המצב הנוכחי ופיתוח של בטון מזוין סיבי פלדה

בטון מזוין בסיבי פלדה (SFRC) הוא סוג חדש של חומר מרוכב שניתן לצקת ולרסס על ידי הוספת כמות מתאימה של סיבי פלדה קצרים לבטון רגיל. הוא התפתח במהירות בארץ ובחו"ל בשנים האחרונות. הוא מתגבר על חסרונותיהם של חוזק מתיחה נמוך, התארכות סופית קטנה ותכונות שבירות של בטון. יש לו תכונות מצוינות כגון חוזק מתיחה, עמידות לכיפוף, עמידות לגזירה, עמידות לסדקים, עמידות לעייפות וקשיחות גבוהה. הוא יושם בהנדסה הידראולית, כבישים וגשרים, בנייה ותחומי הנדסה אחרים.

1. פיתוח בטון מזוין בסיבי פלדה
בטון מזוין בסיבים (FRC) הוא קיצור של בטון מזוין בסיבים. זהו בדרך כלל חומר מרוכב מבוסס צמנט המורכב ממשחת צמנט, טיט או בטון וסיבי מתכת, סיבים אנאורגניים או חומרים מחוזקים בסיבים אורגניים. זהו חומר בנייה חדש הנוצר על ידי פיזור אחיד של סיבים קצרים ודקים בעלי חוזק מתיחה גבוה, התארכות סופית גבוהה ועמידות גבוהה בפני אלקליות במטריצת הבטון. סיבים בבטון יכולים להגביל את היווצרות הסדקים המוקדמים בבטון ואת התרחבותם הנוספת של הסדקים תחת פעולת כוח חיצוני, להתגבר ביעילות על פגמים הטבועים כגון חוזק מתיחה נמוך, סדקים קלים ועמידות ירודה לעייפות של בטון, ולשפר מאוד את ביצועי האטימות, עמידות למים, עמידות בפני כפור והגנה מפני חיזוק של בטון. בטון מזוין בסיבים, במיוחד בטון מזוין בסיבים פלדה, משך יותר ויותר תשומת לב בחוגים אקדמיים והנדסיים בהנדסה מעשית בשל ביצועיו המעולים. בשנת 1907 המומחה הסובייטי ב. פ. הקפוקאב החל להשתמש בבטון מזוין בסיבים מתכתיים; בשנת 1910, פרסם ה.פ. פורטר דו"ח מחקר על בטון מזוין בסיבים קצרים, והציע כי יש לפזר באופן שווה סיבים קצרים של פלדה בבטון כדי לחזק חומרי מטריקס; בשנת 1911, גרהם מארצות הברית הוסיף סיבי פלדה לבטון רגיל כדי לשפר את חוזקו ויציבותו; עד שנות ה-40, ארצות הברית, בריטניה, צרפת, גרמניה, יפן ומדינות אחרות ערכו מחקר רב על שימוש בסיבי פלדה לשיפור עמידות הבלאי ועמידות הסדקים של בטון, טכנולוגיית הייצור של בטון סיבי פלדה, ושיפור צורת סיבי הפלדה כדי לשפר את חוזק ההדבקה בין הסיבים למטריצת הבטון; בשנת 1963, ג'יי.פי. רומואלדי וג'יי.בי. בטסון פרסמו מאמר על מנגנון התפתחות הסדקים של בטון מוגבל בסיבי פלדה, והעלו את המסקנה שעוצמת הסדקים של בטון מזוין בסיבי פלדה נקבעת על ידי המרווח הממוצע של סיבי הפלדה, אשר ממלא תפקיד משמעותי במאמץ מתיחה (תיאוריית מרווח הסיבים), ובכך החל שלב הפיתוח המעשי של חומר מרוכב חדש זה. עד כה, עם הפופולריות והיישום של בטון מזוין בסיבי פלדה, עקב פיזור שונה של סיבים בבטון, ישנם בעיקר ארבעה סוגים: בטון מזוין בסיבי פלדה, בטון מזוין היברידי, בטון מזוין בסיבי פלדה שכבתי ובטון מזוין היברידי שכבתי.

2. מנגנון חיזוק של בטון מזוין בסיבי פלדה
(1) תיאוריית מכניקת הקומפוזיטים. תיאוריית מכניקת הקומפוזיטים מבוססת על תיאוריית הסיבים הקומפוזיטים הרציפים ומשולבת עם מאפייני ההתפלגות של סיבי פלדה בבטון. בתיאוריה זו, קומפוזיטים נחשבים לקומפוזיטים דו-פאזיים, כאשר סיבים הם פאזה אחת ומטריצה ​​הם הפאזה השנייה.
(2) תיאוריית ריווח הסיבים. תיאוריית ריווח הסיבים, המכונה גם תיאוריית עמידות לסדקים, מוצעת על סמך מכניקת שברים אלסטיים ליניאריים. תיאוריה זו גורסת כי אפקט החיזוק של סיבים קשור רק למרווח הסיבים המפוזר באופן אחיד (מרווח מינימלי).

3. ניתוח מצב הפיתוח של בטון מזוין בסיבי פלדה
1. בטון מזוין בסיבי פלדה. בטון מזוין בסיבי פלדה הוא סוג של בטון מזוין אחיד יחסית ורב-כיווני הנוצר על ידי הוספת כמות קטנה של פלדת פחמן נמוכה, פלדת אל-חלד וסיבים FRP לבטון רגיל. כמות הערבוב של סיבי פלדה היא בדרך כלל 1% ~ 2% לפי נפח, בעוד ש-70 ~ 100 ק"ג סיבי פלדה מעורבבים בכל מטר מעוקב של בטון לפי משקל. אורך סיבי הפלדה צריך להיות 25 ~ 60 מ"מ, הקוטר צריך להיות 0.25 ~ 1.25 מ"מ, והיחס הטוב ביותר בין אורך לקוטר צריך להיות 50 ~ 700. בהשוואה לבטון רגיל, הוא יכול לא רק לשפר את עמידות המתיחה, הגזירה, הכיפוף, הבלאי והסדקים, אלא גם לשפר מאוד את קשיחות השברים ועמידות המכה של הבטון, ולשפר משמעותית את עמידות העייפות והעמידות של המבנה, במיוחד את הקשיחות ניתן להגדיל פי 10 ~ 20. התכונות המכניות של בטון מזוין בסיבי פלדה לבטון רגיל מושוות בסין. כאשר תכולת סיבי הפלדה היא 15% ~ 20% ויחס צמנט המים הוא 0.45, חוזק המתיחה עולה ב-50% ~ 70%, חוזק הכיפוף עולה ב-120% ~ 180%, חוזק הפגיעה עולה פי 10 ~ 20, חוזק עייפות הפגיעה עולה פי 15 ~ 20, קשיחות הכיפוף עולה פי 14 ~ 20, וגם עמידות הבלאי משתפרת משמעותית. לכן, לבטון מזוין בסיבי פלדה יש ​​תכונות פיזיקליות ומכניות טובות יותר מאשר בטון רגיל.

4. בטון סיבי היברידי
נתוני מחקר רלוונטיים מראים כי סיבי פלדה אינם מקדמים באופן משמעותי את חוזק הדחיסה של בטון, או אפילו מפחיתים אותו; בהשוואה לבטון רגיל, ישנן השקפות חיוביות ושליליות (עלייה וירידה) או אפילו ביניים לגבי אטימות, עמידות בפני שחיקה, עמידות בפני פגיעות ובלאי של בטון מזוין בסיבי פלדה ומניעת הצטמקות פלסטית מוקדמת של בטון. בנוסף, לבטון מזוין בסיבי פלדה יש ​​כמה בעיות, כגון מינון גדול, מחיר גבוה, חלודה וכמעט ללא עמידות בפני פיצוץ הנגרם על ידי אש, מה שהשפיע על יישומו בדרגות שונות. בשנים האחרונות, כמה חוקרים מקומיים וזרים החלו לשים לב לבטון סיבי היברידי (HFRC), בניסיון לערבב סיבים בעלי תכונות ויתרונות שונים, ללמוד זה מזה, ולתת משחק ל"אפקט ההיברידי החיובי" ברמות ובשלבי טעינה שונים כדי לשפר תכונות שונות של בטון, על מנת לענות על הצרכים של פרויקטים שונים. עם זאת, בהתייחס לתכונות המכניות השונות שלו, ובמיוחד עיוות העייפות ונזקי העייפות, חוק התפתחות העיוות ומאפייני הנזק תחת עומסים סטטיים ודינמיים ועומסים מחזוריים בעלי משרעת קבועה או משרעת משתנה, כמות הערבוב האופטימלית ויחס הערבוב של הסיבים, הקשר בין רכיבי חומרים מרוכבים, אפקט החיזוק ומנגנון החיזוק, ביצועים נגד עייפות, מנגנון כשל וטכנולוגיית בנייה, יש צורך לחקור עוד את הבעיות של תכנון יחסי ערבוב.

5. בטון מזוין סיבי פלדה שכבתי
בטון מזוין סיבים מונוליטי אינו קל לערבוב באופן שווה, הסיבים קלים לאגלומרינג, כמות הסיבים גדולה והעלות גבוהה יחסית, מה שמשפיע על יישומו הרחב. באמצעות מספר רב של פרקטיקות הנדסיות ומחקרים תיאורטיים, מוצע סוג חדש של מבנה סיבי פלדה, בטון מזוין סיבים פלדה שכבתי (LSFRC). כמות קטנה של סיבי פלדה מחולקת באופן שווה על המשטחים העליונים והתחתונים של משטח הכביש, והאמצע עדיין שכבת בטון חלקה. סיבי הפלדה ב-LSFRC מחולקים בדרך כלל באופן ידני או מכני. סיבי הפלדה ארוכים, ויחס קוטר האורך הוא בדרך כלל בין 70 ל-120, מה שמראה פיזור דו-ממדי. מבלי להשפיע על התכונות המכניות, חומר זה לא רק מפחית מאוד את כמות סיבי הפלדה, אלא גם נמנע מתופעת הצטברות הסיבים בערבוב בטון מזוין סיבים אינטגרלי. בנוסף, למיקום שכבת סיבי הפלדה בבטון יש השפעה רבה על חוזק הכיפוף של הבטון. אפקט החיזוק של שכבת סיבי הפלדה בתחתית הבטון הוא הטוב ביותר. ככל שמיקום שכבת סיבי הפלדה עולה, אפקט החיזוק פוחת משמעותית. חוזק הכיפוף של LSFRC גבוה ביותר מ-35% מזה של בטון רגיל עם אותו יחס ערבוב, והוא מעט נמוך מזה של בטון מזוין סיבי פלדה אינטגרלי. עם זאת, LSFRC יכול לחסוך הרבה בעלויות החומר, ואין בעיה של ערבוב קשה. לכן, LSFRC הוא חומר חדש עם יתרונות חברתיים וכלכליים טובים וסיכויי יישום רחבים, הראוי לפופולריות ויישום בבניית מדרכות.

6. בטון סיבים היברידי שכבתי
בטון מזוין סיבים היברידי שכבתי (LHFRC) הוא חומר מרוכב הנוצר על ידי הוספת 0.1% סיבי פוליפרופילן על בסיס LSFRC ופיזור שווה של מספר רב של סיבי פוליפרופילן דקים וקצרים בעלי חוזק מתיחה גבוה והתארכות סופית גבוהה בבטון סיבי הפלדה העליון והתחתון ובבטון הרגיל בשכבה האמצעית. הוא יכול להתגבר על החולשה של שכבת הביניים של בטון רגיל LSFRC ולמנוע את הסכנות הבטיחותיות הפוטנציאליות לאחר שחיקת סיבי הפלדה על פני השטח נשחקת. ​​LHFRC יכול לשפר משמעותית את חוזק הכיפוף של בטון. בהשוואה לבטון רגיל, חוזק הכיפוף שלו של בטון רגיל גדל בכ-20%, ובהשוואה ל-LSFRC, חוזק הכיפוף שלו גדל ב-2.6%, אך יש לו השפעה מועטה על מודול האלסטיות הכיפוף של בטון. מודול האלסטיות הכיפוף של LHFRC גבוה ב-1.3% מזה של בטון רגיל ונמוך ב-0.3% מזה של LSFRC. סיבים סינתטיים (LHFRC) יכולים גם לשפר משמעותית את קשיחות הכיפוף של בטון, ומדד קשיחות הכיפוף שלו גדול פי 8 בערך מזה של בטון רגיל ופי 1.3 מזה של LSFRC. יתר על כן, בשל הביצועים השונים של שני סיבים או יותר ב-LHFRC בבטון, בהתאם לצרכים ההנדסיים, ניתן להשתמש באפקט ההיברידי החיובי של סיבים סינתטיים וסיבים פלדה בבטון כדי לשפר משמעותית את הגמישות, העמידות, הקשיחות, חוזק הסדקים, חוזק הכיפוף וחוזק המתיחה של החומר, לשפר את איכות החומר ולהאריך את חיי השירות של החומר.

——תקציר (אדריכלות שנשי, כרך 38, מס' 11, Chen Huiqing)