وضعیت فعلی و توسعه بتن مسلح با الیاف فولادی

بتن مسلح با الیاف فولادی (SFRC) نوع جدیدی از مواد کامپوزیتی است که می‌توان آن را با افزودن مقدار مناسبی از الیاف فولادی کوتاه به بتن معمولی ریخت و پاشید.در سال های اخیر به سرعت در داخل و خارج از کشور توسعه یافته است.کاستی های مقاومت کششی کم، کشیدگی نهایی کوچک و خاصیت شکننده بتن را برطرف می کند.دارای خواص عالی مانند استحکام کششی، مقاومت خمشی، مقاومت برشی، مقاومت در برابر ترک، مقاومت در برابر خستگی و چقرمگی بالا.در مهندسی هیدرولیک، راه و پل، ساخت و ساز و سایر زمینه های مهندسی استفاده شده است.

1. توسعه بتن مسلح با الیاف فولادی
بتن مسلح با الیاف (FRC) مخفف بتن مسلح با الیاف است.معمولاً یک کامپوزیت بر پایه سیمان است که از خمیر سیمان، ملات یا بتن و الیاف فلزی، الیاف معدنی یا مواد تقویت شده با الیاف آلی تشکیل شده است.این یک مصالح ساختمانی جدید است که از پراکندگی یکنواخت الیاف کوتاه و ریز با استحکام کششی بالا، ازدیاد طول نهایی و مقاومت قلیایی بالا در زمینه بتن تشکیل شده است.فیبر در بتن می تواند ایجاد ترک های اولیه در بتن و گسترش بیشتر ترک ها را تحت تأثیر نیروی خارجی محدود کند، به طور موثر بر عیوب ذاتی مانند مقاومت کششی کم، ترک خوردگی آسان و مقاومت ضعیف در برابر خستگی غلبه کند و عملکرد را به میزان زیادی بهبود بخشد. از نفوذ ناپذیری، ضد آب، مقاومت در برابر یخ زدگی و حفاظت تقویتی بتن.بتن الیافی، به ویژه بتن مسلح با الیاف فولادی، به دلیل عملکرد برتر، توجه بیشتری را در محافل دانشگاهی و مهندسی در مهندسی عملی به خود جلب کرده است.1907 کارشناس شوروی B П.Hekpocab شروع به استفاده از بتن مسلح با الیاف فلزی کرد.در سال 1910، HF Porter یک گزارش تحقیقاتی در مورد بتن تقویت شده با الیاف کوتاه منتشر کرد، که پیشنهاد کرد الیاف فولادی کوتاه باید به طور مساوی در بتن پراکنده شوند تا مواد زمینه تقویت شود.در سال 1911، گراهام از ایالات متحده الیاف فولادی را به بتن معمولی اضافه کرد تا مقاومت و پایداری بتن را بهبود بخشد.در دهه 1940، ایالات متحده، بریتانیا، فرانسه، آلمان، ژاپن و سایر کشورها تحقیقات زیادی در مورد استفاده از الیاف فولادی برای بهبود مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر ترک بتن، فناوری ساخت بتن الیافی فولادی و بهبود بتن انجام دادند. شکل الیاف فولادی برای بهبود استحکام پیوند بین فیبر و ماتریس بتن.در سال 1963، JP romualdi و GB Batson مقاله ای در مورد مکانیسم توسعه ترک بتن محصور شده با الیاف فولادی منتشر کردند و این نتیجه را مطرح کردند که مقاومت ترک بتن مسلح با الیاف فولادی با فاصله متوسط ​​الیاف فولادی تعیین می شود که نقش موثری دارد. در تنش کششی (تئوری فاصله الیاف)، بنابراین مرحله توسعه عملی این ماده کامپوزیت جدید آغاز می شود.تاکنون با رواج و کاربرد بتن مسلح با الیاف فولادی، به دلیل توزیع متفاوت الیاف در بتن، عمدتاً چهار نوع بتن مسلح با الیاف فولادی، بتن مسلح با الیاف ترکیبی، بتن مسلح الیاف فولادی لایه ای و الیاف هیبریدی لایه ای وجود دارد. بتن آرمه.

2. مکانیزم تقویت بتن مسلح با الیاف فولادی
(1) نظریه مکانیک مرکب.تئوری مکانیک کامپوزیت بر اساس تئوری کامپوزیت های الیاف پیوسته و با ویژگی های توزیع الیاف فولادی در بتن ترکیب شده است.در این نظریه، کامپوزیت ها به عنوان کامپوزیت های دو فاز با فیبر به عنوان یک فاز و ماتریس به عنوان فاز دیگر در نظر گرفته می شوند.
(2) نظریه فاصله فیبر.نظریه فاصله الیاف، همچنین به عنوان نظریه مقاومت در برابر ترک شناخته می شود، بر اساس مکانیک شکست الاستیک خطی ارائه شده است.این تئوری معتقد است که اثر تقویتی الیاف فقط مربوط به فاصله الیاف توزیع شده یکنواخت (حداقل فاصله) است.

3. تحلیل وضعیت توسعه بتن مسلح با الیاف فولادی
1. بتن مسلح با الیاف فولادی.بتن مسلح با الیاف فولادی نوعی بتن مسلح نسبتا یکنواخت و چند جهته است که با افزودن مقدار کمی از فولاد کم کربن، فولاد ضد زنگ و الیاف FRP به بتن معمولی تشکیل می شود.مقدار اختلاط الیاف فولادی معمولاً 1٪ تا 2٪ حجمی است، در حالی که 70 تا 100 کیلوگرم الیاف فولادی در هر متر مکعب بتن بر حسب وزن مخلوط می شود.طول الیاف فولادی باید 25 تا 60 میلی متر باشد، قطر آن باید 0.25 تا 1.25 میلی متر باشد و بهترین نسبت طول به قطر باید 50 تا 700 باشد. در مقایسه با بتن معمولی، نه تنها می تواند کشش، برش، خمش را بهبود بخشد. مقاومت در برابر سایش و ترک، بلکه تا حد زیادی چقرمگی شکست و مقاومت در برابر ضربه بتن را افزایش می دهد و به طور قابل توجهی مقاومت در برابر خستگی و دوام سازه را بهبود می بخشد، به خصوص چقرمگی را می توان 10 تا 20 برابر افزایش داد.خواص مکانیکی بتن مسلح با الیاف فولادی و بتن معمولی در چین مقایسه شده است.هنگامی که محتوای الیاف فولادی 15٪ تا 20٪ و نسبت سیمان آب 0.45 باشد، استحکام کششی 50٪ تا 70٪، مقاومت خمشی 120٪ تا 180٪، مقاومت ضربه ای 10 تا 20 افزایش می یابد. بار، استحکام خستگی ضربه 15 تا 20 برابر افزایش می یابد، چقرمگی خمشی 14 تا 20 برابر افزایش می یابد، و مقاومت در برابر سایش نیز به طور قابل توجهی بهبود می یابد.بنابراین بتن مسلح با الیاف فولادی از خواص فیزیکی و مکانیکی بهتری نسبت به بتن ساده برخوردار است.

4. بتن الیافی هیبریدی
داده های تحقیقاتی مربوطه نشان می دهد که الیاف فولادی به طور قابل توجهی مقاومت فشاری بتن را افزایش نمی دهد یا حتی آن را کاهش نمی دهد.در مقایسه با بتن ساده، دیدگاه‌های مثبت و منفی (افزایش و کاهش) یا حتی میانی در مورد نفوذناپذیری، مقاومت در برابر سایش، ضربه و مقاومت به سایش بتن مسلح با الیاف فولادی و جلوگیری از انقباض اولیه پلاستیکی بتن وجود دارد.علاوه بر این، بتن مسلح با الیاف فولادی دارای مشکلاتی مانند دوز زیاد، قیمت بالا، زنگ زدگی و تقریباً عدم مقاومت در برابر ترکیدگی ناشی از آتش است که کاربرد آن را به درجات مختلفی تحت تاثیر قرار داده است.در سال‌های اخیر، برخی از محققان داخلی و خارجی توجه خود را به بتن الیافی هیبریدی (HFRC) آغاز کردند و تلاش کردند تا الیاف را با خواص و مزایای مختلف مخلوط کنند، از یکدیگر بیاموزند و به «اثر هیبریدی مثبت» در سطوح مختلف بپردازند. مراحل بارگذاری برای افزایش خواص مختلف بتن، به طوری که نیازهای پروژه های مختلف را برآورده کند.با این حال، با توجه به خواص مکانیکی مختلف آن، به ویژه تغییر شکل خستگی و آسیب خستگی، قانون توسعه تغییر شکل و ویژگی های آسیب تحت بارهای استاتیکی و دینامیکی و دامنه ثابت یا بارهای چرخه ای با دامنه متغیر، میزان اختلاط بهینه و نسبت اختلاط فیبر، رابطه بین اجزای مواد کامپوزیت، اثر تقویتی و مکانیزم تقویتی، عملکرد ضد خستگی، مکانیسم شکست و تکنولوژی ساخت، مشکلات طراحی نسبت مخلوط نیاز به مطالعه بیشتر دارد.

5. بتن مسلح الیاف فولادی لایه ای
بتن تقویت شده با الیاف یکپارچه به راحتی مخلوط نمی شود، الیاف به راحتی جمع می شود، مقدار الیاف زیاد است و هزینه نسبتاً زیاد است، که بر کاربرد گسترده آن تأثیر می گذارد.از طریق تعداد زیادی از تمرینات مهندسی و تحقیقات نظری، نوع جدیدی از سازه الیاف فولادی، بتن مسلح با الیاف فولادی (LSFRC) پیشنهاد شده است.مقدار کمی الیاف فولادی به طور مساوی در سطوح بالایی و پایینی دال جاده توزیع شده است و وسط آن هنوز یک لایه بتنی ساده است.الیاف فولادی در LSFRC عموماً به صورت دستی یا مکانیکی توزیع می شود.الیاف فولادی بلند است و نسبت قطر طول معمولاً بین 70 تا 120 است که توزیع دو بعدی را نشان می دهد.این ماده بدون تأثیر بر خواص مکانیکی، نه تنها مقدار الیاف فولادی را به میزان زیادی کاهش می دهد، بلکه از پدیده تراکم الیاف در اختلاط بتن مسلح با الیاف یکپارچه نیز جلوگیری می کند.علاوه بر این، موقعیت لایه الیاف فولادی در بتن تاثیر زیادی بر مقاومت خمشی بتن دارد.اثر تقویتی لایه الیاف فولادی در کف بتن بهترین است.با حرکت لایه الیاف فولادی به سمت بالا، اثر تقویت به طور قابل توجهی کاهش می یابد.مقاومت خمشی LSFRC بیش از 35 درصد بیشتر از بتن ساده با همان نسبت مخلوط است که کمی کمتر از بتن مسلح الیاف فولادی یکپارچه است.با این حال، LSFRC می تواند در هزینه مواد بسیار صرفه جویی کند و مشکلی برای اختلاط دشوار وجود ندارد.بنابراین، LSFRC یک ماده جدید با مزایای اجتماعی و اقتصادی خوب و چشم انداز کاربردی گسترده است که ارزش محبوبیت و کاربرد در ساخت و ساز روسازی را دارد.

6. بتن الیافی هیبریدی لایه ای
بتن تقویت شده هیبریدی لایه ای (LHFRC) یک ماده مرکب است که با افزودن 0.1 درصد الیاف پلی پروپیلن بر اساس LSFRC و توزیع یکنواخت تعداد زیادی الیاف پلی پروپیلن ریز و کوتاه با استحکام کششی بالا و کشیدگی نهایی بالا در فولاد بالا و پایین ایجاد می شود. بتن الیافی و بتن ساده در لایه میانی.این می تواند بر ضعف لایه بتن ساده میانی LSFRC غلبه کند و از خطرات احتمالی ایمنی پس از فرسوده شدن الیاف فولادی سطح جلوگیری کند.LHFRC می تواند مقاومت خمشی بتن را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.در مقایسه با بتن ساده، مقاومت خمشی آن بتن ساده حدود 20 درصد افزایش یافته و در مقایسه با LSFRC، مقاومت خمشی آن 2.6 درصد افزایش یافته است، اما تأثیر کمی بر مدول الاستیک خمشی بتن دارد.مدول الاستیک خمشی LHFRC 1.3% بیشتر از بتن ساده و 0.3% کمتر از LSFRC است.LHFRC همچنین می تواند به طور قابل توجهی چقرمگی خمشی بتن را افزایش دهد و شاخص چقرمگی خمشی آن حدود 8 برابر بتن ساده و 1.3 برابر LSFRC است.علاوه بر این، با توجه به عملکرد متفاوت دو یا چند الیاف در LHFRC در بتن، با توجه به نیازهای مهندسی، می توان از اثر ترکیبی مثبت الیاف مصنوعی و الیاف فولادی در بتن برای بهبود شکل پذیری، دوام، چقرمگی، مقاومت در برابر ترک استفاده کرد. ، استحکام خمشی و استحکام کششی مواد، کیفیت مواد را بهبود می بخشد و عمر مفید مواد را افزایش می دهد.

——چکیده (معماری شانشی، جلد 38، شماره 11، چن هویکینگ)