Kiudbetooni mehaanilised omadused ja purunemismehhanismid: kiudude tüübi ja sisalduse mõju
Betoon on kõige laialdasemalt kasutatav Ehitus materjal. Sellel on arvukalt eeliseid, sealhulgas laialdane kättesaadavus, lihtne tootmisprotsess, madal hind ja lihtne pealekandmine. Seda kasutatakse laialdaselt erinevates valdkondades, näiteks hoonete, teede, sildade, tunnelite ja hüdrotehnika valdkonnas. Suure hulga inseneriprojektide arenedes on järk-järgult suurenenud ka nõuded betooni toimivusele. Sellest tulenevalt on ilmnenud traditsioonilise betooni puudused, nagu ebapiisav tõmbetugevus, halb pragunemiskindlus ja mahu ebastabiilsus. Seetõttu on betooni toimivuse parandamine olnud pidevalt üks peamisi uurimissuundi tsiviilehituses.
Betooni jõudluse parandamiseks lisatakse tavaliselt kiude, et parandada selle mehaanilisi omadusi ja tugevust. Näited hõlmavad järgmist Teraskiuds (SF), sünteetilised kiud (nagu polüpropüleenkiud), mineraalkiud (nagu basaltkiud - BF) ja süsinikkiud (CF). See lähenemisviis on veelgi parandanud kõrgjõudlusega betooni (HPC) ja ülikõrge jõudlusega betooni (UHPC) toimivust.
Kiud võivad teatud määral parandada betooni mehaanilisi omadusi. Erinevad kiutüübid ja -sisaldused toovad aga paratamatult kaasa olulisi erinevusi nende mõjus betooni mehaanilistele omadustele. Praegu vajavad optimaalne kiusisaldus, asjakohaste parameetrite ja mehaaniliste omaduste vaheline kvantitatiivne seos ning kiudtugevdatud betooni aluseks olevad mehhanismid veel täiendavat selgitamist. Käesolevas uuringus uuriti süsinikkiude (CF), basaltkiud Uurimisobjektideks olid kiudkiud (BF) ja teraskiud (SF), valmistades erineva kiusisaldusega betoonproove. Need kiud valiti välja nende hästi dokumenteeritud toimivuse paranemise ja laialdase kasutamise tõttu betoonis. Kontrollitud muutujatega katsete abil analüüsiti süstemaatiliselt kiutüübi ja -sisalduse mõju betooni survetugevusele, elastsusmoodulile ja purunemisviisile. Digitaalse kujutise ja skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) analüüsitehnikate kombineerimisel jälgiti kiudtugevdatud betooni pragude evolutsiooni käitumist katsete ajal, mis viis järgmiste järeldusteni:
1. Võrreldes tavalise betooniga (PC), teraskiudude (SF), süsinikkiudude (CF) ja basaltkiud (BF) parandas oluliselt kiudtugevdatud betooni (FRC) mehaanilisi omadusi ja muutis selle purunemisviisi. Need kiud muutsid betooni kompaktsust ja pooride esialgset kokkusurumist. Kiudainete sisalduse suurenedes nihkus purunemisviis haprast plastseks. Kriitiline üleminekupunkt oli teraskiudbetooni (SFC) puhul 0,5% ja nii süsinikkiudbetooni (CFC) kui ka basaltkiudbetooni (BFC) puhul 1,0%. Mehaaniliste omaduste maksimeerimiseks oli optimaalne sisaldus teraskiudainete puhul 2,0%, süsinikkiudude puhul 1,0% ja basaltkiudude puhul 0,5%.
2. Kuigi kiudainete sisaldus võib parandada betooni kompaktsust ja kandevõimet, võib liiga kõrge sisaldus põhjustada "küllastumise" nähtust, mis põhjustab kiudude "aglomeratsiooni". See mõjutab negatiivselt betooni füüsikalisi omadusi, tugevust ja deformatsioonikarakteristikuid. Teraskiudbetoon saavutas optimaalse jõudluse 2,0% kiudude mahufraktsiooni juures, samas kui süsinikkiudbetoon ja basaltkiudbetoon saavutasid oma optimaalse jõudluse vastavalt 1,0% ja 0,5% juures. Nendest optimaalsetest sisaldustest suuremate kiudude puhul jõudlus langes.
3. Skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) analüüs näitas, et kiudude ja tsemendimaatriksi vaheline faasidevaheline side mõjutab oluliselt betooni makroskoopilisi mehaanilisi omadusi. Sobiv kogus kiude moodustab betoonis tiheda kolmemõõtmelise võrgustikustruktuuri, parandades maatriksi ühenduvust ja üldist jõudlust. Liiga kõrge kiusisaldus viib aga kiudude aglomeratsioonini, luues nõrku faasidevahelisi piirkondi ning vähendades betooni tihedust ja tugevust. Mikrostruktuuri muutused olid väga kooskõlas makroskoopiliste mehaaniliste omaduste arenguga.
4. Kiudude lisamine muutis oluliselt betooni purunemisviisi. Võrreldes tavalise betooniga oli kiudtugevdatud betoonil parem purunemisjärgne terviklikkus, vähem ja kitsamad praod ning suurem sitkus. Teraskiud olid pragude tõkestamisel kõige tõhusamad, järgnesid süsinikkiud ja basaltkiud. Kiudude "sillaefekt" mängis olulist rolli pragude leviku pärssimisel, samas kui "nõrga liidese efekt" avaldas negatiivset mõju mehaanilistele omadustele.
