Propiedades mecánicas e mecanismos de falla do formigón reforzado con fibras: influencia do tipo e contido de fibra
O formigón é o máis empregado Construción material. Ofrece numerosas vantaxes, incluíndo a súa ampla dispoñibilidade, o proceso de produción sinxelo, o baixo custo e a facilidade de aplicación. Úsase amplamente en varios campos como edificios, estradas, pontes, túneles e enxeñaría hidráulica. A medida que se desenvolveron un gran número de proxectos de enxeñaría, as esixencias sobre o rendemento do formigón tamén aumentaron gradualmente. En consecuencia, as deficiencias do formigón tradicional, como a insuficiente resistencia á tracción, a baixa resistencia ás fisuras e a inestabilidade do volume, fixéronse evidentes. Polo tanto, a mellora do rendemento do formigón foi constantemente unha das principais direccións de investigación na enxeñaría civil.
Para mellorar o rendemento do formigón, normalmente engádense fibras para mellorar as súas propiedades mecánicas e a súa resistencia. Algúns exemplos son: fibra de aceiros (SF), fibras sintéticas (como as fibras de polipropileno), fibras minerais (como as fibras de basalto - BF) e fibras de carbono (CF). Esta estratexia mellorou aínda máis o rendemento do formigón de alto rendemento (HPC) e do formigón de ultraalto rendemento (UHPC).
As fibras poden, ata certo punto, mellorar as propiedades mecánicas do formigón. Non obstante, os diferentes tipos e contidos de fibras levan inevitablemente a variacións significativas no seu impacto nas propiedades mecánicas do formigón. Actualmente, o contido óptimo de fibra, a relación cuantitativa entre os parámetros relevantes e as propiedades mecánicas, e os mecanismos subxacentes do formigón reforzado con fibras aínda requiren máis aclaracións. Este estudo investigou as fibras de carbono (FC), fibras de basalto (BF) e fibras de aceiro (SF) como suxeitos de investigación, preparando mostras de formigón con diferentes contidos de fibra. Estas fibras foron escollidas debido á súa mellora do rendemento ben documentada no formigón e á súa aplicación xeneralizada. Mediante experimentos con variables controladas, analizáronse sistematicamente os efectos do tipo e contido de fibra na resistencia á compresión, o módulo elástico e o modo de falla do formigón. Combinando técnicas de análise de imaxe dixital e microscopía electrónica de varrido (SEM), observouse o comportamento de evolución das gretas do formigón reforzado con fibras durante os experimentos, o que levou ás seguintes conclusións:
1. En comparación co formigón ordinario (PC), a incorporación de fibras de aceiro (SF), fibras de carbono (CF) e fibras de basalto O formigón reforzado con fibras (BF) mellorou significativamente as propiedades mecánicas do formigón reforzado con fibras (FRC) e alterou o seu modo de falla. Estas fibras cambiaron a compactación do formigón e as características iniciais de compresión dos poros. A medida que o contido de fibras aumentaba, o modo de falla cambiaba de fráxil a dúctil. O punto de transición crítico foi do 0,5 % para o formigón de fibras de aceiro (SFC) e do 1,0 % tanto para o formigón de fibras de carbono (CFC) como para o formigón de fibras de basalto (BFC). Para maximizar o rendemento mecánico, o contido óptimo para as fibras de aceiro foi do 2,0 %, para as fibras de carbono do 1,0 % e para as fibras de basalto do 0,5 %.
2. Aínda que o contido de fibra pode mellorar a compacidade e a capacidade portante do formigón, un contido excesivamente alto pode levar a un fenómeno de "saturación", causando a "aglomeración" de fibras. Isto afecta negativamente ás propiedades físicas, á resistencia e ás características de deformación do formigón. O formigón de fibra de aceiro alcanzou un rendemento óptimo cunha fracción volumétrica de fibra do 2,0 %, mentres que o formigón de fibra de carbono e o formigón de fibra de basalto alcanzaron o seu rendemento óptimo co 1,0 % e o 0,5 %, respectivamente. Máis alá destes contidos óptimos, o rendemento diminuíu.
3. A análise de microscopía electrónica de varrido (MEB) revelou que a unión interfacial entre as fibras e a matriz cementosa inflúe significativamente nas propiedades mecánicas macroscópicas do formigón. Unha cantidade axeitada de fibras forma unha densa estrutura de rede tridimensional dentro do formigón, mellorando a conectividade da matriz e o rendemento xeral. Non obstante, un contido de fibra excesivamente alto leva á aglomeración de fibras, creando rexións interfaciais débiles e reducindo a densidade e a resistencia do formigón. Os cambios na microestrutura foron moi consistentes coa evolución das propiedades mecánicas macroscópicas.
4. A adición de fibras alterou significativamente o modo de falla do formigón. En comparación co formigón simple, o formigón reforzado con fibras mostrou unha maior integridade posfalla, con menos gretas e máis estreitas, e unha maior tenacidade. As fibras de aceiro foron as máis eficaces na inhibición de gretas, seguidas das fibras de carbono e as fibras de basalto. O "efecto ponte" das fibras xogou un papel crucial na supresión da propagación de gretas, mentres que o "efecto de interface débil" tivo un impacto negativo nas propiedades mecánicas.
