίνες. Συνήθως είναι ένα σύνθετο υλικό με βάση το τσιμέντο που αποτελείται από τσιμεντόπαστα, κονίαμα ή σκυρόδεμα και μεταλλικές ίνες, ανόργανες ίνες ή οργανικά ενισχυμένα υλικά με 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 σε 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, η εύκολη ρωγμάτωση και η κακή αντοχή στην κόπωση του σκυροδέματος, και να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοση της στεγανότητας, της στεγανοποίησης, της αντοχής στον παγετό και της προστασίας του οπλισμού του σκυροδέματος. Το σκυρόδεμα οπλισμένο με ίνες, και ιδιαίτερα το σκυρόδεμα οπλισμένο με χαλύβδινες ίνες, έχει προσελκύσει όλο και περισσότερη προσοχή στους ακαδημαϊκούς και μηχανικούς κύκλους στην πρακτική μηχανική λόγω της ανώτερης απόδοσής του. 1907 Ο Σοβιετικός εμπειρογνώμονας B. P. Hekpocab άρχισε να χρησιμοποιεί σκυρόδεμα οπλισμένο με μεταλλικές ίνες. Το 1910, ο HF Porter δημοσίευσε μια ερευνητική έκθεση για το σκυρόδεμα οπλισμένο με βραχείες ίνες, υποδεικνύοντας ότι οι βραχείες χαλύβδινες ίνες 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 πολλές έρευνες σχετικά με τη χρήση ινών χάλυβα για τη βελτίωση της αντοχής στη φθορά και της αντοχής σε ρωγμές του σκυροδέματος, την τεχνολογία κατασκευής σκυροδέματος από ίνες χάλυβα και τη βελτίωση του σχήματος των ινών χάλυβα για τη βελτίωση της αντοχής σύνδεσης μεταξύ των ινών και της μήτρας του σκυροδέματος. Το 1963, οι JP romualdi και GB Batson δημοσίευσαν μια εργασία σχετικά με τον μηχανισμό ανάπτυξης ρωγμών στο σκυρόδεμα με περιορισμένες ίνες χάλυβα και διατύπωσαν το συμπέρασμα ότι η αντοχή στη ρωγμή του σκυροδέματος οπλισμένου με ίνες χάλυβα καθορίζεται από τη μέση απόσταση των ινών χάλυβα, η οποία παίζει αποτελεσματικό ρόλο στην εφελκυστική τάση (θεωρία απόστασης ινών), ξεκινώντας έτσι το στάδιο της πρακτικής ανάπτυξης αυτού του νέου σύνθετου υλικού. Μέχρι σήμερα, με τη διάδοση και την εφαρμογή του σκυροδέματος οπλισμένου με ίνες χάλυβα, λόγω της διαφορετικής κατανομής των ινών στο σκυρόδεμα, υπάρχουν κυρίως τέσσερις τύποι: σκυρόδεμα οπλισμένο με ίνες χάλυβα, υβριδικό σκυρόδεμα οπλισμένο με ίνες, στρωματοποιημένο σκυρόδεμα οπλισμένο με ίνες χάλυβα και στρωματοποιημένο υβριδικό σκυρόδεμα οπλισμένο με ίνες.

 

二.Μηχανισμός ενίσχυσης σκυροδέματος οπλισμένου με ίνες χάλυβα

 

1. Θεωρία σύνθετης μηχανικής. Η θεωρία της σύνθετης μηχανικής βασίζεται στη θεωρία των συνεχών ινών σύνθετων υλικών και συνδυάζεται με τα χαρακτηριστικά κατανομής των χαλύβδινων ινών στο σκυρόδεμα. Σε αυτή τη θεωρία, τα σύνθετα υλικά θεωρούνται ως διφασικά σύνθετα υλικά με ίνες ως τη μία φάση και μήτρα ως την άλλη φάση.

 

Θεωρία απόστασης ινών. Η θεωρία απόστασης ινών, γνωστή και ως θεωρία αντοχής σε ρωγμές, προτείνεται με βάση τη γραμμική ελαστική μηχανική θραύσης. Αυτή η θεωρία υποστηρίζει ότι η επίδραση ενίσχυσης των ινών σχετίζεται μόνο με την ομοιόμορφα κατανεμημένη απόσταση μεταξύ των ινών (ελάχιστη απόσταση).

 

三.Ανάλυση της κατάστασης ανάπτυξης του σκυροδέματος οπλισμένου με ίνες χάλυβα

 

1.Σκυρόδεμα ενισχυμένο με ίνες χάλυβα.Το σκυρόδεμα οπλισμένο με ίνες χάλυβα είναι ένα είδος σχετικά ομοιόμορφου και πολυκατευθυντικού οπλισμένου σκυροδέματος που σχηματίζεται με την προσθήκη μιας μικρής ποσότητας χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, ανοξείδωτου χάλυβα και ινών FRP σε συνηθισμένο σκυρόδεμα. Η ποσότητα ανάμειξης ινών χάλυβα είναι γενικά 1% ~ 2% κατ' όγκο, ενώ 70 ~ 100 kg ινών χάλυβα αναμειγνύονται σε κάθε κυβικό μέτρο σκυροδέματος κατά βάρος. Το μήκος των ινών χάλυβα 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, μπορεί όχι μόνο να βελτιώσει την αντοχή σε εφελκυσμό, διάτμηση, κάμψη, φθορά και ρωγμές, αλλά και να ενισχύσει σημαντικά την αντοχή σε θραύση και κρούση του σκυροδέματος, και να βελτιώσει σημαντικά την αντοχή στην κόπωση και την ανθεκτικότητα της κατασκευής, ειδικά η σκληρότητα μπορεί να αυξηθεί κατά 10 ~ 20 φορές. Οι μηχανικές ιδιότητες του σκυροδέματος οπλισμένου με ίνες χάλυβα και του συνηθισμένου σκυροδέματος συγκρίνονται στην Κίνα. Όταν η περιεκτικότητα σε ίνες χάλυβα είναι 15% ~ 20% και η αναλογία νερού-τσιμέντου είναι 0,45, η αντοχή σε εφελκυσμό αυξάνεται κατά 50% ~ 70%, η αντοχή σε κάμψη αυξάνεται κατά 120% ~ 180%, η αντοχή σε κρούση αυξάνεται κατά 10 ~ 20 φορές, η αντοχή σε κόπωση σε κρούση αυξάνεται κατά 15 ~ 20 φορές, η σκληρότητα σε κάμψη αυξάνεται κατά 14 ~ 20 φορές και η αντοχή στη φθορά βελτιώνεται επίσης σημαντικά. Επομένως, το σκυρόδεμα οπλισμένο με ίνες χάλυβα έχει καλύτερες φυσικές και μηχανικές ιδιότητες από το απλό σκυρόδεμα.

2. Υβριδικό ινώδες σκυρόδεμα. Σχετικά ερευνητικά δεδομένα δείχνουν ότι οι χαλύβδινες ίνες δεν προάγουν σημαντικά την αντοχή σε θλίψη 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 σκυροδέματος οπλισμένου με χαλύβδινες ίνες και την πρόληψη της πρώιμης πλαστικής συρρίκνωσης του σκυροδέματος. Επιπλέον, το σκυρόδεμα οπλισμένο με χαλύβδινες ίνες παρουσιάζει ορισμένα προβλήματα, όπως η μεγάλη δοσολογία, η υψηλή τιμή, η σκουριά και η σχεδόν καθόλου αντίσταση σε θραύση που προκαλείται από πυρκαγιά, τα οποία έχουν επηρεάσει την εφαρμογή του σε ποικίλους βαθμούς. Τα τελευταία χρόνια, ορισμένοι εγχώριοι και ξένοι μελετητές άρχισαν να δίνουν προσοχή στο υβριδικό σκυρόδεμα από ίνες (HFRC), προσπαθώντας να αναμείξουν ίνες με διαφορετικές ιδιότητες και πλεονεκτήματα, να μάθουν ο ένας από τον άλλον και να αξιοποιήσουν το "θετικό υβριδικό αποτέλεσμα" σε διαφορετικά επίπεδα και στάδια φόρτισης για να ενισχύσουν διάφορες ιδιότητες του σκυροδέματος, ώστε να καλύψουν τις ανάγκες διαφορετικών έργων. Ωστόσο, όσον αφορά τις διάφορες μηχανικές του ιδιότητες, ιδίως την παραμόρφωση και τη ζημιά λόγω κόπωσης, τον νόμο ανάπτυξης παραμόρφωσης και τα χαρακτηριστικά ζημιάς υπό στατικά και δυναμικά φορτία και κυκλικά φορτία σταθερού ή μεταβλητού πλάτους, τη βέλτιστη ποσότητα ανάμειξης και την αναλογία ανάμειξης των ινών, τη σχέση μεταξύ των συστατικών των σύνθετων υλικών, το ενισχυτικό αποτέλεσμα και τον μηχανισμό ενίσχυσης, την αντι-κόπωση απόδοση, τον μηχανισμό αστοχίας και την τεχνολογία κατασκευής, τα προβλήματα του σχεδιασμού αναλογίας ανάμειξης χρειάζονται περαιτέρω μελέτη.

3. Σκυρόδεμα ενισχυμένο με ίνες χάλυβα σε στρώσεις.Το μονολιθικό σκυρόδεμα οπλισμένο με ίνες δεν είναι εύκολο να αναμειχθεί ομοιόμορφα, οι ίνες συσσωματώνονται εύκολα, η ποσότητα των ινών είναι μεγάλη και το κόστος είναι σχετικά υψηλό, γεγονός που επηρεάζει την ευρεία εφαρμογή του. Μέσω μεγάλου αριθμού μηχανικών πρακτικών και θεωρητικών ερευνών, προτείνεται ένας νέος τύπος δομής από χαλύβδινες ίνες, το στρωματοποιημένο σκυρόδεμα οπλισμένο με χαλύβδινες ίνες (LSFRC). Μια μικρή ποσότητα χαλύβδινων ινών κατανέμεται ομοιόμορφα στις άνω και κάτω επιφάνειες της πλάκας του οδοστρώματος, και η μέση εξακολουθεί να είναι ένα απλό στρώμα σκυροδέματος. Οι χαλύβδινες ίνες στο LSFRC κατανέμονται γενικά χειροκίνητα ή μηχανικά. Οι χαλύβδινες ίνες είναι μακριές και η αναλογία μήκους-διαμέτρου είναι γενικά μεταξύ 70 ~ 120, παρουσιάζοντας μια δισδιάστατη κατανομή. Χωρίς να επηρεάζονται οι μηχανικές ιδιότητες, αυτό το υλικό όχι μόνο μειώνει σημαντικά την ποσότητα των χαλύβδινων ινών, αλλά και αποφεύγει το φαινόμενο της συσσωμάτωσης ινών κατά την ανάμειξη σκυροδέματος οπλισμένου με ενσωματωμένες ίνες. Επιπλέον, η θέση του στρώματος χαλύβδινων ινών στο σκυρόδεμα έχει μεγάλο αντίκτυπο στην αντοχή κάμψης του σκυροδέματος. Η επίδραση ενίσχυσης του στρώματος χαλύβδινων ινών στο κάτω μέρος του σκυροδέματος είναι η καλύτερη. Με τη θέση του στρώματος χαλύβδινων ινών να κινείται προς τα πάνω, η επίδραση ενίσχυσης μειώνεται σημαντικά. Η αντοχή σε κάμψη του LSFRC είναι περισσότερο από 35% υψηλότερη από αυτή του απλού σκυροδέματος με την ίδια αναλογία μείγματος, η οποία είναι ελαφρώς χαμηλότερη από αυτή του σκυροδέματος οπλισμένου με ενσωματωμένες ίνες χάλυβα. Ωστόσο, το LSFRC μπορεί να εξοικονομήσει μεγάλο κόστος υλικών και δεν υπάρχει πρόβλημα δύσκολης ανάμειξης. Επομένως, το LSFRC είναι ένα νέο υλικό με καλά κοινωνικά και οικονομικά οφέλη και ευρείες προοπτικές εφαρμογής, το οποίο αξίζει να γίνει γνωστό και να εφαρμοστεί στην κατασκευή οδοστρωμάτων.

 

4.Σκυρόδεμα από υβριδικές ίνες σε στρώσεις.Το υβριδικό ενισχυμένο με ίνες σκυρόδεμα (LHFRC) είναι ένα σύνθετο υλικό που σχηματίζεται με την προσθήκη 0,1% ινών πολυπροπυλενίου με βάση το LSFRC και την ομοιόμορφη κατανομή μεγάλου αριθμού λεπτών και κοντών ινών πολυπροπυλενίου με υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό και υψηλή τελική επιμήκυνση στο άνω και κάτω σκυρόδεμα από χαλύβδινες ίνες και στο απλό σκυρόδεμα στο μεσαίο στρώμα. Μπορεί να ξεπεράσει την αδυναμία του ενδιάμεσου απλού στρώματος σκυροδέματος LSFRC και να αποτρέψει τους πιθανούς κινδύνους για την ασφάλεια μετά τη φθορά των επιφανειακών χαλύβδινων ινών. Το LHFRC μπορεί να ενισχύσει σημαντικά την αντοχή σε κάμψη του σκυροδέματος. Σε σύγκριση με το απλό σκυρόδεμα, η αντοχή σε κάμψη του απλού σκυροδέματος αυξάνεται κατά περίπου 20% και, σε σύγκριση με το LSFRC, η αντοχή 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 αντοχής σε κάμψη είναι περίπου 8 φορές μεγαλύτερος από αυτόν του απλού σκυροδέματος και 1,3 φορές μεγαλύτερος από αυτόν του LSFRC. Επιπλέον, λόγω της διαφορετικής απόδοσης δύο ή περισσότερων ινών στο LHFRC στο σκυρόδεμα, ανάλογα με τις μηχανικές ανάγκες, η θετική υβριδική επίδραση των συνθετικών ινών και των χαλύβδινων ινών στο σκυρόδεμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βελτιώσει σημαντικά την ολκιμότητα, την ανθεκτικότητα, την ανθεκτικότητα, την αντοχή σε ρωγμές, την αντοχή σε κάμψη και την αντοχή σε εφελκυσμό του υλικού, να βελτιώσει την ποιότητα του υλικού και να παρατείνει τη διάρκεια ζωής του υλικού.

——Περίληψη (αρχιτεκτονική Shanxi, Τόμος 38, Νο. 11, Chen Huiqing)