Szálerősítésű beton mechanikai tulajdonságai és tönkremeneteli mechanizmusai: a szálak típusának és tartalmának hatása

A beton a legszélesebb körben használt Építés anyag. Számos előnnyel rendelkezik, beleértve a széles körű elérhetőséget, az egyszerű gyártási folyamatot, az alacsony költséget és a könnyű alkalmazhatóságot. Széles körben használják különféle területeken, például épületekben, utakban, hidakban, alagutakban és vízépítésben. Ahogy egyre több mérnöki projekt fejlődött, a beton teljesítményével szembeni követelmények is fokozatosan nőttek. Következésképpen a hagyományos beton hiányosságai, mint például az elégtelen szakítószilárdság, a gyenge repedésállóság és a térfogati instabilitás, nyilvánvalóvá váltak. Ezért a beton teljesítményének javítása következetesen az építőmérnöki tudományok egyik kulcsfontosságú kutatási iránya.

A beton teljesítményének javítása érdekében jellemzően szálakat adnak hozzá, hogy javítsák mechanikai tulajdonságait és szívósságát. Példák a következőkre: Acélszáls (SF), szintetikus szálak (például polipropilén szálak), ásványi szálak (például bazalt szálak - BF) és szén szálak (CF). Ez a megközelítés tovább növelte a nagy teljesítményű beton (HPC) és az ultra nagy teljesítményű beton (UHPC) teljesítményét.

A szálak bizonyos mértékig javíthatják a beton mechanikai tulajdonságait. A különböző száltípusok és -tartalom azonban elkerülhetetlenül jelentős eltérésekhez vezetnek a beton mechanikai tulajdonságaira gyakorolt ​​hatásukban. Jelenleg az optimális száltartalom, a releváns paraméterek és a mechanikai tulajdonságok közötti mennyiségi összefüggés, valamint a szálerősítésű beton mögöttes mechanizmusai további tisztázásra szorulnak. Ez a tanulmány a szénszálakat (CF) vizsgálta, bazalt szálak (BF) és acélszálakat (SF) kutatási alanyként, változó száltartalmú betonminták készítése során. Ezeket a szálakat a betonban jól dokumentált teljesítménynövelésük és széles körű alkalmazásuk miatt választottuk. Kontrollált változós kísérleteken keresztül szisztematikusan elemezték a szálak típusának és tartalmának a beton nyomószilárdságára, rugalmassági modulusára és törési módjára gyakorolt ​​hatását. Digitális képalkotási és pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) elemzési technikák kombinálásával megfigyelték a szálerősítésű beton repedésfejlődési viselkedését a kísérletek során, ami a következő következtetésekhez vezetett:

1. A hagyományos betonhoz (PC) képest az acélszálak (SF), szénszálak (CF) és bazalt szálak (BF) jelentősen javította a szálerősítésű beton (FRC) mechanikai tulajdonságait és megváltoztatta a törési módját. Ezek a szálak megváltoztatták a beton tömörségét és kezdeti pórusösszenyomódási jellemzőit. A száltartalom növekedésével a törési mód a ridegről a képlékenyre változott. A kritikus átmeneti pont 0,5% volt az acélszálas beton (SFC) esetében, és 1,0% mind a szénszálas beton (CFC), mind a bazaltszálas beton (BFC) esetében. A mechanikai teljesítmény maximalizálása érdekében az acélszálak optimális tartalma 2,0%, a szénszálak esetében 1,0%, a bazaltszálak esetében pedig 0,5% volt.

2. Bár a rosttartalom javíthatja a beton tömörségét és teherbírását, a túlzottan magas tartalom „telítési” jelenséghez vezethet, ami szálak „agglomerációját” okozhatja. Ez negatívan befolyásolja a beton fizikai tulajdonságait, szilárdságát és deformációs jellemzőit. Az acélszálas beton 2,0%-os száltérfogat-aránynál érte el az optimális teljesítményt, míg a szénszálas beton és a bazaltszálas beton 1,0%-nál, illetve 0,5%-nál. Ezen optimális tartalom felett a teljesítmény romlott.

3. A pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) elemzés kimutatta, hogy a szálak és a cementtartalmú mátrix közötti határfelületi kötés jelentősen befolyásolja a beton makroszkopikus mechanikai tulajdonságait. Megfelelő mennyiségű szál sűrű, háromdimenziós hálózati struktúrát képez a betonon belül, javítva a mátrix összekapcsolódását és általános teljesítményét. A túlzottan magas száltartalom azonban szálak agglomerációjához vezet, gyenge határfelületi régiókat hozva létre, és csökkentve a beton sűrűségét és szilárdságát. A mikroszerkezet változásai nagymértékben összhangban voltak a makroszkopikus mechanikai tulajdonságok fejlődésével.

4. A szálak hozzáadása jelentősen megváltoztatta a beton törési módját. A sima betonhoz képest a szálerősítésű beton nagyobb törés utáni integritást mutatott, kevesebb és keskenyebb repedéssel, valamint fokozott szívóssággal. Az acélszálak voltak a leghatékonyabbak a repedésgátlásban, ezt követték a szénszálak és a bazaltszálak. A szálak „áthidaló hatása” kulcsszerepet játszott a repedésterjedés elnyomásában, míg a „gyenge határfelületi hatás” negatívan befolyásolta a mechanikai tulajdonságokat.