Tính chất cơ học và cơ chế phá hủy 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 Vật liệu này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm tính phổ biến rộng rãi, quy trình sản xuất đơn giản, chi phí thấp và dễ ứng dụng. Nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, đường bộ, cầu, đường hầm và kỹ thuật thủy lực. Khi ngày càng nhiều dự án kỹ thuật được triển khai, 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 chịu kéo không đủ, khả năng chống nứt kém và độ không ổn định thể tích, đã trở nên rõ ràng. Vì vậy, việc cải thiện hiệu suất của bê tông luôn là một trong những hướng nghiên cứu chủ chốt trong kỹ thuật xây dựng.

Để nâng cao hiệu suất của bê tông, sợi thường được thêm vào để cải thiện các đặc tính cơ học và độ dẻo dai của nó. Ví dụ bao gồm Sợi théps (SF), sợi tổng hợp (như sợi polypropylene), sợi khoáng (như sợi bazan - BF) và sợi carbon (CF). Phương pháp này đã nâng cao hơn nữa hiệu suất của bê tông hiệu suất cao (HPC) và bê tông hiệu suất cực cao (UHPC).

Sợi có thể cải thiện một số tính chất cơ học của bê tông. Tuy nhiên, các loại sợi và hàm lượng khác nhau chắc chắn sẽ dẫn đến những thay đổi đáng kể về tác động của chúng lên các tính chất cơ học của bê tông. Hiện tại, 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 (BF) và sợi thép (SF) làm đối tượng nghiên cứu, chuẩn bị các mẫu bê tông với hàm lượng sợi khác nhau. Các sợi này được lựa chọn do khả năng cải thiện hiệu suất đã được chứng minh rõ ràng trong bê tông và ứng dụng rộng rãi. Thông qua các thí nghiệm biến đổi có 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 quá trình 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 (BF) đã cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của bê tông cốt sợi (FRC) và thay đổi chế độ phá hoại của nó. Các sợi này đã thay đổi độ đặc 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 sợi thép (SFC) và 1,0% đối với cả bê tông sợi carbon (CFC) và bê tông 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 chặt và khả năng chịu lực của bê tông, nhưng hàm lượng quá cao có thể dẫn đến hiện tượng "bão hòa", gây ra hiện tượng "tụ tập" sợi. Điều này ảnh hưởng tiêu cực đến các đặc tính 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 dần.

3. Phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy liên kết giao diện giữa sợi và nền xi măng ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học vĩ mô của bê tông. Một lượng sợi phù hợp tạo thành cấu trúc mạng lưới ba chiều dày đặc bên trong bê tông, tăng cường khả năng kết nối của nền và hiệu suất tổng thể. Tuy nhiên, hàm lượng sợi quá cao sẽ dẫn đến sự kết tụ sợi, tạo ra các vùng giao diện yếu và làm giảm mật độ cũng như cường độ của bê tông. Những thay đổi về cấu trúc vi mô rất phù hợp với sự tiến hóa 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 phá hoại cao hơn, với ít vết nứt hơn và hẹp hơn, đồng thời tăng cường độ dẻo dai. Sợi thép có hiệu quả nhất trong việc ức chế vết 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 có tác động tiêu cực đến các đặc tính cơ học.