Mehanička svojstva i mehanizmi loma vlaknima ojačanog betona: Utjecaj vrste i sadržaja vlakana
Beton je najčešće korišten Građevinarstvo materijal. Nudi brojne prednosti, uključujući široku dostupnost, jednostavan proces proizvodnje, nisku cijenu i lakoću primjene. Široko se koristi u raznim oblastima kao što su zgrade, ceste, mostovi, tuneli i hidrotehnika. Kako se razvijao veliki broj inženjerskih projekata, postepeno su se povećavali i zahtjevi za performansama betona. Posljedično, postali su očigledni nedostaci tradicionalnog betona, poput nedovoljne zatezne čvrstoće, slabe otpornosti na pucanje i zapreminske nestabilnosti. Stoga je poboljšanje performansi betona dosljedno jedan od ključnih istraživačkih pravaca u građevinarstvu.
Da bi se poboljšale performanse betona, obično se dodaju vlakna radi poboljšanja njegovih mehaničkih svojstava i žilavosti. Primjeri uključuju Čelična vlaknas (SF), sintetička vlakna (poput polipropilenskih vlakana), mineralna vlakna (kao što su bazaltna vlakna - BF) i karbonska vlakna (CF). Ovaj pristup je dodatno poboljšao performanse visokoperformansnog betona (HPC) i ultra-visokoperformansnog betona (UHPC).
Vlakna mogu, do određene mjere, poboljšati mehanička svojstva betona. Međutim, različite vrste i sadržaji vlakana neminovno dovode do značajnih varijacija u njihovom utjecaju na mehanička svojstva betona. Trenutno, optimalni sadržaj vlakana, kvantitativni odnos između relevantnih parametara i mehaničkih svojstava, te osnovni mehanizmi vlaknima ojačanog betona još uvijek zahtijevaju daljnja pojašnjenja. Ova studija istraživala je karbonska vlakna (CF), bazaltna vlakna (BF) i čelična vlakna (SF) kao subjekti istraživanja, pripremajući betonske uzorke s različitim sadržajem vlakana. Ova vlakna su odabrana zbog njihovog dobro dokumentiranog poboljšanja performansi u betonu i široke primjene. Kroz eksperimente s kontroliranim varijablama, sistematski su analizirani utjecaji vrste i sadržaja vlakana na tlačnu čvrstoću, modul elastičnosti i način loma betona. Kombinacijom tehnika analize digitalne slike i skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM), uočeno je ponašanje evolucije pukotina u vlaknima ojačanom betonu tokom eksperimenata, što je dovelo do sljedećih zaključaka:
1. U poređenju sa običnim betonom (PC), ugradnja čeličnih vlakana (SF), karbonskih vlakana (CF) i bazaltna vlakna (BF) je značajno poboljšao mehanička svojstva vlaknima ojačanog betona (FRC) i promijenio njegov način loma. Ova vlakna su promijenila kompaktnost betona i početne karakteristike kompresije pora. Kako se sadržaj vlakana povećavao, način loma se mijenjao od krhkog do duktilnog. Kritična tačka prelaza bila je 0,5% za čelične vlaknaste betone (SFC) i 1,0% za karbonske vlaknaste betone (CFC) i bazaltne vlaknaste betone (BFC). Da bi se maksimizirale mehaničke performanse, optimalni sadržaj za čelična vlakna bio je 2,0%, za karbonska vlakna 1,0%, a za bazaltna vlakna 0,5%.
2. Iako sadržaj vlakana može poboljšati kompaktnost i nosivost betona, pretjerano visok sadržaj može dovesti do fenomena "zasićenja", uzrokujući "aglomeraciju" vlakana. To negativno utiče na fizička svojstva, čvrstoću i deformacijske karakteristike betona. Beton od čeličnih vlakana postigao je optimalne performanse pri volumskom udjelu vlakana od 2,0%, dok su beton od ugljičnih vlakana i beton od bazaltnih vlakana dostigli svoje optimalne performanse pri 1,0% odnosno 0,5%. Iznad ovih optimalnih sadržaja, performanse su se smanjivale.
3. Analiza skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM) otkrila je da međufazna veza između vlakana i cementne matrice značajno utiče na makroskopska mehanička svojstva betona. Odgovarajuća količina vlakana formira gustu trodimenzionalnu mrežnu strukturu unutar betona, poboljšavajući povezanost matrice i ukupne performanse. Međutim, pretjerano visok sadržaj vlakana dovodi do aglomeracije vlakana, stvarajući slaba međufazna područja i smanjujući gustoću i čvrstoću betona. Promjene u mikrostrukturi bile su u velikoj mjeri u skladu s evolucijom makroskopskih mehaničkih svojstava.
4. Dodavanje vlakana značajno je promijenilo način loma betona. U poređenju sa običnim betonom, beton ojačan vlaknima pokazao je veći integritet nakon loma, sa manje i užim pukotinama, te poboljšanom žilavošću. Čelična vlakna su bila najefikasnija u inhibiciji pukotina, a slijede ih ugljična vlakna i bazaltna vlakna. "Efekat premošćavanja" vlakana odigrao je ključnu ulogu u suzbijanju širenja pukotina, dok je "efekat slabog međupovršinskog sloja" imao negativan uticaj na mehanička svojstva.
