Механические свойства и механизмы разрушения фибробетона: влияние типа и содержания фибры

Бетон является наиболее широко используемым Строительство Он обладает многочисленными преимуществами, включая широкую доступность, простоту производства, низкую стоимость и удобство применения. Он широко используется в различных областях, таких как строительство зданий, дорог, мостов, туннелей и гидротехники. По мере развития большого количества инженерных проектов требования к эксплуатационным характеристикам бетона также постепенно возрастали. В результате этого стали очевидны недостатки традиционного бетона, такие как недостаточная прочность на растяжение, низкая трещиностойкость и нестабильный объём. Поэтому улучшение эксплуатационных характеристик бетона неизменно остаётся одним из ключевых направлений исследований в области гражданского строительства.

Для улучшения эксплуатационных характеристик бетона обычно добавляют фибру, которая улучшает его механические свойства и прочность. Примеры включают: Стальная фибраs (SF), синтетические волокна (например, полипропиленовые), минеральные волокна (например, базальтовые волокна - BF) и углеродные волокна (CF). Этот подход ещё больше повысил эксплуатационные характеристики высокопрочного бетона (HPC) и сверхвысокопрочного бетона (UHPC).

Волокна могут в некоторой степени улучшать механические свойства бетона. Однако различные типы и содержание волокон неизбежно приводят к значительным различиям в их влиянии на механические свойства бетона. В настоящее время оптимальное содержание волокон, количественная взаимосвязь между соответствующими параметрами и механическими свойствами, а также основные механизмы, лежащие в основе фибробетона, всё ещё требуют дальнейшего уточнения. В данном исследовании изучались углеродные волокна (УВ), базальтовые волокна В качестве объектов исследования использовались фиброволокно (BF) и стальная фибра (SF), при этом изготавливались образцы бетона с различным содержанием фибры. Эти волокна были выбраны в связи с их хорошо документированным повышением эксплуатационных свойств бетона и широким распространением. В ходе экспериментов с контролируемыми переменными было систематически проанализировано влияние типа и содержания фибры на прочность при сжатии, модуль упругости и характер разрушения бетона. Сочетая методы анализа цифровых изображений и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), было проведено наблюдение за развитием трещин в фибробетоне во время экспериментов, что привело к следующим выводам:

1.По сравнению с обычным бетоном (PC), включение стальных волокон (SF), углеродных волокон (CF) и базальтовые волокна Фиброволокно (BF) значительно улучшает механические свойства фибробетона (FRC) и изменяет характер его разрушения. Эти волокна изменяют плотность бетона и начальные характеристики сжатия пор. С увеличением содержания волокон характер разрушения смещается от хрупкого к пластичному. Критическая точка перехода составляет 0,5% для сталефибробетона (SFC) и 1,0% для углефибробетона (CFC) и базальтобетона (BFC). Для достижения максимальных механических характеристик оптимальное содержание стальных волокон составляет 2,0%, углеродных – 1,0%, а базальтовых – 0,5%.

2. Хотя содержание фибры может улучшить плотность и несущую способность бетона, чрезмерно высокое содержание может привести к «насыщению», вызывая «агломерацию» волокон. Это отрицательно влияет на физические свойства бетона, прочность и деформационные характеристики. Сталефибробетон достигал оптимальных характеристик при объёмной доле фибры 2,0%, а углефибробетон и базальтобетон – при 1,0% и 0,5% соответственно. При превышении этого оптимального содержания характеристики снижались.

3. Анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) показал, что межфазная связь между волокнами и цементной матрицей существенно влияет на макроскопические механические свойства бетона. Достаточное количество волокон образует плотную трёхмерную сетчатую структуру внутри бетона, улучшая связность матрицы и общие эксплуатационные характеристики. Однако чрезмерно высокое содержание волокон приводит к их агломерации, что приводит к образованию слабых межфазных областей и снижению плотности и прочности бетона. Изменения микроструктуры в значительной степени согласуются с динамикой макроскопических механических свойств.

4. Добавление фибры существенно изменило характер разрушения бетона. По сравнению с обычным бетоном, фибробетон продемонстрировал более высокую прочность после разрушения, меньшее количество и более узкие трещины, а также повышенную прочность. Стальные волокна оказались наиболее эффективными в предотвращении трещин, за ними следовали углеродные и базальтовые волокна. «Мостиковый эффект» волокон сыграл решающую роль в подавлении распространения трещин, в то время как «эффект слабого интерфейса» оказал отрицательное влияние на механические свойства.