Table of Contents

Клетчато-армированный бетон (КЖД) представляет собой значительный прогресс в строительных материалах, сочетая прочность сжатия традиционного бетона с растяжимой пластичностью и прочностью, обеспечиваемой дискретными волокнами. Встраивая короткие, случайно распределенные волокна в цементную матрицу, инженеры могут существенно улучшить контроль трещин, ударопрочность и послепиковую грузоподъемность. Этот композитный материал стал незаменимым в приложениях, начиная от промышленных полов и туннельных накладок до сейсмостойких конструкций и архитектурных панелей. Тщательное понимание механического поведения КЖД имеет важное значение для дизайнеров и спецификаторов, чтобы использовать его полный потенциал и обеспечить безопасные, долговечные и экономически эффективные структуры.

Что такое волокно-укрепленный бетон?

Клетчато-армированный бетон представляет собой композитный материал, изготовленный из гидравлического цемента, агрегатов, воды и дискретных волокон. Волокна могут быть стальными, стеклянными, синтетическими (например, полипропилен, нейлон, поливиниловый спирт), углеродными или натуральными (например, сизаль, куар, бамбук). Их основные роли заключаются в том, чтобы мостить трещины, образующиеся при растяжении или изгибных нагрузках, передавать напряжения через эти трещины и обеспечивать остаточную прочность после того, как матрица раскололась. Волокна обычно добавляются при объемных фракциях в диапазоне от 0,1% до 2%, хотя в конкретных приложениях могут использоваться более высокие дозы.

Концепция добавления волокнистых материалов в хрупкие матрицы не нова. В древние времена солома использовалась в высушенных на солнце кирпичах, а в раствор добавляли конский волос. Современные исследования и промышленное использование FRC начались всерьез в 1960-х и 1970-х годах, что привело к стандартизированным методам тестирования и руководящим принципам проектирования. Сегодня FRC признан зрелым, надежным материалом с обширными положениями кода в таких документах, как ACI 544 «Бетон с усилителем волокна» и соответствующие разделы типового кода fib.

Механические свойства волоконно-укрепленного бетона

Механическое поведение FRC регулируется взаимодействиями между волокнами и цементированной матрицей.Ключевые свойства включают прочность на сжатие, прочность на растяжение, прочность на изгиб, прочность и ударопрочность.На каждое свойство влияют тип волокна, геометрия, содержание и ориентация, а также качество матрицы.

Сила сжатия

В стандартных испытаниях на сжатие добавление волокон обычно не значительно увеличивает пиковую прочность на сжатие бетона. Однако волокна резко изменяют режим отказа. Обычный бетон выходит из строя взрывчато-вспышным с резким разбрызгиванием, тогда как FRC проявляет более постепенный, пластичный отказ. Волокна помогают удерживать материал вместе после растрескивания, предотвращая катастрофический коллапс и обеспечивая остаточный грузоподъемность. Особенно выгодна эта пластичная реакция в сейсмических зонах и при взрывной нагрузке. Обычно с высокими объемами волокон наблюдается увеличение прочности на сжатие до 15%, но основное преимущество заключается в постпиковом поведении.

Сила растяжения

Прочность на растяжение бетона, как известно, низкая, обычно только 10-15% его прочности на сжатие. Волокна мост микротрещины, которые инициируют под напряжением, задерживая их коалесцирование в макротрещины. Прямые испытания на растяжение показывают, что FRC может достичь увеличения прочности на растяжение от 30% до 100% по сравнению с обычным бетоном, в зависимости от типа волокна и дозировки. Стальные волокна особенно эффективны, в то время как синтетические волокна обеспечивают умеренные улучшения. Способность выдерживать растягивающее напряжение после первоначального растрескивания - называется остаточная прочность на растяжение - является определяющей характеристикой FRC и имеет решающее значение для структурной целостности.

Гибкая сила

Прочность на изгиб является наиболее часто задаваемым механическим свойством для FRC. Стандартные испытания, такие как ASTM C1609 (тест на луч) или EN 14651 (тест на изогнутый луч), измеряют поведение отклонения нагрузки. Волокна увеличивают модуль разрыва (MOR) на 20-50% и, что более важно, обеспечивают значительную остаточную прочность на изгиб. Эта производительность после трещины описывается такими параметрами, как эквивалентная прочность на изгиб или индексы прочности. Стальной железобетон с армированным волокном (SFRC) часто показывает прочность на изгиб, превышающую 6-8 МПа (850-150 пси) после трещины, что позволяет более тонкие структурные секции и уменьшенное усиление.

Жесткость и поглощение энергии

Жесткость — это способность материала поглощать энергию во время разрушения. FRC демонстрирует значения прочности в несколько раз выше, чем простой бетон, потому что волокна вытягиваются и ломаются постепенно, потребляя энергию. Площадь под кривой отклонения нагрузки является прямым показателем прочности. Например, стальные волокна с крючком на 1% объема могут увеличить прочность в 10—30 раз по сравнению с обычным бетоном. Это свойство имеет решающее значение для таких применений, как ударопрочные тротуары, защитные конструкции и туннельные накладки, где ожидаются динамические нагрузки.

Устойчивость к ударам

При внезапных динамических нагрузках, таких как падение веса, столкновения транспортных средств или взрывные взрывы, FRC превосходит простой бетон из-за его высокой мощности рассеивания энергии. Испытания с пониженным весом и испытания удара Charpy показывают, что FRC может пережить несколько ударов без полной дезинтеграции. Волны напряжения поглощают волокна и предотвращают образование больших хрупких трещин. Сталь и полипропиленовые волокна обычно используются в ударопрочных конструкциях.

Поведение под нагрузкой и механизмы отказа

При воздействии возрастающего напряжения, армированный волокнами бетон прогрессирует через различные фазы: линейное эластичное поведение, микротрещина, мостка трещин, вытягивание волокон и, в конечном счете, отказ. В отличие от внезапного хрупкого коллапса простого бетона, FRC показывает пластичный, прогрессирующий отказ.

Формирование Microcrack и подключение

При низких уровнях напряжения бетонная матрица ведет себя упруго. По мере приближения растягивающего напряжения к прочности матрицы микротрещины инициируются при изъянах и интерфейсах. В простом бетоне эти микротрещины сливаются в единый макротрещину, приводящую к немедленному выходу из строя. В FRC волокна, пересекающие плоскость трещины, действуют как мосты, передавая напряжение и ограничивая отверстие трещины. Этот процесс распределяет повреждения, в результате чего образуется множество мелких трещин, а не одна большая. Ширина трещины остается небольшой (обычно ниже 0,1 мм), что выгодно для долговечности и эстетики.

Вытягивание клетчатки и закаливание/уплотнение

После первоначального растрескивания составное поведение зависит от прочности волоконно-матричных связей, соотношения сторон волокна и прочности волокна. В хорошо спроектированном FRC волокна постепенно вытягиваются из матрицы, создавая контролируемую размягчающую ветвь в кривой напряжений-деформации. Некоторые высокопроизводительные армированные волокнами цементные композиты (HPFRCC) демонстрируют уплотнение деформации, где появляются множественные трещины и напряжение продолжает увеличиваться за пределами первого растрескивания, имитируя проходимые металлы. Пиковая нагрузка регулируется сопротивлением вытягивания волокна, в то время как окончательное отклонение зависит от длины волокна и характеристик связи.

После пика остаточная сила

Остаточная прочность после пиковой нагрузки является ключевым параметром конструкции для FRC. Стандарты, такие как ASTM C1609, определяют остаточную прочность при определенных отклонениях (например, L/600, L/150). Эта способность после крекинга позволяет дизайнерам рассматривать FRC как конструкционный материал, способный нести нагрузки даже после растрескивания. Например, в плоских плитах на земле остаточная прочность на изгиб может устранить необходимость в традиционной армировании стали, уменьшая затраты на рабочую силу и материал.

Факторы, влияющие на механическое поведение

Несколько взаимосвязанных факторов определяют механическую реакцию FRC.Тщательный контроль этих параметров необходим для достижения желаемой производительности.

Тип волокна

Стальные волокна (скрытые, сжатые, прямые) обеспечивают высокую прочность на растяжение, модуль эластичности и прочность на склеивание, что делает их идеальными для структурных применений. Синтетические волокна, такие как полипропилен и нейлон, имеют более низкий модуль, но обеспечивают хороший контроль трещин при низких затратах, особенно в неструктурных приложениях, таких как контроль усадки. Стеклянные волокна улучшают прочность на растяжение, но могут разрушаться в щелочных средах, если они не покрыты. Углеродные волокна обеспечивают высокую прочность и жесткость, но являются дорогими. Натуральные волокна устойчивы, но могут быть менее долговечными, если их не обрабатывать.

Волоконная геометрия и соотношение сторон

Соотношение сторон (длина волокна, деленная на диаметр) сильно влияет на сопротивление вытягиванию. Более длинные волокна с более высокими соотношениями сторон обеспечивают лучшее скрещивание трещин и более высокую прочность, но снижают обрабатываемость и могут вызывать шарнирное смешивание. Оптимальные соотношения сторон обычно варьируются от 50 до 100 для стальных волокон. Форма клетчатки (поджатая, обжимаемая, скрученная) также влияет на механическую крепление в матрице. Деформированные волокна развивают лучшую связь, чем прямые волокна.

Волокно объемное дробление

Увеличение объемной фракции волокон улучшает растяжимость, гибкие и ударные свойства, но связь не является линейной. Помимо критической объемной фракции (обычно 1-2% для стальных волокон), пластичность может значительно снижаться. Смешивание и уплотнение становятся трудными, потенциально вводя пустоты, которые уменьшают прочность. Оптимальная доза волокна зависит от конкретного применения и приемлемого компромисса между производительностью и работоспособностью.

Ориентация и распределение волокон

Механическая реакция FRC является анизотропной, поскольку волокна имеют тенденцию выравниваться с направлением потока во время литья и консолидации. В структурных элементах ориентация волокна часто случайна в трех измерениях (3-D), но может быть более выровнена в тонких секциях или при использовании вибрации. Испытания показывают, что прочность на изгиб может варьироваться на 30% или более в зависимости от ориентации волокна относительно приложенного напряжения. Некоторые коды проектирования (например, fib Model Code 2010) включают факторы ориентации для учета этого эффекта.

Свойства матрицы и дизайн миксов

Цементиозная матрица должна обеспечивать адекватную связь с волокнами. Высокие соотношения водяного цемента снижают прочность связи, в то время как низкие соотношения w/c увеличивают прочность матрицы, но могут сделать смесь хрупкой и уменьшить работу вытягивания волокна. Добавление дополнительных цементитивных материалов, таких как пары диоксида кремния или золы мухи, может улучшить интерфейс волоконной матрицы. Совокупности должны быть хорошо сортированы и не слишком велики по отношению к длине волокна (обычно ≤ длина волокна), чтобы избежать вмешательства в дисперсию волокон.

Смешивание и отверждение

Правильное смешивание имеет решающее значение для достижения равномерного распределения волокон. Клетчатки обычно добавляют в смесь после агрегатов и цемента, и время смешивания должно быть увеличено для обеспечения дисперсии без повреждения волокон. Чрезмерное смешивание может привести к разрыву волокон или шарику. Отверждение влияет на прочность матрицы и связь волокон-матрицы; влажное отверждение в течение не менее 7 дней рекомендуется для развития достаточной связи.

Тестирование и характеристика клетчато-укрепленного бетона

Стандартизированные испытания имеют важное значение для контроля качества и проектирования. Три наиболее распространенных метода испытаний - это испытание на изгиб луча (ASTM C1609, EN 14651), испытание на круглые панели (ASTM C1550) и испытание на растяжение с односторонним разгибанием (Rilem TC 162-TDF). Испытание на луч измеряет нагрузку по сравнению с отклонением в середине размаха, из которого выводятся параметры, такие как прочность на первом пике, пиковая прочность и остаточные силы на различных уровнях отклонения. Испытание на круглые панели проще и более репрезентативно для определения энергии разрушения используется трехточечный тест на изгиб на вырезанных лучах (RILEM TC 50-FMC). Кроме того, индексные испытания, такие как эквивалентная прочность на изгиб (feq) и показатели прочности (I5, I10, I20), распространены в более старых спецификациях.

Для получения дополнительной информации о стандартах испытаний обратитесь к ASTM International и Техническим комитетам RILEM. Руководящие принципы проектирования, включающие свойства FRC, доступны в Американском бетонном институте (ACI 544).

Применение волоконно-укрепленного бетона

Способность адаптировать свойства FRC через выбор волокна и дозировки делает его пригодным для широкого спектра структурных и неструктурных применений.

  • Промышленные полы и тротуары:] Слабы FRC на сортировке могут быть спроектированы с уменьшенной толщиной и расстоянием между суставами, предлагая более высокую утомляемость и более низкое техническое обслуживание.Стальные волокна типичны для тяжелых нагрузок, в то время как синтетические волокна контролируют усадку пластика в более тонких плитах.
  • Предварительные бетонные изделия: FRC используется в трубах, люках, септиках и архитектурных панелях. Проходимость улучшает управляемость и уменьшает поломку при транспортировке и монтаже.
  • Мостовые палубы и дорожные накладки: Волокна усиливают контроль трещин и долговечность при многократной загрузке, уменьшая необходимость в обычной арматуре и ускоряя конструкцию.
  • Туннельные накладки и дроссельная плита: Для подземных раскопок волокнистый дроссель (распыленный бетон) обеспечивает немедленную поддержку после применения, с высоким поглощением энергии и устойчивостью к разрывам пород и движениям грунта. Сталь и синтетические волокна являются общими.
  • Сейсмические и взрывостойкие конструкции: Высокая прочность и пластичность FRC делают его идеальным для устойчивых к моменту рам, балок, колонн и стенок сдвига в подверженных землетрясениям регионах.Волны также уменьшают разбрызгивание под взрывными нагрузками.
  • Архитектурные и декоративные элементы: Тонкие облицовочные панели, фасады и протекторы для лестниц получают выгоду от снижения собственного веса и лучшего контроля трещин. Стекло и синтетические волокна часто используются для поддержания эстетики.
  • Гидравлические структуры: Дамбы, водосбросы и прокладки каналов требуют высокой стойкости к истиранию и низкой проницаемости. FRC со стальными волокнами хорошо работает при циклах эрозии воды и замерзания-оттаивания.

Последние достижения в области волоконно-укрепляемого бетона

Текущие исследования продолжают расширять границы производительности, устойчивости и функциональности FRC.

Нанофиброво-укрепленный бетон

Углеродные нанотрубки, графеновые нанопласты и наноцеллюлозные волокна исследуются для усиления бетона на наноуровне. Даже при очень малых фракциях объема (0,05-0,1%) эти наноматериалы могут увеличить прочность на растяжение на 30-50% и значительно улучшить непроницаемость и электропроводность. Проблемы включают равномерное рассеивание и стоимость, но прогресс является перспективным для многофункционального умного бетона.

Гибридные волоконные системы

Комбинирование двух или более типов волокон, таких как макро стальные волокна для несущей способности и микросинтетические волокна для раннего контроля трещин, может обеспечить синергетические преимущества. Микроволокна контролируют микротрещину, в то время как макроволокна мостик больших трещин. Гибридные системы часто достигают более высокой прочности и способности к отклонению, чем одноволоконные системы при том же общем объеме волокна.

Утилизированные и устойчивые волокна

Переработанные стальные волокна из отходов шин и промышленного лома, а также натуральные волокна, такие как конопля, лен и хлопок, привлекают внимание для снижения воздействия на окружающую среду. Во многих испытаниях переработанные стальные волокна показали сопоставимую производительность с волокнами из первичной стали, хотя изменчивость может быть больше. Натуральные волокна являются биоразлагаемыми и недорогими, но могут потребовать щелочной обработки для предотвращения деградации в бетоне. Для дальнейшего чтения на устойчивой FRC см. Научные статьи на переработанных волоконных композитах.

Самоисцеляющийся клетчато-укрепленный бетон

Включение бактерий, инкапсулированных целебных агентов или полимеров с памятью формы в FRC позволяет автономно восстанавливать трещины. Волокна играют роль, сохраняя трещины достаточно узкими, чтобы их можно было запечатать с помощью механизма заживления. Самоисцеляющийся FRC может значительно продлить срок службы инфраструктуры, уменьшая затраты на техническое обслуживание.

Дизайн-соображения для волоконно-укрепленного бетона

Конструкторы должны учитывать поведение FRC после скрекивания, а не полагаться исключительно на свойства перед взломом. Например, модельный код Fib 2010 обеспечивает соотношение между напряжением и взломом (]σ-w) для различных классов FRC. Дизайнный блок напряжения для конечного предельного состояния (ULS) получен из остаточных значений прочности на изгиб, полученных из стандартизированного тестирования. Для состояния предела исправности (SLS) ширина трещины и отклонение проверяются на допустимые пределы. Частичные факторы безопасности для волокон (γ]f применяются для учета изменчивости дисперсии и ориентации волокна.

Важные этапы проектирования включают: выбор типа волокна и дозировки на основе требуемой производительности; проведение испытаний пучка для определения параметров остаточной прочности; использование конечных элементов или упрощенных методов для моделирования структурного ответа; и определение минимальных фракций объема волокна для достижения назначенного класса FRC (например, FRC 2.0 в соответствии с fib). Коммерчески доступные программные инструменты теперь интегрируют модели FRC для нелинейного анализа.

Заключение

Понимание механического поведения армированного волокнами бетона является фундаментальным для его успешного применения в современной инфраструктуре. Способность волокон мостить трещины, обеспечивать остаточное растяжение и резко увеличивать прочность и поглощение энергии делает FRC бесценным материалом для полов, туннелей, мостов, сейсмически устойчивых структур и сборных элементов. Ключевые механические свойства, такие как прочность на изгиб, устойчивость к пику и ударное сопротивление, регулируются типом волокна, геометрией, объемной фракцией и качеством матрицы. Стандартизированные рекомендации по тестированию и проектированию от таких организаций, как ACI и fib, облегчают надежное использование FRC. Текущие достижения в нанотехнологиях, гибридных волоконных системах, переработанных материалах и механизмах самовосстановления обещают дальнейшее повышение производительности и устойчивости. Для любого инженера или архитектора, стремящегося создать прочные, устойчивые и экономически эффективные структуры, глубокое понимание механики FRC является важным инструментом.