Mekaniske egenskaber og svigtmekanismer i fiberforstærket beton: Indflydelse af fibertype og -indhold
Beton er den mest anvendte Konstruktion materiale. Det tilbyder adskillige fordele, herunder dets udbredte tilgængelighed, enkle produktionsproces, lave omkostninger og nemme anvendelse. Det anvendes i vid udstrækning inden for forskellige områder såsom bygninger, veje, broer, tunneler og vandbygning. I takt med at et stort antal ingeniørprojekter har udviklet sig, er kravene til betonens ydeevne også gradvist steget. Følgelig er manglerne ved traditionel beton, såsom utilstrækkelig trækstyrke, dårlig revnemodstand og volumenstabilitet, blevet tydelige. Derfor har forbedring af betonens ydeevne konsekvent været en af de vigtigste forskningsretninger inden for anlægsarbejder.
For at forbedre betonens ydeevne tilsættes der typisk fibre for at forbedre dens mekaniske egenskaber og sejhed. Eksempler inkluderer Stålfibers (SF), syntetiske fibre (som polypropylenfibre), mineralfibre (såsom basaltfibre - BF) og kulfibre (CF). Denne tilgang har yderligere forbedret ydeevnen af højtydende beton (HPC) og ultrahøjtydende beton (UHPC).
Fibre kan i et vist omfang forbedre betons mekaniske egenskaber. Forskellige fibertyper og -indhold fører dog uundgåeligt til betydelige variationer i deres indvirkning på betons mekaniske egenskaber. I øjeblikket kræver det optimale fiberindhold, det kvantitative forhold mellem relevante parametre og mekaniske egenskaber samt de underliggende mekanismer i fiberarmeret beton stadig yderligere afklaring. Denne undersøgelse undersøgte kulfibre (CF), basaltfibre (BF) og stålfibre (SF) som forskningsemner, hvor betonprøver med varierende fiberindhold blev udarbejdet. Disse fibre blev valgt på grund af deres veldokumenterede forbedring af ydeevnen i beton og udbredte anvendelse. Gennem kontrollerede variable eksperimenter blev virkningerne af fibertype og -indhold på betonens trykstyrke, elasticitetsmodul og brudtilstand systematisk analyseret. Ved at kombinere digitale billed- og scanningselektronmikroskopi (SEM) analyseteknikker blev revneudviklingen i fiberarmeret beton under eksperimenterne observeret, hvilket førte til følgende konklusioner:
1. Sammenlignet med almindelig beton (PC) er inkorporeringen af stålfibre (SF), kulfibre (CF) og basaltfibre (BF) forbedrede de mekaniske egenskaber af fiberforstærket beton (FRC) betydeligt og ændrede dens brudtilstand. Disse fibre ændrede betonens kompakthed og indledende porekompressionsegenskaber. Efterhånden som fiberindholdet steg, skiftede brudtilstanden fra sprød til duktil. Det kritiske overgangspunkt var 0,5% for stålfiberbeton (SFC) og 1,0% for både kulfiberbeton (CFC) og basaltfiberbeton (BFC). For at maksimere den mekaniske ydeevne var det optimale indhold for stålfibre 2,0%, for kulfibre 1,0% og for basaltfibre 0,5%.
2. Selvom fiberindhold kan forbedre betonens kompakthed og bæreevne, kan et for højt indhold føre til et "mætnings"-fænomen, hvilket forårsager fiber-"agglomeration". Dette påvirker betonens fysiske egenskaber, styrke og deformationsegenskaber negativt. Stålfiberbeton opnåede optimal ydeevne ved en fibervolumenfraktion på 2,0%, mens kulfiberbeton og basaltfiberbeton opnåede deres optimale ydeevne ved henholdsvis 1,0% og 0,5%. Ud over disse optimale indhold faldt ydeevnen.
3. Scanningselektronmikroskopi (SEM)-analyse viste, at grænsefladebindingen mellem fibre og den cementholdige matrix påvirker betonens makroskopiske mekaniske egenskaber betydeligt. En passende mængde fibre danner en tæt tredimensionel netværksstruktur i betonen, hvilket forbedrer matrixens forbindelse og samlede ydeevne. Et for højt fiberindhold fører dog til fiberagglomerering, hvilket skaber svage grænsefladeområder og reducerer betonens densitet og styrke. Ændringerne i mikrostrukturen var meget i overensstemmelse med udviklingen af makroskopiske mekaniske egenskaber.
4. Tilføjelsen af fibre ændrede betonens brudtilstand betydeligt. Sammenlignet med almindelig beton udviste fiberforstærket beton højere integritet efter brud, med færre og smallere revner og forbedret sejhed. Stålfibre var mest effektive til at inhibere revner, efterfulgt af kulfibre og basaltfibre. Fibrenes "brobygningseffekt" spillede en afgørende rolle i at undertrykke revneudbredelse, mens den "svage grænsefladeeffekt" havde en negativ indvirkning på de mekaniske egenskaber.
