Šķiedru armēta betona mehāniskās īpašības un bojājumu mehānismi: šķiedru veida un satura ietekme
Betons ir visplašāk izmantotais Būvniecība materiāls. Tas piedāvā daudzas priekšrocības, tostarp plašu pieejamību, vienkāršu ražošanas procesu, zemas izmaksas un vieglu pielietošanu. To plaši izmanto dažādās jomās, piemēram, ēkās, ceļos, tiltos, tuneļos un hidrotehnikā. Attīstoties lielam skaitam inženierprojektu, pakāpeniski ir palielinājušās arī prasības attiecībā uz betona veiktspēju. Līdz ar to ir kļuvuši acīmredzami tradicionālā betona trūkumi, piemēram, nepietiekama stiepes izturība, slikta plaisu izturība un tilpuma nestabilitāte. Tāpēc betona veiktspējas uzlabošana vienmēr ir bijis viens no galvenajiem pētniecības virzieniem būvinženierijā.
Lai uzlabotu betona veiktspēju, parasti pievieno šķiedras, lai uzlabotu tā mehāniskās īpašības un izturību. Piemēri ietver Tērauda šķiedras (SF), sintētiskās šķiedras (piemēram, polipropilēna šķiedras), minerālšķiedras (piemēram, bazalta šķiedras — BF) un oglekļa šķiedras (CF). Šī pieeja ir vēl vairāk uzlabojusi augstas veiktspējas betona (HPC) un īpaši augstas veiktspējas betona (UHPC) veiktspēju.
Šķiedras zināmā mērā var uzlabot betona mehāniskās īpašības. Tomēr dažādi šķiedru veidi un saturs neizbēgami rada būtiskas atšķirības to ietekmē uz betona mehāniskajām īpašībām. Pašlaik optimālais šķiedru saturs, kvantitatīvā saistība starp attiecīgajiem parametriem un mehāniskajām īpašībām, kā arī šķiedru armēta betona pamatā esošie mehānismi joprojām ir jāprecizē. Šajā pētījumā tika pētītas oglekļa šķiedras (CF), bazalta šķiedras (BF) un tērauda šķiedras (SF) kā pētījumu objektus, sagatavojot betona paraugus ar dažādu šķiedru saturu. Šīs šķiedras tika izvēlētas to labi dokumentētās veiktspējas uzlabošanas betonā un plašā pielietojuma dēļ. Veicot kontrolētu mainīgo eksperimentus, sistemātiski tika analizēta šķiedru veida un satura ietekme uz betona spiedes izturību, elastības moduli un bojājuma veidu. Apvienojot digitālā attēla un skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) analīzes metodes, tika novērota šķiedru armēta betona plaisu evolūcijas uzvedība eksperimentu laikā, kas noveda pie šādiem secinājumiem:
1. Salīdzinot ar parasto betonu (PC), tērauda šķiedru (SF), oglekļa šķiedru (CF) un bazalta šķiedras (BF) ievērojami uzlaboja šķiedru armētā betona (FRC) mehāniskās īpašības un mainīja tā bojājuma veidu. Šīs šķiedras mainīja betona kompaktumu un sākotnējās poru saspiešanas īpašības. Palielinoties šķiedru saturam, bojājuma veids mainījās no trausla uz elastīgu. Kritiskais pārejas punkts bija 0,5% tērauda šķiedru betonam (SFC) un 1,0% gan oglekļa šķiedru betonam (CFC), gan bazalta šķiedru betonam (BFC). Lai maksimāli palielinātu mehāniskās īpašības, optimālais tērauda šķiedru saturs bija 2,0%, oglekļa šķiedru saturs - 1,0% un bazalta šķiedru saturs - 0,5%.
2. Lai gan šķiedru saturs var uzlabot betona blīvumu un nestspēju, pārmērīgi augsts saturs var izraisīt "piesātinājuma" fenomenu, izraisot šķiedru "aglomerāciju". Tas negatīvi ietekmē betona fizikālās īpašības, izturību un deformācijas raksturlielumus. Tērauda šķiedru betons sasniedza optimālu veiktspēju ar šķiedru tilpuma daļu 2,0%, savukārt oglekļa šķiedru betons un bazalta šķiedru betons sasniedza optimālu veiktspēju attiecīgi ar 1,0% un 0,5%. Pārsniedzot šo optimālo saturu, veiktspēja samazinājās.
3. Skenējošās elektronmikroskopijas (SEM) analīze atklāja, ka starpfāžu saite starp šķiedrām un cementa matricu būtiski ietekmē betona makroskopiskās mehāniskās īpašības. Atbilstošs šķiedru daudzums betonā veido blīvu trīsdimensiju tīkla struktūru, uzlabojot matricas savienojamību un kopējo veiktspēju. Tomēr pārmērīgi augsts šķiedru saturs noved pie šķiedru aglomerācijas, radot vājus starpfāžu apgabalus un samazinot betona blīvumu un izturību. Mikrostruktūras izmaiņas bija ļoti atbilstošas makroskopisko mehānisko īpašību attīstībai.
4. Šķiedru pievienošana būtiski mainīja betona bojājuma veidu. Salīdzinot ar parasto betonu, šķiedru armētajam betonam bija augstāka pēcbojājuma integritāte, mazāk un šaurākas plaisas, kā arī uzlabota izturība. Tērauda šķiedras bija visefektīvākās plaisu kavēšanā, kam sekoja oglekļa šķiedras un bazalta šķiedras. Šķiedru "tilta efektam" bija izšķiroša loma plaisu izplatīšanās nomākšanā, savukārt "vājas saskarnes efektam" bija negatīva ietekme uz mehāniskajām īpašībām.
