Staalvezelversterkt beton (SFRC) is een nieuw type composietmateriaal dat gegoten en gespoten kan worden door een geschikte hoeveelheid korte staalvezels aan gewoon beton toe te voegen. Het heeft zich de afgelopen jaren zowel in binnen- als buitenland snel ontwikkeld. Het overwint de nadelen van beton, zoals een lage treksterkte, geringe rek en brosheid. Het heeft uitstekende eigenschappen zoals treksterkte, buigweerstand, schuifweerstand, scheurweerstand, vermoeiingsweerstand en hoge taaiheid. Het wordt toegepast in de waterbouw, wegenbouw, bruggenbouw, constructie en andere technische sectoren.

 

一．Ontwikkeling van staalvezelversterkt beton

 

Vezelversterkt beton (FRC) is de afkorting van vezelversterkt beton. Het is meestal een cementgebonden composiet, samengesteld uit cementpasta, mortel of beton en metaalvezels, anorganische vezels of organische vezels als versterkingsmateriaal. Het is een nieuw bouwmateriaal dat wordt gevormd door het gelijkmatig verspreiden van korte en fijne vezels met een hoge treksterkte, hoge rek en hoge alkalibestendigheid in de betonmatrix. Vezels in beton kunnen de vorming van vroege scheuren in beton en de verdere uitbreiding van scheuren onder invloed van externe krachten beperken, waardoor inherente gebreken zoals een lage treksterkte, scheurvorming en slechte vermoeiingsweerstand van beton effectief worden overwonnen, en de prestaties op het gebied van ondoordringbaarheid, waterdichtheid, vorstbestendigheid en wapeningsbescherming van beton aanzienlijk worden verbeterd. Vezelversterkt beton, met name staalvezelversterkt beton, heeft vanwege zijn superieure prestaties steeds meer aandacht gekregen in academische en technische kringen en in de praktijk. In 1907 begon de Sovjet-expert B.P. Hekpocab met het gebruik van metaalvezelversterkt beton; In 1910 publiceerde HF Porter een onderzoeksrapport over kortvezelversterkt beton, waarin hij suggereerde dat korte staalvezels gelijkmatig in beton verdeeld moesten worden om de matrixmaterialen te versterken. In 1911 voegde Graham uit de Verenigde Staten staalvezels toe aan gewoon beton om de sterkte en stabiliteit ervan te verbeteren. Tegen de jaren veertig hadden de Verenigde Staten, Groot-Brittannië, Frankrijk, Duitsland, Japan en andere landen veel onderzoek gedaan naar het gebruik van staalvezels om de slijtvastheid en scheurweerstand van beton te verbeteren, de productietechnologie van staalvezelbeton en het optimaliseren van de vorm van de staalvezels om de hechtsterkte tussen vezel en betonmatrix te verbeteren. In 1963 publiceerden J.P. Romualdi en G.B. Batson een artikel over het scheurvormingsmechanisme van staalvezelversterkt beton. Zij concludeerden dat de scheursterkte van staalvezelversterkt beton wordt bepaald door de gemiddelde afstand tussen de staalvezels, die een belangrijke rol speelt bij de trekspanning (vezelafstandstheorie). Hiermee begon de praktische ontwikkeling van dit nieuwe composietmateriaal. Tot nu toe zijn er, door de popularisering en toepassing van staalvezelversterkt beton en de verschillende verdeling van de vezels in het beton, hoofdzakelijk vier typen: staalvezelversterkt beton, hybride vezelversterkt beton, gelaagd staalvezelversterkt beton en gelaagd hybride vezelversterkt beton.

 

二.Versterkingsmechanisme van staalvezelversterkt beton

 

1. Theorie van composietmechanica. De theorie van composietmechanica is gebaseerd op de theorie van composieten met doorlopende vezels en gecombineerd met de verdelingseigenschappen van staalvezels in beton. In deze theorie worden composieten beschouwd als tweefasige composieten, waarbij de vezels de ene fase vormen en de matrix de andere.

 

Vezelafstandstheorie. De vezelafstandstheorie, ook wel scheurweerstandstheorie genoemd, is gebaseerd op lineaire elastische breukmechanica. Deze theorie stelt dat het versterkende effect van vezels alleen afhankelijk is van de gelijkmatig verdeelde vezelafstand (minimale afstand).

 

三．Analyse van de ontwikkelingsstatus van staalvezelversterkt beton

 

1.Staalvezelversterkt beton.Staalvezelversterkt beton is een relatief uniform en multidirectioneel gewapend beton dat wordt gevormd door een kleine hoeveelheid koolstofarm staal, roestvrij staal en FRP-vezels toe te voegen aan gewoon beton. De hoeveelheid staalvezels bedraagt ​​doorgaans 1% tot 2% van het volume, waarbij 70 tot 100 kg staalvezels per kubieke meter beton wordt toegevoegd. De lengte van de staalvezels moet 25 tot 60 mm zijn, de diameter 0,25 tot 1,25 mm, en de optimale verhouding tussen lengte en diameter ligt tussen 50 en 700. In vergelijking met gewoon beton verbetert staalvezelversterkt beton niet alleen de trek-, schuif-, buig-, slijtage- en scheurweerstand, maar verhoogt het ook de breuktaaiheid en slagvastheid van het beton aanzienlijk, en verbetert het de vermoeiingsweerstand en duurzaamheid van de constructie, met name de taaiheid kan 10 tot 20 keer zo groot worden. De mechanische eigenschappen van staalvezelversterkt beton en gewoon beton worden in China vergeleken. Bij een staalvezelgehalte van 15% tot 20% en een water-cementverhouding van 0,45 neemt de treksterkte met 50% tot 70% toe, de buigsterkte met 120% tot 180%, de slagvastheid met een factor 10 tot 20, de slagvermoeidheidssterkte met een factor 15 tot 20, de buigtaaiheid met een factor 14 tot 20, en de slijtvastheid verbetert aanzienlijk. Daarom heeft staalvezelversterkt beton betere fysische en mechanische eigenschappen dan gewoon beton.

2. Hybride vezelbeton. Relevante onderzoeksgegevens tonen aan dat staalvezels de druksterkte van beton niet significant verhogen, of deze zelfs verlagen. Vergeleken met gewoon beton zijn er zowel positieve als negatieve (toename en afname) of zelfs tussenliggende effecten op de waterdichtheid, slijtvastheid, slagvastheid en het voorkomen van vroege plastische krimp van staalvezelversterkt beton. Bovendien kent staalvezelversterkt beton enkele problemen, zoals een hoge dosering, een hoge prijs, roestvorming en een vrijwel gebrek aan brandwerendheid, wat de toepassing ervan in wisselende mate beïnvloedt. De laatste jaren zijn sommige binnenlandse en buitenlandse wetenschappers zich gaan richten op hybride vezelbeton (HFRC). Zij proberen vezels met verschillende eigenschappen en voordelen te combineren, van elkaar te leren en het "positieve hybride effect" op verschillende niveaus en in verschillende belastingsfasen te benutten om diverse eigenschappen van beton te verbeteren en zo te voldoen aan de eisen van verschillende projecten. Echter, met betrekking tot de diverse mechanische eigenschappen, met name de vermoeiingsvervorming en -schade, de wetmatigheid van de vervormingsontwikkeling en de schadekenmerken onder statische en dynamische belastingen en cyclische belastingen met constante of variabele amplitude, de optimale menghoeveelheid en mengverhouding van vezels, de relatie tussen de componenten van composietmaterialen, het versterkende effect en het versterkingsmechanisme, de weerstand tegen vermoeiing, het faalmechanisme en de constructietechnologie, moeten de problemen met betrekking tot het ontwerp van de mengverhouding verder worden onderzocht.

3. Gelaagd staalvezelversterkt beton.Monolithisch vezelversterkt beton is lastig gelijkmatig te mengen, de vezels klonteren gemakkelijk samen, de hoeveelheid vezels is groot en de kosten zijn relatief hoog, wat de brede toepassing ervan beperkt. Na uitgebreid praktijkonderzoek en theoretisch onderzoek is een nieuw type staalvezelstructuur ontwikkeld: gelaagd staalvezelversterkt beton (LSFRC). Bij LSFRC wordt een kleine hoeveelheid staalvezels gelijkmatig verdeeld over de boven- en onderkant van de betonplaat, terwijl de middelste laag een vlakke betonlaag vormt. De staalvezels in LSFRC worden doorgaans handmatig of machinaal aangebracht. De staalvezels zijn lang en de lengte-diameterverhouding ligt meestal tussen de 70 en 120, wat resulteert in een tweedimensionale verdeling. Dit materiaal vermindert niet alleen de hoeveelheid staalvezels aanzienlijk, maar voorkomt ook het samenklonteren van vezels tijdens het mengen van integraal vezelversterkt beton, zonder de mechanische eigenschappen te beïnvloeden. Bovendien heeft de positie van de staalvezellaag in het beton een grote invloed op de buigsterkte. Het versterkende effect van de staalvezellaag aan de onderkant van het beton is het beste. Naarmate de staalvezellaag hoger komt te liggen, neemt het versterkende effect aanzienlijk af. De buigsterkte van LSFRC is meer dan 35% hoger dan die van gewoon beton met dezelfde mengverhouding, maar iets lager dan die van integraal staalvezelversterkt beton. LSFRC biedt echter aanzienlijke materiaalkostenbesparingen en kent geen problemen met het mengen. Daarom is LSFRC een nieuw materiaal met goede maatschappelijke en economische voordelen en brede toepassingsmogelijkheden, dat het verdient om te worden gepopulariseerd en toegepast in de wegenbouw.

 

4.Gelaagd hybride vezelbeton.Gelaagd hybride vezelversterkt beton (LHFRC) is een composietmateriaal dat wordt gevormd door 0,1% polypropyleenvezels toe te voegen aan LSFRC en een groot aantal fijne en korte polypropyleenvezels met een hoge treksterkte en hoge uiteindelijke rek gelijkmatig te verdelen in de bovenste en onderste staalvezelbetonlaag en het gewone beton in de middelste laag. Het kan de zwakte van de LSFRC-tussenlaag van gewoon beton compenseren en potentiële veiligheidsrisico's voorkomen die kunnen ontstaan ​​wanneer de staalvezels aan de oppervlakte zijn versleten. LHFRC kan de buigsterkte van beton aanzienlijk verbeteren. Vergeleken met gewoon beton neemt de buigsterkte met ongeveer 20% toe, en vergeleken met LSFRC met 2,6%. Het heeft echter weinig effect op de buigelasticiteitsmodulus van beton. De buigelasticiteitsmodulus van LHFRC is 1,3% hoger dan die van gewoon beton en 0,3% lager dan die van LSFRC. LHFRC kan ook de buigsterkte van beton aanzienlijk verbeteren. De buigsterkte-index is ongeveer 8 keer zo hoog als die van gewoon beton en 1,3 keer zo hoog als die van LSFRC. Bovendien kan, dankzij de verschillende eigenschappen van twee of meer vezels in LHFRC in beton, afhankelijk van de technische behoeften het positieve hybride effect van synthetische vezels en staalvezels in beton worden benut om de ductiliteit, duurzaamheid, taaiheid, scheursterkte, buigsterkte en treksterkte van het materiaal aanzienlijk te verbeteren, de materiaalkwaliteit te verhogen en de levensduur van het materiaal te verlengen.

—Samenvatting (Shanxi-architectuur, deel 38, nr. 11, Chen Huiqing)