Чому міцність на розрив скловолоконної арматури набагато вища, ніж у сталевої арматури, але модуль пружності нижчий? Який його механічний механізм?

Межа міцності на розрив склопластикової арматури значно вища, ніж у сталевої арматури, але її модуль пружності нижчий, що зумовлено суттєвими відмінностями її матеріального складу, мікроструктури та механічного механізму. Нижче наведено детальний аналіз з точки зору наукових принципів:

1、 Основний механізм різниці в міцності на розрив

Армування скловолокном: ковалентні зв’язки та механізм армування волокном

Матеріальна основа: скловолоконна арматура виготовляється зі скловолокна як армуючої фази (що становить 60% -70% за об’ємом), а її основним компонентом є мережева структура кремнезему (SiO ₂), яка утворює високоміцну решітку через ковалентні зв’язки.

Джерело сили:

Енергія руйнування скловолокна: Енергія руйнування скловолокна становить 7,0-9,5 кДж/м², що значно перевищує енергію руйнування металевих зв’язків у сталевих прутках (приблизно 2,5-4,0 кДж/м²).

Оптимізація розташування волокон: волокна розташовані впорядковано вздовж осьового напрямку, і навантаження ефективно передається на волокна через матрицю смоли, досягаючи зосередженої напруги вздовж напрямку волокна.

Порівняння даних: Міцність на розрив склопластикової арматури може досягати 500-900 МПа, у той час як у звичайної сталевої арматури (HRB400) - 400-600 МПа, а у високоміцної сталевої арматури (HRB600) - лише 600-750 МПа.

Армування: металевий зв'язок і механізм зміцнення дислокації

Матеріальна основа: сталеві прутки виготовлені із залізовуглецевого сплаву, який утворений у структуру феритового перліту за допомогою процесів гарячої прокатки або холодного волочіння. Неспрямована природа металевих зв'язків наділяє їх рівномірною тривимірною несучою здатністю.

Джерело сили:

Опір руху дислокації: зміцнення твердого розчину атома вуглецю та пластинчаста структура перліту перешкоджають ковзанню дислокації, але енергія руйнування металевих зв’язків обмежує їхню теоретичну верхню межу міцності.

Внесок пластичної деформації: Подовження при розриві сталевих прутків може досягати 15% -25%. Під час стадії пластичної деформації енергія поглинається через поширення дислокації, але деяка теоретична міцність приноситься в жертву.

2、 Основний механізм різниці модулів пружності

Скловолоконна арматура: смоляна матриця та ефект інтерфейсу

Обмеження модуля пружності матриці: модуль пружності полімерної матриці (наприклад, епоксидної смоли) становить лише 3-5 ГПа, що набагато нижче, ніж 200 ГПа сталевої арматури.

Слабкість з’єднання межі розділу: Міцність з’єднання між скловолокном і смолою (зазвичай <10 МПа) набагато нижча, ніж міцність з’єднання між феритом і перлітом у сталевих прутках, і це схильне до роз’єднання межі розділу або розтріскування матриці під напругою.

Характеристики крихкості: крива «напруження-деформація» скловолоконної арматури показує лінійне руйнування без платформи текучості для сталевих прутків, що призводить до уявного модуля пружності (40-60 ГПа), який становить лише 1/3-2/5 від модуля сталевих прутів.

Посилення: металеве з’єднання та механізм ковзання кристалів

Суть високої жорсткості: ненаправлена ​​природа металевих зв’язків дозволяє кристалічній системі ковзання рівномірно розподілятися в тривимірному просторі, що призводить до високого опору руху дислокацій і надає сталевим пруткам високий модуль пружності (200 ГПа).

Регулювання пластичної деформації: стадія пластичної деформації сталевих прутків звільняє локальну концентрацію напруги через перегрупування дислокацій, зберігаючи стабільність модуля пружності.

3、 Технічне значення відмінностей продуктивності

Характерні армовані скловолокном сталеві стрижні

Міцність на розрив 500-900 МПа (значна перевага) 400-750 МПа

Модуль пружності 40-60 ГПа (1/3-2/5 сталевих стрижнів) 200 ГПа

Режим руйнування крихке руйнування (без попередження) шийка пластичне руйнування (попередження)

Застосовні сценарії: високі вимоги до корозійної стійкості, легкої ваги, стійкості до втоми, пластичної деформації та сейсмостійкості

4、 Висновок

Висока міцність на розтяг армування скловолокном зумовлена ​​структурою ковалентного зв’язку та оптимізованим розташуванням волокон скляних волокон, тоді як низький модуль пружності обмежується модулем полімерної матриці, недостатньою міцністю з’єднання волоконної матриці та крихкістю матеріалу. Ця комбінація характеристик дає йому унікальні переваги в сценаріях стійкості до корозії, легкої ваги та стійкості до втоми, але він все ще покладається на сталеву арматуру в конструкціях, які вимагають високої жорсткості або пластичної деформації. У майбутньому за допомогою наномодифікованої технології обробки поверхні смолою або волокном очікується подальше підвищення модуля пружності армування скловолокном і розширення діапазону його застосування.