El formigó reforçat amb fibra d'acer (SFRC) és un nou tipus de material compost que es pot abocar i polvoritzar afegint una quantitat adequada de fibra d'acer curta al formigó ordinari. S'ha desenvolupat ràpidament tant a nivell nacional com internacional en els darrers anys. Supera les deficiències de baixa resistència a la tracció, petita elongació final i propietats fràgils del formigó. Té excel·lents propietats com ara resistència a la tracció, resistència a la flexió, resistència al cisallament, resistència a les esquerdes, resistència a la fatiga i alta tenacitat. S'ha aplicat en enginyeria hidràulica, carreteres i ponts, construcció i altres camps d'enginyeria.
1. Desenvolupament del formigó reforçat amb fibra d'acer
El formigó reforçat amb fibra (FRC) és l'abreviatura de formigó reforçat amb fibra. Normalment és un compost a base de ciment compost per pasta de ciment, morter o formigó i fibra metàl·lica, fibra inorgànica o materials reforçats amb fibra orgànica. És un nou material de construcció format per la dispersió uniforme de fibres curtes i fines amb alta resistència a la tracció, alta elongació final i alta resistència als àlcalis a la matriu del formigó. La fibra en el formigó pot limitar la generació d'esquerdes primerenques en el formigó i l'expansió posterior de les esquerdes sota l'acció de la força externa, superant eficaçment els defectes inherents com la baixa resistència a la tracció, la fàcil esquerdament i la baixa resistència a la fatiga del formigó, i millorant considerablement el rendiment d'impermeabilitat, impermeabilitat, resistència a les gelades i protecció de reforç del formigó. El formigó reforçat amb fibra, especialment el formigó reforçat amb fibra d'acer, ha atret cada cop més atenció en cercles acadèmics i d'enginyeria en enginyeria pràctica a causa del seu rendiment superior. El 1907, l'expert soviètic B. P. Hekpocab va començar a utilitzar formigó reforçat amb fibra metàl·lica; El 1910, HF Porter va publicar un informe de recerca sobre el formigó reforçat amb fibra curta, suggerint que les fibres curtes d'acer s'haurien de dispersar uniformement en el formigó per enfortir els materials de la matriu; El 1911, Graham dels Estats Units va afegir fibra d'acer al formigó ordinari per millorar la resistència i l'estabilitat del formigó; A la dècada de 1940, els Estats Units, Gran Bretanya, França, Alemanya, Japó i altres països havien fet molta recerca sobre l'ús de fibra d'acer per millorar la resistència al desgast i a les esquerdes del formigó, la tecnologia de fabricació del formigó de fibra d'acer i la millora de la forma de la fibra d'acer per millorar la resistència de l'enllaç entre la fibra i la matriu del formigó; El 1963, JP Romualdi i GB Batson van publicar un article sobre el mecanisme de desenvolupament d'esquerdes del formigó confinat amb fibra d'acer i van concloure que la resistència a les esquerdes del formigó reforçat amb fibra d'acer està determinada per l'espaiat mitjà de les fibres d'acer, que juga un paper eficaç en la tensió de tracció (teoria de l'espaiat de les fibres), iniciant així l'etapa de desenvolupament pràctic d'aquest nou material compost. Fins ara, amb la popularització i l'aplicació del formigó reforçat amb fibra d'acer, a causa de la diferent distribució de les fibres en el formigó, hi ha principalment quatre tipus: formigó reforçat amb fibra d'acer, formigó reforçat amb fibra híbrida, formigó reforçat amb fibra d'acer en capes i formigó reforçat amb fibra híbrida en capes.
2. Mecanisme de reforç del formigó reforçat amb fibra d'acer
(1) Teoria de la mecànica dels materials compostos. La teoria de la mecànica dels materials compostos es basa en la teoria dels materials compostos de fibra contínua i es combina amb les característiques de distribució de les fibres d'acer en el formigó. En aquesta teoria, els materials compostos es consideren com a materials compostos de dues fases, amb la fibra com a fase i la matriu com a altra fase.
(2) Teoria de l'espaiat de les fibres. La teoria de l'espaiat de les fibres, també coneguda com a teoria de la resistència a les esquerdes, es proposa basant-se en la mecànica de la fractura elàstica lineal. Aquesta teoria sosté que l'efecte de reforç de les fibres només està relacionat amb l'espaiat de les fibres uniformement distribuït (espaiat mínim).
3. Anàlisi de l'estat de desenvolupament del formigó reforçat amb fibra d'acer
1. Formigó reforçat amb fibra d'acer. El formigó reforçat amb fibra d'acer és un tipus de formigó reforçat relativament uniforme i multidireccional format afegint una petita quantitat d'acer baix en carboni, acer inoxidable i fibres FRP al formigó ordinari. La quantitat de fibra d'acer barrejada és generalment de l'1% al 2% en volum, mentre que es barregen 70 a 100 kg de fibra d'acer en cada metre cúbic de formigó en pes. La longitud de la fibra d'acer ha de ser de 25 a 60 mm, el diàmetre ha de ser de 0,25 a 1,25 mm i la millor relació longitud-diàmetre ha de ser de 50 a 700. En comparació amb el formigó ordinari, no només pot millorar la resistència a la tracció, al cisallament, a la flexió, al desgast i a les esquerdes, sinó que també millora considerablement la tenacitat a la fractura i a l'impacte del formigó, i millora significativament la resistència a la fatiga i la durabilitat de l'estructura, especialment la tenacitat es pot augmentar de 10 a 20 vegades. Les propietats mecàniques del formigó reforçat amb fibra d'acer i el formigó ordinari es comparen a la Xina. Quan el contingut de fibra d'acer és del 15% al 20% i la proporció aigua-ciment és de 0,45, la resistència a la tracció augmenta entre un 50% i un 70%, la resistència a la flexió augmenta entre un 120% i un 180%, la resistència a l'impacte augmenta entre 10 i 20 vegades, la resistència a la fatiga per impacte augmenta entre 15 i 20 vegades, la tenacitat a la flexió augmenta entre 14 i 20 vegades i la resistència al desgast també millora significativament. Per tant, el formigó reforçat amb fibra d'acer té millors propietats físiques i mecàniques que el formigó normal.
4. Formigó híbrid de fibra
Dades de recerca rellevants mostren que la fibra d'acer no promou significativament la resistència a la compressió del formigó, ni tan sols la redueix; en comparació amb el formigó normal, hi ha opinions positives i negatives (augment i disminució) o fins i tot intermèdies sobre la impermeabilitat, la resistència al desgast, l'impacte i la resistència al desgast del formigó reforçat amb fibra d'acer i la prevenció de la contracció plàstica primerenca del formigó. A més, el formigó reforçat amb fibra d'acer té alguns problemes, com ara una dosi elevada, un preu elevat, l'òxid i gairebé cap resistència a l'esclat causat pel foc, cosa que ha afectat la seva aplicació en diversos graus. En els darrers anys, alguns estudiosos nacionals i estrangers han començat a prestar atenció al formigó de fibra híbrida (HFRC), intentant barrejar fibres amb diferents propietats i avantatges, aprendre els uns dels altres i donar joc a l'"efecte híbrid positiu" a diferents nivells i etapes de càrrega per millorar diverses propietats del formigó, per tal de satisfer les necessitats de diferents projectes. Tanmateix, pel que fa a les seves diverses propietats mecàniques, especialment la seva deformació per fatiga i el dany per fatiga, la llei de desenvolupament de la deformació i les característiques de dany sota càrregues estàtiques i dinàmiques i càrregues cícliques d'amplitud constant o d'amplitud variable, la quantitat òptima de mescla i la proporció de mescla de fibra, la relació entre els components dels materials compostos, l'efecte de reforç i el mecanisme de reforç, el rendiment antifatiga, el mecanisme de fallada i la tecnologia de construcció, cal estudiar més a fons els problemes del disseny de la proporció de mescla.
5. Formigó reforçat amb fibra d'acer en capes
El formigó monolític reforçat amb fibra no és fàcil de barrejar uniformement, la fibra és fàcil d'aglomerar, la quantitat de fibra és gran i el cost és relativament alt, cosa que afecta la seva àmplia aplicació. A través d'un gran nombre de pràctiques d'enginyeria i investigacions teòriques, es proposa un nou tipus d'estructura de fibra d'acer, el formigó reforçat amb fibra d'acer en capes (LSFRC). Una petita quantitat de fibra d'acer es distribueix uniformement a les superfícies superior i inferior de la llosa de la carretera, i el mig continua sent una capa de formigó llisa. La fibra d'acer en LSFRC generalment es distribueix manualment o mecànicament. La fibra d'acer és llarga i la relació longitud-diàmetre és generalment entre 70 i 120, mostrant una distribució bidimensional. Sense afectar les propietats mecàniques, aquest material no només redueix considerablement la quantitat de fibra d'acer, sinó que també evita el fenomen de l'aglomeració de fibres en la barreja de formigó reforçat amb fibra integral. A més, la posició de la capa de fibra d'acer al formigó té un gran impacte en la resistència a la flexió del formigó. L'efecte de reforç de la capa de fibra d'acer a la part inferior del formigó és el millor. Amb la posició de la capa de fibra d'acer cap amunt, l'efecte de reforç disminueix significativament. La resistència a la flexió del formigó armat amb fibra d'acer (LSFCR) és més d'un 35% superior a la del formigó pla amb la mateixa proporció de mescla, que és lleugerament inferior a la del formigó integral reforçat amb fibra d'acer. Tanmateix, el LSFRC pot estalviar molt cost de material i no hi ha cap problema de mescla difícil. Per tant, el LSFRC és un material nou amb bons beneficis socials i econòmics i àmplies perspectives d'aplicació, que val la pena popularitzar i aplicar en la construcció de paviments.
6. Formigó híbrid de fibra en capes
El formigó reforçat amb fibra híbrida en capes (LHFRC) és un material compost format afegint un 0,1% de fibra de polipropilè sobre la base de LSFRC i distribuint uniformement un gran nombre de fibres de polipropilè fines i curtes amb alta resistència a la tracció i alta elongació final a la capa superior i inferior de formigó de fibra d'acer i al formigó pla a la capa mitjana. Pot superar la debilitat de la capa intermèdia de formigó pla de LSFRC i prevenir els possibles riscos per a la seguretat després que la fibra d'acer superficial s'hagi desgastat. El LHFRC pot millorar significativament la resistència a la flexió del formigó. En comparació amb el formigó pla, la seva resistència a la flexió augmenta aproximadament un 20%, i en comparació amb el LSFRC, la seva resistència a la flexió augmenta un 2,6%, però té poc efecte sobre el mòdul elàstic a la flexió del formigó. El mòdul elàstic a la flexió del LHFRC és un 1,3% superior al del formigó pla i un 0,3% inferior al del LSFRC. El LHFRC també pot millorar significativament la tenacitat a la flexió del formigó, i el seu índex de tenacitat a la flexió és aproximadament 8 vegades superior al del formigó pla i 1,3 vegades superior al del LSFRC. A més, a causa del diferent rendiment de dues o més fibres en LHFRC en el formigó, segons les necessitats d'enginyeria, l'efecte híbrid positiu de la fibra sintètica i la fibra d'acer en el formigó es pot utilitzar per millorar considerablement la ductilitat, la durabilitat, la tenacitat, la resistència a les esquerdes, la resistència a la flexió i la resistència a la tracció del material, millorar la qualitat del material i allargar la vida útil del material.
——Abstract (arquitectura de Shanxi, vol. 38, núm. 11, Chen Huiqing)
Data de publicació: 24 d'agost de 2022