תכונות מכניות ומנגנוני כשל של בטון מזוין בסיבים: השפעת סוג ותכולת הסיבים

בטון הוא הנפוץ ביותר בְּנִיָה חומר. הוא מציע יתרונות רבים, כולל זמינותו הנרחבת, תהליך ייצור פשוט, עלות נמוכה וקלות יישום. הוא נמצא בשימוש נרחב בתחומים שונים כגון מבנים, כבישים, גשרים, מנהרות והנדסה הידראולית. עם התפתחות מספר רב של פרויקטים הנדסיים, גם הדרישות לביצועי הבטון גדלו בהדרגה. כתוצאה מכך, החסרונות של בטון מסורתי, כגון חוזק מתיחה לא מספק, עמידות נמוכה לסדקים וחוסר יציבות נפחית, הפכו לברורים. לכן, שיפור ביצועי הבטון היה באופן עקבי אחד מכיווני המחקר המרכזיים בהנדסה אזרחית.

כדי לשפר את ביצועי הבטון, מוסיפים בדרך כלל סיבים כדי לשפר את התכונות המכניות שלו ואת קשיחותו. דוגמאות לכך כוללות סיבי פלדהs (SF), סיבים סינתטיים (כגון סיבי פוליפרופילן), סיבים מינרליים (כגון סיבי בזלת - BF), וסיבי פחמן (CF). גישה זו שיפרה עוד יותר את ביצועי הבטון בעל הביצועים הגבוהים (HPC) ובטון בעל ביצועים גבוהים במיוחד (UHPC).

סיבים יכולים, במידה מסוימת, לשפר את התכונות המכניות של בטון. עם זאת, סוגי סיבים שונים ותכולתם מובילים בהכרח לשינויים משמעותיים בהשפעתם על התכונות המכניות של הבטון. נכון לעכשיו, תכולת הסיבים האופטימלית, הקשר הכמותי בין פרמטרים רלוונטיים לתכונות מכניות, והמנגנונים הבסיסיים של בטון מזוין סיבים עדיין דורשים הבהרה נוספת. מחקר זה בחן סיבי פחמן (CF), סיבי בזלת (BF) וסיבי פלדה (SF) כנושאי מחקר, והכינו דגימות בטון עם תכולת סיבים משתנה. סיבים אלה נבחרו בשל שיפור הביצועים המתועד היטב שלהם בבטון ויישומם הנרחב. באמצעות ניסויים במשתנים מבוקרים, נותחו באופן שיטתי השפעות סוג הסיבים ותכולתם על חוזק הדחיסה, מודול האלסטיות ומצב הכשל של הבטון. בשילוב טכניקות ניתוח באמצעות תמונה דיגיטלית ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), נצפתה התנהגות התפתחות הסדקים של בטון מזוין סיבים במהלך הניסויים, מה שהוביל למסקנות הבאות:

1. בהשוואה לבטון רגיל (PC), שילוב סיבי פלדה (SF), סיבי פחמן (CF) ו סיבי בזלת (BF) שיפר משמעותית את התכונות המכניות של בטון מזוין סיבים (FRC) ושינה את אופן הכשל שלו. סיבים אלה שינו את הדחיסות של הבטון ואת מאפייני דחיסת הנקבוביות הראשונית. ככל שתכולת הסיבים גדלה, אופן הכשל עבר משבירות למשיכה. נקודת המעבר הקריטית הייתה 0.5% עבור בטון סיבי פלדה (SFC) ו-1.0% עבור בטון סיבי פחמן (CFC) ובטון סיבי בזלת (BFC). כדי למקסם את הביצועים המכניים, התכולה האופטימלית עבור סיבי פלדה הייתה 2.0%, עבור סיבי פחמן 1.0%, ועבור סיבי בזלת 0.5%.

2. למרות שתכולת סיבים יכולה לשפר את הקומפקטיות ואת כושר הנשיאה של בטון, תכולה גבוהה מדי עלולה להוביל לתופעת "רוויה", ולגרום ל"אגלוגרציה" של סיבים. דבר זה משפיע לרעה על התכונות הפיזיקליות, החוזק ומאפייני העיוות של הבטון. בטון מסיבי פלדה השיג ביצועים אופטימליים בשבר נפח סיבים של 2.0%, בעוד שבטון מסיבי פחמן ובטון מסיבי בזלת הגיעו לביצועים אופטימליים שלהם ב-1.0% ו-0.5%, בהתאמה. מעבר לתכולה אופטימלית זו, הביצועים ירדו.

3. ניתוח מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) גילה כי הקשר הבין-פנימי בין הסיבים למטריצה ​​הצמנטית משפיע באופן משמעותי על התכונות המכניות המקרוסקופיות של בטון. כמות מתאימה של סיבים יוצרת מבנה רשת תלת-ממדי צפוף בתוך הבטון, מה שמשפר את הקישוריות של המטריצה ​​ואת הביצועים הכוללים. עם זאת, תכולת סיבים גבוהה מדי מובילה לאגלומרציה של סיבים, היוצרת אזורי בין-פנימי חלשים ומפחיתה את צפיפות הבטון וחוזקו. השינויים במיקרו-מבנה היו עקביים מאוד עם התפתחות התכונות המכניות המקרוסקופיות.

4. הוספת הסיבים שינתה באופן משמעותי את מצב הכשל של בטון. בהשוואה לבטון רגיל, בטון מזוין בסיבים הציג שלמות גבוהה יותר לאחר כשל, עם פחות סדקים צרים יותר, וקשיחות משופרת. סיבי פלדה היו היעילים ביותר בעיכוב סדקים, אחריהם סיבי פחמן וסיבי בזלת. "אפקט הגישור" של הסיבים מילא תפקיד מכריע בדיכוי התפשטות סדקים, בעוד ש"אפקט הממשק החלש" השפיע לרעה על התכונות המכניות.