Mekaniske egenskaper og sviktmekanismer i fiberarmert betong: Innflytelse av fibertype og -innhold
Betong er den mest brukte Konstruksjon materiale. Det tilbyr en rekke fordeler, inkludert utbredt tilgjengelighet, enkel produksjonsprosess, lave kostnader og brukervennlighet. Det er mye brukt innen ulike felt som bygninger, veier, broer, tunneler og hydraulisk konstruksjon. Etter hvert som et stort antall ingeniørprosjekter har utviklet seg, har også kravene til betongens ytelse gradvis økt. Følgelig har manglene ved tradisjonell betong, som utilstrekkelig strekkfasthet, dårlig sprekkmotstand og volumstabilitet, blitt tydelige. Derfor har forbedring av betongens ytelse konsekvent vært en av de viktigste forskningsretningene innen anleggsteknikk.
For å forbedre betongens ytelse tilsettes vanligvis fibre for å forbedre dens mekaniske egenskaper og seighet. Eksempler inkluderer Stålfibers (SF), syntetiske fibre (som polypropylenfibre), mineralfibre (som basaltfibre - BF) og karbonfibre (CF). Denne tilnærmingen har ytterligere forbedret ytelsen til høyytelsesbetong (HPC) og ultrahøyytelsesbetong (UHPC).
Fibre kan til en viss grad forbedre betongens mekaniske egenskaper. Ulike fibertyper og -innhold fører imidlertid uunngåelig til betydelige variasjoner i deres innvirkning på betongens mekaniske egenskaper. For tiden krever det optimale fiberinnholdet, det kvantitative forholdet mellom relevante parametere og mekaniske egenskaper, og de underliggende mekanismene for fiberarmert betong fortsatt ytterligere avklaring. Denne studien undersøkte karbonfibre (CF), basaltfibre (BF) og stålfibre (SF) som forskningsobjekter, og fremstilte betongprøver med varierende fiberinnhold. Disse fibrene ble valgt på grunn av deres veldokumenterte ytelsesforbedring i betong og utbredte anvendelse. Gjennom kontrollerte variable eksperimenter ble effekten av fibertype og -innhold på trykkfasthet, elastisitetsmodul og bruddsmodus i betong systematisk analysert. Ved å kombinere digitale bilde- og skanningselektronmikroskopi (SEM) analyseteknikker ble sprekkutviklingsatferden til fiberarmert betong under eksperimentene observert, noe som førte til følgende konklusjoner:
1. Sammenlignet med vanlig betong (PC), innlemmelsen av stålfibre (SF), karbonfibre (CF) og basaltfibre (BF) forbedret de mekaniske egenskapene til fiberarmert betong (FRC) betydelig og endret dens bruddmodus. Disse fibrene endret betongens kompakthet og innledende porekompresjonsegenskaper. Etter hvert som fiberinnholdet økte, endret bruddmodusen seg fra sprø til duktil. Det kritiske overgangspunktet var 0,5 % for stålfiberbetong (SFC) og 1,0 % for både karbonfiberbetong (CFC) og basaltfiberbetong (BFC). For å maksimere mekanisk ytelse var det optimale innholdet for stålfibre 2,0 %, for karbonfibre 1,0 % og for basaltfibre 0,5 %.
2. Selv om fiberinnhold kan forbedre betongens kompakthet og bæreevne, kan et for høyt innhold føre til et "metningsfenomen", som forårsaker fiber-"agglomerasjon". Dette påvirker betongens fysiske egenskaper, styrke og deformasjonsegenskaper negativt. Stålfiberbetong oppnådde optimal ytelse ved en fibervolumfraksjon på 2,0 %, mens karbonfiberbetong og basaltfiberbetong oppnådde sin optimale ytelse ved henholdsvis 1,0 % og 0,5 %. Utover disse optimale innholdene ble ytelsen redusert.
3. Skanningselektronmikroskopi (SEM)-analyse viste at grenseflatebindingen mellom fibrene og den sementbaserte matrisen påvirker betongens makroskopiske mekaniske egenskaper betydelig. En passende mengde fibre danner en tett tredimensjonal nettverksstruktur i betongen, noe som forbedrer matrisens tilkobling og generelle ytelse. Imidlertid fører et for høyt fiberinnhold til fiberagglomerering, noe som skaper svake grenseflateområder og reduserer betongens tetthet og styrke. Endringene i mikrostruktur var svært konsistente med utviklingen av makroskopiske mekaniske egenskaper.
4. Tilsetning av fibre endret betongens bruddmodus betydelig. Sammenlignet med vanlig betong viste fiberarmert betong høyere integritet etter brudd, med færre og smalere sprekker, og forbedret seighet. Stålfibre var mest effektive i sprekkhemming, etterfulgt av karbonfibre og basaltfibre. Fibernes "broeffekt" spilte en avgjørende rolle i å undertrykke sprekkutbredelse, mens den "svake grensesnitteffekten" hadde en negativ innvirkning på mekaniske egenskaper.
