Mehanička svojstva i mehanizmi loma vlaknima ojačanog betona: Utjecaj vrste i sadržaja vlakana
Beton je najčešće korišten Građevinarstvo materijal. Nudi brojne prednosti, uključujući široku dostupnost, jednostavan proizvodni proces, nisku cijenu i jednostavnost primjene. Široko se koristi u raznim područjima kao što su zgrade, ceste, mostovi, tuneli i hidrotehnika. Kako se razvijao veliki broj inženjerskih projekata, postupno su se povećavali i zahtjevi za performansama betona. Posljedično, postali su očiti nedostaci tradicionalnog betona, poput nedovoljne vlačne čvrstoće, slabe otpornosti na pukotine i volumenske nestabilnosti. Stoga je poboljšanje performansi betona dosljedno jedan od ključnih istraživačkih smjerova u građevinarstvu.
Kako bi se poboljšale performanse betona, obično se dodaju vlakna radi poboljšanja njegovih mehaničkih svojstava i čvrstoće. Primjeri uključuju Čelična vlaknas (SF), sintetička vlakna (poput polipropilenskih vlakana), mineralna vlakna (poput bazaltnih vlakana - BF) i ugljična vlakna (CF). Ovaj pristup dodatno je poboljšao performanse visokoučinkovitog betona (HPC) i ultravisokoučinkovitog betona (UHPC).
Vlakna mogu do određene mjere poboljšati mehanička svojstva betona. Međutim, različite vrste i sadržaji vlakana neizbježno dovode do značajnih varijacija u njihovom utjecaju na mehanička svojstva betona. Trenutno, optimalni sadržaj vlakana, kvantitativni odnos između relevantnih parametara i mehaničkih svojstava te temeljni mehanizmi vlaknima ojačanog betona još uvijek zahtijevaju daljnja pojašnjenja. Ova studija istraživala je ugljična vlakna (CF), bazaltna vlakna (BF) i čelična vlakna (SF) kao subjekti istraživanja, pripremajući betonske uzorke s različitim udjelom vlakana. Ova vlakna su odabrana zbog njihovog dobro dokumentiranog poboljšanja performansi u betonu i široke primjene. Kroz eksperimente s kontroliranim varijablama sustavno su analizirani učinci vrste i sadržaja vlakana na tlačnu čvrstoću, modul elastičnosti i način loma betona. Kombinacijom tehnika analize digitalne slike i skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM), uočeno je ponašanje razvoja pukotina u vlaknima ojačanom betonu tijekom eksperimenata, što je dovelo do sljedećih zaključaka:
1. U usporedbi s običnim betonom (PC), ugradnja čeličnih vlakana (SF), ugljičnih vlakana (CF) i bazaltna vlakna (BF) je značajno poboljšao mehanička svojstva vlaknima ojačanog betona (FRC) i promijenio njegov način loma. Ta su vlakna promijenila kompaktnost betona i početne karakteristike kompresije pora. Kako se udio vlakana povećavao, način loma se mijenjao od krhkog do duktilnog. Kritična točka prijelaza bila je 0,5% za čelične vlaknaste betone (SFC) i 1,0% za karbonske vlaknaste betone (CFC) i bazaltne vlaknaste betone (BFC). Kako bi se maksimizirale mehaničke performanse, optimalni sadržaj za čelična vlakna bio je 2,0%, za karbonska vlakna 1,0%, a za bazaltna vlakna 0,5%.
2. Iako sadržaj vlakana može poboljšati kompaktnost i nosivost betona, pretjerano visok sadržaj može dovesti do fenomena "zasićenja", uzrokujući "aglomeraciju" vlakana. To negativno utječe na fizička svojstva, čvrstoću i deformacijske karakteristike betona. Beton s čeličnim vlaknima postigao je optimalne performanse pri volumnom udjelu vlakana od 2,0%, dok su beton s ugljičnim vlaknima i beton s bazaltnim vlaknima postigli svoje optimalne performanse pri 1,0% odnosno 0,5%. Iznad ovih optimalnih sadržaja, performanse su se smanjile.
3. Analiza skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM) otkrila je da međufazna veza između vlakana i cementne matrice značajno utječe na makroskopska mehanička svojstva betona. Odgovarajuća količina vlakana tvori gustu trodimenzionalnu mrežnu strukturu unutar betona, poboljšavajući povezanost matrice i ukupne performanse. Međutim, pretjerano visok sadržaj vlakana dovodi do aglomeracije vlakana, stvarajući slaba međufazna područja i smanjujući gustoću i čvrstoću betona. Promjene u mikrostrukturi bile su u velikoj mjeri u skladu s evolucijom makroskopskih mehaničkih svojstava.
4. Dodavanje vlakana značajno je promijenilo način loma betona. U usporedbi s običnim betonom, vlaknima ojačani beton pokazao je veću cjelovitost nakon loma, s manje i užim pukotinama te poboljšanom žilavošću. Čelična vlakna bila su najučinkovitija u inhibiciji pukotina, a slijede ih ugljična vlakna i bazaltna vlakna. "Učinak premošćivanja" vlakana odigrao je ključnu ulogu u suzbijanju širenja pukotina, dok je "učinak slabog međupovršinskog sloja" imao negativan utjecaj na mehanička svojstva.
