Unter faserverstärktem Beton (FRC) versteht man ein Verbundmaterial auf Zementbasis, das aus Zementleim, Mörtel oder Beton als Matrix und Fasern als Verstärkung besteht. Unter faserverstärktem Beton, auch Faserbeton genannt, versteht man in der Regel ein zementbasiertes Verbundmaterial, das aus Zementleim, Mörtel oder Beton als Matrix und diskontinuierlichen kurzen Fasern oder kontinuierlichen langen Fasern als Verstärkung besteht. Fasern können die weitere Entwicklung von Rissen im Matrixbeton kontrollieren und so die Rissbeständigkeit verbessern. Die hohe Zugfestigkeit und Dehnung der Fasern verbessern die Zug-, Biege- und Schlagfestigkeit, Dehnung und Zähigkeit des Betons. Zu den wichtigsten Arten von Faserbeton gehören Asbestzement, Stahlfaserbeton, Glasfaserbeton, Polypropylenfaserbeton, Kohlefaserbeton, Pflanzenfaserbeton und synthetischer Faserbeton mit hohem Elastizitätsmodul. Dabei handelt es sich um eine allgemeine Bezeichnung für Verbundwerkstoffe, die aus Fasern und Materialien auf Zementbasis (Zementpaste, Mörtel oder Beton) bestehen. Die Hauptnachteile von Zementleim, Mörtel und Beton sind geringe Zugfestigkeit, geringe Bruchdehnung und Sprödigkeit. Diese Nachteile können durch die Zugabe von Fasern mit hoher Zugfestigkeit, hoher Bruchdehnung und guter Alkalibeständigkeit überwunden werden.
Die Rolle von Fasern in Beton:
Normaler Beton ist ein sprödes Material, das bereits vor der Belastung zahlreiche Mikrorisse aufweist. Unter zunehmenden äußeren Kräften dehnen sich diese Mikrorisse allmählich aus und bilden schließlich Makrorisse, was zu Materialversagen führt. Durch die Zugabe einer angemessenen Fasermenge wird das Wachstum von Mikrorissen verhindert und gehemmt, wodurch die Zug- und Biegefestigkeit sowie die Bruchenergie des Verbundmaterials im Vergleich zur unverstärkten Zementmatrix deutlich verbessert werden. Verschiedene Arten von Fasern verbessern in unterschiedlichem Maße die Undurchlässigkeit, den Frost-/Tauwiderstand, den Widerstand gegen das Eindringen von Chloridionen und den Karbonatisierungswiderstand von Beton. Faser-verstärkter Beton verwendet hauptsächlich kurze Fasern mit einem bestimmten Aspektverhältnis (dem Verhältnis von Faserlänge zu Durchmesser). Manchmal werden jedoch auch lange Fasern (z. B. Glasfaserroving und Polypropylen-Faserfolie) oder Faserprodukte (z. B. Glasfasernetze und Glasfasermatten) verwendet. Die maximale Zugfestigkeit kann um 30-50 % erhöht werden. Die Hauptfunktion von Fasern in faserverstärktem Beton besteht darin, das Wachstum von Rissen in der Zementmatrix unter Einwirkung äußerer Kräfte zu begrenzen. In der Anfangsphase der Belastung (Zug und Biegung), wenn die Inhaltsstoffe geeignet sind und ein geeignetes hocheffizientes Wasserreduktionsmittel hinzugefügt wird, tragen die Zementbasis und die Fasern gemeinsam die äußere Kraft, wobei erstere der Hauptträger der äußeren Kraft ist. Wenn die Basis reißt, werden die Fasern über den Rissen zum Hauptträger der äußeren Kraft. Angenommen, der Volumengehalt der Faser überschreitet einen bestimmten kritischen Wert. In diesem Fall kann der gesamte Verbundwerkstoff weiterhin höheren Belastungen standhalten und größere Verformungen hervorrufen, bis die Fasern brechen oder aus dem Grundmaterial herausgezogen werden und der Verbundwerkstoff zerstört wird. Im Vergleich zu gewöhnlichem Beton weist Faserbeton eine höhere Zug- und Biegefestigkeit auf, insbesondere die Verbesserung der Zähigkeit.
Gemeinsame Klassifizierungen von Fasern
Fasern können anhand ihrer Materialeigenschaften klassifiziert werden:
① Metallfasern wie Stahlfasern (stahlfaserverstärkter Beton) und Edelstahlfasern (geeignet für hitzebeständigen Beton).
② Anorganische Fasern, hauptsächlich natürliche Mineralfasern (Chrysotil, Krokydolith, Amosit usw.) und künstliche Mineralfasern (alkalibeständige Glasfasern, Kohlenstofffasern wie alkalibeständige Mineralwolle).
③ Organische Fasern, hauptsächlich synthetische Fasern (Polyethylen, Polyvinylalkohol, Nylon, aromatisches Polyimid usw.) und Pflanzenfasern (Sisal, Agave usw.). Kunstfaserverstärkter Beton sollte nicht in Umgebungen mit Temperaturen über 60 Grad verwendet werden.
Basierend auf ihrem Elastizitätsmodul können Fasern in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden:
Fasern mit einem Elastizitätsmodul, das kleiner als der der Zementmatrix ist, werden als flexible Fasern bezeichnet, einschließlich Polypropylenfasern, Nylonfasern und Zellulosefasern.
Fasern mit einem größeren Elastizitätsmodul als dem der Matrix werden als starre Fasern bezeichnet, beispielsweise Stahlfasern, Glasfasern und Kohlenstofffasern.
Gängige Betonfasern und ihre Eigenschaften
Stahlfaser
Beton, der durch die Einarbeitung einer angemessenen Menge an Stahlfasern in gewöhnlichen Beton entsteht, wird als Stahlfaserbeton oder stahlfaserverstärkter Beton bezeichnet. Im Vergleich zu gewöhnlichem Beton sind seine Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Verschleißfestigkeit, Schlagfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Zähigkeit, Rissbeständigkeit und Explosionsbeständigkeit deutlich verbessert. Hoch{2}}geschnittene{3}Endhaken-Fasern aus Stahldraht, in Barren gefräste -Endhaken-Fasern, gescherte, speziell-geformte Fasern und aus niedrig{8}legierter Stahlschmelze-gezogene Fasern finden aufgrund ihrer verbesserten Bindung mit der Betonmatrix, die eine deutliche Verhinderung von Rissen sowie eine Verstärkung und Zähigkeit des Betons ermöglicht, eine weitverbreitete Anwendung in Ingenieurprojekten.
Vor- und Nachteile
Der technische Vorteil von Stahlfasern besteht in ihrer Fähigkeit, die Zähigkeit und Zugfestigkeit von Beton zu erhöhen. Allerdings neigen die Stahlfasern beim Mischen dazu, zu verklumpen, was zu schlechter Verarbeitbarkeit, schwierigem Pumpen, schwieriger Konstruktion und Rostanfälligkeit führt. Darüber hinaus ist Stahlfaserbeton schwer und erfordert eine erhebliche Stahlproduktion, was den Stahlverbrauch und die Kosten erhöht. Die Hauptform des Versagens von Stahlfasern während des Gebrauchs ist das Herausziehen und nicht das Brechen, was darauf hindeutet, dass die Haftung der Stahlfasern am Beton unzureichend ist, was sich auf die Verbesserung der Zugfestigkeit des Betons auswirkt. Das Prinzip der Zähigkeit und Verstärkung besteht darin, dass beim Auftreten von Rissen der hohe Elastizitätsmodul des Stahls und die hohe Zugfestigkeit einer einzelnen Faser verhindern, dass sich die Risse weiter entwickeln; Aufgrund der begrenzten Anzahl ist der Effekt der Eindämmung von Mikrorissen jedoch nicht signifikant und die Verbesserung der Eigenschaften gegen -Einsickern, Einfrieren-Tauen und andere Eigenschaften ist nicht offensichtlich. Darüber hinaus ist die Dichte der Stahlfasern beim Bau zu hoch und sie sinken beim Rütteln und Gießen häufig auf den Boden des Betons, sodass eine gleichmäßige Verteilung nicht mehr möglich ist. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass die theoretischen Forschungsergebnisse gut sind, die tatsächlichen Anwendungseffekte jedoch stark variieren.
Kohlefaser
Kohlefaserist ein Verbundwerkstoff, bei dem Kohlenstofffasern gleichmäßig in einer Zementmatrix verteilt sind, um die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Betons zu verbessern. Zu den Hauptmerkmalen von Carbonfaserbeton gehören hervorragende mechanische Eigenschaften, Wasserdichtigkeit und Beständigkeit gegenüber natürlichen Temperaturschwankungen, die bei herkömmlichem Stahlbeton nicht zu finden sind. Es weist außerdem stabile chemische Eigenschaften, langanhaltende mechanische Festigkeit und Dimensionsstabilität in stark alkalischen Umgebungen auf.
Der Ersatz von Stahl durch Kohlefaser verhindert die durch Salzwasser verursachte Zersetzung und Verschlechterung von Stahlbeton, reduziert das Gewicht von Bauteilen, erleichtert die Installation und den Bau und verkürzt die Bauzeitpläne. Kohlefaser hat außerdem vibrationsdämpfende Eigenschaften, absorbiert Stoßwellen und erhöht die seismische Widerstandsfähigkeit und Biegefestigkeit um mehr als das Zehnfache. Kohlenstofffaserbeton weist eine hohe Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Bruchfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf. Aufgrund seines niedrigen Ausdehnungskoeffizienten weist Carbonfaserbeton eine hervorragende Hitzebeständigkeit und minimale thermische Verformung auf.
Die Hauptfunktion von Kohlenstofffasern in Kohlenstofffaserbeton besteht darin, die Ausbreitung von Mikrorissen im Beton zu verhindern und das Auftreten und die Entwicklung von Makrorissen zu verhindern. Daher werden seine Zugfestigkeit sowie die Scher-, Biege- und Torsionsfestigkeit, die hauptsächlich durch die Hauptzugspannung gesteuert werden, deutlich verbessert; Gleichzeitig verfügt es über einen hohen Matrixverformungswiderstand und verbessert dadurch seine Zug-, Biege- und Schlagzähigkeit. Bei einem Volumenanteil der Kohlenstofffasern von 1,18 % erhöht sich die Spaltzugfestigkeit der Probe um 1,2 %. Gemäß der Verbundregel sollte die verstärkende Wirkung von Kohlenstofffasern mit zunehmendem Fasergehalt im Zement zunehmen. Wenn der Gewichtsanteil der Kohlefaser weniger als 5 % beträgt, ist dieser Zusammenhang nahezu linear. Wenn der Gehalt weiter zunimmt, ist es schwierig, die Kohlenstofffasern gleichmäßig in der Matrix zu verteilen, und die Verstärkungswirkung kann nicht erreicht werden, und sogar die Zugfestigkeit von Kohlenstofffaserbeton wird verringert. Darüber hinaus weist Kohlefaserbeton eine gute Korrosionsbeständigkeit, Durchlässigkeitsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Schrumpfbeständigkeit und Haltbarkeit auf.
Fiberglas
Glasfaserverstärkter Beton (GFRC) ist ein Verbundwerkstoff, der durch gleichmäßige Verteilung alkalibeständiger Glasfasern mit einem hohen Elastizitätsmodul im gesamten Zementmörtel oder herkömmlichen Beton hergestellt wird. Da der Durchmesser von Glasfasern nur 5 bis 20 μm beträgt und damit nahezu identisch mit dem von Zementpartikeln ist, besteht das in GFRC verwendete Bindemittel aus Zementleim oder feinem Sand und enthält praktisch keine groben Zuschlagstoffe. Aus diesem Material hergestellte Verbundwerkstoffe werden daher auch als verstärkter Zement bezeichnet. GFRC ist ein zukünftiger Entwicklungstrend im Bauwesen. Es überwindet nicht nur die Nachteile herkömmlicher Betonprodukte wie hohes Gewicht, geringe Zugfestigkeit und geringe Schlagfestigkeit, sondern verfügt auch über Eigenschaften, die bei herkömmlichem Beton nicht zu finden sind. GFRC-Produkte sind dünner und leichter. Da sie extrem zugfeste Glasfasern als Verstärkung verwenden, verfügen sie über eine hohe Zugfestigkeit. Die gleichmäßige Verteilung der Glasfasern im Beton verhindert Oberflächenrisse. Da sie bei Beschädigung erhebliche Energie absorbieren, weisen sie eine hervorragende Schlagfestigkeit und hohe Biegefestigkeit auf. GFRC-Produkte bieten außerdem hervorragende Entformungseigenschaften und sind einfach zu verarbeiten, wodurch sie sich leicht an verschiedene Formen anpassen lassen.
Polypropylenfaserbeton
Polypropylenfaserbeton ist ein Verbundwerkstoff, der durch gleichmäßige Verteilung von auf eine bestimmte Länge geschnittenen Polypropylenfasern in einem Zementmörtel oder einer herkömmlichen Betonmatrix hergestellt wird, um die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Matrix zu verbessern. Dieser faserverstärkte Beton bietet Vorteile wie geringes Gewicht, hohe Zugfestigkeit sowie Schlag- und Rissfestigkeit. Polypropylenfasern können auch teilweise die Stahlbewehrung ersetzen, um das Gewicht des Betons zu reduzieren und so die seismische Widerstandsfähigkeit der Struktur zu erhöhen.
Polypropylenfaserbeton ist der am häufigsten erforschte und angewendete Beton. Abhängig von der Faserform und -struktur können Polypropylenfasern in Monofilamente, parallelfibrillierte Faserbündel und Filmfasern eingeteilt werden. Monofilamente haben ein hohes Aspektverhältnis, während parallele fibrillierte Faserbündel leicht in der Zementmatrix verteilt werden können. Während die chemische Bindung begrenzt ist, ist die mechanische Bindung stark und verhindert, dass die Fasern unter Belastung herausgezogen werden.
Während Polypropylenfasern eine höhere Zugfestigkeit als herkömmlicher Beton haben, ist ihr Elastizitätsmodul relativ niedrig, wodurch sie unter hohen Belastungsbedingungen anfällig für extreme Verformungen sind. Wenn jedoch eine entsprechende Menge an Polypropylenfasern hinzugefügt wird, ist die Schlagfestigkeit dieses Verbundmaterials viel höher als die von gewöhnlichem Beton. Damit wurde ein vielversprechender Weg gefunden, Bauteile mit geringer Belastung, aber hoher Schlagzähigkeit und Zähigkeit herzustellen. Darüber hinaus ist Polypropylenfaser rost-beständig und weist eine gute Säure- und Alkalibeständigkeit auf.
Basaltfaser
Kontinuierliche Basaltfasern (CBF) sind anorganische Fasermaterialien, die aus reinem, natürlichem Vulkangestein hergestellt werden. Es wird schnell gezogen, nachdem es bei einer hohen Temperatur von 1450–1500 Grad geschmolzen wurde. Es hat ein goldbraunes Aussehen, eine hervorragende Gesamtleistung und einen niedrigen Preis.
Eigenschaften von Basaltfasern:
(1) Natürlichkeit der Rohstoffe. Da die Rohstoffe für die Herstellung von CBF auf natürlichem vulkanischem Extrusionsgestein basieren, enthält es neben seiner inhärenten hohen chemischen und thermischen Stabilität keine gesundheitsschädlichen Bestandteile.
(2) Umfassende Leistung. Basaltfasern sind eine wirklich „multi-funktionale“ Faser. Beispielsweise ist es säure-beständig, alkali-beständig, niedrig{{6}temperatur-beständig, hoch-temperatur-beständig, wärme-isolierend, elektrisch isolierend und schalldämmend-. Seine Zugfestigkeit übertrifft die von großen Carbonfasern und seine Bruchdehnung ist besser als die von kleinen Carbonfasern. CBF hat eine polare Oberfläche und eine ausgezeichnete Grenzflächenbenetzbarkeit, wenn es mit Harz vermischt wird. CBF verfügt außerdem über dreidimensionale Moleküldimensionen, die im Vergleich zu linearen Polymerfasern mit ein-dimensionalen Moleküldimensionen neben anderen hervorragenden umfassenden Eigenschaften eine höhere Druckfestigkeit, Scherfestigkeit und Anpassungsfähigkeit an raue Umgebungen sowie Alterungsbeständigkeit aufweisen.
(3) Niedrige Kosten. Der Preis für Basaltfasern, die in Zementbeton verwendet werden, ist nicht hoch, deutlich niedriger als der von Stahlfasern, Kohlefasern usw. und vergleichbar mit synthetischen Fasern.
(4) Natürliche Verträglichkeit. Basaltfasern sind typische Silikatfasern. Beim Mischen mit Zement, Beton und Mörtel lässt es sich leicht verteilen. Frisch gemischter Basaltfaserbeton weist ein stabiles Volumen, eine gute Verarbeitbarkeit und eine gute Haltbarkeit auf. Es verfügt über eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit, Beständigkeit gegen Durchsickern und Rissbildung sowie Schlagfestigkeit. Darüber hinaus ist Basaltfaser alkalibeständiger als alkalibeständiges Glas.
Anwendungen von Faserbeton
Faserverstärkter Beton wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, abhängig von der Fähigkeit des Konstrukteurs und Bauunternehmers, die statischen und dynamischen Eigenschaften des Materials auszunutzen. Einige Anwendungen umfassen Start- und Landebahnen, Parkhäuser, Gehwege, Tunnelauskleidungen, Hangstabilität, Schalen, Wände, Rohre, Schachtabdeckungen, Dämme, Wasserbauwerke, Viadukte, Straßen, Brücken und Lagerhallenböden.
Fasern spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Leistung und Haltbarkeit von Beton. Ob Stahlfaser, Glasfaser, Polypropylenfaser oder Naturfaser, jeder Typ hat einzigartige Vorteile und ist für unterschiedliche Bauanforderungen geeignet. Durch die richtige Auswahl der Faserart und -dosierung können Ingenieure nicht nur die Rissbeständigkeit, Zähigkeit und Langzeitfestigkeit des Betons effektiv verbessern, sondern auch die nachfolgenden Wartungskosten erheblich senken. Da die Bautechnologie immer weiter voranschreitet, wird faserverstärkter Beton zu einer Schlüssellösung für die Schaffung stärkerer, sichererer und nachhaltigerer Strukturen.
