Mechanische eigenschappen en faalmechanismen van vezelversterkt beton: invloed van vezeltype en -gehalte
Beton is het meest gebruikte materiaal Bouw Het biedt tal van voordelen, waaronder de brede beschikbaarheid, het eenvoudige productieproces, de lage kosten en het gebruiksgemak. Het wordt veelvuldig gebruikt in diverse sectoren, zoals gebouwen, wegen, bruggen, tunnels en waterbouw. Naarmate er een groot aantal technische projecten werd ontwikkeld, namen de eisen aan de prestaties van beton geleidelijk toe. Hierdoor werden de tekortkomingen van traditioneel beton, zoals onvoldoende treksterkte, slechte scheurweerstand en volume-instabiliteit, duidelijk. Het verbeteren van de prestaties van beton is daarom consequent een van de belangrijkste onderzoeksrichtingen in de civiele techniek geweest.
Om de prestaties van beton te verbeteren, worden doorgaans vezels toegevoegd om de mechanische eigenschappen en taaiheid te verbeteren. Voorbeelden hiervan zijn: Staalvezels (SF), synthetische vezels (zoals polypropyleenvezels), minerale vezels (zoals basaltvezels - BF) en koolstofvezels (CF). Deze aanpak heeft de prestaties van hoogsterktebeton (HPC) en ultrahoogsterktebeton (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 moeten het optimale vezelgehalte, de kwantitatieve relatie tussen relevante parameters en mechanische eigenschappen, en de onderliggende mechanismen van vezelversterkt beton nog verder worden opgehelderd. Deze studie onderzocht koolstofvezels (CF), basaltvezels (BF) en staalvezels (SF) als onderzoeksobjecten, waarbij betonmonsters met variërende vezelgehaltes werden geprepareerd. Deze vezels werden gekozen vanwege hun goed gedocumenteerde prestatieverbetering in beton en hun brede toepassing. Door middel van experimenten met gecontroleerde variabelen werden de effecten van vezeltype en -gehalte op de druksterkte, elasticiteitsmodulus en faalwijze van beton systematisch geanalyseerd. Door digitale beeld- en scanning elektronenmicroscopie (SEM) analysetechnieken te combineren, werd het scheurontwikkelingsgedrag van vezelversterkt beton tijdens de experimenten geobserveerd, wat leidde tot de volgende conclusies:
1. In vergelijking met gewoon beton (PC) wordt er gebruik gemaakt van staalvezels (SF), koolstofvezels (CF) en basaltvezels (BF) verbeterde de mechanische eigenschappen van vezelversterkt beton (FRC) aanzienlijk en veranderde het faalgedrag. Deze vezels veranderden de compactheid en initiële poriëncompressie-eigenschappen van het beton. Naarmate het vezelgehalte toenam, verschoof het faalgedrag van bros naar ductiel. Het kritische overgangspunt lag bij 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 "verzadigings"-fenomeen, wat leidt tot vezelagglomeratie. Dit heeft een negatieve invloed op de fysische eigenschappen, sterkte en vervormingseigenschappen van het beton. Staalvezelbeton behaalde 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 gehaltes namen de prestaties af.
3. Scanning-elektronenmicroscopie (SEM)-analyse toonde aan dat de grensvlakbinding tussen vezels en de cementmatrix de macroscopische mechanische eigenschappen van beton aanzienlijk beïnvloedt. Een geschikte hoeveelheid vezels vormt een dichte driedimensionale netwerkstructuur in het beton, wat de connectiviteit en de algehele prestaties van de matrix verbetert. Een te hoog vezelgehalte leidt echter tot vezelagglomeratie, waardoor zwakke grensvlakgebieden ontstaan en de dichtheid en sterkte van het beton afnemen. De veranderingen in de microstructuur waren zeer consistent met de evolutie van de macroscopische mechanische eigenschappen.
4. De toevoeging van vezels veranderde de faalwijze van beton aanzienlijk. Vergeleken met gewoon beton vertoonde vezelversterkt beton een hogere integriteit na breuk, 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 "brugeffect" van vezels speelde een cruciale rol bij het onderdrukken van scheurvoortplanting, terwijl het "zwakke grensvlakeffect" een negatieve invloed had op de mechanische eigenschappen.
