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

कंक्रीट सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला पदार्थ है। निर्माण कंक्रीट एक उत्कृष्ट सामग्री है। इसके कई फायदे हैं, जिनमें व्यापक उपलब्धता, सरल उत्पादन प्रक्रिया, कम लागत और उपयोग में आसानी शामिल हैं। इसका व्यापक उपयोग भवन निर्माण, सड़क निर्माण, पुल, सुरंग और जल अभियांत्रिकी जैसे विभिन्न क्षेत्रों में होता है। अभियांत्रिकी परियोजनाओं की बढ़ती संख्या के साथ, कंक्रीट के प्रदर्शन की मांग भी धीरे-धीरे बढ़ती गई है। परिणामस्वरूप, पारंपरिक कंक्रीट की कमियां, जैसे अपर्याप्त तन्यता शक्ति, दरार प्रतिरोध की कमी और आयतन अस्थिरता, स्पष्ट हो गई हैं। इसलिए, कंक्रीट के प्रदर्शन में सुधार करना सिविल अभियांत्रिकी में प्रमुख अनुसंधान दिशाओं में से एक रहा है।

कंक्रीट के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए, आमतौर पर इसमें रेशे मिलाए जाते हैं ताकि इसके यांत्रिक गुणों और मजबूती में सुधार हो सके। उदाहरण के लिए, स्टील फाइबरइसमें बेसाल्ट फाइबर (जैसे पॉलीप्रोपाइलीन फाइबर), सिंथेटिक फाइबर (जैसे पॉलीप्रोपाइलीन फाइबर), खनिज फाइबर (जैसे बेसाल्ट फाइबर) और कार्बन फाइबर (जैसे कार्बन फाइबर) शामिल हैं। इस दृष्टिकोण ने उच्च-प्रदर्शन कंक्रीट (एचपीसी) और अति-उच्च प्रदर्शन कंक्रीट (यूएचपीसी) के प्रदर्शन को और भी बेहतर बनाया है।

कुछ हद तक, फाइबर कंक्रीट के यांत्रिक गुणों में सुधार कर सकते हैं। हालांकि, विभिन्न प्रकार के फाइबर और उनकी मात्रा के कारण कंक्रीट के यांत्रिक गुणों पर उनके प्रभाव में काफी भिन्नता आना स्वाभाविक है। वर्तमान में, इष्टतम फाइबर मात्रा, संबंधित मापदंडों और यांत्रिक गुणों के बीच मात्रात्मक संबंध, और फाइबर-प्रबलित कंक्रीट के अंतर्निहित तंत्रों को अभी और स्पष्ट करने की आवश्यकता है। इस अध्ययन में कार्बन फाइबर (सीएफ) का अध्ययन किया गया है। बेसाल्ट फाइबर हमने विभिन्न फाइबर मात्रा वाले कंक्रीट के नमूने तैयार करने के लिए फाइबर फाइबर (बीएफ) और स्टील फाइबर (एसएफ) को शोध विषय के रूप में चुना। इन फाइबरों का चयन कंक्रीट में उनके प्रदर्शन में वृद्धि और व्यापक अनुप्रयोग के लिए किया गया था। नियंत्रित चर प्रयोगों के माध्यम से, कंक्रीट की संपीडन शक्ति, प्रत्यास्थता मापांक और विफलता मोड पर फाइबर के प्रकार और मात्रा के प्रभावों का व्यवस्थित रूप से विश्लेषण किया गया। डिजिटल इमेज और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) विश्लेषण तकनीकों को मिलाकर, 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 अन्य फाइबर के समावेश से बेसाल्ट फाइबर बेसाल्ट फाइबर (बीएफ) ने फाइबर-प्रबलित कंक्रीट (एफआरसी) के यांत्रिक गुणों को काफी हद तक बढ़ाया और इसके विफलता के तरीके को बदल दिया। इन फाइबर्स ने कंक्रीट की सघनता और प्रारंभिक छिद्र संपीड़न विशेषताओं को परिवर्तित किया। फाइबर की मात्रा बढ़ने के साथ, विफलता का तरीका भंगुर से नमनीय में बदल गया। स्टील फाइबर कंक्रीट (एसएफसी) के लिए महत्वपूर्ण संक्रमण बिंदु 0.5% था और कार्बन फाइबर कंक्रीट (सीएफसी) और बेसाल्ट फाइबर कंक्रीट (बीएफसी) दोनों के लिए 1.0% था। यांत्रिक प्रदर्शन को अधिकतम करने के लिए, स्टील फाइबर्स की इष्टतम मात्रा 2.0%, कार्बन फाइबर्स की 1.0% और बेसाल्ट फाइबर्स की 0.5% थी।

2. हालांकि फाइबर की मात्रा कंक्रीट की सघनता और भार वहन क्षमता को बढ़ा सकती है, लेकिन अत्यधिक मात्रा में फाइबर होने से "संतृप्ति" की स्थिति उत्पन्न हो सकती है, जिससे फाइबर का "समूहन" हो जाता है। इससे कंक्रीट के भौतिक गुणों, मजबूती और विरूपण विशेषताओं पर नकारात्मक प्रभाव पड़ता है। स्टील फाइबर कंक्रीट ने 2.0% फाइबर आयतन अंश पर सर्वोत्तम प्रदर्शन प्राप्त किया, जबकि कार्बन फाइबर कंक्रीट और बेसाल्ट फाइबर कंक्रीट ने क्रमशः 1.0% और 0.5% पर अपना सर्वोत्तम प्रदर्शन प्राप्त किया। इन सर्वोत्तम मात्राओं से अधिक होने पर प्रदर्शन में गिरावट आई।

3. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) विश्लेषण से पता चला कि रेशों और सीमेंट मैट्रिक्स के बीच अंतराबंध कंक्रीट के स्थूल यांत्रिक गुणों को काफी हद तक प्रभावित करता है। रेशों की उचित मात्रा कंक्रीट के भीतर एक सघन त्रि-आयामी नेटवर्क संरचना बनाती है, जिससे मैट्रिक्स की संसंबद्धता और समग्र प्रदर्शन में सुधार होता है। हालांकि, रेशों की अत्यधिक मात्रा से रेशों का एकत्रीकरण होता है, जिससे कमजोर अंतराबंधीय क्षेत्र बनते हैं और कंक्रीट का घनत्व और मजबूती कम हो जाती है। सूक्ष्म संरचना में परिवर्तन स्थूल यांत्रिक गुणों के विकास के अनुरूप थे।

4. रेशों के समावेश से कंक्रीट के टूटने के तरीके में महत्वपूर्ण परिवर्तन आया। साधारण कंक्रीट की तुलना में, रेशेदार प्रबलित कंक्रीट में टूटने के बाद उच्च स्तर की अखंडता देखी गई, दरारें कम और संकरी थीं, और कठोरता में वृद्धि हुई। दरारों को रोकने में स्टील के रेशे सबसे प्रभावी थे, उसके बाद कार्बन रेशे और फिर बेसाल्ट रेशे प्रभावी रहे। रेशों के "ब्रिजिंग प्रभाव" ने दरारों के प्रसार को रोकने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई, जबकि "कमजोर इंटरफ़ेस प्रभाव" ने यांत्रिक गुणों पर नकारात्मक प्रभाव डाला।