Mechanische Eigenschaften und Versagensmechanismen von faserverstärktem Beton: Einfluss von Fasertyp und -gehalt
Beton ist der am weitesten verbreitete Werkstoff. Konstruktion Beton bietet zahlreiche Vorteile, darunter seine weite Verfügbarkeit, den einfachen Herstellungsprozess, die geringen Kosten und die leichte Verarbeitbarkeit. Er findet breite Anwendung in verschiedenen Bereichen wie dem Hoch-, Tief- und Straßenbau, dem Brückenbau, dem Tunnelbau und dem Wasserbau. Mit der Zunahme von Bauprojekten sind auch die Anforderungen an die Eigenschaften von Beton stetig gestiegen. Dadurch traten die Schwächen von herkömmlichem Beton, wie unzureichende Zugfestigkeit, geringe Rissbeständigkeit und Volumeninstabilität, deutlich zutage. Die Verbesserung der Betoneigenschaften zählt daher seit jeher zu den wichtigsten Forschungsschwerpunkten im Bauwesen.
Um die Leistungsfähigkeit von Beton zu verbessern, werden typischerweise Fasern hinzugefügt, um seine mechanischen Eigenschaften und seine Zähigkeit zu erhöhen. Beispiele hierfür sind: Stahlfasers (SF), synthetische Fasern (wie Polypropylenfasern), Mineralfasern (wie Basaltfasern – BF) und Kohlenstofffasern (CF). Dieser Ansatz hat die Leistungsfähigkeit von Hochleistungsbeton (HPC) und Ultrahochleistungsbeton (UHPC) weiter gesteigert.
Fasern können die mechanischen Eigenschaften von Beton bis zu einem gewissen Grad verbessern. Unterschiedliche Fasertypen und -mengen führen jedoch zwangsläufig zu erheblichen Unterschieden in ihrer Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften von Beton. Derzeit bedürfen der optimale Fasergehalt, der quantitative Zusammenhang zwischen relevanten Parametern und mechanischen Eigenschaften sowie die zugrundeliegenden Mechanismen von faserverstärktem Beton noch weiterer Klärung. In dieser Studie wurden Kohlenstofffasern (CF) untersucht. Basaltfasern In einer Studie wurden Stahlfasern (BF) und Stahlfasern (SF) als Untersuchungsobjekte verwendet, um Betonproben mit unterschiedlichen Fasergehalten herzustellen. Diese Fasern wurden aufgrund ihrer gut dokumentierten Leistungssteigerung in Beton und ihrer weitverbreiteten Anwendung ausgewählt. Mittels kontrollierter Versuchsvariablen wurden die Auswirkungen von Fasertyp und -gehalt auf die Druckfestigkeit, den Elastizitätsmodul und das Bruchverhalten von Beton systematisch analysiert. Durch die Kombination von digitaler Bildanalyse und Rasterelektronenmikroskopie (REM) wurde das Risswachstum in faserverstärktem Beton während der Versuche beobachtet, woraus folgende Schlussfolgerungen gezogen wurden:
1. Im Vergleich zu normalem Beton (PC) bietet die Beimischung von Stahlfasern (SF), Kohlenstofffasern (CF) und Basaltfasern Basaltfasern (BF) verbesserten die mechanischen Eigenschaften von faserverstärktem Beton (FRC) signifikant und veränderten dessen Bruchverhalten. Die Fasern beeinflussten die Verdichtung und das anfängliche Porenkompressionsverhalten des Betons. Mit steigendem Fasergehalt verschob sich das Bruchverhalten von spröde zu duktil. Der kritische Übergangspunkt lag bei 0,5 % für Stahlfaserbeton (SFC) und bei 1,0 % für Kohlenstofffaserbeton (CFC) sowie Basaltfaserbeton (BFC). Zur Maximierung der mechanischen Leistungsfähigkeit betrug der optimale Gehalt 2,0 % für Stahlfasern, 1,0 % für Kohlenstofffasern und 0,5 % für Basaltfasern.
2. Obwohl der Fasergehalt die Verdichtung und Tragfähigkeit von Beton verbessern kann, führt ein zu hoher Gehalt zu einer „Sättigung“ und damit zur Faseragglomeration. Dies beeinträchtigt die physikalischen Eigenschaften, die Festigkeit und das Verformungsverhalten des Betons. Stahlfaserbeton erreichte seine optimale Leistung bei einem Faservolumenanteil von 2,0 %, während Kohlenstofffaserbeton und Basaltfaserbeton ihre optimale Leistung bei 1,0 % bzw. 0,5 % erreichten. Oberhalb dieser optimalen Gehalte verschlechterte sich die Leistung.
3. Rasterelektronenmikroskopische (REM) Analysen zeigten, dass die Grenzflächenhaftung zwischen Fasern und Zementmatrix die makroskopischen mechanischen Eigenschaften von Beton maßgeblich beeinflusst. Eine angemessene Fasermenge bildet im Beton ein dichtes, dreidimensionales Netzwerk, wodurch die Vernetzung der Matrix und die Gesamtleistung verbessert werden. Ein zu hoher Fasergehalt führt jedoch zu Faseragglomeration, wodurch schwache Grenzflächenbereiche entstehen und die Dichte und Festigkeit des Betons reduziert werden. Die Veränderungen der Mikrostruktur korrelierten stark mit der Entwicklung der makroskopischen mechanischen Eigenschaften.
4. Die Zugabe von Fasern veränderte das Versagensverhalten von Beton signifikant. Im Vergleich zu unbewehrtem Beton wies faserverstärkter Beton eine höhere Festigkeit nach dem Versagen auf, mit weniger und schmaleren Rissen sowie erhöhter Zähigkeit. Stahlfasern erwiesen sich als am wirksamsten bei der Risshemmung, gefolgt von Kohlenstofffasern und Basaltfasern. Die „Brückenwirkung“ der Fasern spielte eine entscheidende Rolle bei der Unterdrückung der Rissausbreitung, während der „schwache Grenzflächeneffekt“ die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflusste.
