Aktuelle Situation und Entwicklung von Stahlfaserbeton

Stahlfaserbeton (SFRC) ist ein neuartiger Verbundwerkstoff, der gegossen und gespritzt werden kann, indem man gewöhnlichem Beton eine entsprechende Menge kurzer Stahlfasern hinzufügt. Es hat sich in den letzten Jahren im In- und Ausland rasant entwickelt. Es überwindet die Nachteile der geringen Zugfestigkeit, der geringen Bruchdehnung und der Sprödigkeit von Beton. Es verfügt über hervorragende Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Scherfestigkeit, Rissfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und hohe Zähigkeit. Es wird im Wasserbau, im Straßen- und Brückenbau, im Bauwesen und in anderen Bereichen des Ingenieurwesens eingesetzt.

1. Entwicklung von Stahlfaserbeton
Faserbeton (FRC) ist die Abkürzung für Faserbeton. Es handelt sich in der Regel um einen Verbundwerkstoff auf Zementbasis, der aus Zementleim, Mörtel oder Beton und mit Metallfasern, anorganischen Fasern oder organisch faserverstärkten Materialien besteht. Es handelt sich um einen neuen Baustoff, der durch gleichmäßige Verteilung kurzer und feiner Fasern mit hoher Zugfestigkeit, hoher Bruchdehnung und hoher Alkalibeständigkeit in der Betonmatrix entsteht. Fasern im Beton können die Entstehung früher Risse im Beton und die weitere Ausbreitung von Rissen unter Einwirkung äußerer Kräfte begrenzen, die inhärenten Mängel wie geringe Zugfestigkeit, leichte Rissbildung und schlechte Ermüdungsbeständigkeit des Betons wirksam überwinden und die Leistung erheblich verbessern von Undurchlässigkeit, Wasserdichtigkeit, Frostbeständigkeit und Bewehrungsschutz von Beton. Faserbeton, insbesondere stahlfaserverstärkter Beton, hat aufgrund seiner überlegenen Leistungsfähigkeit in akademischen und ingenieurwissenschaftlichen Kreisen im praktischen Ingenieurwesen immer mehr Aufmerksamkeit erregt. 1907 Sowjetischer Experte B П. Hekpocab begann, metallfaserverstärkten Beton zu verwenden; Im Jahr 1910 veröffentlichte HF Porter einen Forschungsbericht über kurzfaserverstärkten Beton, in dem er vorschlug, dass kurze Stahlfasern gleichmäßig im Beton verteilt werden sollten, um Matrixmaterialien zu verstärken; Im Jahr 1911 fügte Graham aus den Vereinigten Staaten gewöhnlichem Beton Stahlfasern hinzu, um die Festigkeit und Stabilität des Betons zu verbessern; In den 1940er Jahren hatten die Vereinigten Staaten, Großbritannien, Frankreich, Deutschland, Japan und andere Länder umfangreiche Forschungen zur Verwendung von Stahlfasern zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Rissbeständigkeit von Beton, zur Herstellungstechnologie von Stahlfaserbeton und zur Verbesserung der durchgeführt Form der Stahlfaser zur Verbesserung der Verbindungsfestigkeit zwischen Faser und Betonmatrix; Im Jahr 1963 veröffentlichten JP Romualdi und GB Batson einen Artikel über den Rissentwicklungsmechanismus von Stahlfaserbeton und kamen zu dem Schluss, dass die Rissfestigkeit von Stahlfaserbeton durch den durchschnittlichen Abstand der Stahlfasern bestimmt wird, der eine wirksame Rolle spielt in Zugspannung (Faserabstandstheorie) und leitet damit die praktische Entwicklungsphase dieses neuen Verbundwerkstoffs ein. Bisher gibt es mit der Popularisierung und Anwendung von stahlfaserverstärktem Beton aufgrund der unterschiedlichen Faserverteilung im Beton hauptsächlich vier Arten: stahlfaserverstärkter Beton, Hybridfaserbeton, geschichteter stahlfaserverstärkter Beton und geschichtete Hybridfaser Stahlbeton.

2. Verstärkungsmechanismus von Stahlfaserbeton
(1) Theorie der zusammengesetzten Mechanik. Die Theorie der Verbundwerkstoffmechanik basiert auf der Theorie der Endlosfaserverbundwerkstoffe und kombiniert sie mit den Verteilungseigenschaften von Stahlfasern im Beton. In dieser Theorie werden Verbundwerkstoffe als zweiphasige Verbundwerkstoffe mit Fasern als einer Phase und Matrix als der anderen Phase betrachtet.
(2)Faserabstandstheorie. Die Faserabstandstheorie, auch Risswiderstandstheorie genannt, wird auf der Grundlage der linearen elastischen Bruchmechanik vorgeschlagen. Diese Theorie besagt, dass die Verstärkungswirkung von Fasern nur mit dem gleichmäßig verteilten Faserabstand (Mindestabstand) zusammenhängt.

3. Analyse zum Entwicklungsstand von Stahlfaserbeton
1.Stahlfaserverstärkter Beton. Stahlfaserbeton ist eine Art relativ gleichmäßiger und multidirektionaler Stahlbeton, der durch Zugabe einer kleinen Menge kohlenstoffarmer Stahl-, Edelstahl- und FRP-Fasern zu gewöhnlichem Beton entsteht. Die Mischmenge an Stahlfasern beträgt im Allgemeinen 1 bis 2 Vol.-%, während 70 bis 100 kg Stahlfasern pro Kubikmeter Beton nach Gewicht gemischt werden. Die Länge der Stahlfaser sollte 25 bis 60 mm betragen, der Durchmesser sollte 0,25 bis 1,25 mm betragen und das beste Verhältnis von Länge zu Durchmesser sollte 50 bis 700 betragen. Im Vergleich zu gewöhnlichem Beton kann es nicht nur die Zug-, Scher- und Biegefestigkeit verbessern , Verschleiß- und Rissbeständigkeit, sondern auch die Bruchzähigkeit und Schlagzähigkeit von Beton erheblich verbessern und die Ermüdungsbeständigkeit und Haltbarkeit der Struktur erheblich verbessern, insbesondere kann die Zähigkeit um das 10- bis 20-fache erhöht werden. In China werden die mechanischen Eigenschaften von Stahlfaserbeton und Normalbeton verglichen. Wenn der Gehalt an Stahlfasern 15 % bis 20 % und das Wasserzementverhältnis 0,45 beträgt, erhöht sich die Zugfestigkeit um 50 % bis 70 %, die Biegefestigkeit um 120 % bis 180 % und die Schlagfestigkeit um 10 bis 20 Mal erhöht sich die Schlagfestigkeit um das 15- bis 20-fache, die Biegezähigkeit um das 14- bis 20-fache und auch die Verschleißfestigkeit wird deutlich verbessert. Daher weist Stahlfaserbeton bessere physikalische und mechanische Eigenschaften auf als einfacher Beton.

4. Hybridfaserbeton
Einschlägige Forschungsdaten zeigen, dass Stahlfasern die Druckfestigkeit von Beton nicht wesentlich fördern oder gar verringern; Im Vergleich zu reinem Beton gibt es positive und negative (Zunahme und Abnahme) oder sogar Zwischenbewertungen hinsichtlich der Undurchlässigkeit, Verschleißfestigkeit, Schlag- und Verschleißfestigkeit von Stahlfaserbeton und der Verhinderung eines frühen plastischen Schwindens von Beton. Darüber hinaus weist stahlfaserverstärkter Beton einige Probleme auf, wie z. B. große Dosierung, hoher Preis, Rost und nahezu keine Beständigkeit gegen durch Feuer verursachtes Bersten, was seine Anwendung in unterschiedlichem Maße beeinträchtigt hat. In den letzten Jahren haben einige in- und ausländische Wissenschaftler begonnen, sich mit Hybridfaserbeton (HFRC) zu befassen und zu versuchen, Fasern mit unterschiedlichen Eigenschaften und Vorteilen zu mischen, voneinander zu lernen und den „positiven Hybrideffekt“ auf verschiedenen Ebenen zu nutzen Ladestufen zur Verbesserung verschiedener Betoneigenschaften, um den Anforderungen verschiedener Projekte gerecht zu werden. Im Hinblick auf seine verschiedenen mechanischen Eigenschaften, insbesondere seine Ermüdungsverformung und Ermüdungsschäden, das Verformungsentwicklungsgesetz und die Schadenseigenschaften unter statischen und dynamischen Belastungen sowie zyklischen Belastungen mit konstanter Amplitude oder variabler Amplitude, ist jedoch die optimale Mischungsmenge und das Mischungsverhältnis der Fasern die Beziehung zwischen Komponenten von Verbundwerkstoffen, Verstärkungseffekt und Verstärkungsmechanismus, Anti-Ermüdungsleistung, Versagensmechanismus und Konstruktionstechnologie. Die Probleme des Mischungsverhältnisdesigns müssen weiter untersucht werden.

5. Geschichteter Stahlfaserbeton
Monolithischer faserverstärkter Beton lässt sich nicht leicht gleichmäßig mischen, die Fasern lassen sich leicht agglomerieren, die Fasermenge ist groß und die Kosten sind relativ hoch, was sich auf seine breite Anwendung auswirkt. Durch eine Vielzahl ingenieurtechnischer Praxis und theoretischer Forschung wird eine neue Art von Stahlfaserstruktur, der schichtfaserverstärkte Beton (LSFRC), vorgeschlagen. Auf der Ober- und Unterseite der Fahrbahnplatte ist eine kleine Menge Stahlfasern gleichmäßig verteilt, in der Mitte befindet sich noch eine schlichte Betonschicht. Die Stahlfaser in LSFRC wird im Allgemeinen manuell oder maschinell verteilt. Die Stahlfaser ist lang und das Längen-Durchmesser-Verhältnis liegt im Allgemeinen zwischen 70 und 120, was eine zweidimensionale Verteilung zeigt. Ohne die mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen, reduziert dieses Material nicht nur die Menge an Stahlfasern erheblich, sondern vermeidet auch das Phänomen der Faseragglomeration beim Mischen von Integralfaserbeton. Darüber hinaus hat die Lage der Stahlfaserschicht im Beton großen Einfluss auf die Biegefestigkeit des Betons. Die Verstärkungswirkung der Stahlfaserschicht an der Unterseite des Betons ist am besten. Mit zunehmender Position der Stahlfaserschicht nimmt die Verstärkungswirkung deutlich ab. Die Biegefestigkeit von LSFRC ist um mehr als 35 % höher als die von reinem Beton bei gleichem Mischungsverhältnis, was etwas niedriger ist als die von integriertem Stahlfaserbeton. Allerdings kann LSFRC eine Menge Materialkosten einsparen und es gibt kein Problem mit schwierigem Mischen. Daher ist LSFRC ein neues Material mit guten sozialen und wirtschaftlichen Vorteilen und breiten Anwendungsaussichten, das einer Popularisierung und Anwendung im Straßenbau würdig ist.

6. Schichtförmiger Hybridfaserbeton
Schichthybridfaserbeton (LHFRC) ist ein Verbundwerkstoff, der durch die Zugabe von 0,1 % Polypropylenfasern auf der Basis von LSFRC und die gleichmäßige Verteilung einer großen Anzahl feiner und kurzer Polypropylenfasern mit hoher Zugfestigkeit und hoher Bruchdehnung im oberen und unteren Stahl entsteht Faserbeton und der Normalbeton in der Mittelschicht. Es kann die Schwäche der LSFRC-Zwischenbetonschicht überwinden und potenzielle Sicherheitsrisiken nach Abnutzung der Oberflächenstahlfaser verhindern. LHFRC kann die Biegefestigkeit von Beton erheblich verbessern. Im Vergleich zu Normalbeton ist die Biegefestigkeit von Normalbeton um etwa 20 % erhöht, und im Vergleich zu LSFRC ist die Biegefestigkeit um 2,6 % erhöht, hat jedoch nur geringe Auswirkungen auf den Biegeelastizitätsmodul von Beton. Der Biegeelastizitätsmodul von LHFRC ist 1,3 % höher als der von Normalbeton und 0,3 % niedriger als der von LSFRC. LHFRC kann auch die Biegezähigkeit von Beton erheblich verbessern, und sein Biegezähigkeitsindex ist etwa achtmal so hoch wie der von reinem Beton und 1,3-mal so hoch wie der von LSFRC. Darüber hinaus kann aufgrund der unterschiedlichen Leistung von zwei oder mehr Fasern in LHFRC in Beton je nach technischem Bedarf der positive Hybrideffekt von synthetischen Fasern und Stahlfasern in Beton genutzt werden, um die Duktilität, Haltbarkeit, Zähigkeit und Rissfestigkeit erheblich zu verbessern , Biegefestigkeit und Zugfestigkeit des Materials, verbessern die Materialqualität und verlängern die Lebensdauer des Materials.

——Zusammenfassung (Shanxi-Architektur, Bd. 38, Nr. 11, Chen Huiqing)