Ocelovými vlákny vyztužený beton (SFRC) je nový typ kompozitního materiálu, který lze lití a stříkáním provádět přidáním vhodného množství krátkých ocelových vláken do běžného betonu. V posledních letech se rychle rozvíjí doma i v zahraničí. Překonává nedostatky nízké pevnosti v tahu, malého konečného prodloužení a křehkosti betonu. Má vynikající vlastnosti, jako je pevnost v tahu, odolnost proti ohybu, smyková odolnost, odolnost proti trhlinám, odolnost proti únavě a vysoká houževnatost. Používá se v hydrotechnice, silničním a mostním stavitelství, stavebnictví a dalších inženýrských oborech.

 

一.Vývoj betonu vyztuženého ocelovými vlákny

 

Vláknobeton (FRC) je zkratka pro vláknobeton. Obvykle se jedná o kompozit na bázi cementu složený z cementové pasty, malty nebo betonu a kovových vláken, anorganických vláken nebo materiálů vyztužených organickými vlákny. Jedná se o nový stavební materiál, který vzniká rovnoměrným rozptýlením krátkých a jemných vláken s vysokou pevností v tahu, vysokým konečným prodloužením a vysokou odolností vůči alkáliím v betonové matrici. Vlákna v betonu mohou omezit vznik časných trhlin v betonu a další rozšiřování trhlin působením vnější síly, účinně překonávat inherentní vady, jako je nízká pevnost v tahu, snadné praskání a nízká únavová odolnost betonu, a výrazně zlepšit nepropustnost, vodotěsnost, mrazuvzdornost a ochranu výztuže betonu. Vláknobeton, zejména ocelobeton, přitahuje v akademických a inženýrských kruzích v praktickém inženýrství stále větší pozornost díky svým vynikajícím vlastnostem. V roce 1907 začal sovětský odborník B. П. Hekpocab používat kovobeton; v roce 1910 publikoval H. F. Porter výzkumnou zprávu o krátkých vláknobetonu, v níž navrhl, aby krátká ocelová vlákna byla v betonu rovnoměrně rozptýlena pro zpevnění matricových materiálů; V roce 1911 přidal Graham ze Spojených států ocelová vlákna do běžného betonu, aby zlepšil pevnost a stabilitu betonu. Do 40. let 20. století provedly Spojené státy, Británie, Francie, Německo, Japonsko a další země rozsáhlý výzkum v oblasti použití ocelových vláken ke zlepšení odolnosti betonu proti opotřebení a trhlinám, technologie výroby ocelových vláknobetonů a zlepšování tvaru ocelových vláken pro zlepšení pevnosti vazby mezi vlákny a betonovou matricí. V roce 1963 publikovali JP Romualdi a GB Batson článek o mechanismu vývoje trhlin v betonu s ocelovými vlákny a dospěli k závěru, že pevnost v trhlinách v betonu s ocelovými vlákny je určena průměrnou roztečí ocelových vláken, která hraje účinnou roli v tahovém napětí (teorie rozteče vláken), čímž zahájili praktickou fázi vývoje tohoto nového kompozitního materiálu. Doposud, s popularizací a aplikací ocelových vláknobetonů, v důsledku rozdílného rozložení vláken v betonu existují hlavně čtyři typy: ocelové vláknobetony, hybridní vláknobetony, vrstvené ocelové vláknobetony a vrstvené hybridní vláknobetony.

 

二.Mechanismus zpevňování betonu vyztuženého ocelovými vlákny

 

1. Teorie mechaniky kompozitů. Teorie mechaniky kompozitů je založena na teorii kompozitů s kontinuálními vlákny a je kombinována s charakteristikami rozložení ocelových vláken v betonu. V této teorii jsou kompozity považovány za dvoufázové kompozity, kde jednou fází je vlákno a druhou fází matrice.

 

Teorie rozteče vláken. Teorie rozteče vláken, známá také jako teorie odolnosti proti trhlinám, je navržena na základě lineárně elastické lomové mechaniky. Tato teorie tvrdí, že výztužný účinek vláken souvisí pouze s rovnoměrně rozloženou roztečí vláken (minimální roztečí).

 

三.Analýza stavu vývoje betonu vyztuženého ocelovými vlákny

 

1.Ocelovými vlákny vyztužený beton.Ocelově vláknobeton je druh relativně rovnoměrného a vícesměrného železobetonu, který se vytváří přidáním malého množství nízkouhlíkové oceli, nerezové oceli a FRP vláken do běžného betonu. Množství ocelových vláken v míse je obvykle 1 % ~ 2 % objemových, přičemž na každý krychlový metr betonu se přimíchává 70 ~ 100 kg ocelových vláken. Délka ocelových vláken by měla být 25 ~ 60 mm, průměr by měl být 0,25 ~ 1,25 mm a nejlepší poměr délky k průměru by měl být 50 ~ 700. Ve srovnání s běžným betonem může nejen zlepšit odolnost proti tahu, smyku, ohybu, opotřebení a trhlinám, ale také výrazně zvýšit lomovou houževnatost a odolnost proti nárazu betonu a výrazně zlepšit odolnost proti únavě a trvanlivost konstrukce, zejména houževnatost lze zvýšit 10 ~ 20krát. V Číně byly porovnány mechanické vlastnosti ocelově vláknobetonu a běžného betonu. Pokud je obsah ocelových vláken 15 % ~ 20 % a poměr voda-cement 0,45, pevnost v tahu se zvýší o 50 % ~ 70 %, pevnost v ohybu se zvýší o 120 % ~ 180 %, rázová houževnatost se zvýší 10 % ~ 20krát, únavová pevnost v ohybu se zvýší 15 % ~ 20krát, ohybová houževnatost se zvýší 14 % ~ 20krát a výrazně se zlepší i odolnost proti opotřebení. Proto má ocelově vyztužený beton lepší fyzikální a mechanické vlastnosti než prostý beton.

2. Hybridní vláknobeton. Relevantní výzkumné údaje ukazují, že ocelová vlákna významně nezvyšují pevnost betonu v tlaku, ba ani ji nesnižují. Ve srovnání s prostým betonem existují pozitivní a negativní (zvýšení a snížení) nebo dokonce přechodné názory na nepropustnost, odolnost proti opotřebení, odolnost proti nárazu a opotřebení betonu vyztuženého ocelovými vlákny a prevenci předčasného plastického smršťování betonu. Kromě toho má beton vyztužený ocelovými vlákny určité problémy, jako je vysoké dávkování, vysoká cena, rez a téměř žádná odolnost proti roztržení způsobenému ohněm, což v různé míře ovlivňuje jeho použití. V posledních letech se někteří domácí i zahraniční vědci začali zabývat hybridním vláknobetonem (HFRC) a snaží se kombinovat vlákna s různými vlastnostmi a výhodami, učit se od sebe navzájem a využívat „pozitivní hybridní efekt“ na různých úrovních a stupních zatížení, aby se zlepšily různé vlastnosti betonu a splnily se tak potřeby různých projektů. Avšak s ohledem na jeho různé mechanické vlastnosti, zejména únavovou deformaci a únavové poškození, zákon vývoje deformace a charakteristiky poškození při statickém a dynamickém zatížení a cyklickém zatížení s konstantní nebo proměnnou amplitudou, optimální množství míchání a poměr vlákna míchání, vztah mezi složkami kompozitních materiálů, zpevňující účinek a mechanismus zpevňování, odolnost proti únavě, mechanismus porušení a konstrukční technologii, je třeba dále studovat problémy návrhu poměru míchání.

3. Vrstvený ocelově vláknobeton.Monolitický vláknobeton se obtížně mísí rovnoměrně, vlákna se snadno aglomerují, množství vláken je velké a náklady jsou relativně vysoké, což ovlivňuje jeho široké použití. Díky velkému množství inženýrských praxí a teoretického výzkumu byl navržen nový typ ocelové vláknité struktury, vrstvený ocelobeton (LSFRC). Malé množství ocelových vláken je rovnoměrně rozloženo na horním a dolním povrchu vozovky a střed je stále hladká betonová vrstva. Ocelová vlákna v LSFRC se obvykle rozkládají ručně nebo mechanicky. Ocelová vlákna jsou dlouhá a poměr délky a průměru je obecně mezi 70 ~ 120, což ukazuje dvourozměrné rozložení. Bez ovlivnění mechanických vlastností tento materiál nejen výrazně snižuje množství ocelových vláken, ale také zabraňuje jevu aglomerace vláken při míchání integrálního vláknobetonu. Kromě toho má umístění ocelových vláken v betonu velký vliv na pevnost betonu v ohybu. Výztužný účinek ocelových vláken ve spodní části betonu je nejlepší. S rostoucí polohou ocelových vláken se výztužný účinek výrazně snižuje. Pevnost v ohybu vláknobetonu s integrovanými drátky je o více než 35 % vyšší než u prostého betonu se stejným poměrem směsi, což je o něco méně než u integrovaného vláknobetonu. LSFRC však může ušetřit mnoho nákladů na materiál a neexistuje problém s obtížným mícháním. LSFRC je proto nový materiál s dobrými sociálními a ekonomickými výhodami a širokými možnostmi uplatnění, který si zaslouží popularizaci a použití ve stavbě vozovek.

 

4.Vrstvený hybridní vláknobeton.Vrstvený hybridní vláknobeton (LHFRC) je kompozitní materiál vytvořený přidáním 0,1 % polypropylenových vláken na bázi LSFRC a rovnoměrným rozložením velkého množství jemných a krátkých polypropylenových vláken s vysokou pevností v tahu a vysokým konečným prodloužením v horní a dolní vrstvě ocelobetonu a v prostém betonu ve střední vrstvě. Dokáže překonat slabost mezivrstvy prostého betonu LSFRC a zabránit potenciálním bezpečnostním rizikům po opotřebení povrchových ocelových vláken. LHFRC může výrazně zvýšit pevnost betonu v ohybu. Ve srovnání s prostým betonem je jeho pevnost v ohybu prostého betonu zvýšena přibližně o 20 % a ve srovnání s LSFRC je jeho pevnost v ohybu zvýšena o 2,6 %, ale má malý vliv na modul pružnosti betonu v ohybu. Modul pružnosti v ohybu LHFRC je o 1,3 % vyšší než u prostého betonu a o 0,3 % nižší než u LSFRC. LHFRC může také výrazně zvýšit ohybovou houževnatost betonu a jeho index ohybové houževnatosti je přibližně 8krát vyšší než u prostého betonu a 1,3krát vyšší než u LSFRC. Navíc díky odlišnému výkonu dvou nebo více vláken v LHFRC v betonu lze v závislosti na technických potřebách využít pozitivní hybridní efekt syntetických a ocelových vláken v betonu k výraznému zlepšení tažnosti, trvanlivosti, houževnatosti, pevnosti v tahu, pevnosti v ohybu a pevnosti v tahu materiálu, ke zlepšení kvality materiálu a prodloužení životnosti materiálu.

——Abstrakt (architektura Shanxi, sv. 38, č. 11, Chen Huiqing)