ბოჭკოვანი არმატურის ბეტონის მექანიკური თვისებები და რღვევის მექანიზმები: ბოჭკოს ტიპისა და შემადგენლობის გავლენა

ბეტონი ყველაზე ფართოდ გამოიყენება მშენებლობა მასალა. მას მრავალი უპირატესობა აქვს, მათ შორის ფართო ხელმისაწვდომობა, წარმოების მარტივი პროცესი, დაბალი ღირებულება და გამოყენების სიმარტივე. ის ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა სფეროში, როგორიცაა შენობები, გზები, ხიდები, გვირაბები და ჰიდრავლიკური ინჟინერია. საინჟინრო პროექტების დიდი რაოდენობის განვითარებასთან ერთად, ბეტონის მახასიათებლებზე მოთხოვნებიც თანდათან გაიზარდა. შესაბამისად, აშკარა გახდა ტრადიციული ბეტონის ნაკლოვანებები, როგორიცაა არასაკმარისი დაჭიმვის სიმტკიცე, ბზარებისადმი ცუდი წინააღმდეგობა და მოცულობითი არასტაბილურობა. ამიტომ, ბეტონის მახასიათებლების გაუმჯობესება მუდმივად იყო სამოქალაქო ინჟინერიის ერთ-ერთი მთავარი კვლევითი მიმართულება.

ბეტონის მახასიათებლების გასაუმჯობესებლად, როგორც წესი, ბოჭკოებს უმატებენ მისი მექანიკური თვისებებისა და სიმტკიცის გასაუმჯობესებლად. მაგალითებია: ფოლადის ბოჭკოs (SF), სინთეტიკური ბოჭკოები (მაგალითად, პოლიპროპილენის ბოჭკოები), მინერალური ბოჭკოები (მაგალითად, ბაზალტის ბოჭკოები - BF) და ნახშირბადის ბოჭკოები (CF). ამ მიდგომამ კიდევ უფრო გაზარდა მაღალი ხარისხის ბეტონის (HPC) და ულტრა მაღალი ხარისხის ბეტონის (UHPC) მახასიათებლები.

ბოჭკოებს, გარკვეულწილად, შეუძლიათ ბეტონის მექანიკური თვისებების გაუმჯობესება. თუმცა, ბოჭკოების სხვადასხვა ტიპი და შემადგენლობა გარდაუვლად იწვევს მნიშვნელოვან ვარიაციას მათი გავლენის მხრივ ბეტონის მექანიკურ თვისებებზე. ამჟამად, ბოჭკოების ოპტიმალური შემცველობა, შესაბამის პარამეტრებსა და მექანიკურ თვისებებს შორის რაოდენობრივი კავშირი და ბოჭკოვანი ბეტონის ძირითადი მექანიზმები კვლავ საჭიროებს დამატებით დაზუსტებას. ამ კვლევაში შესწავლილი იყო ნახშირბადის ბოჭკოები (CF), ბაზალტის ბოჭკოები (BF) და ფოლადის ბოჭკოები (SF), როგორც კვლევის ობიექტები, ამზადებდნენ ბეტონის ნიმუშებს ბოჭკოების ცვალებადი შემცველობით. ეს ბოჭკოები შეირჩა ბეტონში მათი კარგად დოკუმენტირებული გაუმჯობესებული მახასიათებლებისა და ფართო გამოყენების გამო. კონტროლირებადი ცვლადების ექსპერიმენტების მეშვეობით, სისტემატურად გაანალიზდა ბოჭკოების ტიპისა და შემცველობის გავლენა ბეტონის შეკუმშვის სიმტკიცეზე, ელასტიურობის მოდულზე და რღვევის რეჟიმზე. ციფრული გამოსახულების და სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპიის (SEM) ანალიზის ტექნიკის კომბინაციით, ექსპერიმენტების დროს დაკვირვებული იქნა ბოჭკოვანი არმატურის ბეტონის ბზარის ევოლუციის ქცევა, რამაც გამოიწვია შემდეგი დასკვნები:

1. ჩვეულებრივ ბეტონთან (PC) შედარებით, ფოლადის ბოჭკოების (SF), ნახშირბადის ბოჭკოების (CF) და ბაზალტის ბოჭკოები (BF)-მა მნიშვნელოვნად გააუმჯობესა ბოჭკოვანი არმატურის მქონე ბეტონის (FRC) მექანიკური თვისებები და შეცვალა მისი ცვეთის რეჟიმი. ამ ბოჭკოებმა შეცვალეს ბეტონის კომპაქტურობა და ფორების საწყისი შეკუმშვის მახასიათებლები. ბოჭკოვანი შემცველობის ზრდასთან ერთად, ცვეთის რეჟიმი გადავიდა მყიფეობიდან დრეკადობაზე. კრიტიკული გარდამავალი წერტილი იყო 0.5% ფოლადის ბოჭკოვანი ბეტონისთვის (SFC) და 1.0% როგორც ნახშირბადის ბოჭკოვანი ბეტონისთვის (CFC), ასევე ბაზალტის ბოჭკოვანი ბეტონისთვის (BFC). მექანიკური მახასიათებლების მაქსიმიზაციისთვის, ფოლადის ბოჭკოების ოპტიმალური შემცველობა იყო 2.0%, ნახშირბადის ბოჭკოებისთვის 1.0%, ხოლო ბაზალტის ბოჭკოებისთვის 0.5%.

2. მიუხედავად იმისა, რომ ბოჭკოს შემცველობამ შეიძლება გააუმჯობესოს ბეტონის კომპაქტურობა და მზიდუნარიანობა, ზედმეტად მაღალმა შემცველობამ შეიძლება გამოიწვიოს „გაჯერების“ ფენომენი, რაც იწვევს ბოჭკოების „აგლომერაციას“. ეს უარყოფითად მოქმედებს ბეტონის ფიზიკურ თვისებებზე, სიმტკიცესა და დეფორმაციის მახასიათებლებზე. ფოლადის ბოჭკოვანი ბეტონი ოპტიმალურ მაჩვენებლებს 2.0%-იანი ბოჭკოვანი მოცულობითი წილის დროს აღწევდა, ხოლო ნახშირბადის ბოჭკოვანი ბეტონი და ბაზალტის ბოჭკოვანი ბეტონი ოპტიმალურ მაჩვენებლებს შესაბამისად 1.0%-სა და 0.5%-ში აღწევდნენ. ამ ოპტიმალური შემცველობის მიღმა მაჩვენებლებმა მაჩვენებლები დაიკლო.

3. სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპიის (SEM) ანალიზმა აჩვენა, რომ ბოჭკოებსა და ცემენტისებრ მატრიცას შორის ფაზათაშორისი კავშირი მნიშვნელოვნად მოქმედებს ბეტონის მაკროსკოპულ მექანიკურ თვისებებზე. ბოჭკოების შესაბამისი რაოდენობა ბეტონში ქმნის მკვრივ სამგანზომილებიან ქსელურ სტრუქტურას, რაც აძლიერებს მატრიცის კავშირს და საერთო მახასიათებლებს. თუმცა, ბოჭკოების ზედმეტად მაღალი შემცველობა იწვევს ბოჭკოების აგლომერაციას, ქმნის სუსტ ფაზათაშორის რეგიონებს და ამცირებს ბეტონის სიმკვრივეს და სიმტკიცეს. მიკროსტრუქტურის ცვლილებები მაღალ თანხვედრაში იყო მაკროსკოპული მექანიკური თვისებების ევოლუციასთან.

4. ბოჭკოების დამატებამ მნიშვნელოვნად შეცვალა ბეტონის რღვევის რეჟიმი. ჩვეულებრივ ბეტონთან შედარებით, ბოჭკოვანი არმატურით გამაგრებულმა ბეტონმა აჩვენა უფრო მაღალი რღვევის შემდგომი მთლიანობა, ნაკლები და ვიწრო ბზარებით და გაუმჯობესებული სიმტკიცით. ​​ფოლადის ბოჭკოები ყველაზე ეფექტური იყო ბზარების ინჰიბირების კუთხით, შემდეგ მოდიოდა ნახშირბადის ბოჭკოები და ბაზალტის ბოჭკოები. ბოჭკოების „ხიდის ეფექტმა“ გადამწყვეტი როლი ითამაშა ბზარების გავრცელების ჩახშობაში, ხოლო „სუსტი ინტერფეისის ეფექტმა“ უარყოფითი გავლენა მოახდინა მექანიკურ თვისებებზე.