Механични свойства и механизми на разрушаване на фибробетон: Влияние на вида и съдържанието на влакната
Бетонът е най-широко използваният Строителство материал. Той предлага множество предимства, включително широката си достъпност, лесния производствен процес, ниската цена и лекотата на приложение. Използва се широко в различни области като сгради, пътища, мостове, тунели и хидротехника. С развитието на голям брой инженерни проекти, изискванията към характеристиките на бетона също постепенно се увеличават. Следователно, недостатъците на традиционния бетон, като недостатъчна якост на опън, лоша устойчивост на пукнатини и обемна нестабилност, стават очевидни. Следователно, подобряването на характеристиките на бетона е едно от ключовите направления на изследванията в строителното инженерство.
За да се подобрят характеристиките на бетона, обикновено се добавят фибри, които подобряват механичните му свойства и здравина. Примерите включват Стоманени влакнас (SF), синтетични влакна (като полипропиленови влакна), минерални влакна (като базалтови влакна - BF) и въглеродни влакна (CF). Този подход допълнително подобри характеристиките на високоефективния бетон (HPC) и ултрависокоефективния бетон (UHPC).
Влакната могат до известна степен да подобрят механичните свойства на бетона. Различните видове и съдържание на влакна обаче неизбежно водят до значителни вариации в тяхното въздействие върху механичните свойства на бетона. Понастоящем оптималното съдържание на влакна, количествената връзка между съответните параметри и механичните свойства, както и основните механизми на фибробетона, все още изискват допълнително изясняване. Това проучване изследва въглеродните влакна (CF), базалтови влакна (BF) и стоманени влакна (SF) като обекти на изследване, приготвяйки бетонни образци с различно съдържание на влакна. Тези влакна бяха избрани поради добре документираното им подобрение в производителността на бетона и широкото им приложение. Чрез контролирани експерименти с променливи систематично бяха анализирани ефектите от вида и съдържанието на влакната върху якостта на натиск, модула на еластичност и режима на разрушаване на бетона. Комбинирайки техники за анализ на цифрово изображение и сканираща електронна микроскопия (SEM), беше наблюдавано поведението на еволюцията на пукнатини в армирания с влакна бетон по време на експериментите, което доведе до следните заключения:
1. В сравнение с обикновения бетон (PC), включването на стоманени влакна (SF), въглеродни влакна (CF) и базалтови влакна (BF) значително подобри механичните свойства на фибробетона (FRC) и промени начина му на разрушаване. Тези влакна промениха компактността на бетона и началните характеристики на компресия на порите. С увеличаване на съдържанието на влакна, начинът на разрушаване се измести от крехък към пластичен. Критичната точка на преход беше 0,5% за стоманено-фибробетон (SFC) и 1,0% както за въглеродно-фибробетон (CFC), така и за базалтово-фибробетон (BFC). За да се увеличат максимално механичните характеристики, оптималното съдържание за стоманени влакна беше 2,0%, за въглеродни влакна 1,0% и за базалтови влакна 0,5%.
2. Въпреки че съдържанието на фибри може да подобри компактността и носещата способност на бетона, прекомерно високото съдържание може да доведе до феномен на „насищане“, причинявайки „агломерация“ на фибрите. Това се отразява негативно на физичните свойства, якостта и деформационните характеристики на бетона. Стоманено-фибробетонът постига оптимални характеристики при обемна фракция на фибрите от 2,0%, докато въглеродно-фибробетонът и базалтово-фибробетонът достигат оптималните си характеристики съответно при 1,0% и 0,5%. След тези оптимални съдържания, характеристиките намаляват.
3. Анализът със сканираща електронна микроскопия (SEM) показа, че междуфазовата връзка между влакната и циментовата матрица значително влияе върху макроскопските механични свойства на бетона. Подходящо количество влакна образува плътна триизмерна мрежова структура в бетона, подобрявайки свързаността на матрицата и цялостните характеристики. Прекалено високото съдържание на влакна обаче води до агломерация на влакната, създавайки слаби междуфазови области и намалявайки плътността и якостта на бетона. Промените в микроструктурата са в голяма степен съвместими с еволюцията на макроскопските механични свойства.
4. Добавянето на фибри значително промени начина на разрушаване на бетона. В сравнение с обикновения бетон, фибробетонът показа по-висока цялост след разрушаване, с по-малко и по-тесни пукнатини и подобрена якост. Стоманените фибри бяха най-ефективни в инхибирането на пукнатини, следвани от въглеродните фибри и базалтовите фибри. „Мостовият ефект“ на фибрите играеше решаваща роля в потискането на разпространението на пукнатини, докато „ефектът на слабия интерфейс“ имаше отрицателно въздействие върху механичните свойства.
