Цементные композиты, армированные волокном (FRC), и высокоэффективные композиты FRC

Композиты из волокон и цемента называются фиброармированными цементными композитами. Обсуждается поведение цемента, армированного волокном, и высокоэффективных композитов FRC.

Введение в композиты из цемента и улучшение их характеристик

В последние годы цемент, армированный волокнами, набирает обороты в бетонном строительстве. Понимание и контроль матрицы и механизма внутри этих композитов привели к разработке смеси с лучшим взаимодействием волокна и матрицы.
Эти разработки, облегченные процессом производства композитов, и общее постоянное улучшение их характеристик позволили занять более высокое место в рейтинге цементных композитов, армированных волокном.

Это постоянное улучшение характеристик было достигнуто одним из следующих способов:

Введение добавок нового поколения

Суперпластификаторы и вязкостные агенты – это добавки нового поколения. Они придают матрице огромную прочность, которая легко достигается. Потеря обрабатываемости при их добавлении незначительна.

Использование активных или неактивных микронаполнителей

Понимание поведения золы или кремнезема, которые называются активными и неактивными микронаполнителями, при добавлении в смесь в возрастающем количестве поможет определить влияние на прочность, пористость и долговечность.

Увеличение разнообразия волокон

Влияние волокон в бетоне зависит от их типа, размера и соответствующих свойств, на основе которых может быть разработана бетонная смесь. Это обусловило широкое использование волокон в бетоне.

Использование полимеров

Добавление полимеров или любой вид пропитки увеличивает прочность сцепления бетона. Сцепление волокна с матрицей увеличивается с помощью этого метода, что повышает эффективность армирования фиброй в проектной смеси.

Самоконсолидация и самоуплотняющиеся инновации

Получить однородную смесь при большом количестве продукции можно с помощью определенных инноваций.
Инновации самоуплотнения и самоуплотнения увеличили производство и применение цементного бетона с фиброармированием. Эта инновация имеет преимущество в уменьшении пористости и смешивании в больших количествах.

Композиты из цемента, армированного волокном (FRC)

Композиты, состоящие из волокон и матрицы, называются цементными композитами, армированными волокнами. Матрица состоит из цемента, который сам по себе является композитом, сформированным из нескольких материалов. Поэтому ее называют матрицей, а второй основной компонент – волокном.
Волокно прерывистое, и его ориентация носит случайный характер. Волокна распределены в объеме всего композита. Волокно и матрица вместе обеспечивают надлежащее сцепление и прочность всей смеси. Эти два компонента работают вместе, чтобы сформировать эффективный композит.
Матрица представляет собой либо пасту, либо раствор, либо бетон с определенными заполнителями и добавками. Любые воздушные пустоты, содержащиеся в матрице, считаются ее частью. На рисунке ниже показана модель композита из волокна и матрицы с помощью диаграммы.

Двухкомпонентная система – фибра и матрица; рассматривается в композитной модели

Высокая производительность Цементный бетон, армированный волокнами (HPFRC)

HPFRC можно определить с точки зрения поведения при деформационном упрочнении. Одним из основных параметров, который может быть использован для того, чтобы понять, соответствует ли цементный бетон, армированный волокнами, требованиям HPFRC, является поведение композитного материала при деформационном упрочнении, которое получается из кривой деформации напряжения.
В случае высокоэффективной композитной смеси деформационное упрочнение или псевдоупрочнение происходит сразу после появления первой трещины. Но в случае с обычным образцом композитной смеси FRC деформационное размягчение происходит сразу после первой трещины.
Таким образом, высокоэффективные фиброармированные бетонные композиты – это тип композитов FRC, который отличается явлением деформационного упрочнения при растяжении после первой трещины. В дальнейшем происходит многократное растрескивание при более высоких уровнях деформации.
Исходя из этих характеристик упрочнения, цементные композиты, армированные волокнами, бывают двух видов:

• Деформационное упрочнение -HPFRCC
• Мягкое упрочнение

На рисунке ниже показан характер деформационного упрочнения (как деформационное упрочнение, так и размягчение).

Кривая напряжение-деформация при растяжении до полного разделения. Кривая представляет обычный композит FRC, подвергающийся мягкому упрочнению.

Деформационное упрочнение – это процесс, сопровождающийся множественным растрескиванием, и это свойство считается желательным. При этом достигается большая энергопоглощающая способность. Приведенное выше определение высокоэффективного фиброцементного бетонного композита основано на обсуждениях, проведенных на пяти международных симпозиумах.

Кривая напряжение-деформация при растяжении до полного разделения. Кривая представляет собой композит типа HPFRCC FRC, подвергшийся деформационному упрочнению.

Если прочность образца после растрескивания составляет а трещиностойкость представлена как то условие достижения деформационного упрочнения может быть выражено как

Прочность после растрескивания и прочность при растрескивании обычного FRC и HPFRCC объясняются кривой напряжение-деформация, показанной на рисунке ниже. Нагрузка – прямое растяжение.

Типичная кривая деформации напряжения армированного волокном цемента (a) и HPFRCC (b), представляющая мягкое и деформационно-твердеющее поведение соответственно. Прочность после растрескивания и прочность при растрескивании представлены на рисунке.

Из рисунка (b) видно, что кривая HPFRCC начинается с крутой начальной возрастающей кривой до первого растрескивания. Это формирует часть I (Рисунок-3). Далее происходит появление трещин в нескольких количествах, что является частью II. часть II.
Координаты напряжения и деформации () представляют точку первого растрескивания, рисунок-3. Максимальная точка после растрескивания представлена координатами напряжения и деформации, (). Эта точка является пиковая точка где одна из трещин становится критической. Это приведет к локализация трещин что приводит к падение сопротивления. В дальнейшем эта точка будет развиваться, и других трещин не образуется.
После этого часть III образуется часть III, где наблюдается нисходящая кривая. Это эффект раскрытия критической трещины при приложении дальнейшей нагрузки. В этой ситуации возможны два варианта развития событий. Либо волокна могут вытянуться, либо волокна могут разрушиться, либо может произойти комбинация обоих вариантов. При этом небольшой вклад в растрескивание вносит цементная матрица.
В зависимости от того, преобладает мягкое или деформационное упрочнение, существует вероятность того, что удлинение композита будет переведено в деформацию растяжения до локализации трещины. После локализации трещины поведение композита будет определяться раскрытием критической трещины.
В случае обычной FRC (рис. 2.) начало кривой напряжение-деформация такое же, как и в HPFRCC. Но локализация происходит чуть ниже первой трещины. Здесь не происходит деформационного упрочнения и образования многочисленных трещин.

Напряжение, сформированное в первой трещине

Сайт первая трещина представляет собой видимую трещину, которая образуется первой, или точку, где происходит отклонение от линейности кривой. Микроскопически в структуре могут образовываться многочисленные трещины.
Но эта трещина называется “перколированная трещина“, трещина, которая создает полное разделение в элементе конструкции (растяжение). Раскрытие трещины при приложении нагрузки может быть небольшим, а иногда может быть невидимым для невооруженного глаза.
Перколяционная трещина может образоваться не перпендикулярно приложению растягивающей нагрузки. Она образуется в результате комбинации более мелких или микротрещин. Для целей моделирования трещину можно считать нормальной к направлению приложения нагрузки. Как упоминалось ранее () представляет собой первую точку растрескивания.

Максимальное напряжение после растрескивания

Напряжение после растрескивания – это напряжение, возникающее после образования перколяционной трещины. Максимальное значение напряжения после растрескивания составляет . Условием для деформационного упрочнения композитов является . Условие для композитов с мягким упрочнением, как показано на рисунке 3 и рисунке 4. максимальная деформация после растрескивания.

Деформационное упрочнение и упрочнение при прогибе композитов FRC

Общая классификация композитов FRC, как показано на рисунке-5, была предложена на четвертом международном семинаре по высокоэффективным армированным цементным композитам (HPFRCC). Эта классификация основана на ключевой реакции образца FRC, будь то деформация или мягкое упрочнение.

Общая классификация армированных волокном цементных композитов

Изгибная реакция элемента конструкции под действием растяжения объясняется с помощью рисунка 6. Это показывает, что реакция происходит либо в сторону ужесточения прогиба, либо в сторону смягчения прогиба. Было замечено, что;

Применение упрочнения при прогибе и размягчения при прогибе

В областях конструкций, где преобладает изгиб, критерии упрочнения при прогибе работают лучше. Применение смягчения прогиба упоминает нижние области – где оно используется для предотвращения пластической усадки в бетоне, в более широких областях для строительства бетонных тротуаров и плит.

Объем волокон для упрочнения при прогибе

На рисунке 6 выше также представлен объем части волокон, которые необходимы для достижения деформационного упрочнения или упрочнения при прогибе в соответствии с требованиями.
Читать далее:
Альтернативные строительные материалы, используемые в строительной промышленности
Армированный стекловолокном бетон – типы, свойства и преимущества армированного стекловолокном бетона
Армированный стекловолокном бетон (GFRC) – свойства и применение в строительных работах

• Армированный фибробетон – виды, свойства и преимущества армированного фибробетона.
• Различные виды композитов в строительстве и их применение.
• Гибридный фиброармированный бетон – преимущества и применение в строительстве.
• Передовые композиционные материалы (ACM).
• Полимер, армированный волокном (FRP) в строительстве, виды и применение.
• Термопластичные композиты в строительстве – виды, свойства, применение.
• Кривые при выравнивании автомобильных дорог – типы кривых.