Fiber-armeeritud betoon (FRC) viitab tsemendi{1}}põhisele komposiitmaterjalile, mis koosneb tsemendipastast, mördist või betoonist maatriksina ja kiududest armatuurina. Fiber-armeeritud betoon, tuntud ka kui kiudbetoon, viitab tavaliselt tsemendi-põhisele komposiitmaterjalile, mis koosneb tsemendipastast, mördist või betoonist kui maatriksist ja katkendlikest lühikestest kiududest või pidevatest pikkadest kiududest armatuurina. Kiud võivad kontrollida maatriksbetooni pragude edasist arengut, parandades seeläbi pragudekindlust. Kiudude kõrge tõmbetugevus ja venivus suurendavad betooni tõmbe-, painde- ja löögitugevust, venivust ja sitkust. Peamised kiudbetooni tüübid on asbesttsement, teraskiudbetoon, klaaskiudbetoon, polüpropüleenkiudbetoon, süsinikkiudbetoon, taimkiudbetoon ja kõrge elastsusmooduliga sünteeskiudbetoon. See on üldine termin komposiitmaterjalide kohta, mis koosnevad kiududest ja tsemendipõhistest materjalidest{9}} (tsemendipasta, mört või betoon). Tsemendipasta, mördi ja betooni peamised puudused on madal tõmbetugevus, madal lõplik pikenemine ja rabedus. Neid puudusi saab ületada suure tõmbetugevuse, suure pikenemise ja hea leeliskindlusega kiudude lisamisega.
Kiudude roll betoonis:
Tavaline betoon on habras materjal, mis sisaldab juba enne laadimist arvukalt mikropragusid. Suurenevate välisjõudude mõjul need mikropraod järk-järgult laienevad ja lõpuks moodustavad makropraod, mis põhjustavad materjali rikke. Sobiva koguse kiudude lisamine hoiab ära ja pärsib mikropragude teket, parandades oluliselt komposiitmaterjali tõmbe- ja paindetugevust, aga ka purunemisenergiat võrreldes tugevdamata tsemendimaatriksiga. Erinevat tüüpi kiud parandavad erineval määral betooni mitteläbilaskvust, külmumiskindlust, sulamiskindlust, kloriidioonide läbitungimist ja karboniseerumiskindlust. Kiud{5}}armeeritud betoonis kasutatakse peamiselt lühikesi kiude, millel on kindel kuvasuhe (kiu pikkuse ja läbimõõdu suhe). Mõnikord kasutatakse aga pikki kiude (nagu klaaskiust heie ja polüpropüleenkile) või kiudtooteid (nagu klaaskiudvõrk ja klaaskiudmatt). Lõplikku tõmbetugevust saab suurendada 30{10}}50%. Kiudude peamine ülesanne kiud{12}armeeritud betoonis on piirata pragude teket tsemendimaatriksis väliste jõudude mõjul. Laadimise algstaadiumis (pingutamine ja painutamine), kui koostisained on sobivad ja lisatakse sobiv kõrge -efektiivsusega vett-redutseeriv aine, kannavad tsemendipõhi ja kiud koos välisjõudu, kusjuures esimene on välisjõu peamine kandja; kui põhi praguneb, muutuvad pragude risti kiud välisjõu peamisteks kandjateks. Oletame, et kiu mahusisaldus ületab teatud kriitilise väärtuse. Sel juhul suudab kogu komposiitmaterjal jätkuvalt taluda suuremaid koormusi ja tekitada suuremaid deformatsioone, kuni kiud on purunenud või alusmaterjalist välja tõmmatud, mis komposiitmaterjali hävitab. Võrreldes tavalise betooniga on kiudbetoonil suurem lõplik tõmbe- ja paindetugevus, eriti suurem sitkus.
Ühised kiudude klassifikatsioonid
Kiud võib klassifitseerida nende materjalide omaduste järgi:
① Metallkiud, nt teraskiud (teraskiudraudbetoon) ja roostevabast terasest kiud (sobivad kuuma{0}}kindla betooni jaoks).
② Anorgaanilised kiud, peamiselt looduslikud mineraalkiud (krüsotiil, krokidoliit, amosiit jne) ja tehislikud mineraalkiud (leelise-kindlad klaaskiud, süsinikkiud, nt leelise-kindel mineraalvill).
③ Orgaanilised kiud, peamiselt sünteetilised kiud (polüetüleen, polüvinüülalkohol, nailon, aromaatne polüimiid jne) ja taimsed kiud (sisal, agaav jne). Sünteeskiudraudbetooni ei tohi kasutada keskkonnas, mille temperatuur on üle 60 kraadi.
Nende elastsusmooduli järgi võib kiud jagada kahte suurde kategooriasse:
Kiudusid, mille elastsusmoodul on väiksem kui tsemendimaatriksil, nimetatakse painduvateks kiududeks, sealhulgas polüpropüleenkiud, nailonkiud ja tsellulooskiud.
Kiude, mille elastsusmoodul on suurem kui maatriksil, nimetatakse jäikadeks kiududeks, nagu teraskiud, klaaskiud ja süsinikkiud.
Levinud betoonkiud ja nende omadused
Teraskiud
Betooni, mis on valmistatud sobiva koguse teraskiudude lisamisel tavalisse betooni, nimetatakse teraskiudbetooniks või teraskiudbetooniks. Võrreldes tavalise betooniga on selle tõmbetugevus, paindetugevus, kulumiskindlus, löögikindlus, väsimuskindlus, sitkus, pragunemiskindlus ja plahvatuskindlus oluliselt paranenud. Kõrgtugev-terasest traatlõigatud-otskonks--tüüpi kiud, valuplokiga freesitud-otskonks-tüüpi kiud, pügatud erikujulised-kiud ja madala-legeerterasest sulatatud-tõmmatud kiud on märkimisväärselt laienemas betooni liimimise tõttu laialdasemalt kasutatavate projektide puhul praod, betooni tugevdamine ja kõvenemine.
Eelised ja miinused
Teraskiu tehniline eelis on selle võime suurendada betooni sitkust ja tõmbetugevust. Kuid teraskiud kipuvad segamise ajal kokku kleepuma, mille tulemuseks on halb töödeldavus, raske pumpamine, raske konstruktsioon ja vastuvõtlikkus roostele. Lisaks on teraskiudbetoon raske ja nõuab märkimisväärset terase tootmist, mis suurendab terase tarbimist ja kulusid. Teraskiudude purunemise peamine vorm kasutamise ajal on pigem väljatõmbamine kui purunemine, mis näitab, et teraskiudude nakkumine betooniga on ebapiisav, mis mõjutab betooni tõmbetugevuse paranemist. Karastamise ja tugevdamise põhimõte seisneb selles, et pragude tekkimisel takistab terase kõrge moodul ja üksiku kiu kõrge tõmbetugevus pragude edasist väljakujunemist; Piiratud arvu tõttu ei ole mikropragude piiramise mõju aga märkimisväärne ning -imbumisvastase, külmumise-sulamise ja muude omaduste paranemine pole ilmne. Lisaks on teraskiudude tihedus ehituse ajal liiga suur ning vibratsiooni ja valamise käigus vajuvad need sageli betooni põhja, mistõttu ei ole võimalik neid ühtlaselt jaotada. See on peamine põhjus, miks teoreetilised uurimistulemused on head, kuid tegelikud rakenduse mõjud on väga erinevad.
Süsinikkiud
Süsinikkiudon komposiitmaterjal, milles süsinikkiud on tsemendimaatriksis ühtlaselt hajutatud, et parandada betooni füüsikalisi ja mehaanilisi omadusi. Süsinikkiust betooni põhiomaduste hulka kuuluvad suurepärased mehaanilised omadused, veekindlus ja vastupidavus loomulikele temperatuurikõikumistele, mida tavapärases raudbetoonis ei leidu. Sellel on ka stabiilsed keemilised omadused, -kestev mehaaniline tugevus ja mõõtmete stabiilsus väga leeliselises keskkonnas.
Terase asendamine süsinikkiuga välistab mereveest põhjustatud raudbetooni lagunemise ja riknemise, vähendab ehitusdetailide kaalu, hõlbustab paigaldamist ja ehitamist ning lühendab ehitusgraafikuid. Süsinikkiul on ka vibratsiooni-summutusomadused, mis neelavad lööklaineid ning suurendavad seismilist takistust ja paindetugevust enam kui kümme korda. Süsinikkiust betoonil on kõrge tõmbetugevus, paindetugevus, purunemiskindlus ja korrosioonikindlus. Tänu madalale paisumistegurile on süsinikkiust betoon suurepärane kuumakindlus ja minimaalne termiline deformatsioon.
Süsinikkiu esmane ülesanne süsinikkiust betoonis on takistada mikropragude levimist betooni sees ning takistada makropragude tekkimist ja teket. Seetõttu paranevad oluliselt selle tõmbetugevus ning nihke-, painde- ja väändetugevused, mida juhib peamiselt põhitõmbepinge; samal ajal on sellel suur maatriksi deformatsioonikindlus, mis parandab selle tõmbe-, painde- ja löögikindlust. Kui süsinikkiu mahuosa on 1,18%, suureneb proovi lõhenemistõmbetugevus 1,2%. Komposiitreegli kohaselt peaks süsinikkiu tugevdav toime suurenema koos kiusisalduse suurenemisega tsemendis. Kui süsinikkiu massiprotsent on alla 5%, on see seos peaaegu lineaarne. Sisalduse edasisel suurenemisel on süsinikkiudu raske maatriksis ühtlaselt hajutada ja tugevdavat efekti ei ole võimalik saavutada ning isegi süsinikkiust betooni tõmbetugevus väheneb. Lisaks on süsinikkiust betoonil ka hea korrosioonikindlus, vastupidavus läbilaskvusele, kulumiskindlus, kokkutõmbumiskindlus ja vastupidavus.
Klaaskiud
Klaaskiudbetoon (GFRC) on komposiitmaterjal, mis on valmistatud kõrge elastsusmooduliga leelisekindlate{0}}klaaskiudude ühtlase jaotamise teel tsemendimördis või tavapärases betoonis. Kuna klaaskiudude läbimõõt on vaid 5 kuni 20 μm, mis on peaaegu identne tsemendiosakestega, on GFRC-s kasutatav sideaine tsemendipasta või peen liiv, millel praktiliselt puudub jäme täiteaine. Seetõttu nimetatakse selle materjaliga valmistatud komposiitmaterjale ka tugevdatud tsemendiks. GFRC on ehitustehnika tuleviku arengusuund. See mitte ainult ei ületa tavaliste betoontoodete puudusi, nagu suur kaal, madal tõmbetugevus ja halb löögikindlus, vaid omab ka omadusi, mida tavapärasel betoonil ei leidu. GFRC tooted on õhemad ja kergemad. Kuna nad kasutavad tugevdusena ülikõrge tõmbetugevusega klaaskiude, on neil kõrge tõmbetugevus. Klaaskiudude ühtlane jaotus betoonis hoiab ära pinna pragunemise. Kuna need neelavad kahjustuste ajal märkimisväärset energiat, on neil suurepärane löögikindlus ja suur paindetugevus. GFRC tooted pakuvad ka suurepäraseid vormimisomadusi ja neid on lihtne töödelda, muutes need hõlpsasti kohandatavaks erinevate kujunditega.
Polüpropüleenkiudbetoon
Polüpropüleenkiudbetoon on komposiitmaterjal, mis on valmistatud kindla pikkusega polüpropüleenkiudude ühtlaselt jaotamisel tsemendimördis või tavapärases betoonmaatriksis, et parandada maatriksi füüsikalisi ja mehaanilisi omadusi. See kiud{1}}armeeritud betoon pakub selliseid eeliseid nagu kerge kaal, kõrge tõmbetugevus ning löögi- ja pragunemiskindlus. Polüpropüleenkiud võivad ka osaliselt asendada terasarmatuuri, et vähendada betooni massi, suurendades seeläbi konstruktsiooni seismilist vastupidavust.
Polüpropüleenkiudbetoon on enim uuritud ja kasutatud betoon. Sõltuvalt kiu kujust ja struktuurist võib polüpropüleenkiud liigitada monokiududeks, paralleelsete fibrilleeritud kiukimpude ja kilekiudude alla. Monofilamentidel on kõrge kuvasuhe, samas kui paralleelseid fibrilleeritud kiukimpusid saab tsemendimaatriksis kergesti hajutada. Kuigi keemiline sidumine on piiratud, on mehaaniline side tugev, vältides kiudude väljatõmbamist pinge all.
Kuigi polüpropüleenkiududel on suurem tõmbetugevus kui tavalisel betoonil, on nende elastsusmoodul suhteliselt madal, mis muudab need suure pinge tingimustes äärmuslikuks deformatsiooniks. Kui aga lisada sobiv kogus polüpropüleenkiudu, on selle komposiitmaterjali löögikindlus palju suurem kui tavalisel betoonil. See on leidnud väga paljulubava viisi väikese koormusega, kuid suure löögikindluse ja sitkusega komponentide tootmiseks. Lisaks on polüpropüleenkiud roostekindel- ning hea happe- ja leelisekindlusega.
Basaltkiud
Pidev basaltkiud (CBF) on anorgaaniline kiudmaterjal, mis on valmistatud puhtast looduslikust vulkaanilisest ekstrusioonikivist. See tõmbab kiiresti pärast sulamist kõrgel temperatuuril 1450-1500 kraadi. Sellel on kuldpruun välimus, suurepärane terviklik jõudlus ja madal hind.
Basaltkiu omadused:
(1) Tooraine looduslikkus. Kuna CBF-i tootmiseks kasutatavad toorained sõltuvad looduslikust vulkaanilisest ekstrusioonikivist, ei sisalda see lisaks loomupärasele kõrgele keemilisele ja termilisele stabiilsusele ühtegi inimese tervisele kahjulikku komponenti.
(2) Igakülgne jõudlus. Basaltkiud on tõeliselt "multi-funktsionaalne" kiud. Näiteks on see happe-kindel, leelise-kindel, madala-temperatuuri-kindel, kõrge-temperatuuri-kindel, soojust{10}}isoleeriv, elektrit isoleeriv ja heli{11}}kindel. Selle tõmbetugevus ületab suurte-puksiirsüsinikkiudude oma ja selle katkemispikenemine on parem kui väikestel{14}}pukseeritavatel süsinikkiududel. CBF-il on vaiguga segamisel polaarne pind ja suurepärane liidese märguvus. CBF-il on ka kolme-dimensioonilised molekulimõõtmed, millel on võrreldes ühe-mõõtmelise molekulaarse mõõtmega lineaarsete polümeerkiududega suurem survetugevus, nihketugevus ja kohanemisvõime karmi keskkonna ja vananemiskindluse ning muude suurepäraste kõikehõlmavate omadustega.
(3) Madalad kulud. Tsementbetoonis kasutatava basaltkiu hind ei ole kõrge, oluliselt madalam teraskiu, süsinikkiu jms omast ning võrreldav sünteetiliste kiududega.
(4) Loomulik ühilduvus. Basaltkiud on tüüpiline silikaatkiud. Tsemendi, betooni ja mördiga segamisel on seda lihtne hajutada. Värskelt segatud basaltkiudbetoonil on stabiilne maht, hea töödeldavus ja hea vastupidavus. Sellel on suurepärane vastupidavus kõrgele-temperatuurile, lekke- ja pragunemisvastane-kindlus ning löögikindlus. Lisaks on basaltkiud leelisekindlam-kui leelise{9}}kindel klaas.
Fiber{0}}raudbetooni rakendused
Kiud{0}}raudbetooni kasutatakse mitmesugustes rakendustes, olenevalt ehitaja ja ehitaja võimest kasutada ära materjali staatilisi ja dünaamilisi omadusi. Mõned rakendused hõlmavad maandumisradasid, parkimismajasid, kõnniteid, tunnelite vooderdusi, nõlvade stabiilsust, kestasid, seinu, torusid, kaevukaaneid, tamme, hüdrokonstruktsioone, viadukte, teid, sildu ja laopõrandaid.
Kiud mängib olulist rolli betooni jõudluse ja vastupidavuse parandamisel. Olenemata sellest, kas see on teraskiud, klaaskiud, polüpropüleenkiud või looduslik kiud, on igal tüübil ainulaadsed eelised ja see sobib erinevate ehitusvajaduste jaoks. Kiudude tüübi ja annuse õigesti valides saavad insenerid mitte ainult tõhusalt parandada betooni pragunemiskindlust, sitkust ja pikaajalist-tugevust, vaid ka vähendada märkimisväärselt hilisemaid hoolduskulusid. Kuna ehitustehnoloogia areneb edasi, on kiud{4}}raudbetoonist saamas võtmelahendus tugevamate, ohutumate ja jätkusuutlikumate konstruktsioonide loomisel.
