Pri izvedbi ustreznega industrijskega tlaka je izredno pomembna ocena učinkovitosti uporabljenih vlaken v mikroarmiranih betonih, zato bo to poglavje nekoliko obširnejše in se bo nadaljevalo tudi v naslednji številki revije.

Z rentgenskimi žarki je bilo odkrito, da se razpoke na stični površini med cementno pasto in zrnom agregata pojavijo pri 30-odstotni napetosti od tlačne trdnosti betona. Razpoke v matrici nastanejo pri nekoliko večji napetosti.

Z združevanjem teh razpok nastane glavna razpoka vijugaste oblike, ker se razpoke pogosto “izogibajo” zrn agregata. Z uporabo elektronskega mikroskopa pri skrbno kontroliranih preskusih na nateg so odkrili, da “konca” razpoke težita k razvejenju, potekata v cementnem kamnu ob zrnih peska, razpoke pa so pogosto prekinjene. Izogibanje razpok na mikroskopski ravni se razlaga z dejstvom, da se med lomljenjem betona izpulijo zrna agregata iz cementne matrice, ker imajo najpogosteje večjo trdnost od cementnega kamna ter od stika med cementnim kamnom in zrnom. Povečana lomna žilavost betona prek cementne paste izhaja verjetno iz izpulitve agregatnih zrn ali učinka premoščanja. V mikroarmiranem betonu prevladuje učinek premoščanja z vlakni. To je posledica izpulitve ali pretrga vlaken in tako se povečuje duktilnost mikroarmiranega betona.

Medsebojno delovanje vlaken in matrice je glavna lastnost, ki vpliva na obnašanje mikroarmiranega kompozitnega materiala. Razumevanje tega delovanja je potrebno za ugotavljanje prispevka vlaken in napovedovanje obnašanja kompozita. Medsebojno delovanje vlaken z nerazpokano matrico ni tako pomembno, ker bo matrica večinoma počila med uporabo. Študija teh medsebojnih delovanj daje uporabne informacije za razumevanje obnašanja kompozita. Razen tega nerazpokani deli konstrukcije vplivajo na obnašanje konstrukcijskega sestava, ko se že razvijejo razpoke v kompozitu.

Če obtežba ne deluje, se predpostavlja, da je napetost v matrici in vlaknu nič. Ko na kompozit deluje natezna ali tlačna obtežba oziroma temperaturna sprememba, nastanejo napetosti in deformacije, ki morajo ostati kompatibilne. Že hidratacija cementa lahko povzroči napetosti v matrici in vlaknih. Ko obtežba deluje na matrico, se del obtežbe prenese na vlakno vzdolž njegove površine. Zaradi razlike v togosti med vlakni in matrico nastane strižna napetost vzdolž površine vlakna. Ta napetost deluje tako, da se del obtežbe prenese na vlakno. Če je vlakno bolj togo od matrice, bo deformacija na vlaknu in v njegovi okolici manjša. Tako je pri jeklenih in mineralnih vlaknih. Če je modul elastičnosti vlakna manjši od modula elastičnosti matrice, bo deformacija v okolici vlakna večja. Tako je pri kompozitu s polimernimi in nekaterimi naravnimi vlakni.

Prenos napetosti je elastičen v nerazpokanem kompozitu, dokler sta matrica in vlakno v elastičnem območju napetosti. Diagram matrice s - e  lahko kaže nelinearnost in neelastičnost pred lomom. Razvite so matematične enačbe za strižno napetost na stični površini t in vzdolž vlakna. Navadno se imenujejo modeli zaostalega striga in temeljijo na številnih poenostavljenih predpostavkah:
• linearno elastično obnašanje vlakna in matrice,
• popolna zveza med vlaknom in matrico,
• stična površina je izredno tanka, njena lastnost pa je enaka lastnosti matrice na drugem mestu,
• vlakna imajo gladke in pravilne prečne preseke.

Razdelitev strižne napetosti t (x) v razmiku x od konca vlakna se izrazi kot:

XXX

ENAČBE

XXXX

kjer je:

                                                (2)

Razmerje  je funkcija prostorninskega deleža in razporeditve vlaken. Razviti so izrazi za kvadratne in heksagonalne razporeditve vlaken. Napetost v osi vlakna s_vl  (x) se lahko izračuna iz enačbe

            (3)

Razporeditvi strižnih napetosti t (x) in normalne napetosti s_vl (x) nista linearni vzdolž vlakna. Treba je poudariti, da v teh enačbah niso upoštevani Poissonovi efekti. Kljub temu enačbe od 1 do 3 na podlagi zelo omejenih predpostavk omogočajo računanje napetosti v vlaknih in njihov vpliv na kompozit.

V praksi so vlakna poljubno razporejena v najmanj dve dimenziji. V mikroarmiranih betonih potekajo v vseh treh (medsebojno pravokotnih) smereh. Poleg tega ima večina jeklenih vlaken in nekatera polimerna namensko deformirane površine ali konce. V skoraj vseh primerih obstaja medsebojno delovanje vlaken, kar dodatno povečuje kompleksnost problema. Zaradi tega so matematični modeli za praktično uporabo še vedno na začetku razvoja.

Po obnašanju kompozita pri različnih obtežbah se lahko ugotovi, ali vlakna pripomorejo k trdnosti in togosti kompozita. H kateri lastnosti pripomorejo in koliko, je odvisno od vrste in prostorninskega deleža vlaken ter lastnosti matrice. Kompozit, ki vsebuje 10 volumenskih odstotkov jeklenih vlaken, ima petkratno povečanje natezne trdnosti, medtem ko je povečanje minimalno pri prostorninskem deležu, manjšem od volumenskih odstotkov.

Ko je mikroarmirani kompozit obremenjen na nateg, bo matrica pri določeni stopnji obtežbe počila.

Ko matrica poči, vlakno prevzame obtežbo s prenašanjem slednje od ene strani matrice čez razpoko na drugo stran. Ob izvedbi več vlaken premošča razpoko s prenašanjem obtežbe. Če vlakna v celoti prenašajo obtežbo čez prvo razpoko, bo nastalo še več razpok vzdolž preskušanca. To stanje obtežbe se imenuje večkratno razpokano stanje in mnogokrat nastane ob stalni obtežbi. Mejno nosilnost in obnašanje kompozita po maksimumu prav tako določajo značilnosti delovanja vlaken.
Najpomembnejša vprašanja v zvezi z delovanjem vlaken so:
• vriacije obtežba – drsenje,
• vpliv geometrije in orientacije,
• kako ugotoviti odpor proti izvleku posameznega vlakna,
• medsebojno delovanje poljubno razporejenih vlaken zaradi ugotovitve večkratnega izvlečenja vlaken.  
Slika 2: Idealizirani diagram lastnosti stika. Razvidno je popolno elastično obnašanje, dokler ni dosežena strižna trdnost stika t_s, ki se nadaljuje s konstantno sprijemljivostjo s trenjem t_i.

Pri delnem odpiranju razpoke se lahko sila izvlečenja izrazi kot:

                 (9),

pri čemer je:   dolžina razveze.

Od 0 do   je zveza elastična, toda od   do   pomeni odpor čisto trenje. Enačba 9 velja samo za jeklena vlakna.

Če je trdnost trenja t_i manjša od trdnosti sprijemljivosti t_s, doseže izvlečna sila maksimum šele po stabilnem procesu odpiranja razpoke, kot je prikazano na sliki 3.
 


Slika 3: Model izvlečne sile v odvisnosti od parametra dolžine odpiranja razpoke (1 – m), ki prikazuje stabilne in nestabilne režime odpiranja razpoke, odvisno od razmerja   (premer vlakna = 0,4 mm, vgrajena dolžina l/2 = 13 mm, t_s = 4.1 MPa) .

To dokazuje, da preskus izvlečenja pokaže območje stabilnega odpiranja razpoke pred točko, na kateri se doseže mejna trdnost. Povprečna krivulja s - e  kompozita postane nelinearna predvsem zaradi tega, ker se začne stabilni proces odpiranja razpoke pred izvlečenjem vlakna.

Na splošno se trdnost sprijemljivosti izračuna s predpostavko enakomerne razdelitve napetosti na stiku  . Največja izvlečna sila se deli s stično površino vlakna in dobi se trdnost sprijemljivosti stika. Ta metoda se uporablja za označitev trdnosti sprijemljivosti v odvisnosti od dolžine in premera vlakna. Alternativna metoda je dvoparametrski model z uporabo t_s in t_i kot lastnosti materiala. Ta dva parametra bi se lahko privzela kot glavni lastnosti materiala. Natezna sila, ki se izračuna z uporabo zgoraj opisanega obnašanja, se lahko uporablja za napovedovanje obnašanja mikroarmiranega kompozita pri natezni obtežbi.

Raziskujejo se modeli na podlagi mehanike loma, pri katerih je proces popuščanja in izvlečenja modeliran kot razvoj razpoke stika. Uporablja se energetsko merilo širjenja razpoke. Energetski prijem je geometrijsko bolj neodvisen od tistega prek stanja napetosti.

Jakob Šušteršič, IRMA – Inštitut za raziskavo materialov in aplikacije, Ljubljana