Właściwości mechaniczne i mechanizmy uszkodzeń betonu zbrojonego włóknami: wpływ rodzaju i zawartości włókien

Beton jest najczęściej stosowanym materiałem Budowa Materiał ten oferuje liczne zalety, takie jak powszechna dostępność, prosty proces produkcji, niski koszt i łatwość aplikacji. Jest szeroko stosowany w różnych dziedzinach, takich jak budownictwo, drogi, mosty, tunele i hydrotechnika. Wraz z rozwojem wielu projektów inżynieryjnych, wymagania dotyczące właściwości betonu również stopniowo rosły. W konsekwencji ujawniły się wady tradycyjnego betonu, takie jak niewystarczająca wytrzymałość na rozciąganie, słaba odporność na pękanie i niestabilność objętości. Dlatego poprawa właściwości betonu jest konsekwentnie jednym z kluczowych kierunków badań w inżynierii lądowej i wodnej.

Aby poprawić właściwości betonu, zazwyczaj dodaje się włókna, które poprawiają jego właściwości mechaniczne i wytrzymałość. Przykłady obejmują: Włókno stalowes (SF), włókna syntetyczne (takie jak włókna polipropylenowe), włókna mineralne (takie jak włókna bazaltowe – BF) i włókna węglowe (CF). To podejście dodatkowo poprawiło wydajność betonu wysokowydajnego (HPC) i betonu o ultrawysokiej wytrzymałości (UHPC).

Włókna mogą w pewnym stopniu poprawić właściwości mechaniczne betonu. Jednak różne rodzaje i zawartość włókien nieuchronnie prowadzą do znacznych różnic w ich wpływie na właściwości mechaniczne betonu. Obecnie optymalna zawartość włókien, ilościowa zależność między odpowiednimi parametrami a właściwościami mechanicznymi oraz mechanizmy leżące u podstaw betonu zbrojonego włóknami wciąż wymagają dalszych wyjaśnień. W niniejszym badaniu zbadano włókna węglowe (CF). włókna bazaltowe (BF) i włókna stalowe (SF) jako obiekty badań, przygotowując próbki betonu o zróżnicowanej zawartości włókien. Włókna te wybrano ze względu na ich dobrze udokumentowany wzrost wydajności w betonie i szerokie zastosowanie. Poprzez kontrolowane eksperymenty zmienne, systematycznie analizowano wpływ rodzaju i zawartości włókien na wytrzymałość na ściskanie, moduł sprężystości i tryb zniszczenia betonu. Łącząc techniki analizy obrazu cyfrowego i mikroskopii skaningowej (SEM), obserwowano ewolucję pęknięć w betonie zbrojonym włóknami podczas eksperymentów, co doprowadziło do następujących wniosków:

1. W porównaniu do zwykłego betonu (PC) zastosowanie włókien stalowych (SF), włókien węglowych (CF) i włókna bazaltowe (BF) znacząco poprawiło właściwości mechaniczne betonu zbrojonego włóknami (FRC) i zmieniło jego sposób zniszczenia. Włókna te zmieniły zwartość betonu i jego początkową kompresję porów. Wraz ze wzrostem zawartości włókien, sposób zniszczenia zmienił się z kruchego na ciągliwy. Krytyczny punkt przejścia wynosił 0,5% dla betonu zbrojonego włóknami stalowymi (SFC) i 1,0% dla betonu zbrojonego włóknami węglowymi (CFC) i betonu zbrojonego włóknami bazaltowymi (BFC). Aby zmaksymalizować właściwości mechaniczne, optymalna zawartość włókien stalowych wynosiła 2,0%, włókien węglowych 1,0%, a włókien bazaltowych 0,5%.

2. Chociaż zawartość włókien może poprawić zwartość i nośność betonu, zbyt wysoka zawartość może prowadzić do zjawiska „nasycenia”, powodując „aglomerację” włókien. Ma to negatywny wpływ na właściwości fizyczne, wytrzymałość i odkształcenia betonu. Beton z włóknami stalowymi osiągnął optymalne parametry przy udziale objętościowym włókien na poziomie 2,0%, podczas gdy beton z włóknami węglowymi i beton z włóknami bazaltowymi osiągnęły optymalne parametry przy odpowiednio 1,0% i 0,5%. Powyżej tych optymalnych wartości parametry pogarszały się.

3. Analiza metodą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) wykazała, że ​​wiązanie międzyfazowe między włóknami a matrycą cementową znacząco wpływa na makroskopowe właściwości mechaniczne betonu. Odpowiednia ilość włókien tworzy gęstą, trójwymiarową strukturę sieciową w betonie, poprawiając łączność matrycy i ogólną wydajność. Jednak zbyt duża zawartość włókien prowadzi do ich aglomeracji, tworząc słabe obszary międzyfazowe i zmniejszając gęstość i wytrzymałość betonu. Zmiany w mikrostrukturze były w dużej mierze zgodne z ewolucją makroskopowych właściwości mechanicznych.

4. Dodatek włókien znacząco zmienił sposób pękania betonu. W porównaniu ze zwykłym betonem, beton zbrojony włóknami charakteryzował się większą integralnością po pęknięciu, mniejszą liczbą i węższymi pęknięciami oraz zwiększoną wytrzymałością. Włókna stalowe były najskuteczniejsze w hamowaniu pęknięć, a następnie włókna węglowe i bazaltowe. „Efekt mostkowania” włókien odegrał kluczową rolę w hamowaniu propagacji pęknięć, podczas gdy „efekt słabego interfejsu” negatywnie wpłynął na właściwości mechaniczne.