Фибро{0}}подсиленият бетон (FRC) се отнася до циментов-композитен материал, съставен от циментова паста, хоросан или бетон като матрица и влакна като армировка. Фибро-подсиленият бетон, известен също като фибробетон, обикновено се отнася до циментов -композитен материал, съставен от циментова паста, хоросан или бетон като матрица и прекъсващи къси влакна или непрекъснати дълги влакна като армировка. Влакната могат да контролират по-нататъшното развитие на пукнатини в бетонната матрица, като по този начин подобряват устойчивостта на пукнатини. Високата якост на опън и удължението на влакната подобряват якостта на опън, огъване и удар, удължението и якостта на бетона. Основните типове фибробетон включват азбестов цимент, бетон от стоманени влакна, бетон от стъклени влакна, бетон от полипропиленови влакна, бетон от въглеродни влакна, бетон от растителни влакна и бетон от синтетични влакна с висок модул на еластичност. Това е общ термин за композитни материали, съставени от влакна и материали на базата на цимент (циментова паста, хоросан или бетон). Основните недостатъци на циментовата паста, разтвора и бетона са ниската якост на опън, ниското крайно удължение и крехкостта. Тези недостатъци могат да бъдат преодолени чрез добавяне на влакна с висока якост на опън, високо крайно удължение и добра алкална устойчивост.
Ролята на фибрите в бетона:
Обикновеният бетон е крехък материал, който вече съдържа множество микропукнатини преди натоварването. При нарастващи външни сили, тези микропукнатини постепенно се разширяват и в крайна сметка образуват макропукнатини, което води до разрушаване на материала. Добавянето на подходящо количество влакна предотвратява и инхибира растежа на микропукнатини, като значително подобрява якостта на опън и огъване, както и енергията на счупване на композитния материал в сравнение с неармираната циментова матрица. Различните видове влакна подобряват непропускливостта на бетона, устойчивостта на замръзване-размразяване, устойчивостта на проникване на хлоридни йони и устойчивостта на карбонизация в различна степен. Фибро-стоманобетонът използва предимно къси влакна със специфично аспектно съотношение (съотношението на дължината на влакната към диаметъра). Понякога обаче се използват дълги влакна (като ровинг от стъклени влакна и полипропиленово влакнесто фолио) или продукти от влакна (като мрежа от стъклени влакна и мат от стъклени влакна). Крайната якост на опън може да се увеличи с 30-50%. Основната функция на фибрите в армирания с фибри -бетон е да ограничават нарастването на пукнатини в циментовата матрица под въздействието на външни сили. В началния етап на натоварване (опън и огъване), когато съставките са подходящи и е добавен подходящ високо{13}}водо{17}}редуциращ агент, циментовата основа и влакната понасят външната сила заедно, като първите са основният носител на външната сила; когато основата се напука, влакната напречно на пукнатините стават главни носители на външната сила. Да предположим, че обемното съдържание на влакното надвишава определена критична стойност. В този случай целият композитен материал може да продължи да издържа на по-високи натоварвания и да произвежда по-големи деформации, докато влакната не бъдат счупени или издърпани от основния материал, унищожавайки композитния материал. В сравнение с обикновения бетон, армираният с влакна бетон има по-висока крайна якост на опън и огъване, особено подобряването на якостта.
Общи класификации на влакната
Влакната могат да бъдат класифицирани въз основа на техните материални свойства:
① Метални влакна, като например стоманени влакна (бетон, подсилен със стоманени влакна) и влакна от неръждаема стомана (подходящи за топло{0}}устойчив бетон).
② Неорганични влакна, предимно естествени минерални влакна (хризотил, крокидолит, амозит и др.) и изкуствени-минерални влакна (алкало-устойчиви стъклени влакна, въглеродни влакна като алкално-устойчива минерална вата).
③ Органични влакна, предимно синтетични влакна (полиетилен, поливинилалкохол, найлон, ароматен полиимид и др.) и растителни влакна (сизал, агаве и др.). Бетонът, армиран със синтетични влакна, не трябва да се използва в среда с температури над 60 градуса.
Въз основа на техния модул на еластичност влакната могат да бъдат разделени на две основни категории:
Влакната с модул на еластичност, по-малък от този на циментовата матрица, се наричат гъвкави влакна, включително полипропиленови влакна, найлонови влакна и целулозни влакна.
Влакната с модул на еластичност, по-голям от този на матрицата, се наричат твърди влакна, като стоманени влакна, стъклени влакна и въглеродни влакна.
Често срещани бетонни влакна и техните характеристики
Стоманени влакна
Бетонът, формулиран чрез включване на подходящо количество стоманени влакна в обикновен бетон, се нарича бетон със стоманени влакна или бетон, подсилен със стоманени влакна. В сравнение с обикновения бетон, неговата якост на опън, якост на огъване, устойчивост на износване, устойчивост на удар, устойчивост на умора, якост, устойчивост на пукнатини и устойчивост на експлозия са значително подобрени. Нарязани-стоманени телове с висока{3}}крайна кука-влакна, фрезовани-крайни куки-влакна, нарязани специални-оформени влакна и ниско-изтеглени влакна от стопена стомана-намират широко приложение в инженерните проекти поради подобреното им свързване с бетона матрица, значително предотвратяваща пукнатини, укрепваща и заздравяваща бетона.
Предимства и недостатъци
Техническото предимство на стоманените влакна е способността им да повишават якостта на бетона и якостта на опън. Стоманените влакна обаче са склонни да се слепват по време на смесване, което води до лоша обработваемост, трудно изпомпване, трудна конструкция и податливост на ръжда. Освен това бетонът от стоманени влакна е тежък и изисква значително производство на стомана, което увеличава потреблението на стомана и разходите. Основната форма на повреда на стоманените влакна по време на употреба е издърпването, а не счупването, което показва, че адхезията на стоманените влакна към бетона е недостатъчна, което ще повлияе на подобряването на якостта на опън на бетона. Принципът на закаляване и укрепване е, че когато се появят пукнатини, високият модул на стоманата и високата якост на опън на едно влакно предотвратяват по-нататъшното развитие на пукнатините; въпреки това, поради ограничения брой, ефектът от ограничаването на микропукнатините не е значителен и подобряването на свойствата срещу-просмукване, замръзване-размразяване и други свойства не е очевидно. В допълнение, плътността на стоманените влакна е твърде висока по време на строителството и те често потъват на дъното на бетона по време на вибрации и изливане, което прави невъзможно равномерното им разпределение. Това е основната причина, поради която изводите от теоретичните изследвания са добри, но реалните ефекти от приложението варират значително.
Въглеродни влакна
Въглеродни влакнае композитен материал, в който въглеродните влакна са равномерно диспергирани в циментова матрица за подобряване на физичните и механични свойства на бетона. Основните характеристики на бетона от въглеродни влакна включват отлични механични свойства, хидроизолация и устойчивост на естествени температурни колебания, които не се срещат в конвенционалния стоманобетон. Освен това проявява стабилни химични свойства, дълготрайна-механична якост и стабилност на размерите в силно алкална среда.
Замяната на стоманата с въглеродни влакна елиминира деградацията и влошаването на стоманобетона, причинени от солена вода, намалявайки теглото на строителните компоненти, улеснявайки монтажа и конструкцията и съкращавайки графиците за строителство. Въглеродните влакна също така притежават свойства за-заглушаване на вибрациите, абсорбират ударни вълни и увеличават сеизмичната устойчивост и якостта на огъване с повече от десет пъти. Бетонът от въглеродни влакна показва висока якост на опън, якост на огъване, устойчивост на счупване и устойчивост на корозия. Благодарение на ниския си коефициент на разширение бетонът от въглеродни влакна показва отлична устойчивост на топлина и минимална термична деформация.
Основната функция на въглеродните влакна в бетона от въглеродни влакна е да предотвратяват разпространението на микропукнатини в бетона и да предотвратяват появата и развитието на макропукнатини. Следователно неговата якост на опън и якост на срязване, огъване и усукване, които се контролират главно от основното напрежение на опън, са значително подобрени; в същото време има висока устойчивост на деформация на матрицата, като по този начин подобрява нейната якост на опън, огъване и удар. Когато обемната част на въглеродните влакна е 1,18%, якостта на опън на разцепване на образеца се увеличава с 1,2%. Съгласно правилото за композита, укрепващият ефект на въглеродните влакна трябва да се увеличи с увеличаването на съдържанието на влакна в цимента. Когато тегловният процент на въглеродните влакна е по-малък от 5%, тази връзка е почти линейна. Когато съдържанието се увеличи допълнително, въглеродните влакна е трудно да се диспергират равномерно в матрицата и не може да се постигне подсилващ ефект и дори якостта на опън на бетона от въглеродни влакна се намалява. В допълнение, бетонът от въглеродни влакна също има добра устойчивост на корозия, устойчивост на пропускливост, устойчивост на износване, устойчивост на свиване и издръжливост.
Фибростъкло
Бетонът, подсилен със стъклени влакна (GFRC), е композитен материал, направен чрез равномерно разпределение на алкално{0}}устойчиви стъклени влакна с висок модул на еластичност в циментов разтвор или конвенционален бетон. Тъй като диаметърът на стъклените влакна е само 5 до 20 μm, почти идентичен с циментовите частици, свързващото вещество, използвано в GFRC, е циментова паста или фин пясък, практически без едър агрегат. Следователно композитните материали, направени с този материал, са известни също като армиран цимент. GFRC е бъдеща тенденция за развитие в строителния инженеринг. Той не само преодолява недостатъците на конвенционалните бетонови продукти, като голямо тегло, ниска якост на опън и слаба устойчивост на удар, но също така притежава свойства, които не се срещат в конвенционалния бетон. GFRC продуктите са по-тънки и по-леки. Тъй като използват стъклени влакна с изключително висока якост на опън като армировка, те притежават висока якост на опън. Равномерното разпределение на стъклените влакна в бетона предотвратява напукване на повърхността. Тъй като те абсорбират значителна енергия по време на повреда, те показват отлична устойчивост на удар и висока якост на огъване. GFRC продуктите също така предлагат отлични свойства за изваждане от калъп и са лесни за обработка, което ги прави лесно приспособими към различни форми.
Бетон от полипропиленови влакна
Бетонът от полипропиленови влакна е композитен материал, направен чрез равномерно разпределение на полипропиленови влакна, нарязани на определена дължина, в циментов разтвор или конвенционална бетонна матрица за подобряване на физичните и механични свойства на матрицата. Този подсилен с влакна -бетон предлага предимства като леко тегло, висока якост на опън и устойчивост на удар и напукване. Полипропиленовите влакна могат също частично да заменят стоманената армировка, за да намалят теглото на бетона, като по този начин повишат сеизмичната устойчивост на конструкцията.
Полипропилен фибробетонът е най-широко изследваният и прилаган бетон. В зависимост от формата и структурата на влакната, полипропиленовите влакна могат да бъдат категоризирани като монофиламенти, паралелни фибрилирани снопове от влакна и филмови влакна. Монофиламентите имат високо аспектно съотношение, докато паралелно фибрилирани снопове от влакна могат лесно да бъдат разпръснати в циментовата матрица. Докато химическото свързване е ограничено, механичното свързване е силно, предотвратявайки издърпването на влакната при напрежение.
Докато полипропиленовите влакна имат по-висока якост на опън от конвенционалния бетон, техният модул на еластичност е относително нисък, което ги прави податливи на екстремни деформации при условия на голямо напрежение. Въпреки това, когато се добави подходящо количество полипропиленово влакно, устойчивостта на удар на този композитен материал е много по-голяма от тази на обикновения бетон. Това откри многообещаващ начин за производство на компоненти с ниски натоварвания, но висока устойчивост на удар и издръжливост. Освен това полипропиленовите влакна са устойчиви-на ръжда и имат добра киселинна и алкална устойчивост.
Базалтово влакно
Непрекъснато базалтово влакно (CBF) е материал от неорганични влакна, изработен от чиста естествена вулканична екструзивна скала. Бързо се изтегля след разтопяване при висока температура от 1450-1500 градуса. Има златистокафяв външен вид, отлична цялостна производителност и ниска цена.
Характеристики на базалтови влакна:
(1) Естественост на суровините. Тъй като суровините за производството на CBF зависят от естествена вулканична екструзивна скала, в допълнение към присъщата си висока химична и термична стабилност, той не съдържа компоненти, които са вредни за човешкото здраве.
(2) Цялостно изпълнение. Базалтовото влакно е наистина „много-функционално“ влакно. Например, той е киселинно-устойчив, алкално-устойчив, ниско-температурно-устойчив, високо-температурно-устойчив, топло-изолиращ, електроизолиращ-и звукоизолиращ-. Неговата якост на опън надвишава тази на големите-въглеродни влакна, а удължението му при скъсване е по-добро от това на малките-въглеродни влакна. CBF има полярна повърхност и отлична повърхностна омокряемост, когато се комбинира със смола. CBF също има три{17}}измерни молекулярни измерения, които в сравнение с линейните полимерни влакна с едно-измерни молекулярни измерения имат по-висока якост на натиск, якост на срязване и адаптивност към сурови среди и устойчивост на стареене, наред с други отлични всеобхватни свойства.
(3) Ниска цена. Цената на базалтовите влакна, използвани в циментовия бетон, не е висока, значително по-ниска от тази на стоманените влакна, въглеродните влакна и т.н. и сравнима със синтетичните влакна.
(4) Естествена съвместимост. Базалтовото влакно е типично силикатно влакно. Лесно се разпръсква, когато се смеси с цимент, бетон и хоросан. Прясно смесеният бетон от базалтови влакна има стабилен обем, добра обработваемост и добра издръжливост. Има отлична устойчивост на високи-температури, устойчивост на-протичане и напукване и устойчивост на удар. Освен това базалтовите влакна са по-алкало-устойчиви от алкално-устойчивото стъкло.
Приложения на фибро{0}}подсилен бетон
Фибро{0}}стоманобетонът се използва в различни приложения в зависимост от способността на конструктора и строителя да използват статичните и динамични свойства на материала. Някои приложения включват писти, гаражи за паркиране, настилки, облицовки на тунели, стабилност на склонове, черупки, стени, тръби, капаци на шахти, язовири, хидравлични конструкции, виадукти, пътища, мостове и подове на складове.
Фибрите играят жизненоважна роля за подобряване на производителността и издръжливостта на бетона. Независимо дали става въпрос за стоманени влакна, стъклени влакна, полипропиленови влакна или естествени влакна, всеки тип има уникални предимства и е подходящ за различни строителни нужди. Чрез правилния избор на типа и дозировката на фибрите инженерите могат не само ефективно да подобрят устойчивостта на бетона на пукнатини, здравината и дългосрочната -здравост, но и значително да намалят последващите разходи за поддръжка. Тъй като строителната технология продължава да напредва, армираният с влакна -бетон се превръща в ключово решение за създаване на по-здрави, по-безопасни и по-устойчиви конструкции.
