Mechanische eigenschappen en faalmechanismen van vezelversterkt beton: invloed van vezeltype en -gehalte

Beton is het meest gebruikte materiaal. Bouw Beton is een veelzijdig materiaal met talrijke voordelen, waaronder de brede beschikbaarheid, het eenvoudige productieproces, de lage kosten en het gemakkelijke gebruik. Het wordt veelvuldig toegepast in diverse sectoren, zoals de bouw van gebouwen, wegen, bruggen, tunnels en waterbouwkunde. Naarmate er steeds meer bouwprojecten worden ontwikkeld, zijn de eisen aan de prestaties van beton geleidelijk toegenomen. Hierdoor zijn de tekortkomingen van traditioneel beton, zoals onvoldoende treksterkte, slechte scheurweerstand en volumestabiliteit, aan het licht gekomen. Het verbeteren van de prestaties van beton is daarom al lange tijd een belangrijk onderzoeksgebied binnen de civiele techniek.

Om de prestaties van beton te verbeteren, worden er doorgaans vezels aan toegevoegd om de mechanische eigenschappen en de taaiheid te verhogen. Voorbeelden hiervan zijn: staalvezels (SF), synthetische vezels (zoals polypropyleenvezels), minerale vezels (zoals basaltvezels - BF) en koolstofvezels (CF). Deze aanpak heeft de prestaties van hoogwaardig beton (HPC) en ultrahoogwaardig beton (UHPC) verder verbeterd.

Vezels kunnen de mechanische eigenschappen van beton tot op zekere hoogte verbeteren. Verschillende vezeltypen en -gehaltes leiden echter onvermijdelijk tot aanzienlijke variaties in hun invloed op de mechanische eigenschappen van beton. Momenteel is er nog steeds onduidelijkheid over het optimale vezelgehalte, de kwantitatieve relatie tussen relevante parameters en mechanische eigenschappen, en de onderliggende mechanismen van vezelversterkt beton. Deze studie onderzocht koolstofvezels (CF). basaltvezels (BF) en staalvezels (SF) werden als onderzoeksobjecten gebruikt, waarbij betonspecimens met verschillende vezelgehaltes werden vervaardigd. Deze vezels werden gekozen vanwege hun goed gedocumenteerde prestatieverbetering in beton en hun wijdverbreide toepassing. Door middel van gecontroleerde experimenten werden de effecten van vezeltype en -gehalte op de druksterkte, de elasticiteitsmodulus en het bezwijkingsmechanisme van beton systematisch geanalyseerd. Door een combinatie van digitale beeldanalyse en scanningelektronenmicroscopie (SEM) werd het scheurvormingsgedrag van vezelversterkt beton tijdens de experimenten geobserveerd, wat leidde tot de volgende conclusies:

1. In vergelijking met gewoon beton (PC) zorgt de toevoeging van staalvezels (SF), koolstofvezels (CF) en basaltvezels (BF) verbeterde de mechanische eigenschappen van vezelversterkt beton (FRC) aanzienlijk en veranderde het bezwijkingsmechanisme. Deze vezels veranderden de compactheid van het beton en de initiële poriëncompressie-eigenschappen. Naarmate het vezelgehalte toenam, verschoof het bezwijkingsmechanisme van bros naar ductiel. Het kritische omslagpunt lag op 0,5% voor staalvezelbeton (SFC) en 1,0% voor zowel koolstofvezelbeton (CFC) als basaltvezelbeton (BFC). Om de mechanische prestaties te maximaliseren, was het optimale gehalte voor staalvezels 2,0%, voor koolstofvezels 1,0% en voor basaltvezels 0,5%.

2. Hoewel het vezelgehalte de compactheid en het draagvermogen van beton kan verbeteren, kan een te hoog gehalte leiden tot een verzadigingsfenomeen, waarbij vezels samenklonteren. Dit heeft een negatieve invloed op de fysische eigenschappen, sterkte en vervormingskarakteristieken van het beton. Staalvezelbeton bereikte optimale prestaties bij een vezelvolumepercentage van 2,0%, terwijl koolstofvezelbeton en basaltvezelbeton hun optimale prestaties bereikten bij respectievelijk 1,0% en 0,5%. Boven deze optimale percentages namen de prestaties af.

3. Analyse met behulp van scanningelektronenmicroscopie (SEM) toonde aan dat de hechting tussen de vezels en de cementmatrix een significante invloed heeft op de macroscopische mechanische eigenschappen van beton. Een geschikte hoeveelheid vezels vormt een dichte driedimensionale netwerkstructuur in het beton, waardoor de connectiviteit van de matrix en de algehele prestaties worden verbeterd. Een te hoog vezelgehalte leidt echter tot vezelagglomeratie, waardoor zwakke grensvlakken ontstaan ​​en de dichtheid en sterkte van het beton afnemen. De veranderingen in de microstructuur waren zeer consistent met de ontwikkeling van de macroscopische mechanische eigenschappen.

4. De toevoeging van vezels veranderde de bezwijkingswijze van beton aanzienlijk. In vergelijking met gewoon beton vertoonde vezelversterkt beton een hogere integriteit na bezwijking, met minder en smallere scheuren, en een verbeterde taaiheid. Staalvezels waren het meest effectief in het remmen van scheurvorming, gevolgd door koolstofvezels en basaltvezels. Het "brugvormende effect" van de vezels speelde een cruciale rol bij het onderdrukken van scheurvoortplanting, terwijl het "zwakke grensvlakeffect" een negatieve invloed had op de mechanische eigenschappen.