Il calcestruzzo rinforzato con fibre d'acciaio (SFRC) è un nuovo tipo di materiale composito che può essere colato e spruzzato aggiungendo una quantità appropriata di fibre corte d'acciaio al calcestruzzo ordinario. Negli ultimi anni si è sviluppato rapidamente in patria e all'estero. Supera i limiti del calcestruzzo, quali la bassa resistenza a trazione, il ridotto allungamento a rottura e la fragilità. Presenta eccellenti proprietà come resistenza a trazione, resistenza alla flessione, resistenza al taglio, resistenza alle crepe, resistenza alla fatica ed elevata tenacità. È stato applicato nell'ingegneria idraulica, nella costruzione di strade e ponti, nell'edilizia e in altri settori dell'ingegneria.

 

一．Sviluppo del calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio

 

Calcestruzzo fibrorinforzato (FRC) è l'abbreviazione di calcestruzzo fibrorinforzato. Si tratta solitamente di un composito a base di cemento composto da pasta di cemento, malta o calcestruzzo e fibre metalliche, fibre inorganiche o materiali rinforzati con fibre organiche. Si tratta di un nuovo materiale da costruzione formato dalla dispersione uniforme di fibre corte e fini con elevata resistenza a trazione, elevato allungamento a rottura ed elevata resistenza agli alcali nella matrice del calcestruzzo. Le fibre nel calcestruzzo possono limitare la formazione di crepe precoci nel calcestruzzo e l'ulteriore espansione delle crepe sotto l'azione di forze esterne, superando efficacemente i difetti intrinseci come la bassa resistenza a trazione, la facile fessurazione e la scarsa resistenza alla fatica del calcestruzzo, e migliorando notevolmente le prestazioni di impermeabilità, impermeabilità, resistenza al gelo e protezione dei rinforzi del calcestruzzo. Il calcestruzzo fibrorinforzato, in particolare il calcestruzzo fibrorinforzato con fibre di acciaio, ha attirato sempre più attenzione negli ambienti accademici e ingegneristici nell'ingegneria pratica grazie alle sue prestazioni superiori. Nel 1907 l'esperto sovietico B. P. Hekpocab iniziò a utilizzare il calcestruzzo fibrorinforzato 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 dovessero essere distribuite uniformemente nel calcestruzzo per rinforzare i materiali della matrice; Nel 1911, Graham degli Stati Uniti aggiunse fibre di acciaio al calcestruzzo ordinario per migliorarne la resistenza e la stabilità; Entro gli anni '40, Stati Uniti, Gran Bretagna, Francia, Germania, Giappone e altri paesi avevano svolto numerose ricerche sull'uso delle fibre di acciaio per migliorare la resistenza all'usura e la resistenza alle crepe del calcestruzzo, sulla tecnologia di produzione del calcestruzzo con fibre di acciaio e sul miglioramento della forma delle fibre di acciaio per migliorare la forza di adesione tra fibre e matrice di calcestruzzo; Nel 1963, J.P. Romualdi e G.B. Batson pubblicarono un articolo sul meccanismo di sviluppo delle crepe nel calcestruzzo confinato con fibre di acciaio e giunsero alla conclusione che la resistenza alle crepe del calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio è determinata dalla spaziatura media delle fibre di acciaio che svolge un ruolo efficace nella sollecitazione di trazione (teoria della spaziatura delle fibre), dando così inizio alla fase di sviluppo pratico di questo nuovo materiale composito. Fino ad oggi, con la diffusione e l'applicazione del calcestruzzo rinforzato con fibre d'acciaio, a causa della diversa distribuzione delle fibre nel calcestruzzo, ne esistono principalmente quattro tipi: calcestruzzo rinforzato con fibre d'acciaio, calcestruzzo rinforzato con fibre ibride, calcestruzzo rinforzato con fibre d'acciaio stratificato e calcestruzzo rinforzato con fibre ibride stratificato.

 

sì.Meccanismo di rinforzo del calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio

 

1. Teoria della meccanica dei compositi. La teoria della meccanica dei compositi si basa sulla teoria dei compositi a fibre continue e sulle caratteristiche di distribuzione delle fibre d'acciaio nel calcestruzzo. In questa teoria, i compositi sono considerati compositi bifasici, con la fibra come fase e la matrice come fase.

 

Teoria della spaziatura delle fibre. La teoria della spaziatura delle fibre, nota anche come teoria della resistenza alle cricche, è basata sulla meccanica della frattura elastica lineare. Questa teoria sostiene che l'effetto di rinforzo delle fibre è correlato solo alla spaziatura uniformemente distribuita tra le fibre (spaziatura minima).

 

三．Analisi sullo stato di sviluppo del calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio

 

1.Calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio.Il calcestruzzo rinforzato con fibre d'acciaio è un tipo di calcestruzzo rinforzato relativamente uniforme e multidirezionale, ottenuto aggiungendo una piccola quantità di acciaio a basso tenore di carbonio, acciaio inossidabile e fibre FRP al calcestruzzo ordinario. La quantità di fibra d'acciaio miscelata è generalmente compresa tra l'1% e il 2% in volume, mentre per ogni metro cubo di calcestruzzo vengono miscelati 70-100 kg di fibra d'acciaio in peso. La lunghezza della fibra d'acciaio dovrebbe essere compresa tra 25 e 60 mm, il diametro tra 0,25 e 1,25 mm e il rapporto ottimale tra lunghezza e diametro dovrebbe essere compreso tra 50 e 700 mm. Rispetto al calcestruzzo ordinario, non solo può migliorare la resistenza a trazione, taglio, flessione, usura e fessurazione, ma anche aumentare notevolmente la tenacità alla frattura e la resistenza all'impatto del calcestruzzo, migliorando significativamente la resistenza alla fatica e la durabilità della struttura, in particolare la tenacità può essere aumentata di 10-20 volte. Le proprietà meccaniche del calcestruzzo rinforzato con fibre d'acciaio e del calcestruzzo ordinario sono state confrontate in Cina. Quando il contenuto di fibre d'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 di 10 ~ 20 volte, la resistenza alla fatica da impatto aumenta di 15 ~ 20 volte, la tenacità alla flessione aumenta di 14 ~ 20 volte e anche la resistenza all'usura migliora significativamente. Pertanto, il calcestruzzo rinforzato con fibre d'acciaio presenta proprietà fisiche e meccaniche migliori rispetto al calcestruzzo tradizionale.

2.Calcestruzzo fibrorinforzato ibrido. Dati di ricerca pertinenti mostrano che la fibra d'acciaio non aumenta significativamente la resistenza a compressione del calcestruzzo, né la riduce; rispetto al calcestruzzo normale, esistono opinioni positive e negative (in aumento e in diminuzione) o addirittura intermedie sull'impermeabilità, la resistenza all'usura, la resistenza agli urti e all'usura del calcestruzzo rinforzato con fibre d'acciaio e sulla prevenzione del ritiro plastico precoce del calcestruzzo. Inoltre, il calcestruzzo rinforzato con fibre d'acciaio presenta alcuni problemi, come l'elevato dosaggio, il prezzo elevato, la ruggine e la quasi totale assenza di resistenza allo scoppio causato dal fuoco, che ne hanno influenzato l'applicazione in varia misura. Negli ultimi anni, alcuni studiosi nazionali e stranieri hanno iniziato a prestare attenzione al calcestruzzo ibrido con fibre (HFRC), cercando di combinare 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 diverse 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 da fatica e il danno da fatica, la legge di sviluppo della deformazione e le caratteristiche del danno sotto carichi statici e dinamici e carichi ciclici ad ampiezza costante o variabile, la quantità di miscelazione ottimale e la proporzione di miscelazione della fibra, la relazione tra i componenti dei materiali compositi, l'effetto di rinforzo e il meccanismo di rinforzo, le prestazioni anti-fatica, il meccanismo di guasto e la tecnologia di costruzione, i problemi della progettazione della proporzione di miscelazione devono essere ulteriormente studiati.

3. Calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio stratificato.Il calcestruzzo monolitico rinforzato con fibre non è facile da miscelare uniformemente, le fibre si agglomerano facilmente, la quantità di fibre è elevata e il costo è relativamente elevato, il che ne influenza l'ampia applicazione. Attraverso numerose ricerche ingegneristiche e teoriche, è stato proposto un nuovo tipo di struttura in fibre d'acciaio, il calcestruzzo rinforzato con fibre d'acciaio a strati (LSFRC). Una piccola quantità di fibre d'acciaio è distribuita uniformemente sulle superfici superiore e inferiore della soletta stradale, mentre la parte centrale è ancora uno strato di calcestruzzo semplice. Le fibre d'acciaio nel LSFRC vengono generalmente distribuite manualmente o meccanicamente. Le fibre d'acciaio sono lunghe e il rapporto lunghezza-diametro è generalmente compreso tra 70 e 120, mostrando una distribuzione bidimensionale. Senza compromettere le proprietà meccaniche, questo materiale non solo riduce notevolmente la quantità di fibre d'acciaio, ma evita anche il fenomeno dell'agglomerazione delle fibre nella miscelazione del calcestruzzo rinforzato con fibre integrali. Inoltre, la posizione dello strato di fibre d'acciaio nel calcestruzzo ha un notevole impatto sulla resistenza a flessione del calcestruzzo. L'effetto di rinforzo dello strato di fibre d'acciaio sul fondo del calcestruzzo è il migliore. Con lo spostamento verso l'alto dello strato di fibre d'acciaio, l'effetto di rinforzo diminuisce significativamente. La resistenza a flessione dell'LSFRC è superiore di oltre il 35% rispetto a quella del calcestruzzo semplice con la stessa proporzione di miscela, leggermente inferiore a quella del calcestruzzo rinforzato con fibre d'acciaio integrali. Tuttavia, l'LSFRC consente di risparmiare notevolmente sui costi dei materiali e non presenta problemi di difficoltà di miscelazione. Pertanto, l'LSFRC è un nuovo materiale con buoni vantaggi sociali ed economici e ampie prospettive applicative, che merita di essere diffuso e utilizzato nella costruzione di pavimentazioni.

 

4.Calcestruzzo fibrorinforzato ibrido stratificato.Il calcestruzzo fibrorinforzato ibrido a strati (LHFRC) è un materiale composito formato aggiungendo lo 0,1% di fibre di polipropilene a base di LSFRC e distribuendo uniformemente un gran numero di fibre di polipropilene fini e corte con elevata resistenza a trazione ed elevato allungamento a rottura nel calcestruzzo fibrorinforzato superiore e inferiore e nel calcestruzzo non rinforzato nello strato intermedio. Può superare la debolezza dello strato intermedio di calcestruzzo non rinforzato in LSFRC e prevenire potenziali rischi per la sicurezza dovuti all'usura delle fibre di acciaio superficiali. L'LHFRC può migliorare significativamente la resistenza a flessione del calcestruzzo. Rispetto al calcestruzzo non rinforzato, la resistenza a flessione del calcestruzzo non rinforzato aumenta di circa il 20% e, rispetto all'LSFRC, la resistenza a flessione aumenta del 2,6%, ma ha scarso effetto sul modulo elastico a flessione del calcestruzzo. Il modulo elastico a flessione dell'LHFRC è superiore dell'1,3% rispetto a quello del calcestruzzo non rinforzato e inferiore dello 0,3% rispetto a quello dell'LSFRC. L'LHFRC può anche migliorare significativamente la tenacità a flessione del calcestruzzo, con un indice di tenacità a flessione circa 8 volte superiore a quello del calcestruzzo normale e 1,3 volte superiore a quello dell'LSFRC. Inoltre, grazie alle diverse prestazioni di due o più fibre nell'LHFRC nel calcestruzzo, a seconda delle esigenze ingegneristiche, l'effetto ibrido positivo delle fibre sintetiche e delle fibre d'acciaio nel calcestruzzo può essere utilizzato per migliorare notevolmente la duttilità, la durabilità, la tenacità, la resistenza alle fessurazioni, la resistenza a flessione e la resistenza a trazione del materiale, migliorandone la qualità e prolungandone la vita utile.

——Riassunto (architettura dello Shanxi, vol. 38, n. 11, Chen Huiqing)