Bê tông cốt sợi thép (SFRC) là loại vật liệu composite mới có thể đổ và phun bằng cách thêm một lượng sợi thép ngắn thích hợp vào bê tông thông thường. Nó đã phát triển nhanh chóng trong và ngoài nước trong những năm gần đây. Nó khắc phục những thiếu sót về cường độ kéo thấp, độ giãn dài cuối cùng nhỏ và đặc tính giòn của bê tông. Nó có các đặc tính tuyệt vời như độ bền kéo, khả năng chống uốn, chống cắt, chống nứt, chống mỏi và độ bền cao. Nó đã được áp dụng trong kỹ thuật thủy lực, cầu đường, xây dựng và các lĩnh vực kỹ thuật khác.

 

一．Phát triển bê tông cốt sợi thép

 

Bê tông cốt sợi (FRC) là tên viết tắt của bê tông cốt sợi. Nó thường là hỗn hợp gốc xi măng bao gồm bột xi măng, vữa hoặc bê tông và sợi kim loại, sợi vô cơ hoặc vật liệu gia cố bằng sợi hữu cơ. Nó là vật liệu xây dựng mới được hình thành bằng cách phân tán đồng đều các sợi ngắn và mịn có độ bền kéo cao, độ giãn dài cuối cùng cao và khả năng kháng kiềm cao trong ma trận bê tông. Sợi trong bê tông có thể hạn chế việc tạo ra các vết nứt sớm trong bê tông và sự mở rộng hơn nữa của các vết nứt dưới tác động của ngoại lực, khắc phục hiệu quả các khuyết tật cố hữu như cường độ kéo thấp, dễ nứt và khả năng chống mỏi kém của bê tông, đồng thời cải thiện đáng kể hiệu suất chống thấm, chống thấm, chống băng giá và bảo vệ cốt thép của bê tông. Bê tông cốt sợi, đặc biệt là bê tông cốt sợi thép, ngày càng thu hút được sự chú ý của giới học thuật và kỹ thuật trong kỹ thuật thực tế vì tính năng vượt trội của nó. 1907 Chuyên gia Liên Xô B П. Hekpocab bắt đầu sử dụng bê tông cốt sợi kim loại; Năm 1910, HF Porter công bố báo cáo nghiên cứu về bê tông cốt sợi ngắn, đề xuất rằng các sợi thép ngắn nên được phân bố đều trong bê tông để tăng cường vật liệu ma trận; Năm 1911, Graham của Hoa Kỳ đã thêm sợi thép vào bê tông thông thường để nâng cao cường độ và độ ổn định của bê tông; Đến những năm 1940, Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nhật Bản và các nước khác đã thực hiện rất nhiều nghiên cứu sử dụng sợi thép để nâng cao khả năng chống mài mòn và chống nứt của bê tông, công nghệ sản xuất bê tông sợi thép, cải tiến khả năng chịu mài mòn và chống nứt của bê tông. hình dạng sợi thép nhằm nâng cao cường độ liên kết giữa sợi và nền bê tông; Năm 1963, JP romualdi và GB Batson công bố bài báo về cơ chế phát triển vết nứt của bê tông cốt sợi thép và đưa ra kết luận rằng cường độ nứt của bê tông cốt sợi thép được xác định bởi khoảng cách trung bình của các sợi thép có vai trò hữu hiệu. trong ứng suất kéo (lý thuyết khoảng cách sợi), từ đó bắt đầu giai đoạn phát triển thực tế của vật liệu composite mới này. Đến nay, với sự phổ biến và ứng dụng của bê tông cốt sợi thép, do sự phân bố khác nhau của các sợi trong bê tông nên chủ yếu có 4 loại: bê tông cốt sợi thép, bê tông cốt sợi lai, bê tông cốt sợi thép phân lớp và bê tông lai nhiều lớp. bê tông cốt thép.

 

二.Cơ chế tăng cường bê tông cốt sợi thép

 

1.Lý thuyết cơ học tổng hợp. Lý thuyết cơ học composite dựa trên lý thuyết composite sợi liên tục và kết hợp với đặc tính phân bố của sợi thép trong bê tông. Theo lý thuyết này, vật liệu tổng hợp được coi là vật liệu tổng hợp hai pha với sợi là một pha và ma trận là pha còn lại.

 

Lý thuyết khoảng cách sợi. Lý thuyết khoảng cách sợi hay còn gọi là lý thuyết chống nứt được đề xuất dựa trên cơ học đứt gãy đàn hồi tuyến tính. Lý thuyết này cho rằng tác dụng gia cố của sợi chỉ liên quan đến khoảng cách sợi phân bố đều (khoảng cách tối thiểu).

 

三．Phân tích hiện trạng phát triển bê tông cốt sợi thép

 

1.Bê tông cốt sợi thép.Bê tông cốt sợi thép là một loại bê tông cốt thép tương đối đồng đều và đa hướng được hình thành bằng cách thêm một lượng nhỏ thép cacbon thấp, thép không gỉ và sợi FRP vào bê tông thông thường. Lượng trộn sợi thép thường là 1% ~ 2% theo thể tích, trong khi 70 ~ 100kg sợi thép được trộn trong mỗi mét khối bê tông theo trọng lượng. Chiều dài của sợi thép phải là 25 ~ 60mm, đường kính phải là 0,25 ~ 1,25mm và tỷ lệ chiều dài và đường kính tốt nhất phải là 50 ~ 700. So với bê tông thông thường, nó không chỉ có thể cải thiện độ bền kéo, cắt, uốn , chống mài mòn và nứt, mà còn tăng cường đáng kể độ bền gãy và khả năng chống va đập của bê tông, đồng thời cải thiện đáng kể khả năng chống mỏi và độ bền của kết cấu, đặc biệt là độ bền có thể tăng lên 10 ~ 20 lần. Các tính chất cơ học của bê tông cốt sợi thép và bê tông thông thường được so sánh ở Trung Quốc. Khi hàm lượng sợi thép là 15% ~ 20% và tỷ lệ xi măng nước là 0,45 thì độ bền kéo tăng 50% ~ 70%, độ bền uốn tăng 120% ~ 180%, độ bền va đập tăng 10 ~ 20 lần, độ bền mỏi do va đập tăng 15 ~ 20 lần, độ bền uốn tăng 14 ~ 20 lần và khả năng chống mài mòn cũng được cải thiện đáng kể. Vì vậy, bê tông cốt sợi thép có tính chất cơ lý tốt hơn bê tông thường.

2.Bê tông sợi lai. Số liệu nghiên cứu liên quan cho thấy sợi thép không làm tăng đáng kể cường độ nén của bê tông, thậm chí làm giảm cường độ nén; So với bê tông thường, có những quan điểm tích cực và tiêu cực (tăng, giảm) hoặc thậm chí trung gian về khả năng chống thấm, chống mài mòn, va đập, chống mài mòn của bê tông cốt sợi thép và ngăn ngừa hiện tượng co ngót dẻo sớm của bê tông. Ngoài ra, bê tông cốt sợi thép còn có một số vấn đề như liều lượng lớn, giá thành cao, rỉ sét và hầu như không có khả năng chống nổ do cháy, điều này đã ảnh hưởng đến ứng dụng của nó ở các mức độ khác nhau. Trong những năm gần đây, một số học giả trong và ngoài nước bắt đầu chú ý đến bê tông sợi lai (HFRC), cố gắng trộn các loại sợi có đặc tính và ưu điểm khác nhau, học hỏi lẫn nhau và phát huy "hiệu ứng lai tích cực" ở các cấp độ khác nhau và giai đoạn tải để tăng cường các tính chất khác nhau của bê tông, nhằm đáp ứng nhu cầu của các dự án khác nhau. Tuy nhiên, liên quan đến các tính chất cơ học khác nhau của nó, đặc biệt là biến dạng mỏi và hư hỏng do mỏi, quy luật phát triển biến dạng và các đặc tính hư hỏng dưới tải trọng tĩnh và động và biên độ không đổi hoặc tải trọng chu kỳ biên độ thay đổi, lượng trộn tối ưu và tỷ lệ trộn của sợi, mối quan hệ giữa các thành phần của vật liệu composite, tác dụng tăng cường và cơ chế tăng cường, hiệu suất chống mỏi, cơ chế hư hỏng và công nghệ xây dựng, Các vấn đề về thiết kế tỷ lệ hỗn hợp cần được nghiên cứu thêm.

3. Bê tông cốt sợi thép nhiều lớp.Bê tông cốt sợi nguyên khối không dễ trộn đều, sợi dễ kết tụ, lượng sợi lớn và giá thành tương đối cao, ảnh hưởng đến ứng dụng rộng rãi của nó. Thông qua một số lượng lớn thực hành kỹ thuật và nghiên cứu lý thuyết, một loại kết cấu sợi thép mới, bê tông cốt sợi thép nhiều lớp (LSFRC), đã được đề xuất. Một lượng nhỏ sợi thép được phân bổ đều ở mặt trên và mặt dưới của tấm đường, ở giữa vẫn là lớp bê tông trơn. Sợi thép trong LSFRC thường được phân phối thủ công hoặc cơ học. Sợi thép dài và tỷ lệ đường kính chiều dài thường nằm trong khoảng 70 ~ 120, thể hiện sự phân bố hai chiều. Không ảnh hưởng đến tính chất cơ học, vật liệu này không những làm giảm đáng kể lượng sợi thép mà còn tránh được hiện tượng kết tụ sợi trong quá trình trộn bê tông cốt sợi nguyên khối. Ngoài ra, vị trí của lớp sợi thép trong bê tông có ảnh hưởng lớn đến cường độ chịu uốn của bê tông. Hiệu quả gia cố của lớp sợi thép ở đáy bê tông là tốt nhất. Với vị trí của lớp sợi thép di chuyển lên trên, hiệu quả gia cố giảm đi đáng kể. Cường độ uốn của LSFRC cao hơn 35% so với bê tông thường có cùng tỷ lệ trộn, thấp hơn một chút so với bê tông cốt sợi thép nguyên khối. Tuy nhiên, LSFRC có thể tiết kiệm rất nhiều chi phí nguyên vật liệu và không gặp vấn đề khó trộn. Vì vậy, LSFRC là loại vật liệu mới có lợi ích kinh tế - xã hội tốt và có triển vọng ứng dụng rộng rãi, đáng được phổ biến và ứng dụng trong xây dựng mặt đường.

 

4.Bê tông sợi lai nhiều lớp.Bê tông cốt sợi lai lớp (LHFRC) là vật liệu composite được hình thành bằng cách thêm 0,1% sợi polypropylen trên cơ sở LSFRC và phân bố đều một số lượng lớn sợi polypropylen mịn và ngắn có độ bền kéo cao và độ giãn dài cuối cùng cao ở phần thép trên và dưới bê tông sợi và bê tông trơn ở lớp giữa. Nó có thể khắc phục điểm yếu của lớp bê tông trơn trung gian LSFRC và ngăn ngừa các nguy cơ mất an toàn tiềm ẩn sau khi sợi thép bề mặt bị mòn. LHFRC có thể tăng cường đáng kể cường độ uốn của bê tông. So với bê tông trơn, cường độ uốn của bê tông trơn tăng khoảng 20% ​​và so với LSFRC, cường độ uốn của nó tăng 2,6%, nhưng ít ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi uốn của bê tông. Mô đun đàn hồi uốn của LHFRC cao hơn 1,3% so với bê tông thường và thấp hơn 0,3% so với LSFRC. LHFRC cũng có thể tăng cường đáng kể độ bền uốn của bê tông và chỉ số độ bền uốn của nó gấp khoảng 8 lần so với bê tông thường và gấp 1,3 lần so với LSFRC. Hơn nữa, do hiệu suất khác nhau của hai hoặc nhiều sợi trong LHFRC trong bê tông, theo nhu cầu kỹ thuật, tác dụng lai tích cực của sợi tổng hợp và sợi thép trong bê tông có thể được sử dụng để cải thiện đáng kể độ dẻo, độ bền, độ dẻo dai, độ bền nứt , độ bền uốn và độ bền kéo của vật liệu, nâng cao chất lượng vật liệu và kéo dài tuổi thọ của vật liệu.

——Tóm tắt (Kiến trúc Sơn Tây, Tập 38, Số 11, Chen Huiqing)