Podstawowa teoria betonu zbrojonego włóknami stalowymi

Włókno stalowe w betonie ogranicza głównie rozszerzanie się pęknięć betonu, dzięki czemu jego wytrzymałość na rozciąganie, zginanie i ścinanie jest znacznie lepsza w porównaniu ze zwykłym betonem. Jego odporność na uderzenia, wytrzymałość zmęczeniowa, wytrzymałość po pękaniu i trwałość również uległy znacznej poprawie. Może przekształcić beton, który pierwotnie był materiałem kruchym, w materiał kompozytowy o określonych właściwościach plastycznych.

Ⅰ. Teoria rozmieszczenia włókien w betonie zbrojonym włóknami stalowymi

Teoria rozmieszczenia włókien, znana również jako teoria odporności na pękanie włókien, została zaproponowana przez J.P.Romualdiego i J.B.Batsona w 1963. Zgodnie z teorią liniowej mechaniki pękania sprężystego, teoria wyjaśnia wpływ utwierdzenia włókien na powstawanie i rozwój pęknięć. Uważa się, że w celu zwiększenia wytrzymałości na rozciąganie betonu, materiału kruchego z wadami wewnętrznymi, konieczne jest maksymalne zmniejszenie rozmiaru wad wewnętrznych i poprawa twardości. Zmniejsz intensywność i koncentrację naprężeń na wierzchołku pęknięcia. Dlatego do łączenia pęknięć stosuje się włókna stalowe. Po naprężeniu włókna przechodzące przez pęknięcia przenoszą obciążenie na górną i dolną powierzchnię pęknięć, dzięki czemu materiały znajdujące się w pęknięciach mogą nadal przenosić obciążenie. W ten sposób koncentracja naprężeń na krawędzi otworu jest złagodzona z powodu występowania pęknięć. Wraz ze wzrostem liczby włókien mostkowych pęknięcia im mniejsza odległość między włóknami stalowymi, tym większa koncentracja naprężeń na wierzchołku pęknięcia i większe pole naprężeń zwrotnych na wierzchołku pęknięcia. Gdy liczba włókien wzrośnie do gęsto rozmieszczonych w pęknięciach, koncentracja naprężeń zniknie, co dodatkowo wskazuje na działanie włókna przeciw pękaniu, czyli w procesie tworzenia struktury materiału kompozytowego i niszczenia naprężeń, skutecznie poprawia odporność materiału kompozytowego na pękanie przed i po naprężeniu. Zdolność inicjowania i rozszerzania może osiągnąć cel wzmocnienia i hartowania betonu włóknem stalowym.

Ⅱ. Teoria opóźnienia ścinania przenoszenia naprężeń międzyfazowych w betonie zbrojonym włóknami stalowymi

W betonie z włóknami stalowymi struktura matrycy cementowej wokół włókna stalowego różni się od jego własnej struktury to znaczy, że pomiędzy włóknem stalowym a matrycą znajduje się warstwa pośrednia. Wydajność betonu z włóknami stalowymi zależy głównie od wydajności matrycy betonowej, zawartości włókna stalowego i charakterystyki granicy między nimi. Zakłada się, że interfejs jest cienką warstwą o znikomej grubości, ale o pewnych właściwościach mechanicznych. Kiedy obciążenie jest przykładane do betonu z włókien stalowych, obciążenie jest zazwyczaj najpierw przykładane do matrycy o niskiej sprężystości, a następnie część obciążenia jest przenoszona na włókno o wysokim module sprężystości przez interfejs włókno-matryca, tak że włókno i macierz dzieli obciążenie, aby zwiększyć ciężar łożyska.