O formigón reforzado con fibra de aceiro (SFRC) é un novo tipo de material composto que se pode verter e pulverizar engadindo unha cantidade axeitada de fibra curta de aceiro ao formigón ordinario. Desenvolveuse rapidamente no país e no estranxeiro nos últimos anos. Supera as deficiencias de baixa resistencia á tracción, pequeno alongamento final e propiedade fráxil do formigón. Ten excelentes propiedades como resistencia á tracción, resistencia á flexión, resistencia ao cizallamento, resistencia ás fisuras, resistencia á fatiga e alta tenacidade. Aplicouse en enxeñaría hidráulica, estradas e pontes, construción e outros campos da enxeñaría.
1. Desenvolvemento de formigón reforzado con fibra de aceiro
O formigón reforzado con fibras (FRC) é a abreviatura de formigón reforzado con fibras. Normalmente é un composto a base de cemento composto por pasta de cemento, morteiro ou formigón e fibra metálica, fibra inorgánica ou materiais reforzados con fibra orgánica. É un novo material de construción formado pola dispersión uniforme de fibras curtas e finas con alta resistencia á tracción, alto alongamento final e alta resistencia aos álcalis na matriz do formigón. A fibra no formigón pode limitar a xeración de gretas temperás no formigón e a expansión posterior das gretas baixo a acción da forza externa, superando eficazmente os defectos inherentes como a baixa resistencia á tracción, a facilidade de fisuración e a baixa resistencia á fatiga do formigón, e mellorando considerablemente o rendemento de impermeabilidade, impermeabilidade, resistencia ás xeadas e protección de reforzo do formigón. O formigón reforzado con fibras, especialmente o formigón reforzado con fibras de aceiro, atraeu cada vez máis atención nos círculos académicos e de enxeñaría na enxeñaría práctica debido ao seu rendemento superior. En 1907, o experto soviético B. P. Hekpocab comezou a usar formigón reforzado con fibras metálicas; en 1910, HF Porter publicou un informe de investigación sobre o formigón reforzado con fibras curtas, suxerindo que as fibras curtas de aceiro deberían dispersarse uniformemente no formigón para fortalecer os materiais da matriz; En 1911, Graham dos Estados Unidos engadiu fibra de aceiro ao formigón ordinario para mellorar a resistencia e a estabilidade do formigón; na década de 1940, Estados Unidos, Gran Bretaña, Francia, Alemaña, Xapón e outros países xa realizaran moitas investigacións sobre o uso de fibra de aceiro para mellorar a resistencia ao desgaste e á fenda do formigón, a tecnoloxía de fabricación do formigón con fibra de aceiro e a mellora da forma da fibra de aceiro para mellorar a resistencia da unión entre a fibra e a matriz do formigón; en 1963, JP Romualdi e GB Batson publicaron un artigo sobre o mecanismo de desenvolvemento de fendas do formigón confinado con fibra de aceiro e presentaron a conclusión de que a resistencia á fenda do formigón reforzado con fibra de aceiro está determinada polo espazado medio das fibras de aceiro, que xoga un papel eficaz na tensión de tracción (teoría do espazado das fibras), iniciando así a fase de desenvolvemento práctico deste novo material composto. Ata o de agora, coa popularización e aplicación do formigón reforzado con fibra de aceiro, debido á diferente distribución das fibras no formigón, hai principalmente catro tipos: formigón reforzado con fibra de aceiro, formigón reforzado con fibra híbrida, formigón reforzado con fibra de aceiro en capas e formigón reforzado con fibra híbrida en capas.
2. Mecanismo de reforzo do formigón reforzado con fibra de aceiro
(1) Teoría da mecánica dos materiais compostos. A teoría da mecánica dos materiais compostos baséase na teoría dos materiais compostos de fibra continua e combínase coas características de distribución das fibras de aceiro no formigón. Nesta teoría, os materiais compostos considéranse materiais compostos de dúas fases, coa fibra como unha fase e a matriz como a outra.
(2) Teoría do espazado das fibras. A teoría do espazado das fibras, tamén coñecida como teoría da resistencia á fisuración, proponse baseándose na mecánica da fractura elástica lineal. Esta teoría sostén que o efecto de reforzo das fibras só está relacionado co espazado uniformemente distribuído das fibras (espazado mínimo).
3. Análise do estado de desenvolvemento do formigón reforzado con fibras de aceiro
1. Formigón reforzado con fibra de aceiro. O formigón reforzado con fibra de aceiro é un tipo de formigón reforzado relativamente uniforme e multidireccional formado engadindo unha pequena cantidade de aceiro baixo en carbono, aceiro inoxidable e fibras FRP ao formigón ordinario. A cantidade de fibra de aceiro mesturada é xeralmente do 1% ao 2% en volume, mentres que se mesturan 70 ~ 100 kg de fibra de aceiro en cada metro cúbico de formigón en peso. A lonxitude da fibra de aceiro debe ser de 25 ~ 60 mm, o diámetro debe ser de 0,25 ~ 1,25 mm e a mellor relación lonxitude-diámetro debe ser de 50 ~ 700. En comparación co formigón ordinario, non só pode mellorar a resistencia á tracción, ao corte, á flexión, ao desgaste e ás fisuras, senón que tamén mellora considerablemente a tenacidade á fractura e ao impacto do formigón, e mellora significativamente a resistencia á fatiga e a durabilidade da estrutura, especialmente a tenacidade pode aumentarse en 10 ~ 20 veces. As propiedades mecánicas do formigón reforzado con fibra de aceiro e o formigón ordinario compáranse na China. Cando o contido de fibra de aceiro é do 15 % ao 20 % e a proporción de auga e cemento é de 0,45, a resistencia á tracción aumenta entre un 50 % e un 70 %, a resistencia á flexión aumenta entre un 120 % e un 180 %, a resistencia ao impacto aumenta entre 10 e 20 veces, a resistencia á fatiga por impacto aumenta entre 15 e 20 veces, a tenacidade á flexión aumenta entre 14 e 20 veces e a resistencia ao desgaste tamén mellora significativamente. Polo tanto, o formigón reforzado con fibra de aceiro ten mellores propiedades físicas e mecánicas que o formigón simple.
4. Formigón híbrido de fibras
Os datos de investigación relevantes mostran que a fibra de aceiro non promove significativamente a resistencia á compresión do formigón, nin sequera a reduce; en comparación co formigón simple, existen opinións positivas e negativas (aumento e diminución) ou incluso intermedias sobre a impermeabilidade, a resistencia ao desgaste, o impacto e a resistencia ao desgaste do formigón reforzado con fibra de aceiro e a prevención da contracción plástica prematura do formigón. Ademais, o formigón reforzado con fibra de aceiro ten algúns problemas, como a gran dosificación, o alto prezo, a ferruxe e a case nula resistencia á explosión causada polo lume, o que afectou a súa aplicación en diversos graos. Nos últimos anos, algúns estudosos nacionais e estranxeiros comezaron a prestar atención ao formigón híbrido de fibra (HFRC), tratando de mesturar fibras con diferentes propiedades e vantaxes, aprender uns dos outros e dar xogo ao "efecto híbrido positivo" en diferentes niveis e etapas de carga para mellorar varias propiedades do formigón, para satisfacer as necesidades de diferentes proxectos. Non obstante, en canto ás súas diversas propiedades mecánicas, especialmente a súa deformación por fatiga e os danos por fatiga, a lei de desenvolvemento da deformación e as características de dano baixo cargas estáticas e dinámicas e cargas cíclicas de amplitude constante ou variable, a cantidade óptima de mestura e a proporción de mestura de fibra, a relación entre os compoñentes dos materiais compostos, o efecto de reforzo e o mecanismo de reforzo, o rendemento antifatiga, o mecanismo de fallo e a tecnoloxía de construción, é necesario estudar máis a fondo os problemas do deseño da proporción da mestura.
5. Formigón reforzado con fibra de aceiro en capas
O formigón reforzado con fibra monolítica non é doado de mesturar uniformemente, a fibra é doada de aglomerar, a cantidade de fibra é grande e o custo é relativamente alto, o que afecta á súa ampla aplicación. A través dun gran número de prácticas de enxeñaría e investigación teórica, propúxose un novo tipo de estrutura de fibra de aceiro, o formigón reforzado con fibra de aceiro en capas (LSFRC). Unha pequena cantidade de fibra de aceiro distribúese uniformemente nas superficies superior e inferior da laxa da estrada, e o medio segue sendo unha capa de formigón lisa. A fibra de aceiro no LSFRC xeralmente distribúese manualmente ou mecanicamente. A fibra de aceiro é longa e a relación lonxitude-diámetro está xeralmente entre 70 e 120, mostrando unha distribución bidimensional. Sen afectar as propiedades mecánicas, este material non só reduce en gran medida a cantidade de fibra de aceiro, senón que tamén evita o fenómeno da aglomeración de fibra na mestura do formigón reforzado con fibra integral. Ademais, a posición da capa de fibra de aceiro no formigón ten un grande impacto na resistencia á flexión do formigón. O efecto de reforzo da capa de fibra de aceiro na parte inferior do formigón é o mellor. Coa posición da capa de fibra de aceiro cara arriba, o efecto de reforzo diminúe significativamente. A resistencia á flexión do formigón armado con fibra de aceiro de alta resistencia (LSFCR) é máis dun 35 % maior que a do formigón liso coa mesma proporción de mestura, o que é lixeiramente inferior á do formigón integral reforzado con fibra de aceiro. Non obstante, o LSFRC pode aforrar moito custo de material e non hai problemas de mestura difícil. Polo tanto, o LSFRC é un novo material con bos beneficios sociais e económicos e amplas perspectivas de aplicación, que merece a popularización e a aplicación na construción de pavimentos.
6. Formigón híbrido de fibra en capas
O formigón reforzado con fibra híbrida en capas (LHFRC, polas súas siglas en inglés) é un material composto formado engadindo un 0,1 % de fibra de polipropileno sobre a base de LSFRC e distribuíndo uniformemente un gran número de fibras de polipropileno finas e curtas con alta resistencia á tracción e alto alongamento final na capa superior e inferior de formigón de fibra de aceiro e no formigón liso na capa intermedia. Pode superar a debilidade da capa intermedia de formigón liso LSFRC e previr os posibles riscos de seguridade despois do desgaste da fibra de aceiro superficial. O LHFRC pode mellorar significativamente a resistencia á flexión do formigón. En comparación co formigón liso, a súa resistencia á flexión aumenta aproximadamente un 20 % e, en comparación co LSFRC, a súa resistencia á flexión aumenta un 2,6 %, pero ten pouco efecto sobre o módulo elástico á flexión do formigón. O módulo elástico á flexión do LHFRC é un 1,3 % maior que o do formigón liso e un 0,3 % menor que o do LSFRC. O LHFRC tamén pode mellorar significativamente a tenacidade á flexión do formigón, e o seu índice de tenacidade á flexión é aproximadamente 8 veces maior que o do formigón liso e 1,3 veces maior que o do LSFRC. Ademais, debido ao diferente rendemento de dúas ou máis fibras no LHFRC no formigón, segundo as necesidades de enxeñaría, o efecto híbrido positivo da fibra sintética e da fibra de aceiro no formigón pódese usar para mellorar en gran medida a ductilidade, a durabilidade, a tenacidade, a resistencia á fisura, a resistencia á flexión e a resistencia á tracción do material, mellorar a calidade do material e prolongar a vida útil do material.
——Resumo (Arquitectura Shanxi, Vol. 38, No 11, Chen Huiqing)
Data de publicación: 24 de agosto de 2022