Mekaniska egenskaper och felmekanismer hos fiberarmerad betong: Inverkan av fibertyp och fiberinnehåll
Betong är den mest använda Konstruktion material. Det erbjuder många fördelar, inklusive dess utbredda tillgänglighet, enkla produktionsprocess, låga kostnad och enkla tillämpning. Det används i stor utsträckning inom olika områden som byggnader, vägar, broar, tunnlar och vattenbyggnad. I takt med att ett stort antal ingenjörsprojekt har utvecklats har kraven på betongens prestanda också gradvis ökat. Följaktligen har bristerna hos traditionell betong, såsom otillräcklig draghållfasthet, dålig sprickmotståndskraft och volyminstabilitet, blivit uppenbara. Därför har förbättring av betongens prestanda konsekvent varit en av de viktigaste forskningsinriktningarna inom väg- och vattenbyggnad.
För att förbättra betongens prestanda tillsätts vanligtvis fibrer för att förbättra dess mekaniska egenskaper och seghet. Exempel inkluderar Stålfibers (SF), syntetiska fibrer (som polypropenfibrer), mineralfibrer (som basaltfibrer - BF) och kolfibrer (CF). Denna metod har ytterligare förbättrat prestandan hos högpresterande betong (HPC) och ultrahögpresterande betong (UHPC).
Fibrer kan i viss mån förbättra betongens mekaniska egenskaper. Olika fibertyper och innehåll leder dock oundvikligen till betydande variationer i deras inverkan på betongens mekaniska egenskaper. För närvarande kräver det optimala fiberinnehållet, det kvantitativa sambandet mellan relevanta parametrar och mekaniska egenskaper, och de underliggande mekanismerna för fiberarmerad betong ytterligare förtydligande. Denna studie undersökte kolfibrer (CF), basaltfibrer (BF) och stålfibrer (SF) som forskningsobjekt, och framställde betongprover med varierande fiberinnehåll. Dessa fibrer valdes på grund av deras väl dokumenterade prestandaförbättringar i betong och utbredda tillämpning. Genom kontrollerade variabla experiment analyserades systematiskt effekterna av fibertyp och -innehåll på betongens tryckhållfasthet, elasticitetsmodul och brottmod. Genom att kombinera digital bildanalys och svepelektronmikroskopi (SEM)-analystekniker observerades sprickutvecklingsbeteendet hos fiberarmerad betong under experimenten, vilket ledde till följande slutsatser:
1. Jämfört med vanlig betong (PC), införandet av stålfibrer (SF), kolfibrer (CF) och basaltfibrer (BF) förbättrade de mekaniska egenskaperna hos fiberarmerad betong (FRC) avsevärt och förändrade dess brottmod. Dessa fibrer förändrade betongens kompakthet och initiala porkompressionsegenskaper. Allt eftersom fiberhalten ökade skiftade brottmoden från spröd till seg. Den kritiska övergångspunkten var 0,5 % för stålfiberbetong (SFC) och 1,0 % för både kolfiberbetong (CFC) och basaltfiberbetong (BFC). För att maximera mekanisk prestanda var den optimala halten för stålfibrer 2,0 %, för kolfibrer 1,0 % och för basaltfibrer 0,5 %.
2. Även om fiberhalten kan förbättra betongens kompakthet och bärförmåga, kan en alltför hög halt leda till ett "mättnadsfenomen", vilket orsakar fiber-"agglomerering". Detta påverkar betongens fysikaliska egenskaper, hållfasthet och deformationsegenskaper negativt. Stålfiberbetong uppnådde optimal prestanda vid en fibervolymfraktion på 2,0 %, medan kolfiberbetong och basaltfiberbetong nådde sin optimala prestanda vid 1,0 % respektive 0,5 %. Utöver dessa optimala halter försämrades prestandan.
3. SEM-analys (Scanning Electron Microscopy) visade att gränsytbindningen mellan fibrer och den cementbaserade matrisen avsevärt påverkar betongens makroskopiska mekaniska egenskaper. En lämplig mängd fibrer bildar en tät tredimensionell nätverksstruktur i betongen, vilket förbättrar matrisens konnektivitet och övergripande prestanda. Emellertid leder ett alltför högt fiberinnehåll till fiberagglomerering, vilket skapar svaga gränsytregioner och minskar betongens densitet och hållfasthet. Förändringarna i mikrostruktur var i hög grad förenliga med utvecklingen av makroskopiska mekaniska egenskaper.
4. Tillsatsen av fibrer förändrade betongens brottmoder avsevärt. Jämfört med vanlig betong uppvisade fiberarmerad betong högre brottstyrka, med färre och smalare sprickor, och förbättrad seghet. Stålfibrer var mest effektiva för att hämma sprickbildning, följt av kolfibrer och basaltfibrer. Fibrernas "överbryggande effekt" spelade en avgörande roll för att undertrycka sprickutbredning, medan den "svaga gränssnittseffekten" hade en negativ inverkan på de mekaniska egenskaperna.
