สถานการณ์ปัจจุบันและการพัฒนาของคอนกรีตเสริมใยเหล็ก

คอนกรีตเสริมเหล็กเส้นใย (SFRC) เป็นวัสดุผสมชนิดใหม่ที่สามารถเทและพ่นได้โดยการเติมเส้นใยเหล็กสั้นในปริมาณที่เหมาะสมลงในคอนกรีตธรรมดา วัสดุชนิดนี้ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วทั้งในและต่างประเทศในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มันสามารถเอาชนะข้อเสียของคอนกรีตทั่วไปได้ เช่น ความแข็งแรงดึงต่ำ การยืดตัวสูงสุดน้อย และคุณสมบัติเปราะ มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม เช่น ความแข็งแรงดึง ความต้านทานการดัด ความต้านทานแรงเฉือน ความต้านทานการแตกร้าว ความต้านทานความล้า และความเหนียวสูง มีการนำไปประยุกต์ใช้ในงานวิศวกรรมไฮดรอลิก งานถนนและสะพาน งานก่อสร้าง และสาขาวิศวกรรมอื่นๆ

1. การพัฒนาคอนกรีตเสริมใยเหล็ก
คอนกรีตเสริมใย (Fiber reinforced concrete หรือ FRC) เป็นคำย่อของ fiber reinforced concrete ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นวัสดุผสมที่มีส่วนประกอบหลักเป็นซีเมนต์ เช่น ปูนซีเมนต์ ปูนฉาบ หรือคอนกรีต ผสมกับเส้นใยโลหะ เส้นใยอนินทรีย์ หรือเส้นใยอินทรีย์ เป็นวัสดุก่อสร้างชนิดใหม่ที่เกิดจากการกระจายเส้นใยสั้นและละเอียดที่มีความแข็งแรงดึงสูง การยืดตัวสูงสุดสูง และความต้านทานต่อด่างสูงอย่างสม่ำเสมอในเนื้อคอนกรีต เส้นใยในคอนกรีตสามารถจำกัดการเกิดรอยแตกในระยะเริ่มต้นของคอนกรีตและการขยายตัวของรอยแตกภายใต้แรงภายนอก ช่วยแก้ไขข้อบกพร่องโดยธรรมชาติของคอนกรีต เช่น ความแข็งแรงดึงต่ำ การแตกร้าวง่าย และความต้านทานต่อความล้าต่ำ และช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพด้านการกันซึม การกันน้ำ ความต้านทานต่อความเย็นจัด และการป้องกันการเสริมแรงของคอนกรีตได้อย่างมาก คอนกรีตเสริมใย โดยเฉพาะอย่างยิ่งคอนกรีตเสริมใยเหล็ก ได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ ในแวดวงวิชาการและวิศวกรรมในการใช้งานจริง เนื่องจากมีประสิทธิภาพที่เหนือกว่า ในปี 1907 ผู้เชี่ยวชาญชาวโซเวียต บี.พี. เฮกโปคาบ เริ่มใช้คอนกรีตเสริมใยโลหะ ในปี ค.ศ. 1910 เอช.เอฟ. พอร์เตอร์ ได้ตีพิมพ์รายงานการวิจัยเกี่ยวกับคอนกรีตเสริมใยสั้น โดยเสนอแนะว่าควรกระจายใยเหล็กสั้นให้ทั่วถึงในคอนกรีตเพื่อเสริมความแข็งแรงของวัสดุเมทริกซ์ ในปี ค.ศ. 1911 เกรแฮมจากสหรัฐอเมริกาได้เติมใยเหล็กเข้าไปในคอนกรีตธรรมดาเพื่อปรับปรุงความแข็งแรงและความเสถียรของคอนกรีต ในช่วงทศวรรษ ค.ศ. 1940 สหรัฐอเมริกา อังกฤษ ฝรั่งเศส เยอรมนี ญี่ปุ่น และประเทศอื่นๆ ได้ทำการวิจัยมากมายเกี่ยวกับการใช้ใยเหล็กเพื่อปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอและความต้านทานการแตกร้าวของคอนกรีต เทคโนโลยีการผลิตคอนกรีตเสริมใยเหล็ก และการปรับปรุงรูปร่างของใยเหล็กเพื่อเพิ่มความแข็งแรงในการยึดเกาะระหว่างใยเหล็กกับเมทริกซ์คอนกรีต ในปี ค.ศ. 1963 เจ.พี. โรมาลดี และ จี.บี. แบตสัน ได้ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับกลไกการเกิดรอยแตกของคอนกรีตเสริมใยเหล็ก และสรุปว่าความแข็งแรงของรอยแตกของคอนกรีตเสริมใยเหล็กนั้นถูกกำหนดโดยระยะห่างเฉลี่ยของใยเหล็ก ซึ่งมีบทบาทสำคัญในแรงดึง (ทฤษฎีระยะห่างของใยเหล็ก) จึงเป็นการเริ่มต้นขั้นตอนการพัฒนาเชิงปฏิบัติของวัสดุคอมโพสิตชนิดใหม่นี้ จนถึงปัจจุบัน ด้วยการแพร่หลายและการประยุกต์ใช้คอนกรีตเสริมใยเหล็ก ทำให้สามารถแบ่งคอนกรีตเสริมใยเหล็กออกเป็น 4 ประเภทหลักๆ เนื่องจากมีการกระจายตัวของใยเหล็กในคอนกรีตแตกต่างกัน ได้แก่ คอนกรีตเสริมใยเหล็ก คอนกรีตเสริมใยผสม คอนกรีตเสริมใยเหล็กแบบหลายชั้น และคอนกรีตเสริมใยผสมแบบหลายชั้น

2. กลไกการเสริมความแข็งแรงของคอนกรีตเสริมใยเหล็ก
(1) ทฤษฎีกลศาสตร์ของวัสดุผสม ทฤษฎีกลศาสตร์ของวัสดุผสมนั้นอิงตามทฤษฎีของวัสดุผสมเส้นใยต่อเนื่องและรวมเข้ากับลักษณะการกระจายตัวของเส้นใยเหล็กในคอนกรีต ในทฤษฎีนี้ วัสดุผสมถือเป็นวัสดุผสมสองเฟส โดยมีเส้นใยเป็นเฟสหนึ่งและเมทริกซ์เป็นอีกเฟสหนึ่ง
(2) ทฤษฎีระยะห่างของเส้นใย ทฤษฎีระยะห่างของเส้นใย หรือที่รู้จักกันในชื่อทฤษฎีความต้านทานการแตก ได้รับการเสนอขึ้นโดยอิงจากกลศาสตร์การแตกหักแบบยืดหยุ่นเชิงเส้น ทฤษฎีนี้ถือว่าผลการเสริมแรงของเส้นใยนั้นเกี่ยวข้องกับระยะห่างของเส้นใยที่กระจายอย่างสม่ำเสมอเท่านั้น (ระยะห่างขั้นต่ำ)

3. การวิเคราะห์สถานะการพัฒนาของคอนกรีตเสริมเหล็กเส้นใย
1. คอนกรีตเสริมใยเหล็ก คอนกรีตเสริมใยเหล็กเป็นคอนกรีตเสริมแรงแบบหลายทิศทางที่มีความสม่ำเสมอค่อนข้างดี เกิดจากการเติมเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ เหล็กกล้าไร้สนิม และเส้นใย FRP ในปริมาณเล็กน้อยลงในคอนกรีตธรรมดา โดยทั่วไปปริมาณการผสมใยเหล็กจะอยู่ที่ 1% ~ 2% โดยปริมาตร ในขณะที่ผสมใยเหล็ก 70 ~ 100 กิโลกรัมต่อคอนกรีต 1 ลูกบาศก์เมตรโดยน้ำหนัก ความยาวของใยเหล็กควรอยู่ที่ 25 ~ 60 มิลลิเมตร เส้นผ่านศูนย์กลางควรอยู่ที่ 0.25 ~ 1.25 มิลลิเมตร และอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางที่ดีที่สุดควรอยู่ที่ 50 ~ 700 เมื่อเทียบกับคอนกรีตธรรมดา คอนกรีตเสริมใยเหล็กไม่เพียงแต่สามารถปรับปรุงความต้านทานแรงดึง แรงเฉือน แรงดัด การสึกหรอ และการแตกร้าวเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มความเหนียวในการแตกหักและความต้านทานแรงกระแทกของคอนกรีตอย่างมาก และปรับปรุงความต้านทานต่อความล้าและความทนทานของโครงสร้างอย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเหนียวสามารถเพิ่มขึ้นได้ 10 ~ 20 เท่า บทความนี้เปรียบเทียบคุณสมบัติทางกลของคอนกรีตเสริมใยเหล็กและคอนกรีตธรรมดาในประเทศจีน เมื่อปริมาณเส้นใยเหล็กอยู่ที่ 15% ~ 20% และอัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์อยู่ที่ 0.45 ความแข็งแรงดึงจะเพิ่มขึ้น 50% ~ 70% ความแข็งแรงดัดจะเพิ่มขึ้น 120% ~ 180% ความแข็งแรงต่อแรงกระแทกจะเพิ่มขึ้น 10 ~ 20 เท่า ความแข็งแรงต่อความล้าจากแรงกระแทกจะเพิ่มขึ้น 15 ~ 20 เท่า ความเหนียวดัดจะเพิ่มขึ้น 14 ~ 20 เท่า และความต้านทานการสึกหรอก็ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ดังนั้น คอนกรีตเสริมเส้นใยเหล็กจึงมีคุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลที่ดีกว่าคอนกรีตธรรมดา

4. คอนกรีตไฟเบอร์แบบผสม
ข้อมูลการวิจัยที่เกี่ยวข้องแสดงให้เห็นว่าเส้นใยเหล็กไม่ได้ช่วยเพิ่มความแข็งแรงในการรับแรงอัดของคอนกรีตอย่างมีนัยสำคัญ หรืออาจลดลงด้วยซ้ำ เมื่อเปรียบเทียบกับคอนกรีตธรรมดาแล้ว พบว่าคอนกรีตเสริมเส้นใยเหล็กมีทั้งข้อดี ข้อเสีย (เพิ่มขึ้นและลดลง) หรือแม้แต่ผลลัพธ์ระดับกลางๆ ในด้านความกันซึม ความต้านทานการสึกหรอ ความต้านทานแรงกระแทก และการป้องกันการหดตัวก่อนกำหนดของคอนกรีต นอกจากนี้ คอนกรีตเสริมเส้นใยเหล็กยังมีปัญหาบางประการ เช่น ปริมาณการใช้มาก ราคาสูง การเกิดสนิม และแทบไม่มีความต้านทานต่อการระเบิดจากไฟไหม้ ซึ่งส่งผลกระทบต่อการใช้งานในระดับต่างๆ กัน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิชาการทั้งในและต่างประเทศบางส่วนเริ่มให้ความสนใจกับคอนกรีตเส้นใยผสม (HFRC) โดยพยายามผสมเส้นใยที่มีคุณสมบัติและข้อดีแตกต่างกัน เรียนรู้ซึ่งกันและกัน และใช้ประโยชน์จาก "ผลผสมเชิงบวก" ในระดับและขั้นตอนการรับน้ำหนักที่แตกต่างกัน เพื่อเพิ่มคุณสมบัติต่างๆ ของคอนกรีตให้ตรงกับความต้องการของโครงการต่างๆ อย่างไรก็ตาม ในส่วนของคุณสมบัติทางกลต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเสียรูปจากความล้าและความเสียหายจากความล้า กฎการพัฒนาการเสียรูปและลักษณะความเสียหายภายใต้ภาระคงที่และภาระพลวัต และภาระวัฏจักรที่มีแอมพลิจูดคงที่หรือแอมพลิจูดแปรผัน ปริมาณการผสมและสัดส่วนการผสมที่เหมาะสมของเส้นใย ความสัมพันธ์ระหว่างส่วนประกอบของวัสดุคอมโพสิต ผลการเสริมความแข็งแรงและกลไกการเสริมความแข็งแรง ประสิทธิภาพการต้านทานความล้า กลไกการแตกหัก และเทคโนโลยีการก่อสร้าง ปัญหาเกี่ยวกับการออกแบบสัดส่วนการผสมยังคงต้องได้รับการศึกษาเพิ่มเติม

5. คอนกรีตเสริมใยเหล็กแบบหลายชั้น
คอนกรีตเสริมใยเหล็กแบบชิ้นเดียวผสมให้เข้ากันได้ยาก ใยเหล็กจับตัวเป็นก้อนได้ง่าย ปริมาณใยเหล็กมีมาก และต้นทุนค่อนข้างสูง ซึ่งส่งผลต่อการใช้งานในวงกว้าง จากการศึกษาภาคปฏิบัติและทฤษฎีทางวิศวกรรมจำนวนมาก จึงได้มีการเสนอโครงสร้างใยเหล็กแบบใหม่ คือ คอนกรีตเสริมใยเหล็กแบบชั้น (LSFRC) โดยกระจายใยเหล็กปริมาณเล็กน้อยอย่างสม่ำเสมอที่พื้นผิวด้านบนและด้านล่างของแผ่นพื้นถนน ส่วนตรงกลางยังคงเป็นชั้นคอนกรีตธรรมดา ใยเหล็กใน LSFRC โดยทั่วไปจะกระจายด้วยมือหรือเครื่องจักร ใยเหล็กมีความยาว และอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 70 ถึง 120 แสดงการกระจายแบบสองมิติ วัสดุนี้ไม่เพียงแต่ลดปริมาณใยเหล็กได้อย่างมากโดยไม่ส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติทางกล แต่ยังช่วยหลีกเลี่ยงปรากฏการณ์การจับตัวเป็นก้อนของใยเหล็กในการผสมคอนกรีตเสริมใยเหล็กแบบชิ้นเดียว นอกจากนี้ ตำแหน่งของชั้นใยเหล็กในคอนกรีตยังมีผลอย่างมากต่อความแข็งแรงดัดของคอนกรีต โดยผลการเสริมแรงของชั้นใยเหล็กที่ด้านล่างของคอนกรีตจะดีที่สุด เมื่อตำแหน่งของชั้นเส้นใยเหล็กเคลื่อนสูงขึ้น ประสิทธิภาพในการเสริมแรงจะลดลงอย่างมาก ความแข็งแรงดัดของ LSFRC สูงกว่าคอนกรีตธรรมดาที่มีอัตราส่วนผสมเดียวกันมากกว่า 35% ซึ่งต่ำกว่าคอนกรีตเสริมเส้นใยเหล็กแบบเต็มส่วนเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม LSFRC สามารถประหยัดต้นทุนวัสดุได้มาก และไม่มีปัญหาเรื่องการผสมที่ยุ่งยาก ดังนั้น LSFRC จึงเป็นวัสดุใหม่ที่มีประโยชน์ทางสังคมและเศรษฐกิจที่ดี และมีโอกาสในการใช้งานที่กว้างขวาง ซึ่งควรค่าแก่การเผยแพร่และนำไปใช้ในการก่อสร้างทางเท้า

6. คอนกรีตเสริมใยไฮบริดแบบหลายชั้น
คอนกรีตเสริมใยไฮบริดแบบหลายชั้น (LHFRC) เป็นวัสดุผสมที่เกิดจากการเติมเส้นใยโพลีโพรพีลีน 0.1% ลงบนพื้นฐานของคอนกรีตเสริมใยเหล็กแบบบาง (LSFRC) และกระจายเส้นใยโพลีโพรพีลีนขนาดเล็กและขนาดสั้นจำนวนมากอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งมีความแข็งแรงดึงสูงและการยืดตัวสูงสุดสูง ในชั้นคอนกรีตเสริมใยเหล็กด้านบนและด้านล่าง และคอนกรีตธรรมดาในชั้นกลาง วัสดุนี้สามารถเอาชนะจุดอ่อนของชั้นคอนกรีตธรรมดาตรงกลางของ LSFRC และป้องกันอันตรายด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้นหลังจากเส้นใยเหล็กที่ผิวหน้าสึกหรอ LHFRC สามารถเพิ่มความแข็งแรงดัดของคอนกรีตได้อย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเทียบกับคอนกรีตธรรมดา ความแข็งแรงดัดของคอนกรีตธรรมดาเพิ่มขึ้นประมาณ 20% และเมื่อเทียบกับ LSFRC ความแข็งแรงดัดเพิ่มขึ้น 2.6% แต่มีผลกระทบต่อโมดูลัสความยืดหยุ่นดัดของคอนกรีตน้อย โมดูลัสความยืดหยุ่นดัดของ LHFRC สูงกว่าคอนกรีตธรรมดา 1.3% และต่ำกว่า LSFRC 0.3% นอกจากนี้ LHFRC ยังช่วยเพิ่มความเหนียวในการดัดงอของคอนกรีตได้อย่างมาก โดยดัชนีความเหนียวในการดัดงอของ LHFRC สูงกว่าคอนกรีตธรรมดาประมาณ 8 เท่า และสูงกว่า LSFRC ประมาณ 1.3 เท่า ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากคุณสมบัติที่แตกต่างกันของเส้นใยสองชนิดขึ้นไปใน LHFRC ในคอนกรีต จึงสามารถใช้ประโยชน์จากผลผสมผสานที่ดีของเส้นใยสังเคราะห์และเส้นใยเหล็กในคอนกรีตได้ตามความต้องการทางวิศวกรรม เพื่อปรับปรุงความยืดหยุ่น ความทนทาน ความเหนียว ความแข็งแรงต่อการแตกร้าว ความแข็งแรงในการดัดงอ และความแข็งแรงในการดึงของวัสดุอย่างมาก ปรับปรุงคุณภาพวัสดุ และยืดอายุการใช้งานของวัสดุได้อีกด้วย

——บทคัดย่อ (สถาปัตยกรรมชานซี เล่มที่ 38 ฉบับที่ 11 เฉินฮุ่ยชิง)