फाइबर-प्रबलित कंक्रीट के यांत्रिक गुण और विफलता तंत्र: फाइबर के प्रकार और सामग्री का प्रभाव

कंक्रीट सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला पदार्थ है निर्माण सामग्री। इसके कई फायदे हैं, जिनमें व्यापक उपलब्धता, सरल उत्पादन प्रक्रिया, कम लागत और उपयोग में आसानी शामिल है। इसका व्यापक रूप से विभिन्न क्षेत्रों जैसे इमारतों, सड़कों, पुलों, सुरंगों और हाइड्रोलिक इंजीनियरिंग में उपयोग किया जाता है। जैसे-जैसे बड़ी संख्या में इंजीनियरिंग परियोजनाएँ विकसित हुई हैं, कंक्रीट के प्रदर्शन की माँग भी धीरे-धीरे बढ़ी है। परिणामस्वरूप, पारंपरिक कंक्रीट की कमियाँ, जैसे अपर्याप्त तन्य शक्ति, कम दरार प्रतिरोध और आयतन अस्थिरता, स्पष्ट हो गई हैं। इसलिए, कंक्रीट के प्रदर्शन में सुधार सिविल इंजीनियरिंग में लगातार प्रमुख शोध दिशाओं में से एक रहा है।

कंक्रीट के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए, आमतौर पर इसके यांत्रिक गुणों और मजबूती को बेहतर बनाने के लिए फाइबर मिलाए जाते हैं। उदाहरणों में शामिल हैं स्टील फाइबर(एसएफ), सिंथेटिक फाइबर (जैसे पॉलीप्रोपाइलीन फाइबर), खनिज फाइबर (जैसे बेसाल्ट फाइबर - बीएफ), और कार्बन फाइबर (सीएफ)। इस दृष्टिकोण ने उच्च-प्रदर्शन कंक्रीट (एचपीसी) और अति-उच्च प्रदर्शन कंक्रीट (यूएचपीसी) के प्रदर्शन को और बेहतर बनाया है।

फाइबर कुछ हद तक कंक्रीट के यांत्रिक गुणों में सुधार कर सकते हैं। हालाँकि, विभिन्न प्रकार के फाइबर और उनकी सामग्री अनिवार्य रूप से कंक्रीट के यांत्रिक गुणों पर उनके प्रभाव में महत्वपूर्ण भिन्नताएँ लाती हैं। वर्तमान में, इष्टतम फाइबर सामग्री, प्रासंगिक मापदंडों और यांत्रिक गुणों के बीच मात्रात्मक संबंध, और फाइबर-प्रबलित कंक्रीट के अंतर्निहित तंत्र को अभी और स्पष्टीकरण की आवश्यकता है। इस अध्ययन में कार्बन फाइबर (CF) की जाँच की गई, बेसाल्ट फाइबर (बीएफ), और स्टील फाइबर (एसएफ) को अनुसंधान विषय के रूप में चुना गया, जिससे विभिन्न फाइबर सामग्री वाले कंक्रीट नमूने तैयार किए गए। इन फाइबरों को कंक्रीट में उनके सुप्रलेखित प्रदर्शन सुधार और व्यापक अनुप्रयोग के कारण चुना गया था। नियंत्रित परिवर्तनशील प्रयोगों के माध्यम से, कंक्रीट की संपीडन शक्ति, प्रत्यास्थता मापांक और विफलता मोड पर फाइबर के प्रकार और सामग्री के प्रभावों का व्यवस्थित रूप से विश्लेषण किया गया। डिजिटल इमेज और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) विश्लेषण तकनीकों के संयोजन से, प्रयोगों के दौरान फाइबर-प्रबलित कंक्रीट के दरार विकास व्यवहार का अवलोकन किया गया, जिससे निम्नलिखित निष्कर्ष निकले:

1. साधारण कंक्रीट (पीसी) की तुलना में, स्टील फाइबर (एसएफ), कार्बन फाइबर (सीएफ), और का समावेश बेसाल्ट फाइबर (बीएफ) ने फाइबर-प्रबलित कंक्रीट (एफआरसी) के यांत्रिक गुणों में उल्लेखनीय वृद्धि की और इसकी विफलता की स्थिति को बदल दिया। इन फाइबरों ने कंक्रीट की सघनता और प्रारंभिक छिद्र संपीड़न विशेषताओं को बदल दिया। जैसे-जैसे फाइबर की मात्रा बढ़ी, विफलता की स्थिति भंगुर से तन्य में बदल गई। स्टील फाइबर कंक्रीट (एसएफसी) के लिए महत्वपूर्ण संक्रमण बिंदु 0.5% और कार्बन फाइबर कंक्रीट (सीएफसी) और बेसाल्ट फाइबर कंक्रीट (बीएफसी) दोनों के लिए 1.0% था। यांत्रिक प्रदर्शन को अधिकतम करने के लिए, स्टील फाइबर के लिए इष्टतम मात्रा 2.0%, कार्बन फाइबर के लिए 1.0% और बेसाल्ट फाइबर के लिए 0.5% थी।

2. हालाँकि फाइबर की मात्रा कंक्रीट की सघनता और वहन क्षमता में सुधार कर सकती है, लेकिन अत्यधिक मात्रा में फाइबर "संतृप्ति" की स्थिति पैदा कर सकता है, जिससे फाइबर "समूहन" हो सकता है। यह कंक्रीट के भौतिक गुणों, मजबूती और विरूपण विशेषताओं पर नकारात्मक प्रभाव डालता है। स्टील फाइबर कंक्रीट ने 2.0% फाइबर आयतन अंश पर इष्टतम प्रदर्शन प्राप्त किया, जबकि कार्बन फाइबर कंक्रीट और बेसाल्ट फाइबर कंक्रीट ने क्रमशः 1.0% और 0.5% पर अपने इष्टतम प्रदर्शन को प्राप्त किया। इन इष्टतम मात्राओं से आगे, प्रदर्शन में गिरावट आई।

3. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) विश्लेषण से पता चला है कि रेशों और सीमेंटयुक्त मैट्रिक्स के बीच का अंतरापृष्ठीय बंधन कंक्रीट के स्थूल यांत्रिक गुणों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है। रेशों की उचित मात्रा कंक्रीट के भीतर एक सघन त्रि-आयामी नेटवर्क संरचना बनाती है, जिससे मैट्रिक्स की संयोजकता और समग्र प्रदर्शन में वृद्धि होती है। हालाँकि, रेशों की अत्यधिक मात्रा रेशों के समूहन का कारण बनती है, जिससे कमज़ोर अंतरापृष्ठीय क्षेत्र बनते हैं और कंक्रीट का घनत्व और मजबूती कम हो जाती है। सूक्ष्म संरचना में ये परिवर्तन स्थूल यांत्रिक गुणों के विकास के साथ अत्यधिक सुसंगत थे।

4. फाइबर के मिश्रण ने कंक्रीट की विफलता की संभावना को महत्वपूर्ण रूप से बदल दिया। सादे कंक्रीट की तुलना में, फाइबर-प्रबलित कंक्रीट में विफलता के बाद की अखंडता अधिक थी, दरारें कम और संकरी थीं, और कठोरता भी बढ़ी थी। स्टील फाइबर दरारों को रोकने में सबसे प्रभावी थे, उसके बाद कार्बन फाइबर और बेसाल्ट फाइबर थे। फाइबर के "ब्रिजिंग प्रभाव" ने दरारों के प्रसार को रोकने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई, जबकि "कमजोर इंटरफ़ेस प्रभाव" का यांत्रिक गुणों पर नकारात्मक प्रभाव पड़ा।