Механічні властивості та механізми руйнування фібробетону: вплив типу та вмісту волокон

Бетон є найбільш широко використовуваним Будівництво матеріал. Він пропонує численні переваги, включаючи широку доступність, простий виробничий процес, низьку вартість та легкість застосування. Він широко використовується в різних галузях, таких як будівництво будівель, доріг, мостів, тунелів та гідротехнічне будівництво. З розвитком великої кількості інженерних проектів вимоги до експлуатаційних характеристик бетону також поступово зростали. Як наслідок, стали очевидними недоліки традиційного бетону, такі як недостатня міцність на розтяг, низька тріщиностійкість та об'ємна нестабільність. Тому покращення експлуатаційних характеристик бетону постійно є одним з ключових напрямків досліджень у цивільному будівництві.

Для покращення експлуатаційних характеристик бетону зазвичай додають волокна, що покращують його механічні властивості та міцність. Приклади включають Сталеве волокноs (SF), синтетичні волокна (наприклад, поліпропіленові волокна), мінеральні волокна (такі як базальтові волокна - BF) та вуглецеві волокна (CF). Цей підхід ще більше підвищив експлуатаційні характеристики високоефективного бетону (HPC) та надвисокоефективного бетону (UHPC).

Волокна можуть певною мірою покращувати механічні властивості бетону. Однак різні типи та вміст волокон неминуче призводять до значних варіацій у їхньому впливі на механічні властивості бетону. Наразі оптимальний вміст волокон, кількісний зв'язок між відповідними параметрами та механічними властивостями, а також основні механізми фібробетону все ще потребують подальшого уточнення. У цьому дослідженні досліджувалися вуглецеві волокна (ВВ), базальтові волокна (BF) та сталеві волокна (SF) як об'єкти дослідження, підготовлюючи бетонні зразки з різним вмістом волокон. Ці волокна були обрані завдяки їх добре задокументованому покращенню характеристик у бетоні та широкому застосуванню. За допомогою експериментів з контрольованими змінними систематично аналізували вплив типу та вмісту волокон на міцність на стиск, модуль пружності та режим руйнування бетону. Поєднуючи методи аналізу цифрових зображень та скануючої електронної мікроскопії (SEM), спостерігали за поведінкою розвитку тріщин у фібробетоні під час експериментів, що призвело до таких висновків:

1. Порівняно зі звичайним бетоном (ПК), включення сталевих волокон (СФ), вуглецевих волокон (ВФ) та базальтові волокна (BF) значно покращив механічні властивості фібробетону (FRC) та змінив режим його руйнування. Ці волокна змінили компактність бетону та початкові характеристики стиснення пор. Зі збільшенням вмісту волокон режим руйнування зміщувався з крихкого на пластичний. Критична точка переходу становила 0,5% для сталефібробетону (SFC) та 1,0% як для вуглецево-волокнистого бетону (CFC), так і для базальтового фібробетону (BFC). Для максимізації механічних характеристик оптимальний вміст для сталевих волокон становив 2,0%, для вуглецевих волокон - 1,0%, а для базальтових волокон - 0,5%.

2. Хоча вміст волокон може покращити щільність та несучу здатність бетону, надмірно високий вміст може призвести до явища «насичення», що спричиняє «агломерацію» волокон. Це негативно впливає на фізичні властивості, міцність та деформаційні характеристики бетону. Сталефібробетон досяг оптимальних характеристик при об'ємній частці волокон 2,0%, тоді як вуглецево-фібробетон та базальтофібробетон досягли своїх оптимальних характеристик при 1,0% та 0,5% відповідно. За межами цього оптимального вмісту характеристики знижувалися.

3. Аналіз за допомогою скануючої електронної мікроскопії (СЕМ) показав, що міжфазний зв'язок між волокнами та цементною матрицею суттєво впливає на макроскопічні механічні властивості бетону. Відповідна кількість волокон утворює щільну тривимірну сітчасту структуру всередині бетону, покращуючи зв'язність матриці та загальні характеристики. Однак надмірно високий вміст волокон призводить до агломерації волокон, створюючи слабкі міжфазні області та зменшуючи щільність і міцність бетону. Зміни в мікроструктурі були цілком узгоджені з еволюцією макроскопічних механічних властивостей.

4. Додавання волокон значно змінило режим руйнування бетону. Порівняно зі звичайним бетоном, фібробетон демонстрував вищу цілісність після руйнування, з меншою кількістю та вужчими тріщинами, а також підвищену в'язкість. Сталеві волокна були найефективнішими в гальмуванні розтріскування, далі йшли вуглецеві волокна та базальтові волокна. «Ефект перекриття» волокон відіграв вирішальну роль у придушенні поширення тріщин, тоді як «ефект слабкого інтерфейсу» негативно впливав на механічні властивості.