Oceľovovláknitý betón (SFRC) je nový typ kompozitného materiálu, ktorý sa dá liať a striekať pridaním vhodného množstva krátkych oceľových vlákien do bežného betónu. V posledných rokoch sa rýchlo rozvíja doma aj v zahraničí. Prekonáva nedostatky nízkej pevnosti v ťahu, malého konečného predĺženia a krehkosti betónu. Má vynikajúce vlastnosti, ako je pevnosť v ťahu, odolnosť proti ohybu, odolnosť proti šmyku, odolnosť proti praskaniu, odolnosť proti únave a vysoká húževnatosť. Používa sa v hydraulickom inžinierstve, cestnom a mostnom staviteľstve, stavebníctve a iných inžinierskych oblastiach.
1. Vývoj oceľovovláknitého betónu
Vláknobetón (FRC) je skratka pre vláknobetón. Zvyčajne ide o kompozit na báze cementu zložený z cementovej pasty, malty alebo betónu a kovových vlákien, anorganických vlákien alebo materiálov vystužených organickými vláknami. Je to nový stavebný materiál, ktorý vzniká rovnomerným rozptýlením krátkych a jemných vlákien s vysokou pevnosťou v ťahu, vysokým konečným predĺžením a vysokou odolnosťou voči zásadám v betónovej matrici. Vlákna v betóne môžu obmedziť vznik skorých trhlín v betóne a ďalšie rozširovanie trhlín pôsobením vonkajšej sily, účinne prekonať inherentné chyby, ako je nízka pevnosť v ťahu, ľahké praskanie a nízka odolnosť betónu proti únave, a výrazne zlepšiť vlastnosti nepriepustnosti, vodotesnosti, mrazuvzdornosti a ochrany výstuže betónu. Vláknobetón, najmä oceľovovláknitý betón, priťahuje čoraz väčšiu pozornosť v akademických a inžinierskych kruhoch v praktickom inžinierstve vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam. V roku 1907 začal sovietsky expert B. П. Hekpocab používať kovovovláknitý betón; v roku 1910 H. F. Porter publikoval výskumnú správu o krátkych vláknobetóne, v ktorej navrhol, aby sa krátke oceľové vlákna rovnomerne rozptýlili v betóne na spevnenie matricových materiálov; V roku 1911 pridal Graham zo Spojených štátov oceľové vlákno do bežného betónu, aby zlepšil pevnosť a stabilitu betónu. Do 40. rokov 20. storočia Spojené štáty, Británia, Francúzsko, Nemecko, Japonsko a ďalšie krajiny vykonali rozsiahly výskum v oblasti použitia oceľových vlákien na zlepšenie odolnosti betónu proti opotrebovaniu a praskaniu, technológie výroby oceľových vláknobetónu a zlepšenia tvaru oceľových vlákien na zlepšenie pevnosti spoja medzi vláknami a betónovou matricou. V roku 1963 JP Romualdi a GB Batson publikovali článok o mechanizme vývoja trhlín v betóne s oceľovými vláknami a dospeli k záveru, že pevnosť v trhlinách v oceľovo-vláknobetóne je určená priemernou rozostupom oceľových vlákien, ktorý hrá dôležitú úlohu v ťahovom napätí (teória rozostupov vlákien), čím sa začala praktická fáza vývoja tohto nového kompozitného materiálu. Doteraz, s popularizáciou a používaním oceľovo-vláknobetónu, v dôsledku rôzneho rozloženia vlákien v betóne, existujú hlavne štyri typy: oceľovo-vláknobetón, hybridný vláknobetón, vrstvený oceľovo-vláknobetón a vrstvený hybridný vláknobetón.
2. Mechanizmus spevňovania oceľovovláknitého betónu
(1) Teória mechaniky kompozitov. Teória mechaniky kompozitov je založená na teórii kompozitov s kontinuálnymi vláknami a je kombinovaná s charakteristikami rozloženia oceľových vlákien v betóne. V tejto teórii sa kompozity považujú za dvojfázové kompozity, kde vlákno je jednou fázou a matrica je druhou fázou.
(2) Teória rozstupu vlákien. Teória rozstupu vlákien, známa aj ako teória odolnosti voči praskaniu, je navrhnutá na základe lineárne elastickej lomovej mechaniky. Táto teória tvrdí, že výstužný účinok vlákien súvisí iba s rovnomerne rozloženým rozstupom vlákien (minimálny rozstup).
3. Analýza stavu vývoja oceľovovláknitého betónu
1. Oceľovovláknitý betón. Oceľovovláknitý betón je druh relatívne rovnomerného a viacsmerového železobetónu, ktorý sa vytvára pridaním malého množstva nízkouhlíkovej ocele, nehrdzavejúcej ocele a FRP vlákien do bežného betónu. Množstvo oceľových vlákien v zmesi je zvyčajne 1 % ~ 2 % objemových, pričom na každý kubický meter betónu sa podľa hmotnosti primiešava 70 ~ 100 kg oceľových vlákien. Dĺžka oceľových vlákien by mala byť 25 ~ 60 mm, priemer by mal byť 0,25 ~ 1,25 mm a najlepší pomer dĺžky k priemeru by mal byť 50 ~ 700. V porovnaní s bežným betónom môže nielen zlepšiť odolnosť v ťahu, šmyku, ohybe, opotrebovaní a praskaní, ale tiež výrazne zvýšiť lomovú húževnatosť a odolnosť proti nárazu betónu a výrazne zlepšiť odolnosť proti únave a trvanlivosť konštrukcie, najmä húževnatosť sa môže zvýšiť 10 ~ 20-krát. Mechanické vlastnosti oceľovovláknitého betónu a bežného betónu sa porovnávajú v Číne. Keď je obsah oceľových vlákien 15 % ~ 20 % a pomer voda-cement 0,45, pevnosť v ťahu sa zvýši o 50 % ~ 70 %, pevnosť v ohybe sa zvýši o 120 % ~ 180 %, rázová húževnatosť sa zvýši 10 % ~ 20-krát, únavová pevnosť v náraze sa zvýši 15 % ~ 20-krát, ohybová húževnatosť sa zvýši 14 % ~ 20-krát a výrazne sa zlepší aj odolnosť proti opotrebovaniu. Preto má oceľovovláknitý betón lepšie fyzikálne a mechanické vlastnosti ako obyčajný betón.
4. Hybridný vláknobetón
Relevantné výskumné údaje ukazujú, že oceľové vlákno významne nezvyšuje pevnosť betónu v tlaku, ba ani ju neznižuje. V porovnaní s obyčajným betónom existujú pozitívne a negatívne (zvýšenie a zníženie) alebo dokonca prechodné názory na nepriepustnosť, odolnosť proti opotrebeniu, nárazuvzdornosť a odolnosť proti opotrebeniu oceľovovláknitého betónu a prevenciu predčasného plastického zmršťovania betónu. Okrem toho má oceľovovláknitý betón určité problémy, ako je veľké dávkovanie, vysoká cena, hrdza a takmer žiadna odolnosť voči roztrhnutiu spôsobenému ohňom, čo v rôznej miere ovplyvnilo jeho použitie. V posledných rokoch sa niektorí domáci aj zahraniční vedci začali venovať pozornosť hybridnému vláknobetónu (HFRC), pričom sa snažia miešať vlákna s rôznymi vlastnosťami a výhodami, učiť sa od seba navzájom a využívať „pozitívny hybridný efekt“ na rôznych úrovniach a stupňoch zaťaženia, aby sa zlepšili rôzne vlastnosti betónu a splnili sa tak potreby rôznych projektov. Avšak vzhľadom na jeho rôzne mechanické vlastnosti, najmä jeho únavovú deformáciu a únavové poškodenie, zákon vývoja deformácie a charakteristiky poškodenia pri statickom a dynamickom zaťažení a cyklickom zaťažení s konštantnou alebo premenlivou amplitúdou, optimálne množstvo miešania a pomer vlákna k miešaniu, vzťah medzi zložkami kompozitných materiálov, spevňujúci účinok a mechanizmus spevňovania, odolnosť voči únave, mechanizmus porušenia a konštrukčnú technológiu, je potrebné ďalej študovať problémy návrhu pomeru miešania.
5. Vrstvený oceľovovláknitý betón
Monolitický vláknobetón sa ťažko mieša, vlákno sa ľahko aglomeruje, množstvo vlákna je veľké a náklady sú relatívne vysoké, čo ovplyvňuje jeho široké použitie. Prostredníctvom rozsiahlych inžinierskych postupov a teoretického výskumu bol navrhnutý nový typ oceľovovláknitej štruktúry, vrstvený oceľovovláknitý betón (LSFRC). Malé množstvo oceľových vlákien je rovnomerne rozložené na hornom a dolnom povrchu cestnej dosky a stred je stále hladká betónová vrstva. Oceľové vlákno v LSFRC sa zvyčajne rozdeľuje manuálne alebo mechanicky. Oceľové vlákno je dlhé a pomer dĺžky a priemeru je vo všeobecnosti medzi 70 ~ 120, čo vykazuje dvojrozmerné rozloženie. Bez ovplyvnenia mechanických vlastností tento materiál nielen výrazne znižuje množstvo oceľových vlákien, ale tiež zabraňuje javu aglomerácie vlákien pri miešaní integrálneho vláknobetónu. Okrem toho má umiestnenie vrstvy oceľových vlákien v betóne veľký vplyv na pevnosť betónu v ohybe. Výstužný účinok vrstvy oceľových vlákien na spodnej časti betónu je najlepší. S posunutím polohy vrstvy oceľových vlákien nahor sa výstužný účinok výrazne znižuje. Ohybová pevnosť LSFRC je o viac ako 35 % vyššia ako u prostého betónu s rovnakým pomerom miešania, čo je o niečo menej ako u integrovaného oceľovovláknitého betónu. LSFRC však môže ušetriť veľa nákladov na materiál a neexistuje problém s ťažkým miešaním. Preto je LSFRC nový materiál s dobrými sociálnymi a ekonomickými výhodami a širokými možnosťami použitia, ktorý si zaslúži popularizáciu a použitie pri stavbe vozoviek.
6. Vrstvený hybridný vláknobetón
Vrstvený hybridný vláknobetón (LHFRC) je kompozitný materiál vytvorený pridaním 0,1 % polypropylénových vlákien na báze LSFRC a rovnomerným rozložením veľkého množstva jemných a krátkych polypropylénových vlákien s vysokou pevnosťou v ťahu a vysokým konečným predĺžením v hornej a dolnej vrstve oceľobetónu a v holom betóne v strednej vrstve. Dokáže prekonať slabosť medzivrstvy holého betónu LSFRC a zabrániť potenciálnym bezpečnostným rizikám po opotrebovaní povrchových oceľových vlákien. LHFRC môže výrazne zvýšiť pevnosť betónu v ohybe. V porovnaní s holým betónom sa jeho pevnosť v ohybe holého betónu zvyšuje približne o 20 % a v porovnaní s LSFRC sa jeho pevnosť v ohybe zvyšuje o 2,6 %, ale má malý vplyv na modul pružnosti betónu v ohybe. Modul pružnosti v ohybe LHFRC je o 1,3 % vyšší ako u holého betónu a o 0,3 % nižší ako u LSFRC. LHFRC môže tiež výrazne zvýšiť ohybovú húževnatosť betónu a jeho index ohybovej húževnatosti je približne 8-krát vyšší ako u prostého betónu a 1,3-krát vyšší ako u LSFRC. Navyše, vďaka odlišnému výkonu dvoch alebo viacerých vlákien v LHFRC v betóne, v závislosti od technických potrieb, sa pozitívny hybridný efekt syntetických a oceľových vlákien v betóne môže využiť na výrazné zlepšenie ťažnosti, trvanlivosti, húževnatosti, pevnosti v trhlinách, pevnosti v ohybe a pevnosti v ťahu materiálu, zlepšenie kvality materiálu a predĺženie životnosti materiálu.
——Abstrakt (architektúra Shanxi, zväzok 38, č. 11, Chen Huiqing)
Čas uverejnenia: 24. augusta 2022