Çelik lif takviyeli beton (SFRC), normal betona uygun miktarda kısa çelik lif eklenerek dökülebilen ve püskürtülebilen yeni bir kompozit malzeme türüdür. Son yıllarda yurt içinde ve yurt dışında hızla gelişmiştir. Betonun düşük çekme dayanımı, küçük nihai uzama ve kırılganlık gibi dezavantajlarını ortadan kaldırır. Çekme dayanımı, eğilme direnci, kesme direnci, çatlama direnci, yorulma direnci ve yüksek tokluk gibi mükemmel özelliklere sahiptir. Hidrolik mühendisliği, yol ve köprü, inşaat ve diğer mühendislik alanlarında uygulanmaktadır.
1. Çelik lif takviyeli betonun geliştirilmesi
Elyaf takviyeli beton (FRC), genellikle çimento esaslı, çimento macunu, harç veya beton ve metal elyaf, inorganik elyaf veya organik elyaf takviyeli malzemelerden oluşan bir kompozittir. Yüksek çekme dayanımı, yüksek nihai uzama ve yüksek alkali direncine sahip kısa ve ince liflerin beton matrisine homojen bir şekilde dağıtılmasıyla oluşturulan yeni bir yapı malzemesidir. Betondaki lifler, betonda erken çatlak oluşumunu ve dış kuvvetin etkisi altında çatlakların daha fazla genişlemesini sınırlayarak, betonun düşük çekme dayanımı, kolay çatlama ve zayıf yorulma direnci gibi doğal kusurlarını etkili bir şekilde giderebilir ve betonun geçirimsizlik, su geçirmezlik, donma direnci ve takviye koruma performansını büyük ölçüde iyileştirebilir. Elyaf takviyeli beton, özellikle çelik elyaf takviyeli beton, üstün performansı nedeniyle akademik ve mühendislik çevrelerinde pratik mühendislikte giderek daha fazla ilgi çekmektedir. 1907 yılında Sovyet uzmanı B. P. Hekpocab metal elyaf takviyeli betonu kullanmaya başlamıştır; 1910 yılında HF Porter, kısa çelik liflerin matris malzemelerini güçlendirmek için betona eşit olarak dağıtılması gerektiğini öne süren kısa lif takviyeli beton üzerine bir araştırma raporu yayınladı; 1911 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nden Graham, betonun mukavemetini ve stabilitesini artırmak için sıradan betona çelik lif ekledi; 1940'lara gelindiğinde, Amerika Birleşik Devletleri, İngiltere, Fransa, Almanya, Japonya ve diğer ülkeler, çelik liflerin betonun aşınma direncini ve çatlama direncini artırmak için kullanılması, çelik lifli betonun üretim teknolojisi ve lif ile beton matrisi arasındaki bağ mukavemetini artırmak için çelik lifin şeklinin iyileştirilmesi üzerine birçok araştırma yapmıştı; 1963 yılında JP Romualdi ve GB Batson, çelik lifle sınırlı betonun çatlak oluşum mekanizması üzerine bir makale yayınladı ve çelik lif takviyeli betonun çatlak mukavemetinin, çekme gerilmesinde etkili bir rol oynayan çelik liflerin ortalama aralığı tarafından belirlendiği (lif aralığı teorisi) sonucunu ortaya koyarak, bu yeni kompozit malzemenin pratik geliştirme aşamasını başlattı. Çelik lif takviyeli betonun yaygınlaşması ve uygulanmasıyla birlikte, betondaki liflerin farklı dağılımları nedeniyle bugüne kadar başlıca dört türü ortaya çıkmıştır: çelik lif takviyeli beton, hibrit lif takviyeli beton, katmanlı çelik lif takviyeli beton ve katmanlı hibrit lif takviyeli beton.
2. Çelik lif takviyeli betonun güçlendirme mekanizması
(1)Kompozit mekaniği teorisi. Kompozit mekaniği teorisi, sürekli elyaf kompozitleri teorisine dayanır ve betondaki çelik elyafların dağılım özellikleriyle birleştirilir. Bu teoride kompozitler, bir fazı elyaf, diğer fazı matris olan iki fazlı kompozitler olarak kabul edilir.
(2) Lif aralığı teorisi. Çatlak direnci teorisi olarak da bilinen lif aralığı teorisi, doğrusal elastik kırılma mekaniğine dayanarak önerilmiştir. Bu teori, liflerin takviye etkisinin yalnızca düzgün dağılmış lif aralığı (minimum aralık) ile ilgili olduğunu savunmaktadır.
3. Çelik lif takviyeli betonun gelişim durumuna ilişkin analiz
1. Çelik lif takviyeli beton. Çelik lif takviyeli beton, sıradan betona az miktarda düşük karbonlu çelik, paslanmaz çelik ve FRP lifleri eklenerek oluşturulan nispeten homojen ve çok yönlü bir takviyeli beton türüdür. Çelik lifin karıştırma miktarı genellikle hacimce %1 ~ %2 iken, her metreküp betona ağırlıkça 70 ~ 100 kg çelik lif karıştırılır. Çelik lifin uzunluğu 25 ~ 60 mm, çapı 0,25 ~ 1,25 mm olmalı ve uzunluk/çap oranı en iyi 50 ~ 700 olmalıdır. Sıradan betona kıyasla, sadece çekme, kesme, eğilme, aşınma ve çatlama direncini iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda betonun kırılma tokluğunu ve darbe direncini de büyük ölçüde artırır ve yapının yorulma direncini ve dayanıklılığını önemli ölçüde iyileştirir; özellikle tokluk 10 ~ 20 kat artırılabilir. Çin'de çelik lif takviyeli beton ve sıradan betonun mekanik özellikleri karşılaştırılmıştır. Çelik lif içeriği %15 ila %20 ve su/çimento oranı 0,45 olduğunda, çekme dayanımı %50 ila %70, eğilme dayanımı %120 ila %180, darbe dayanımı 10 ila 20 kat, darbe yorulma dayanımı 15 ila 20 kat, eğilme tokluğu 14 ila 20 kat artar ve aşınma direnci de önemli ölçüde iyileşir. Bu nedenle, çelik lif takviyeli beton, düz betona göre daha iyi fiziksel ve mekanik özelliklere sahiptir.
4. Hibrit fiber beton
İlgili araştırma verileri, çelik liflerin betonun basınç dayanımını önemli ölçüde artırmadığını, hatta azalttığını göstermektedir; düz betonla karşılaştırıldığında, çelik lif takviyeli betonun geçirimsizliği, aşınma direnci, darbe ve yıpranma direnci ve betonun erken plastik büzülmesinin önlenmesi konusunda olumlu ve olumsuz (artış ve azalma) hatta ara görüşler mevcuttur. Ayrıca, çelik lif takviyeli betonun yüksek dozaj, yüksek fiyat, paslanma ve yangından kaynaklanan patlamaya karşı neredeyse hiç direnç göstermemesi gibi bazı sorunları vardır ve bu da uygulamasını çeşitli derecelerde etkilemiştir. Son yıllarda, bazı yerli ve yabancı bilim insanları, farklı özelliklere ve avantajlara sahip lifleri karıştırarak, birbirlerinden öğrenerek ve farklı seviyelerde ve yükleme aşamalarında "olumlu hibrit etkiyi" kullanarak betonun çeşitli özelliklerini geliştirmek ve böylece farklı projelerin ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla hibrit lifli betona (HFRC) ilgi göstermeye başlamıştır. Ancak, çeşitli mekanik özellikleri, özellikle yorulma deformasyonu ve yorulma hasarı, statik ve dinamik yükler ile sabit genlikli veya değişken genlikli döngüsel yükler altındaki deformasyon gelişim yasası ve hasar özellikleri, lifin optimum karıştırma miktarı ve karıştırma oranı, kompozit malzemelerin bileşenleri arasındaki ilişki, güçlendirme etkisi ve güçlendirme mekanizması, yorulma önleyici performans, arıza mekanizması ve yapım teknolojisi açısından, karışım oranı tasarımı sorunlarının daha ayrıntılı olarak incelenmesi gerekmektedir.
5. Katmanlı çelik elyaf takviyeli beton
Tek parça fiber takviyeli betonun eşit şekilde karıştırılması zor, fiberler kolayca topaklanıyor, fiber miktarı fazla ve maliyeti nispeten yüksek olduğundan geniş uygulama alanını etkiliyor. Çok sayıda mühendislik uygulaması ve teorik araştırma sonucunda, yeni bir çelik fiber yapı türü olan katmanlı çelik fiber takviyeli beton (LSFRC) önerilmiştir. Az miktarda çelik fiber, yol döşemesinin üst ve alt yüzeylerine eşit olarak dağıtılırken, orta kısım düz bir beton tabakası olarak kalır. LSFRC'deki çelik fiber genellikle elle veya mekanik olarak dağıtılır. Çelik fiber uzundur ve uzunluk-çap oranı genellikle 70-120 arasındadır, bu da iki boyutlu bir dağılım gösterir. Mekanik özellikleri etkilemeden, bu malzeme sadece çelik fiber miktarını büyük ölçüde azaltmakla kalmaz, aynı zamanda tek parça fiber takviyeli betonun karıştırılmasında fiber topaklanması olgusunu da önler. Ek olarak, betondaki çelik fiber tabakasının konumu, betonun eğilme dayanımı üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Betonun altındaki çelik fiber tabakasının takviye etkisi en iyidir. Çelik lif tabakasının konumu yukarı doğru hareket ettikçe, takviye etkisi önemli ölçüde azalır. LSFRC'nin eğilme dayanımı, aynı karışım oranına sahip düz betona göre %35'ten fazla daha yüksektir, ancak bütünleşik çelik lif takviyeli betona göre biraz daha düşüktür. Bununla birlikte, LSFRC önemli ölçüde malzeme maliyetinden tasarruf sağlar ve karıştırma zorluğu sorunu yoktur. Bu nedenle, LSFRC, iyi sosyal ve ekonomik faydaları ve geniş uygulama potansiyeli olan, yaygınlaştırılması ve yol yapımında uygulanması gereken yeni bir malzemedir.
6. Katmanlı hibrit fiber beton
Katmanlı hibrit fiber takviyeli beton (LHFRC), düşük mukavemetli çelik fiber takviyeli beton (LSFRC) temelinde %0,1 polipropilen fiber eklenerek ve üst ve alt çelik fiber beton katmanlarına ve orta katmandaki düz betona yüksek çekme mukavemeti ve yüksek nihai uzama özelliğine sahip çok sayıda ince ve kısa polipropilen fiberin eşit olarak dağıtılmasıyla oluşturulan kompozit bir malzemedir. LSFRC'nin ara düz beton katmanının zayıflığını giderebilir ve yüzey çelik fiberinin aşınmasından sonra ortaya çıkabilecek potansiyel güvenlik tehlikelerini önleyebilir. LHFRC, betonun eğilme mukavemetini önemli ölçüde artırabilir. Düz betona kıyasla, düz betonun eğilme mukavemeti yaklaşık %20 artarken, LSFRC'ye kıyasla eğilme mukavemeti %2,6 artar, ancak betonun eğilme elastik modülü üzerinde çok az etkisi vardır. LHFRC'nin eğilme elastik modülü, düz betona göre %1,3 daha yüksek ve LSFRC'ye göre %0,3 daha düşüktür. LHFRC, betonun eğilme tokluğunu da önemli ölçüde artırabilir ve eğilme tokluk indeksi, düz betona göre yaklaşık 8 kat, LSFRC'ye göre ise 1,3 kat daha yüksektir. Dahası, LHFRC'deki iki veya daha fazla lifin betondaki farklı performansı nedeniyle, mühendislik ihtiyaçlarına göre, sentetik lif ve çelik lifin betondaki olumlu hibrit etkisi, malzemenin sünekliğini, dayanıklılığını, tokluğunu, çatlak dayanımını, eğilme dayanımını ve çekme dayanımını büyük ölçüde iyileştirmek, malzeme kalitesini artırmak ve malzemenin hizmet ömrünü uzatmak için kullanılabilir.
——Özet (Shanxi mimarisi, Cilt 38, Sayı 11, Chen Huiqing)
Yayın tarihi: 24 Ağustos 2022