خواص مکانیکی و مکانیسمهای شکست بتن مسلح به الیاف: تأثیر نوع و محتوای الیاف
بتن پرکاربردترین ماده است ساخت و ساز این ماده مزایای بیشماری از جمله دسترسی گسترده، فرآیند تولید ساده، هزینه کم و سهولت کاربرد را ارائه میدهد. این ماده به طور گسترده در زمینههای مختلفی مانند ساختمانها، جادهها، پلها، تونلها و مهندسی هیدرولیک مورد استفاده قرار میگیرد. با توسعه تعداد زیادی از پروژههای مهندسی، تقاضا برای عملکرد بتن نیز به تدریج افزایش یافته است. در نتیجه، کاستیهای بتن سنتی، مانند مقاومت کششی ناکافی، مقاومت ضعیف در برابر ترک و ناپایداری حجمی، آشکار شده است. بنابراین، بهبود عملکرد بتن همواره یکی از مسیرهای کلیدی تحقیق در مهندسی عمران بوده است.
برای افزایش عملکرد بتن، معمولاً الیاف به آن اضافه میشوند تا خواص مکانیکی و چقرمگی آن بهبود یابد. نمونههایی از این الیاف عبارتند از: الیاف فولادیs (SF)، الیاف مصنوعی (مانند الیاف پلیپروپیلن)، الیاف معدنی (مانند الیاف بازالت - BF) و الیاف کربن (CF). این رویکرد عملکرد بتن با عملکرد بالا (HPC) و بتن با عملکرد فوقالعاده بالا (UHPC) را بیشتر افزایش داده است.
الیاف میتوانند تا حدودی خواص مکانیکی بتن را بهبود بخشند. با این حال، انواع و محتوای مختلف الیاف ناگزیر منجر به تغییرات قابل توجهی در تأثیر آنها بر خواص مکانیکی بتن میشوند. در حال حاضر، محتوای بهینه الیاف، رابطه کمی بین پارامترهای مربوطه و خواص مکانیکی و مکانیسمهای اساسی بتن تقویتشده با الیاف هنوز نیاز به توضیح بیشتر دارد. این مطالعه الیاف کربن (CF) را بررسی کرد. الیاف بازالت (BF) و الیاف فولادی (SF) به عنوان سوژههای تحقیقاتی، نمونههای بتنی با مقادیر مختلف الیاف را آماده کردند. این الیاف به دلیل افزایش عملکرد مستند شده در بتن و کاربرد گسترده آنها انتخاب شدند. از طریق آزمایشهای متغیر کنترلشده، اثرات نوع و مقدار الیاف بر مقاومت فشاری، مدول الاستیک و حالت شکست بتن به طور سیستماتیک تجزیه و تحلیل شد. با ترکیب تکنیکهای تجزیه و تحلیل تصویر دیجیتال و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، رفتار تکامل ترک بتن تقویتشده با الیاف در طول آزمایشها مشاهده شد که منجر به نتایج زیر شد:
۱. در مقایسه با بتن معمولی (PC)، ترکیب الیاف فولادی (SF)، الیاف کربن (CF) و الیاف بازالت (BF) به طور قابل توجهی خواص مکانیکی بتن مسلح به الیاف (FRC) را افزایش داده و حالت شکست آن را تغییر داد. این الیاف، فشردگی و ویژگیهای اولیه فشردگی منافذ بتن را تغییر دادند. با افزایش مقدار الیاف، حالت شکست از شکننده به شکلپذیر تغییر یافت. نقطه بحرانی گذار برای بتن الیاف فولادی (SFC) 0.5٪ و برای بتن الیاف کربنی (CFC) و بتن الیاف بازالتی (BFC) 1.0٪ بود. برای به حداکثر رساندن عملکرد مکانیکی، مقدار بهینه برای الیاف فولادی 2.0٪، برای الیاف کربنی 1.0٪ و برای الیاف بازالت 0.5٪ بود.
۲. اگرچه محتوای الیاف میتواند فشردگی و ظرفیت باربری بتن را بهبود بخشد، اما محتوای بیش از حد بالا میتواند منجر به پدیده "اشباع" شود و باعث "انباشتگی" الیاف شود. این امر بر خواص فیزیکی، مقاومت و ویژگیهای تغییر شکل بتن تأثیر منفی میگذارد. بتن الیاف فولادی در کسر حجمی الیاف ۲.۰٪ به عملکرد بهینه دست یافت، در حالی که بتن الیاف کربن و بتن الیاف بازالت به ترتیب در ۱.۰٪ و ۰.۵٪ به عملکرد بهینه خود رسیدند. فراتر از این مقادیر بهینه، عملکرد کاهش یافت.
۳. آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان داد که پیوند سطحی بین الیاف و ماتریس سیمانی به طور قابل توجهی بر خواص مکانیکی ماکروسکوپی بتن تأثیر میگذارد. مقدار مناسبی از الیاف، یک ساختار شبکهای سه بعدی متراکم را در بتن تشکیل میدهد که اتصال ماتریس و عملکرد کلی را افزایش میدهد. با این حال، مقدار بیش از حد بالای الیاف منجر به تجمع الیاف، ایجاد نواحی ضعیف بین سطحی و کاهش چگالی و مقاومت بتن میشود. تغییرات در ریزساختار با تکامل خواص مکانیکی ماکروسکوپی بسیار سازگار بود.
۴. افزودن الیاف به طور قابل توجهی نحوه شکست بتن را تغییر داد. در مقایسه با بتن ساده، بتن تقویت شده با الیاف، یکپارچگی پس از شکست بالاتری را نشان داد، ترکهای کمتر و باریکتری داشت و چقرمگی آن افزایش یافت. الیاف فولادی در مهار ترک مؤثرترین بودند و پس از آن الیاف کربن و الیاف بازالت قرار داشتند. "اثر پلزننده" الیاف نقش مهمی در سرکوب انتشار ترک ایفا کرد، در حالی که "اثر رابط ضعیف" تأثیر منفی بر خواص مکانیکی داشت.
