Valovita čelična vlakna: rebrasta struktura za čvrsto vezivanje betonske matrice
Pregled
Beton ojačan vlaknima- (FRC) postao je ključna komponenta u poboljšanju vlačne čvrstoće i otpornosti na pucanje prirodno krhkih cementnih matrica u oblasti građevinskih materijala koji se brzo mijenjaju. Čelična vlakna su visoko cijenjena među različitim vrstama vlakana zbog svoje izuzetne čvrstoće na savijanje i sposobnosti da apsorbiraju energiju. Međutim, međufazna veza vlakana-matrice, koja regulira prijenos napona i širenje pukotina, ima značajan utjecaj na efikasnost armiranja vlaknima. Valovita ili valovita čelična vlakna su se pojavila kao obećavajući dizajn za prevazilaženje ograničenja međufaza, budući da su nedavna poboljšanja prebacila fokus sa konvencionalnih ravnih vlakana na prilagođenu geometriju.
Problem interfacijalnog-ojačanog betona
Vlakna u betonskoj matrici prvenstveno služe za premošćivanje pukotina, povećavajući energiju loma i sprečavajući katastrofalni kvar. Hemijska adhezija, mehanička blokada i otpor trenja zamršeno djeluju u mehanizmu vezivanja. Glavni mehanizmi adhezije i trenja u ravnim, glatkim vlaknima mogu uzrokovati izvlačenje vlakana-pod velikim naprezanjem ako je veza slaba. Primjene koje zahtijevaju značajnu apsorpciju energije, kao što su zgrade otporne na seizmiku-, trotoari i obloge tunela, čine ovo ograničenje ključnim. Zatezna čvrstoća vlakna, dužina, promjer i-prije svega-površinska geometrija i orijentacija unutar matrice utiču na čvrstoću veze. Prednosti jačanja vlakana mogu se poništiti lošim sučeljem, što može uzrokovati lokalizaciju naprezanja i prijevremeni kvar.
Mehanizam poboljšanog lijepljenja u valovitom dizajnu
Čelična vlakna imaju namjernu, periodičnu promjenu u svom poprečnom-presjeku duž svoje dužine zbog svog valovitog ili valovitog oblika. Ovaj oblik značajno mijenja odnos sa okolnim betonom na nekoliko važnih načina:
1. Mehanička blokada: Unutar stvrdnute cementne paste, vrhovi i udubljenja rebra služe kao opipljiva sidra. Energija potrebna za odvajanje se znatno povećava kada se formira pukotina i naprezanje se prenese na vlakno jer beton mora da se zgnječi ili deformira oko ovih ankera kako bi se omogućilo izvlačenje vlakana-. U poređenju sa čistim trenjem, ova tehnika je znatno efikasnija.
2. Bolja distribucija naprezanja: duž ugrađene dužine, valoviti oblik podstiče ravnomjerniju raspodjelu međufaznih naprezanja. Nabori pomažu u disipaciji sile, smanjujući mogućnost lomljenja matrice i lokaliziranog kvara veze, za razliku od ravnih vlakana gdje se napon koncentrira na određenim lokacijama.
3. Otpornost na probleme poravnanja: Vlakna u betonu imaju tendenciju da se poravnaju sa smjerom protoka kada se miješaju i postavljaju. Zbog svoje strukture, valovita vlakna mogu imati donekle promjenjivu dinamiku protoka, što bi moglo rezultirati povoljnijom i trodimenzionalnom distribucijom orijentacije koja poboljšava ukupne performanse kompozita.
Studije na tordiranim i zakrivljenim čeličnim vlaknima su pokazale da imaju bolje performanse u smislu otpornosti na pucanje i izvlačenje-od ravnih čeličnih vlakana; ovi nalazi su odmah primjenjivi i poboljšani valovitim dizajnom. Druge tehnologije spajanja materijala, kao što je stvaranje čvrsto povezanih, bez pukotina, gradijentnih slojeva u metalnim kompozitima sofisticiranim tehnikama obrade, dijele sličnosti sa ovom idejom geometrijske optimizacije za performanse međufaza.
Razmatranje proizvodnje i materijala
-Čelična žica visoke čvrstoće se obično podvrgava postupcima valjanja-formiranja ili hladnog-formiranja kako bi se stvorila valovita čelična vlakna. Ključni faktori dizajna uključuju konačnu dužinu i promjer vlakana (omjer širine i visine), amplitudu i frekvenciju nabora, te odabir čelične legure. Ove postavke treba izmijeniti za određeni slučaj upotrebe:
Omjer širine i visine: Iako može smanjiti obradivost, veći omjer stranica (dužina/prečnik) obično nudi veću površinu za lijepljenje. U poređenju s vrlo dugim, ravnim vlaknima, valoviti dizajni mogu postići izvanredne performanse spajanja čak i uz nešto visoke omjere stranica, jer mehanička blokada nadoknađuje smanjenu površinu.
Profil rebra: Efikasnost sidrenja i reakcija-pomeranja sile tokom izvlačenja-utječu oblik, koji može biti trapezoidni, pravougaoni ili sinusoidni. Istraživanja u nauci o materijalima su aktivno fokusirana na optimizaciju ovog profila.
Cilj je proizvesti vlakno koje nudi najviše -pojačanja nakon pukotina, dok se lako raspoređuje tokom miješanja bez stvaranja kuglica. Vlakna spadaju u kategoriju diskontinuirane armature vlaknima, koja se najčešće nalazi u betonu sa nasumičnom distribucijom.
Upotreba i prednosti za performanse
Vrhunske performanse strukture i izdržljivosti za FRC usko su povezane s povećanom čvrstoćom vezivanja valovitih čeličnih vlakana:
Strukturni elementi: Valovita vlakna mogu uspješnije zamijeniti ili smanjiti količinu tradicionalnog ojačanja čeličnim šipkama (armaturom) potrebnog za kontrolu smicanja i loma u gredama, stupovima i pločama. Ovo je u skladu sa ACI i RILEM principima dizajna, koji priznaju doprinos vlakana strukturnom kapacitetu.
Vlakna mogu biti glavno ojačanje za trotoare i ploče-na-primjenama na tlu. Vrhunska kontrola pucanja i svojstva raspodjele opterećenja valovitih vlakana minimiziraju reflektovane pukotine, smanjuju razmak spojeva i produžuju vijek trajanja.
Montažni elementi i mlazni beton: Valovita čelična vlakna su savršena za montažne mostove, arhitektonske ploče i mlazni beton za obloge tunela i stabilizaciju nagiba zbog njihove povećane žilavosti i otpornosti na udar. Pod dinamičkim opterećenjima i tokom rukovanja, njihove performanse garantuju integritet.
Sinergija sa historijom materijala: "formiranje" ili geometrija vlakna određuje historiju njegove performanse unutar betona, slično kao što historija formiranja (utiskivanje) dvofaznih čeličnih tankih-struktura u velikoj mjeri utječe na njihovo konačno ponašanje pri udaru. Svjesna dizajnerska odluka koja uzima u obzir ovu istoriju performansi od nivoa materijala naviše je upotreba valovitih vlakana visokih{3}}performansi.
Zaključak i izgledi za budućnost
Važan napredak u pametnom dizajnu kompozitnih građevinskih materijala predstavljaju valovita čelična vlakna. Oni se bave osnovnim problemom vezivanja matrice vlakana{1}}i tako što prelaze okvire jednostavne geometrije na rebrasti oblik koji maksimizira mehaničko spajanje. Rezultat toga je veća čvrstoća, bolja kontrola pucanja, duža izdržljivost i moguće isplativiji dizajn-zbog manje tradicionalnog ojačanja.
Buduća istraživanja će se vjerovatno koncentrirati na korištenje moderne proizvodnje i kompjuterskog modeliranja kako bi se dodatno poboljšala geometrija nabora. Čak i viši plafoni performansi mogu se postići integracijom sa drugim razvojima, kao što su betonske matrice ultra-visokih-performansi (UHPC) ili hibridni sistemi vlakana, koji kombinuju sintetička i valovita čelična vlakna. Valovita čelična vlakna su postavljena da postanu uobičajena specifikacija za inženjere koji žele stvoriti betonske konstrukcije koje su izdržljivije, učinkovitije i održivije kako se propisi o dizajnu nastavljaju razvijati i u potpunosti koristiti FRC.