Бетон армиран челичним влакнима (SFRC) је нова врста композитног материјала који се може лити и прскати додавањем одговарајуће количине кратких челичних влакана у обичан бетон. Последњих година се брзо развијао у земљи и иностранству. Превазилази недостатке ниске затезне чврстоће, малог граничног издужења и кртости бетона. Има одлична својства као што су затезна чврстоћа, отпорност на савијање, отпорност на смицање, отпорност на пуцање, отпорност на замор и висока жилавост. Примењује се у хидротехници, путевима и мостовима, грађевинарству и другим инжењерским областима.

 

一.Развој бетона армираног челичним влакнима

 

Влакнасти бетон (FRC) је скраћеница од влакнасто армирани бетон. Обично је то композит на бази цемента састављен од цементне пасте, малтера или бетона и металних влакана, неорганских влакана или органских влакана армираних материјала. То је нови грађевински материјал формиран равномерним дисперговањем кратких и финих влакана са високом затезном чврстоћом, високим граничним издужењем и високом отпорношћу на алкалије у бетонској матрици. Влакна у бетону могу ограничити стварање раних пукотина у бетону и даље ширење пукотина под дејством спољашње силе, ефикасно превазићи инхерентне недостатке као што су ниска затезна чврстоћа, лако пуцање и лоша отпорност бетона на замор, и значајно побољшати перформансе непропусности, водоотпорности, отпорности на мраз и заштите арматуре бетона. Влакнасти бетон, посебно бетон армиран челичним влакнима, привлачи све већу пажњу у академским и инжењерским круговима у практичном инжењерству због својих супериорних перформанси. 1907. године совјетски стручњак Б. П. Хекпокаб почео је да користи метално армирани бетон; 1910. године, Х. Ф. Портер је објавио истраживачки извештај о кратким влакнима армираном бетону, сугеришући да кратка челична влакна треба равномерно дисперговати у бетону како би се ојачали матрични материјали; Године 1911, Грејем из Сједињених Држава додао је челична влакна у обичан бетон како би побољшао чврстоћу и стабилност бетона; До 1940-их, Сједињене Државе, Велика Британија, Француска, Немачка, Јапан и друге земље су спровеле много истраживања о употреби челичних влакана за побољшање отпорности на хабање и пуцање бетона, технологији производње челично влакнастог бетона и побољшању облика челичних влакана ради побољшања чврстоће везивања између влакана и бетонске матрице; Године 1963, ЈП Ромуалди и ГБ Батсон објавили су рад о механизму развоја пукотина бетона армираног челичним влакнима и изнели закључак да је чврстоћа на пуцање бетона армираног челичним влакнима одређена просечним размаком челичних влакана који игра ефикасну улогу у затезном напрезању (теорија размака влакана), чиме је започела практична фаза развоја овог новог композитног материјала. До сада, са популаризацијом и применом челично армираног бетона, због различите расподеле влакана у бетону, постоје углавном четири типа: челично армирани бетон, хибридни влакнасто армирани бетон, слојевити челично армирани бетон и слојевити хибридни влакнасто армирани бетон.

 

二.Механизам јачања бетона армираног челичним влакнима

 

1. Теорија механике композита. Теорија механике композита заснива се на теорији континуираних влакнастих композита и комбинује се са карактеристикама расподеле челичних влакана у бетону. У овој теорији, композити се сматрају двофазним композитима са влакнима као једном фазом и матрицом као другом фазом.

 

Теорија размака између влакана. Теорија размака између влакана, позната и као теорија отпорности на пуцање, предложена је на основу линеарно еластичне механике лома. Ова теорија тврди да је ефекат армирања влакана повезан само са равномерно распоређеним размаком између влакана (минималним размаком).

 

三.Анализа статуса развоја бетона армираног челичним влакнима

 

1.Бетон армиран челичним влакнима.Бетон армиран челичним влакнима је врста релативно уједначеног и вишесмерног армираног бетона формираног додавањем мале количине нискоугљеничног челика, нерђајућег челика и FRP влакана у обичан бетон. Количина челичних влакана у мешавини је генерално 1% ~ 2% по запремини, док се 70 ~ 100 кг челичних влакана меша у сваки кубни метар бетона по тежини. Дужина челичних влакана треба да буде 25 ~ 60 мм, пречник треба да буде 0,25 ~ 1,25 мм, а најбољи однос дужине и пречника треба да буде 50 ~ 700. У поређењу са обичним бетоном, не само да може побољшати отпорност на затезање, смицање, савијање, хабање и пуцање, већ и значајно побољшати жилавост бетона на лом и ударце, и значајно побољшати отпорност на замор и издржљивост конструкције, посебно жилавост која се може повећати 10 ~ 20 пута. Механичка својства бетона армираног челичним влакнима и обичног бетона упоређују се у Кини. Када је садржај челичних влакана 15% ~ 20%, а однос воде и цемента 0,45, затезна чврстоћа се повећава за 50% ~ 70%, чврстоћа на савијање се повећава за 120% ~ 180%, ударна чврстоћа се повећава за 10 ~ 20 пута, чврстоћа на замор од удара се повећава за 15 ~ 20 пута, жилавост на савијање се повећава за 14 ~ 20 пута, а отпорност на хабање се такође значајно побољшава. Стога, бетон армиран челичним влакнима има боља физичка и механичка својства од обичног бетона.

2. Хибридни влакнасти бетон. Релевантни истраживачки подаци показују да челична влакна не повећавају значајно чврстоћу бетона на притисак, нити је чак смањују; у поређењу са обичним бетоном, постоје позитивна и негативна (повећање и смањење) или чак средња мишљења о непропусности, отпорности на хабање, ударцима и отпорности на хабање бетона армираног челичним влакнима и спречавању раног пластичног скупљања бетона. Поред тога, бетон армиран челичним влакнима има неке проблеме, као што су велико дозирање, висока цена, рђа и готово никаква отпорност на пуцање изазвано пожаром, што је у различитом степену утицало на његову примену. Последњих година, неки домаћи и страни научници почели су да обраћају пажњу на хибридни влакнасти бетон (HFRC), покушавајући да мешају влакна са различитим својствима и предностима, уче једни од других и дају простор „позитивном хибридном ефекту“ на различитим нивоима и фазама оптерећења како би побољшали различита својства бетона, како би задовољили потребе различитих пројеката. Међутим, с обзиром на његова различита механичка својства, посебно на деформацију услед замора и оштећења услед замора, закон развоја деформације и карактеристике оштећења под статичким и динамичким оптерећењима и цикличним оптерећењима константне или променљиве амплитуде, оптималну количину мешања и пропорцију мешања влакана, однос између компоненти композитних материјала, ефекат ојачавања и механизам ојачавања, перформансе против замора, механизам отказа и технологију изградње, проблеми пројектовања пропорције мешања треба даље проучавати.

3. Слојевити бетон армиран челичним влакнима.Монолитни влакнасти бетон није лако равномерно мешати, влакна се лако агломерирају, количина влакана је велика, а трошкови су релативно високи, што утиче на његову широку примену. Кроз велики број инжењерских пракси и теоријских истраживања, предложен је нови тип структуре челичних влакана, слојевити челични влакнасти бетон (LSFRC). Мала количина челичних влакана је равномерно распоређена на горњој и доњој површини коловозне плоче, а средина је и даље слој обичног бетона. Челична влакна у LSFRC-у се генерално распоређују ручно или механички. Челична влакна су дугачка, а однос дужине и пречника је генерално између 70 ~ 120, показујући дводимензионалну расподелу. Без утицаја на механичка својства, овај материјал не само да значајно смањује количину челичних влакана, већ и избегава феномен агломерације влакана приликом мешања интегралног влакнасто армираног бетона. Поред тога, положај слоја челичних влакана у бетону има велики утицај на чврстоћу бетона на савијање. Ефекат армирања слоја челичних влакана на дну бетона је најбољи. Са померањем положаја слоја челичних влакана навише, ефекат армирања значајно се смањује. Флексибилна чврстоћа LSFRC-а је за више од 35% већа од обичног бетона са истим односом мешавине, што је нешто мање од чврстоће интегралног бетона армираног челичним влакнима. Међутим, LSFRC може уштедети много материјала и нема проблема са тешким мешањем. Стога је LSFRC нови материјал са добрим друштвеним и економским предностима и широким могућностима примене, који је вредан популаризације и примене у изградњи коловоза.

 

4.Слојевити хибридни влакнасти бетон.Слојевити хибридни влакнасто армирани бетон (LHFRC) је композитни материјал формиран додавањем 0,1% полипропиленских влакана на бази LSFRC-а и равномерним распоређивањем великог броја финих и кратких полипропиленских влакана са високом затезном чврстоћом и високим граничним издужењем у горњем и доњем слоју челичног влакнастог бетона и обичном бетону у средњем слоју. Може превазићи слабост LSFRC међуслоја обичног бетона и спречити потенцијалне безбедносне опасности након што се површинска челична влакна истроше. LHFRC може значајно побољшати чврстоћу бетона на савијање. У поређењу са обичним бетоном, његова чврстоћа на савијање обичног бетона је повећана за око 20%, а у поређењу са LSFRC-ом, његова чврстоћа на савијање је повећана за 2,6%, али има мали утицај на модул еластичности бетона при савијању. Модул еластичности при савијању LHFRC-а је 1,3% већи од обичног бетона и 0,3% нижи од LSFRC-а. ЛХФРЦ такође може значајно побољшати жилавост бетона на савијање, а његов индекс жилавости на савијање је око 8 пута већи од обичног бетона и 1,3 пута већи од ЛСФРЦ-а. Штавише, због различитих перформанси два или више влакана у ЛХФРЦ-у у бетону, у складу са инжењерским потребама, позитиван хибридни ефекат синтетичких влакана и челичних влакана у бетону може се користити за значајно побољшање дуктилности, издржљивости, жилавости, чврстоће на пуцање, чврстоће на савијање и затезне чврстоће материјала, побољшање квалитета материјала и продужење века трајања материјала.

——Апстракт (архитектура Сханки, том 38, бр. 11, Цхен Хуикинг)