คุณสมบัติเชิงกลและกลไกการเสียหายของคอนกรีตเสริมใย: อิทธิพลของชนิดและเนื้อหาของใย

คอนกรีตเป็นวัสดุที่นิยมใช้กันมากที่สุด การก่อสร้าง วัสดุนี้มีข้อดีมากมาย อาทิ หาซื้อได้ง่าย กระบวนการผลิตง่าย ต้นทุนต่ำ และใช้งานง่าย มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขา เช่น อาคาร ถนน สะพาน อุโมงค์ และวิศวกรรมชลศาสตร์ เนื่องจากมีโครงการวิศวกรรมจำนวนมากที่พัฒนาขึ้น ความต้องการประสิทธิภาพของคอนกรีตจึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ข้อบกพร่องของคอนกรีตแบบดั้งเดิม เช่น ความแข็งแรงดึงที่ไม่เพียงพอ ความต้านทานการแตกร้าวต่ำ และความไม่เสถียรของปริมาตร ปรากฏชัดขึ้น ดังนั้น การปรับปรุงประสิทธิภาพของคอนกรีตจึงเป็นหนึ่งในแนวทางการวิจัยที่สำคัญของวิศวกรรมโยธามาโดยตลอด

เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของคอนกรีต โดยทั่วไปจะเติมเส้นใยเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลและความเหนียว ตัวอย่างเช่น เส้นใยเหล็กs (SF), เส้นใยสังเคราะห์ (เช่น เส้นใยโพลีโพรพิลีน), เส้นใยแร่ (เช่น เส้นใยบะซอลต์ - BF) และเส้นใยคาร์บอน (CF) แนวทางนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของคอนกรีตสมรรถนะสูง (HPC) และคอนกรีตสมรรถนะสูงพิเศษ (UHPC) ให้ดียิ่งขึ้น

เส้นใยสามารถปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของคอนกรีตได้ในระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตาม ชนิดและปริมาณของเส้นใยที่แตกต่างกันย่อมนำไปสู่ความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในผลกระทบต่อคุณสมบัติเชิงกลของคอนกรีต ปัจจุบัน ปริมาณเส้นใยที่เหมาะสม ความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องและคุณสมบัติเชิงกล และกลไกพื้นฐานของคอนกรีตเสริมใยยังคงต้องการการอธิบายเพิ่มเติม งานวิจัยนี้ศึกษาเส้นใยคาร์บอน (CF) เส้นใยบะซอลต์ (BF) และเส้นใยเหล็ก (SF) เป็นหัวข้อวิจัยในการเตรียมตัวอย่างคอนกรีตที่มีปริมาณเส้นใยแตกต่างกัน เส้นใยเหล่านี้ถูกเลือกเนื่องจากมีคุณสมบัติในการเพิ่มประสิทธิภาพในคอนกรีตที่ได้รับการบันทึกไว้เป็นอย่างดีและมีการนำไปใช้อย่างแพร่หลาย ผ่านการทดลองแบบควบคุมตัวแปร ผลของชนิดและปริมาณของเส้นใยที่มีต่อกำลังอัด โมดูลัสยืดหยุ่น และสภาวะการพังทลายของคอนกรีตได้รับการวิเคราะห์อย่างเป็นระบบ เมื่อใช้เทคนิคการวิเคราะห์ภาพดิจิทัลและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ร่วมกัน พฤติกรรมการวิวัฒนาการของรอยแตกร้าวของคอนกรีตเสริมใยในระหว่างการทดลองถูกสังเกต ซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปดังต่อไปนี้

1.เมื่อเทียบกับคอนกรีตธรรมดา (PC) การผสมผสานของเส้นใยเหล็ก (SF) เส้นใยคาร์บอน (CF) และ เส้นใยบะซอลต์ (BF) ช่วยเพิ่มคุณสมบัติเชิงกลของคอนกรีตเสริมใย (FRC) อย่างมีนัยสำคัญ และเปลี่ยนแปลงรูปแบบการพังทลาย เส้นใยเหล่านี้เปลี่ยนแปลงความแน่นและคุณสมบัติการอัดตัวของรูพรุนเริ่มต้นของคอนกรีต เมื่อปริมาณเส้นใยเพิ่มขึ้น รูปแบบการพังทลายจะเปลี่ยนจากเปราะเป็นเหนียว จุดเปลี่ยนวิกฤตอยู่ที่ 0.5% สำหรับคอนกรีตเสริมใยเหล็ก (SFC) และ 1.0% สำหรับคอนกรีตเสริมใยคาร์บอน (CFC) และคอนกรีตเสริมใยหินบะซอลต์ (BFC) เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพเชิงกลสูงสุด ปริมาณเส้นใยเหล็กที่เหมาะสมคือ 2.0% สำหรับเส้นใยคาร์บอน 1.0% และสำหรับเส้นใยหินบะซอลต์ 0.5%

2. แม้ว่าปริมาณเส้นใยจะช่วยปรับปรุงความแน่นและความสามารถในการรับน้ำหนักของคอนกรีตได้ แต่ปริมาณเส้นใยที่สูงเกินไปอาจทำให้เกิดปรากฏการณ์ "อิ่มตัว" ซึ่งทำให้เกิด "การรวมตัวของเส้นใย" ซึ่งส่งผลเสียต่อคุณสมบัติทางกายภาพ ความแข็งแรง และลักษณะการเสียรูปของคอนกรีต คอนกรีตเส้นใยเหล็กมีประสิทธิภาพสูงสุดที่สัดส่วนของเส้นใย 2.0% ในขณะที่คอนกรีตเส้นใยคาร์บอนและคอนกรีตเส้นใยบะซอลต์มีประสิทธิภาพสูงสุดที่ 1.0% และ 0.5% ตามลำดับ นอกเหนือจากปริมาณเส้นใยที่เหมาะสมเหล่านี้ ประสิทธิภาพก็ลดลง

3. การวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) พบว่าพันธะระหว่างเส้นใยและเมทริกซ์ซีเมนต์มีอิทธิพลอย่างมากต่อสมบัติเชิงกลมหภาคของคอนกรีต เส้นใยในปริมาณที่เหมาะสมจะก่อตัวเป็นโครงสร้างเครือข่ายสามมิติที่หนาแน่นภายในคอนกรีต ซึ่งช่วยเพิ่มการเชื่อมต่อและประสิทธิภาพโดยรวมของเมทริกซ์ อย่างไรก็ตาม ปริมาณเส้นใยที่สูงเกินไปจะนำไปสู่การเกาะกลุ่มกันของเส้นใย ทำให้เกิดบริเวณระหว่างเส้นใยที่อ่อนแอ และลดความหนาแน่นและความแข็งแรงของคอนกรีต การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคมีความสอดคล้องกับวิวัฒนาการของสมบัติเชิงกลมหภาคอย่างมาก

4. การเติมเส้นใยช่วยเปลี่ยนแปลงรูปแบบการพังทลายของคอนกรีตอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเทียบกับคอนกรีตธรรมดา คอนกรีตเสริมใยมีความแข็งแรงหลังการพังทลายสูงกว่า มีรอยแตกร้าวน้อยลงและแคบลง และความเหนียวเพิ่มขึ้น เส้นใยเหล็กมีประสิทธิภาพสูงสุดในการยับยั้งการแตกร้าว รองลงมาคือเส้นใยคาร์บอนและเส้นใยบะซอลต์ "ปรากฏการณ์สะพาน" ของเส้นใยมีบทบาทสำคัญในการยับยั้งการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว ในขณะที่ "ปรากฏการณ์รอยต่อที่อ่อนแอ" ส่งผลกระทบทางลบต่อคุณสมบัติเชิงกล