Fiber-armerad betong (FRC) avser ett cementbaserat-kompositmaterial som består av cementpasta, murbruk eller betong som en matris och fibrer som armering. Fiber-armerad betong, även känd som fiberbetong, hänvisar vanligtvis till ett cementbaserat-kompositmaterial som består av cementpasta, murbruk eller betong som en matris och diskontinuerliga korta fibrer eller kontinuerliga långa fibrer som armering. Fibrer kan kontrollera vidareutvecklingen av sprickor i matrisbetongen och därigenom förbättra sprickmotståndet. Den höga draghållfastheten och töjningen av fibrer förbättrar betongens drag-, böj- och slaghållfasthet, töjning och seghet. Huvudtyper av fiberbetong inkluderar asbestcement, stålfiberbetong, glasfiberbetong, polypropenfiberbetong, kolfiberbetong, växtfiberbetong och syntetfiberbetong med hög elasticitetsmodul. Det är en allmän term för kompositmaterial som består av fibrer och cement-baserade material (cementpasta, murbruk eller betong). De största nackdelarna med cementpasta, murbruk och betong är låg draghållfasthet, låg slutlig töjning och sprödhet. Dessa nackdelar kan övervinnas genom att tillsätta fibrer med hög draghållfasthet, hög slutlig töjning och god alkalibeständighet.
Fiberns roll i betong:
Vanlig betong är ett sprött material som redan har många mikrosprickor innan lastning. Under ökande yttre krafter expanderar dessa mikrosprickor gradvis och bildar så småningom makrosprickor, vilket leder till materialfel. Tillsatsen av en lämplig mängd fibrer förhindrar och hämmar tillväxten av mikrosprickor, vilket avsevärt förbättrar drag- och böjhållfastheten, såväl som brottenergin, hos kompositmaterialet jämfört med den oförstärkta cementmatrisen. Olika typer av fibrer förbättrar betongens ogenomtränglighet, frys--upptiningsbeständighet, kloridjonpenetreringsmotstånd och karbonatiseringsbeständighet i varierande grad. Fiber-armerad betong använder i första hand korta fibrer med ett specifikt bildförhållande (förhållandet mellan fiberlängd och diameter). Emellertid används ibland långa fibrer (såsom glasfiberroving och polypropenfiberfilm) eller fiberprodukter (såsom glasfibernät och glasfibermatta). Den slutliga draghållfastheten kan ökas med 30-50 %. Den primära funktionen för fiber i fiber-armerad betong är att begränsa tillväxten av sprickor i cementmatrisen under yttre krafter. I det inledande skedet av belastningen (spänning och böjning), när ingredienserna är lämpliga och ett lämpligt högeffektivt vatten-reduktionsmedel tillsätts, bär cementbasen och fibrerna den yttre kraften tillsammans, med den förra är huvudbäraren av den yttre kraften; när basen spricker blir fibrerna över sprickorna de huvudsakliga bärarna av den yttre kraften. Antag att fiberns volyminnehåll överstiger ett visst kritiskt värde. I så fall kan hela kompositmaterialet fortsätta att motstå högre belastningar och ge större deformationer tills fibrerna bryts eller dras ut ur basmaterialet, vilket förstör kompositmaterialet. Jämfört med vanlig betong har fiberarmerad betong högre drag- och böjhållfasthet, särskilt förbättringen av segheten.
Vanliga klassificeringar av fibrer
Fibrer kan klassificeras baserat på deras materialegenskaper:
① Metallfibrer, såsom stålfibrer (stålfiberarmerad betong) och rostfria stålfibrer (lämpliga för värmebeständig betong).
② Oorganiska fibrer, främst naturliga mineralfibrer (krysotil, krocidolit, amosit, etc.) och konstgjorda-mineralfibrer (alkali-resistenta glasfibrer, kolfibrer som alkali-resistent mineralull).
③ Organiska fibrer, främst syntetiska fibrer (polyeten, polyvinylalkohol, nylon, aromatisk polyimid, etc.) och växtfibrer (sisal, agave, etc.). Syntetfiberarmerad betong bör inte användas i miljöer med temperaturer över 60 grader.
Baserat på deras elasticitetsmodul kan fibrer delas in i två huvudkategorier:
Fibrer med en elasticitetsmodul som är mindre än den för cementmatrisen kallas flexibla fibrer, inklusive polypropenfibrer, nylonfibrer och cellulosafibrer.
Fibrer med en elasticitetsmodul som är större än matrisen kallas styva fibrer, såsom stålfibrer, glasfibrer och kolfibrer.
Vanliga betongfibrer och deras egenskaper
Stålfiber
Betong som formulerats genom att en lämplig mängd stålfiber införlivas i vanlig betong kallas stålfiberbetong eller stålfiberarmerad betong. Jämfört med vanlig betong är dess draghållfasthet, böjhållfasthet, slitstyrka, slaghållfasthet, utmattningsbeständighet, seghet, sprickhållfasthet och explosionsbeständighet avsevärt förbättrad. Fibrer av hög-hållfast ståltrådsskuren-ändkrok-typ, götfrästa-ändkrok-fibrer, klippta special-formade fibrer och låg-legerade stålsmälta-dragna fibrer får omfattande vidhäftning på grund av sin betydande bindning i konstruktionsprojektet, vilket förhindrar att betongmatrisen används i större utsträckning. sprickor, förstärkande och härdande betong.
Fördelar och nackdelar
Stålfibers tekniska fördel är dess förmåga att öka betongens seghet och draghållfasthet. Stålfibrerna tenderar dock att klumpa sig under blandning, vilket resulterar i dålig bearbetbarhet, svår pumpning, svår konstruktion och mottaglighet för rost. Dessutom är stålfiberbetong tung och kräver betydande stålproduktion, vilket ökar stålförbrukningen och kostnaderna. Den huvudsakliga formen av stålfiberbrott under användning är att dras ut snarare än att brytas, vilket indikerar att vidhäftningen av stålfibrer till betong är otillräcklig, vilket kommer att påverka förbättringen av betongens draghållfasthet. Principen för härdning och förstärkning är att när sprickor uppstår förhindrar den höga stålmodulen och den höga draghållfastheten hos en enskild fiber att sprickorna utvecklas vidare; Men på grund av det begränsade antalet är effekten av att begränsa mikrosprickor inte signifikant, och förbättringen av anti-läckage, frysning- och andra egenskaper är inte uppenbar. Dessutom är stålfibrernas densitet för hög under konstruktionen, och de sjunker ofta till botten av betongen vid vibrationer och gjutning, vilket gör det omöjligt att fördela dem jämnt. Detta är huvudskälet till att de teoretiska forskningsslutsatserna är bra, men de faktiska tillämpningseffekterna varierar kraftigt.
Kolfiber
Kolfiberär ett kompositmaterial i vilket kolfibrer är jämnt fördelade i en cementmatris för att förbättra betongens fysiska och mekaniska egenskaper. Nyckelegenskaper hos kolfiberbetong inkluderar utmärkta mekaniska egenskaper, vattentäthet och motståndskraft mot naturliga temperaturfluktuationer, som inte finns i konventionell armerad betong. Den uppvisar också stabila kemiska egenskaper, långvarig-mekanisk styrka och dimensionsstabilitet i mycket alkaliska miljöer.
Att ersätta stål med kolfiber eliminerar nedbrytningen och försämringen av armerad betong orsakad av saltvatten, minskar vikten av byggnadskomponenter, underlättar installation och konstruktion och förkortar byggscheman. Kolfiber har också vibrationsdämpande-egenskaper, absorberar stötvågor och ökar det seismiska motståndet och böjhållfastheten med mer än tio gånger. Kolfiberbetong uppvisar hög draghållfasthet, böjhållfasthet, brottbeständighet och korrosionsbeständighet. På grund av sin låga expansionskoefficient uppvisar kolfiberbetong utmärkt värmebeständighet och minimal termisk deformation.
Den primära funktionen för kolfiber i kolfiberbetong är att förhindra spridning av mikrosprickor i betongen och att förhindra uppkomst och utveckling av makrosprickor. Därför förbättras dess draghållfasthet och skjuv-, böj- och vridhållfastheter, som huvudsakligen styrs av den huvudsakliga dragspänningen, avsevärt; samtidigt har den ett högt motstånd mot matrisdeformation, vilket förbättrar dess drag-, böj- och slagseghet. När kolfibervolymandelen är 1,18 %, ökar provets sprickhållfasthet med 1,2 %. Enligt kompositregeln ska kolfiberns förstärkande effekt öka med ökningen av fiberinnehållet i cement. När viktprocenten kolfiber är mindre än 5 % är detta förhållande nästan linjärt. När innehållet ökar ytterligare är kolfibern svår att sprida jämnt i matrisen, och förstärkningseffekten kan inte uppnås, och även kolfiberbetongens draghållfasthet minskar. Dessutom har kolfiberbetong bra korrosionsbeständighet, permeabilitetsbeständighet, slitstyrka, krympningsbeständighet och hållbarhet.
Glasfiber
Glasfiberarmerad betong (GFRC) är ett kompositmaterial som tillverkas genom att alkali-resistenta glasfibrer med hög elasticitetsmodul fördelas jämnt i cementbruk eller konventionell betong. Eftersom diametern på glasfibrer endast är 5 till 20 μm, nästan identisk med cementpartiklar, är bindemedlet som används i GFRC cementpasta eller fin sand, praktiskt taget utan grov ballast. Därför är kompositmaterial gjorda med detta material också kända som armerad cement. GFRC är en framtida utvecklingstrend inom byggteknik. Det övervinner inte bara bristerna hos konventionella betongprodukter, såsom tung vikt, låg draghållfasthet och dålig slaghållfasthet, utan har också egenskaper som inte finns i konventionell betong. GFRC-produkter är tunnare och lättare. Eftersom de använder glasfibrer med extremt hög draghållfasthet som förstärkning, har de hög draghållfasthet. Den enhetliga fördelningen av glasfibrer i betongen förhindrar ytsprickor. Eftersom de absorberar betydande energi under skada, uppvisar de utmärkt slaghållfasthet och hög böjhållfasthet. GFRC-produkter erbjuder också utmärkta urtagningsegenskaper och är lätta att bearbeta, vilket gör dem lätta att anpassa till olika former.
Polypropenfiberbetong
Polypropenfiberbetong är ett kompositmaterial som tillverkas genom att jämnt fördela polypropenfibrer skurna till en specifik längd i ett cementbruk eller en konventionell betongmatris för att förbättra matrisens fysiska och mekaniska egenskaper. Denna fiber-armerade betong erbjuder fördelar som lätt, hög draghållfasthet och motståndskraft mot slag och sprickbildning. Polypropenfibrer kan också delvis ersätta stålarmering för att minska betongens vikt och därigenom öka strukturens seismiska motstånd.
Polypropenfiberbetong är den mest forska och tillämpade betongen. Beroende på fiberns form och struktur kan polypropenfibrer kategoriseras som monofilament, parallella fibrillerade fiberbuntar och filmfibrer. Monofilament har ett högt bildförhållande, medan parallella fibrillerade fiberknippen lätt kan dispergeras i cementmatrisen. Medan den kemiska bindningen är begränsad, är den mekaniska bindningen stark, vilket förhindrar att fibrerna dras ut under stress.
Medan polypropenfibrer har en högre draghållfasthet än konventionell betong, är deras elasticitetsmodul relativt låg, vilket gör dem utsatta för extrem deformation under höga påfrestningar. Men när en lämplig mängd polypropenfiber tillsätts är slaghållfastheten hos detta kompositmaterial mycket större än för vanlig betong. Detta har hittat ett mycket lovande sätt att producera komponenter med låg belastning men hög slagtålighet och seghet. Dessutom är polypropenfibrer rost-beständiga och har god syra- och alkalibeständighet.
Basaltfiber
Kontinuerlig basaltfiber (CBF) är ett oorganiskt fibermaterial tillverkat av ren naturlig vulkanisk extrusiv bergart. Det dras snabbt efter att ha smälts vid en hög temperatur på 1450-1500 grader. Den har ett gyllenbrunt utseende, utmärkt omfattande prestanda och ett lågt pris.
Basaltfibers egenskaper:
(1) Råvarornas naturlighet. Eftersom råvarorna för produktion av CBF är beroende av naturlig vulkanisk extrusiv bergart, förutom dess inneboende höga kemiska och termiska stabilitet, innehåller den inga komponenter som är skadliga för människors hälsa.
(2) Omfattande prestanda. Basaltfiber är en verkligt "multi-funktionell" fiber. Till exempel är den syra-beständig, alkali-beständig, låg-temperatur-beständig, hög-temperatur-beständig, värme-isolerande, elektriskt isolerande och ljudisolerande-. Dess draghållfasthet överstiger den för stora-kolfibrer, och dess brottöjning är bättre än för små-kolfibrer. CBF har en polär yta och utmärkt vätbarhet på gränsytan när den blandas med harts. CBF har också tre-dimensionella molekylära dimensioner, som jämfört med linjära polymerfibrer med en-dimensionella molekylära dimensioner har högre tryckhållfasthet, skjuvhållfasthet och anpassningsförmåga till tuffa miljöer och åldringsbeständighet, bland andra utmärkta omfattande egenskaper.
(3) Låg kostnad. Priset på basaltfiber som används i cementbetong är inte högt, betydligt lägre än för stålfiber, kolfiber etc. och jämförbart med syntetfibrer.
(4) Naturlig kompatibilitet. Basaltfiber är en typisk silikatfiber. Det är lätt att dispergera när det blandas med cement, betong och murbruk. Nyblandad basaltfiberbetong har stabil volym, god bearbetbarhet och god hållbarhet. Den har utmärkt hög-temperaturbeständighet, anti-läckage- och sprickbeständighet och slagtålighet. Dessutom är basaltfiber mer alkali-resistent än alkali-beständigt glas.
Tillämpningar av fiber-armerad betong
Fiber-armerad betong används i en mängd olika tillämpningar, beroende på konstruktörens och byggarens förmåga att utnyttja materialets statiska och dynamiska egenskaper. Vissa applikationer inkluderar landningsbanor, parkeringsgarage, trottoarer, tunnelbeklädnader, sluttningsstabilitet, skal, väggar, rör, brunnslock, dammar, hydrauliska strukturer, viadukter, vägar, broar och lagergolv.
Fiber spelar en viktig roll för att förbättra betongens prestanda och hållbarhet. Oavsett om det är stålfiber, glasfiber, polypropenfiber eller naturfiber, har varje typ unika fördelar och lämpar sig för olika byggbehov. Genom att korrekt välja typ och dosering av fiber kan ingenjörer inte bara effektivt förbättra betongens sprickbeständighet, seghet och långtidshållfasthet-, utan också avsevärt minska efterföljande underhållskostnader. När konstruktionstekniken fortsätter att utvecklas blir fiber-armerad betong en nyckellösning för att skapa starkare, säkrare och mer hållbara strukturer.
