Z jeklenimi vlakni ojačan beton (SFRC) je nova vrsta kompozitnega materiala, ki ga je mogoče vliti in brizgati z dodajanjem ustrezne količine kratkih jeklenih vlaken v navaden beton. V zadnjih letih se je hitro razvil doma in v tujini. Premaga pomanjkljivosti nizke natezne trdnosti, majhnega končnega raztezka in krhkosti betona. Ima odlične lastnosti, kot so natezna trdnost, upogibna odpornost, strižna odpornost, odpornost proti razpokam, odpornost proti utrujenosti in visoka žilavost. Uporablja se v hidravličnem inženirstvu, cestnem in mostnem inženirstvu, gradbeništvu in drugih inženirskih področjih.

 

一．Razvoj betona, armiranega z jeklenimi vlakni

 

Vlaknasto ojačan beton (FRC) je okrajšava za vlaknasto ojačan beton. Običajno je kompozit na osnovi cementa, sestavljen iz cementne paste, malte ali betona in kovinskih vlaken, anorganskih vlaken ali organskih vlaken ojačanih materialov. Je nov gradbeni material, ki nastane z enakomerno razpršitvijo kratkih in finih vlaken z visoko natezno trdnostjo, visokim končnim raztezkom in visoko odpornostjo na alkalije v betonski matrici. Vlakna v betonu lahko omejijo nastanek zgodnjih razpok v betonu in njihovo nadaljnjo širitev pod vplivom zunanje sile, učinkovito premagajo inherentne napake, kot so nizka natezna trdnost, enostavno razpokanje in slaba odpornost betona proti utrujenosti, ter močno izboljšajo neprepustnost, vodoodpornost, odpornost proti zmrzovanju in zaščito armature betona. Vlaknasto ojačan beton, zlasti beton z jeklenimi vlakni, je zaradi svojih vrhunskih lastnosti pritegnil vse več pozornosti v akademskih in inženirskih krogih v praktičnem inženirstvu. Leta 1907 je sovjetski strokovnjak B. P. Hekpocab začel uporabljati beton, ojačan s kovinskimi vlakni; leta 1910 je H. F. Porter objavil raziskovalno poročilo o betonu s kratkimi vlakni, v katerem je predlagal, da bi morala biti kratka jeklena vlakna enakomerno razpršena v betonu za okrepitev matričnih materialov; Leta 1911 je Graham iz Združenih držav Amerike dodal jeklena vlakna v navaden beton, da bi izboljšal trdnost in stabilnost betona. Do štiridesetih let prejšnjega stoletja so Združene države Amerike, Velika Britanija, Francija, Nemčija, Japonska in druge države opravile veliko raziskav o uporabi jeklenih vlaken za izboljšanje odpornosti proti obrabi in razpokam betona, tehnologiji izdelave jekleno vlaknatega betona in izboljšanju oblike jeklenih vlaken za izboljšanje trdnosti vezi med vlakni in betonsko matriko. Leta 1963 sta J. P. Romualdi in GB Batson objavila članek o mehanizmu razvoja razpok v betonu, armiranem z jeklenimi vlakni, in predstavila sklep, da je trdnost razpok v betonu, armiranem z jeklenimi vlakni, odvisna od povprečnega razmika jeklenih vlaken, ki igra pomembno vlogo pri natezni napetosti (teorija razmika med vlakni), s čimer se je začela praktična faza razvoja tega novega kompozitnega materiala. Do danes, s popularizacijo in uporabo betona, armiranega z jeklenimi vlakni, zaradi različne porazdelitve vlaken v betonu obstajajo predvsem štiri vrste: beton, armiran z jeklenimi vlakni, hibridni beton, večplastni beton, armiran z jeklenimi vlakni, in večplastni hibridni beton, armiran z jeklenimi vlakni.

 

二.Mehanizem krepitve betona, armiranega z jeklenimi vlakni

 

1. Teorija mehanike kompozitov. Teorija mehanike kompozitov temelji na teoriji kompozitov z neprekinjenimi vlakni in je kombinirana s porazdelitvijo jeklenih vlaken v betonu. V tej teoriji se kompoziti obravnavajo kot dvofazni kompoziti, kjer so vlakna ena faza in matrica druga faza.

 

Teorija razmika med vlakni. Teorija razmika med vlakni, znana tudi kot teorija odpornosti proti razpokam, je predlagana na podlagi linearne elastične mehanike loma. Ta teorija trdi, da je učinek ojačitve vlaken povezan le z enakomerno porazdeljenim razmikom med vlakni (minimalni razmik).

 

三．Analiza stanja razvoja betona, armiranega z jeklenimi vlakni

 

1.Beton, ojačan z jeklenimi vlakni.Jekleno vlaknato ojačan beton je vrsta relativno enakomernega in večsmernega armiranega betona, ki nastane z dodajanjem majhne količine nizkoogljičnega jekla, nerjavečega jekla in FRP vlaken v navaden beton. Količina jeklenih vlaken v mešanici je običajno 1 % ~ 2 % po prostornini, medtem ko se v vsak kubični meter betona po teži zmeša 70 ~ 100 kg jeklenih vlaken. Dolžina jeklenih vlaken mora biti 25 ~ 60 mm, premer 0,25 ~ 1,25 mm, najboljše razmerje med dolžino in premerom pa 50 ~ 700. V primerjavi z navadnim betonom ne le izboljša natezno, strižno, upogibno, obrabno in razpokasto odpornost, temveč tudi močno poveča lomno in udarno odpornost betona ter znatno izboljša odpornost proti utrujenosti in trajnost konstrukcije, zlasti žilavost se lahko poveča za 10 ~ 20-krat. Mehanske lastnosti jekleno vlaknato ojačanega betona in navadnega betona so primerjali na Kitajskem. Ko je vsebnost jeklenih vlaken 15 % ~ 20 % in razmerje med vodo in cementom 0,45, se natezna trdnost poveča za 50 % ~ 70 %, upogibna trdnost se poveča za 120 % ~ 180 %, udarna trdnost se poveča za 10 ~ 20-krat, utrujenostna trdnost se poveča za 15 ~ 20-krat, upogibna žilavost se poveča za 14 ~ 20-krat, odpornost proti obrabi pa se prav tako znatno izboljša. Zato ima beton, ojačan z jeklenimi vlakni, boljše fizikalne in mehanske lastnosti kot navadni beton.

2. Hibridni vlaknobeton. Ustrezni raziskovalni podatki kažejo, da jeklena vlakna bistveno ne povečajo tlačne trdnosti betona ali je celo ne zmanjšajo. V primerjavi z navadnim betonom obstajajo pozitivna in negativna (povečanje in zmanjšanje) ali celo vmesna mnenja o neprepustnosti, odpornosti proti obrabi, udarcem in odpornosti proti obrabi betona, armiranega z jeklenimi vlakni, ter o preprečevanju prezgodnjega plastičnega krčenja betona. Poleg tega ima beton, armiran z jeklenimi vlakni, nekatere težave, kot so velika doza, visoka cena, rja in skoraj nobena odpornost proti pokanju zaradi požara, kar v različni meri vpliva na njegovo uporabo. V zadnjih letih so nekateri domači in tuji znanstveniki začeli posvečati pozornost hibridnemu vlaknobetonu (HFRC), poskušali mešati vlakna z različnimi lastnostmi in prednostmi, se učiti drug od drugega in izkoristiti "pozitiven hibridni učinek" na različnih ravneh in stopnjah obremenitve, da bi izboljšali različne lastnosti betona in tako zadostili potrebam različnih projektov. Vendar pa je treba probleme načrtovanja mešalnih razmerij podrobneje preučiti glede na različne mehanske lastnosti, zlasti utrujenostno deformacijo in poškodbe zaradi utrujenosti, zakon razvoja deformacije in značilnosti poškodb pri statičnih in dinamičnih obremenitvah ter cikličnih obremenitvah s konstantno ali spremenljivo amplitudo, optimalno količino mešanice in mešalni delež vlaken, razmerje med komponentami kompozitnih materialov, učinek in mehanizem krepitve, odpornost proti utrujenosti, mehanizem odpovedi in gradbeno tehnologijo.

3. Večplastni beton, armiran z jeklenimi vlakni.Monolitnega vlaknoarmiranega betona ni enostavno enakomerno mešati, vlakna se zlahka aglomerirajo, količina vlaken je velika, stroški pa so relativno visoki, kar vpliva na njegovo široko uporabo. Z veliko inženirskimi praksami in teoretičnimi raziskavami je bila predlagana nova vrsta strukture jeklenih vlaken, večplastni jeklenoarmirani beton (LSFRC). Majhna količina jeklenih vlaken je enakomerno porazdeljena na zgornji in spodnji površini cestne plošče, sredina pa je še vedno navadna betonska plast. Jeklena vlakna v LSFRC se običajno porazdelijo ročno ali mehansko. Jeklena vlakna so dolga, razmerje med dolžino in premerom pa je običajno med 70 in 120, kar kaže na dvodimenzionalno porazdelitev. Brez vpliva na mehanske lastnosti ta material ne le močno zmanjša količino jeklenih vlaken, ampak tudi prepreči pojav aglomeracije vlaken pri mešanju integralnega vlaknoarmiranega betona. Poleg tega ima položaj plasti jeklenih vlaken v betonu velik vpliv na upogibno trdnost betona. Učinek ojačitve plasti jeklenih vlaken na dnu betona je najboljši. Z naraščajočim položajem plasti jeklenih vlaken se učinek ojačitve znatno zmanjša. Upogibna trdnost LSFRC je za več kot 35 % višja kot pri navadnem betonu z enakim razmerjem mešanice, kar je nekoliko manj kot pri integriranem betonu, armiranem z jeklenimi vlakni. Vendar pa lahko LSFRC prihrani veliko stroškov materiala in ni težav s težavami pri mešanju. Zato je LSFRC nov material z dobrimi družbenimi in ekonomskimi koristmi ter širokimi možnostmi uporabe, ki si zasluži popularizacijo in uporabo pri gradnji vozišč.

 

4.Večplastni hibridni vlaknobeton.Hibridni vlaknoarmirani beton (LHFRC) je kompozitni material, ki nastane z dodatkom 0,1 % polipropilenskih vlaken na osnovi LSFRC in enakomerno porazdelitvijo velikega števila finih in kratkih polipropilenskih vlaken z visoko natezno trdnostjo in visokim končnim raztezkom v zgornjem in spodnjem sloju jeklenoarmiranega betona ter navadnega betona v srednjem sloju. Lahko premaga šibkost vmesnega sloja navadnega betona LSFRC in prepreči morebitne varnostne nevarnosti po obrabi površinskih jeklenih vlaken. LHFRC lahko znatno izboljša upogibno trdnost betona. V primerjavi z navadnim betonom se njegova upogibna trdnost navadnega betona poveča za približno 20 %, v primerjavi z LSFRC pa se njegova upogibna trdnost poveča za 2,6 %, vendar ima majhen vpliv na upogibni elastični modul betona. Upogibni elastični modul LHFRC je 1,3 % višji od navadnega betona in 0,3 % nižji od LSFRC. LHFRC lahko tudi znatno izboljša upogibno žilavost betona, njegov indeks upogibne žilavosti pa je približno 8-krat večji od navadnega betona in 1,3-krat večji od LSFRC. Poleg tega se lahko zaradi različnih lastnosti dveh ali več vlaken v LHFRC v betonu, glede na inženirske potrebe, pozitivni hibridni učinek sintetičnih vlaken in jeklenih vlaken v betonu uporabi za znatno izboljšanje duktilnosti, trajnosti, žilavosti, odpornosti proti razpokam, upogibne trdnosti in natezne trdnosti materiala, izboljšanje kakovosti materiala in podaljšanje življenjske dobe materiala.

——Povzetek (Shanxi architecture, Vol. 38, No. 11, Chen Huiqing)