Ar tērauda šķiedrām armēts betons (SFRC) ir jauna veida kompozītmateriāls, ko var ieliet un izsmidzināt, parastajam betonam pievienojot atbilstošu daudzumu īsu tērauda šķiedru. Pēdējos gados tas ir strauji attīstījies gan mājās, gan ārzemēs. Tas pārvar betona zemās stiepes izturības, mazā galīgā pagarinājuma un trausluma trūkumus. Tam ir izcilas īpašības, piemēram, stiepes izturība, lieces izturība, bīdes izturība, plaisu izturība, noguruma izturība un augsta stingrība. To izmanto hidrotehnikā, ceļu un tiltu būvniecībā, būvniecībā un citās inženierzinātņu jomās.
1. Tērauda šķiedru armēta betona izstrāde
Šķiedru armēts betons (FRC) ir šķiedru armētā betona saīsinājums. Tas parasti ir uz cementa bāzes veidots kompozīts, kas sastāv no cementa pastas, javas vai betona un metāla šķiedrām, neorganiskām šķiedrām vai organiskām šķiedrām armētiem materiāliem. Tas ir jauns būvmateriāls, kas veidojas, vienmērīgi izkliedējot īsas un smalkas šķiedras ar augstu stiepes izturību, augstu galīgo pagarinājumu un augstu sārmu izturību betona matricā. Šķiedras betonā var ierobežot agrīnu plaisu veidošanos betonā un tālāku plaisu paplašināšanos ārēja spēka ietekmē, efektīvi pārvarēt betona raksturīgos defektus, piemēram, zemu stiepes izturību, vieglu plaisāšanu un sliktu noguruma izturību, kā arī ievērojami uzlabot betona necaurlaidību, ūdensnecaurlaidību, salizturību un armatūras aizsardzību. Šķiedru armēts betons, īpaši tērauda šķiedru armēts betons, savu izcilo īpašību dēļ ir piesaistījis arvien lielāku uzmanību akadēmiskajās un inženierzinātņu aprindās praktiskajā inženierijā. 1907. gadā padomju eksperts B. P. Hekpocabs sāka izmantot metāla šķiedru armēto betonu; 1910. gadā H. F. Porters publicēja pētījuma ziņojumu par īso šķiedru armēto betonu, ierosinot, ka īsās tērauda šķiedras vienmērīgi jāizkliedē betonā, lai stiprinātu matricas materiālus; 1911. gadā Greiems no Amerikas Savienotajām Valstīm pievienoja tērauda šķiedru parastajam betonam, lai uzlabotu betona izturību un stabilitāti; Līdz 20. gadsimta 40. gadiem Amerikas Savienotās Valstis, Lielbritānija, Francija, Vācija, Japāna un citas valstis bija veikušas daudz pētījumu par tērauda šķiedru izmantošanu betona nodilumizturības un plaisāšanas izturības uzlabošanai, tērauda šķiedru betona ražošanas tehnoloģiju un tērauda šķiedru formas uzlabošanu, lai uzlabotu saķeres stiprību starp šķiedru un betona matricu; 1963. gadā JP Romualdi un GB Batson publicēja rakstu par tērauda šķiedru armēta betona plaisu attīstības mehānismu un izvirzīja secinājumu, ka tērauda šķiedru armēta betona plaisu izturību nosaka tērauda šķiedru vidējais atstatums, kam ir efektīva loma stiepes spriegumā (šķiedru atstatuma teorija), tādējādi uzsākot šī jaunā kompozītmateriāla praktisko izstrādes posmu. Līdz šim, pateicoties tērauda šķiedru armēta betona popularizēšanai un pielietošanai, šķiedru atšķirīgā sadalījuma dēļ betonā galvenokārt ir četri veidi: tērauda šķiedru armēts betons, hibrīdšķiedru armēts betons, slāņveida tērauda šķiedru armēts betons un slāņveida hibrīdšķiedru armēts betons.
2. Tērauda šķiedru armēta betona stiprināšanas mehānisms
(1) Kompozītmateriālu mehānikas teorija. Kompozītmateriālu mehānikas teorija balstās uz nepārtrauktu šķiedru kompozītmateriālu teoriju un apvienojumā ar tērauda šķiedru sadalījuma raksturlielumiem betonā. Šajā teorijā kompozītmateriāli tiek uzskatīti par divfāžu kompozītmateriāliem, kur šķiedra ir viena fāze, bet matrica – otra fāze.
(2) Šķiedru atstarpes teorija. Šķiedru atstarpes teorija, kas pazīstama arī kā plaisu izturības teorija, ir ierosināta, pamatojoties uz lineāru elastīgu lūzuma mehāniku. Šī teorija apgalvo, ka šķiedru pastiprinošā iedarbība ir saistīta tikai ar vienmērīgi sadalītu šķiedru atstarpi (minimālo atstarpi).
3. Tērauda šķiedru armēta betona attīstības stāvokļa analīze
1. Tērauda šķiedru armēts betons. Tērauda šķiedru armēts betons ir relatīvi vienmērīga un daudzvirzienu armēta betona veids, kas tiek veidots, parastajam betonam pievienojot nelielu daudzumu zema oglekļa satura tērauda, nerūsējošā tērauda un FRP šķiedru. Tērauda šķiedru maisījuma daudzums parasti ir 1–2 % pēc tilpuma, un katrā betona kubikmetrā pēc svara tiek sajaukti 70–100 kg tērauda šķiedras. Tērauda šķiedras garumam jābūt 25–60 mm, diametram 0,25–1,25 mm, un labākā garuma un diametra attiecība ir 50–700. Salīdzinot ar parasto betonu, tas var ne tikai uzlabot stiepes, bīdes, lieces, nodiluma un plaisāšanas izturību, bet arī ievērojami palielināt betona izturību pret plaisāšanu un triecienizturību, kā arī ievērojami uzlabot konstrukcijas noguruma izturību un ilgmūžību, jo īpaši izturību var palielināt 10–20 reizes. Ķīnā tiek salīdzinātas tērauda šķiedru armēta betona un parastā betona mehāniskās īpašības. Kad tērauda šķiedru saturs ir 15–20 % un ūdens un cementa attiecība ir 0,45, stiepes izturība palielinās par 50–70 %, lieces izturība palielinās par 120–180 %, triecienizturība palielinās 10–20 reizes, trieciena noguruma izturība palielinās 15–20 reizes, lieces stingrība palielinās 14–20 reizes, un ievērojami uzlabojas arī nodilumizturība. Tāpēc ar tērauda šķiedrām armētam betonam ir labākas fizikālās un mehāniskās īpašības nekā parastam betonam.
4. Hibrīda šķiedru betons
Attiecīgie pētījumu dati liecina, ka tērauda šķiedra būtiski neveicina betona spiedes izturību vai pat to nesamazina; salīdzinot ar parasto betonu, pastāv pozitīvi un negatīvi (palielinās un samazinās) vai pat starpposma viedokļi par tērauda šķiedru armētā betona necaurlaidību, nodilumizturību, triecienizturību un nodilumizturību, kā arī betona priekšlaicīgas plastiskās saraušanās novēršanu. Turklāt tērauda šķiedru armētajam betonam ir dažas problēmas, piemēram, liela deva, augsta cena, rūsa un gandrīz nekāda izturība pret plīšanu ugunsgrēka gadījumā, kas dažādā mērā ir ietekmējusi tā pielietojumu. Pēdējos gados daži vietējie un ārvalstu zinātnieki ir sākuši pievērst uzmanību hibrīdšķiedru betonam (HFRC), cenšoties sajaukt šķiedras ar dažādām īpašībām un priekšrocībām, mācīties viens no otra un izmantot "pozitīvo hibrīdefektu" dažādos līmeņos un slodzes posmos, lai uzlabotu dažādas betona īpašības, lai apmierinātu dažādu projektu vajadzības. Tomēr, ņemot vērā tā dažādās mehāniskās īpašības, īpaši noguruma deformāciju un noguruma bojājumus, deformācijas attīstības likumu un bojājumu raksturlielumus statiskās un dinamiskās slodzes un nemainīgas amplitūdas vai mainīgas amplitūdas cikliskās slodzes apstākļos, optimālo šķiedru maisījuma daudzumu un maisījuma proporciju, kompozītmateriālu sastāvdaļu savstarpējo saistību, stiprinošo efektu un stiprināšanas mehānismu, pretnoguruma veiktspēju, bojājumu mehānismu un konstrukcijas tehnoloģiju, maisījuma proporciju projektēšanas problēmas ir jāturpina pētīt.
5. Slāņveida tērauda šķiedru armēts betons
Monolītajā šķiedru armētajā betonā nav viegli vienmērīgi sajaukt, šķiedras ir viegli aglomerējamas, šķiedru daudzums ir liels, un izmaksas ir relatīvi augstas, kas ietekmē tā plašo pielietojumu. Pateicoties lielam skaitam inženierprakses un teorētisko pētījumu, ir ierosināts jauna veida tērauda šķiedru struktūra - slāņveida tērauda šķiedru armētais betons (LSFRC). Neliels tērauda šķiedras daudzums ir vienmērīgi sadalīts pa ceļa plātnes augšējo un apakšējo virsmu, un vidusdaļa joprojām ir vienkāršs betona slānis. Tērauda šķiedra LSFRC parasti tiek sadalīta manuāli vai mehāniski. Tērauda šķiedra ir gara, un garuma un diametra attiecība parasti ir no 70 līdz 120, kas parāda divdimensiju sadalījumu. Neietekmējot mehāniskās īpašības, šis materiāls ne tikai ievērojami samazina tērauda šķiedru daudzumu, bet arī novērš šķiedru aglomerācijas parādību integrālā šķiedru armētā betona maisījumā. Turklāt tērauda šķiedru slāņa novietojumam betonā ir liela ietekme uz betona lieces izturību. Tērauda šķiedru slāņa pastiprinošais efekts betona apakšā ir vislabākais. Virzoties tērauda šķiedru slāņa novietojumam uz augšu, pastiprinošais efekts ievērojami samazinās. LSFRC lieces izturība ir par vairāk nekā 35% augstāka nekā parastajam betonam ar tādu pašu maisījuma proporciju, kas ir nedaudz zemāka nekā integrālajam tērauda šķiedru armētajam betonam. Tomēr LSFRC var ievērojami ietaupīt materiālu izmaksas, un nav problēmu ar sarežģītu sajaukšanu. Tāpēc LSFRC ir jauns materiāls ar labām sociālām un ekonomiskām priekšrocībām un plašām pielietojuma perspektīvām, kas ir pelnījis popularizēšanu un izmantošanu seguma būvniecībā.
6. Slāņotais hibrīda šķiedru betons
Slāņa hibrīda šķiedru armētais betons (LHFRC) ir kompozītmateriāls, kas veidots, pievienojot 0,1% polipropilēna šķiedras uz LSFRC bāzes un vienmērīgi sadalot lielu skaitu smalku un īsu polipropilēna šķiedru ar augstu stiepes izturību un lielu galīgo pagarinājumu augšējā un apakšējā tērauda šķiedru betonā un vidējā slānī esošajā vienkāršajā betonā. Tas var pārvarēt LSFRC starpslāņa vienkāršajā betonā vājumu un novērst iespējamos drošības apdraudējumus pēc tam, kad virsmas tērauda šķiedra ir nodilusi. LHFRC var ievērojami uzlabot betona lieces izturību. Salīdzinot ar vienkāršo betonu, tā lieces izturība ir palielināta par aptuveni 20%, un salīdzinājumā ar LSFRC tā lieces izturība ir palielināta par 2,6%, taču tam ir maza ietekme uz betona lieces elastības moduli. LHFRC lieces elastības modulis ir par 1,3% augstāks nekā vienkāršajam betonam un par 0,3% zemāks nekā LSFRC. LHFRC var arī ievērojami uzlabot betona lieces izturību, un tā lieces izturības indekss ir aptuveni 8 reizes lielāks nekā vienkāršajam betonam un 1,3 reizes lielāks nekā LSFRC. Turklāt, ņemot vērā divu vai vairāku šķiedru atšķirīgo veiktspēju LHFRC betonā, atkarībā no inženiertehniskajām vajadzībām, sintētiskās šķiedras un tērauda šķiedras pozitīvo hibrīdo efektu betonā var izmantot, lai ievērojami uzlabotu materiāla plastiskumu, izturību, stingrību, plaisu izturību, lieces izturību un stiepes izturību, uzlabotu materiāla kvalitāti un pagarinātu materiāla kalpošanas laiku.
——Abstract (Shanxi arhitektūra, 38. sēj., Nr. 11, Chen Huiqing)
Publicēšanas laiks: 2022. gada 24. augusts