Таласаста челична влакна: ребраста структура за чврсто везивање бетонске матрице
Преглед
Бетон{0}}ојачани влакнима (ФРЦ) постао је кључна компонента у побољшању затезне чврстоће и отпорности на пуцање природно крхких цементних матрица у области грађевинских материјала који се брзо мењају. Челична влакна су веома цењена међу различитим врстама влакана због своје изузетне чврстоће на савијање и способности да апсорбују енергију. Међутим, међуфазна веза влакана-матрице, која регулише пренос напона и ширење пукотина, има значајан утицај на ефикасност армирања влакнима. Ребраста или таласаста челична влакна су се појавила као обећавајући дизајн за превазилажење ограничења међуфаза, пошто су недавна побољшања пребацила фокус са конвенционалних равних влакана на прилагођену геометрију.
Проблем интерфацијалног{0}}ојачаног бетона са влакнима
Влакна у бетонској матрици првенствено служе за премошћавање пукотина, повећавајући енергију лома и спречавајући катастрофални квар. Хемијска адхезија, механичка блокада и отпор трења замршено делују у механизму везивања. Главни механизми адхезије и трења у равним, глатким влакнима могу изазвати извлачење влакана-под великим напрезањем ако је веза слаба. Примене које захтевају значајну апсорпцију енергије, као што су зграде отпорне на сеизмику-, тротоари и облоге тунела, чине ово ограничење кључним. Затезна чврстоћа, дужина, пречник и-пре свега-површинска геометрија и оријентација унутар матрице утичу на чврстоћу везе. Предности јачања влакана могу се поништити лошим интерфејсом, што може узроковати локализацију напрезања и прерано отказивање.
Механизам побољшаног лепљења у ребрастом дизајну
Челична влакна имају намерну, периодичну промену у свом попречном-пресеку дуж дужине због свог валовитог или таласастог облика. Овај облик значајно мења однос са околним бетоном на неколико важних начина:
1. Механичка блокада: Унутар стврднуте цементне пасте, врхови и удубљења ребра служе као опипљива сидра. Енергија потребна за одвајање се много повећава када се формира пукотина и напрезање се пренесе на влакно јер бетон мора да се згњечи или деформише око ових анкера да би омогућио извлачење влакана-. У поређењу са чистим трењем, ова техника је знатно ефикаснија.
2. Боља дистрибуција напрезања: дуж уграђене дужине, таласасти облик подстиче равномернију дистрибуцију међуфазних напона. Набори помажу у дисипацији силе, смањујући могућност ломљења матрице и локализованог квара везе, за разлику од равних влакана где се напон концентрише на одређеним локацијама.
3. Отпорност на проблеме са поравнањем: Влакна у бетону имају тенденцију да се поравнају са смером протока када се мешају и постављају. Због своје структуре, валовита влакна могу имати донекле променљиву динамику протока, што би могло да резултира повољнијом и тродимензионалном дистрибуцијом оријентације која побољшава укупне перформансе композита.
Студије о уврнутим и закривљеним челичним влакнима су показале да имају боље перформансе у погледу отпорности на пуцање и извлачење-од равних челичних влакана; ови налази су одмах применљиви и побољшани валовитим дизајном. Друге технологије спајања материјала, као што је стварање чврсто повезаних,-слојева без пукотина у металним композитима софистицираним техникама обраде, деле сличности са овом идејом геометријске оптимизације за перформансе међуфаза.
Разматрање производње и материјала
Челична жица{0}}високе чврстоће се обично подвргава поступцима-формирања или хладног-формирања како би се добила таласаста челична влакна. Кључни фактори дизајна укључују коначну дужину и пречник влакана (однос ширине и висине), амплитуду и фреквенцију набора, и избор челичне легуре. Ова подешавања морају бити измењена за одређени случај употребе:
Однос ширине и висине: Иако може да смањи обрадивост, већи однос ширине и висине (дужина/пречник) обично нуди већу површину за лепљење. У поређењу са веома дугим, равним влакнима, валовити дизајни могу постићи изванредне перформансе везивања чак и са донекле високим односом ширине и висине јер механичка блокада надокнађује смањену површину.
Профил ребра: Ефикасност сидрења и реакција{0}}померања силе током извлачења-зависни су од облика, који може бити трапезоидни, правоугаони или синусни. Истраживања у науци о материјалима су активно усмерена на оптимизацију овог профила.
Циљ је да се произведе влакно које нуди највише{0}}појачања након пукотина док се лако распоређује током мешања без стварања куглица. Влакна спадају у категорију дисконтинуираних влакана, која се најчешће налазе у бетону са насумичном дистрибуцијом.
Употреба и предности за перформансе
Врхунске перформансе структуре и издржљивости за ФРЦ су уско повезане са повећаном чврстоћом везивања таласастих челичних влакана:
Структурни елементи: Таласаста влакна могу успешније заменити или смањити количину традиционалне арматуре од челичних шипки (арматуре) потребне за контролу смицања и лома у гредама, стубовима и плочама. Ово је у складу са АЦИ и РИЛЕМ принципима дизајна, који признају допринос влакана структурном капацитету.
Влакна могу да буду главно ојачање за тротоаре и плоче-на-примену. Врхунска својства контроле пуцања и расподеле оптерећења таласастих влакана минимизирају рефлектоване пукотине, смањују размак између спојева и продужавају век трајања.
Монтажни елементи и млазни бетон: Таласаста челична влакна су савршена за монтажне мостове, архитектонске плоче и млазни бетон за облоге тунела и стабилизацију нагиба због њихове повећане жилавости и отпорности на удар. Под динамичким оптерећењима и током руковања, њихове перформансе гарантују интегритет.
Синергија са историјом материјала: „Обликовање“ или геометрија влакана одређује историју његовог учинка унутар бетона, слично као што историја формирања (штанцање) двофазних челичних танких-структура са танким зидовима у великој мери утиче на њихово крајње понашање приликом судара. Свесна одлука о дизајну која узима у обзир историју перформанси од нивоа материјала навише је употреба таласастих влакана високих{3}}перформанси.
Закључак и изгледи за будућност
Важан напредак у паметном дизајну композитних грађевинских материјала представљају таласаста челична влакна. Они се баве основним проблемом везивања матрице влакана{1}}и тако што прелазе оквире једноставне геометрије на ребрасти облик који максимизира механичко спајање. Резултат тога је већа жилавост, боља контрола пуцања, дужа издржљивост и можда исплативији{3}} дизајн због мање традиционалног ојачања.
Будућа истраживања ће се вероватно концентрисати на коришћење модерне производње и компјутерског моделирања како би се даље побољшала геометрија набора. Чак и виши плафони перформанси могу се постићи интеграцијом са другим развојем, као што су бетонске матрице ултра-високих-перформанси (УХПЦ) или хибридни системи влакана, који комбинују синтетичка и таласаста челична влакна. Таласаста челична влакна су постављена да постану уобичајена спецификација за инжењере који желе да створе бетонске структуре које су издржљивије, ефикасније и одрживије како се прописи о дизајну настављају развијати и у потпуности користити ФРЦ.