Механичка својства и механизми ломљења влакнима армираног бетона: Утицај врсте и садржаја влакана
Бетон је најшире коришћен Грађевинарство материјал. Нуди бројне предности, укључујући широку доступност, једноставан процес производње, ниску цену и лакоћу примене. Широко се користи у различитим областима као што су зграде, путеви, мостови, тунели и хидротехника. Како се развијао велики број инжењерских пројеката, захтеви за перформансама бетона су се такође постепено повећавали. Сходно томе, недостаци традиционалног бетона, као што су недовољна затезна чврстоћа, слаба отпорност на пуцање и нестабилност запремине, постали су очигледни. Стога је побољшање перформанси бетона стално један од кључних истраживачких праваца у грађевинарству.
Да би се побољшале перформансе бетона, обично се додају влакна ради побољшања његових механичких својстава и жилавости. Примери укључују Челична влакнас (SF), синтетичка влакна (као што су полипропиленска влакна), минерална влакна (као што су базалтна влакна - BF) и угљенична влакна (CF). Овај приступ је додатно побољшао перформансе високоперформансног бетона (HPC) и ултрависокоперформансног бетона (UHPC).
Влакна могу, донекле, побољшати механичка својства бетона. Међутим, различите врсте и садржаји влакана неизбежно доводе до значајних варијација у њиховом утицају на механичка својства бетона. Тренутно, оптимални садржај влакана, квантитативни однос између релевантних параметара и механичких својстава, као и основни механизми влакнасто армираног бетона и даље захтевају даља појашњења. Ова студија је истраживала угљенична влакна (CF), базалтна влакна (BF) и челична влакна (SF) као субјекте истраживања, припремајући бетонске узорке са различитим садржајем влакана. Ова влакна су изабрана због њиховог добро документованог побољшања перформанси у бетону и широке примене. Кроз експерименте са контролисаним променљивим, систематски су анализирани ефекти типа и садржаја влакана на чврстоћу на притисак, модул еластичности и начин отказа бетона. Комбинујући технике анализе дигиталне слике и скенирајуће електронске микроскопије (SEM), посматрано је понашање еволуције пукотина у бетону армираном влакнима током експеримената, што је довело до следећих закључака:
1. У поређењу са обичним бетоном (PC), уградња челичних влакана (SF), угљеничних влакана (CF) и базалтна влакна (BF) је значајно побољшао механичка својства бетона армираног влакнима (FRC) и променио његов начин отказа. Ова влакна су променила компактност бетона и почетне карактеристике компресије пора. Како се садржај влакана повећавао, начин отказа се мењао од кртог до дуктилног. Критична тачка прелаза била је 0,5% за челични влакнасти бетон (SFC) и 1,0% за угљенично-влакнасти бетон (CFC) и базалтно-влакнасти бетон (BFC). Да би се максимизирале механичке перформансе, оптимални садржај за челична влакна био је 2,0%, за угљенична влакна 1,0%, а за базалтна влакна 0,5%.
2. Иако садржај влакана може побољшати компактност и носивост бетона, претерано висок садржај може довести до феномена „засићења“, узрокујући „агломерацију“ влакана. Ово негативно утиче на физичка својства, чврстоћу и деформационе карактеристике бетона. Челични влакнасти бетон постигао је оптималне перформансе при запреминском уделу влакана од 2,0%, док су угљенични влакнасти бетон и базалтни влакнасти бетон достигли своје оптималне перформансе при 1,0% и 0,5%, респективно. Изнад ових оптималних садржаја, перформансе су опадале.
3. Анализа скенирајућом електронском микроскопијом (СЕМ) показала је да међуповршинска веза између влакана и цементне матрице значајно утиче на макроскопска механичка својства бетона. Одговарајућа количина влакана формира густу тродимензионалну мрежну структуру унутар бетона, побољшавајући повезаност матрице и укупне перформансе. Међутим, претерано висок садржај влакана доводи до агломерације влакана, стварајући слабе међуповршинске регионе и смањујући густину и чврстоћу бетона. Промене у микроструктури биле су у великој мери у складу са еволуцијом макроскопских механичких својстава.
4. Додавање влакана значајно је променило начин отказа бетона. У поређењу са обичним бетоном, бетон армиран влакнима показао је већи интегритет након отказа, са мање и ужим пукотинама и побољшаном жилавошћу. Челична влакна су била најефикаснија у инхибицији пукотина, за њима следе угљенична влакна и базалтна влакна. „Ефекат премошћавања“ влакана играо је кључну улогу у сузбијању ширења пукотина, док је „ефекат слабе површине“ имао негативан утицај на механичка својства.
