Механические свойства и механизмы разрушения фибробетона: влияние типа и содержания волокон.

Бетон является наиболее широко используемым материалом. Строительство Этот материал обладает многочисленными преимуществами, включая широкую доступность, простой производственный процесс, низкую стоимость и легкость применения. Он широко используется в различных областях, таких как строительство зданий, дорог, мостов, тоннелей и гидротехника. По мере развития большого количества инженерных проектов требования к эксплуатационным характеристикам бетона также постепенно возрастали. В результате стали очевидны недостатки традиционного бетона, такие как недостаточная прочность на растяжение, низкая трещиностойкость и нестабильность объема. Поэтому улучшение эксплуатационных характеристик бетона неизменно остается одним из ключевых направлений исследований в гражданском строительстве.

Для улучшения характеристик бетона обычно добавляют волокна, повышающие его механические свойства и прочность. Примеры включают: Стальное волокноВ состав бетона входят синтетические волокна (например, полипропиленовые), минеральные волокна (такие как базальтовые волокна) и углеродные волокна (УВВ). Такой подход позволил еще больше повысить эксплуатационные характеристики высокопрочного бетона (ВБ) и сверхвысокопрочного бетона (СВБ).

Волокна в некоторой степени могут улучшить 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 действия фиброармированного бетона все еще требуют дальнейшего уточнения. В данном исследовании изучались углеродные волокна (УВ). базальтовые волокна В качестве объектов исследования были выбраны фибробетоны (BF) и стальные волокна (SF), а также образцы бетона с различным содержанием волокон. Эти волокна были выбраны из-за их хорошо задокументированного улучшения эксплуатационных характеристик бетона и широкого применения. С помощью экспериментов с контролируемыми переменными был проведен систематический анализ влияния типа и содержания волокон на прочность на сжатие, модуль упругости и характер разрушения бетона. С помощью методов цифровой обработки изображений и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) было изучено поведение фибробетона в процессе экспериментов, что привело к следующим выводам:

1. По сравнению с обычным бетоном (ОБ), добавление стальных волокон (СВ), углеродных волокон (УВ) и базальтовые волокна Волокна (BF) значительно улучшили механические свойства фибробетона (FRC) и изменили характер его разрушения. Эти волокна изменили плотность бетона и начальные характеристики сжатия пор. По мере увеличения содержания волокон характер разрушения сместился от хрупкого к пластичному. Критическая точка перехода составила 0,5% для сталефибробетона (SFC) и 1,0% для углеродно-фибробетона (CFC) и базальтово-фибробетона (BFC). Для максимизации механических характеристик оптимальное содержание стальных волокон составило 2,0%, углеродных волокон — 1,0%, а базальтовых волокон — 0,5%.

2. Хотя содержание волокон может улучшить плотность и несущую способность бетона, чрезмерно высокое содержание может привести к явлению «насыщения», вызывая «агломерацию» волокон. Это негативно влияет на физические свойства бетона, его прочность и деформационные характеристики. Бетон со стальными волокнами достиг оптимальных характеристик при объемной доле волокон 2,0%, в то время как бетон с углеродными и базальтовыми волокнами достиг оптимальных характеристик при 1,0% и 0,5% соответственно. При превышении этих оптимальных значений 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. Оптимальное количество волокон образует плотную трехмерную сетевую структуру внутри бетона, улучшая связность матрицы и общие эксплуатационные характеристики. Однако чрезмерно высокое содержание волокон приводит к агломерации волокон, создавая слабые межфазные области и снижая плотность и прочность бетона. Изменения в микроструктуре в значительной степени коррелировали с изменением макроскопических механических свойств.

4. Добавление волокон значительно изменило характер разрушения бетона. По сравнению с обычным бетоном, фибробетон продемонстрировал более высокую целостность после разрушения, с меньшим количеством и более узкими трещинами, а также повышенной прочностью. Стальные волокна оказались наиболее эффективными в подавлении образования трещин, за ними следовали углеродные и базальтовые волокна. «Мостовой эффект» волокон сыграл решающую роль в подавлении распространения трещин, в то время как «эффект слабого интерфейса» оказал негативное влияние на механические свойства.