Bê tông cốt sợi thép (SFRC) là một loại vật liệu composite mới có thể được 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 những năm gần đây. Nó khắc phục được những nhược điểm của bê tông như độ bền kéo thấp, độ giãn dài tối đa nhỏ và tính giòn. Nó có những đặc tính tuyệt vời như độ bền kéo, khả năng chịu uốn, khả năng chịu cắt, khả năng chống nứt, khả năng chống mỏi và độ dẻo dai cao. Nó đã được ứng dụng trong các công trình thủy lợi, đường bộ và cầu, xây dựng và các lĩnh vực kỹ thuật khác.

 

一．Phát triển bê tông cốt sợi thép

 

Bê tông cốt sợi (FRC) là viết tắt của bê tông cốt sợi. Nó thường là một vật liệu composite gốc xi măng bao gồm vữa xi măng, vữa xi măng hoặc bê tông và các vật liệu cốt sợi kim loại, sợi vô cơ hoặc sợi hữu cơ. Đây là một vật liệu xây dựng mới được hình thành bằng cách phân tán đều các sợi ngắn và mảnh có độ bền kéo cao, độ giãn dài tối đa cao và khả năng chống kiềm cao trong ma trận bê tông. Sợi trong bê tông có thể hạn chế sự hình thành các vết nứt sớm trong bê tông và sự lan rộng hơn nữa của các vết nứt dưới tác động của lực bên ngoài, khắc phục hiệu quả các nhược điểm vốn có như độ bền kéo thấp, dễ nứt và khả năng chống mỏi kém của bê tông, đồng thời cải thiện đáng kể hiệu suất chống thấm, chống đông và bảo vệ cốt thép của bê tông. Bê tông cốt sợi, đặc biệt là bê tông cốt sợi thép, ngày càng thu hút sự chú ý trong giới học thuật và kỹ thuật trong thực tiễn xây dựng vì hiệu suất vượt trội của nó. Năm 1907, chuyên gia Liên Xô B. P. Hekpocab bắt đầu sử dụng bê tông cốt sợi kim loại; năm 1910, H.H. Porter đã công bố một báo cáo nghiên cứu về bê tông cốt sợi ngắn, đề xuất rằng các sợi thép ngắn nên được phân tán đều trong bê tông để tăng cường vật liệu nền; Năm 1911, Graham của Hoa Kỳ đã thêm sợi thép vào bê tông thông thường để cải thiện độ bền và độ ổn định của bê tông; Đến những năm 1940, Hoa Kỳ, Anh, Pháp, Đức, Nhật Bản và các nước khác đã thực hiện nhiều nghiên cứu về việc sử dụng sợi thép để cải thiện khả năng chống mài mòn và chống nứt của bê tông, công nghệ sản xuất bê tông sợi thép, và cải thiện hình dạng của sợi thép để tăng cường độ liên kết giữa sợi và ma trận bê tông; Năm 1963, JP Romualdi và GB Batson đã công bố một 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 giữa các sợi thép, đóng vai trò hiệu quả trong ứng suất kéo (lý thuyết khoảng cách sợi), từ đó bắt đầu giai đoạn phát triển thực tiễn của vật liệu composite mới này. Cho 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, chủ yếu có bốn loại: bê tông cốt sợi thép, bê tông cốt sợi hỗn hợp, bê tông cốt sợi thép nhiều lớp và bê tông cốt sợi hỗn hợp nhiều lớp.

 

二.Cơ chế tăng cường độ bền của bê tông cốt sợi thép

 

1. Lý thuyết cơ học vật liệu composite. Lý thuyết cơ học vật liệu composite dựa trên lý thuyết về vật liệu composite sợi liên tục và kết hợp với đặc điểm phân bố của sợi thép trong bê tông. Trong lý thuyết này, vật liệu composite được coi là vật liệu composite hai pha, trong đó sợi là một pha và chất nền là pha còn lại.

 

Lý thuyết khoảng cách sợi. Lý thuyết khoảng cách sợi, còn được gọi là lý thuyết chống nứt, được đề xuất dựa trên cơ học phá vỡ đàn hồi tuyến tính. Lý thuyết này cho rằng hiệu quả gia cường của sợi chỉ liên quan đến khoảng cách sợi được phân bố đồng đều (khoảng cách tối thiểu).

 

三．Phân tích tình trạng phát triển của 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 nhất 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 sợi thép trộn vào thường là 1% ~ 2% theo thể tích, trong khi đó, theo trọng lượng, mỗi mét khối bê tông được trộn khoảng 70 ~ 100kg sợi thép. Chiều dài sợi thép nên từ 25 ~ 60mm, đường kính từ 0,25 ~ 1,25mm, và tỷ lệ chiều dài/đường kính tốt nhất là từ 50 ~ 700. So với bê tông thông thường, bê tông cốt sợi thép không chỉ cải thiện khả năng chịu kéo, chịu cắt, chịu uốn, chịu mài mòn và chịu nứt, mà còn tăng cường đáng kể độ dẻo dai và khả năng chịu va đập của bê tông, đồng thời cải thiện đáng kể khả năng chịu mỏi và độ bền của công trình, đặc biệt là độ dẻo dai có thể tăng lên từ 10 đến 20 lần. Các tính chất cơ học của bê tông cốt sợi thép và bê tông thông thường được so sánh tại Trung Quốc. Khi hàm lượng sợi thép đạt 15% ~ 20% và tỷ lệ nước/xi măng là 0,45, cường độ kéo tăng 50% ~ 70%, cường độ uốn tăng 120% ~ 180%, cường độ va đập tăng 10 ~ 20 lần, cường độ mỏi do va đập tăng 15 ~ 20 lần, độ dẻo dai uốn tăng 14 ~ 20 lần, và khả năng chống mài mòn cũng được cải thiện đáng kể. Do đó, bê tông cốt sợi thép có các đặc tính vật lý và cơ học tốt hơn so với bê tông thường.

2. Bê tông cốt sợi hỗn hợp. Các dữ liệu nghiên cứu liên quan cho thấy sợi thép không làm tăng đáng kể cường độ chịu nén của bê tông, thậm chí còn làm giảm; So với bê tông thường, có những quan điểm tích cực và tiêu cực (tăng và giảm) hoặc thậm chí trung gian về khả năng chống thấm, chống mài mòn, chống va đập và chống mài mòn của bê tông cốt sợi thép và khả năng ngăn ngừa 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, dễ bị gỉ sét và hầu như không có khả năng chống nổ do hỏa hoạn, 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 cốt sợi hỗn hợp (HFRC), cố gắng trộn các loại sợi có tính chất và ưu điểm khác nhau, học hỏi lẫn nhau và phát huy "hiệu ứng hỗn hợp tích cực" ở các cấp độ và giai đoạn tải trọng khác nhau 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 đặc tính cơ học khác nhau của nó, đặc biệt là biến dạng mỏi và hư hỏng do mỏi, quy luật phát triển biến dạng và đặc điểm hư hỏng dưới tải trọng tĩnh và động cũng như tải trọng chu kỳ biên độ không đổi hoặc biên độ thay đổi, lượng trộn tối ưu và tỷ lệ trộn sợi, mối quan hệ giữa các thành phần của vật liệu composite, hiệu quả tăng cường và cơ chế tăng cường, khả năng chống mỏi, cơ chế hư hỏng và công nghệ thi công, các vấn đề về thiết kế tỷ lệ trộn cần được nghiên cứu thêm.

3. Bê tông cốt sợi thép nhiều lớp.Bê tông cốt sợi nguyên khối khó trộn đều, sợi dễ vón cục, lượng sợi lớn và chi phí tương đối cao, ảnh hưởng đến việc ứng dụng rộng rãi. Thông qua nhiều nghiên cứu thực tiễn và lý thuyết, một loại kết cấu sợi thép mới, bê tông cốt sợi thép nhiều lớp (LSFRC), được đề xuất. Một lượng nhỏ sợi thép được phân bố đều trên bề mặt trên và dưới của tấm bê tông, phần giữa vẫn là lớp bê tông thường. Sợi thép trong LSFRC thường được phân bố thủ công hoặc bằng máy. Sợi thép dài, tỷ lệ chiều dài/đường kính thường nằm trong khoảng 70 ~ 120, thể hiện sự phân bố hai chiều. Vật liệu này không chỉ giảm đáng kể lượng sợi thép mà không ảnh hưởng đến tính chất cơ học, đồng thời tránh được hiện tượng vón cục 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 uốn của bê tông. Hiệu quả gia cường của lớp sợi thép ở đáy bê tông là tốt nhất. Khi vị trí của lớp sợi thép di chuyển lên trên, hiệu quả gia cường giảm đáng kể. Cường độ uốn của LSFRC cao hơn hơn 35% so với bê tông thường có cùng tỷ lệ phối trộn, và chỉ thấp hơn một chút so với bê tông cốt sợi thép nguyên khối. Tuy nhiên, LSFRC giúp tiết kiệm đáng kể chi phí vật liệu và không gặp vấn đề khó khăn trong việc trộn. Do đó, LSFRC là một vật liệu mới có nhiều lợi ích kinh tế và xã hội, cùng triển vọng ứng dụng rộng rãi, đáng được phổ biến và ứng dụng trong xây dựng mặt đường.

 

4.Bê tông sợi hỗn hợp nhiều lớp.Bê tông cốt sợi hỗn hợp nhiều lớp (LHFRC) là vật liệu composite được hình thành bằng cách thêm 0,1% sợi polypropylene vào bê tông cốt sợi thép nhiều lớp (LSFRC) và phân bố đều một lượng lớn sợi polypropylene ngắn, mịn, có độ bền kéo cao và độ giãn dài tối đa cao vào lớp bê tông cốt sợi thép phía trên và phía dưới, cùng với lớp bê tông thường ở giữa. Nó có thể khắc phục nhược điểm của lớp bê tông thường trung gian trong 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 thường, cường độ uốn của bê tông thường tăng khoảng 20%, và so với LSFRC, cường độ uốn 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 dẻo dai uốn của bê tông, chỉ số độ dẻo dai 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 loại sợi trong bê tông LHFRC, tùy theo nhu cầu kỹ thuật, hiệu ứng kết hợp 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 dai, khả năng chống 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)