Механички својства и механизми на дефект на бетон армиран со влакна: Влијание на видот и содржината на влакната

Бетонот е најшироко користен Градежништво материјал. Нуди бројни предности, вклучувајќи ја неговата широка достапност, едноставен процес на производство, ниска цена и леснотија на примена. Широко се користи во различни области како што се згради, патишта, мостови, тунели и хидраулично инженерство. Со развојот на голем број инженерски проекти, барањата за перформансите на бетонот постепено се зголемуваат. Следствено, недостатоците на традиционалниот бетон, како што се недоволната затегнувачка цврстина, слабата отпорност на пукнатини и нестабилноста на волуменот, станаа очигледни. Затоа, подобрувањето на перформансите на бетонот постојано е една од клучните истражувачки насоки во градежништвото.

За да се подобрат перформансите на бетонот, обично се додаваат влакна за да се подобрат неговите механички својства и цврстина. Примерите вклучуваат Челични влакнаs (SF), синтетички влакна (како полипропиленски влакна), минерални влакна (како базалтни влакна - BF) и јаглеродни влакна (CF). Овој пристап дополнително ги зголеми перформансите на високо-перформансниот бетон (HPC) и ултра-високо-перформансниот бетон (UHPC).

Влакната можат, до одреден степен, да ги подобрат механичките својства на бетонот. Сепак, различните видови и содржина на влакна неизбежно водат до значителни варијации во нивното влијание врз механичките својства на бетонот. Во моментов, оптималната содржина на влакна, квантитативната врска помеѓу релевантните параметри и механичките својства и основните механизми на бетонот армиран со влакна сè уште бараат дополнително разјаснување. Оваа студија ги испитуваше јаглеродните влакна (CF), базалтни влакна (BF) и челични влакна (SF) како субјекти на истражување, подготвувајќи бетонски примероци со различна содржина на влакна. Овие влакна беа избрани поради нивното добро документирано подобрување на перформансите во бетонот и широката примена. Преку експерименти со контролирани варијабли, систематски беа анализирани ефектите од видот и содржината на влакната врз цврстината на притисок, модулот на еластичност и начинот на дефект на бетонот. Со комбинирање на техники за анализа на дигитална слика и скенирачка електронска микроскопија (SEM), беше забележано однесувањето на еволуцијата на пукнатините на бетонот армиран со влакна за време на експериментите, што доведе до следните заклучоци:

1. Во споредба со обичниот бетон (PC), вградувањето на челични влакна (SF), јаглеродни влакна (CF) и базалтни влакна (BF) значително ги подобри механичките својства на бетонот армиран со влакна (FRC) и го промени неговиот начин на дефект. Овие влакна ја променија компактноста на бетонот и почетните карактеристики на компресија на порите. Со зголемувањето на содржината на влакна, начинот на дефект се помести од кршливост во еластична. Критичната точка на премин беше 0,5% за бетон од челични влакна (SFC) и 1,0% и за бетон од јаглеродни влакна (CFC) и за бетон од базалтни влакна (BFC). За да се максимизираат механичките перформанси, оптималната содржина за челични влакна беше 2,0%, за јаглеродни влакна 1,0%, а за базалтни влакна 0,5%.

2. Иако содржината на влакна може да ја подобри компактноста и носивоста на бетонот, претерано високата содржина може да доведе до феномен на „заситеност“, предизвикувајќи „агломерација“ на влакната. Ова негативно влијае на физичките својства, цврстината и карактеристиките на деформација на бетонот. Бетонот од челични влакна постигна оптимални перформанси при удел на волумен на влакна од 2,0%, додека бетонот од јаглеродни влакна и бетонот од базалтни влакна ги достигнаа своите оптимални перформанси од 1,0% и 0,5%, соодветно. Над овие оптимални содржини, перформансите се намалија.

3. Анализата со скенирачка електронска микроскопија (SEM) покажа дека меѓуфазната врска помеѓу влакната и цементната матрица значително влијае на макроскопските механички својства на бетонот. Соодветна количина на влакна формира густа тродимензионална мрежна структура во бетонот, подобрувајќи ја поврзаноста на матрицата и целокупните перформанси. Сепак, претерано високата содржина на влакна доведува до агломерација на влакна, создавајќи слаби меѓуфазни региони и намалувајќи ја густината и цврстината на бетонот. Промените во микроструктурата беа многу конзистентни со еволуцијата на макроскопските механички својства.

4. Додавањето влакна значително го промени начинот на дефектирање на бетонот. Во споредба со обичниот бетон, бетонот армиран со влакна покажа повисок интегритет по дефектирањето, со помалку и потесни пукнатини и зголемена цврстина. Челичните влакна беа најефикасни во инхибирањето на пукнатините, проследени од јаглеродните влакна и базалтните влакна. „Ефектот на премостување“ на влакната одигра клучна улога во сузбивањето на ширењето на пукнатините, додека „ефектот на слаба меѓумешајба“ имаше негативно влијание врз механичките својства.