Mechanické vlastnosti a mechanizmy porušenia vláknobetónu: Vplyv typu a obsahu vlákien
Betón je najpoužívanejší Stavebníctvo materiál. Ponúka množstvo výhod vrátane širokej dostupnosti, jednoduchého výrobného procesu, nízkych nákladov a jednoduchej aplikácie. Široko sa používa v rôznych oblastiach, ako sú budovy, cesty, mosty, tunely a vodné konštrukcie. S rozvojom veľkého počtu inžinierskych projektov sa postupne zvyšovali aj nároky na vlastnosti betónu. V dôsledku toho sa prejavili nedostatky tradičného betónu, ako je nedostatočná pevnosť v ťahu, nízka odolnosť voči trhlinám a objemová nestabilita. Preto je zlepšovanie vlastností betónu neustále jedným z kľúčových smerov výskumu v stavebníctve.
Na zlepšenie vlastností betónu sa zvyčajne pridávajú vlákna, ktoré zlepšujú jeho mechanické vlastnosti a húževnatosť. Medzi príklady patria Oceľové vláknos (SF), syntetické vlákna (ako napríklad polypropylénové vlákna), minerálne vlákna (ako napríklad čadičové vlákna - BF) a uhlíkové vlákna (CF). Tento prístup ďalej zvýšil výkonnosť vysokopevnostného betónu (HPC) a ultravysokopevnostného betónu (UHPC).
Vlákna môžu do určitej miery zlepšiť mechanické vlastnosti betónu. Rôzne typy a obsahy vlákien však nevyhnutne vedú k významným rozdielom v ich vplyve na mechanické vlastnosti betónu. V súčasnosti si optimálny obsah vlákien, kvantitatívny vzťah medzi relevantnými parametrami a mechanickými vlastnosťami a základné mechanizmy vláknobetónu vyžadujú ďalšie objasnenie. Táto štúdia skúmala uhlíkové vlákna (CF), bazaltové vlákna (BF) a oceľové vlákna (SF) ako výskumné subjekty, pričom sa pripravovali betónové vzorky s rôznym obsahom vlákien. Tieto vlákna boli vybrané kvôli ich dobre zdokumentovanému zlepšeniu výkonnosti v betóne a širokému použitiu. Prostredníctvom experimentov s riadenými premennými sa systematicky analyzovali vplyvy typu a obsahu vlákien na pevnosť v tlaku, modul pružnosti a spôsob porušenia betónu. Kombináciou analytických techník digitálneho obrazu a skenovacej elektrónovej mikroskopie (SEM) sa počas experimentov pozorovalo správanie sa vývoja trhlín vo vláknobetóne, čo viedlo k nasledujúcim záverom:
1. V porovnaní s bežným betónom (PC) je pridanie oceľových vlákien (SF), uhlíkových vlákien (CF) a bazaltové vlákna (BF) výrazne zlepšil mechanické vlastnosti vláknobetónu (FRC) a zmenil jeho spôsob porušenia. Tieto vlákna zmenili kompaktnosť betónu a počiatočné charakteristiky kompresie pórov. So zvyšujúcim sa obsahom vlákien sa spôsob porušenia zmenil z krehkého na tvárny. Kritický bod prechodu bol 0,5 % pre oceľovláknitý betón (SFC) a 1,0 % pre uhlíkovovláknitý betón (CFC) aj čadičovovláknitý betón (BFC). Pre maximalizáciu mechanických vlastností bol optimálny obsah oceľových vlákien 2,0 %, uhlíkových vlákien 1,0 % a čadičových vlákien 0,5 %.
2. Hoci obsah vlákien môže zlepšiť hutnosť a únosnosť betónu, nadmerne vysoký obsah môže viesť k javu „nasýtenia“, čo spôsobuje „zhlukovanie“ vlákien. To negatívne ovplyvňuje fyzikálne vlastnosti, pevnosť a deformačné charakteristiky betónu. Oceľovláknitý betón dosiahol optimálny výkon pri objemovom podiele vlákien 2,0 %, zatiaľ čo uhlíkovovláknitý betón a čadičovovláknitý betón dosiahli svoj optimálny výkon pri 1,0 % a 0,5 %. Nad rámec týchto optimálnych obsahov sa výkon znížil.
3. Analýza pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie (SEM) ukázala, že medzifázová väzba medzi vláknami a cementovou matricou významne ovplyvňuje makroskopické mechanické vlastnosti betónu. Vhodné množstvo vlákien vytvára hustú trojrozmernú sieťovú štruktúru v betóne, čím sa zlepšuje prepojenie matrice a celková výkonnosť. Príliš vysoký obsah vlákien však vedie k aglomerácii vlákien, čo vytvára slabé medzifázové oblasti a znižuje hustotu a pevnosť betónu. Zmeny v mikroštruktúre boli vo veľkej miere v súlade s vývojom makroskopických mechanických vlastností.
4. Pridanie vlákien významne zmenilo spôsob porušenia betónu. V porovnaní s obyčajným betónom vykazoval vláknobetón vyššiu integritu po porušení, s menším počtom a užšími trhlinami a zvýšenou húževnatosťou. Oceľové vlákna boli najúčinnejšie pri inhibícii trhlín, nasledované uhlíkovými vláknami a čadičovými vláknami. „Premosťujúci efekt“ vlákien zohral kľúčovú úlohu pri potláčaní šírenia trhlín, zatiaľ čo „slabý medzifázový efekt“ mal negatívny vplyv na mechanické vlastnosti.
