Teraskiuga raudbetoon (SFRC) on uut tüüpi komposiitmaterjal, mida saab valada ja pihustada, lisades tavalisse betooni sobiva koguse lühikesi teraskiude. Viimastel aastatel on see kiiresti arenenud nii kodu- kui ka välismaal. See ületab betooni madala tõmbetugevuse, väikese piirvenivuse ja hapruse puudused. Sellel on suurepärased omadused, nagu tõmbetugevus, paindekindlus, nihkekindlus, pragunemiskindlus, väsimuskindlus ja kõrge sitkus. Seda on kasutatud hüdrotehnikas, teede- ja sildades, ehituses ja muudes insenerivaldkondades.
1. Teraskiust raudbetooni arendamine
Kiudbetoon (FRC) on lühend sõnadest fiibertugevdatud betoon. See on tavaliselt tsemendipõhine komposiit, mis koosneb tsemendipastast, mördist või betoonist ning metallkiust, anorgaanilisest kiust või orgaanilisest kiust tugevdatud materjalidest. See on uus ehitusmaterjal, mis on moodustatud lühikeste ja peente, suure tõmbetugevuse, suure piirvenivuse ja kõrge leeliskindlusega kiudude ühtlase hajutamise teel betoonmaatriksis. Betoonis sisalduv kiud võib piirata betooni varajaste pragude teket ja pragude edasist laienemist välise jõu mõjul, tõhusalt ületada betooni loomupäraseid defekte, nagu madal tõmbetugevus, kerge pragunemine ja halb väsimuskindlus, ning parandada oluliselt betooni läbitungimatust, veekindlust, külmakindlust ja armatuuri kaitset. Kiudbetoon, eriti teraskiudtugevdatud betoon, on oma suurepäraste omaduste tõttu pälvinud akadeemilistes ja inseneriringkondades üha enam tähelepanu praktilises inseneriteaduses. 1907. aastal hakkas Nõukogude ekspert B. P. Hekpocab kasutama metallkiudtugevdatud betooni; 1910. aastal avaldas H. F. Porter uurimistöö lühikese kiudtugevdatud betooni kohta, milles soovitati, et lühikesed teraskiud tuleks betoonis ühtlaselt hajutada, et tugevdada maatriksimaterjale; 1911. aastal lisas Ameerika Ühendriikide Graham tavalisse betooni teraskiudu, et parandada betooni tugevust ja stabiilsust; 1940. aastateks olid Ameerika Ühendriigid, Suurbritannia, Prantsusmaa, Saksamaa, Jaapan ja teised riigid teinud palju uuringuid teraskiu kasutamise kohta betooni kulumiskindluse ja pragunemiskindluse parandamiseks, teraskiudbetooni tootmistehnoloogia kohta ning teraskiu kuju parandamise kohta, et parandada kiudude ja betoonmaatriksi vahelist nakketugevust; 1963. aastal avaldasid J. P. Romualdi ja G. B. Batson artikli teraskiudbetoonist pragude tekkemehhanismi kohta ning jõudsid järeldusele, et teraskiudbetoonist pragude tugevust määrab teraskiudude keskmine vahekaugus, millel on oluline roll tõmbepinges (kiudude vahekauguse teooria), alustades seega selle uue komposiitmaterjali praktilist arendusetappi. Praeguseks on teraskiudbetoonist kiudude erineva jaotuse tõttu betoonis peamiselt nelja tüüpi: teraskiudbetoon, hübriidkiudbetoon, kihiline teraskiudbetoon ja kihiline hübriidkiudbetoon.
2. Teraskiuga raudbetooni tugevdusmehhanism
(1) Komposiitmehaanika teooria. Komposiitmehaanika teooria põhineb pidevate kiudkomposiitide teoorial ja see on kombineeritud teraskiudude jaotusomadustega betoonis. Selles teoorias käsitletakse komposiite kahefaasiliste komposiitidena, kus üks faas on kiud ja teine faas maatriks.
(2) Kiudude vahekauguse teooria. Kiudude vahekauguse teooria, tuntud ka kui pragude vastupidavuse teooria, põhineb lineaarsel elastsel purunemismehaanikal. See teooria väidab, et kiudude tugevdav efekt on seotud ainult ühtlaselt jaotatud kiudude vahekaugusega (minimaalne vahekaugus).
3. Teraskiuga raudbetooni arendusstaatuse analüüs
1. Teraskiuga raudbetoon. Teraskiuga raudbetoon on suhteliselt ühtlane ja mitmesuunaline raudbetoon, mis moodustatakse väikese koguse madala süsinikusisaldusega terase, roostevaba terase ja FRP-kiudude lisamisel tavalisse betooni. Teraskiuga raudbetoon on tavaliselt 1–2 mahuprotsenti ja iga betoonikuupmeetri kohta segatakse 70–100 kg teraskiudu. Teraskiuga raudbetoon peaks olema 25–60 mm, läbimõõt 0,25–1,25 mm ning optimaalne pikkuse ja läbimõõdu suhe 50–700. Võrreldes tavalise betooniga ei paranda see mitte ainult tõmbe-, nihke-, painde-, kulumis- ja pragunemiskindlust, vaid suurendab oluliselt ka betooni purunemiskindlust ja löögikindlust ning parandab oluliselt konstruktsiooni väsimuskindlust ja vastupidavust, eriti sitkust saab suurendada 10–20 korda. Hiinas on võrreldud teraskiuga raudbetoonbetooni ja tavalise betooni mehaanilisi omadusi. Kui teraskiudude sisaldus on 15–20% ja vee-tsemendi suhe on 0,45, suureneb tõmbetugevus 50–70%, paindetugevus 120–180%, löögitugevus 10–20 korda, löögiväsimustugevus 15–20 korda, paindetugevus 14–20 korda ja kulumiskindlus paraneb oluliselt. Seetõttu on teraskiudbetoonil paremad füüsikalised ja mehaanilised omadused kui tavalisel betoonil.
4. Hübriidkiudbetoon
Asjakohased uurimisandmed näitavad, et teraskiud ei suurenda oluliselt betooni survetugevust ega isegi vähenda seda; võrreldes tavalise betooniga on teraskiudbetooni läbitungimatuse, kulumiskindluse, löögi- ja kulumiskindluse ning betooni varajase plastse kokkutõmbumise ennetamise osas positiivseid, negatiivseid (suurenemine ja vähenemine) või isegi vahepealseid seisukohti. Lisaks on teraskiudbetoonil mõningaid probleeme, nagu suur doseerimine, kõrge hind, roostetamine ja peaaegu puudub vastupidavus tulekahjust tingitud purunemisele, mis on selle kasutamist erineval määral mõjutanud. Viimastel aastatel on mõned kodu- ja välismaised teadlased hakanud tähelepanu pöörama hübriidkiudbetoonile (HFRC), püüdes segada erinevate omaduste ja eelistega kiude, õppida üksteiselt ja rakendada "positiivset hübriidefekti" erinevatel tasanditel ja koormusastmetel, et parandada betooni erinevaid omadusi ja rahuldada erinevate projektide vajadusi. Siiski tuleb segu proportsioonide kujundamise probleeme edasi uurida, arvestades selle erinevaid mehaanilisi omadusi, eriti väsimusdeformatsiooni ja väsimuskahjustusi, deformatsiooni arengu seaduspärasusi ja kahjustusomadusi staatiliste ja dünaamiliste koormuste ning konstantse amplituudiga või muutuva amplituudiga tsükliliste koormuste korral, optimaalset segamiskogust ja segamisproportsiooni, komposiitmaterjalide komponentide vahelist seost, tugevdavat efekti ja tugevdamismehhanismi, väsimusvastast toimet, rikkemehhanismi ja ehitustehnoloogiat.
5. Kihiline teraskiudbetoon
Monoliitset kiudtugevdatud betooni ei ole kerge ühtlaselt segada, kiud pakseneb kergesti, kiudainete hulk on suur ja hind suhteliselt kõrge, mis mõjutab selle laialdast kasutamist. Tänu suurele hulgale inseneripraktikale ja teoreetilistele uuringutele on pakutud välja uut tüüpi teraskiudstruktuur, kihiline teraskiudtugevdatud betoon (LSFRC). Väike kogus teraskiudu jaotatakse ühtlaselt teekatte ülemisele ja alumisele pinnale ning keskmine on endiselt tavaline betoonkiht. LSFRC teraskiud jaotatakse tavaliselt käsitsi või mehaaniliselt. Teraskiud on pikk ja pikkuse ja läbimõõdu suhe on üldiselt vahemikus 70–120, mis näitab kahemõõtmelist jaotust. Ilma mehaanilisi omadusi mõjutamata vähendab see materjal mitte ainult oluliselt teraskiu hulka, vaid väldib ka kiudude aglomeratsiooni nähtust integreeritud kiudtugevdatud betooni segamisel. Lisaks on teraskiudkihi asukohal betoonis suur mõju betooni paindetugevusele. Teraskiudkihi tugevdusefekt betooni alumises osas on parim. Teraskiudkihi asukoha ülespoole liikudes väheneb tugevdusefekt märkimisväärselt. LSFRC paindetugevus on üle 35% suurem kui sama seguproportsiooniga tavalisel betoonil, mis on veidi madalam kui integreeritud teraskiudtugevdatud betoonil. Siiski võimaldab LSFRC oluliselt kokku hoida materjalikulusid ja segamine pole keeruline. Seega on LSFRC uus materjal, millel on head sotsiaalsed ja majanduslikud eelised ning laialdased rakendusvõimalused, mis väärib populaarsust ja kasutamist teekatteehituses.
6. Kihiline hübriidkiudbetoon
Kihiline hübriidkiudtugevdatud betoon (LHFRC) on komposiitmaterjal, mis moodustatakse 0,1% polüpropüleenkiu lisamisel LSFRC baasil ja suure hulga peente ja lühikeste polüpropüleenkiude ühtlasel jaotamisel, millel on kõrge tõmbetugevus ja suur piirvenivus, ülemises ja alumises teraskiudbetoonis ning keskmises kihis olevas tavalises betoonis. See suudab ületada LSFRC tavalise betooni vahekihi nõrkuse ja ennetada võimalikke ohutusriske pärast pinnakiu kulumist. LHFRC võib oluliselt suurendada betooni paindetugevust. Võrreldes tavalise betooniga on selle paindetugevus umbes 20% suurem ja võrreldes LSFRC-ga 2,6% suurem, kuid sellel on betooni paindeelastsusmoodulile väike mõju. LHFRC paindeelastsusmoodul on 1,3% kõrgem kui tavalisel betoonil ja 0,3% madalam kui LSFRC-l. LHFRC võib samuti oluliselt suurendada betooni paindetugevust ning selle paindetugevuse indeks on umbes 8 korda suurem kui tavalisel betoonil ja 1,3 korda suurem kui LSFRC-l. Lisaks, kuna kahe või enama LHFRC betoonis sisalduva kiu omadused erinevad, saab sünteetilise ja teraskiu positiivset hübriidefekti betoonis vastavalt insenerivajadustele kasutada materjali venivuse, vastupidavuse, sitkuse, pragunemiskindluse, paindetugevuse ja tõmbetugevuse oluliseks parandamiseks, materjali kvaliteedi parandamiseks ja materjali kasutusea pikendamiseks.
——Abstract (Shanxi arhitektuur, 38. kd, nr 11, Chen Huiqing)
Postituse aeg: 24. august 2022