Betonul-armat cu fibre (FRC) se referă la un material compozit pe-ciment compus din pastă de ciment, mortar sau beton ca matrice și fibre ca armătură. Betonul armat cu fibre-, cunoscut și sub denumirea de beton cu fibre, se referă de obicei la un material compozit pe bază de-ciment compus din pastă de ciment, mortar sau beton ca matrice și fibre scurte discontinue sau fibre lungi continue ca armătură. Fibrele pot controla dezvoltarea ulterioară a fisurilor în betonul matricei, îmbunătățind astfel rezistența la fisuri. Rezistența ridicată la tracțiune și alungirea fibrelor sporesc rezistența la tracțiune, la încovoiere și la impact, alungirea și duritatea betonului. Principalele tipuri de beton cu fibre includ azbociment, beton cu fibre de oțel, beton cu fibre de sticlă, beton cu fibre de polipropilenă, beton cu fibre de carbon, beton cu fibre vegetale și beton cu fibre sintetice cu modul elastic înalt. Este un termen general pentru materialele compozite compuse din fibre și materiale pe bază de ciment-(pastă de ciment, mortar sau beton). Principalele dezavantaje ale pastei de ciment, mortarului și betonului sunt rezistența scăzută la tracțiune, alungirea finală scăzută și fragilitatea. Aceste dezavantaje pot fi depășite prin adăugarea de fibre cu rezistență ridicată la tracțiune, alungire finală mare și rezistență bună la alcali.
Rolul fibrelor în beton:
Betonul obișnuit este un material fragil, care adăpostește deja numeroase microfisuri înainte de încărcare. Sub forțele externe crescânde, aceste microfisuri se extind treptat și în cele din urmă formează macrofisuri, ducând la defectarea materialului. Adăugarea unei cantități adecvate de fibre previne și inhibă dezvoltarea microfisurilor, îmbunătățind semnificativ rezistențele la tracțiune și la încovoiere, precum și energia de rupere, a materialului compozit în comparație cu matricea de ciment nearmat. Diverse tipuri de fibre îmbunătățesc impermeabilitatea betonului, rezistența la îngheț-dezgheț, rezistența la penetrarea ionilor de clorură și rezistența la carbonatare în diferite grade. Betonul armat cu fibre-folosește în principal fibre scurte cu un anumit raport de aspect (raportul dintre lungimea fibrei și diametrul). Cu toate acestea, sunt uneori folosite fibre lungi (cum ar fi fibre de sticlă și peliculă cu fibre de polipropilenă) sau produse din fibre (cum ar fi plasă din fibră de sticlă și covoraș din fibră de sticlă). Rezistența maximă la tracțiune poate fi crescută cu 30-50%. Funcția principală a fibrelor din betonul-fibră este de a limita creșterea fisurilor în matricea de ciment sub forțele externe. În stadiul inițial de încărcare (tensionare și îndoire), când ingredientele sunt adecvate și se adaugă un agent de reducere a apei-de înaltă eficiență-adecvat, baza de ciment și fibrele suportă împreună forța externă, prima fiind purtătoarea principală a forței externe; atunci când baza crapă, fibrele peste fisuri devin principalii purtători ai forței externe. Să presupunem că conținutul de volum al fibrei depășește o anumită valoare critică. În acest caz, întregul material compozit poate continua să reziste la sarcini mai mari și să producă deformații mai mari până când fibrele sunt rupte sau scoase din materialul de bază, distrugând materialul compozit. În comparație cu betonul obișnuit, betonul armat cu fibre are o rezistență maximă la tracțiune și la încovoiere mai mare, în special o îmbunătățire a tenacității.
Clasificări comune ale fibrelor
Fibrele pot fi clasificate în funcție de proprietățile lor materiale:
① Fibre metalice, cum ar fi fibrele de oțel (beton armat cu fibre de oțel) și fibrele de oțel inoxidabil (potrivite pentru betonul-rezistent la căldură).
② Fibre anorganice, în primul rând fibre minerale naturale (crisotil, crocidolit, amosit etc.) și fibre minerale-de om (fibre de sticlă rezistente-alcaline, fibre de carbon, cum ar fi vata minerală rezistentă-alcaline).
③ Fibre organice, în principal fibre sintetice (polietilenă, alcool polivinilic, nailon, poliimidă aromatică etc.) și fibre vegetale (sisal, agave etc.). Betonul armat cu fibre sintetice nu trebuie utilizat în medii cu temperaturi mai mari de 60 de grade.
Pe baza modulului lor de elasticitate, fibrele pot fi împărțite în două mari categorii:
Fibrele cu un modul elastic mai mic decât cel al matricei de ciment sunt denumite fibre flexibile, inclusiv fibre de polipropilenă, fibre de nailon și fibre de celuloză.
Fibrele cu un modul elastic mai mare decât cel al matricei sunt numite fibre rigide, cum ar fi fibrele de oțel, fibrele de sticlă și fibrele de carbon.
Fibre comune de beton și caracteristicile lor
Fibră de oțel
Betonul formulat prin încorporarea unei cantități adecvate de fibre de oțel în betonul obișnuit se numește beton cu fibre de oțel sau beton armat cu fibre de oțel. În comparație cu betonul obișnuit, rezistența la tracțiune, rezistența la încovoiere, rezistența la uzură, rezistența la impact, rezistența la oboseală, duritatea, rezistența la fisurare și rezistența la explozie sunt îmbunătățite semnificativ. Fibrele de tip-sârmă de oțel de înaltă rezistență tăiate-cârlig-de tip cârlig-, fibre de tip cârlig-frezate în lingouri-capăt-, fibre cu formă specială-forfecate și fibrele de oțel-scăzut aliat topite{-desfășurate, datorită proiectelor de lipire mai largi, câștigă în proiectul de lipire mai extins. matrice, prevenind în mod semnificativ fisurile, întărirea și întărirea betonului.
Avantaje și dezavantaje
Avantajul tehnic al fibrei de oțel este capacitatea sa de a crește duritatea și rezistența la tracțiune a betonului. Cu toate acestea, fibrele de oțel tind să se aglomereze în timpul amestecării, rezultând o lucrabilitate slabă, pompare dificilă, construcție dificilă și susceptibilitate la rugină. În plus, betonul din fibre de oțel este greu și necesită o producție semnificativă de oțel, crescând consumul și costurile de oțel. Principala formă de defectare a fibrei de oțel în timpul utilizării este scoasă mai degrabă decât spartă, ceea ce indică faptul că aderența fibrelor de oțel la beton este insuficientă, ceea ce va afecta îmbunătățirea rezistenței la tracțiune a betonului. Principiul întăririi și întăririi este că atunci când apar fisuri, modulul ridicat al oțelului și rezistența mare la tracțiune a unei singure fibre împiedică dezvoltarea în continuare a fisurilor; totuși, din cauza numărului limitat, efectul de reținere a microfisurilor nu este semnificativ, iar îmbunătățirea proprietăților anti-infiltrații, îngheț-dezgheț și alte proprietăți nu este evidentă. În plus, densitatea fibrelor de oțel este prea mare în timpul construcției și adesea se scufundă pe fundul betonului în timpul vibrațiilor și turnării, ceea ce face imposibilă distribuirea lor uniformă. Acesta este motivul principal pentru care concluziile teoretice ale cercetării sunt bune, dar efectele efective ale aplicării variază foarte mult.
Fibră de carbon
Fibră de carboneste un material compozit în care fibrele de carbon sunt dispersate uniform într-o matrice de ciment pentru a îmbunătăți proprietățile fizice și mecanice ale betonului. Caracteristicile cheie ale betonului din fibră de carbon includ proprietăți mecanice excelente, impermeabilitate și rezistență la fluctuațiile naturale de temperatură, care nu se găsesc în betonul armat convențional. De asemenea, prezintă proprietăți chimice stabile, rezistență mecanică-de lungă durată și stabilitate dimensională în medii foarte alcaline.
Înlocuirea oțelului cu fibră de carbon elimină degradarea și deteriorarea betonului armat cauzată de apa sărată, reducând greutatea componentelor clădirii, facilitând instalarea și construcția și scurtarea programelor de construcție. Fibra de carbon are, de asemenea, proprietăți de amortizare-vibrațiilor, absorbind undele de șoc și crește rezistența la seism și rezistența la încovoiere de peste zece ori. Betonul din fibră de carbon prezintă rezistență ridicată la tracțiune, rezistență la încovoiere, rezistență la rupere și rezistență la coroziune. Datorită coeficientului său scăzut de dilatare, betonul din fibră de carbon prezintă o rezistență excelentă la căldură și o deformare termică minimă.
Funcția principală a fibrei de carbon în betonul cu fibră de carbon este de a preveni propagarea microfisurilor în beton și de a preveni apariția și dezvoltarea macrofisurilor. Prin urmare, rezistența sa la tracțiune și rezistențele la forfecare, la încovoiere și la torsiune, care sunt controlate în principal de efortul principal de tracțiune, sunt îmbunătățite semnificativ; în același timp, are o rezistență mare la deformarea matricei, îmbunătățind astfel rezistența la tracțiune, la îndoire și la impact. Când fracția de volum a fibrei de carbon este de 1,18%, rezistența la rupere la despicare a specimenului crește cu 1,2%. Conform regulii compozitelor, efectul de întărire al fibrei de carbon ar trebui să crească odată cu creșterea conținutului de fibre din ciment. Când procentul de greutate al fibrei de carbon este mai mic de 5%, această relație este aproape liniară. Când conținutul crește în continuare, fibra de carbon este dificil de dispersat uniform în matrice, iar efectul de armare nu poate fi atins și chiar și rezistența la tracțiune a betonului din fibră de carbon este redusă. În plus, betonul din fibră de carbon are, de asemenea, o bună rezistență la coroziune, rezistență la permeabilitate, rezistență la uzură, rezistență la contracție și durabilitate.
Fibră de sticlă
Betonul armat cu fibră de sticlă (GFRC) este un material compozit realizat prin distribuirea uniformă a fibrelor de sticlă-rezistente la alcalii, cu un modul elastic ridicat în mortar de ciment sau beton convențional. Deoarece diametrul fibrelor de sticlă este de numai 5 până la 20 μm, aproape identic cu particulele de ciment, liantul folosit în GFRC este pastă de ciment sau nisip fin, practic fără agregat grosier. Prin urmare, materialele compozite realizate cu acest material sunt cunoscute și sub numele de ciment armat. GFRC este o tendință de dezvoltare viitoare în ingineria construcțiilor. Nu numai că depășește deficiențele produselor convenționale din beton, cum ar fi greutatea mare, rezistența scăzută la tracțiune și rezistența scăzută la impact, dar posedă și proprietăți care nu se găsesc în betonul convențional. Produsele GFRC sunt mai subțiri și mai ușoare. Deoarece folosesc fibre de sticlă cu rezistență la tracțiune extrem de ridicată ca armătură, acestea posedă o rezistență ridicată la tracțiune. Distribuția uniformă a fibrelor de sticlă în beton previne fisurarea suprafeței. Deoarece absorb energie semnificativă în timpul deteriorării, ele prezintă o rezistență excelentă la impact și o rezistență ridicată la încovoiere. Produsele GFRC oferă, de asemenea, proprietăți excelente de deformare și sunt ușor de prelucrat, făcându-le ușor adaptabile la diferite forme.
Beton cu fibre de polipropilenă
Betonul cu fibre de polipropilenă este un material compozit realizat prin distribuirea uniformă a fibrelor de polipropilenă tăiate la o anumită lungime într-un mortar de ciment sau o matrice convențională de beton pentru a îmbunătăți proprietățile fizice și mecanice ale matricei. Acest beton armat-fibră oferă avantaje precum greutatea redusă, rezistența ridicată la tracțiune și rezistența la impact și fisurare. Fibrele de polipropilenă pot înlocui parțial armătura din oțel pentru a reduce greutatea betonului, crescând astfel rezistența seismică a structurii.
Betonul din fibre de polipropilenă este cel mai larg cercetat și aplicat beton. În funcție de forma și structura fibrei, fibrele de polipropilenă pot fi clasificate ca monofilamente, fascicule de fibre fibrilate paralele și fibre de film. Monofilamentele au un raport de aspect ridicat, în timp ce fasciculele de fibre fibrilate paralele pot fi dispersate cu ușurință în matricea de ciment. În timp ce legarea chimică este limitată, legarea mecanică este puternică, împiedicând smulgerea fibrelor sub stres.
În timp ce fibrele de polipropilenă au o rezistență la tracțiune mai mare decât betonul convențional, modulul lor de elasticitate este relativ scăzut, făcându-le predispuse la deformare extremă în condiții de solicitare ridicată. Cu toate acestea, atunci când se adaugă o cantitate adecvată de fibră de polipropilenă, rezistența la impact a acestui material compozit este mult mai mare decât cea a betonului obișnuit. Acest lucru a găsit o modalitate foarte promițătoare de a produce componente cu sarcini reduse, dar rezistență și duritate ridicate la impact. În plus, fibra de polipropilenă este rezistentă la rugină-și are o bună rezistență la acid și la alcali.
Fibră de bazalt
Fibra de bazalt continuă (CBF) este un material din fibră anorganică realizat din rocă extruzivă vulcanică naturală pură. Se trage rapid după ce a fost topit la o temperatură ridicată de 1450-1500 de grade. Are un aspect maro auriu, o performanță excelentă cuprinzătoare și un preț scăzut.
Caracteristicile fibrei de bazalt:
(1) Naturalitatea materiilor prime. Deoarece materiile prime pentru producerea CBF depind de roca vulcanică naturală extruzivă, pe lângă stabilitatea sa chimică și termică ridicată inerentă, nu conține componente care sunt dăunătoare sănătății umane.
(2) Performanță cuprinzătoare. Fibra de bazalt este o fibră cu adevărat „multi-funcțională”. De exemplu, este rezistent la acizi-, rezistent la alcali-, rezistent la-temperatură- joasă, rezistent la-temperatură-înaltă, izolant termic-, izolator electric și izolator fonic-. Rezistența sa la tracțiune o depășește pe cea a fibrelor de carbon-de remorcare mari, iar alungirea sa la rupere este mai bună decât cea a fibrelor de carbon-de remorcare mici. CBF are o suprafață polară și o excelentă umectabilitate interfațală atunci când este combinat cu rășină. CBF are, de asemenea, dimensiuni moleculare tri-dimensionale, care, în comparație cu fibrele polimerice liniare cu dimensiuni moleculare uni-dimensionale, au rezistență la compresiune, rezistență la forfecare și adaptabilitate la medii dure și rezistență la îmbătrânire, printre alte proprietăți complete excelente.
(3) Cost redus. Prețul fibrei de bazalt folosită în betonul de ciment nu este ridicat, semnificativ mai mic decât cel al fibrei de oțel, fibrei de carbon etc. și comparabil cu fibrele sintetice.
(4) Compatibilitate naturală. Fibra de bazalt este o fibră tipică de silicat. Este ușor de dispersat atunci când este amestecat cu ciment, beton și mortar. Betonul din fibre de bazalt proaspăt amestecat are volum stabil, lucrabilitate bună și durabilitate bună. Are o rezistență excelentă la-temperatură ridicată, rezistență la anti-infiltrații și fisuri și rezistență la impact. În plus, fibra de bazalt este mai rezistentă la-alcali decât sticla-rezistentă la alcali.
Aplicații ale betonului armat cu fibre-
Betonul-armat cu fibre este utilizat într-o varietate de aplicații, în funcție de capacitatea constructorului și a constructorului de a exploata proprietățile statice și dinamice ale materialului. Unele aplicații includ piste de rulare, garaje de parcare, trotuare, căptușeli de tunel, stabilitatea pantelor, cochilii, pereți, țevi, capace pentru cămine de vizitare, diguri, structuri hidraulice, viaducte, drumuri, poduri și podele de depozit.
Fibra joacă un rol vital în îmbunătățirea performanței și durabilității betonului. Fie că este vorba de fibră de oțel, fibră de sticlă, fibră de polipropilenă sau fibră naturală, fiecare tip are avantaje unice și este potrivit pentru diferite nevoi de construcție. Selectând corect tipul și doza de fibre, inginerii nu numai că pot îmbunătăți în mod eficient rezistența la fisurare, tenacitatea și rezistența pe termen lung a betonului, dar și pot reduce semnificativ costurile de întreținere ulterioare. Pe măsură ce tehnologia de construcții continuă să avanseze, betonul-armat cu fibre devine o soluție cheie pentru crearea de structuri mai puternice, mai sigure și mai durabile.
