Механика разрушения фибробетона:
Лабораторное исследование влияния пола, геометрии и состава различных волокон
Халид Сангинабади1, Рухола Ростами2, Барда Хабиби3, Дауд Мостуфинежад4*, Мохаммад Заребини
1- Аспирант в области гражданского строительства, Факультет гражданского строительства, Университет Курдистана, Санандадж, Иран
2- Докторант текстильного машиностроения, факультет текстильного машиностроения, Исфаханский технологический университет, Исфахан, Иран
3- доцент, факультет машиностроения, Курдский университет, Санандадж, Иран
4-профессор, Факультет гражданского строительства, Исфаханский технологический университет, Исфахан, Иран
5- Доцент, Факультет текстильной инженерии, Исфаханский технологический университет, Исфахан, Иран
Резюме
В последние годы использование полимерных волокон в армированном бетоне имело значительное распространение. Основная роль волокон проявляется в поведении после разрушения бетона. Детальное изучение поведения разрушения требует применения механических концепций разрушения в процессе разрушения и распространения трещин в бетонных балках. В этом исследовании было испытано 14 бетонных образцов размером 400x100x100 мм с трещиной в своей центральной тяговой поверхности глубиной 35 мм; они были подвергнуты испытанию на четырехточечное изгибание. В этих образцах были учтены различные материалы, геометрии и проценты комбинации различных волокон. Результаты показывают, что макро волокна полипропилена не оказывают значительного влияния на поведение деформации бетона, несмотря на увеличение его изгибной прочности. Микро волокна полиэстера и полипропилена показывают более подходящую производительность во время разрушения бетона, и для образцов, содержащих эти волокна, не происходит значительного резкого снижения несущей способности после начала разрушения. Также результаты образцов смешанных материалов, содержащих макро волокна полипропилена и микро волокна полиэстера, показывают, что хотя прочность изгибания при разрушении повышается с увеличением процента макро волокон, но показатели деформации уменьшаются. С учетом всех характеристик, образец с соотношением макро волокон полипропилена к микро волокнам полиэстера в пропорции 3:2 будет иметь лучшую производительность.
Ключевые слова: механика разрушения, армированный бетон, полипропилен, полиэстер, деформация.
Fracture mechanics of fiber reinforced concrete: Experimental study of
composition, geometry and hybridization of fibers
Khaled Sanginabadi1, Rohallah Rostami2, Nabard Habibi3, Davood Mostofinejad4*, Mohammad
Zarrebini5
1- PhD candidate in Structural Engineering, Department of Civil Engineering, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
2- PhD candidate in Textile Engineering, Department of Textile Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
3- Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
4- Professor, Department of Civil Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
5- Associate Professor, Department of Textile Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
ARTICLE INFOABSTRACT
Received: 20/04/2018
Revised: 09/07/2018
Accepted: 17/08/2018
Using of polymeric fibers for reinforced concrete structures has
significantly developed in recent years. Polymeric fibers start their
contribution in the behavior of concrete members after cracking. In order
to a careful investigation into post-cracking behavior need to apply fracture
mechanic concept (growth of cracks) in reinforced concrete members. For
this purpose, in this research 14 concrete prisms (100×100×400 mm in
dimensions) with 35 mm notch depth (at the center of tensile side) for four-
point flexural strength test were fabricated. Fiber composition, geometry
and hybridization percent were varied in these samples. Derived outputs
illustrated that macro polypropylene (PP) fiber has no significant effect on
concrete ductility, whereas it leads to increase the flexural strength. But
micro polyester (PET) and PP fibers have more effective performance
during forming cracks in concrete members. PET and PP fibers have a
more suitable function during concrete cracking and the samples
containing these fibers have no significant drop in their bearing while the
cracking is started. In addition, samples reinforced with PP and PET fibers
indicated that by increase in macro fibers, the flexural strength were
increased where as ductility indices decreased. In general, samples
reinforced with %60 of PP macro fibers and %40 PET micro fibers have
the best performance
.
Keywords:
Fracture Mechanics
FRC
Polypropylene
Polyester
Ductility
All rights reserved to Iranian Society of Structural Engineering.
doi: 10.22065/jsce. 2018.127799.1533
*Corresponding author: Davood Mostofinejad.
Email address: dmostofi@cc.iut.ac.ir
1- Введение
Преимущества армированных бетонных конструкций по сравнению с другими конструкциями привели к тому, что сегодня бетон стал одним из наиболее распространенных материалов в строительстве. Помимо достаточной прочности на сжатие, бетон обладает пластичностью, прочностью на растяжение и изгибом. В последние годы добавление полимерных волокон в бетон и создание армированных бетонных конструкций существенно улучшило упомянутые характеристики. Главное преимущество волокон и их роль заключается в их поведении при разрушении бетона. Волокна в армированном бетоне распределяются случайным образом и в разных направлениях, что позволяет предотвращать образование и рост трещин в различных областях и направлениях [1].
Трещины бетона классифицируются по масштабу на микро и макро. Микро-трещины приводят к формированию макро-трещин. Поэтому желательно, чтобы волокна также использовались в двух масштабах в бетоне. Волокна могут быть классифицированы как микроволокна с длиной менее 30 мм и макроволокна с длиной более 30 мм (но менее 76 мм). Микроволокна контролируют микротрещины и из-за их более низких механических характеристик по сравнению с макроволокнами, они не играют ключевую роль в улучшении растяжения и изгиба бетона. Макроволокна также улучшают механические характеристики бетона за счет контроля макротрещин [2].
Действие волокон при разрушении бетона зависит от многих факторов. К ним относятся тип волокон, длина и площадь сечения волокон, направление волокон и адгезия между волокнами и цементной матрицей. Множество исследований с использованием различных методов и испытаний было проведено для изучения влияния этих факторов. В связи с представлением механизма разрушения, методы, основанные на концепциях механики разрушения, могут быть полезны. В этой связи было проведено множество лабораторных исследований, основанных на концепциях механики разрушения [2].
Хуан и его коллеги в 2007 году изучили поведение разрушения элементов бетонных конструкций с использованием синтетических волокон. В этом исследовании вначале была определена оптимальная форма волокон, а затем теоретически и лабораторно изучено сопротивление разрушению и поведение после разрушения армированных бетонов с волокнами. Результаты показали, что кривые нагрузка-открытие трещины (CMOD) и смещение-CMOD, полученные с помощью модели исследователей, очень близки к результатам лабораторных испытаний [3].
В 2010 году Бенкардино и его коллеги лабораторно исследовали характеристики разрушения бетона, усиленного синтетическими волокнами. В этом исследовании использовались полипропиленовые волокна длиной 19 мм и полиэстеровые волокна длиной 50 мм. Результаты показали, что энергия разрушения зависит от объема использованных вол
2-3 Характеристики и классификация образцов
Образцы были изготовлены в двух основных сериях. Первая серия включала только волокна одного материала и длины, а вторая серия состояла из комбинации волокон двух разных материалов и разных длин. Обозначение первой серии имеет формат X-Y-n. Если волокна микро, то X обозначает “micro”, если макро – то “macro”. Y обозначает материал волокна, “PET” – полиэстер, “PP” – полипропилен. n – это номер повторения испытания (1 или 2).
Образцы второй серии были изготовлены путем комбинирования двух видов волокон. Обозначение этих образцов имеет формат “blend-x-y-n”. X указывает процент макро-полипропиленовых волокон от общего количества волокон, а Y – процент микро-полиэстерных волокон от общего количества волокон. n – это номер повторения испытания (1 или 2). Например, образец “blend-80-20-1” означает, что он состоит из комбинации двух видов волокон, где 80% – макро-полипропилен и 20% – микро-полиэстер. Также данный образец относится к повторению номер 1.
2-4 Оборудование для проведения испытаний
Испытание на изгиб четырьмя точками проводилось в Исфаханском индустриальном университете с использованием испытательной машины фирмы ELE с нагрузкой 50 килоньютон (см. Рисунок 1).
Во всех образцах нагрузка на бетонные элементы проводилась с контролем перемещения скошенной плиты со скоростью 0,3 мм в минуту.
Сопротивление трещению бетонных образцов измерялось с помощью испытания на разрыв по методу Бразилии. Для этого образцы помещались в специальную раму и подвергались нагрузке с использованием гидравлического домкрата фирмы ELE с нагрузкой 2 тонны.
Для последовательной съемки поверхности образцов во время испытаний и использования техники PIV использовалась камера Nikon 5200 с разрешением 24 мегапикселя и объективом Nikkor 18-135 мм.
Фигура 1: а) Размеры и способ нагрузки; б) испытательная машина для изгиба четырьмя точками и средства для съемки изображений.
- Результаты и обсуждение
Результаты испытаний на изгиб и растяжение для всех образцов приведены в таблице 2. Для каждого образца было измерено сопротивление растяжению в день испытания на изгиб. На рисунке 3 представлена диаграмма конечной нагрузки и сопротивления растяжению для сравнения результатов. Видно, что макро-волокна оказывают значительное влияние на сопротивление растяжению и конечную нагрузку на балку. Образец “macro-PP”, в котором все волокна макро-полипропилена, обладает более высоким сопротивлением растяжению и конечной нагрузкой, чем образец “micro-PET”. При этом увеличение процента микро-полиэстерных волокон по сравнению с макро-полипропиленом приводит к уменьшению сопротивления растяжению и конечной нагрузки. Например, образец “blend-80-20”, состоящий из 80% макро-полипропилена и 20% микро-полиэстера, имеет на 31% и 22% больше сопротивление растяжению и конечную нагрузку, чем образец “blend-20-80” (80% микро-полиэстерных волокон, 20% макро-полипропилена).
Также сравнение образцов micro-PP и micro-PET показывает, что полипропиленовые волокна обладают более подходящими характеристиками для растяжения и изгиба бетона. На рисунке 4 показана деформация образца в момент окончания испытания.
3-1 Поведение бетонных композитов с волокнами
Перемещения в середине балки и открытие трещин на концах и в середине – это параметры, которые оказывают влияние на поведение бетонных композитов с арматурой из волокон. Для изучения этих влияний проводится анализ кривых нагрузка-перемещение, нагрузка-CMOD и нагрузка-CTOD. В этой связи используется метод обработки изображений PIV для более точной оценки всех перемещений и деформаций. Для оценки перемещений и деформаций находится патч на трети середины балки на рисунке справа. Для исключения возможных движений бетонной балки и отдельных деформаций устанавливаются два патча размером 128×128 пикселей на обоих концах и на опорах в середине балки. Таким образом, получаются все перемещения на трети середины балки. Также, с учетом регистрации нагрузки в каждый момент времени при помощи датчика нагрузки, можно построить указанные кривые. Для всех образцов были извлечены такие кривые. Для более адекватного анализа кривых были построены усредненные кривые для первой и второй повторной пробы каждого образца.
3-1-1 Влияние материала и геометрии волокон
Как видно из рисунка 4, образцы с микро-полиэстерными, микро-полипропиленовыми и макро-полипропиленовыми волокнами имеют различное поведение и разрушение. Сопротивление уменьшается на 4 кН с увеличением нагрузки на 4 кН. При этом образцы micro-PP и micro-PET не имеют резкого падения после первого трещиноватого разрушения и не имеют существенного падения конечной нагрузки. В этих образцах нагрузка уменьшается плавно после первого трещиноватого разрушения. В момент окончания испытания конечная нагрузка для образцов macro-PP, micro-PP и micro-PET составляет около 2 кН, а перемещение в середине балки составляет соответственно 0,7, 9,5 и 4,5 мм.
На рисунке 4б показано лучшее поведение образца micro-PET по сравнению с образцами micro-PP и macro-PP. В момент окончания испытания значение CMOD для этого образца составляет 5,6 мм, в то время как для образцов micro-PP и macro-PP – 9,6 и 8,8 мм соответственно. Также на рисунке 4в показано лучшее поведение образца micro-PET. Соответствующие значения CTOD для образцов micro-PET, micro-PP и macro-PP составляют 7,5, 5,6 и 8,7 мм соответственно. Таким образом, значения CMOD и CTOD для образцов с микро-полиэстерными волокнами на 26% и 27% меньше, чем у образцов с макро-полипропиленовыми волокнами. Это значение составляет соответственно 5% и 12% по сравнению с образцами с микро-полипропиленовыми волокнами.
3-1-2 Влияние сочетания волокон
На рисунке 5 представлено сравнение разрушающего поведения образцов с различными долями микро-полиэстерных и макро-полипропиленовых волокон. Из этого рисунка видно, что с увеличением доли макро-волокон (и уменьшением доли микро-волокон) происходит резкое разрушение и более значительное снижение конечной нагрузки. Например, образец blend-20-80 (20% макро-волокон и 80% микро-волокон) имеет меньшее снижение конечной нагрузки на 42% по сравнению с образцом blend-80-20 (80% макро-волокон и 20% микро-волокон). Такой же тренд наблюдается для конечного значения CTOD. В то время как с увеличением доли микро-полиэстерных волокон конечное значение CMOD имеет небольшое снижение. Например, образец blend-60-40 (60% макро-полипропилена и 40% микро-полиэстера) показывает увеличение значения CTOD на 59% по сравнению с образцом micro-PET (100% микро-полиэстерных волокон). Это значение составляет 50% для значения CMOD.
3-2 параметры разрушения фибробетона
3-2-1 на основе UNI 11039-2 [8]
UNI 11039-2[8] определяет параметры для оценки поведения после растрескивания бетонных балок. Эти параметры помогают
Рассчитаны диаграммы нагрузка-деформация и нагрузка-CTOD. В качестве первого определения мы можем обратиться к номинальной стойкости к растрескиванию.
Определяется по соотношению 1.
В соотношении (1) IfP — нагрузка, соответствующая растрескиванию (Ньютон), b — ширина образца (100 мм), h — высота образца (100 мм), l — длина
Образец (300 мм) и высота зазора (35 мм). Также для выражения средней трещиностойкости при CTOD в диапазоне зарождения трещины (0 CTOD) до CTOD равного 0,6 мм (CTOD 0,6) и CTOD от 0,6 до 3 мм определяются два параметра в виде соотношений (2) и (3) соответственно.
В этих отношениях все параметры определяются аналогично отношению (1). Также параметры 1U и 2U согласно рисунку 6 и соотношениям (4) и
(5) рассчитываются. Это положение обеспечивает индексы пластичности 0D и 1D для выражения степени пластичности (соотношения (6) и (7) соответственно).
Средние параметры, относящиеся к отношениям 1-7, были рассчитаны для всех образцов и представлены на рисунке 7. Согласно этому рисунку, хотя образец микро-ПП имеет более высокую устойчивость к растрескиванию; Но он не имеет значительных коэффициентов энергопоглощения и пластичности. Между тем, смешанные образцы работают лучше, чем некомпозитные образцы, с точки зрения коэффициентов пластичности и поглощения энергии. По всем обсуждаемым параметрам и исходя из рисунка 7 результат характеристик образца смеси-60-40 является более подходящим, чем другие образцы.
3-2-2 на основе EN 14651 [9]
EN 14651 [9] определяет показатели для оценки поведения бетонных балок после образования трещин при испытании на изгиб. Эти параметры извлекаются с помощью диаграмм нагрузка-деформация и нагрузка-CMOD. В качестве первого определения мы можем обратиться к предельному сопротивлению пропорциональности
показать (отношение (8).)
В соотношении (9) LF максимальная параллельная нагрузка при CMOD равна 0,05 мм, b ширина образца (100 мм), l длина образца (300 мм
m) и sph — расстояние между вершиной трещины и вершиной образца (65 мм). Также значения остаточной прочности на изгиб, соответствующие CMOD, равны
0,5, 1,5, 2,5 и 3,5 мм обозначаются индексами 1R, f, 2R, f, 3R, f и 4R, f и рассчитываются по соотношению (9). Определить параметры
Соотношение (9) аналогично соотношению (8) и определение R, jF основано на рис. 8. Сила предела соответствия и указанные индексы для всех выборок
Расчет и его средние значения показаны на рисунке 9.
Рисунок 9 показывает, что образец macro-PP обладает очень хорошей пределом пропорциональности по сравнению с другими образцами. В частности, предел пропорциональности этого образца увеличивается примерно на 100% по сравнению с образцами micro-PET и blend-20-80. Однако образцы blend-80-20 и blend-60-40 проявляют очень хорошие характеристики в показателях остаточных напряжений, особенно в отношении образцов PP-macro и PET-micro, где индекс 2R,f у образца 20-80-blend увеличивается более чем на 100% по сравнению с образцом PET-micro. Рисунок 9 также показывает, что композитные образцы (blend) имеют лучшую производительность по сравнению с некомпозитными образцами.
4-Выводы
В этом исследовании было изготовлено и испытано 14 образцов армированного волокнами балки с целью изучения их разрушающего поведения с помощью механических свойств разрушения. Были выбраны параметры, такие как материал волокон, геометрия и сочетание волокон. Краткие результаты этого исследования следующие:
1-Образцы, содержащие макро-полипропиленовые волокна, имеют более высокую разрушающую и тянущую прочность по сравнению с образцами, содержащими микро-полиэстерные и полипропиленовые волокна, или комбинацию макро и микро-волокон.
2-Бетон, армированный микро-полипропиленовыми волокнами, имеет лучшую изгибную и тянущую производительность по сравнению с бетоном, армированным микро-полиэстерными, полипропиленовыми волокнами или комбинацией волокон.
3-В бетоне, армированном макро-полипропиленовыми волокнами, несмотря на более высокую конечную нагрузку по сравнению с бетонами, армированными микро-полипропиленовыми, микро-полиэстерными волокнами или комбинацией волокон, после начала разрушения происходит заметное снижение (до 67%) и резкое разрушение. В то время как другие образцы разрушаются плавно и не показывают значительного снижения нагрузки.
4-Образцы, содержащие только микро-полиэстерные волокна, проявляют более хорошую производительность в отношении отклонения открывания трещины и разрыва на конце трещины по сравнению с образцами с макро- и микро-полипропиленовыми волокнами. В частности, значение CMOD для этих образцов уменьшается на 26% и 5% соответственно по сравнению с образцами, содержащими макро- и микро-полипропиленовые волокна. Это значение составляет 27% и 12% для значения CTOD соответственно.
5-В отношении характеристик отформовываемости, образцы с содержанием 60% макро-полипропиленовых волокон и 40% микро-полиэстерных волокон и образцы с содержанием 80% макро-полипропиленовых волокон и 20% микро-полиэстерных волокон проявляют очень хорошую производительность по сравнению с другими образцами. Эти образцы были представлены как оптимальные процентные сочетания микро- и макро-волокон.
Ссылки
[1] di Prisco, M. Plizzari, G. Vandewalle, L. (2009). Fiber reinforced concrete: new design perspectives. Materials and
Structures, 42(9), 1261–81.
[2] Afroughsabet, V. (2016). High-performance fiber-reinforced concrete: a review. materials science, Vol. 51, pp. 6517–
6551.
[3] Byung, H. Ji, C. Young, C. (2007). Fracture behavior of concrete members reinforced with structural synthetic fibers.
Engineering Fracture Mechanics, Vol. 74, pp. 243–257.
[4] Bencardino, F. Rizzuti, L. Spadea, G. Swamy, R. (2010). Experimental evaluation of fiber reinforced concrete fracture
properties. Composites Part B: Engineering, Vol. 41, pp. 17–24.
[5] Caggiano, A. Cremona, M. Faella, C. Lima, C. Martinelli, E. (2012). Fracture behavior of concrete beams reinforced with
mixed long/short steel fibers. Construction and Building Materials, Vol. 37, pp. 832–840.
[6] Alberti, M. Enfedaque, A. Gálvez, J. (2016). Fracture mechanics of polyolefin fibre reinforced concrete: Study of the
influence of the concrete properties, casting procedures, the fiber length and specimen size. Engineering Fracture Mechanics,
Vol. 154, pp. 225–244.
[7] Hosseini, A. Mostofinejad, D. Hajialilue-bonab, M. (2012). Displacement and strain field measurement in steel and RC
beams using particle image velocimetry. Engineering Mechanics, Vol. 4, pp. 1–10.
[8] UNI 11039-2. 2003. Steel Fiber Reinforced Concrete—Part2: Test Method for Determination of First Crack Strength and
Ductility Indexes.
[9] EN 12390-3. 2009. Testing Hardened Concrete—Part3: Compressive Strength of Test Specimens.
[10] ACI Committee 211. ACI 211.1-91. 2002. Standard practice for selecting proportions for normal, Heavyweight, and
Mass Concrete, Farmington Hills, MI, USA.
[11] ASTM D 3822. 2014. Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers.