Η ίνες - ενισχυμένο σκυρόδεμα (FRC) είναι ένα σύνθετο υλικό που αποτελείται από τσιμέντο ή υδραυλικό τσιμέντο, νερό, χονδροειδές και λεπτό συσσωματώματα, και μικρές και ομοιόμορφα κατανεμημένες ασυνεχείς ίνες. Οι ίνες μπορούν να είναι χαλύβδινες ίνες, γυάλινες ίνες, ίνες άνθρακα, πολυμερές ίνες, φυτικές ίνες κλπ. Το μήκος συνήθως κυμαίνεται από 3mm έως 64mm και η διάμετρος μπορεί να ποικίλει από μερικά μικρά έως 1mm. Το σταυρό - διατομεακό σχήμα της ίνας μπορεί να είναι κυκλική, ελλειπτική, πολυγωνική, τριγωνική, ημισέληνος ή τετράγωνο, που εξαρτάται κυρίως από τις πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται και τη διαδικασία επεξεργασίας και κατασκευής. Οι ίνες χωρίζονται κυρίως σε δύο κατηγορίες: χονδροειδείς ίνες και λεπτές ίνες. Η διάμετρος ή η ισοδύναμη διάμετρος των λεπτών ινών είναι συνήθως μικρότερη από 0,3 mm, ενώ η διάμετρος ή η ισοδύναμη διάμετρος των χονδροειδών ινών είναι μεγαλύτερη ή ίση με 0,3 mm. Το SO - που ονομάζεται ισοδύναμη διάμετρος είναι η κυκλική διάμετρος που μετατρέπεται από τον ίδιο σταυρό - τομέα ως κυκλική ίνα, δηλαδή, (4a/π) 0.5.
Το ποσοστό όγκου των ινών σε σκυρόδεμα είναι συνήθως 0,1% έως 5%. Το μέγεθος αυτού του ποσοστού όγκου εξαρτάται κυρίως από την ευκολία ανάμειξης του μείγματος και του σεναρίου εφαρμογής του έργου. Για παράδειγμα, οι δευτερογενείς τάσεις που προκαλούνται από τη συρρίκνωση και τις μεταβολές της θερμοκρασίας στο σκυρόδεμα ελέγχονται συνήθως και διαχωρίζονται με χαμηλές δοσολογίες ινών (0,1% έως 0,3% κατ 'όγκο). Όταν η περιεκτικότητα σε ίνες υπερβαίνει το 0,3%, η μηχανική απόκριση του σκυροδέματος των ινών θα είναι σημαντικά διαφορετική από εκείνη του συνηθισμένου σκυροδέματος χωρίς ίνες, κυρίως στο φορτίο του - της χωρητικότητας μετά από ρωγμές. Η ικανότητα του σκυροδέματος για την απορρόφηση ενέργειας μετά από ρωγμές ονομάζεται "σκληρότητα". Όταν προστίθενται υψηλότερες δοσολογίες ινών στο σκυρόδεμα, εκτός από την ανθεκτικότητα μετά από ρωγμές, το σκυρόδεμα των ινών δείχνει επίσης στέλεχος - χαρακτηριστικά ενίσχυσης. Με άλλα λόγια, αυτό το σύνθετο υλικό μπορεί να αντέξει τις τάσεις εφελκυσμού που υπερβαίνουν εκείνες του συνηθισμένου σκυροδέματος. Σε αυτά τα ψευδο - σύνθετα όλκιμου, πολλαπλές ρωγμές και σημαντικά χαρακτηριστικά απορρόφησης ενέργειας και κατανάλωσης ενέργειας συχνά παρατηρούνται.
Τύποι οπλισμένου σκυροδέματος οπλισμού ινών
Το αμερικανικό πρότυπο ASTM C116/C116M δίνει τέσσερις τύπους σκυροδέματος ινών: το πρώτο σκυρόδεμα ινών από χάλυβα (SFRC), το οποίο περιλαμβάνει κυρίως ίνες από ανοξείδωτο χάλυβα, ίνες από χάλυβα κράματος και ίνες ανθρακούχου χάλυβα. Το δεύτερο είναι το σκυρόδεμα γυαλιού (GFRC), το οποίο αποτελείται από αλκάλια - ανθεκτική σε γυάλινες ίνες. Το τρίτο είναι συνθετικό σκυρόδεμα ινών (SYNFRC), και το τέταρτο είναι φυσικό σκυρόδεμα ινών (NFRC).
Όπως μπορεί να φανεί από τον παραπάνω τραπέζι, η αντοχή και το ελαστικό μέτρο των ινών χάλυβα είναι σχετικά υψηλά και δεν είναι εύκολο να σκουριάσει επειδή βρίσκεται σε ένα εξαιρετικά αλκαλικό περιβάλλον. Η επίδραση συγκόλλησης μεταξύ του και του μείγματος μπορεί να επιτύχει πιο αποτελεσματική μηχανική αγκύρωση ενισχύοντας την τραχύτητα και την παραμόρφωση της επιφάνειας.
Οι συνθετικές ίνες είναι κυρίως μη - μεταλλικές ίνες που παράγονται από την ανάπτυξη των πετροχημικών και κλωστοϋφαντουργικών βιομηχανιών, συμπεριλαμβανομένων διαφόρων μορφών πολυμερών. Τα παρακάτω είναι μερικές συνθετικές ίνες που χρησιμοποιούνται συνήθως σε προκατασκευασμένο σκυρόδεμα:
Ανθρακούχα
Σε σύγκριση με τις ίνες χάλυβα, τις ίνες γυαλιού, τις ίνες πολυπροπυλενίου κ.λπ., το πλεονέκτημα των ινών άνθρακα έγκειται στα χαρακτηριστικά του, στο υψηλό μέτρο, στην αντοχή στη θερμότητα, στη χημική σταθερότητα στο αλκαλικό περιβάλλον και σε άλλα διαβρωτικά χημικά περιβάλλοντα. Επιπλέον, έχει το χαρακτηριστικό της σημαντικά βελτίωσης των μηχανικών ιδιοτήτων.
Ίνες ινών νάιλον/πολυαμιδίου
Αυτός ο τύπος ινών έχει καλή αντοχή σε εφελκυσμό, υψηλή αντοχή, ελαστική ανάκτηση και καλή υδροφιλικότητα και είναι σχετικά σταθερή στο τσιμέντο - που βασίζονται σε αλκαλικά περιβάλλοντα.
Πολυπροπυλένιο
Αυτή η ίνα έχει χαμηλό ελαστικό μέτρο και ένα χαμηλό σημείο τήξης, οπότε δεν είναι κατάλληλο για προκατασκευασμένα προϊόντα από σκυρόδεμα κάτω από υψηλές - αυτόκλειστο θερμοκρασία. Ωστόσο, λόγω του χαμηλού σημείου τήξης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ανθεκτικών υλικών ή προϊόντων με υψηλή αντοχή στη φωτιά. Υπάρχουν δύο τύποι ινών πολυπροπυλενίου που χρησιμοποιούνται για ενίσχυση από σκυρόδεμα: μονοπιλικά και ινώδεις ίνες (τεντωμένες ίνες). Αυτές οι ίνες είναι υδρόφοβες και έχουν μεγάλη γωνία επαφής με το νερό. Ως εκ τούτου, έχουν έναν φτωχότερο δεσμό με σκυρόδεμα από τις υδρόφιλες ίνες.
Πολυβινυλική αλκοόλη
Αυτή η ίνα είναι κατασκευασμένη από ρητίνη PVA μέσω πολλαπλών διεργασιών υψηλής έκτασης και έχει υψηλή δυσκαμψία και αντοχή στο νερό. Η κατάσταση διανομής ινών στη βάση σκυροδέματος μπορεί να αλλάξει μέσω ειδικής επιφανειακής επεξεργασίας. Δυστυχώς, η PVA Fiber έχει μεγάλο συντελεστή θερμικής συρρίκνωσης και ο ρυθμός συρρίκνωσής του είναι τόσο υψηλός όσο 4% στους 200 βαθμούς. Έχει καλή αντίσταση σε αλκαλικά περιβάλλοντα και οργανικούς διαλύτες και έχει μικρή απώλεια αντοχής κάτω από μακρά - όρος υπεριώδη ακτινοβολία.
Υαλοπίνακας
Οι ίνες γυαλιού που χρησιμοποιούνται σε σκυρόδεμα πρέπει να περιέχουν τουλάχιστον 16% διοξείδιο του ζιρκονίου για αντίσταση αλκαλίων. Άλλοι τύποι ινών από γυαλί, όπως αλκαλί - δωρεάν ίνες, δεν συνιστώνται για χρήση σε σκυρόδεμα. Οι γυάλινες ίνες έχει υψηλό μέτρο και υψηλή αντοχή και έχει καλό δεσμό με σκυρόδεμα. Η διαφορά μεταξύ του ενισχυμένου σκυροδέματος από γυάλινες ίνες και του άλλου οπλισμένου σκυροδέματος από ίνες είναι η περιεκτικότητα σε ίνες. Το πρώτο έχει ποσοστό όγκου ινών από 4% έως 6%, ενώ το τελευταίο ή άλλο ποσοστό όγκου ινών είναι περίπου 0,1% έως 1%. Για να επιτευχθεί υψηλή περιεκτικότητα σε γυάλινες ίνες, η σύνθεση σκυροδέματος χρειάζεται υψηλή περιεκτικότητα σε τσιμέντο, λεπτό σύνολο και σχεδόν κανένα χονδροειδές αδρανές.
Ο ρόλος των ινών στο σκυρόδεμα
Quasi - Στατική απόκριση φόρτωσης και κρούσης
Οι ίνες μπορούν να βελτιώσουν αποτελεσματικά τις μηχανικές ιδιότητες. Οι δοκιμές σφυριού πτώσης κρούσης δείχνουν ότι η αντοχή κρούσης του σκυροδέματος από πολυπροπυλενίου με περιεκτικότητα σε όγκο 0,1% έως 0,2% είναι υψηλότερη από αυτή του συνηθισμένου σκυροδέματος τόσο στο αρχικό στάδιο ρωγμών όσο και στο τελικό στάδιο κατάγματος. Επί του παρόντος, δεν υπάρχει ενοποιημένη τυποποιημένη μέθοδος δοκιμής για τον προσδιορισμό της αντοχής συμπιεστικού σκυροδέματος, αλλά σχετικές μελέτες έχουν δείξει ότι η αξονική αντοχή σε θλίψη του σκυροδέματος είναι 85% έως 100% υψηλότερη από αυτή του συνηθισμένου σκυροδέματος. Περαιτέρω μελέτες έχουν δείξει ότι κάτω από τα φορτία κρούσης, το σκυρόδεμα ινών δεν έχει προφανή μέγιστη ολκιμότητα στην καθυστερημένη περίοδο συμπίεσης, η οποία είναι κυρίως επειδή τα θραύσματα σκυροδέματος δεν συνδέονται με τις ίνες. Αν και τα αποτελέσματα των δοκιμών δείχνουν ότι ο συντελεστής πρόσκρουσης του σκυροδέματος από χάλυβα είναι το σκυρόδεμα πολυμερών ινών δεν διαφέρει από το συνηθισμένο σκυρόδεμα, με συντελεστή πρόσκρουσης περίπου 1,5. Επιπλέον, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τρεις - διαστάσεων παραμορφωμένες ίνες χάλυβα έχουν έναν πιο προφανή δυναμικό συντελεστή πρόσκρουσης από δύο - διαστάσεων παραμορφωμένες ίνες χάλυβα. Ωστόσο, η αντοχή εφελκυσμού κάτω από δυναμικά φορτία και η υπολειπόμενη ισχύς κάμψης μετά από ρωγμές έχουν βελτιωθεί σημαντικά.
Η απόδοση των ινών σε σκυρόδεμα κάτω από τα φορτία κρούσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη συγκόλληση μεταξύ των ινών και του σκυροδέματος υπό μετατοπίσεις με υψηλά ποσοστά ανάπτυξης ρωγμών. Μελέτες έχουν δείξει ότι με την αύξηση των ρυθμών φόρτωσης, το σκυρόδεμα από χάλυβα έχει υψηλή αντίσταση στην ανάπτυξη ρωγμών, σε σύγκριση με ορισμένα δείγματα από σκυρόδεμα με ίνες πολυπροπυλενίου, αλλά οι τελευταίες μπορούν να καλύψουν γρήγορα την πρώτη. Θεωρείται ότι αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι οι ίδιες οι ίνες πολυπροπυλενίου είναι πιο ευαίσθητες στους ρυθμούς καταπόνησης από τις ίνες χάλυβα.
Έλεγχος των ρωγμών συρρίκνωσης
Είναι γνωστό ότι οι ίνες μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την ελεύθερη συρρίκνωση και άλλες σχετικές πρώιμες - ιδιότητες ηλικίας του τσιμέντου - με βάση τα σύνθετα υλικά. Μελέτες έχουν δείξει ότι η χρήση ινών πολυαιθυλενίου με ποσοστό όγκου περίπου 1% μπορεί να μειώσει την ελεύθερη πλαστική συρρίκνωση του σκυροδέματος κατά 30%. Εκτός από την ελεύθερη συρρίκνωση, χρησιμοποιούνται επίσης διάφορες τεχνικές για τη μελέτη των επιδράσεων των ινών στην περιορισμένη συρρίκνωση του σκυροδέματος. Η προσθήκη ινών χρησιμοποιείται κυρίως για να αλλάξει το πλάτος και το μήκος των ρωγμών συρρίκνωσης σε σκυρόδεμα κάτω από ένα περιορισμένο περιβάλλον. Τα σχετικά συμπεράσματα της έρευνας είναι περίπου τα εξής.
1. Το υλικό των ινών και ο τύπος έχουν μεγάλη επίδραση στις ρωγμές συρρίκνωσης. Για τον ίδιο όγκο περιεκτικότητας σε ίνες, οι ίνες γυαλιού είναι η πιο αποτελεσματική στην αναστολή της ανάπτυξης ρωγμών, ακολουθούμενη από συνθετικές ίνες.
2. Για ένα δεδομένο κλάσμα όγκου ινών και τύπου ινών, μακρύτερο, μικρότερο -} Οι ίνες διαμέτρου είναι πιο αποτελεσματικές από τις μικρότερες, παχύτερες ίνες. Οι ίνες με μεγαλύτερο βαθμό γεωμετρικής παραμόρφωσης στην επιφάνεια είναι πιο αποτελεσματικές από τις μη παραμορφωμένες ίνες.
3 Όσον αφορά τις ίνες των φυτών, οι επικαλυμμένες ή μη επικαλυμμένες ίνες είναι αποτελεσματικές μόνο όταν το ποσοστό όγκου είναι πάνω από 0,3%.
Αδιάβροχο και ανθεκτικό
Τα προκατασκευασμένα συστατικά του σκυροδέματος είναι επιρρεπή σε αποικοδόμηση λόγω επίθεσης θειικού οξέος, απόψυξης - κύκλων κατάψυξης, αλκαλίων - αντιδράσεων πυριτίας και διάβρωσης χαλύβδινων ράβδων. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, η διείσδυση του νερού διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο. Η ανθεκτικότητα των προκατασκευασμένων προϊόντων σκυροδέματος εξαρτάται κυρίως από το ρυθμό εισβολής/διείσδυσης του νερού. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η διαπερατότητα του νερού, με τη σειρά του, εξαρτάται από ρωγμές στο σκυρόδεμα και η αύξηση του πλάτους των ρωγμών από σκυρόδεμα θα έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη διαπερατότητα του νερού. Η ενίσχυση των ινών βελτιώνει την αντοχή σε ρωγμές από σκυρόδεμα, αυξάνει την τραχύτητα της επιφάνειας της ρωγμής και προάγει την ανάπτυξη πολλαπλών ρωγμών, γεγονός που μειώνει σημαντικά τη διαπερατότητα σκυροδέματος. Όσον αφορά το στρες και το στρες - επαγόμενη ρωγμή από σκυρόδεμα, τα αποτελέσματα έχουν δείξει ότι οι ρωγμές στο συνηθισμένο σκυρόδεμα αυξάνουν σημαντικά τη διαπερατότητα του, ενώ η διαπερατότητα των ινών - οπλισμένο σκυρόδεμα είναι σημαντικά χαμηλότερη από αυτή του συνηθισμένου σκυροδέματος. Όσον αφορά τον τρόπο με τον οποίο οι ίνες βελτιώνουν την αντίσταση στο νερό, οι μελέτες έχουν δείξει ότι οι μικροπόρους σε συνηθισμένο σκυρόδεμα μεταβάλλονται σε νανοπόρους λόγω της προσθήκης ινών.
Η διάβρωση του οπλισμού στο προκατασκευασμένο σκυρόδεμα είναι ένα σημαντικό πρόβλημα. Η μόλυνση χλωριδίου στο σκυρόδεμα είναι ένας σημαντικός παράγοντας και οι μηχανισμοί και οι διαδικασίες με τους οποίους διαβρώνει τον χάλυβα είναι καλά κατανοητοί. Δυστυχώς, οι ρωγμές στο σκυρόδεμα επιτρέπουν στα ιόντα χλωριούχου και άλλων διαβρωτικών χημικών ουσιών να εισέλθουν πιο εύκολα, προωθώντας έτσι περαιτέρω διάβρωση. Τα ιόντα χλωριούχου διαχέονται κυρίως μέσω της διείσδυσης του τριχοειδούς νερού, ενώ η διάχυση χλωριδίου εξαρτάται κυρίως από τη διαπερατότητα του νερού.
