คุณสมบัติเชิงกลและกลไกการแตกหักของคอนกรีตเสริมใย: อิทธิพลของชนิดและปริมาณของเส้นใย

คอนกรีตเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด การก่อสร้าง คอนกรีตเป็นวัสดุที่มีข้อดีมากมาย เช่น หาได้ง่าย กระบวนการผลิตไม่ซับซ้อน ต้นทุนต่ำ และใช้งานง่าย จึงถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขา เช่น อาคาร ถนน สะพาน อุโมงค์ และวิศวกรรมไฮดรอลิก เนื่องจากโครงการวิศวกรรมจำนวนมากพัฒนาขึ้น ความต้องการด้านประสิทธิภาพของคอนกรีตจึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ข้อเสียของคอนกรีตแบบดั้งเดิม เช่น ความแข็งแรงดึงไม่เพียงพอ ความต้านทานการแตกร้าวต่ำ และความคงตัวของปริมาตรลดลง ดังนั้น การปรับปรุงประสิทธิภาพของคอนกรีตจึงเป็นหนึ่งในทิศทางการวิจัยที่สำคัญอย่างต่อเนื่องในวิศวกรรมโยธา

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของคอนกรีต โดยทั่วไปจะมีการเติมเส้นใยลงไปเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกลและความแข็งแรง ตัวอย่างเช่น เส้นใยเหล็กเส้นใยสังเคราะห์ (เช่น เส้นใยโพลีโพรพีลีน) เส้นใยแร่ (เช่น เส้นใยบะซอลต์ - BF) และเส้นใยคาร์บอน (CF) แนวทางนี้ได้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของคอนกรีตสมรรถนะสูง (HPC) และคอนกรีตสมรรถนะสูงพิเศษ (UHPC) ให้ดียิ่งขึ้นไปอีก

เส้นใยสามารถช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของคอนกรีตได้ในระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตาม ชนิดและปริมาณของเส้นใยที่แตกต่างกันย่อมส่งผลให้ผลกระทบต่อคุณสมบัติทางกลของคอนกรีตแตกต่างกันอย่างมาก ปัจจุบัน ปริมาณเส้นใยที่เหมาะสม ความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องและคุณสมบัติทางกล และกลไกพื้นฐานของคอนกรีตเสริมเส้นใยยังคงต้องการการศึกษาเพิ่มเติม งานวิจัยนี้จึงศึกษาเส้นใยคาร์บอน (CF) เส้นใยบะซอลต์ งานวิจัยนี้ใช้เส้นใยคาร์บอน (BF) และเส้นใยเหล็ก (SF) เป็นวัสดุในการวิจัย โดยเตรียมตัวอย่างคอนกรีตที่มีปริมาณเส้นใยแตกต่างกัน เส้นใยเหล่านี้ถูกเลือกเนื่องจากมีหลักฐานยืนยันถึงประสิทธิภาพในการเพิ่มประสิทธิภาพของคอนกรีตและการใช้งานอย่างแพร่หลาย จากการทดลองแบบควบคุมตัวแปร ได้ทำการวิเคราะห์อย่างเป็นระบบถึงผลกระทบของชนิดและปริมาณของเส้นใยต่อกำลังอัด โมดูลัสยืดหยุ่น และลักษณะการแตกหักของคอนกรีต โดยการผสมผสานเทคนิคการวิเคราะห์ภาพดิจิทัลและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ได้สังเกตพฤติกรรมการพัฒนาของรอยแตกในคอนกรีตเสริมเส้นใยระหว่างการทดลอง ซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปดังต่อไปนี้:

1. เมื่อเปรียบเทียบกับคอนกรีตธรรมดา (PC) การผสมเส้นใยเหล็ก (SF) เส้นใยคาร์บอน (CF) และ เส้นใยบะซอลต์ เส้นใยบะซอลต์ (BF) ช่วยเพิ่มคุณสมบัติทางกลของคอนกรีตเสริมเส้นใย (FRC) อย่างมีนัยสำคัญ และเปลี่ยนแปลงรูปแบบการแตกหัก เส้นใยเหล่านี้เปลี่ยนแปลงความแน่นและลักษณะการอัดตัวของรูพรุนเริ่มต้นของคอนกรีต เมื่อปริมาณเส้นใยเพิ่มขึ้น รูปแบบการแตกหักจะเปลี่ยนจากเปราะเป็นยืดหยุ่น จุดเปลี่ยนที่สำคัญคือ 0.5% สำหรับคอนกรีตเส้นใยเหล็ก (SFC) และ 1.0% สำหรับทั้งคอนกรีตเส้นใยคาร์บอน (CFC) และคอนกรีตเส้นใยบะซอลต์ (BFC) เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพทางกลสูงสุด ปริมาณเส้นใยเหล็กที่เหมาะสมที่สุดคือ 2.0% สำหรับเส้นใยคาร์บอน 1.0% และสำหรับเส้นใยบะซอลต์ 0.5%

2. แม้ว่าปริมาณเส้นใยจะช่วยเพิ่มความแน่นและความสามารถในการรับน้ำหนักของคอนกรีตได้ แต่ปริมาณเส้นใยที่สูงเกินไปอาจนำไปสู่ปรากฏการณ์ "การอิ่มตัว" ซึ่งทำให้เส้นใย "จับตัวเป็นก้อน" ส่งผลเสียต่อคุณสมบัติทางกายภาพ ความแข็งแรง และลักษณะการเสียรูปของคอนกรีต คอนกรีตเส้นใยเหล็กมีประสิทธิภาพสูงสุดที่ปริมาณเส้นใย 2.0% ในขณะที่คอนกรีตเส้นใยคาร์บอนและคอนกรีตเส้นใยบะซอลต์มีประสิทธิภาพสูงสุดที่ 1.0% และ 0.5% ตามลำดับ เมื่อปริมาณเส้นใยเกินกว่าระดับที่เหมาะสม ประสิทธิภาพจะลดลง

3. การวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) เผยให้เห็นว่าพันธะระหว่างเส้นใยและเมทริกซ์ซีเมนต์มีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกลระดับมหภาคของคอนกรีต ปริมาณเส้นใยที่เหมาะสมจะก่อให้เกิดโครงสร้างเครือข่ายสามมิติที่หนาแน่นภายในคอนกรีต ช่วยเพิ่มการเชื่อมต่อของเมทริกซ์และประสิทธิภาพโดยรวม อย่างไรก็ตาม ปริมาณเส้นใยที่สูงเกินไปจะนำไปสู่การจับตัวเป็นก้อนของเส้นใย ทำให้เกิดบริเวณรอยต่อที่อ่อนแอ และลดความหนาแน่นและความแข็งแรงของคอนกรีต การเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างจุลภาคมีความสอดคล้องอย่างมากกับการเปลี่ยนแปลงของคุณสมบัติทางกลระดับมหภาค

4. การเติมเส้นใยส่งผลให้ลักษณะการแตกหักของคอนกรีตเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก เมื่อเปรียบเทียบกับคอนกรีตธรรมดา คอนกรีตเสริมเส้นใยแสดงให้เห็นถึงความสมบูรณ์หลังการแตกหักที่สูงกว่า มีรอยแตกน้อยกว่าและแคบกว่า และมีความเหนียวเพิ่มขึ้น เส้นใยเหล็กมีประสิทธิภาพมากที่สุดในการยับยั้งการแตกร้าว รองลงมาคือเส้นใยคาร์บอนและเส้นใยบะซอลต์ "ผลการเชื่อมต่อ" ของเส้นใยมีบทบาทสำคัญในการยับยั้งการลุกลามของรอยแตกร้าว ในขณะที่ "ผลจากส่วนต่อประสานที่อ่อนแอ" ส่งผลเสียต่อคุณสมบัติทางกล