Plieno pluoštu armuotas betonas (SFRC) yra naujo tipo kompozicinė medžiaga, kurią galima pilti ir purkšti į įprastą betoną įpilant reikiamą kiekį trumpo plieno pluošto. Pastaraisiais metais ji sparčiai vystėsi tiek šalyje, tiek užsienyje. Ji įveikia betono mažo tempiamojo stiprumo, mažo ribinio pailgėjimo ir trapumo trūkumus. Ji pasižymi puikiomis savybėmis, tokiomis kaip tempiamasis stiprumas, atsparumas lenkimui, atsparumas šlyčiai, atsparumas įtrūkimams, atsparumas nuovargiui ir didelis tvirtumas. Ji taikoma hidrotechnikos, kelių ir tiltų, statybos ir kitose inžinerijos srityse.
1. Plieno pluoštu armuoto betono kūrimas
Pluoštiniu būdu armuotas betonas (FRC) yra pluoštu armuoto betono santrumpa. Paprastai tai cemento pagrindu pagamintas kompozitas, sudarytas iš cemento pastos, skiedinio arba betono ir metalo pluošto, neorganinio pluošto arba organinio pluošto armuotos medžiagos. Tai nauja statybinė medžiaga, suformuota tolygiai disperguojant trumpus ir smulkius pluoštus, pasižyminčius dideliu tempiamuoju stiprumu, dideliu galutiniu pailgėjimu ir dideliu atsparumu šarmams betono matricoje. Pluoštas betone gali apriboti ankstyvų įtrūkimų susidarymą betone ir tolesnį įtrūkimų plitimą veikiant išorinei jėgai, efektyviai įveikti būdingus betono defektus, tokius kaip mažas tempiamasis stipris, lengvas trūkinėjimas ir prastas betono atsparumas nuovargiui, taip pat labai pagerinti betono nepralaidumą vandeniui, atsparumą šalčiui ir armatūros apsaugą. Pluoštiniu būdu armuotas betonas, ypač plieno pluoštu armuotas betonas, dėl savo puikių savybių sulaukia vis daugiau dėmesio akademiniuose ir inžineriniuose praktinės inžinerijos sluoksniuose. 1907 m. sovietų ekspertas B. P. Hekpocabas pradėjo naudoti metalo pluoštu armuotą betoną; 1910 m. H. F. Porteris paskelbė tyrimų ataskaitą apie trumpo pluošto armuotą betoną, kurioje teigiama, kad trumpi plieno pluoštai turėtų būti tolygiai disperguoti betone, siekiant sustiprinti matricos medžiagas; 1911 m. Grahamas iš Jungtinių Valstijų į paprastą betoną įmaišė plieno pluošto, kad pagerintų betono stiprumą ir stabilumą; iki 1940-ųjų Jungtinės Valstijos, Didžioji Britanija, Prancūzija, Vokietija, Japonija ir kitos šalys atliko daug tyrimų, susijusių su plieno pluošto naudojimu betono atsparumui dilimui ir įtrūkimams pagerinti, plieno pluošto betono gamybos technologija ir plieno pluošto formos gerinimu, siekiant pagerinti pluošto ir betono matricos sukibimo stiprumą; 1963 m. J. P. Romualdi ir G. B. Batsonas paskelbė straipsnį apie plieno pluoštu gipso betono įtrūkimų atsiradimo mechanizmą ir pateikė išvadą, kad plieno pluoštu gelžbetonio įtrūkimų stiprumą lemia vidutinis plieno pluoštų atstumas, kuris atlieka svarbų vaidmenį tempimo įtempyje (pluošto atstumo teorija), taip pradedant praktinį šios naujos kompozicinės medžiagos kūrimo etapą. Iki šiol, populiarėjant ir taikant plieno pluoštu gelžbetonį, dėl skirtingo pluoštų pasiskirstymo betone, yra keturi pagrindiniai tipai: plieno pluoštu gelžbetonas, hibridiniu pluoštu gelžbetonas, sluoksniuotas plieno pluoštu gelžbetonas ir sluoksniuotas hibridiniu pluoštu gelžbetonas.
2. Plieno pluoštu armuoto betono sutvirtinimo mechanizmas
(1) Kompozitinės mechanikos teorija. Kompozitinės mechanikos teorija pagrįsta ištisinių pluoštų kompozitų teorija ir derinama su plieno pluoštų pasiskirstymo betone charakteristikomis. Šioje teorijoje kompozitai laikomi dvifaziais kompozitais, kurių viena fazė yra pluoštas, o kita – matrica.
(2) Pluoštų išdėstymo teorija. Pluoštų išdėstymo teorija, dar vadinama įtrūkimų atsparumo teorija, siūloma remiantis tiesine elastine lūžio mechanika. Ši teorija teigia, kad pluoštų sutvirtinimo efektas susijęs tik su tolygiai paskirstytu pluoštų išdėstymu (minimalus atstumas).
3. Plieno pluoštu armuoto betono plėtros būklės analizė
1. Plieno pluoštu gelžbetonis. Plieno pluoštu gelžbetonis yra gana vienodo ir daugiakrypčio gelžbetonio rūšis, suformuota į paprastą betoną įmaišant nedidelį kiekį mažai anglies turinčio plieno, nerūdijančio plieno ir FRP pluoštų. Plieno pluošto maišymo kiekis paprastai yra 1–2 % tūrio, o kiekviename kubiniame metre betono pagal svorį įmaišoma 70–100 kg plieno pluošto. Plieno pluošto ilgis turėtų būti 25–60 mm, skersmuo – 0,25–1,25 mm, o geriausias ilgio ir skersmens santykis turėtų būti 50–700. Palyginti su įprastu betonu, jis gali ne tik pagerinti atsparumą tempimui, šlyčiai, lenkimui, dilimui ir įtrūkimams, bet ir gerokai padidinti betono atsparumą lūžiams ir smūgiams, taip pat žymiai pagerinti konstrukcijos atsparumą nuovargiui ir ilgaamžiškumą, ypač atsparumą galima padidinti 10–20 kartų. Plieno pluoštu gelžbetonio ir įprasto betono mechaninės savybės lyginamos Kinijoje. Kai plieno pluošto kiekis yra 15–20 %, o vandens ir cemento santykis yra 0,45, tempiamasis stipris padidėja 50–70 %, lenkiamasis stipris – 120–180 %, smūginis stipris – 10–20 kartų, smūginio nuovargio stipris – 15–20 kartų, lenkiamasis tvirtumas – 14–20 kartų, o atsparumas dilimui taip pat žymiai pagerėja. Todėl plieno pluoštu armuotas betonas pasižymi geresnėmis fizinėmis ir mechaninėmis savybėmis nei paprastas betonas.
4. Hibridinis pluoštinis betonas
Atitinkami tyrimų duomenys rodo, kad plieno pluoštas reikšmingai nepadidina betono gniuždomojo stiprio ir net jo nesumažina; Palyginti su paprastu betonu, yra teigiamų, neigiamų (didėjančių ir mažėjančių) ar net tarpinių nuomonių apie plieno pluoštu armuoto betono nepralaidumą, atsparumą dilimui, smūgiams ir atsparumą dilimui bei ankstyvo betono plastinio susitraukimo prevenciją. Be to, plieno pluoštu armuotas betonas turi tam tikrų problemų, tokių kaip didelė dozė, didelė kaina, rūdijimas ir beveik jokio atsparumo sprogimui gaisro metu, kurios įvairiu mastu paveikė jo taikymą. Pastaraisiais metais kai kurie šalies ir užsienio mokslininkai pradėjo atkreipti dėmesį į hibridinį pluošto betoną (HFRC), bandydami maišyti skirtingų savybių ir privalumų pluoštus, mokytis vieni iš kitų ir pasinaudoti „teigiamu hibridiniu efektu“ skirtingais lygiais ir apkrovos etapais, kad pagerintų įvairias betono savybes ir patenkintų skirtingų projektų poreikius. Tačiau atsižvelgiant į įvairias mechanines savybes, ypač nuovargio deformaciją ir nuovargio pažeidimus, deformacijos vystymosi dėsnį ir pažeidimų charakteristikas esant statinėms ir dinaminėms apkrovoms bei pastovios amplitudės arba kintamos amplitudės ciklinėms apkrovoms, optimalų pluošto maišymo kiekį ir proporcijas, kompozicinių medžiagų komponentų ryšį, stiprinimo efektą ir stiprinimo mechanizmą, atsparumą nuovargiui, gedimo mechanizmą ir konstrukcijos technologiją, reikia toliau tirti mišinio proporcijų projektavimo problemas.
5. Sluoksniuotas plieno pluoštu armuotas betonas
Monolitinį pluoštu armuotą betoną sunku tolygiai maišyti, pluoštas lengvai aglomeruojasi, pluošto kiekis yra didelis, o kaina gana didelė, o tai turi įtakos jo plačiam pritaikymui. Remiantis daugybe inžinerinių praktikų ir teorinių tyrimų, pasiūlytas naujo tipo plieno pluošto struktūra – sluoksniuotu plieno pluoštu armuotas betonas (LSFRC). Nedidelis plieno pluošto kiekis tolygiai paskirstomas ant viršutinio ir apatinio kelio plokštės paviršių, o vidurys vis dar yra paprastas betono sluoksnis. Plieno pluoštas LSFRC paprastai paskirstomas rankiniu arba mechaniniu būdu. Plieno pluoštas yra ilgas, o ilgio ir skersmens santykis paprastai yra nuo 70 iki 120, rodantis dvimatį pasiskirstymą. Nepaveikdama mechaninių savybių, ši medžiaga ne tik žymiai sumažina plieno pluošto kiekį, bet ir išvengia pluošto aglomeracijos maišant vientisą pluoštu armuotą betoną. Be to, plieno pluošto sluoksnio padėtis betone daro didelę įtaką betono lenkimo stiprumui. Plieno pluošto sluoksnio armavimo efektas betono apačioje yra geriausias. Kylant plieno pluošto sluoksnio padėčiai aukštyn, armavimo efektas žymiai sumažėja. LSFRC lenkimo stipris yra daugiau nei 35 % didesnis nei paprasto betono su ta pačia mišinio proporcija, kuris yra šiek tiek mažesnis nei vientiso plieno pluoštu armuoto betono. Tačiau LSFRC gali sutaupyti daug medžiagų sąnaudų ir nesukelia sudėtingo maišymo problemų. Todėl LSFRC yra nauja medžiaga, turinti gerą socialinę ir ekonominę naudą bei plačias taikymo perspektyvas, todėl ją verta populiarinti ir taikyti dangų tiesyboje.
6. Sluoksniuotas hibridinis pluoštinis betonas
Sluoksninis hibridinis pluoštu armuotas betonas (LHFRC) yra kompozicinė medžiaga, suformuota pridedant 0,1 % polipropileno pluošto LSFRC pagrindu ir tolygiai paskirstant daug smulkių ir trumpų polipropileno pluoštų, pasižyminčių dideliu tempiamuoju stiprumu ir dideliu pailgėjimu, viršutiniame ir apatiniame plieno pluošto betone bei paprastame betone viduriniame sluoksnyje. Jis gali įveikti LSFRC tarpinio paprasto betono sluoksnio silpnumą ir išvengti galimų pavojų saugai, kai paviršinis plieno pluoštas susidėvi. LHFRC gali žymiai padidinti betono lenkiamąjį stiprumą. Palyginti su paprastu betonu, jo lenkiamasis stipris padidėja apie 20 %, o palyginti su LSFRC, jo lenkiamasis stipris padidėja 2,6 %, tačiau jis mažai veikia betono lenkimo tamprumo modulį. LHFRC lenkimo tamprumo modulis yra 1,3 % didesnis nei paprasto betono ir 0,3 % mažesnis nei LSFRC. LHFRC taip pat gali žymiai padidinti betono lenkiamąjį stiprumą, o jo lenkimo stiprumo indeksas yra apie 8 kartus didesnis nei paprasto betono ir 1,3 karto didesnis nei LSFRC. Be to, dėl skirtingų dviejų ar daugiau pluoštų, naudojamų LHFRC betone, savybių, atsižvelgiant į inžinerinius poreikius, teigiamas hibridinis sintetinio pluošto ir plieno pluošto poveikis betone gali būti panaudotas siekiant gerokai pagerinti medžiagos tąsumą, ilgaamžiškumą, tvirtumą, atsparumą įtrūkimams, lenkimo stiprumą ir tempiamąjį stiprumą, pagerinti medžiagos kokybę ir pailginti medžiagos tarnavimo laiką.
—— Santrauka (Šansi architektūra, t. 38, Nr. 11, Chen Huiqing)
Įrašo laikas: 2022 m. rugpjūčio 24 d.