Mehanske lastnosti in mehanizmi porušitve vlaknoarmiranega betona: vpliv vrste in vsebnosti vlaken
Beton je najpogosteje uporabljen Gradbeništvo material. Ponuja številne prednosti, vključno s široko dostopnostjo, preprostim proizvodnim postopkom, nizkimi stroški in enostavno uporabo. Široko se uporablja na različnih področjih, kot so stavbe, ceste, mostovi, predori in hidrotehnika. Z razvojem velikega števila inženirskih projektov so se postopoma povečevale tudi zahteve glede lastnosti betona. Posledično so postale očitne pomanjkljivosti tradicionalnega betona, kot so nezadostna natezna trdnost, slaba odpornost proti razpokam in volumska nestabilnost. Zato je izboljšanje lastnosti betona vedno ena ključnih raziskovalnih smeri v gradbeništvu.
Za izboljšanje učinkovitosti betona se običajno dodajo vlakna, ki izboljšajo njegove mehanske lastnosti in žilavost. Primeri vključujejo Jeklena vlaknas (SF), sintetična vlakna (kot so polipropilenska vlakna), mineralna vlakna (kot so bazaltna vlakna - BF) in ogljikova vlakna (CF). Ta pristop je dodatno izboljšal učinkovitost visokozmogljivega betona (HPC) in ultra visokozmogljivega betona (UHPC).
Vlakna lahko do neke mere izboljšajo mehanske lastnosti betona. Vendar pa različne vrste in vsebnosti vlaken neizogibno vodijo do znatnih razlik v njihovem vplivu na mehanske lastnosti betona. Trenutno je treba še dodatno pojasniti optimalno vsebnost vlaken, kvantitativno razmerje med ustreznimi parametri in mehanskimi lastnostmi ter osnovne mehanizme vlaknoarmiranega betona. V tej študiji so raziskovali ogljikova vlakna (CF), bazaltna vlakna (BF) in jeklena vlakna (SF) kot raziskovalne subjekte, pri čemer so bili pripravljeni betonski vzorci z različno vsebnostjo vlaken. Ta vlakna so bila izbrana zaradi njihovega dobro dokumentiranega izboljšanja učinkovitosti v betonu in široke uporabe. S pomočjo kontroliranih poskusov so sistematično analizirali vplive vrste in vsebnosti vlaken na tlačno trdnost, elastični modul in način odpovedi betona. Z združevanjem tehnik analize digitalne slike in vrstične elektronske mikroskopije (SEM) so opazovali razvoj razpok v vlaknoarmiranem betonu med poskusi, kar je privedlo do naslednjih zaključkov:
1. V primerjavi z navadnim betonom (PC) je vključitev jeklenih vlaken (SF), ogljikovih vlaken (CF) in bazaltna vlakna (BF) je znatno izboljšal mehanske lastnosti vlaknoarmiranega betona (FRC) in spremenil njegov način odpovedi. Ta vlakna so spremenila kompaktnost betona in začetne značilnosti stiskanja por. Z naraščanjem vsebnosti vlaken se je način odpovedi spremenil iz krhkega v duktilnega. Kritična točka prehoda je bila 0,5 % za jekleno-vlaknati beton (SFC) in 1,0 % za ogljikovo-vlaknati beton (CFC) in bazaltno-vlaknati beton (BFC). Za maksimiranje mehanskih lastnosti je bila optimalna vsebnost za jeklena vlakna 2,0 %, za ogljikova vlakna 1,0 % in za bazaltna vlakna 0,5 %.
2. Čeprav lahko vsebnost vlaken izboljša kompaktnost in nosilnost betona, lahko pretirano visoka vsebnost povzroči pojav "nasičenosti", kar povzroči "aglomeracijo" vlaken. To negativno vpliva na fizikalne lastnosti, trdnost in deformacijske značilnosti betona. Jekleno-vlaknati beton je dosegel optimalno delovanje pri volumskem deležu vlaken 2,0 %, medtem ko sta ogljikovo-vlaknati beton in bazaltno-vlaknati beton dosegla optimalno delovanje pri 1,0 % oziroma 0,5 %. Nad temi optimalnimi vsebnostmi se je delovanje zmanjšalo.
3. Analiza z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM) je pokazala, da medfazna vez med vlakni in cementno matrico pomembno vpliva na makroskopske mehanske lastnosti betona. Ustrezna količina vlaken tvori gosto tridimenzionalno mrežno strukturo znotraj betona, kar izboljša povezljivost matrice in splošno učinkovitost. Vendar pa pretirano visoka vsebnost vlaken vodi do aglomeracije vlaken, kar ustvarja šibka medfazna območja in zmanjšuje gostoto in trdnost betona. Spremembe v mikrostrukturi so bile zelo skladne z razvojem makroskopskih mehanskih lastnosti.
4. Dodatek vlaken je bistveno spremenil način porušitve betona. V primerjavi z navadnim betonom je vlaknoarmirani beton pokazal večjo integriteto po porušitvi, z manj in ožjimi razpokami ter izboljšano žilavostjo. Jeklena vlakna so bila najučinkovitejša pri zaviranju razpok, sledila so jim ogljikova vlakna in bazaltna vlakna. "Premostitveni učinek" vlaken je imel ključno vlogo pri zatiranju širjenja razpok, medtem ko je "šibek vmesni učinek" negativno vplival na mehanske lastnosti.
