Pluoštu armuoto betono mechaninės savybės ir gedimo mechanizmai: pluošto tipo ir sudėties įtaka

Betonas yra plačiausiai naudojamas Statyba medžiaga. Ji turi daug privalumų, įskaitant platų prieinamumą, paprastą gamybos procesą, mažą kainą ir lengvą pritaikymą. Ji plačiai naudojama įvairiose srityse, tokiose kaip pastatai, keliai, tiltai, tuneliai ir hidrotechnika. Tobulėjant daugybei inžinerinių projektų, palaipsniui didėjo ir betono eksploatacinių savybių reikalavimai. Dėl to išryškėjo tradicinio betono trūkumai, tokie kaip nepakankamas tempiamasis stipris, prastas atsparumas įtrūkimams ir tūrio nestabilumas. Todėl betono eksploatacinių savybių gerinimas nuolat yra viena iš pagrindinių civilinės inžinerijos tyrimų krypčių.

Siekiant pagerinti betono eksploatacines savybes, paprastai pridedama pluoštų, kurie pagerina jo mechanines savybes ir tvirtumą. Pavyzdžiai: Plieno pluoštass (SF), sintetiniai pluoštai (pvz., polipropileno pluoštai), mineraliniai pluoštai (pvz., bazalto pluoštai – BF) ir anglies pluoštai (CF). Šis metodas dar labiau pagerino didelio našumo betono (HPC) ir itin didelio našumo betono (UHPC) eksploatacines savybes.

Pluoštai tam tikru mastu gali pagerinti betono mechanines savybes. Tačiau skirtingi pluoštų tipai ir sudėtis neišvengiamai lemia didelius jų poveikio betono mechaninėms savybėms skirtumus. Šiuo metu optimalus pluošto kiekis, kiekybinis ryšys tarp atitinkamų parametrų ir mechaninių savybių bei pagrindiniai pluoštu armuoto betono veikimo mechanizmai vis dar reikalauja tolesnio išaiškinimo. Šiame tyrime buvo tiriami anglies pluoštai (CF), bazalto pluoštai Tyrimų objektais pasirinktos betono bandiniai su skirtingu pluošto kiekiu – pluoštai (BF) ir plieno pluoštai (SF). Šie pluoštai buvo pasirinkti dėl gerai dokumentuoto jų eksploatacinių savybių pagerėjimo betone ir plataus pritaikymo. Kontroliuojamų kintamųjų eksperimentų metu buvo sistemingai analizuojamas pluošto tipo ir kiekio poveikis betono gniuždymo stiprumui, tamprumo moduliui ir gedimo būdui. Derinant skaitmeninio vaizdo ir skenuojančios elektroninės mikroskopijos (SEM) analizės metodus, buvo stebima pluoštu armuoto betono įtrūkimų evoliucija eksperimentų metu, ir padarytos šios išvados:

1. Palyginti su įprastu betonu (PC), plieno pluoštų (SF), anglies pluoštų (CF) ir kt. įterpimas bazalto pluoštai (BF) žymiai pagerino pluoštu armuoto betono (FRC) mechanines savybes ir pakeitė jo irimo būdą. Šie pluoštai pakeitė betono kompaktiškumą ir pradines porų suspaudimo charakteristikas. Didėjant pluošto kiekiui, irimo būdas pasikeitė iš trapaus į kalųjį. Kritinis perėjimo taškas buvo 0,5 % plieno pluošto betonui (SFC) ir 1,0 % anglies pluošto betonui (CFC) bei bazalto pluošto betonui (BFC). Siekiant maksimaliai padidinti mechanines savybes, optimalus plieno pluošto kiekis buvo 2,0 %, anglies pluošto – 1,0 %, o bazalto pluošto – 0,5 %.

2. Nors pluošto kiekis gali pagerinti betono kompaktiškumą ir laikomąją galią, per didelis kiekis gali sukelti „prisotinimo“ reiškinį, dėl kurio pluošto „susikaupia“. Tai neigiamai veikia betono fizikines savybes, stiprumą ir deformacijos charakteristikas. Plieno pluošto betonas optimalias eksploatacines savybes pasiekė, kai pluošto tūrio dalis buvo 2,0 %, o anglies pluošto betonas ir bazalto pluošto betonas optimalias eksploatacines savybes pasiekė atitinkamai esant 1,0 % ir 0,5 %. Viršijus šį optimalų kiekį, eksploatacinės savybės pablogėjo.

3. Skenuojančios elektroninės mikroskopijos (SEM) analizė parodė, kad tarpsluoksninis pluoštų ir cementinės matricos ryšys daro didelę įtaką betono makroskopinėms mechaninėms savybėms. Tinkamas pluoštų kiekis betone sudaro tankią trimatę tinklo struktūrą, pagerindamas matricos sujungiamumą ir bendras eksploatacines savybes. Tačiau per didelis pluošto kiekis sukelia pluošto aglomeraciją, sukuria silpnas tarpsluoksnines sritis ir sumažina betono tankį bei stiprumą. Mikrostruktūros pokyčiai labai atitiko makroskopinių mechaninių savybių evoliuciją.

4. Pluoštų pridėjimas reikšmingai pakeitė betono gedimo būdą. Palyginti su paprastu betonu, pluoštu armuotas betonas pasižymėjo didesniu po gedimo patikimumu, mažesniu ir siauresniu įtrūkimu bei padidėjusiu tvirtumu. Plieno pluoštai efektyviausiai slopino įtrūkimų atsiradimą, po jų sekė anglies pluoštai ir bazalto pluoštai. Pluoštų „tilto efektas“ atliko lemiamą vaidmenį slopinant įtrūkimų plitimą, o „silpnos sąsajos efektas“ neigiamai paveikė mechanines savybes.