Kuitubetonin mekaaniset ominaisuudet ja murtumismekanismit: kuitutyypin ja -pitoisuuden vaikutus

Betoni on yleisimmin käytetty Rakentaminen materiaali. Se tarjoaa lukuisia etuja, kuten laajan saatavuuden, yksinkertaisen tuotantoprosessin, alhaiset kustannukset ja helpon levityksen. Sitä käytetään laajasti eri aloilla, kuten rakennuksissa, teissä, silloissa, tunneleissa ja vesirakentamisessa. Kun suuri määrä insinööriprojekteja on kehittynyt, myös betonin suorituskykyvaatimukset ovat vähitellen kasvaneet. Tämän seurauksena perinteisen betonin puutteet, kuten riittämätön vetolujuus, heikko halkeamien kestävyys ja tilavuuden epävakaus, ovat tulleet ilmeisiksi. Siksi betonin suorituskyvyn parantaminen on jatkuvasti ollut yksi keskeisistä tutkimussuunnista maanrakennustekniikassa.

Betonin suorituskyvyn parantamiseksi siihen lisätään tyypillisesti kuituja sen mekaanisten ominaisuuksien ja sitkeyden parantamiseksi. Esimerkkejä ovat Teräskuitus (SF), synteettiset kuidut (kuten polypropeenikuidut), mineraalikuidut (kuten basalttikuidut - BF) ja hiilikuidut (CF). Tämä lähestymistapa on entisestään parantanut korkealujuusbetonin (HPC) ja ultrakorkealujuusbetonin (UHPC) suorituskykyä.

Kuidut voivat jossain määrin parantaa betonin mekaanisia ominaisuuksia. Erilaiset kuitutyypit ja -pitoisuudet johtavat kuitenkin väistämättä merkittäviin vaihteluihin niiden vaikutuksessa betonin mekaanisiin ominaisuuksiin. Tällä hetkellä optimaalinen kuitupitoisuus, asiaankuuluvien parametrien ja mekaanisten ominaisuuksien välinen kvantitatiivinen suhde sekä kuitubetonin taustalla olevat mekanismit vaativat vielä lisäselvitystä. Tässä tutkimuksessa tutkittiin hiilikuituja (CF), basalttikuidut Tutkimuskohteina käytettiin kuituja (BF) ja teräskuituja (SF) valmistaen betoninäytteitä vaihtelevilla kuitupitoisuuksilla. Nämä kuidut valittiin niiden hyvin dokumentoidun betonin suorituskyvyn paranemisen ja laajan käytön vuoksi. Kontrolloitujen muuttujien kokeiden avulla analysoitiin systemaattisesti kuitutyypin ja -pitoisuuden vaikutuksia betonin puristuslujuuteen, kimmomoduuliin ja murtumistapaan. Yhdistämällä digitaalisen kuvantamisen ja pyyhkäisyelektronimikroskopian (SEM) analyysitekniikoita, kuituvahvisteisen betonin halkeamien kehittymiskäyttäytymistä kokeiden aikana havaittiin, mikä johti seuraaviin johtopäätöksiin:

1. Tavalliseen betoniin (PC) verrattuna teräskuitujen (SF), hiilikuitujen (CF) ja basalttikuidut (BF) paransi merkittävästi kuitubetonin (FRC) mekaanisia ominaisuuksia ja muutti sen murtumistapaa. Nämä kuidut muuttivat betonin tiiviyttä ja huokosten alkuperäisiä puristusominaisuuksia. Kuitupitoisuuden kasvaessa murtumistapa muuttui hauraasta sitkeäksi. Kriittinen siirtymäpiste oli 0,5 % teräskuitubetonille (SFC) ja 1,0 % sekä hiilikuitubetonille (CFC) että basalttikuitubetonille (BFC). Mekaanisen suorituskyvyn maksimoimiseksi optimaalinen pitoisuus teräskuiduille oli 2,0 %, hiilikuiduille 1,0 % ja basalttikuiduille 0,5 %.

2. Vaikka kuitupitoisuus voi parantaa betonin tiiviyttä ja kantavuutta, liian korkea kuitupitoisuus voi johtaa "kyllästymisilmiöön", joka aiheuttaa kuitujen "agglomeraatiota". Tämä vaikuttaa negatiivisesti betonin fysikaalisiin ominaisuuksiin, lujuuteen ja muodonmuutosominaisuuksiin. Teräskuitubetoni saavutti optimaalisen suorituskyvyn 2,0 %:n kuituosuudella, kun taas hiilikuitubetoni ja basalttikuitubetoni saavuttivat optimaalisen suorituskykynsä 1,0 %:n ja 0,5 %:n kuituosuuksilla. Näiden optimaalisten pitoisuuksien ylittyessä suorituskyky heikkeni.

3. Pyyhkäisyelektronimikroskopia (SEM) -analyysi paljasti, että kuitujen ja sementtimatriisin välinen rajapintasidos vaikuttaa merkittävästi betonin makroskooppisiin mekaanisiin ominaisuuksiin. Sopiva kuitumäärä muodostaa betoniin tiheän kolmiulotteisen verkkorakenteen, mikä parantaa matriisin kytkeytyvyyttä ja yleistä suorituskykyä. Liian korkea kuitupitoisuus johtaa kuitenkin kuitujen agglomeraatioon, mikä luo heikkoja rajapinta-alueita ja vähentää betonin tiheyttä ja lujuutta. Mikrorakenteen muutokset olivat hyvin yhdenmukaisia ​​makroskooppisten mekaanisten ominaisuuksien kehityksen kanssa.

4. Kuitujen lisääminen muutti merkittävästi betonin murtumistapaa. Verrattuna tavalliseen betoniin, kuituvahvisteisella betonilla oli parempi murtumisen jälkeinen eheys, vähemmän ja kapeampia halkeamia sekä parempi sitkeys. Teräskuidut olivat tehokkaimpia halkeamien estossa, seuraavaksi tehokkaimpia hiilikuidut ja basalttikuidut. Kuitujen "silloittava vaikutus" oli ratkaisevassa roolissa halkeamien etenemisen estämisessä, kun taas "heikon rajapinnan vaikutus" vaikutti negatiivisesti mekaanisiin ominaisuuksiin.