Mechanické vlastnosti a mechanismy porušení vláknobetonu: Vliv typu a obsahu vláken
Beton je nejrozšířenější Konstrukce materiál. Nabízí řadu výhod, včetně široké dostupnosti, jednoduchého výrobního procesu, nízkých nákladů a snadné aplikace. Je hojně používán v různých oblastech, jako jsou budovy, silnice, mosty, tunely a vodní stavitelství. S rozvojem velkého počtu inženýrských projektů se postupně zvyšovaly i nároky na vlastnosti betonu. V důsledku toho se projevily nedostatky tradičního betonu, jako je nedostatečná pevnost v tahu, nízká odolnost proti trhlinám a objemová nestabilita. Zlepšování vlastností betonu je proto trvale jedním z klíčových směrů výzkumu ve stavebnictví.
Pro zlepšení vlastností betonu se obvykle přidávají vlákna, která zlepšují jeho mechanické vlastnosti a houževnatost. Mezi příklady patří Ocelová vláknas (SF), syntetická vlákna (jako jsou polypropylenová vlákna), minerální vlákna (jako jsou čedičová vlákna - BF) a uhlíková vlákna (CF). Tento přístup dále zvýšil výkonnost vysoce výkonného betonu (HPC) a ultravysokopevnostního betonu (UHPC).
Vlákna mohou do určité míry zlepšit mechanické vlastnosti betonu. Různé typy a obsahy vláken však nevyhnutelně vedou k významným rozdílům v jejich vlivu na mechanické vlastnosti betonu. V současné době je stále třeba dále objasnit optimální obsah vláken, kvantitativní vztah mezi relevantními parametry a mechanickými vlastnostmi a základní mechanismy vláknobetonu. Tato studie zkoumala uhlíková vlákna (CF), čedičová vlákna (BF) a ocelová vlákna (SF) jako výzkumné subjekty, přičemž se připravovaly betonové vzorky s různým obsahem vláken. Tato vlákna byla vybrána kvůli jejich dobře zdokumentovanému zlepšení vlastností v betonu a širokému použití. Prostřednictvím experimentů s řízenými proměnnými byly systematicky analyzovány vlivy typu a obsahu vláken na pevnost v tlaku, modul pružnosti a způsob porušení betonu. Kombinací analytických technik digitálního obrazu a rastrovací elektronové mikroskopie (SEM) bylo během experimentů pozorováno chování vývoje trhlin ve vláknobetonu, což vedlo k následujícím závěrům:
1. Ve srovnání s běžným betonem (PC) je přidání ocelových vláken (SF), uhlíkových vláken (CF) a čedičová vlákna (BF) významně zlepšil mechanické vlastnosti vláknobetonu (FRC) a změnil jeho způsob porušení. Tato vlákna změnila kompaktnost betonu a počáteční charakteristiky stlačení pórů. S rostoucím obsahem vláken se způsob porušení změnil z křehkého na tvárný. Kritický bod přechodu byl 0,5 % pro ocelovláknitý beton (SFC) a 1,0 % pro uhlíkovovláknitý beton (CFC) i čedičový vláknobeton (BFC). Pro maximalizaci mechanických vlastností byl optimální obsah ocelových vláken 2,0 %, uhlíkových vláken 1,0 % a čedičových vláken 0,5 %.
2. Ačkoli obsah vláken může zlepšit hutnost a únosnost betonu, nadměrně vysoký obsah může vést k jevu „nasycení“, což způsobuje „aglomeraci“ vláken. To negativně ovlivňuje fyzikální vlastnosti, pevnost a deformační charakteristiky betonu. Ocelovláknitý beton dosáhl optimálního výkonu při objemovém podílu vláken 2,0 %, zatímco uhlíkovovláknitý beton a čedičový vláknitý beton dosáhly svého optimálního výkonu při 1,0 %, respektive 0,5 %. Při překročení těchto optimálních hodnot se výkon snížil.
3. Analýza pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM) ukázala, že mezifázová vazba mezi vlákny a cementovou matricí významně ovlivňuje makroskopické mechanické vlastnosti betonu. Vhodné množství vláken vytváří v betonu hustou trojrozměrnou síťovou strukturu, což zlepšuje propojení matrice a celkové vlastnosti. Nadměrně vysoký obsah vláken však vede k aglomeraci vláken, což vytváří slabé mezifázové oblasti a snižuje hustotu a pevnost betonu. Změny mikrostruktury byly velmi v souladu s vývojem makroskopických mechanických vlastností.
4. Přidání vláken významně změnilo způsob porušení betonu. Ve srovnání s prostým betonem vykazoval vláknobeton vyšší integritu po porušení, s menším počtem a užšími trhlinami a zvýšenou houževnatostí. Ocelová vlákna byla nejúčinnější v inhibici vzniku trhlin, následovaná uhlíkovými vlákny a čedičovými vlákny. „Přemosťující efekt“ vláken hrál klíčovou roli v potlačování šíření trhlin, zatímco „slabý mezifázový efekt“ měl negativní dopad na mechanické vlastnosti.
