Propietats mecàniques i mecanismes de fallada del formigó reforçat amb fibra: influència del tipus i contingut de fibra
El formigó és el més utilitzat Construcció material. Ofereix nombrosos avantatges, com ara la seva àmplia disponibilitat, el procés de producció senzill, el baix cost i la facilitat d'aplicació. S'utilitza àmpliament en diversos camps com ara edificis, carreteres, ponts, túnels i enginyeria hidràulica. A mesura que s'han desenvolupat un gran nombre de projectes d'enginyeria, les demandes sobre el rendiment del formigó també han augmentat gradualment. En conseqüència, s'han fet evidents les deficiències del formigó tradicional, com ara la resistència a la tracció insuficient, la baixa resistència a les esquerdes i la inestabilitat del volum. Per tant, la millora del rendiment del formigó ha estat constantment una de les principals direccions de recerca en enginyeria civil.
Per millorar el rendiment del formigó, normalment s'afegeixen fibres per millorar-ne les propietats mecàniques i la resistència. Alguns exemples són: fibra d'acers (SF), fibres sintètiques (com les fibres de polipropilè), fibres minerals (com les fibres de basalt - BF) i fibres de carboni (CF). Aquest enfocament ha augmentat encara més el rendiment del formigó d'alt rendiment (HPC) i del formigó d'ultra alt rendiment (UHPC).
Les fibres poden, fins a cert punt, millorar les propietats mecàniques del formigó. Tanmateix, els diferents tipus i continguts de fibres condueixen inevitablement a variacions significatives en el seu impacte en les propietats mecàniques del formigó. Actualment, el contingut òptim de fibra, la relació quantitativa entre els paràmetres rellevants i les propietats mecàniques, i els mecanismes subjacents del formigó reforçat amb fibra encara requereixen més aclaració. Aquest estudi va investigar les fibres de carboni (FC), fibres de basalt (BF) i fibres d'acer (SF) com a subjectes de recerca, preparant mostres de formigó amb diferents continguts de fibra. Aquestes fibres van ser escollides per la seva millora del rendiment ben documentada en el formigó i la seva aplicació generalitzada. Mitjançant experiments amb variables controlades, es van analitzar sistemàticament els efectes del tipus i contingut de fibra sobre la resistència a la compressió, el mòdul elàstic i el mode de falla del formigó. Combinant tècniques d'anàlisi d'imatges digitals i microscòpia electrònica de rastreig (SEM), es va observar el comportament d'evolució de les esquerdes del formigó reforçat amb fibra durant els experiments, cosa que va portar a les següents conclusions:
1. En comparació amb el formigó ordinari (PC), la incorporació de fibres d'acer (SF), fibres de carboni (CF) i fibres de basalt El formigó reforçat amb fibra (BF) va millorar significativament les propietats mecàniques del formigó reforçat amb fibra (FRC) i va alterar el seu mode de falla. Aquestes fibres van canviar la compacitat del formigó i les característiques inicials de compressió dels porus. A mesura que augmentava el contingut de fibra, el mode de falla va canviar de fràgil a dúctil. El punt de transició crític va ser del 0,5% per al formigó de fibra d'acer (SFC) i de l'1,0% tant per al formigó de fibra de carboni (CFC) com per al formigó de fibra de basalt (BFC). Per maximitzar el rendiment mecànic, el contingut òptim per a les fibres d'acer va ser del 2,0%, per a les fibres de carboni de l'1,0% i per a les fibres de basalt del 0,5%.
2. Tot i que el contingut de fibra pot millorar la compacitat i la capacitat portant del formigó, un contingut excessivament alt pot conduir a un fenomen de "saturació", causant "aglomeració" de fibres. Això afecta negativament les propietats físiques, la resistència i les característiques de deformació del formigó. El formigó de fibra d'acer va aconseguir un rendiment òptim amb una fracció volumètrica de fibra del 2,0%, mentre que el formigó de fibra de carboni i el formigó de fibra de basalt van assolir el seu rendiment òptim amb l'1,0% i el 0,5%, respectivament. Més enllà d'aquests continguts òptims, el rendiment va disminuir.
3. L'anàlisi de microscòpia electrònica de rastreig (SEM) va revelar que l'enllaç interfacial entre les fibres i la matriu cimentosa influeix significativament en les propietats mecàniques macroscòpiques del formigó. Una quantitat adequada de fibres forma una densa estructura de xarxa tridimensional dins del formigó, millorant la connectivitat de la matriu i el rendiment general. Tanmateix, un contingut de fibra excessivament alt condueix a l'aglomeració de fibres, creant regions interfacials febles i reduint la densitat i la resistència del formigó. Els canvis en la microestructura van ser altament consistents amb l'evolució de les propietats mecàniques macroscòpiques.
4. L'addició de fibres va alterar significativament el mode de fallada del formigó. En comparació amb el formigó normal, el formigó reforçat amb fibra va mostrar una major integritat post-fallida, amb menys esquerdes i més estretes, i una major tenacitat. Les fibres d'acer van ser més efectives en la inhibició d'esquerdes, seguides de les fibres de carboni i les fibres de basalt. L'"efecte pont" de les fibres va tenir un paper crucial en la supressió de la propagació d'esquerdes, mentre que l'"efecte d'interfície feble" va tenir un impacte negatiu en les propietats mecàniques.
