การวิจัยเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมของคอนกรีตเสริมใยหินบะซอลต์แบบตัดสั้น

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาวิศวกรรมทางหลวงของจีน การก่อสร้าง พัฒนาไปอย่างรวดเร็ว และเทคโนโลยีโครงสร้างคอนกรีตได้ก้าวหน้าไปอย่างมาก สั่งสมความสำเร็จทางเทคนิคที่ก้าวหน้าและสมบูรณ์มากมาย การออกแบบโครงสร้างคอนกรีตได้รับการนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในด้านการก่อสร้างโครงสร้างพื้นฐาน เป็นการแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของมัน อย่างไรก็ตาม, นอกเหนือจากความสำเร็จเหล่านี้แล้ว ปัญหาของ คอนกรีตแตกร้าว กำลังมีบทบาทโดดเด่นมากขึ้นเรื่อยๆ การมีรอยแตกในคอนกรีตจะส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของคอนกรีต ลดลงอย่างเห็นได้ชัด ความแข็งแรงดึง, ซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้คอนกรีตเกิดการแตกหักแบบเปราะ เส้นใยบะซอลต์แบบสั้น, ในฐานะวัสดุเส้นใยชนิดใหม่ ได้กลายเป็นวัสดุเสริมแรงคอนกรีตที่ยอดเยี่ยมเนื่องจากคุณสมบัติทางกลที่เป็นเอกลักษณ์ เสถียรภาพดี และมีความคุ้มค่าสูงบทความนี้จะเน้นไปที่ลักษณะเฉพาะของทางลัด เส้นใยบะซอลต์ และศึกษาการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติในการเสริมแรงและเพิ่มความแข็งแรงของคอนกรีต

2. คุณสมบัติของเส้นใยบะซอลต์แบบตัดสั้น

2.1 คำจำกัดความ

เส้นใยบะซอลต์ เป็นเส้นใยแร่อนินทรีย์ที่ผ่านกระบวนการตัดเส้นใยบะซอลต์ต่อเนื่องให้มีความยาวโดยทั่วไปน้อยกว่า $50\text{มม.}$. สามารถกระจายตัวได้อย่างสม่ำเสมอภายในคอนกรีต ตามคำขอของพวกเขา โดยหลักแล้วสามารถแบ่งออกเป็น: เส้นใยป้องกันการแตกร้าวสำหรับคอนกรีต ($\text{บีเอฟ}$), เส้นใยเสริมความแข็งแรงและความทนทานสำหรับคอนกรีต ($\text{บีซี}$), และเส้นใยป้องกันการแตกร้าวสำหรับปูนฉาบ ($\text{บีเอสเอฟ}$), และอื่นๆ อีกมากมาย

2.2 ประสิทธิภาพ เส้นใยบะซอลต์แบบตัดสั้น

ทางลัด เส้นใยบะซอลต์ มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมของ ความแข็งแรงสูง และ โมดูลัสสูง. ความแข็งแรงดึงของมันสามารถสูงถึง $1050\text{-}1250\text{เมกะปาสคาล}$, และค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นของมันไม่น้อยกว่า $34\text{จีพีเอ}$. ของมัน ทนต่ออุณหภูมิสูง ยอดเยี่ยมมาก ทำให้สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง −269∘ซี ถึง 650∘ซี. มันแสดงให้เห็นถึงระดับสูง ความต้านทานการกัดกร่อน และ ความเสถียรทางเคมี ในตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เช่น กรด ด่าง และเกลือ โดยเฉพาะในสภาวะที่เป็นด่าง เช่น สารละลายด่างอิ่มตัวและซีเมนต์ อัตราการคงความแข็งแรงของการแตกหักของเส้นใยเดี่ยวสูงกว่า $75\%$, แสดงให้เห็นถึงความต้านทานต่อการกัดกร่อนจากด่างได้อย่างดีเยี่ยม เส้นใยบะซอลต์แบบสั้น มี ความเข้ากันได้ดี โดยใช้สารยึดเกาะอนินทรีย์ อัตราการดูดซับความชื้นต่ำกว่า $1\%$, และคุณสมบัติการดูดซับความชื้นของมันจะไม่เปลี่ยนแปลงไปตามเวลา สิ่งนี้พิสูจน์ให้เห็นถึงความเสถียรของวัสดุที่ดี อายุยืนยาว และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในระหว่างการใช้งาน นอกจากนี้, เส้นใยนี้ยังมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม เช่น เป็นฉนวนกันความร้อน การกรองที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานต่อรังสี และความสามารถในการส่งผ่านคลื่น ดัชนีประสิทธิภาพแสดงอยู่ในตารางที่ 1

3. การวิเคราะห์การประยุกต์ใช้เส้นใยบะซอลต์แบบตัดสั้นในคอนกรีต

คอนกรีตเสริมใยหินบะซอลต์แบบตัดสั้น เกี่ยวข้องกับการผสมเส้นใยบะซอลต์แบบต่อเนื่องหรือแบบไม่ต่อเนื่องที่มีความยาวสั้นลงในคอนกรีตในปริมาณที่เหมาะสม ในขณะที่ยังคงรักษาข้อดีดั้งเดิมของความแข็งแรงในการรับแรงอัดของคอนกรีตไว้ วิธีนี้สามารถปรับปรุงได้อย่างมาก ความทนทาน และ ความแข็งแรงดึง, จึงช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับคอนกรีตและยืดอายุการใช้งานของโครงสร้างทางวิศวกรรมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

นอกจาก เส้นใยบะซอลต์, คาร์บอนไฟเบอร์ ใยแก้ว เส้นใยอะรามิด และวัสดุอื่นๆ ก็ถูกนำมาใช้เป็นวัสดุเสริมแรงในคอนกรีตด้วยเช่นกัน อย่างไรก็ตาม, จากการใช้งานในระยะยาวพบว่า วัสดุเหล่านี้ก่อให้เกิดปัญหาบางประการเมื่อนำไปใช้กับคอนกรีต ทำให้ยากที่จะตอบสนองความต้องการของตลาดสำหรับคอนกรีตสมรรถนะสูง การเกิดขึ้นของเส้นใยบะซอลต์แบบตัดสั้นช่วยเติมเต็มช่องว่างในด้านวัสดุและวิธีการนี้ ส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีการเสริมความแข็งแรงและเสริมแรงคอนกรีตอย่างมาก บทบาทของวัสดุนี้ในการเสริมแรงและเพิ่มความแข็งแรงของคอนกรีตนั้น สะท้อนให้เห็นได้ในด้านต่างๆ ดังต่อไปนี้:

1. การยับยั้งการแตกร้าวอย่างมีประสิทธิภาพ: เนื่องจากมีปริมาณและพื้นที่ผิวมากเป็นข้อได้เปรียบ เส้นใยบะซอลต์ที่ตัดสั้นสามารถยับยั้งรอยแตกขนาดเล็กได้อย่างมีประสิทธิภาพ ป้องกันการเชื่อมต่อและการขยายตัวของพวกมัน ในขณะเดียวกัน มันช่วยเอาชนะข้อเสียของเส้นใยสังเคราะห์ชนิดอื่นๆ เช่น ความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงดึงต่ำ และมีค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำ มันไม่สามารถแยกออกจากกันได้ง่ายๆ ในระหว่างการลุกลามของรอยแตก ซึ่งสามารถยับยั้งการพัฒนาของรอยแตกขนาดเล็กได้อย่างมีนัยสำคัญ และชะลอการเกิดรอยแตกใหม่ ส่งผลดีต่อการปรับปรุงการซึมผ่านและความทนทานต่อการแข็งตัวและการละลายของคอนกรีต

2. ผสานโมดูลัสสูงเข้ากับความสะดวกในการก่อสร้าง: เส้นใยบะซอลต์แบบตัดสั้นไม่เพียงแต่ใช้ประโยชน์จากข้อดีที่คล้ายคลึงกับเส้นใยเหล็ก เช่น โมดูลัสสูงและความแข็งแรงดึงของเส้นใยเดี่ยวสูง เพื่อยับยั้งการขยายตัวของรอยแตก แต่ยังสามารถเอาชนะข้อเสียของเส้นใยเหล็กได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกด้วย เช่น การจับตัวเป็นก้อนง่ายระหว่างการผสม และความยากลำบากในการสูบและการก่อสร้าง

3. กระจายตัวได้ดีและเข้ากันได้ดี: ในฐานะที่เป็นเส้นใยอนินทรีย์ที่มีซิลิเกตเป็นองค์ประกอบหลัก เส้นใยบะซอลต์แบบตัดสั้นมีความเข้ากันได้ดีกับวัสดุซีเมนต์ตามธรรมชาติ ความหนาแน่นของมัน (ประมาณ 2.63-2.80กรัม/ซม.3) มีค่าใกล้เคียงกับซีเมนต์คอนกรีตและปูนฉาบ ส่งผลให้ใช้งานได้ดี เมื่อเพิ่มแล้ว มันสามารถกระจายตัวได้อย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งโครงสร้างคอนกรีต

4. ความทนทานเป็นเลิศ: เส้นใยบะซอลต์ตัดสั้นที่ผ่านการดัดแปลงพื้นผิวแสดงคุณลักษณะของ "เส้นใยเฉื่อย" แสดงให้เห็นถึงความทนทานต่ออุณหภูมิสูงได้อย่างยอดเยี่ยม การกัดกร่อน และผลกระทบ สามารถคงเสถียรภาพได้แม้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและมีฤทธิ์กัดกร่อนสูง และยังช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการเสียรูปของเนื้อซีเมนต์ได้อีกด้วย ดังนั้น, สามารถปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงของการผสมคอนกรีตได้ เทน้ำ การตั้งค่า และขั้นตอนการให้บริการ ปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ ความทนทาน ของคอนกรีต

โดยสรุปแล้ว เส้นใยบะซอลต์แบบตัดสั้นสามารถช่วยเพิ่มความต้านทานแรงกระแทกของคอนกรีตได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดความเปราะบางลง และปรับปรุงคุณสมบัติทางกลโดยรวมให้ดียิ่งขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันทำหน้าที่ในโครงสร้างคอนกรีตเพื่อยับยั้งการแตกร้าว ป้องกันการรั่วซึม เพิ่มความทนทาน ปรับปรุงความสามารถในการรับแรงกระแทกและแรงดึง และช่วยปรับปรุงคุณภาพพื้นผิวให้ดีขึ้น

4. วิธีการก่อสร้างและข้อควรระวังสำหรับคอนกรีตเสริมใยหินบะซอลต์แบบตัดสั้น

4.1 อุณหภูมิในการก่อสร้าง

คอนกรีตเสริมใยหินบะซอลต์แบบตัดสั้น ควรก่อสร้างที่อุณหภูมิระหว่าง −5∘ซี และ 25∘ซี. อุณหภูมิที่สูงหรือต่ำเกินไปอาจทำให้ส่วนผสมไม่สม่ำเสมอ

4.2 การควบคุมคุณภาพงานก่อสร้าง

การควบคุมคุณภาพสำหรับการก่อสร้างคอนกรีตเสริมใยหินบะซอลต์แบบเส้นสั้น ควรเน้นที่การตรวจสอบวัตถุดิบเป็นหลัก ความแม่นยำในการวัด และคุณภาพของกระบวนการผสม

4.2.1 การออกแบบสัดส่วนการผสม

ในการก่อสร้างจริง ควรเลือกปริมาณเส้นใยบะซอลต์แบบสั้นที่แตกต่างกันภายในช่วงที่เหมาะสมตามความต้องการของโครงการ เนื่องจากเส้นใยบะซอลต์แบบสั้นไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมีกับส่วนประกอบหรือสารเติมแต่งอื่นๆ ในคอนกรีต โดยทั่วไปแล้ว ปริมาณการใช้สารดังกล่าวจะไม่เปลี่ยนแปลงหลักการออกแบบสัดส่วนส่วนผสมคอนกรีตดั้งเดิม ระหว่างการก่อสร้าง คุณภาพของวัสดุทั้งหมดจะต้องได้รับการกำหนดอย่างเคร่งครัดตามสัดส่วนการผสมในการก่อสร้างและปริมาณต่อชุดสำหรับการผสมแต่ละครั้ง ตารางที่ 2 แสดงตัวอย่างอัตราส่วนผสมที่เหมาะสมที่สุดสำหรับคอนกรีตเสริมใยหินบะซอลต์

ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าปริมาณเส้นใยที่สูงขึ้นไม่ได้หมายความว่าจะต้านทานการแตกร้าวได้ดีขึ้นเสมอไป เมื่อปริมาณยาไม่เกิน 1.2กก./ม.3, ความแข็งแรงรับแรงอัดของคอนกรีตแสดงแนวโน้มเพิ่มขึ้นในช่วงแรก ตามด้วยการลดลง (โดยมีค่าสูงสุด) เมื่อปริมาณเส้นใยเพิ่มขึ้น

4.2.2 ลำดับและวิธีการให้อาหาร

ในระหว่างกระบวนการผสม เส้นใยบะซอลต์แบบสั้น ควรเติมวัสดุเหล่านี้พร้อมกับวัสดุผสมอื่นๆ เช่น ทรายและหินในเวลาเดียวกัน แนะนำให้โรยเส้นใยให้ทั่วถึงในทรายและหินขณะทำการติดตั้ง จากนั้นจึงเติมน้ำเพื่อผสมให้เข้ากันแบบเปียก

วิธีการเติมใยอาหารสามารถแบ่งออกได้เป็น การป้อนด้วยมือ และการป้อนอัตโนมัติ:

• การป้อนอาหารด้วยมือ: เส้นใยบะซอลต์ที่ชั่งน้ำหนักแล้วจะถูกเติมลงไปทีละน้อยด้วยมือหลังจากที่ใส่หินบดร้อนลงในเครื่องผสมแล้ว วิธีการนี้ต้องใช้แรงงานจำนวนมาก ความสม่ำเสมอในการผสมค่อนข้างต่ำ และจำเป็นต้องขยายเวลาการผสมให้เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าเส้นใยกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ

• ระบบป้อนอาหารอัตโนมัติ: อัตโนมัติ เส้นใยบะซอลต์ เครื่องจ่ายสารใช้สำหรับวัดปริมาณโดยอัตโนมัติและเติมสารพร้อมกับหินกรวดร้อนของเครื่องผสมไปพร้อมกัน เครื่องจ่ายเส้นใยไฟเบอร์มักติดตั้งระบบวัดปริมาณอัตโนมัติ การกระจายตัวล่วงหน้า และกลไกการลำเลียงด้วยระบบลม นำเสนอข้อดีของความสะดวกสบาย เร็ว, และการบวกที่แม่นยำ ควรเลือกวิธีการที่เหมาะสมโดยพิจารณาจากสภาพการก่อสร้าง

4.2.3 การปรับค่าการทรุดตัว

การเติมเส้นใยจะทำให้ความหนืดของส่วนผสมคอนกรีตเพิ่มขึ้นเล็กน้อย ซึ่งส่งผลต่อภาวะเศรษฐกิจตกต่ำ หากค่าการทรุดตัวไม่เป็นไปตามข้อกำหนดในการก่อสร้าง ควรใช้สารเพิ่มความยืดหยุ่นหรือสารลดน้ำในการปรับแต่งเป็นหลัก การเพิ่มปริมาณน้ำไม่เพียงพอที่จะแก้ไขปัญหานี้ได้

4.2.4 การขึ้นรูปและการบ่ม

ไม่มีข้อกำหนดพิเศษใดๆ สำหรับการขึ้นรูปคอนกรีตที่ผสมเส้นใยบะซอลต์แบบตัดสั้น แต่ต้องมั่นใจว่ามีการสั่นสะเทือนและการบดอัดที่เพียงพอ ข้อกำหนดในการบ่มคอนกรีตชนิดนี้เหมือนกับคอนกรีตทั่วไป

กรณีศึกษาการประยุกต์ใช้คอนกรีตเสริมใยหินบะซอลต์แบบตัดสั้นโดยสังเขป

ทางด่วนจิงจู (ช่วงอันหยางถึงซินเซียง) เป็นทางหลวงสายหลักของประเทศและเป็นส่วนสำคัญของเครือข่ายทางด่วนของมณฑลเหอหนาน เนื่องจากมีการถมคันดินสูงและคุณภาพดินใต้คันดินไม่ดีในบริเวณนี้ หลังจากเปิดใช้งานได้ไม่นาน ก็พบการทรุดตัวไม่สม่ำเสมอของชั้นดินรองพื้นและข้อบกพร่องอื่นๆ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากปริมาณการจราจรที่เพิ่มขึ้นและจำนวนรถบรรทุกเกินพิกัดที่มากขึ้น พื้นผิวถนนได้รับความเสียหายซ้ำแล้วซ้ำเล่าจากรอยแตกต่างๆ เช่น รอยแตกตามยาวและตามขวาง หลุมบนถนน การตั้งถิ่นฐาน การแตกร้าวของตะแกรง และการแตกของหนังจระเข้ สิ่งนี้ไม่เพียงแต่เป็นภัยคุกคามร้ายแรงต่อความปลอดภัยในการขับขี่เท่านั้น แต่ยังก่อให้เกิดความยากลำบากอย่างมากในการบำรุงรักษาในชีวิตประจำวันอีกด้วย นอกจากนี้, การออกแบบถนนสี่เลนแบบเดิมนั้นไม่สามารถตอบสนองความต้องการด้านการขนส่งได้มานานแล้ว ซึ่งจำเป็นต้องมีการขยายและปรับปรุงใหม่

คอนกรีตเส้นใยบะซอลต์แบบตัดสั้น ได้ถูกนำมาใช้ในการถมดินชั้นล่างของโครงการนี้ จากการทดสอบภาคปฏิบัติพบว่า ความแข็งแรงในการรับแรงดึงเพิ่มขึ้นมากกว่า $30\%$, ความต้านทานต่อความล้าได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นกว่า $30\%$, และความต้านทานต่อการเกิดร่องลึกเพิ่มขึ้นมากกว่า $300\%$. ได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่สำคัญในการป้องกันรอยแตกตามแนวยาว ยับยั้งการขยายตัวของรอยแตก และช่วยยืดอายุการใช้งานของผิวทาง

ด้วยคุณสมบัติทางกลที่เป็นเอกลักษณ์ เสถียรภาพดีเยี่ยม และมีความคุ้มค่าสูง เส้นใยบะซอลต์แบบตัดสั้นได้กลายเป็นวัสดุเสริมแรงคอนกรีตที่มีประสิทธิภาพ โอกาสในการประยุกต์ใช้คอนกรีตเสริมใยหินบะซอลต์แบบตัดสั้นนั้นกว้างขวางอย่างยิ่ง คาดว่าข้อดีที่สำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพทางวิศวกรรมและยืดอายุการใช้งานจะก่อให้เกิดประโยชน์ทางเศรษฐกิจและสังคมที่ดี โดยวางตำแหน่งให้เป็นวัสดุก่อสร้างที่สำคัญในสาขาวิศวกรรมโยธาในอนาคต