Гибридный фибробетон – это композит из двух или более волокон в бетоне. Рассматриваются типы, пропорции смеси, преимущества и применение гибридного фибробетона.
История гибридного фибробетона (ГФБ)
Концепция использования волокон в качестве арматуры в бетонной смеси не является новым исследованием. Использование волокон ведется с древних времен.
Существуют различные типы фибробетона, которые классифицируются в зависимости от используемого волокна. Если используется стальная фибра, мы получаем бетон, армированный стальной фиброй.
Аналогичным образом, армированный нейлоном бетон, армированный стекловолокном бетон, армированный углеродным волокном бетон и т.д. – вот некоторые из типов.
Композит можно назвать гибридом, когда два или более типа волокон используются в комбинированной матрице для получения композита, который будет отражать преимущества каждого отдельного используемого волокна. В конечном итоге это обеспечивает синергетический эффект для всей конструкции. Такой композит бетона называется гибридным фиброармированным бетоном (HFC).
Механические свойства бетона значительно улучшаются при использовании коротких удлиненных волокон. Это увеличивает модуль упругости бетона. Это снижает вероятность хрупкости и, следовательно, образования мелких трещин, так как мелкие трещины являются основным фактором распространения и образования более крупных трещин.
Отслоение волокон или вероятность их выдергивания меньше, так как для этого требуется большое поглощение энергии. Именно эта причина обеспечивает устойчивость к разрушению и вязкость ГВФ при динамических и циклических нагрузках.
Волокна, используемые в гибридном фиброармированном бетоне
Замечено, что использование комбинации металлических и неметаллических волокон способствует значительному улучшению свойств бетона. Это также приводит к общему снижению затрат на производство бетона.
Волокна можно разделить на две группы:
Считается, что волокна типа 1 увеличивают деформационные характеристики бетона, в то время как волокна типа 2 имеют больший модуль упругости, чем цемент, и обеспечивают более высокие прочностные характеристики бетона.
Добавление большего количества волокон в бетонную смесь делает ее более однородной и изотропной по своей природе. Это приводит к преобразованию природы бетона из хрупкого в вязкое состояние. Это повышает пластичность бетона при критических нагрузках.
Гибридный бетон, армированный фиброволокном– Состав смеси
В гибридном фибробетоне используются различные типы волокон, результат которых зависит от типа ориентации волокон в бетоне. Это ключевой фактор, который контролирует применение ГФУ.
В идеальной ситуации рекомендуется знать, как контролировать ориентацию волокон, чтобы добиться желаемой несущей способности.
Одним из лучших методов достижения желаемой несущей способности является использование смеси ГФУ, которая является текучей и стабильной по своей природе. Эта смесь также должна обладать постоянными реологическими свойствами.
Это связано с тем, что смесь, которая течет под действием собственного веса, может только способствовать проектированию, а также контролировать ориентацию волокон, которые предполагается использовать. Если смесь является самоуплотняющейся, она должна быть способна удовлетворить это требование.
Самоуплотняющаяся гибридная бетонная смесь, армированная волокнами, представляет собой текучую смесь. Такая матрица при приготовлении должна быть отрегулирована и оптимизирована, так как включение волокон не должно сильно влиять на матрицу.
Таким образом, выбор оптимального количества цемента, оптимального типа цемента и оптимального типа и количества заполнителя осуществляется в зависимости от комбинации и количества используемых волокон.
При анализе на микроскопическом уровне важно, чтобы цементная матрица вокруг каждого волокна, используемого в бетоне, была достаточно плотной, чтобы эффективно использовать волокно, когда возможно вытягивание во время раскрытия или любого вида перекрытия трещины.
Испытание на вытягивание проводится как для одиночных, так и для коротких волокон, чтобы стимулировать перекрытие трещин волокнами. Это испытание в конечном итоге направлено на то, чтобы подобрать цементную матрицу, наиболее подходящую для волокон, которые планируется использовать, чтобы получить эффективную реакцию на вытягивание.
Основными параметрами, определяющими эти испытания, являются:
Поведение гибридного фибробетона при растяжении
Основной целью при определении прочности на растяжение гибридного фибробетона является достижение максимальной прочности на растяжение при минимальном использовании волокон. Следовательно, оптимальное количество волокон, которое будет использовано в бетоне, основывается на прочности, полученной от бетона. Для этого проводится серия испытаний на прочность при растяжении.
Первоначально, чтобы определить комбинацию волокон, которые будут использоваться, проводятся испытания на изгиб. Затем следуют испытания на одноосное растяжение, которые проводятся только для выбранной ГФК. Это необходимо для окончательной оценки свойств при растяжении. Результаты испытаний служат основной базой для использования HPC.
Основными факторами волокон, которые влияют на свойства при растяжении бетона с гибридными волокнами, являются:
Следовательно, после оценки свойств при растяжении, каждое свойство (упомянутое выше) будет подвергнуто дальнейшей детальной оценке для полной уверенности.
Детальный анализ и результаты процесса разрушения и поведения волокон в ГФУ могут быть получены с помощью аналитического моделирования. Аналитическое моделирование обеспечивает вклад каждого типа волокон, используемых в ГФУ.
Испытание на вытягивание одного волокна и испытание на одноосное растяжение дает результаты для моделирования поведения при одноосном растяжении. За этой моделью следует анализ количества волокон и их соответствующей ориентации.
Правильное использование гибридного фибробетона может быть обеспечено путем создания соответствующих зависимостей между напряжением и деформацией. Испытания на одноосное растяжение позволят получить результаты для этого.
Основные принципы проектирования гибридного фибробетона
Основными принципами проектирования ГФБ являются:
- Использование коротких и длинных стальных фибр вместе в одной бетонной смеси
- Обеспечение однородного распределения волокон в смеси
- Обеспечение эффективного использования каждой фибры в смеси.
Принцип 1: Использование длинных и коротких стальных фибр
Этот критерий основан на механизме разрушения, который принимают волокна в бетонной смеси. Это касается длинных или коротких стальных фибр или стальных фибр с крючковатым концом.
Первоначально трещины образуются в межфазной зоне при растягивающей нагрузке. Эти микротрещины распространяются при увеличении нагрузки на растяжение. Таким образом, трещины соединяются, образуя более крупные трещины, что приводит к разрушению бетона.
На рисунке 1 ниже показана эффективность коротких и длинных волокон в микро- и макротрещинах соответственно. Таким образом, возникла идея объединить оба основных направления. Идея использования коротких и длинных волокон показана на рисунке 1(b).
Рис.1. (a) Перекрытие микротрещин короткими волокнами (b) Перекрытие макротрещин длинными волокнами и микротрещин короткими волокнами.
Короткие волокна очень тонкие и их количество велико по сравнению с длинными волокнами. Это помогает им более эффективно перекрывать микротрещины. Это показано на рисунке 1(a).
Короткие волокна позволяют значительно увеличить прочность на растяжение, если рассматриваемый фактор – это образование микротрещин и перекрытие трещин.
Но с увеличением нагрузки эти микротрещины перерастают в более крупные макротрещины. В этой ситуации волокна с крючковидным концом действуют более эффективно при перекрытии макротрещин. Это увеличивает пластичность и прочность на разрыв.
Таким образом, при использовании длинных волокон обеспечивается постпиковая реакция. При увеличении нагрузки трещина расширяется. В такой ситуации короткие волокна легче вытягиваются, что делает их неактивными.
Таким образом, сочетание обоих волокон оказывается хорошим и оптимальным решением. Следовательно, увеличивается растяжимость и пластичность.
Принцип 2: Однородное распределение волокон в смеси
Очень важно иметь однородность по всему элементу конструкции на структурном уровне. Расстояние между соседними волокнами должно быть одинаковым по всей смеси. Следовательно, оно не должно быть ни слишком близким, ни слишком далеким. Слишком близкое расположение приведет к сегрегации волокон.
Эти требования могут быть достигнуты наилучшим образом при использовании самоуплотняющегося бетона. Поскольку такой специальный бетон течет под действием собственного веса, волокна сами будут располагаться в правильном и подходящем направлении и ориентации.
Это позволит избежать сегрегации и изменения ориентации в результате уплотнения. Таким образом, достигается правильное и желательное однородное распределение волокон.
Принцип 3: Эффективное использование каждого используемого волокна
Растягивающее напряжение в бетоне приводит к образованию трещин. Каждое присутствующее волокно может противостоять этим микро- или макротрещинам. Это обеспечивает высокую устойчивость к раскрытию трещин.
Такое сопротивление может быть достигнуто только в том случае, если прочность на растяжение каждого волокна, используемого в бетоне, полностью использована. Это называется эффективностью волокон.
Эффективность волокон зависит от цементной матрицы, на которой лежит волокно. Факторами, определяющими эффективность волокон, являются соотношение w/b, наклон угла волокон, тип и длина волокна, количество коротких волокон и количество цемента.
Преимущества бетона, армированного гибридными волокнами
1. Осуществляется перекрытие трещин на двух стадиях: Поскольку используются два типа волокон, один из них обрабатывает начальные микротрещины. Дальнейшие возможности появления макротрещин обрабатываются следующим типом волокон. Это не достигается ни одним типом волокна.
2. Система из двух или более типов: Один тип обеспечивает прочность и жесткость. Другой тип обеспечивает гибкость и пластичность.
3. Может использоваться волокно с различной прочностью. Прочность и жесткость повышаются за счет использования прочного волокна.
Области применения гибридного фибробетона
1. Армирование гибридными волокнами в бетонных покрытиях
На рисунке ниже показано применение ГФУ в строительстве бетонных покрытий для складов. Толщина плиты составляет 22 см. Используемые волокна – 30 кг/метр куб. стали и 1 кг/метр куб. полипропиленовых волокон. Добавление волокон не повлияло на эстетический вид бетонного покрытия.
Рис.2. Внешний вид бетонного покрытия (HFC) до и после укладки фибры
Отчет о техническом обслуживании показал, что, несмотря на высокие транспортные нагрузки и климатические условия, трещины отсутствуют.
2. Восстановление мостового настила с использованием гибридного фибробетона
Настил Роготинского моста был отремонтирован с использованием ГФУ. Это доказывает, что гибридные волокна могут быть использованы как в молодом, так и в затвердевшем бетоне, предотвращая появление трещин.
Рис.3. Работы по укладке бетона, проводимые во время ремонта мостового настила
Другие области применения бетона, армированного гибридными волокнами, включают:
3. Строительство фундамента машин: Фундамент машины подвергается большим динамическим нагрузкам. Гибридный фибробетон хорошо реагирует на динамические и циклические нагрузки. Следовательно, это лучшее решение по сравнению с обычным машинным фундаментом.
4. Обделка тоннелей: Обделка туннеля – это важная конструкция, которая отличается сложностью и долговечностью. Использование ГФК хорошо зарекомендовало себя при строительстве тоннелей.
Читать далее:
Применение армированного фиброй бетона в дорожных покрытиях
Приготовление и применение бетонной смеси, армированной стальной фиброй
- Армированный фибробетон – виды, свойства и преимущества армированного фибробетона.
- Факторы, влияющие на долговечность фиброармированного бетона (FRC).
- Передовые композиционные материалы (ACM).
- Цементные композиты, армированные волокном (FRC), и высокоэффективные композиты FRC.
- Применение армированного фиброволокном бетона в дорожных покрытиях.
- Гибридная цементобетонная накладка на мостовой настил – причины разрушения.
- Каковы области применения бетона, армированного стальной фиброй?.