Влияние количества концевых крючков стальных волокон на характеристики бетона, армированного стальными волокнами

Аннотация

Влияние количества концевых крючков стальной фибры на характеристики бетона, армированного стальной фиброй (SFRC), и его механизм были изучены с помощью испытания на выдергивание одной проволоки, испытания на прочность при сжатии и испытания на изгиб и растяжение балки с надрезом. Результаты показывают, что с увеличением количества концевых крючков на стальной фибре, предельная прочность связи между стальной фиброй и бетонной матрицей также увеличивается. Количество концевых крюков практически не влияет на прочность SFRC на сжатие, хотя стальные волокна с одним концевым крюком могут немного увеличить прочность на сжатие. С увеличением количества концевых крюков нисходящая ветвь кривой изгиба-растяжения SFRC становится менее крутой, кривая становится более полной, и образцы могут выдерживать более высокие напряжения изгиба-растяжения. Поскольку трещины продолжают распространяться, стальные волокна с двумя или тремя концевыми крюками позволяют образцам SFRC сохранять относительно высокую остаточную прочность на изгиб и растяжение даже после разрушения и большой деформации. Бетон, армированный стальными волокнами (SFRC), широко используется для повышения трещиностойкости и долговечности. Согласно Американский институт бетона (ACI), Стальные волокна значительно улучшают характеристики бетона на растяжение.

Введение

Обычный бетон имеет очень низкую прочность на растяжение и плохую вязкость. В результате трещины могут легко образовываться во время пластической стадии, процесса затвердевания и высыхания. Даже при относительно небольших изгибающих нагрузках бетонные конструкции подвержены растрескиванию во время эксплуатации, и эти трещины могут быстро распространяться, приводя к внезапному хрупкому разрушению, бетон, армированный стальными волокнами (SFRC) получила широкое распространение. Добавляя стальные волокна для армирования бетона, Это позволяет значительно повысить прочность на растяжение, трещиностойкость и общую долговечность бетона. Благодаря своим превосходным характеристикам SFRC широко используется в инженерных системах, где требуется высокая трещиностойкость и надежность конструкции.

Виды стальных волокон

На основе формы, стальные волокна используемые в бетоне, могут быть классифицированы на:

• Прямые стальные волокна
• Стальные волокна с крючком на конце
• Гофрированные (волнообразные) волокна
• Волокна с насечками
• Неровные или неравномерные волокна

Среди них, Стальная фибра с крючком на конце считается одним из самых эффективных видов для армирования бетона.

Почему стальная фибра с крючкообразным наконечником работает лучше

На ранних стадиях применения в основном использовались прямые стальные волокна. Однако практические результаты показали, что их способность повышать трещиностойкость и прочность была ограниченной.

По сравнению с прямыми волокнами, Стальные волокна с крючкообразным концом обеспечить:

• Более прочное сцепление с бетонной матрицей
• Повышенная прочность соединения
• Лучшая способность к передаче напряжения
• Улучшенные характеристики растяжения

Оптимизируя геометрию крючковатых концов, можно значительно повысить эффективность сцепления стальных волокон с бетоном, что позволяет материалу лучше сопротивляться распространению трещин.

Факторы, влияющие на прочность соединения

Исследования показывают, что эффективность сцепления крючковатых стальных волокон тесно связана с несколькими структурными параметрами, включая:

• Диаметр волокна
• Угол наклона крюка
• Прочность материала на разрыв

Эти факторы влияют на поведение при вытягивании и режим разрушения стальных волокон в бетоне.

Для лучшего понимания механизма крепления используются такие модели, как эквивалентная модель шкива были предложены. В этой модели:

• Изогнутая часть крюка обеспечивает вращательное трение
• Прямая часть обеспечивает трение скольжения

Это помогает предсказать, как волокна сопротивляются растяжению под нагрузкой.

Недостаток исследования: номер крючка

Хотя многие исследования посвящены форме и размеру волокон, влияние количества крючков на производительность до конца не изучено. На самом деле количество крючков может существенно влиять:

• Крепежная способность
• Прочность связи
• Трещиностойкость
• Поведение при вытаскивании

Цель исследования

Для исследования этого вопроса использовались стальные волокна одинаковой длины и диаметра, но с разными номерами крючков (1 крючок, 2 крючка и 3 крючка) были протестированы. Данное исследование посвящено:

• Влияние количества крючков на прочность и жесткость бетона, армированного стальными волокнами (SFRC)
• Поведение при вытягивании крючковатых стальных волокон
• Механизм, лежащий в основе крепления волокон

Полученные результаты служат практическим руководством для разработки и применения Стальная фибра с крючками на конце в бетоне, армированном стальными волокнами (SFRC).

Экспериментальная программа

Материалы

Бетон, использованный в данном исследовании, был приготовлен на обычном портландцементе (марка 42,5), соответствующем стандартным требованиям.

Стальные волокна с крючком на конце использовались в качестве арматуры, с:

• Длина: 60 мм
• Диаметр: 0,9 мм
• Номера крючков: 1 крючок, 2 крючка и 3 крючка

Мелкий заполнитель: природный речной песок (модуль крупности 2,7)
Крупный заполнитель: щебень (5-16 мм)
Водный восстановитель: поликарбоксилатный суперпластификатор (снижение ≥25%)
Вода: стандартная водопроводная вода для смешивания бетона

Дизайн смеси

Два класса прочности бетон, армированный стальными волокнами (SFRC) были подготовлены:

• C30
• C50

Дозировка стального волокна:
👉 40 кг/м³ (широко используется в практической инженерии)

Методы тестирования

Лексулярная прочность и остаточная прочность

Показатели изгиба являются одним из наиболее важных показателей для оценки стальная фибра для армированного стальными волокнами бетона (SFRC), особенно трещиностойкость и прочность.

$f_L = \frac{3F_L L}{2BH_{sp}^2}$fL=2BHsp23FLL

$f_{CMOD} = \frac{3F_{CMOD} L}{2BH_{sp}^2}$fCMOD=2BHsp23FCMODL

Где:

• $f_L$fL: предел прочности при изгибе
• $f_{CMOD}$fCMOD: остаточная прочность при изгибе
• $F_L$FL: максимальная нагрузка
• $F_{CMOD}$FCMOD: нагрузка при раскрытии трещины
• $L$L: длина пролета
• $B$B: ширина образца
• $H_{sp}$Hsp: эффективная высота

👉 Эти показатели отражают несущая способность после разрушения, что очень важно для характеристик SFRC.

Результаты и обсуждение

Влияние количества крючков на прочность соединения

• Увеличение числа крючков значительно улучшает прочность связи
• Рейтинг сопротивления вытягиванию:

3 крючка > 2 крючка > 1 крючок

• Максимальное крепление достигается при аналогичном смещении (2-3 мм), но:
  • Большее количество крюков = большая грузоподъемность

Ключевой момент:
Большее количество крючков создает более прочное механическое крепление, а не просто трение.

Влияние на прочность при сжатии

• Для Бетон C30:
  • Минимальное воздействие стальных волокон
• Для Бетон C50:
  • Прочность на сжатие увеличивается:
    • 1 крючок: +13.4%
    • 2 крючка: +10.8%
    • 3 крючка: +9.7%

Важный вывод:

• Больше крючков ≠ всегда лучше
• Слишком большое количество крючков может снизить дисперсию волокна

Влияние на характеристики при изгибе (наиболее важное)

• После растрескивания:
  • Бетон перестает нести нагрузку
  • Стальные волокна
• С большим количеством крючков:
  • Повышенное напряжение при изгибе
  • Лучшее перекрытие трещин
  • Медленное снижение прочности

Снова рейтинг производительности:

3 крючка > 2 крючка > 1 крючок

Механизм поведения трещины

• При ранней загрузке:
  • Бетон несет нагрузку
• После растрескивания:
  • Передача нагрузки на стальные волокна
  • Крючки для крепления волокон в трещинах
• Ключевое отличие:
  • 1 крючок волокнистый → легко вытягивается или выпрямляется
  • 2-3 волокна крючка → дольше оставаться на якоре

👉 Результат:
Повышенная долговечность и безопасность конструкции

Практическое заключение

• Больше крючков улучшается:
  • Прочность связи
  • Трещиностойкость
  • Характеристики на изгиб
• Однако:
  • Слишком большое количество крючков может снизить обрабатываемость и увеличить стоимость

👉 Лучший выбор для большинства проектов: 2-крючковая стальная фибра
👉 Высокоэффективные проекты: Стальная фибра с 3 крючками

Стальная фибра с крючком на конце широко используется для армирования бетона. Узнайте больше о наших продуктах из стальной фибры с крючками.