الوضع الحالي وتطور الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية

الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية (SFRC) هي نوع جديد من المواد المركبة التي يمكن صبها ورشها عن طريق إضافة كمية مناسبة من الألياف الفولاذية القصيرة إلى الخرسانة العادية. لقد تطورت بسرعة في الداخل والخارج في السنوات الأخيرة. إنه يتغلب على عيوب قوة الشد المنخفضة، والاستطالة النهائية الصغيرة والخصائص الهشة للخرسانة. لديها خصائص ممتازة مثل قوة الشد، مقاومة الانحناء، مقاومة القص، مقاومة الشقوق، مقاومة التعب والمتانة العالية. لقد تم تطبيقه في الهندسة الهيدروليكية والطرق والجسور والبناء والمجالات الهندسية الأخرى.

1. تطوير الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية
الخرسانة المسلحة بالألياف (FRC) هي اختصار للخرسانة المسلحة بالألياف. وهو عادة مركب ذو أساس أسمنتي يتكون من معجون أسمنتي أو ملاط ​​أو خرسانة وألياف معدنية أو ألياف غير عضوية أو مواد مقواة بالألياف العضوية. إنها مادة بناء جديدة تتكون من ألياف قصيرة ودقيقة مشتتة بشكل موحد مع قوة شد عالية واستطالة نهائية عالية ومقاومة عالية للقلويات في المصفوفة الخرسانية. يمكن للألياف الموجودة في الخرسانة أن تحد من توليد الشقوق المبكرة في الخرسانة وزيادة توسيع الشقوق تحت تأثير القوة الخارجية، والتغلب بشكل فعال على العيوب الكامنة مثل قوة الشد المنخفضة، والتكسير السهل وضعف مقاومة التعب للخرسانة، وتحسين الأداء بشكل كبير من النفاذية، ومقاوم للماء، ومقاومة الصقيع وحماية التسليح للخرسانة. لقد اجتذبت الخرسانة المسلحة بالألياف، وخاصة الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية، المزيد والمزيد من الاهتمام في الدوائر الأكاديمية والهندسية في الهندسة العملية بسبب أدائها المتفوق. 1907 الخبير السوفيتي ب. بدأ Hekpocab في استخدام الخرسانة المسلحة بالألياف المعدنية. في عام 1910، نشر إتش إف بورتر تقريرًا بحثيًا عن الخرسانة المسلحة بالألياف القصيرة، يقترح أن الألياف الفولاذية القصيرة يجب أن تكون مشتتة بالتساوي في الخرسانة لتقوية المواد الأساسية؛ في عام 1911، أضاف جراهام من الولايات المتحدة الألياف الفولاذية إلى الخرسانة العادية لتحسين قوة وثبات الخرسانة؛ بحلول الأربعينيات من القرن العشرين، كانت الولايات المتحدة وبريطانيا وفرنسا وألمانيا واليابان ودول أخرى قد أجرت الكثير من الأبحاث حول استخدام ألياف الفولاذ لتحسين مقاومة التآكل ومقاومة التشقق للخرسانة، وتكنولوجيا تصنيع الخرسانة المصنوعة من ألياف الفولاذ، وتحسين شكل الألياف الفولاذية لتحسين قوة الترابط بين الألياف والمصفوفة الخرسانية؛ في عام 1963، نشر جي بي روموالدي وجي بي باتسون بحثًا عن آلية تطوير الشقوق للخرسانة المحصورة بألياف الفولاذ، وطرحا استنتاجًا مفاده أن قوة التشقق للخرسانة المسلحة بألياف الفولاذ يتم تحديدها من خلال متوسط ​​المسافة بين ألياف الفولاذ والتي تلعب دورًا فعالًا. في إجهاد الشد (نظرية تباعد الألياف)، وبالتالي بدء مرحلة التطوير العملي لهذه المادة المركبة الجديدة. حتى الآن، مع تعميم وتطبيق الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية، نظرًا للتوزيع المختلف للألياف في الخرسانة، هناك أربعة أنواع رئيسية: الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية، والخرسانة المسلحة بالألياف الهجينة، والخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية ذات الطبقات، والألياف الهجينة ذات الطبقات الخرسانة المسلحة.

2. آلية تقوية الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية
(1) نظرية الميكانيكا المركبة. تعتمد نظرية ميكانيكا المركبات على نظرية مركبات الألياف المستمرة ويتم دمجها مع خصائص توزيع الألياف الفولاذية في الخرسانة. في هذه النظرية، تعتبر المواد المركبة عبارة عن مركبات ثنائية الطور، حيث تكون الألياف مرحلة واحدة والمصفوفة هي الطور الآخر.
(2) نظرية تباعد الألياف. تم اقتراح نظرية تباعد الألياف، والمعروفة أيضًا باسم نظرية مقاومة الشقوق، استنادًا إلى ميكانيكا الكسر المرنة الخطية. ترى هذه النظرية أن تأثير التعزيز للألياف يرتبط فقط بتباعد الألياف الموزع بشكل موحد (الحد الأدنى للتباعد).

3. تحليل حالة تطور الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية
1. الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية. الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية هي نوع من الخرسانة المسلحة المنتظمة ومتعددة الاتجاهات والتي يتم تشكيلها عن طريق إضافة كمية صغيرة من الفولاذ منخفض الكربون والفولاذ المقاوم للصدأ وألياف FRP إلى الخرسانة العادية. كمية الخلط من الألياف الفولاذية بشكل عام هي 1% ~ 2% من حيث الحجم، في حين يتم خلط 70 ~ 100 كجم من الألياف الفولاذية في كل متر مكعب من الخرسانة حسب الوزن. يجب أن يكون طول الألياف الفولاذية 25 ~ 60 مم، ويجب أن يكون القطر 0.25 ~ 1.25 مم، ويجب أن تكون أفضل نسبة للطول إلى القطر 50 ~ 700. بالمقارنة مع الخرسانة العادية، فهي لا يمكنها فقط تحسين الشد والقص والانحناء ، مقاومة التآكل والشقوق، ولكن أيضًا تعزز بشكل كبير صلابة الكسر ومقاومة الصدمات للخرسانة، وتحسن بشكل كبير مقاومة التعب ومتانة الهيكل، خاصة يمكن زيادة المتانة بنسبة 10 ~ 20 مرة. تتم مقارنة الخواص الميكانيكية للخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية والخرسانة العادية في الصين. عندما يكون محتوى ألياف الفولاذ 15% ~ 20% ونسبة الأسمنت المائي 0.45، تزيد قوة الشد بنسبة 50% ~ 70%، وتزيد قوة الانثناء بنسبة 120% ~ 180%، وتزيد قوة التأثير بنسبة 10 ~ 20 مرات، تزيد قوة إجهاد الصدمات بمقدار 15 إلى 20 مرة، وتزيد صلابة الانثناء بمقدار 14 إلى 20 مرة، كما تم تحسين مقاومة التآكل بشكل كبير. ولذلك، فإن الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية لها خواص فيزيائية وميكانيكية أفضل من الخرسانة العادية.

4. الخرسانة الليفية الهجينة
تشير البيانات البحثية ذات الصلة إلى أن الألياف الفولاذية لا تعزز بشكل كبير قوة الضغط للخرسانة، أو حتى تقللها؛ بالمقارنة مع الخرسانة العادية، هناك وجهات نظر إيجابية وسلبية (زيادة ونقصان) أو حتى وسيطة حول النفاذية، ومقاومة التآكل، والتأثير ومقاومة التآكل للخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية ومنع الانكماش البلاستيكي المبكر للخرسانة. بالإضافة إلى ذلك، تعاني الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية من بعض المشاكل، مثل الجرعة الكبيرة، والسعر المرتفع، والصدأ، وعدم وجود مقاومة تقريبًا للانفجار الناجم عن الحريق، مما أثر على تطبيقها بدرجات متفاوتة. في السنوات الأخيرة، بدأ بعض العلماء المحليين والأجانب في الاهتمام بالألياف الخرسانية الهجينة (HFRC)، محاولين مزج الألياف ذات خصائص ومزايا مختلفة، والتعلم من بعضها البعض، وإفساح المجال أمام "التأثير الهجين الإيجابي" على مستويات مختلفة و مراحل التحميل لتعزيز الخصائص المختلفة للخرسانة، وذلك لتلبية احتياجات المشاريع المختلفة. ومع ذلك، فيما يتعلق بخصائصها الميكانيكية المختلفة، وخاصة تشوه الكلال وأضرار الكلال، وقانون تطور التشوه وخصائص الضرر تحت الأحمال الساكنة والديناميكية والسعة الثابتة أو الأحمال الدورية ذات السعة المتغيرة، وكمية الخلط المثالية ونسبة الخلط من الألياف، فإن العلاقة بين مكونات المواد المركبة وتأثير التقوية وآلية التقوية والأداء المضاد للتعب وآلية الفشل وتكنولوجيا البناء، تحتاج مشاكل تصميم نسبة المزيج إلى مزيد من الدراسة.

5. طبقات الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية
ليس من السهل خلط الخرسانة المسلحة بالألياف المتجانسة بالتساوي، والألياف سهلة التكتل، وكمية الألياف كبيرة، والتكلفة مرتفعة نسبيًا، مما يؤثر على تطبيقها على نطاق واسع. من خلال عدد كبير من الممارسات الهندسية والأبحاث النظرية، تم اقتراح نوع جديد من هيكل الألياف الفولاذية، وهو طبقة الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية (LSFRC). يتم توزيع كمية صغيرة من الألياف الفولاذية بالتساوي على الأسطح العلوية والسفلية لبلاطة الطريق، ولا يزال الوسط عبارة عن طبقة خرسانية عادية. يتم توزيع الألياف الفولاذية في LSFRC بشكل عام يدويًا أو ميكانيكيًا. الألياف الفولاذية طويلة، ونسبة طول القطر بشكل عام بين 70 ~ 120، مما يدل على توزيع ثنائي الأبعاد. دون التأثير على الخواص الميكانيكية، هذه المادة لا تقلل بشكل كبير من كمية الألياف الفولاذية فحسب، بل تتجنب أيضًا ظاهرة تكتل الألياف في خلط الخرسانة المسلحة بالألياف المتكاملة. بالإضافة إلى ذلك، فإن موضع طبقة الألياف الفولاذية في الخرسانة له تأثير كبير على قوة الانثناء للخرسانة. إن تأثير التعزيز لطبقة الألياف الفولاذية في الجزء السفلي من الخرسانة هو الأفضل. مع تحرك موضع طبقة الألياف الفولاذية للأعلى، فإن تأثير التعزيز ينخفض ​​بشكل ملحوظ. إن قوة الانحناء للـ LSFRC أعلى بنسبة 35% من الخرسانة العادية بنفس نسبة الخلط، وهي أقل قليلاً من الخرسانة المسلحة بألياف الفولاذ المتكاملة. ومع ذلك، يمكن لـ LSFRC توفير الكثير من تكلفة المواد، ولا توجد مشكلة في الخلط الصعب. ولذلك، فإن LSFRC عبارة عن مادة جديدة ذات فوائد اجتماعية واقتصادية جيدة وآفاق تطبيق واسعة، وهي تستحق النشر والتطبيق في بناء الرصف.

6. طبقات الخرسانة المصنوعة من الألياف الهجينة
طبقة الخرسانة المسلحة بالألياف الهجينة (LHFRC) عبارة عن مادة مركبة يتم تشكيلها عن طريق إضافة 0.1% من ألياف البولي بروبيلين على أساس LSFRC وتوزيع عدد كبير من ألياف البولي بروبيلين الدقيقة والقصيرة بالتساوي مع قوة شد عالية واستطالة نهائية عالية في الفولاذ العلوي والسفلي. الخرسانة الليفية والخرسانة العادية في الطبقة الوسطى. يمكنها التغلب على ضعف الطبقة الخرسانية العادية المتوسطة LSFRC ومنع مخاطر السلامة المحتملة بعد تآكل الألياف الفولاذية السطحية. يمكن لـ LHFRC أن يعزز بشكل كبير قوة الانحناء للخرسانة. بالمقارنة مع الخرسانة العادية، فإن قوة الانثناء للخرسانة العادية تزيد بحوالي 20%، وبالمقارنة مع LSFRC، تزيد قوة الانثناء بنسبة 2.6%، ولكن لها تأثير ضئيل على معامل الانثناء المرن للخرسانة. معامل الانحناء المرن للـ LHFRC أعلى بنسبة 1.3% من الخرسانة العادية وأقل بنسبة 0.3% من معامل الانحناء المرن LSFRC. يمكن لـ LHFRC أيضًا أن يعزز بشكل كبير صلابة الانثناء للخرسانة، ويبلغ مؤشر صلابة الانثناء حوالي 8 أضعاف الخرسانة العادية و1.3 مرة من LSFRC. علاوة على ذلك، نظرًا للأداء المختلف لاثنين أو أكثر من الألياف في LHFRC في الخرسانة، وفقًا للاحتياجات الهندسية، يمكن استخدام التأثير الهجين الإيجابي للألياف الاصطناعية والألياف الفولاذية في الخرسانة لتحسين الليونة والمتانة والمتانة وقوة التشقق بشكل كبير. تعمل قوة الانثناء وقوة الشد للمادة على تحسين جودة المادة وإطالة عمر خدمة المادة.

—— الملخص (عمارة شانشي، المجلد 38، العدد 11، تشن هويكينغ)