文摘

混凝土开裂强度可以被定义为混凝土的抗拉强度受到纯拉应力。然而,很难直接张力负荷应用于混凝土标本,混凝土裂缝断裂模量通常是量化的弯曲成员。在这项研究中,一个新的直接张力测试设置圆柱标本(直径101.6毫米和203.2毫米高)可用类似于压缩试验。双钢板用于获得均匀的压力分布。有限元分析提出测试设置。沿着圆柱试样的应力分布的一致性检查并与矩形截面。模糊图像模式识别方法用于评估应力沿试样均匀性。此外,开裂的概率在不同的位置沿标本使用概率有限元分析评估。开裂位置的实验和计算结果表明,重力效应在新浇混凝土凝结时间可能影响混凝土开裂强度的分布以及结构元素的高度。

1。介绍

混凝土开裂强度难以量化,因此在使用可靠性的预测相当大的不确定性的来源。裂缝的存在在工作负载下钢筋混凝土(RC)结构很难预测变形量。而破裂的混凝土通常被认为是不能携带抗拉应力,混凝土相邻裂缝可以抵抗拉伸力由于混凝土和钢筋之间的债券。这就是所谓的张力加劲作用。因此,对于钢筋混凝土结构的变形量的考虑,混凝土开裂强度影响成员的结构刚度。此外,裂缝中扮演一个重要的角色在钢筋混凝土结构的耐久性。当混凝土裂缝,其渗透率增加,混凝土和钢筋腐蚀加速恶化的过程(1,2]。

弯曲元素,混凝土开裂通常是由断裂模量(3]。然而,在研究实验中,断裂模量显示广泛的变化(4,5]。而断裂模量提供了一个很好的估计开裂强度,研究人员表明,准确的使用可靠性预测需要获得真正的混凝土抗拉强度(6]。此外,研究人员认为,由于收缩可服务性的RC结构的意义,其他开裂条件,如直接或间接抗拉强度的混凝土,应作为证据使用的混凝土开裂[7]。三种方法通常用于测量混凝土开裂强度:弯曲,分裂,直接拉伸试验。而抗弯强度试验和分裂可以进行抗拉强度测试按照美国标准测试方法(ASTM)、ASTM C 788)和ASTM C 496 / C 496米(9),分别ASTM没有直接拉伸试验具体的建议,因为它是具有挑战性的,确保应用单轴应力沿试样均匀。

已经提出了很多方法直接拉伸试验,比如使用摩擦控制,锚,环氧树脂,将加载机和混凝土标本。然而,所有这些方法诱导二次强调,导致不均匀压力应用混凝土标本(10]。使应用点荷载均布荷载,美国垦务局(11]提出使用双板系统的两个尺寸的直径152.4毫米和254毫米的圆柱标本。外板是连接到一个加载机器,而内板与混凝土粘结试件与环氧树脂。内外板通过螺栓连接到对方。最近,这个方法被修改为100毫米,100毫米的长方形部分和显示可接受的结果10]。

在这项研究中,上述方法是进一步发展圆柱试样(直径101.6毫米和203.2毫米高)。此外,提出的应力均匀性直接拉伸试验法评估使用有限元方法。压力均匀沿着试样相比之下,直接拉伸试验的应力均匀矩形标本。实验结果表明,开裂的位置是集中在垂直的上半部分治愈圆柱形标本,两个破碎部分的单位重量测量检查单位重量对开裂的影响强度和开裂的位置。

2。提出测试设置

缸大小直径101.6毫米和203.2毫米的高度,双板系统,采用环氧胶粘剂的直接拉伸试验设置如图1。目的是使用汽缸类似用于评价混凝土的抗压强度的混凝土工业。内外板被八高强度螺栓连接到对方。张力负荷应用通过球轴承,以防止发展中混凝土试样的弯曲和扭转应力。确定内板的厚度是38.1毫米根据美国陆军工程师研发中心(ERDC) CRD-C 164 - 92 (12]。它提出了终板的厚度应高于试样的直径的三分之一。外板的厚度被选为1/2的内板。内外板的螺栓位置进行了优化,有限元分析得到均匀的应力分布。直接拉伸试验进行了使用该测试设置如图2。

3所示。有限元分析

线弹性有限元分析探讨应力分布沿圆柱和矩形试样,当别人提出的(10]。有限元分析软件^®7.11 [13)是用于有限元分析。测试设置被建模为三维实体模型。环氧树脂、双端盘子,和混凝土建模使用固体45 (13),这是一个坚实的立方元素有八个节点有三个自由度(自由度)有关节的翻译,,在每一个节点。提出了用于有限元分析的材料特性表1。螺栓连接外部和内部板块是建模使用链接8 [13)、三维(3 d)单轴与三个自由度的翻译方法元素节点,,在每一个节点。

有限元分析的测试设置圆柱和矩形标本进行。重要的是要强调,数值模拟的目的是量化拉伸试样的应力分布的均匀性,而不是检查混凝土试件的开裂行为。因此,只有线性弹性区域的混凝土本构模型用于有限元分析。考虑试样的对称性和加载,四分之一的标本的标本的半部分的长度被建模。有限元模型的边界条件模拟对称条件进行调整。对于圆柱形试样的有限元模型,320年8层固体元素被用来代表外层钢板而640固体元素在8层被用来代表内部钢板。有限元模型的矩形标本,400固体元素4层被用来代表外层钢板在800年8层固体元素用于表示内心的钢板。混凝土圆柱和矩形标本的标本与1600年和2000年固体元素建模在20层,分别。螺栓是建模使用3行元素压缩0.1%,模型的初始应变的螺栓力最初应用外部和内部板块连接时。使用这些有限元模型,得到了应力分布量化沿着混凝土应力均匀性标本。

相对拉伸应力定义为拉应力的比值在任何时候平均拉应力计算为应用载荷除以截面积。相对拉伸应力评估顶部的标本和标本。执行这个分析圆柱和矩形标本。圆柱形试样的结果显示,相对拉伸应力变化从0.98到1.02节和压力分布的变化在缸的顶部在±2%的平均拉应力。整个气缸的数值结果,相对拉伸应力变化从0.96到1.03和应力分布的变化在整个气缸在±4%的平均拉应力。数值结果为101.6毫米,101.6毫米的长方形部分显示,相对拉应力在截面变化从0.94到1.01,而整个标本从0.9到1.03不等。结果顶部拉应力分布的矩形标本的100毫米100毫米同意报告结果郑et al。10]。

3.1。压力均匀的标本

虽然显著低圆柱试样的应力变化证实了压力的均匀性,拉伸试样,一个方法来量化应力分布相似性沿着试样在不同高度开发,这里介绍。拉应力分布之间的相似度,由有限元分析在不同横截面,和应用抗拉应力分布是量化的。确定的相似程度,利用模糊图像模式识别原理(14]。这种方法是一种方法来确定两幅图像间的相似度。该方法应用于二维(2 d)片。两幅图像的相似度有相同的大小和数量的像素计算通过比较像素值规范化区间。后图像转换为三个单色基本彩色图像红(R),绿色(G),蓝色(B),两个像素之间的相似度的被分配到两个像素在三个单色图像根据像素值的差据Tolt和Kalaykov [15和苏等。16),如 在哪里和的像素值比较两个数字吗和。是像素相似度的值,表示两个像素值的相似度阈值。这种相似性测量的优点是归因于信贷能力的任何两个像素之间的相似程度,绝对差不到。以算术平均值为单色图像相似度值对的R, G, B,三个标量相似性值对应于R, G, B。两幅图像的相似度被这三个相似度值的算术平均值。

四十图像代表每个标本20层的应力轮廓传播在5.1毫米生成的有限元分析和被用来计算应力分布沿圆柱的相似性和矩形标本。之间的相似之处拉应力分布在不同横截面呈现在图3沿着标本。通过沿着样本相似度值的算术平均值,应力分布的总体相似度计算的0.933和0.921圆标本和矩形试样,分别。考虑到相似性曲线如图3和平均相似度值,圆柱形试样的应力产生更均匀的矩形标本。

4所示。实验方法

三个目标抗压强度的混凝土混合物25岁,40岁,55 MPa被认为是。三批混凝土混合了为每个目标抗压强度情况。九个气缸直径101.6毫米和203.2毫米高度和三个101.6毫米×101.6毫米×355.6毫米棱镜是准备从每批混凝土混合物。普通硅酸盐水泥和硅灰作为胶结材料。粗骨料的最大大小是10毫米。粗和细骨料的颗粒分布呈现在图4。混凝土混合的衰退之间保持50.8和69.9毫米。混凝土的混合比例混合展示在表2。提出组合被选中允许比较的实验结果提出了测试与发布的郑et al。10]。

所有9缸和3棱镜demolded经过一天的铸造和治愈留在水直到测试的日子。然而,3缸,用于直接张力测试,被从水里一天前测试。研磨后双方的每个标本,标本干12个小时,坚持与环氧树脂钢板,示意图如图所示1。环氧树脂是干了12个小时提高债券质量具体标本和钢板之间的测试设置。抗压强度测试、抗弯强度试验和分裂的抗拉强度进行了测试按照ASTM C 39 / C 39 m [17],C 78 [8],496和496 C / C [9),分别。这项研究的结果发表在表3。弯曲开裂强度的101.6毫米×101.6毫米×355.6毫米棱镜,分裂开裂强度缸标本(直径101.6毫米和203.2毫米高),和直接拉伸开裂强度缸标本(直径101.6毫米和203.2毫米高)策划与相应的气缸标本抗压强度(直径101.6毫米和203.2毫米高)在图5。

测试结果,开裂的优点和相应的抗压强度之间的关系确定在本研究的基础上,假设开裂强度的线性关系和两个第三(2/3)的相应的抗压强度据CEB-FIP mc - 90 (18]。回归分析和下面的关系(2)(4)得到: 在哪里,,,弯曲抗拉强度、抗拉强度、分裂直接抗拉强度和抗压强度。此外,测试结果开裂的优势也安装使用回归分析和线性关系的假设后抗压强度的平方根ACI 318 - 113]。这个分析结果在以下方程: 开裂的优势在这个研究之间的关系 重要的是要注意,直接的混凝土抗拉强度(7)小于一半的价值提出了ACI 318 - 113]。而ACI 318 - 113]提出使用断裂模量,拉伸强度的使用来表达开裂已被许多研究人员推荐(6,19]。拟议的拉伸试验应能使开裂强度限制了ACI 318 - 113)低于当前限制从断裂模量实验获得。也明显的弯曲强度测试的回归结果(2)和(5)隔回归结果的最小和平均报道Legeron和Paultre20.]。此外,提出的开裂强度模型CEB-FIP mc - 90 (18和ACI 318 - 113]隔分裂和抗弯强度的回归结果。

5。开裂的位置

尽管均匀应力是混凝土试件受到张力的测试设置,混凝土的开裂失效的位置是很难预测由于固有的混凝土微观结构的变化。混凝土试件受到张力的数值分析表明,均匀应力沿样品开发假设材料分布均匀和响应是线性弹性的。如果混凝土已经妥善放置,没有具体的单位重量的变化沿标本,提出的开裂位置直接拉伸试验预计将沿着试样均匀分布(即。,可以发生在任何位置沿标本)。然而,27个标本的直接张力测试结果(结果表3)提出测试设置表明,开裂的位置经常集中在前三分之一的标本,如图6。统计分析开裂位置被证明是高度中期显著不同。这个观察单位重量的变化可以归因于混凝土标本。单位重量的增加对底部是一个众所周知的现象,由于更高的整合与重力底部比顶部的标本(21]。

证实这一假说,单位重量的两个破碎部分标本检测的直接拉伸试验测定。这些测量单位重量是策划根据标本的顶部的距离测量的中心部分,如图7。一个单位重量之间的线性关系和样品的顶部的距离在mm决定 通过考虑弹性模量计算模型,其中包括单位重量(3),计算沿试样弹性模量变化 与弹性模量的分布沿标本,另一组进行了有限元分析。这里,缸建模在完整的高度,但是四分之一的部分被认为是对对称条件。混凝土缸分为40层,每一层的弹性模量计算使用(9)和(10)。沿着圆柱试样的应力分布,最大应力分布沿标本。通过假设在每一层的最大拉应力是正态分布,在每一层开裂的概率可以计算。最大应力分布在每一层都是独立的,在其他层,每一层开裂的概率可以计算的 在哪里的概率密度函数(PDF)最大应力在一层。然而,开裂的概率的计算需要定义沿着试样抗拉强度分布。两种方法被认为是在这里。首先,我们考虑沿着试样的抗拉强度变化对样本单位重量根据ACI 209 r - 92 (22)描述为 其次,抗拉强度变化可以通过考虑开裂强度和弹性模量之间的关系,接受传统是完全相关的。因此,沿试样的抗拉强度变化可以通过修改(7)线性与弹性模量的变化 在哪里弹性模量是中心的标本被选出来代表整个样本的平均弹性模量。通过定义拉伸强度变化使用(12)或(13开裂的概率),集成在(11)可以使用蒙特卡罗模拟计算23] 在哪里和在中间的开裂强度评估th和th层使用(12)或(13),分别。沿着试样开裂的概率计算使用(14)通过考虑采样迭代每一层的变异系数(x)的最大应力为10%。

两个模型的抗拉强度变化使用(12)或(13),沿试样开裂的概率给出数据8(一个)和8 (b),分别。实验观测的开裂位置直接张力测试,如图6会见了概率预测证实假说的意义单位重量变化对裂纹的位置。使用线性变异的概率预测的抗拉强度与弹性模量(13)是能够满足实验观察比使用ACI 209 r - 92提出的变化模式22)(12)。实验结果和概率预测裂缝的位置似乎是由于重力的作用在新浇混凝土凝结时间。因此,这可能是与新浇混凝土的性质有关。这种效应可以为相对深梁或板被夸大了。换句话说,结构元素的顶部开裂的优势将会低于预计通过现行的设计规范。这样的具体属性的变化是观察与钢筋粘结强度(24),在发展中解决长度模型通过ACI设计代码(3]。因此,当负力矩作用于最高地区混凝土结构元素,减少开裂强度可能被认为是保守的使用可靠性计算。还需要进一步的研究调查来确认重力对混凝土开裂强度分布的影响,考虑集料体积分数的意义,大小和形状。

6。结论

直接拉伸试验的新测试设置圆柱形混凝土标本(直径101.6毫米和203.2毫米高)。实验和数值方法用于支持该测试设置。压力均匀沿着标本检查使用有限元方法辅助模糊图像模式识别算法。单位重量分布沿圆柱混凝土标本(直径101.6毫米和203.2毫米高)。测量确认单位重量的增加对底部的标本。单位重量的分布显示了沿着张力明显影响开裂的概率标本。沿着试样开裂的概率也使用蒙特卡罗模拟计算。概率预测与实验观测结果一致确认开裂位置直接张力测试是单位重量分布的函数沿着标本。

符号

:	图片有相同的大小和数量的像素
:	弹性模量在在混凝土试件
:	混凝土的抗压强度
:	的最大应力th和层有限元模型
:	混凝土的抗弯强度(断裂模量)
:	将混凝土的抗拉强度
:	直接的混凝土的抗拉强度
:	直接抗拉强度在混凝土试件
:	th和层有限元模型
:	像素值的两个数字和
:	抽样的数量情况下满足条件在括号中
:	抽样总数
:	开裂的概率th层
:	概率密度函数(PDF)
:	单位重量在在混凝土试件
:	距离顶部混凝土标本
:	阈值的相似性
:	像素相似性。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

第一作者要感谢国家研究基金会(NRF)授予由韩国政府(MOE)(没有。2013 r1a1a2062784)。第二作者的金融支持国防威胁降低局(DTRA)也承认。