Il calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio (SFRC) è un nuovo tipo di materiale composito che può essere colato e spruzzato aggiungendo una quantità adeguata di fibre corte di acciaio al calcestruzzo ordinario. Negli ultimi anni si è sviluppato rapidamente in patria e all’estero. Supera le carenze di bassa resistenza alla trazione, piccolo allungamento ultimo e proprietà fragile del calcestruzzo. Ha proprietà eccellenti come resistenza alla trazione, resistenza alla flessione, resistenza al taglio, resistenza alla rottura, resistenza alla fatica ed elevata tenacità. È stato applicato nell'ingegneria idraulica, nelle strade e nei ponti, nell'edilizia e in altri campi dell'ingegneria.
1. Sviluppo del calcestruzzo fibrorinforzato con acciaio
Cemento fibrorinforzato (FRC) è l'abbreviazione di cemento fibrorinforzato. Di solito è un composito a base cementizia composto da pasta di cemento, malta o calcestruzzo e fibra metallica, fibra inorganica o materiali rinforzati con fibra organica. È un nuovo materiale da costruzione formato dalla dispersione uniforme di fibre corte e fini con elevata resistenza alla trazione, elevato allungamento finale ed elevata resistenza agli alcali nella matrice del calcestruzzo. La fibra nel calcestruzzo può limitare la generazione di crepe precoci nel calcestruzzo e l'ulteriore espansione delle fessure sotto l'azione di forze esterne, superare efficacemente i difetti intrinseci come bassa resistenza alla trazione, facile fessurazione e scarsa resistenza alla fatica del calcestruzzo e migliorare notevolmente le prestazioni di impermeabilità, impermeabilità, resistenza al gelo e protezione rinforzante del calcestruzzo. Il cemento fibrorinforzato, in particolare il cemento fibrorinforzato in acciaio, ha attirato sempre più attenzione nei circoli accademici e ingegneristici nell'ingegneria pratica grazie alle sue prestazioni superiori. 1907 Esperto sovietico B П. Hekpocab iniziò a utilizzare il cemento rinforzato con fibre metalliche; Nel 1910, HF Porter pubblicò un rapporto di ricerca sul calcestruzzo rinforzato con fibre corte, suggerendo che le fibre corte di acciaio dovrebbero essere disperse uniformemente nel calcestruzzo per rafforzare i materiali della matrice; Nel 1911, Graham degli Stati Uniti aggiunse fibra di acciaio al calcestruzzo ordinario per migliorare la resistenza e la stabilità del calcestruzzo; Negli anni '40, Stati Uniti, Gran Bretagna, Francia, Germania, Giappone e altri paesi avevano svolto molte ricerche sull'uso della fibra di acciaio per migliorare la resistenza all'usura e alla rottura del calcestruzzo, sulla tecnologia di produzione del calcestruzzo con fibra di acciaio e sul miglioramento della forma della fibra di acciaio per migliorare la forza di adesione tra fibra e matrice cementizia; Nel 1963, JP Romualdi e GB Batson pubblicarono un articolo sul meccanismo di sviluppo delle fessure nel calcestruzzo confinato con fibre di acciaio e avanzarono la conclusione che la resistenza alla fessurazione del calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio è determinata dalla spaziatura media delle fibre di acciaio che svolge un ruolo efficace nello stress di trazione (teoria della spaziatura delle fibre), avviando così la fase di sviluppo pratico di questo nuovo materiale composito. Fino ad ora, con la divulgazione e l'applicazione del cemento armato con fibra di acciaio, a causa della diversa distribuzione delle fibre nel calcestruzzo, ci sono principalmente quattro tipi: cemento armato con fibra di acciaio, cemento armato con fibra di acciaio ibrido, cemento armato con fibra di acciaio stratificato e fibra ibrida stratificata cemento armato.
2. Meccanismo di rinforzo del calcestruzzo fibrorinforzato con acciaio
(1)Teoria della meccanica composita. La teoria della meccanica dei compositi si basa sulla teoria dei compositi a fibra continua e combinata con le caratteristiche di distribuzione delle fibre di acciaio nel calcestruzzo. In questa teoria, i compositi sono considerati compositi bifase con la fibra come una fase e la matrice come l’altra fase.
(2)Teoria della spaziatura delle fibre. La teoria della spaziatura delle fibre, nota anche come teoria della resistenza alle cricche, viene proposta sulla base della meccanica della frattura elastica lineare. Questa teoria sostiene che l'effetto di rinforzo delle fibre è legato solo alla spaziatura uniformemente distribuita delle fibre (spaziatura minima).
3. Analisi sullo stato di sviluppo del calcestruzzo fibrorinforzato con acciaio
1. Cemento rinforzato con fibra di acciaio. Il cemento armato con fibra di acciaio è un tipo di cemento armato relativamente uniforme e multidirezionale formato aggiungendo una piccola quantità di fibre di acciaio a basso tenore di carbonio, acciaio inossidabile e FRP nel calcestruzzo ordinario. La quantità di fibra d'acciaio miscelata è generalmente pari all'1% ~ 2% in volume, mentre in ogni metro cubo di calcestruzzo vengono miscelati 70 ~ 100 kg di fibra d'acciaio in peso. La lunghezza della fibra d'acciaio dovrebbe essere 25 ~ 60 mm, il diametro dovrebbe essere 0,25 ~ 1,25 mm e il miglior rapporto tra lunghezza e diametro dovrebbe essere 50 ~ 700. Rispetto al calcestruzzo ordinario, non solo può migliorare la trazione, il taglio e la flessione , resistenza all'usura e alle crepe, ma migliora anche notevolmente la tenacità alla frattura e la resistenza agli urti del calcestruzzo e migliora significativamente la resistenza alla fatica e la durabilità della struttura, in particolare la tenacità può essere aumentata di 10 ~ 20 volte. In Cina vengono confrontate le proprietà meccaniche del calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio e del calcestruzzo ordinario. Quando il contenuto di fibra di acciaio è del 15% ~ 20% e il rapporto acqua-cemento è 0,45, la resistenza alla trazione aumenta del 50% ~ 70%, la resistenza alla flessione aumenta del 120% ~ 180%, la resistenza all'impatto aumenta del 10 ~ 20 volte, la resistenza alla fatica da impatto aumenta di 15 ~ 20 volte, la resistenza alla flessione aumenta di 14 ~ 20 volte e anche la resistenza all'usura è notevolmente migliorata. Pertanto, il calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio ha proprietà fisiche e meccaniche migliori rispetto al calcestruzzo semplice.
4. Cemento fibroso ibrido
I dati di ricerca rilevanti mostrano che la fibra di acciaio non promuove in modo significativo la resistenza alla compressione del calcestruzzo, né addirittura la riduce; Rispetto al calcestruzzo semplice, esistono opinioni positive e negative (aumento e diminuzione) o addirittura intermedie sull'impermeabilità, sulla resistenza all'usura, sull'urto e sulla resistenza all'usura del calcestruzzo fibrorinforzato con acciaio e sulla prevenzione del ritiro plastico precoce del calcestruzzo. Inoltre, il calcestruzzo fibrorinforzato con acciaio presenta alcuni problemi, come il dosaggio elevato, il prezzo elevato, la ruggine e una resistenza quasi nulla allo scoppio causato dal fuoco, che ne hanno influenzato a vari livelli l'applicazione. Negli ultimi anni, alcuni studiosi nazionali e stranieri hanno iniziato a prestare attenzione al calcestruzzo a fibre ibride (HFRC), cercando di mescolare fibre con proprietà e vantaggi diversi, imparare gli uni dagli altri e sfruttare l '"effetto ibrido positivo" a diversi livelli e fasi di carico per migliorare le varie proprietà del calcestruzzo, in modo da soddisfare le esigenze di diversi progetti. Tuttavia, per quanto riguarda le sue varie proprietà meccaniche, in particolare la deformazione per fatica e il danno da fatica, la legge sullo sviluppo della deformazione e le caratteristiche del danno sotto carichi statici e dinamici e carichi ciclici ad ampiezza costante o ad ampiezza variabile, la quantità di miscelazione ottimale e la proporzione di miscelazione della fibra, il rapporto tra componenti di materiali compositi, effetto di rinforzo e meccanismo di rinforzo, prestazioni anti-fatica, meccanismo di cedimento e tecnologia di costruzione. I problemi della progettazione delle proporzioni del mix devono essere ulteriormente studiati.
5. Calcestruzzo stratificato fibrorinforzato con acciaio
Il cemento fibrorinforzato monolitico non è facile da miscelare in modo uniforme, la fibra è facile da agglomerare, la quantità di fibra è elevata e il costo è relativamente elevato, il che influisce sulla sua ampia applicazione. Attraverso un gran numero di pratiche ingegneristiche e ricerche teoriche, viene proposto un nuovo tipo di struttura in fibra di acciaio, il calcestruzzo rinforzato con fibra di acciaio a strati (LSFRC). Una piccola quantità di fibra di acciaio è distribuita uniformemente sulle superfici superiore e inferiore della soletta stradale, e la parte centrale è ancora uno strato di cemento semplice. La fibra di acciaio in LSFRC viene generalmente distribuita manualmente o meccanicamente. La fibra d'acciaio è lunga e il rapporto lunghezza-diametro è generalmente compreso tra 70 e 120, mostrando una distribuzione bidimensionale. Senza alterare le proprietà meccaniche, questo materiale non solo riduce notevolmente la quantità di fibra di acciaio, ma evita anche il fenomeno dell'agglomerazione delle fibre nella miscelazione del calcestruzzo fibrorinforzato integrale. Inoltre, la posizione dello strato di fibre di acciaio nel calcestruzzo ha un grande impatto sulla resistenza alla flessione del calcestruzzo. L'effetto di rinforzo dello strato di fibra di acciaio sul fondo del calcestruzzo è il migliore. Con lo spostamento verso l'alto della posizione dello strato di fibre d'acciaio, l'effetto di rinforzo diminuisce significativamente. La resistenza alla flessione di LSFRC è superiore di oltre il 35% rispetto a quella del calcestruzzo semplice con la stessa proporzione di miscela, che è leggermente inferiore a quella del calcestruzzo integrale rinforzato con fibra di acciaio. Tuttavia, LSFRC può far risparmiare molto sui costi dei materiali e non vi sono problemi di miscelazione difficile. Pertanto, LSFRC è un nuovo materiale con buoni vantaggi sociali ed economici e ampie prospettive di applicazione, degno di divulgazione e applicazione nella costruzione di pavimentazioni.
6. Cemento fibroso ibrido stratificato
Il calcestruzzo fibrorinforzato ibrido a strati (LHFRC) è un materiale composito formato aggiungendo lo 0,1% di fibra di polipropilene sulla base di LSFRC e distribuendo uniformemente un gran numero di fibre di polipropilene fini e corte con elevata resistenza alla trazione ed elevato allungamento ultimo nell'acciaio superiore e inferiore cemento fibrorinforzato e calcestruzzo semplice nello strato intermedio. Può superare la debolezza dello strato intermedio di calcestruzzo piano intermedio LSFRC e prevenire potenziali rischi per la sicurezza dopo l'usura della fibra di acciaio superficiale. LHFRC può aumentare significativamente la resistenza alla flessione del calcestruzzo. Rispetto al calcestruzzo semplice, la sua resistenza alla flessione del calcestruzzo semplice è aumentata di circa il 20%, e rispetto al LSFRC, la sua resistenza alla flessione è aumentata del 2,6%, ma ha poco effetto sul modulo elastico alla flessione del calcestruzzo. Il modulo elastico a flessione di LHFRC è superiore dell'1,3% rispetto a quello del calcestruzzo semplice e inferiore dello 0,3% rispetto a quello dell'LSFRC. L'LHFRC può anche migliorare significativamente la tenacità alla flessione del calcestruzzo e il suo indice di tenacità alla flessione è circa 8 volte quello del calcestruzzo semplice e 1,3 volte quello dell'LSFRC. Inoltre, a causa delle diverse prestazioni di due o più fibre in LHFRC nel calcestruzzo, a seconda delle esigenze ingegneristiche, l'effetto ibrido positivo della fibra sintetica e della fibra di acciaio nel calcestruzzo può essere utilizzato per migliorare notevolmente la duttilità, la durabilità, la tenacità e la resistenza alla fessurazione. , resistenza alla flessione e resistenza alla trazione del materiale, migliorano la qualità del materiale e prolungano la durata del materiale.
——Astratto (architettura dello Shanxi, vol. 38, n. 11, Chen Huiqing)
Orario di pubblicazione: 24 agosto 2022