Teräskuituvahvisteinen betoni (SFRC) on uudentyyppinen komposiittimateriaali, jota voidaan kaataa ja ruiskuttaa lisäämällä sopiva määrä lyhyttä teräskuitua tavalliseen betoniin. Se on kehittynyt nopeasti sekä kotimaassa että ulkomailla viime vuosina. Se voittaa betonin alhaisen vetolujuuden, pienen murtolujuuden ja haurauden puutteet. Sillä on erinomaiset ominaisuudet, kuten vetolujuus, taivutuslujuus, leikkauslujuus, halkeamien kestävyys, väsymislujuus ja korkea sitkeys. Sitä on sovellettu vesirakentamisessa, tie- ja siltarakentamisessa, rakentamisessa ja muilla tekniikan aloilla.
1. Teräskuituvahvisteisen betonin kehitys
Kuituvahvisteinen betoni (FRC) on lyhenne sanoista kuituvahvisteinen betoni. Se on yleensä sementtipohjainen komposiitti, joka koostuu sementtipastasta, laastista tai betonista sekä metallikuiduista, epäorgaanisista kuiduista tai orgaanisista kuituvahvisteisista materiaaleista. Se on uusi rakennusmateriaali, joka muodostetaan levittämällä tasaisesti lyhyitä ja hienoja kuituja, joilla on korkea vetolujuus, suuri murtolujuus ja korkea alkalilujuus betonimatriisiin. Betonin kuidut voivat rajoittaa betonin varhaisten halkeamien syntymistä ja halkeamien laajenemista ulkoisen voiman vaikutuksesta, tehokkaasti poistaa betonin luontaiset viat, kuten alhainen vetolujuus, helppo halkeilu ja heikko väsymiskestävyys, ja parantaa huomattavasti betonin läpäisemättömyys-, vedenpitävyys-, pakkaskestävyys- ja raudoitussuojausominaisuuksia. Kuituvahvisteinen betoni, erityisesti teräskuituvahvisteinen betoni, on herättänyt yhä enemmän huomiota akateemisissa ja insinööripiireissä käytännön suunnittelussa erinomaisen suorituskykynsä ansiosta. Vuonna 1907 neuvostoliittolainen asiantuntija B. P. Hekpocab alkoi käyttää metallikuituvahvisteista betonia. Vuonna 1910 HF Porter julkaisi tutkimusraportin lyhytkuituisesta betonista ja ehdotti, että lyhyet teräskuidut tulisi levittää tasaisesti betoniin matriisimateriaalien vahvistamiseksi. Vuonna 1911 yhdysvaltalainen Graham lisäsi teräskuitua tavalliseen betoniin parantaakseen betonin lujuutta ja vakautta. 1940-luvulle mennessä Yhdysvallat, Iso-Britannia, Ranska, Saksa, Japani ja muut maat olivat tehneet paljon tutkimusta teräskuidun käytöstä betonin kulutuskestävyyden ja halkeamiskestävyyden parantamiseksi, teräskuitubetonin valmistusteknologiasta ja teräskuidun muodon parantamisesta kuidun ja betonimatriisin välisen sidoslujuuden parantamiseksi. Vuonna 1963 JP Romualdi ja GB Batson julkaisivat artikkelin teräskuitubetonin halkeamien kehittymismekanismista ja esittivät johtopäätöksen, että teräskuitubetonin halkeamislujuus määräytyy teräskuitujen keskimääräisen etäisyyden mukaan, jolla on tehokas rooli vetojännityksessä (kuituetäisyyden teoria), mikä aloitti tämän uuden komposiittimateriaalin käytännön kehitysvaiheen. Tähän mennessä teräskuitubetonin suosion ja käytön myötä kuitujen erilainen jakautuminen betonissa johtaa pääasiassa neljään tyyppiin: teräskuitubetoni, hybridikuitubetoni, kerrostettu teräskuitubetoni ja kerrostettu hybridikuitubetoni.
2. Teräskuituvahvisteisen betonin vahvistusmekanismi
(1) Komposiittimekaniikan teoria. Komposiittimekaniikan teoria perustuu jatkuvien kuitukomposiittien teoriaan ja yhdistettynä teräskuitujen jakautumisominaisuuksiin betonissa. Tässä teoriassa komposiitteja pidetään kaksifaasisina komposiitteina, joissa kuitu on toinen faasi ja matriisi toisena faasina.
(2) Kuituvälien teoria. Kuituvälien teoria, joka tunnetaan myös halkeamien kestävyyden teoriana, perustuu lineaariseen elastiseen murtumismekaniikkaan. Tämän teorian mukaan kuitujen vahvistava vaikutus liittyy vain tasaisesti jakautuneeseen kuituväliin (minimiväli).
3. Teräskuituvahvisteisen betonin kehitystilanteen analyysi
1. Teräskuituvahvisteinen betoni. Teräskuituvahvisteinen betoni on eräänlainen suhteellisen tasainen ja monisuuntainen raudoitettu betoni, joka muodostetaan lisäämällä pieni määrä vähähiilistä terästä, ruostumatonta terästä ja FRP-kuituja tavalliseen betoniin. Teräskuidun sekoitusmäärä on yleensä 1–2 tilavuusprosenttia, ja teräskuitua sekoitetaan 70–100 kg jokaista betonikuutiometriä kohden painon mukaan. Teräskuidun pituuden tulisi olla 25–60 mm, halkaisijan 0,25–1,25 mm ja parhaan pituuden ja halkaisijan suhteen tulisi olla 50–700. Tavalliseen betoniin verrattuna se voi paitsi parantaa vetolujuutta, leikkauslujuutta, taivutuslujuutta, kulumislujuutta ja halkeilua, myös parantaa huomattavasti betonin murtumislujuutta ja iskunkestävyyttä sekä parantaa merkittävästi rakenteen väsymislujuutta ja kestävyyttä, erityisesti sitkeyttä voidaan lisätä 10–20-kertaisesti. Teräskuitubetonin ja tavallisen betonin mekaanisia ominaisuuksia on verrattu Kiinassa. Kun teräskuitupitoisuus on 15–20 % ja vesisementtisuhde on 0,45, vetolujuus kasvaa 50–70 %, taivutuslujuus kasvaa 120–180 %, iskusitkeys kasvaa 10–20-kertaisesti, iskuväsymislujuus kasvaa 15–20-kertaisesti, taivutussitkeys kasvaa 14–20-kertaisesti ja kulutuskestävyys paranee merkittävästi. Siksi teräskuitubetonilla on paremmat fysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet kuin tavallisella betonilla.
4. Hybridikuitubetoni
Asiaankuuluvat tutkimustiedot osoittavat, että teräskuitu ei merkittävästi paranna betonin puristuslujuutta eikä edes vähennä sitä. Teräskuitubetonin läpäisemättömyys-, kulutuskestävyys-, iskunkestävyys- ja kulutuskestävyysominaisuuksista sekä betonin ennenaikaisen plastisen kutistumisen estämisestä on olemassa sekä positiivisia että negatiivisia (lisääntyviä ja heikentäviä) tai jopa välimaastoja. Lisäksi teräskuitubetonilla on joitakin ongelmia, kuten suuri annos, korkea hinta, ruoste ja lähes olematon kestävyys tulipalon aiheuttamaa halkeamislujuutta vastaan, mikä on vaikuttanut sen käyttöön vaihtelevassa määrin. Viime vuosina jotkut kotimaiset ja ulkomaiset tutkijat ovat alkaneet kiinnittää huomiota hybridikuitubetoniin (HFRC) ja yrittäneet sekoittaa erilaisia ominaisuuksia ja etuja omaavia kuituja, oppia toisiltaan ja hyödyntää "positiivista hybridivaikutusta" eri tasoilla ja kuormitusvaiheissa parantaakseen betonin eri ominaisuuksia ja vastatakseen erilaisten projektien tarpeisiin. Kuitenkin sen erilaisten mekaanisten ominaisuuksien, erityisesti väsymismuodonmuutoksen ja väsymisvaurioiden, muodonmuutoksen kehittymislain ja vaurio-ominaisuuksien staattisten ja dynaamisten kuormien sekä vakioamplitudisten tai muuttuvan amplitudin syklisten kuormien alaisena, kuidun optimaalisen sekoitusmäärän ja sekoitussuhteen, komposiittimateriaalien komponenttien välisen suhteen, lujittavan vaikutuksen ja lujitusmekanismin, väsymisenestokyvyn, vikaantumismekanismin ja rakennustekniikan osalta sekoitussuhteiden suunnitteluongelmia on tutkittava lisää.
5. Kerrostettu teräskuituvahvisteinen betoni
Monoliittista kuitubetonia ei ole helppo sekoittaa tasaisesti, kuitu on helppo kasaantua, kuitumäärä on suuri ja kustannukset ovat suhteellisen korkeat, mikä vaikuttaa sen laajaan käyttöön. Lukuisien teknisten käytäntöjen ja teoreettisten tutkimusten tuloksena on ehdotettu uudenlaista teräskuiturakennetta, kerrostettua teräskuitubetonia (LSFRC). Pieni määrä teräskuitua jakautuu tasaisesti tielaatan ylä- ja alapinnoille, ja keskellä on edelleen sileä betonikerros. LSFRC:n teräskuitu jakautuu yleensä manuaalisesti tai mekaanisesti. Teräskuitu on pitkää ja pituuden ja halkaisijan suhde on yleensä 70–120, mikä osoittaa kaksiulotteista jakaumaa. Vaikuttamatta mekaanisiin ominaisuuksiin, tämä materiaali ei ainoastaan vähennä huomattavasti teräskuidun määrää, vaan myös välttää kuitujen agglomeraation ilmiön yhtenäisen kuituvahvisteisen betonin sekoituksessa. Lisäksi teräskuitukerroksen sijainti betonissa vaikuttaa merkittävästi betonin taivutuslujuuteen. Teräskuitukerroksen vahvistusvaikutus betonin pohjalla on paras. Kun teräskuitukerroksen sijainti liikkuu ylöspäin, vahvistusvaikutus heikkenee merkittävästi. LSFRC:n taivutuslujuus on yli 35 % korkeampi kuin saman seossuhteen omaavan tavallisen betonin, mutta hieman alhaisempi kuin kiinteän teräskuitubetonin. LSFRC voi kuitenkin säästää paljon materiaalikustannuksissa, eikä sekoittaminen ole vaikeaa. Siksi LSFRC on uusi materiaali, jolla on hyvät sosiaaliset ja taloudelliset hyödyt sekä laajat käyttömahdollisuudet, ja se ansaitsee suosiota ja käyttöä tierakentamisessa.
6. Kerrostettu hybridikuitubetoni
Kerroshybridikuitulujitettu betoni (LHFRC) on komposiittimateriaali, joka on muodostettu lisäämällä 0,1 % polypropeenikuitua LSFRC:n pohjalta ja jakamalla tasaisesti suuri määrä hienoja ja lyhyitä polypropeenikuituja, joilla on korkea vetolujuus ja suuri murtolujuus, ylempään ja alempaan teräskuitubetoniin sekä keskikerroksen raa'aan betoniin. Se voi voittaa LSFRC-välikerroksen raa'an betonikerroksen heikkouden ja estää mahdolliset turvallisuusriskit pintateräskuidun kulumisen jälkeen. LHFRC voi parantaa merkittävästi betonin taivutuslujuutta. Verrattuna raa'aan betoniin sen taivutuslujuus on noin 20 % suurempi ja verrattuna LSFRC:hen 2,6 % suurempi, mutta sillä on vain vähän vaikutusta betonin taivutuskimmomoduuliin. LHFRC:n taivutuskimmomoduuli on 1,3 % suurempi kuin raa'an betonin ja 0,3 % pienempi kuin LSFRC:n. LHFRC voi myös parantaa merkittävästi betonin taivutussitkeyttä, ja sen taivutussitkeysindeksi on noin 8 kertaa suurempi kuin raa'an betonin ja 1,3 kertaa suurempi kuin LSFRC:n. Lisäksi kahden tai useamman kuidun erilaisen suorituskyvyn vuoksi LHFRC-betonissa, teknisten tarpeiden mukaan, synteettisen kuidun ja teräskuidun positiivista hybridivaikutusta betonissa voidaan käyttää parantamaan huomattavasti materiaalin sitkeyttä, kestävyyttä, sitkeyttä, halkeamislujuutta, taivutuslujuutta ja vetolujuutta, parantamaan materiaalin laatua ja pidentämään materiaalin käyttöikää.
——Abstract (Shanxi-arkkitehtuuri, osa 38, nro 11, Chen Huiqing)
Julkaisun aika: 24. elokuuta 2022