Beton bertulang serat baja (SFRC) adalah jenis material komposit baru yang dapat dituang dan disemprot dengan menambahkan sejumlah serat baja pendek yang sesuai ke dalam beton biasa. Material ini telah berkembang pesat di dalam dan luar negeri dalam beberapa tahun terakhir. SFRC mengatasi kekurangan kekuatan tarik rendah, perpanjangan maksimum kecil, dan sifat rapuh beton. Ia memiliki sifat-sifat unggul seperti kekuatan tarik, ketahanan lentur, ketahanan geser, ketahanan retak, ketahanan lelah, dan ketangguhan tinggi. SFRC telah diaplikasikan dalam teknik hidrolik, jalan dan jembatan, konstruksi, dan bidang teknik lainnya.
1. Pengembangan beton bertulang serat baja
Beton bertulang serat (FRC) adalah singkatan dari beton bertulang serat. Biasanya, beton ini merupakan komposit berbasis semen yang terdiri dari pasta semen, mortar atau beton, dan serat logam, serat anorganik, atau bahan penguat serat organik. Ini adalah material bangunan baru yang dibentuk dengan mendispersikan serat pendek dan halus secara merata dengan kekuatan tarik tinggi, elongasi maksimum tinggi, dan ketahanan alkali tinggi dalam matriks beton. Serat dalam beton dapat membatasi pembentukan retakan awal pada beton dan perluasan retakan lebih lanjut di bawah pengaruh gaya eksternal, secara efektif mengatasi kekurangan bawaan seperti kekuatan tarik rendah, mudah retak, dan ketahanan lelah yang buruk pada beton, serta sangat meningkatkan kinerja kedap air, tahan beku, dan perlindungan tulangan beton. Beton bertulang serat, terutama beton bertulang serat baja, semakin menarik perhatian di kalangan akademisi dan teknik dalam rekayasa praktis karena kinerjanya yang unggul. Pada tahun 1907, pakar Soviet B.P. Hekpocab mulai menggunakan beton bertulang serat logam; pada tahun 1910, HF Porter menerbitkan laporan penelitian tentang beton bertulang serat pendek, yang menyarankan agar serat baja pendek didispersikan secara merata dalam beton untuk memperkuat material matriks; Pada tahun 1911, Graham dari Amerika Serikat menambahkan serat baja ke dalam beton biasa untuk meningkatkan kekuatan dan stabilitas beton; Pada tahun 1940-an, Amerika Serikat, Inggris, Prancis, Jerman, Jepang, dan negara-negara lain telah melakukan banyak penelitian tentang penggunaan serat baja untuk meningkatkan ketahanan aus dan ketahanan retak beton, teknologi pembuatan beton serat baja, dan peningkatan bentuk serat baja untuk meningkatkan kekuatan ikatan antara serat dan matriks beton; Pada tahun 1963, JP Romualdi dan GB Batson menerbitkan makalah tentang mekanisme pengembangan retak beton bertulang serat baja, dan mengemukakan kesimpulan bahwa kekuatan retak beton bertulang serat baja ditentukan oleh jarak rata-rata serat baja yang berperan efektif dalam tegangan tarik (teori jarak serat), sehingga memulai tahap pengembangan praktis material komposit baru ini. Hingga saat ini, dengan semakin populernya dan diterapkannya beton bertulang serat baja, karena distribusi serat yang berbeda dalam beton, terdapat empat jenis utama: beton bertulang serat baja, beton bertulang serat hibrida, beton bertulang serat baja berlapis, dan beton bertulang serat hibrida berlapis.
2. Mekanisme penguatan beton bertulang serat baja
(1) Teori mekanika komposit. Teori mekanika komposit didasarkan pada teori komposit serat kontinu dan dikombinasikan dengan karakteristik distribusi serat baja dalam beton. Dalam teori ini, komposit dianggap sebagai komposit dua fase dengan serat sebagai satu fase dan matriks sebagai fase lainnya.
(2) Teori jarak antar serat. Teori jarak antar serat, juga dikenal sebagai teori ketahanan retak, diusulkan berdasarkan mekanika fraktur elastis linier. Teori ini menyatakan bahwa efek penguatan serat hanya berkaitan dengan jarak antar serat yang terdistribusi secara seragam (jarak minimum).
3. Analisis status perkembangan beton bertulang serat baja
1. Beton bertulang serat baja. Beton bertulang serat baja adalah jenis beton bertulang yang relatif seragam dan multi-arah yang dibentuk dengan menambahkan sejumlah kecil baja karbon rendah, baja tahan karat, dan serat FRP ke dalam beton biasa. Jumlah campuran serat baja umumnya 1% ~ 2% berdasarkan volume, sedangkan 70 ~ 100 kg serat baja dicampur dalam setiap meter kubik beton berdasarkan berat. Panjang serat baja harus 25 ~ 60 mm, diameter harus 0,25 ~ 1,25 mm, dan rasio panjang terhadap diameter terbaik adalah 50 ~ 700. Dibandingkan dengan beton biasa, beton bertulang serat baja tidak hanya dapat meningkatkan ketahanan tarik, geser, lentur, aus, dan retak, tetapi juga sangat meningkatkan ketangguhan patahan dan ketahanan benturan beton, serta secara signifikan meningkatkan ketahanan lelah dan daya tahan struktur, terutama ketangguhan dapat meningkat 10 ~ 20 kali lipat. Sifat mekanik beton bertulang serat baja dan beton biasa dibandingkan di Tiongkok. Ketika kandungan serat baja mencapai 15% ~ 20% dan rasio air-semen 0,45, kekuatan tarik meningkat sebesar 50% ~ 70%, kekuatan lentur meningkat sebesar 120% ~ 180%, kekuatan impak meningkat 10 ~ 20 kali, kekuatan lelah impak meningkat 15 ~ 20 kali, ketangguhan lentur meningkat 14 ~ 20 kali, dan ketahanan aus juga meningkat secara signifikan. Oleh karena itu, beton bertulang serat baja memiliki sifat fisik dan mekanik yang lebih baik daripada beton biasa.
4. Beton serat hibrida
Data penelitian yang relevan menunjukkan bahwa serat baja tidak secara signifikan meningkatkan kekuatan tekan beton, atau bahkan menurunkannya; Dibandingkan dengan beton polos, terdapat pandangan positif dan negatif (meningkat dan menurun) atau bahkan menengah pada kedap air, ketahanan aus, ketahanan benturan dan keausan beton bertulang serat baja, serta pencegahan penyusutan plastis dini pada beton. Selain itu, beton bertulang serat baja memiliki beberapa masalah, seperti dosis besar, harga tinggi, karat, dan hampir tidak tahan terhadap ledakan akibat kebakaran, yang telah memengaruhi penerapannya hingga berbagai tingkat. Dalam beberapa tahun terakhir, beberapa sarjana dalam dan luar negeri mulai memperhatikan beton serat hibrida (HFRC), mencoba mencampur serat dengan sifat dan keunggulan yang berbeda, saling belajar, dan memanfaatkan "efek hibrida positif" pada berbagai tingkat dan tahap pembebanan untuk meningkatkan berbagai sifat beton, sehingga memenuhi kebutuhan berbagai proyek. Namun, terkait dengan berbagai sifat mekaniknya, terutama deformasi kelelahan dan kerusakan kelelahan, hukum perkembangan deformasi dan karakteristik kerusakan di bawah beban statis dan dinamis serta beban siklik amplitudo konstan atau variabel, jumlah pencampuran dan proporsi pencampuran serat yang optimal, hubungan antar komponen material komposit, efek penguatan dan mekanisme penguatan, kinerja anti kelelahan, mekanisme kegagalan dan teknologi konstruksi, masalah desain proporsi campuran perlu dipelajari lebih lanjut.
5. Beton bertulang serat baja berlapis
Beton bertulang serat monolitik sulit dicampur secara merata, serat mudah menggumpal, jumlah seratnya besar, dan biayanya relatif tinggi, yang memengaruhi penerapannya secara luas. Melalui sejumlah besar praktik rekayasa dan penelitian teoretis, jenis struktur serat baja baru, beton bertulang serat baja berlapis (LSFRC), diusulkan. Sejumlah kecil serat baja didistribusikan secara merata pada permukaan atas dan bawah pelat jalan, dan bagian tengahnya masih berupa lapisan beton polos. Serat baja dalam LSFRC umumnya didistribusikan secara manual atau mekanis. Serat baja tersebut panjang, dan rasio panjang-diameter umumnya antara 70 ~ 120, menunjukkan distribusi dua dimensi. Tanpa memengaruhi sifat mekanik, material ini tidak hanya sangat mengurangi jumlah serat baja, tetapi juga menghindari fenomena penggumpalan serat dalam pencampuran beton bertulang serat integral. Selain itu, posisi lapisan serat baja dalam beton sangat berpengaruh pada kekuatan lentur beton. Efek penguatan lapisan serat baja di bagian bawah beton adalah yang terbaik. Dengan posisi lapisan serat baja yang bergerak ke atas, efek penguatan menurun secara signifikan. Kekuatan lentur LSFRC lebih dari 35% lebih tinggi daripada beton biasa dengan proporsi campuran yang sama, yang sedikit lebih rendah daripada beton bertulang serat baja integral. Namun, LSFRC dapat menghemat banyak biaya material, dan tidak ada masalah kesulitan pencampuran. Oleh karena itu, LSFRC adalah material baru dengan manfaat sosial dan ekonomi yang baik serta prospek aplikasi yang luas, yang layak dipopulerkan dan diaplikasikan dalam konstruksi perkerasan jalan.
6. Beton serat hibrida berlapis
Beton bertulang serat hibrida berlapis (LHFRC) adalah material komposit yang dibentuk dengan menambahkan 0,1% serat polipropilen pada LSFRC dan mendistribusikan secara merata sejumlah besar serat polipropilen halus dan pendek dengan kekuatan tarik tinggi dan elongasi maksimum tinggi pada beton serat baja atas dan bawah serta beton polos di lapisan tengah. Material ini dapat mengatasi kelemahan lapisan beton polos tengah LSFRC dan mencegah potensi bahaya keselamatan setelah serat baja permukaan aus. LHFRC dapat secara signifikan meningkatkan kekuatan lentur beton. Dibandingkan dengan beton polos, kekuatan lentur beton polos meningkat sekitar 20%, dan dibandingkan dengan LSFRC, kekuatan lenturnya meningkat 2,6%, tetapi hanya sedikit berpengaruh pada modulus elastisitas lentur beton. Modulus elastisitas lentur LHFRC 1,3% lebih tinggi daripada beton polos dan 0,3% lebih rendah daripada LSFRC. LHFRC juga dapat secara signifikan meningkatkan ketangguhan lentur beton, dan indeks ketangguhan lenturnya sekitar 8 kali lipat dari beton biasa dan 1,3 kali lipat dari LSFRC. Selain itu, karena perbedaan kinerja dua atau lebih serat dalam LHFRC pada beton, sesuai dengan kebutuhan teknik, efek hibrida positif dari serat sintetis dan serat baja dalam beton dapat digunakan untuk meningkatkan secara signifikan daktilitas, daya tahan, ketangguhan, kekuatan retak, kekuatan lentur, dan kekuatan tarik material, meningkatkan kualitas material, dan memperpanjang umur pakai material.
——Abstrak (arsitektur Shanxi, Vol. 38, No. 11, Chen Huiqing)
Waktu posting: 24 Agustus 2022