फायबर-रिइन्फोर्स्ड काँक्रीटचे यांत्रिक गुणधर्म आणि बिघाड यंत्रणा: फायबर प्रकार आणि सामग्रीचा प्रभाव

काँक्रीट हे सर्वात जास्त वापरले जाते बांधकाम साहित्य. त्याचे असंख्य फायदे आहेत, ज्यात त्याची व्यापक उपलब्धता, साधी उत्पादन प्रक्रिया, कमी खर्च आणि वापरण्याची सोय यांचा समावेश आहे. इमारती, रस्ते, पूल, बोगदे आणि हायड्रॉलिक अभियांत्रिकी अशा विविध क्षेत्रात याचा मोठ्या प्रमाणात वापर केला जातो. मोठ्या संख्येने अभियांत्रिकी प्रकल्प विकसित होत असताना, काँक्रीटच्या कामगिरीवरील मागण्या देखील हळूहळू वाढल्या आहेत. परिणामी, पारंपारिक काँक्रीटच्या कमतरता, जसे की अपुरी तन्य शक्ती, खराब क्रॅक प्रतिरोध आणि आकारमान अस्थिरता, स्पष्ट झाल्या आहेत. म्हणूनच, काँक्रीटची कार्यक्षमता सुधारणे हे सिव्हिल इंजिनिअरिंगमधील प्रमुख संशोधन दिशांपैकी एक आहे.

काँक्रीटची कार्यक्षमता वाढविण्यासाठी, त्याचे यांत्रिक गुणधर्म आणि कडकपणा सुधारण्यासाठी तंतू सामान्यतः जोडले जातात. उदाहरणांमध्ये हे समाविष्ट आहे स्टील फायबरs (SF), सिंथेटिक फायबर (जसे की पॉलीप्रोपायलीन फायबर), खनिज फायबर (जसे की बेसाल्ट फायबर - BF), आणि कार्बन फायबर (CF). या दृष्टिकोनामुळे उच्च-कार्यक्षमता असलेल्या काँक्रीट (HPC) आणि अल्ट्रा-हाय-कार्यक्षमता असलेल्या काँक्रीट (UHPC) च्या कामगिरीत आणखी वाढ झाली आहे.

तंतू काही प्रमाणात काँक्रीटचे यांत्रिक गुणधर्म सुधारू शकतात. तथापि, वेगवेगळ्या फायबर प्रकार आणि सामग्रीमुळे काँक्रीटच्या यांत्रिक गुणधर्मांवर होणाऱ्या परिणामात लक्षणीय बदल होतात. सध्या, इष्टतम फायबर सामग्री, संबंधित पॅरामीटर्स आणि यांत्रिक गुणधर्मांमधील परिमाणात्मक संबंध आणि फायबर-प्रबलित काँक्रीटच्या अंतर्निहित यंत्रणांना अजूनही अधिक स्पष्टीकरण आवश्यक आहे. या अभ्यासात कार्बन फायबर (CF) चा तपास केला गेला, बेसाल्ट तंतू (BF) आणि स्टील फायबर (SF) हे संशोधन विषय म्हणून वापरले गेले, ज्यामध्ये वेगवेगळ्या फायबर सामग्रीसह काँक्रीटचे नमुने तयार केले गेले. हे तंतू काँक्रीटमध्ये त्यांच्या चांगल्या प्रकारे दस्तऐवजीकरण केलेल्या कामगिरी वाढीमुळे आणि व्यापक वापरामुळे निवडले गेले. नियंत्रित परिवर्तनशील प्रयोगांद्वारे, काँक्रीटच्या संकुचित शक्ती, लवचिक मापांक आणि अपयश मोडवर फायबर प्रकार आणि सामग्रीच्या परिणामांचे पद्धतशीर विश्लेषण केले गेले. डिजिटल प्रतिमा आणि स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (SEM) विश्लेषण तंत्रांचे संयोजन करून, प्रयोगांदरम्यान फायबर-प्रबलित काँक्रीटचे क्रॅक उत्क्रांती वर्तन पाहिले गेले, ज्यामुळे खालील निष्कर्ष निघाले:

१. सामान्य काँक्रीट (पीसी) च्या तुलनेत, स्टील फायबर (एसएफ), कार्बन फायबर (सीएफ) आणि बेसाल्ट तंतू (BF) ने फायबर-रिइन्फोर्स्ड कॉंक्रिट (FRC) चे यांत्रिक गुणधर्म लक्षणीयरीत्या वाढवले ​​आणि त्याचा बिघाड मोड बदलला. या तंतूंनी काँक्रिटची ​​कॉम्पॅक्टनेस आणि सुरुवातीच्या छिद्रांच्या कॉम्प्रेशन वैशिष्ट्यांमध्ये बदल केला. फायबरचे प्रमाण वाढल्याने, बिघाड मोड ठिसूळ ते डक्टाइलकडे वळला. स्टील फायबर कॉंक्रिट (SFC) साठी गंभीर संक्रमण बिंदू 0.5% आणि कार्बन फायबर कॉंक्रिट (CFC) आणि बेसाल्ट फायबर कॉंक्रिट (BFC) दोन्हीसाठी 1.0% होता. यांत्रिक कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी, स्टील फायबरसाठी इष्टतम सामग्री 2.0%, कार्बन फायबरसाठी 1.0% आणि बेसाल्ट फायबरसाठी 0.5% होती.

२. जरी फायबरचे प्रमाण काँक्रीटची कॉम्पॅक्टनेस आणि बेअरिंग क्षमता सुधारू शकते, तरी जास्त प्रमाणात असलेल्या कंटेंटमुळे "संतृप्तता" होऊ शकते, ज्यामुळे फायबर "एकत्रीकरण" होते. हे काँक्रीटच्या भौतिक गुणधर्मांवर, ताकदीवर आणि विकृतीच्या वैशिष्ट्यांवर नकारात्मक परिणाम करते. स्टील फायबर काँक्रीटने २.०% च्या फायबर व्हॉल्यूम अंशावर इष्टतम कामगिरी साध्य केली, तर कार्बन फायबर काँक्रीट आणि बेसाल्ट फायबर काँक्रीटने अनुक्रमे १.०% आणि ०.५% वर त्यांची इष्टतम कामगिरी गाठली. या इष्टतम सामग्रींव्यतिरिक्त, कामगिरीत घट झाली.

३. स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (SEM) विश्लेषणातून असे दिसून आले की तंतू आणि सिमेंटिशियस मॅट्रिक्समधील इंटरफेशियल बॉन्ड कॉंक्रिटच्या मॅक्रोस्कोपिक यांत्रिक गुणधर्मांवर लक्षणीय परिणाम करते. योग्य प्रमाणात तंतू काँक्रिटमध्ये दाट त्रिमितीय नेटवर्क स्ट्रक्चर तयार करतात, ज्यामुळे मॅट्रिक्सची कनेक्टिव्हिटी आणि एकूण कार्यक्षमता वाढते. तथापि, जास्त प्रमाणात फायबर सामग्रीमुळे फायबर एकत्रीकरण होते, ज्यामुळे कमकुवत इंटरफेशियल क्षेत्रे तयार होतात आणि कॉंक्रिटची ​​घनता आणि ताकद कमी होते. सूक्ष्म संरचनेतील बदल मॅक्रोस्कोपिक यांत्रिक गुणधर्मांच्या उत्क्रांतीशी अत्यंत सुसंगत होते.

४. तंतूंच्या जोडणीमुळे काँक्रीटच्या बिघाडाच्या पद्धतीत लक्षणीय बदल झाला. साध्या काँक्रीटच्या तुलनेत, फायबर-प्रबलित काँक्रीटमध्ये बिघाडानंतरची अखंडता जास्त होती, कमी आणि अरुंद क्रॅक होते आणि कडकपणा वाढला होता. स्टील तंतू क्रॅक रोखण्यात सर्वात प्रभावी होते, त्यानंतर कार्बन तंतू आणि बेसाल्ट तंतू येतात. तंतूंच्या "ब्रिजिंग इफेक्ट" ने क्रॅक प्रसार रोखण्यात महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावली, तर "कमकुवत इंटरफेस इफेक्ट" चा यांत्रिक गुणधर्मांवर नकारात्मक परिणाम झाला.