Fiber-armeret beton (FRC) refererer til et cement-baseret kompositmateriale sammensat af cementpasta, mørtel eller beton som en matrix og fibre som armering. Fiber-armeret beton, også kendt som fiberbeton, refererer typisk til et cement-baseret kompositmateriale sammensat af cementpasta, mørtel eller beton som en matrix og diskontinuerlige korte fibre eller kontinuerlige lange fibre som armering. Fibre kan styre den videre udvikling af revner i matrixbetonen og derved forbedre modstanden mod revner. Den høje trækstyrke og forlængelse af fibre forbedrer betonens trækstyrke, bøjning og slagstyrke, forlængelse og sejhed. Hovedtyper af fiberbeton omfatter asbestcement, stålfiberbeton, glasfiberbeton, polypropylenfiberbeton, kulfiberbeton, plantefiberbeton og syntetisk fiberbeton med høj elasticitetsmodul. Det er en generel betegnelse for kompositmaterialer sammensat af fibre og cement-baserede materialer (cementpasta, mørtel eller beton). De største ulemper ved cementpasta, mørtel og beton er lav trækstyrke, lav ultimativ forlængelse og skørhed. Disse ulemper kan overvindes ved at tilføje fibre med høj trækstyrke, høj ultimativ forlængelse og god alkalibestandighed.
Fiberens rolle i beton:
Almindelig beton er et sprødt materiale, der allerede rummer adskillige mikrorevner før læsning. Under stigende ydre kræfter udvider disse mikrorevner sig gradvist og danner til sidst makrorevner, hvilket fører til materialefejl. Tilsætningen af en passende mængde fiber forhindrer og hæmmer væksten af mikrorevner, hvilket væsentligt forbedrer træk- og bøjningsstyrkerne samt brudenergien af kompositmaterialet sammenlignet med den uforstærkede cementmatrix. Forskellige typer fibre forbedrer betonens uigennemtrængelighed, modstandsdygtighed over for fryse-optøning, modstandsdygtighed over for chloridiongennemtrængning og karbonatiseringsmodstand i varierende grad. Fiber-armeret beton bruger primært korte fibre med et specifikt aspektforhold (forholdet mellem fiberlængde og diameter). Imidlertid anvendes der nogle gange lange fibre (såsom glasfiberroving og polypropylenfiberfilm) eller fiberprodukter (såsom glasfibernet og glasfibermåtte). Den ultimative trækstyrke kan øges med 30-50 %. Fiberens primære funktion i fiber-armeret beton er at begrænse væksten af revner i cementmatrixen under eksterne kræfter. I den indledende fase af belastningen (spænding og bøjning), når ingredienserne er passende og et passende højeffektivt-vandreduktionsmiddel-tilsættes, bærer cementbasen og fibrene den ydre kraft sammen, hvor førstnævnte er hovedbæreren af den ydre kraft; når bunden revner, bliver fibrene på tværs af revnerne hovedbærerne af den ydre kraft. Antag, at fiberens volumenindhold overstiger en vis kritisk værdi. I så fald kan hele kompositmaterialet fortsætte med at modstå højere belastninger og producere større deformationer, indtil fibrene er knækket eller trukket ud af grundmaterialet, hvilket ødelægger kompositmaterialet. Sammenlignet med almindelig beton har fiberarmeret beton højere ultimativ træk- og bøjningsstyrke, især forbedringen i sejhed.
Fælles klassifikationer af fibre
Fibre kan klassificeres baseret på deres materialeegenskaber:
① Metalfibre, såsom stålfibre (stålfiberarmeret beton) og rustfri stålfibre (velegnet til varme-bestandig beton).
② Uorganiske fibre, primært naturlige mineralfibre (chrysotil, crocidolit, amosit osv.) og menneskeskabte-mineralfibre (alkali-resistente glasfibre, kulfibre såsom alkali-resistent mineraluld).
③ Organiske fibre, primært syntetiske fibre (polyethylen, polyvinylalkohol, nylon, aromatisk polyimid osv.) og plantefibre (sisal, agave osv.). Syntetisk fiberarmeret beton bør ikke anvendes i miljøer med temperaturer over 60 grader.
Baseret på deres elasticitetsmodul kan fibre opdeles i to hovedkategorier:
Fibre med et elasticitetsmodul, der er mindre end det af cementmatrixen, omtales som fleksible fibre, herunder polypropylenfibre, nylonfibre og cellulosefibre.
Fibre med et elasticitetsmodul, der er større end matrixens, kaldes stive fibre, såsom stålfibre, glasfibre og kulfibre.
Fælles betonfibre og deres egenskaber
Stålfiber
Beton formuleret ved at inkorporere en passende mængde stålfiber i almindelig beton kaldes stålfiberbeton eller stålfiberarmeret beton. Sammenlignet med almindelig beton er dens trækstyrke, bøjningsstyrke, slidstyrke, slagfasthed, udmattelsesbestandighed, sejhed, revnemodstand og eksplosionsmodstand væsentligt forbedret. Fibre af høj-skåren ståltråd-endekrog-type, ingotfræsede-endekrog-fibre, afklippede special-formede fibre og lav-smeltet stål-trukne fibre opnår udbredt binding på grund af deres betydelige binding i konstruktionsprojektet, hvilket forhindrer deres betydelige binding i betonprojektet. revner, forstærkning og hærdning af beton.
Fordele og ulemper
Stålfibers tekniske fordel er dens evne til at øge betonens sejhed og trækstyrke. Stålfibrene har dog en tendens til at klumpe under blanding, hvilket resulterer i dårlig bearbejdelighed, vanskelig pumpning, vanskelig konstruktion og modtagelighed for rust. Ydermere er stålfiberbeton tung og kræver en betydelig stålproduktion, hvilket øger stålforbruget og -omkostningerne. Den primære form for stålfiberfejl under brug er at blive trukket ud i stedet for at blive knækket, hvilket indikerer, at vedhæftningen af stålfibre til beton er utilstrækkelig, hvilket vil påvirke forbedringen af betonens trækstyrke. Princippet for hærdning og forstærkning er, at når der opstår revner, forhindrer det høje modul af stål og den høje trækstyrke af en enkelt fiber, at revnerne udvikler sig yderligere; men på grund af det begrænsede antal er effekten af at begrænse mikrorevner ikke signifikant, og forbedringen af anti-udsivning, fryse-optøning og andre egenskaber er ikke indlysende. Derudover er tætheden af stålfibre for høj under byggeriet, og de synker ofte ned i bunden af betonen under vibrationer og udstøbning, hvilket gør det umuligt at fordele dem jævnt. Dette er hovedårsagen til, at de teoretiske forskningskonklusioner er gode, men de faktiske anvendelseseffekter varierer meget.
Kulfiber
Kulfiberer et kompositmateriale, hvor kulfibre er ensartet fordelt i en cementmatrix for at forbedre betonens fysiske og mekaniske egenskaber. Nøgletræk ved kulfiberbeton omfatter fremragende mekaniske egenskaber, vandtætning og modstandsdygtighed over for naturlige temperatursvingninger, som ikke findes i konventionel armeret beton. Det udviser også stabile kemiske egenskaber, langvarig-mekanisk styrke og dimensionsstabilitet i stærkt alkaliske miljøer.
Udskiftning af stål med kulfiber eliminerer nedbrydning og forringelse af armeret beton forårsaget af saltvand, reducerer vægten af bygningskomponenter, letter installation og konstruktion og forkorter byggeplaner. Kulfiber har også vibrationsdæmpende-egenskaber, absorberer stødbølger og øger seismisk modstand og bøjningsstyrke med mere end ti gange. Kulfiberbeton udviser høj trækstyrke, bøjningsstyrke, brudmodstand og korrosionsbestandighed. På grund af sin lave udvidelseskoefficient udviser kulfiberbeton fremragende varmebestandighed og minimal termisk deformation.
Den primære funktion af kulfiber i kulfiberbeton er at forhindre udbredelse af mikrorevner i betonen og at forhindre forekomst og udvikling af makrorevner. Derfor er dens trækstyrke og forskydnings-, bøjnings- og vridningsstyrker, som hovedsageligt styres af den primære trækspænding, væsentligt forbedret; samtidig har den en høj matrix-deformationsmodstand, hvilket forbedrer dens trækstyrke, bøjning og slagstyrke. Når kulfibervolumenfraktionen er 1,18 %, øges prøvens spaltningstrækstyrke med 1,2 %. Ifølge kompositreglen skal kulfiberens forstærkende effekt øges med stigningen i fiberindholdet i cement. Når vægtprocenten af kulfiber er mindre end 5 %, er dette forhold næsten lineært. Når indholdet øges yderligere, er kulfiberen vanskelig at sprede jævnt i matrixen, og forstærkningseffekten kan ikke opnås, og selv kulfiberbetonens trækstyrke reduceres. Derudover har kulfiberbeton også god korrosionsbestandighed, permeabilitetsbestandighed, slidstyrke, krympebestandighed og holdbarhed.
Glasfiber
Glasfiberarmeret beton (GFRC) er et kompositmateriale fremstillet ved ensartet fordeling af alkali-resistente glasfibre med et højt elasticitetsmodul gennem cementmørtel eller konventionel beton. Fordi diameteren af glasfibre kun er 5 til 20 μm, næsten identisk med cementpartikler, er bindemidlet, der anvendes i GFRC, cementpasta eller fint sand, næsten uden groft tilslag. Derfor er kompositmaterialer fremstillet med dette materiale også kendt som forstærket cement. GFRC er en fremtidig udviklingstendens inden for byggeteknik. Det overvinder ikke kun manglerne ved konventionelle betonprodukter, såsom tung vægt, lav trækstyrke og dårlig slagfasthed, men har også egenskaber, der ikke findes i konventionel beton. GFRC-produkter er tyndere og lettere. Fordi de bruger glasfibre med ekstrem høj trækstyrke som forstærkning, har de høj trækstyrke. Den ensartede fordeling af glasfibre i betonen forhindrer overfladerevner. Fordi de absorberer betydelig energi under skader, udviser de fremragende slagfasthed og høj bøjningsstyrke. GFRC-produkter tilbyder også fremragende afformningsegenskaber og er nemme at behandle, hvilket gør dem let at tilpasse til forskellige former.
Polypropylenfiberbeton
Polypropylenfiberbeton er et kompositmateriale fremstillet ved jævnt at fordele polypropylenfibre skåret til en bestemt længde i en cementmørtel eller konventionel betonmatrix for at forbedre matrixens fysiske og mekaniske egenskaber. Denne fiber-armerede beton tilbyder fordele såsom letvægt, høj trækstyrke og modstandsdygtighed over for slag og revner. Polypropylenfibre kan også delvist erstatte stålarmering for at reducere betonens vægt og derved øge strukturens seismiske modstand.
Polypropylenfiberbeton er den mest udbredte undersøgte og anvendte beton. Afhængigt af fiberformen og strukturen kan polypropylenfibre kategoriseres som monofilamenter, parallelle fibrillerede fiberbundter og filmfibre. Monofilamenter har et højt aspektforhold, mens parallelle fibrillerede fiberbundter let kan spredes i cementmatrixen. Mens kemisk binding er begrænset, er mekanisk binding stærk, hvilket forhindrer fibrene i at blive trukket ud under stress.
Mens polypropylenfibre har en højere trækstyrke end konventionel beton, er deres elasticitetsmodul relativt lavt, hvilket gør dem tilbøjelige til ekstrem deformation under høje belastningsforhold. Men når en passende mængde polypropylenfiber tilsættes, er slagfastheden af dette kompositmateriale meget større end for almindelig beton. Dette har fundet en meget lovende måde at producere komponenter med lav belastning, men høj slagfasthed og sejhed. Derudover er polypropylenfibre rust-bestandige og har god syre- og alkalibestandighed.
Basalt Fiber
Kontinuerlig basaltfiber (CBF) er et uorganisk fibermateriale fremstillet af ren naturlig vulkansk ekstruderbar sten. Det trækkes hurtigt efter at være smeltet ved en høj temperatur på 1450-1500 grader. Den har et gyldenbrunt udseende, fremragende omfattende ydeevne og en lav pris.
Karakteristika for basaltfibre:
(1) Naturlighed af råvarer. Da råmaterialerne til produktionen af CBF er afhængige af naturlig vulkansk ekstruderbar sten, indeholder den udover dens iboende høje kemiske og termiske stabilitet ingen komponenter, der er skadelige for menneskers sundhed.
(2) Omfattende ydeevne. Basaltfiber er en virkelig "multi-funktionel" fiber. For eksempel er den syre--bestandig, alkali-bestandig, lav-temperatur-bestandig, høj-temperatur-bestandig, varme-isolerende, elektrisk isolerende og lydisolerende-. Dens trækstyrke overstiger den for store-trækkulfibre, og dens forlængelse ved brud er bedre end for små-kulfiber. CBF har en polær overflade og fremragende grænsefladebefugtning, når den er blandet med harpiks. CBF har også tre-dimensionelle molekylære dimensioner, som sammenlignet med lineære polymerfibre med en-dimensionelle molekylære dimensioner har højere trykstyrke, forskydningsstyrke og tilpasningsevne til barske miljøer og ældningsbestandighed, blandt andre fremragende omfattende egenskaber.
(3) Lave omkostninger. Prisen på basaltfibre, der anvendes i cementbeton, er ikke høj, væsentlig lavere end prisen på stålfiber, kulfiber osv., og kan sammenlignes med syntetiske fibre.
(4) Naturlig kompatibilitet. Basaltfiber er en typisk silikatfiber. Det er let at sprede, når det blandes med cement, beton og mørtel. Friskblandet basaltfiberbeton har stabilt volumen, god bearbejdelighed og god holdbarhed. Den har fremragende høj-temperaturbestandighed, anti-siv- og revnemodstand og slagfasthed. Derudover er basaltfibre mere alkali-resistente end alkali-bestandigt glas.
Anvendelser af fiber-armeret beton
Fiber-armeret beton bruges i en række forskellige anvendelser, afhængigt af konstruktørens og bygherrens evne til at udnytte materialets statiske og dynamiske egenskaber. Nogle applikationer omfatter landingsbaner, parkeringshuse, fortove, tunnelbeklædninger, skråningsstabilitet, granater, vægge, rør, brønddæksler, dæmninger, hydrauliske strukturer, viadukter, veje, broer og lagergulve.
Fiber spiller en afgørende rolle i at forbedre betonens ydeevne og holdbarhed. Uanset om det er stålfiber, glasfiber, polypropylenfiber eller naturfiber, har hver type unikke fordele og er velegnet til forskellige byggebehov. Ved korrekt at vælge fibertype og -dosering kan ingeniører ikke kun effektivt forbedre betonens revnemodstand, sejhed og langsigtede-styrke, men også reducere de efterfølgende vedligeholdelsesomkostninger betydeligt. I takt med at byggeteknologien fortsætter med at udvikle sig, er fiber-armeret beton ved at blive en nøgleløsning til at skabe stærkere, sikrere og mere bæredygtige strukturer.
