Electron Microscopy Observations on Glass Fiber Reinforced Concrete (GFRC) Materials

Abstract

Doping concrete structure with glass fibers gives rise to superior mechanical and chemical properties in macro-scale constructional applications. This type of materials is also currently called a generic name: Glass Fiber Reinforced Concrete (GFRC). Despite the fact that numerous studies have been conducted to shed light on the structure-property relationship in GFRC materials, focusing on the microscopic features to gain a better understanding of fibers role in the concrete matrix is still a challenging task. The goal of present research is, therefore, to reveal the micro-scale behavior of commercially available glass fibers in resulting concrete structures through a scanning electron microscopy (SEM) technique. For this purpose, the fracture surfaces of GFRC samples were characterized using a high-resolution field emission scanning electron microscope (FESEM, Carl Zeiss Supra 50VP) equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer (EDXS, Oxford Instruments 7430), operating at 30 kV in variable pressure (VP) mode. The back scattered electron (BSE) showed the general microstructure of GFRC material. As a result of this, the random distribution of Zr-rich glass fibers in mainly calcium-based silicate concrete matrix phases was clearly disclosed, which can be also confirmed by the EDX analysis. In addition, loose structure between the glass fiber and matrix phases was also observed. In fact, this unexpected micro-structural evolution can be considered as an apparent evidence of hydrophobic tendency of very thin polymer coating existing on the fibers’ surface determined with non-microscopic techniques, e.g., simultaneous differential thermal analysis (DTA)/thermal gravimetric analysis (TGA) and Fourier transform infrared spectroscopy

Cam fiberler ile beton yapısının katkılanması makro ölçekteki yapısal uygulamalar için üstün mekanik ve kimyasal özelliklerin elde edilmesini sağlamaktadır. Bu tür malzemeler aynı zamanda günümüzde “Cam Fiber Katkılı Beton (CFKB)” genel ismiyle adlandırılmaktadırlar. CFKB malzemelerinde yapı-özellik ilişkilerini aydınlatmak üzerine birçok çalışma gerçekleştirilmiş olmasına rağmen, beton matrisi içerisinde fiberlerin rolünü daha iyi anlamak için mikroskobik özellikler üzerine odaklanma günümüzde halen zor bir hedeftir. Dolayısıyla, bu çalışmanın amacı bir taramalı elektron mikroskobu tekniği yardımıyla, elde edilen beton yapıları içerisinde ticari cam fiberin mikro ölçekteki davranışını açığa çıkartmaktır. Bu amaç için CFKB numunelerinin kırık yüzeyleri, değişken basınç (VP) yöntemiyle 30 kV’da çalıştırılan bir enerji saçınımlı X-ışını spektrometresi (EDXS, Oxford Instruments 7430) içeren yüksekayırma güçlü alan yayınım taramalı elektron mikroskobu (FESEM, Carl Zeiss Supra 50VP) kullanılarak karakterize edilmişlerdir. Geri yansıyan elektron (BSE) CFKB malzemesinin genel mikro-yapısını göstermiştir. Sonuçta, başlıca kalsiyum-esaslı silikat beton matris fazları içerisinde Zr’ca zengin cam fiberlerin düzensiz dağılımı açıkça tespit edilmiş ve durum EDX analiziyle de doğrulanmıştır. İlave olarak, cam fiber ve matris fazlar arasındaki zayıf bağlanma gözlemlenmiştir. Aslında, bu beklenmedik mikroyapısal gelişim mikroskobik olmayan teknikler, örneğin; eşzamanlı diferansiyel ısısal analiz (DTA)/ısısal gravimetrik analiz (TGA) ve Fourier dönüşüm kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ile fiber yüzeylerinde belirlenen mevcut çok ince polimer kaplamasının su sevmezlik (hidrofobik) eğiliminin görünür bir delili olarak değerlendirilebilmektedir.