Tính chất cơ học và cơ chế phá hoại của bê tông cốt sợi: Ảnh hưởng của loại sợi và hàm lượng sợi

Bê tông là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất. Sự thi công Bê tông là một vật liệu xây dựng có nhiều ưu điểm, bao gồm tính sẵn có rộng rãi, quy trình sản xuất đơn giản, chi phí thấp và dễ thi công. Nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xây dựng nhà cửa, đường xá, cầu cống, hầm đường và công trình thủy lực. Khi số lượng các dự án kỹ thuật phát triển, nhu cầu về hiệu suất của bê tông cũng dần tăng lên. Do đó, những nhược điểm của bê tông truyền thống, chẳng hạn như cường độ kéo không đủ, khả năng chống nứt kém và tính không ổn định về thể tích, đã trở nên rõ rệt. Vì vậy, việc nâng cao hiệu suất của bê tông luôn là một trong những hướng nghiên cứu trọng điểm trong kỹ thuật xây dựng.

Để nâng cao hiệu suất của bê tông, người ta thường thêm sợi để cải thiện các đặc tính cơ học và độ bền của nó. Ví dụ bao gồm: Sợi thépCác loại sợi tổng hợp (SF), sợi polypropylen, sợi khoáng (như sợi bazan - BF) và sợi carbon (CF) đã góp phần nâng cao hơn nữa hiệu suất của bê tông hiệu năng cao (HPC) và bê tông siêu hiệu năng cao (UHPC).

Sợi có thể, ở một mức độ nào đó, cải thiện các tính chất cơ học của bê tông. Tuy nhiên, các loại sợi và hàm lượng sợi khác nhau chắc chắn sẽ dẫn đến sự khác biệt đáng kể về tác động của chúng đến các tính chất cơ học của bê tông. Hiện nay, hàm lượng sợi tối ưu, mối quan hệ định lượng giữa các thông số liên quan và tính chất cơ học, cũng như các cơ chế cơ bản của bê tông cốt sợi vẫn cần được làm rõ thêm. Nghiên cứu này đã khảo sát sợi carbon (CF), sợi bazan Sử dụng sợi carbon (BF) và sợi thép (SF) làm đối tượng nghiên cứu, chuẩn bị các mẫu bê tông với hàm lượng sợi khác nhau. Các loại sợi này được lựa chọn vì khả năng tăng cường hiệu suất trong bê tông đã được chứng minh rõ ràng và ứng dụng rộng rãi. Thông qua các thí nghiệm biến số được kiểm soát, ảnh hưởng của loại sợi và hàm lượng sợi đến cường độ nén, mô đun đàn hồi và chế độ phá hoại của bê tông đã được phân tích một cách có hệ thống. Kết hợp các kỹ thuật phân tích hình ảnh kỹ thuật số và kính hiển vi điện tử quét (SEM), hành vi phát triển vết nứt của bê tông cốt sợi trong suốt các thí nghiệm đã được quan sát, dẫn đến các kết luận sau:

1. So với bê tông thông thường (PC), việc kết hợp sợi thép (SF), sợi carbon (CF) và sợi bazan Sợi bazan (BF) đã cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của bê tông cốt sợi (FRC) và làm thay đổi chế độ phá hoại của nó. Các sợi này đã thay đổi độ đặc chắc và đặc tính nén lỗ rỗng ban đầu của bê tông. Khi hàm lượng sợi tăng lên, chế độ phá hoại chuyển từ giòn sang dẻo. Điểm chuyển tiếp quan trọng là 0,5% đối với bê tông cốt sợi thép (SFC) và 1,0% đối với cả bê tông cốt sợi carbon (CFC) và bê tông cốt sợi bazan (BFC). Để tối đa hóa hiệu suất cơ học, hàm lượng tối ưu cho sợi thép là 2,0%, cho sợi carbon là 1,0% và cho sợi bazan là 0,5%.

2. Mặc dù hàm lượng sợi có thể cải thiện độ đặc chắc và khả năng chịu tải của bê tông, nhưng hàm lượng quá cao có thể dẫn đến hiện tượng "bão hòa", gây ra hiện tượng "vón cục" sợi. Điều này ảnh hưởng tiêu cực đến các tính chất vật lý, cường độ và đặc tính biến dạng của bê tông. Bê tông sợi thép đạt hiệu suất tối ưu ở tỷ lệ thể tích sợi là 2,0%, trong khi bê tông sợi carbon và bê tông sợi bazan đạt hiệu suất tối ưu lần lượt ở mức 1,0% và 0,5%. Vượt quá các hàm lượng tối ưu này, hiệu suất giảm xuống.

3. Phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy liên kết giữa các sợi và ma trận xi măng ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học vĩ mô của bê tông. Một lượng sợi thích hợp tạo thành cấu trúc mạng lưới ba chiều dày đặc bên trong bê tông, tăng cường khả năng kết nối và hiệu suất tổng thể của ma trận. Tuy nhiên, hàm lượng sợi quá cao dẫn đến sự vón cục của sợi, tạo ra các vùng liên kết yếu và làm giảm mật độ và cường độ của bê tông. Những thay đổi trong cấu trúc vi mô rất phù hợp với sự phát triển của các tính chất cơ học vĩ mô.

4. Việc bổ sung sợi đã làm thay đổi đáng kể cơ chế phá hoại của bê tông. So với bê tông thường, bê tông cốt sợi thể hiện tính toàn vẹn sau khi phá hoại cao hơn, với ít vết nứt hơn và hẹp hơn, đồng thời độ dẻo dai được tăng cường. Sợi thép hiệu quả nhất trong việc ngăn ngừa nứt, tiếp theo là sợi carbon và sợi bazan. "Hiệu ứng bắc cầu" của sợi đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn sự lan truyền vết nứt, trong khi "hiệu ứng giao diện yếu" lại ảnh hưởng tiêu cực đến các tính chất cơ học.