Az acélszálerősítésű beton (SFRC) egy új típusú kompozit anyag, amely megfelelő mennyiségű rövid acélszál hozzáadásával önthető és szórható a közönséges betonhoz. Az elmúlt években gyors fejlődésen ment keresztül belföldön és külföldön egyaránt. Leküzd a beton alacsony szakítószilárdságának, kis végső nyúlásának és ridegségének hiányosságait. Kiváló tulajdonságokkal rendelkezik, mint például szakítószilárdság, hajlítószilárdság, nyírási szilárdság, repedésállóság, fáradási szilárdság és nagy szívósság. Alkalmazzák vízépítésben, út- és hídépítésben, építőiparban és más mérnöki területeken.

 

一.Acélszálerősítésű beton fejlesztése

 

A szálerősítésű beton (FRC) a szálerősítésű beton rövidítése. Általában cementalapú kompozit, amely cementpépből, habarcsból vagy betonból, valamint fémszálakból, szervetlen szálakból vagy szerves szálakkal erősített anyagokból áll. Új építőanyag, amelyet rövid és finom, nagy szakítószilárdságú, nagy végső nyúlású és nagy lúgállóságú szálak egyenletes eloszlatásával állítanak elő a beton mátrixában. A betonban lévő szálak korlátozhatják a beton korai repedéseinek kialakulását és a repedések további tágulását külső erő hatására, hatékonyan leküzdhetik a betonban rejlő hibákat, mint például az alacsony szakítószilárdság, a könnyű repedés és a gyenge fáradási ellenállás, valamint jelentősen javíthatják a beton vízzáróságát, vízállóságát, fagyállóságát és betonacél-védelmét. A szálerősítésű beton, különösen az acélszálerősítésű beton, egyre nagyobb figyelmet kapott az akadémiai és mérnöki körökben a gyakorlati mérnöki tudományokban kiváló teljesítménye miatt. 1907-ben B. P. Hekpocab szovjet szakértő elkezdte használni a fémszálerősítésű betont; 1910-ben H. F. Porter publikált egy kutatási jelentést a rövidszálas betonról, amelyben azt javasolta, hogy a rövid acélszálakat egyenletesen kell eloszlatni a betonban a mátrixanyagok megerősítése érdekében; 1911-ben az Egyesült Államokbeli Graham acélszálakat adott a közönséges betonhoz a beton szilárdságának és stabilitásának javítása érdekében; az 1940-es évekre az Egyesült Államok, Nagy-Britannia, Franciaország, Németország, Japán és más országok számos kutatást végeztek az acélszálak felhasználásával a beton kopásállóságának és repedésállóságának javítására, az acélszálas beton gyártástechnológiájára, valamint az acélszálak alakjának javítására a szálak és a beton mátrix közötti kötésszilárdság javítása érdekében; 1963-ban JP Romualdi és GB Batson publikáltak egy cikket az acélszálas beton repedésfejlődési mechanizmusáról, és arra a következtetésre jutottak, hogy az acélszálas beton repedésszilárdságát az acélszálak átlagos távolsága határozza meg, amely hatékony szerepet játszik a szakítófeszültségben (száltávolság-elmélet), így megkezdődött ennek az új kompozit anyagnak a gyakorlati fejlesztési szakasza. A mai napig az acélszálas beton népszerűsítésével és alkalmazásával a betonban lévő szálak eltérő eloszlása ​​miatt főként négy típus létezik: acélszálas beton, hibrid szálas beton, réteges acélszálas beton és réteges hibrid szálas beton.

 

二.Acélszálas beton megerősítési mechanizmusa

 

1. Kompozitmechanika-elmélet. A kompozitmechanika elmélete a folytonos szálas kompozitok elméletén alapul, és azt az acélszálak betonban való eloszlási jellemzőivel kombinálja. Ebben az elméletben a kompozitokat kétfázisú kompozitoknak tekintik, ahol az egyik fázis a szál, a másik pedig a mátrix.

 

Száltávolság-elmélet. A száltávolság-elméletet, más néven repedésállósági elméletet, lineáris rugalmas törésmechanikán alapul. Ez az elmélet azt állítja, hogy a szálak erősítő hatása csak az egyenletesen elosztott száltávolsághoz (minimális távolsághoz) kapcsolódik.

 

三.Az acélszálerősítésű beton fejlesztési állapotának elemzése

 

1.Acélszálerősítésű beton.Az acélszálerősítésű beton egy viszonylag egyenletes és többirányú vasbeton, amelyet kis mennyiségű alacsony széntartalmú acél, rozsdamentes acél és FRP szálak közönséges betonhoz való hozzáadásával állítanak elő. Az acélszál keverési mennyisége általában 1-2 térfogatszázalék, míg minden köbméter betonhoz 70-100 kg acélszálat kevernek tömegarányosan. Az acélszál hosszának 25-60 mm-nek, átmérőjének 0,25-1,25 mm-nek kell lennie, a hossz-átmérő arány optimális értéke pedig 50-700. A közönséges betonhoz képest nemcsak a szakító-, nyíró-, hajlító-, kopás- és repedésállóságot javítja, hanem nagymértékben növeli a beton törési szívósságát és ütésállóságát is, és jelentősen javítja a szerkezet fáradási ellenállását és tartósságát, különösen a szívósság 10-20-szorosára növelhető. Az acélszálerősítésű beton és a közönséges beton mechanikai tulajdonságait Kínában hasonlították össze. Amikor az acélszál-tartalom 15% ~ 20%, a víz-cement arány pedig 0,45, a szakítószilárdság 50% ~ 70%-kal, a hajlítószilárdság 120% ~ 180%-kal, az ütési szilárdság 10-20-szorosára, az ütési fáradási szilárdság 15-20-szorosára, a hajlítószilárdság 14-20-szorosára nő, és a kopásállóság is jelentősen javul. Ezért az acélszálerősítésű beton jobb fizikai és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, mint a sima beton.

2. Hibrid szálas beton. A releváns kutatási adatok azt mutatják, hogy az acélszál nem növeli jelentősen a beton nyomószilárdságát, sőt, nem is csökkenti azt; a sima betonhoz képest pozitív és negatív (növekvő és csökkentő) vagy akár köztes nézetek is léteznek az acélszálerősítésű beton vízzáróságával, kopásállóságával, ütés- és kopásállóságával, valamint a beton korai képlékeny zsugorodásának megakadályozásával kapcsolatban. Ezenkívül az acélszálerősítésű betonnak vannak bizonyos problémái, mint például a nagy adagolás, a magas ár, a rozsda és a tűz okozta repedésállóság szinte hiánya, amelyek különböző mértékben befolyásolták alkalmazását. Az elmúlt években néhány hazai és külföldi tudós elkezdte felhívni a figyelmet a hibridszálas betonra (HFRC), megpróbálva különböző tulajdonságokkal és előnyökkel rendelkező szálakat keverni, tanulni egymástól, és a "pozitív hibrid hatást" különböző szinteken és terhelési szakaszokban kihasználni a beton különböző tulajdonságainak javítása érdekében, hogy megfeleljen a különböző projektek igényeinek. Azonban a különféle mechanikai tulajdonságai, különösen a fáradásos deformáció és a fáradásos károsodás, a statikus és dinamikus terhelések, valamint az állandó amplitúdójú vagy változó amplitúdójú ciklikus terhelések alatti deformációfejlődési törvény és károsodási jellemzők, a szálak optimális keverési mennyisége és keverési aránya, a kompozit anyagok összetevőinek kapcsolata, az erősítő hatás és az erősítő mechanizmus, a fáradásgátló teljesítmény, a meghibásodási mechanizmus és az építési technológia tekintetében a keverési arányok tervezésének problémáit tovább kell tanulmányozni.

3. Réteges acélszálerősítésű beton.A monolitikus szálerősítésű betont nem könnyű egyenletesen keverni, a szálak könnyen agglomerálódnak, a szálak mennyisége nagy, és a költsége viszonylag magas, ami befolyásolja széles körű alkalmazását. Számos mérnöki gyakorlati és elméleti kutatás eredményeként egy új típusú acélszálas szerkezetet, a réteges acélszálas betont (LSFRC) javasoltak. Kis mennyiségű acélszálat egyenletesen osztanak el az útfelület felső és alsó felületén, a középső rész pedig továbbra is sima betonréteg. Az LSFRC acélszálait általában kézzel vagy géppel osztják el. Az acélszál hosszú, a hossz-átmérő arány általában 70 ~ 120 között van, ami kétdimenziós eloszlást mutat. A mechanikai tulajdonságok befolyásolása nélkül ez az anyag nemcsak jelentősen csökkenti az acélszál mennyiségét, hanem elkerüli a szálak agglomerációjának jelenségét az integrált szálerősítésű beton keverésekor. Ezenkívül az acélszálas réteg helyzete a betonban nagy hatással van a beton hajlítószilárdságára. Az acélszálas réteg erősítő hatása a beton alján a legjobb. Az acélszálas réteg helyzetének felfelé haladásával az erősítő hatás jelentősen csökken. Az LSFRC hajlítószilárdsága több mint 35%-kal magasabb, mint az azonos keverési arányú sima betoné, amely valamivel alacsonyabb, mint az integrált acélszálerősítésű betoné. Az LSFRC azonban jelentős anyagköltség-megtakarítást eredményez, és nem okoz gondot a keverés nehézsége. Ezért az LSFRC egy új anyag, jó társadalmi és gazdasági előnyökkel és széles körű alkalmazási lehetőségekkel, amely érdemes a népszerűsítésre és az útépítésben való alkalmazásra.

 

4.Réteges hibrid szálas beton.A réteges hibrid szálerősítésű beton (LHFRC) egy kompozit anyag, amelyet úgy állítanak elő, hogy 0,1% polipropilén szálat adnak hozzá LSFRC alapú betonhoz, és egyenletesen elosztanak nagyszámú finom és rövid polipropilén szálat, amelyek nagy szakítószilárdsággal és nagy végső nyúlással rendelkeznek a felső és alsó acélszálas betonban, valamint a középső réteg sima betonjában. Leküzdheti az LSFRC közbenső sima betonréteg gyengeségeit, és megelőzheti a potenciális biztonsági kockázatokat, miután a felületi acélszál elkopik. Az LHFRC jelentősen növelheti a beton hajlítószilárdságát. A sima betonhoz képest a sima beton hajlítószilárdsága körülbelül 20%-kal, az LSFRC-hez képest pedig 2,6%-kal nő, de csekély hatással van a beton hajlítórugalmassági modulusára. Az LHFRC hajlítórugalmassági modulusa 1,3%-kal magasabb, mint a sima betoné, és 0,3%-kal alacsonyabb, mint az LSFRC-é. Az LHFRC jelentősen növelheti a beton hajlítószilárdságát is, hajlítószilárdsági indexe körülbelül 8-szorosa a sima betonénak és 1,3-szorosa az LSFRC-énak. Továbbá, mivel a betonban lévő LHFRC két vagy több szál eltérő teljesítményt nyújt, a mérnöki igényektől függően a szintetikus szál és az acélszál pozitív hibrid hatása a betonban felhasználható az anyag képlékenységének, tartósságának, szívósságának, repedésszilárdságának, hajlítószilárdságának és szakítószilárdságának jelentős javítására, az anyagminőség javítására és az anyag élettartamának meghosszabbítására.

——Absztrakt (Shanxi építészet, 38. kötet, 11. szám, Chen Huiqing)