Фибробетон
Бетон, содержащий волокнистый материал, который увеличивает его структурную целостность

Фибробетон или фиброармированный бетон ( FRC ) — это бетон, содержащий волокнистый материал, который увеличивает его структурную целостность. Он содержит короткие дискретные волокна , которые равномерно распределены и хаотично ориентированы. Волокна включают стальные волокна, стеклянные волокна , синтетические волокна и натуральные волокна [1] — каждое из которых придает бетону различные свойства. [2] Кроме того, характер фибробетона меняется в зависимости от различных бетонов, материалов волокон, геометрии, распределения, ориентации и плотности. [3]

Историческая перспектива

Концепция использования волокон в качестве армирования не нова. Волокна использовались в качестве армирования с древних времен. [4] Исторически конский волос использовался в растворе [5], а солома в глиняных кирпичах . В 1900-х годах асбестовые волокна использовались в бетоне. В 1950-х годах возникла концепция композитных материалов , и фибробетон стал одной из тем, вызывающих интерес. После того, как были обнаружены риски для здоровья, связанные с асбестом, возникла необходимость найти замену этому веществу в бетоне и других строительных материалах. К 1960-м годам в бетоне использовались стальные [6] стеклянные ( GFRC ) и синтетические (например, полипропиленовые ) волокна. Исследования новых фибробетонов продолжаются и сегодня.

Волокна обычно используются в бетоне для контроля трещин из-за пластической усадки и усадки при высыхании. Они также уменьшают проницаемость бетона и, таким образом, уменьшают водоотделение . Некоторые типы волокон обеспечивают большую ударопрочность, абразивную стойкость и устойчивость к разрушению в бетоне. [7] Более крупные стальные или синтетические волокна могут полностью заменить арматуру или сталь в определенных ситуациях. Бетон, армированный фиброй, практически полностью заменил арматуру в подземном строительстве, например, в сегментах туннелей, где почти все туннельные облицовки армированы фиброй вместо использования арматуры. Это может быть отчасти связано с проблемами, связанными с окислением или коррозией стальной арматуры. [8] [9] [10] Это может происходить в климате, который подвергается воздействию воды или интенсивной и повторяющейся влажности, см. Surfside Building Collapse . Действительно, некоторые волокна фактически снижают прочность бетона на сжатие. [11] Лигноцеллюлозные волокна в цементной матрице могут разрушаться из-за гидролиза лигнина и гемицеллюлозы. [12] [13]

Количество волокон, добавляемых в бетонную смесь, выражается в процентах от общего объема композита (бетон и волокна), называемого «объемной долей» (V f ). V f обычно составляет от 0,1 до 3%. Соотношение сторон (l/d) рассчитывается путем деления длины волокна (l) на его диаметр (d). Волокна с некруглым поперечным сечением используют эквивалентный диаметр для расчета соотношения сторон. Если модуль упругости волокна выше, чем у матрицы (бетона или связующего раствора ), они помогают нести нагрузку за счет увеличения прочности материала на растяжение. Увеличение соотношения сторон волокна обычно сегментирует прочность на изгиб и ударную вязкость матрицы. Большая длина приводит к лучшей матрице внутри бетона, а меньший диаметр увеличивает количество волокон. Чтобы гарантировать эффективность каждой нити волокна, рекомендуется использовать волокна длиннее максимального размера заполнителя. Обычный бетон содержит заполнитель с эквивалентным диаметром 19 мм (0,75 дюйма), что составляет 35-45% бетона, волокна длиннее 20 мм (0,79 дюйма) более эффективны. Однако слишком длинные и необработанные должным образом во время обработки волокна имеют тенденцию «комковаться» в смеси и создавать проблемы с удобоукладываемостью.

Волокна добавляются для долговременной прочности бетона. Стекло [14] и полиэстер [15] разлагаются в щелочной среде бетона, а также в различных добавках и поверхностной обработке бетона.

В состав обделки туннеля High Speed ​​1 входил бетон, содержащий 1 кг/м 3 или более полипропиленовых волокон диаметром 18 и 32 мкм, что обеспечивает указанные ниже преимущества. [16] Добавление полипропиленовых волокон тонкого диаметра не только обеспечивает армирование обделки туннеля, но и предотвращает «откалывание» и повреждение обделки в случае пожара из-за аварии. [17]

Преимущества

Стекловолокно может:

  • Повышение прочности бетона при низких затратах.
  • Добавляет растягивающую арматуру во всех направлениях, в отличие от арматуры.
  • Они будут видны на готовой бетонной поверхности, что придаст им декоративный вид.

Полипропиленовые [18] и нейлоновые волокна могут:

  • Улучшает сцепление смеси, улучшая прокачиваемость на большие расстояния
  • Улучшение устойчивости к замораживанию и оттаиванию
  • Улучшить устойчивость к взрывному растрескиванию в случае сильного пожара [19]
  • Улучшение ударопрочности и стойкости к истиранию
  • Повышение устойчивости к пластической усадке при отверждении
  • Повышение прочности конструкции
  • Снижение потребности в стальной арматуре
  • Улучшить пластичность
  • Уменьшите ширину трещин и тщательно контролируйте ее, тем самым повышая долговечность.

Стальные волокна могут:

  • Повышение прочности конструкции
  • Снижение потребности в стальной арматуре
  • Уменьшите ширину трещин и тщательно контролируйте ее, тем самым повышая долговечность.
  • Улучшение ударопрочности и стойкости к истиранию
  • Улучшение устойчивости к замораживанию и оттаиванию

Натуральные (лигноцеллюлозные, LC) волокна и/или частицы могут: [20] [21]

  • Улучшить пластичность
  • Способствовать контролю трещин посредством перекрытия
  • Уменьшить негативное воздействие материалов на окружающую среду (ПГП — потенциал глобального потепления)
  • Уменьшить вес
  • LC (растительные) волокна и частицы могут разрушаться в цементной матрице [22] [23]

Смеси стальных и полимерных волокон часто используются в строительных проектах для того, чтобы объединить преимущества обоих продуктов: структурные улучшения, обеспечиваемые стальными волокнами, и устойчивость к взрывному растрескиванию и улучшения пластической усадки, обеспечиваемые полимерными волокнами.

В некоторых особых обстоятельствах стальное волокно или макросинтетические волокна [24] могут полностью заменить традиционную стальную арматуру (« арматура ») в железобетоне. Это наиболее распространено в промышленных полах, но также и в некоторых других сборных применениях. Обычно они подтверждаются лабораторными испытаниями, подтверждающими, что требования к производительности соблюдены. Следует позаботиться о том, чтобы также были соблюдены требования местных норм проектирования, которые могут устанавливать минимальное количество стальной арматуры в бетоне. Растет число проектов по прокладке туннелей с использованием сборных сегментов облицовки, армированных только стальными волокнами.

Микроарматура также была недавно испытана и одобрена для замены традиционной арматуры в вертикальных стенах, спроектированных в соответствии с ACI 318 Chapter 14. [25]

Некоторые разработки

По крайней мере половина бетона в типичном строительном компоненте защищает стальную арматуру от коррозии. Бетон, использующий только волокно в качестве арматуры, может привести к экономии бетона, тем самым парникового эффекта, связанного с ним. [26] FRC можно формовать во многих формах, что дает проектировщикам и инженерам большую гибкость.

Высокоэффективный FRC (HPFRC) утверждает, что может выдерживать деформационное упрочнение до нескольких процентов деформации, что приводит к пластичности материала по крайней мере на два порядка выше по сравнению с обычным бетоном или стандартным фибробетоном. [27] HPFRC также заявляет об уникальном поведении при растрескивании. При нагрузке за пределами упругого диапазона HPFRC сохраняет ширину трещины менее 100 мкм, даже при деформации до нескольких процентов растяжения. Полевые результаты с HPFRC и Министерством транспорта Мичигана показали раннее растрескивание. [28]

Недавние исследования высокопрочного фибробетона в мостовом настиле показали, что добавление волокон обеспечивает остаточную прочность и контролируемое растрескивание. [29] В FRC было меньше и более узкие трещины, хотя FRC имел большую усадку, чем контроль. Остаточная прочность прямо пропорциональна содержанию волокон.

Использование натуральных волокон стало темой исследований, в основном, из-за ожидаемого положительного воздействия на окружающую среду, возможности вторичной переработки и экономичности. [30] [31] Деградация натуральных волокон и частиц в цементной матрице вызывает беспокойство. [32]

Некоторые исследования были проведены с использованием ковровых волокон отходов в бетоне в качестве экологически чистого использования переработанных ковровых отходов. [33] Ковер обычно состоит из двух слоев подложки (обычно ткани из полипропиленовых ленточных нитей), соединенных латексным каучуком на основе стирол-бутадиена (SBR), наполненным CaCO 3 , и лицевых волокон (большинство из которых - текстурированные нити из нейлона 6 и нейлона 66). Такие нейлоновые и полипропиленовые волокна могут использоваться для армирования бетона. Появляются и другие идеи использования переработанных материалов в качестве волокон: например, волокна из переработанного полиэтилентерефталата (ПЭТ). [34]

Стандарты

Международный

Ниже приведены несколько международных стандартов для фибробетона: [35]

  • BS EN 14889-1:2006 – Фибра для бетона. Стальная фибра. Определения, спецификации и соответствие
  • BS EN 14845-1:2007 – Методы испытаний фибры в бетоне
  • ASTM A820-16 – Стандартная спецификация для фибробетона (заменена)
  • ASTM C1116/C1116M — Стандартная спецификация для фибробетона
  • ASTM C1018-97 – Стандартный метод испытаний на изгибную вязкость и прочность на разрыв до первой трещины фибробетона (с использованием балки с третьей точкой приложения нагрузки) (отозван в 2006 г.)

Канада

  • CSA A23.1-19 Приложение U — Бетон сверхвысокой прочности (с армированием волокнами и без него)
  • CSA S6-19, 8.1 — Руководство по проектированию сверхвысокопрочного бетона

Смотрите также

Ссылки

Цитаты

  1. ^ Янь, Либо; Касал, Богумил; Хуан, Лян (май 2016 г.). «Обзор последних исследований по использованию целлюлозных волокон, цементных, геополимерных и полимерных композитов, армированных волокнистой тканью, в гражданском строительстве». Композиты Часть B: Инженерное дело . 92 : 94–132 . doi :10.1016/j.compositesb.2016.02.002. ISSN  1359-8368.
  2. ^ M, Guadagnuolo; G, Faella; G, Frunzio; L, Massaro; D, Brigante (1 января 2023 г.). «Возможности анкеров GFRP в бетонных и каменных конструкциях». Procedia Structural Integrity . XIX конференция ANIDIS, Сейсмическое строительство в Италии. 44 : 942–949 . doi : 10.1016/j.prostr.2023.01.122 . ISSN  2452-3216.
  3. ^ https://www.mdpi.com/1996-1944/15/23/8339 | https://doi.org/10.3390/ma15238339
  4. ^ Витек 2021, стр. 78.
  5. ^ Витек 2021, стр. 58.
  6. ^ Wietek 2021, стр. 7.
  7. ^ Витек 2021, стр. 47–56.
  8. ^ Баэна, Марта; Торрес, Луис; Турон, Альберт; Баррис, Кристина (1 декабря 2009 г.). «Экспериментальное исследование поведения связи между бетоном и стержнями из FRP с использованием испытания на выдергивание». Композиты Часть B: Инженерное дело . 40 (8): 784– 797. doi :10.1016/j.compositesb.2009.07.003. ISSN  1359-8368.
  9. ^ Tighiouart, B.; Benmokrane, B.; Gao, D. (1 декабря 1998 г.). «Исследование сцепления в бетонном элементе с армированными волокнами полимерными (FRP) стержнями». Строительство и строительные материалы . 12 (8): 453– 462. doi :10.1016/S0950-0618(98)00027-0. ISSN  0950-0618.
  10. ^ Pepe, M.; Mazaheripour, H.; Barros, J.; Sena-Cruz, J.; Martinelli, E. (1 июля 2013 г.). «Численная калибровка закона сцепления для стержней GFRP, встроенных в армированный стальной фиброй самоуплотняющийся бетон». Композиты Часть B: Инженерное дело . 50 : 403– 412. doi : 10.1016/j.compositesb.2013.03.006. hdl : 1822/26253 . ISSN  1359-8368.
  11. ^ "PP Fibres | India | XETEX INDUSTRIES PRIVATE LIMITED". Архивировано из оригинала 27 февраля 2021 г.
  12. ^ Ли, Хуан; Касал, Богумил (июль 2023 г.). «Механизм деградации поверхности древесно-клеточной стенки в цементной среде, измеренный с помощью атомно-силовой микроскопии». Журнал материалов в гражданском строительстве . 35 (7). doi :10.1061/JMCEE7.MTENG-14910. ISSN  0899-1561.
  13. ^ Ли, Хуан; Касал, Богумил (11 апреля 2022 г.). «Влияние термического старения на силы адгезии биополимеров клеточных стенок древесины». Biomacromolecules . 23 (4): 1601– 1609. doi :10.1021/acs.biomac.1c01397. ISSN  1525-7797. PMC 9006222. PMID 35303409  . 
  14. ^ ASTM C1116/C1116M - 06
  15. ^ Пелис, Фернандо; Монтедо, Оскар Рубем Клегес; Глейз, Филипп Жан Поль; Роман, Умберто Рамос (август 2012 г.). «Механические свойства переработанных ПЭТ-волокон в бетоне». Исследование материалов: Иберо-американский журнал материалов . 15 (4): 679–686 . doi : 10.1590/S1516-14392012005000088 . ISSN  1516-1439.
  16. ^ "Новости - Волокна добавляют столь необходимую защиту престижным проектам по прокладке туннелей". 27 сентября 2007 г. Архивировано из оригинала 27 сентября 2007 г. Получено 5 февраля 2017 г.{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)
  17. ^ Shuttleworth, Peter (2001). Противопожарная защита бетонных туннельных облицовок (PDF) . 3-я международная конференция по пожарам в туннелях и эвакуации из туннелей, 9–11 октября 2001 г. Tunnel Management International . Вашингтон, округ Колумбия, стр.  157–165 . S2CID  56401194. Архивировано из оригинала (PDF) 5 июля 2016 г. Получено 16 сентября 2020 г. – через Adfil.co.uk.
  18. ^ Витек 2021, стр. 48–50.
  19. ^ Витек 2021, стр. 85–87.
  20. ^ Касал, Богумил; Лещинский, Мориц; Эр, Кристиан; Ункельбах, Герд; Вольпердингер, Маркус (2020), Нойгебауэр, Реймунд (редактор), «Принцип ресурса», Биологическая трансформация , Берлин, Гейдельберг: Springer, стр.  261–310 , номер документа : 10.1007/978-3-662-59659-3_14, ISBN 978-3-662-59659-3, получено 10 апреля 2024 г.
  21. ^ Ван, Бо; Янь, Либо; Касал, Богумил (1 марта 2022 г.). «Обзор кокосового волокна и композитных материалов на основе цемента, армированных кокосовым волокном (2000–2021 гг.)». Журнал чистого производства . 338 : 130676. Bibcode : 2022JCPro.33830676W. doi : 10.1016/j.jclepro.2022.130676. ISSN  0959-6526.
  22. ^ Ли, Хуан; Касал, Богумил (11 апреля 2022 г.). «Влияние термического старения на силы адгезии биополимеров клеточных стенок древесины». Biomacromolecules . 23 (4): 1601– 1609. doi :10.1021/acs.biomac.1c01397. ISSN  1525-7797. PMC 9006222. PMID 35303409  . 
  23. ^ Ли, Хуан; Касал, Богумил (июль 2023 г.). «Механизм деградации поверхности древесно-клеточной стенки в цементной среде, измеренный с помощью атомно-силовой микроскопии». Журнал материалов в гражданском строительстве . 35 (7). doi :10.1061/JMCEE7.MTENG-14910. ISSN  0899-1561.
  24. ^ Витек 2021, стр. 50.
  25. ^ Отчет об оценке core-construction-products.com
  26. ^ "Главная | Проектирование зданий + Строительство".
  27. ^ Багер Шемирани, Алиреза (2022), «Влияние комбинации волокон на сопротивление разрушению гибридного армированного бетона», Иранский журнал науки и технологий, Труды гражданского строительства , 46 (3), Springer: 2161– 2172, Bibcode : 2022IJSTT..46.2161B, doi : 10.1007/s40996-021-00703-x, S2CID  237755564
  28. ^ Ли, В.; Янг, Э.; Ли, М. (28 января 2008 г.), Полевая демонстрация прочных соединительных плит для бесшовных мостовых настилов на основе упрочняющихся цементных композитов – Фаза 3: Контроль усадки (PDF) , Департамент транспорта Мичигана
  29. ^ ACI 544.3R-93: Руководство по спецификации, пропорционированию, смешиванию, укладке и отделке бетона, армированного стальной фиброй , Американский институт бетона, 1998 г.
  30. ^ Ван, Бо; Янь, Либо; Касал, Богумил (1 марта 2022 г.). «Обзор кокосового волокна и композитных материалов на основе цемента, армированных кокосовым волокном (2000–2021 гг.)». Журнал чистого производства . 338 : 130676. Bibcode : 2022JCPro.33830676W. doi : 10.1016/j.jclepro.2022.130676. ISSN  0959-6526.
  31. ^ Хамада, Хуссейн М.; Ши, Джиньян; Аль Джавахери, Мохаммед С.; Маджди, Али; Юсиф, Салим Т.; Каплан, Гёкхан (1 июня 2023 г.). «Применение натуральных волокон в цементном бетоне: критический обзор». Materials Today Communications . 35 : 105833. doi : 10.1016/j.mtcomm.2023.105833. ISSN  2352-4928.
  32. ^ Ли, Хуан; Касал, Богумил (июль 2023 г.). «Механизм деградации поверхности древесно-клеточной стенки в цементной среде, измеренный с помощью атомно-силовой микроскопии». Журнал материалов в гражданском строительстве . 35 (7). doi :10.1061/JMCEE7.MTENG-14910. ISSN  0899-1561.
  33. ^ Ван, И.; Ву, ХК.; Ли, В. (ноябрь 2000 г.). «Армирование бетона переработанными волокнами». Журнал материалов в гражданском строительстве . 12 (4): 314– 319. doi :10.1061/(ASCE)0899-1561(2000)12:4(314).
  34. ^ Ochia, T.; Okubob, S.; Fukuib, K. (июль 2007 г.). «Разработка переработанного ПЭТ-волокна и его применение в качестве армирующего бетон волокна». Цемент и бетонные композиты . 29 (6): 448– 455. doi :10.1016/j.cemconcomp.2007.02.002.
  35. ^ Витек 2021, стр. 13.

Книги

  • Витек, Бернхард (2021). Кумм, Фридер (ред.). Фибробетон: в строительстве . Висбаден: Springer Nature . дои : 10.1007/978-3-658-34481-8. ISBN 978-3-658-34480-1. OCLC  1267299045.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Fiber-reinforced_concrete&oldid=1270566357"