钢纤维含量对再生骨料混凝土的弯曲疲劳行为

文摘

钢纤维再生骨料混凝土(SFRAC)主要用于道路、桥梁、铁路和承受车轮荷载。本文提出一种比较试验研究的弯曲疲劳行为SFRAC,天然骨料混凝土(NAC),以及再生骨料混凝土(RAC)。结果表明,使用体积分数1.0%钢纤维,SFRAC挠曲强度超过NAC(约0.3%)的抗弯强度和疲劳的生活已发现RAC SFRAC相比要低19.9%和53.4%的压力水平年代= 0.9,年代= 0.7。的疲劳应变SFRAC遵循三级法律,和SFRAC疲劳应变发展更慢比RAC在同一应力水平。两个参数威布尔分布拟合到测试数据生成在不同的生存概率疲劳模型,和疲劳寿命可以准确地预测使用开发模型。因此,它是可行的替代自然与合适的钢纤维混凝土与再生骨料混凝土内容在某些方面,这是对绿色发展具有重要意义。

1。介绍

在过去的几十年里,消费自然总量上升由于混凝土的不断增长的需求。废弃的旧混凝土建筑,更浪费具体城市日益严重的对生态环境的影响。废物回收的混凝土已引起学者的广泛兴趣和积极参与1]。再生骨料混凝土(RAC)是一种使用废弃混凝土再生骨料制成的材料代替天然骨料部分或完全清洗的过程,破碎、筛选和混合比例。Yazdanbakhsh et al。2]得出混凝土废料的重用低16%和17%比天然骨料对酸化和烟雾的影响。再生混凝土的使用不仅可以改善废弃混凝土对环境的直接负面影响,也间接利益的保护生态环境,减少天然骨料的开采。的经济和环境效益显著3]。

RAC主要用于道路、桥梁和铁路。疲劳强度的主要参数是RAC,刺激大学者们兴奋。许多研究人员最近进行探索再生混凝土的疲劳行为。Arora,辛格(4)认为,在同一应力水平,再生混凝土骨料的理论疲劳寿命低于天然骨料。肖(5)提出了一个反向-年代非线性疲劳损伤累积模型使用再生混凝土的疲劳试验结果基于三相疲劳损伤演化规律,研究再生混凝土的损伤演化和疲劳寿命。托马斯(6]研究了混凝土的疲劳极限部分和总粗骨料替代重复压缩负荷的反应。结果表明,同样的水/水泥比,再生骨料混凝土提出了刚度高于控制混凝土的丧失。此外,再生骨料混凝土的使用意味着降低疲劳寿命。肖(7]研究了再生骨料混凝土的疲劳行为有100%的再生粗骨料替代比例在单轴压缩和循环弯曲载荷,并发现存在抗压疲劳行为之间没有明显的差异RAC和天然骨料混凝土(NAC)和RAC的疲劳寿命低于NAC对相同的循环弯曲载荷作用下应力水平。然而,人们普遍认为,再生混凝土的物理力学性能会下降,和疲劳寿命将会缩短2- - - - - -7]。

在过去的几十年里,大量研究探讨RAC的疲劳行为在各种类型的材料整合包括橡胶(8,9,沥青9- - - - - -14),和钢纤维15),通常建议使用适当的材料将上述纤维的掺入改善混凝土的疲劳性能考虑不同的条件,例如,应力比和指定材料属性。

因此,研究表明,钢纤维的掺入到普通混凝土可以改善疲劳行为。方(16]研究了RPC的疲劳性能(活性粉末混凝土)与不同钢纤维比率与单轴抗压疲劳试验。结果表明,疲劳寿命和强度增加,钢纤维比例的增加。梅(17)获得了普通混凝土和钢纤维增强聚合物混凝土的疲劳寿命90岁的d和测试压力为0.4,0.5和0.6,分别由三点弯曲疲劳试验。结果显示疲劳的生活普通混凝土和钢纤维增强聚合物混凝土在循环荷载与两个参数威布尔分布是一致的;钢纤维增强聚合物混凝土的疲劳寿命高于普通混凝土在相同的应力水平。冯(18]研究用不同的钢纤维混凝土的疲劳行为内容,获得了钢纤维混凝土的疲劳性能明显高于普通混凝土,及其疲劳强度约为20%高于普通混凝土。高尔和辛格19)采用威布尔分布的参数预测与钢纤维自密实混凝土钢筋的疲劳考虑不同的故障概率和指出,钢纤维增强混凝土的整体疲劳行为。骨料的形状也会影响钢纤维混凝土的力学性能20.- - - - - -22]。

虽然钢纤维混凝土的性能有所提高,同时也对生态环境造成了不可逆转的影响下绿色和低碳的要求。增加混凝土消费,特别是砂,石,和其他原材料生产的混凝土,促使研究人员探索与钢纤维再生混凝土的疲劳行为的内容。杨和魏15]得出钢纤维增强混凝土回收剩余疲劳应变方程与其他表达式和比较,表明该模型是最符合实验结果。然而,SFRAC研究少,尤其是钢纤维含量的影响再生混凝土的弯曲疲劳行为不会调查。因此,它是非常必要的,找到合适的数量的钢纤维来验证再生混凝土与钢纤维含量具有良好的疲劳性能。与合适的钢纤维再生混凝土的内容可以替代天然骨料混凝土在某些方面,这对绿色发展具有重要意义,还提供了一个理论依据SFRAC的实际应用。

本文旨在调查的弯曲疲劳行为SFRAC考虑两个主要影响因素,即。、压力比和钢纤维含量。首先,72 SFRAC梁与150毫米×150毫米×550毫米准备,20%的天然粗骨料的再生粗骨料取代RAC和添加体积比率为0.5%,1.0%,1.5%,和2.0%钢纤维;然后,四点弯曲试验进行混凝土梁得到最大和最小负载在不同应力水平下疲劳试验;更重要的是,弯曲疲劳试验进行了使用三个应力比率(即。,0.9,0.7,和0.6),和corresponding fatigue life data of mixtures with all kinds of mix ratio were processed using the two-parameter Weibull distribution. The Weibull distribution parameter was obtained to predict the fatigue life data of all mixtures corresponding to various survival probabilities, and the fatigue equations were then developed. Theε- n曲线不同的混合物在不同压力水平进行分析。最后,最好的SFRAC疲劳寿命与先前的研究相比,利用钢纤维天然骨料混凝土来验证SFRAC在可能的实际应用的有效性。

2。材料和方法

2.1。原材料

C30混凝土的设计强度等级矩阵。硅酸盐水泥(P·O 42.5)被用作粘结剂材料为所有测试混合物。分析的物理、化学和力学特性的水泥使用。获得的结果被认为是充分考虑gb175 - 2007 (23]。图1显示了天然粗骨料和再生粗骨料用于这项工作。再生粗骨料混凝土路面是由破碎形成的浪费。粗骨料是均匀连续的分级和5到31.5毫米的大小,如图2。粗骨料的基本性能指标如表所示1。河沙和加工砂用于这项工作。天然河沙与比重为2.66和5毫米的最大大小作为细骨料,属于中等砂在第二区。表观密度为2640公斤/米³,体积密度是1642公斤/米³。加工砂比重为3.1和5毫米的最大大小作为细骨料。粒度分布的聚集在这项研究中的应用是图所示2。

钢纤维是一个矩形波纹钢纤维的大小35×2.0×0.8毫米,抗拉强度538 MPa,钢纤维密度为7850公斤/米³在图3。我飞灰的类是由湖北一家公司提供。细度325目,密度为2.4克/厘米³水分含量是0.5%,损失点火是3.6%。生产S95级矿物粉的密度2.9克/厘米³和特定面积的435米²/公斤。掺合料是polycarboxylate强塑剂。减水率是24%∼26%,瓦斯含量是4.6%。作为分散剂在水泥混凝土,它可以全面提高混凝土的各种属性。

2.2。混合设计

南汽抗压强度的最小值是30 MPa,据JGJ 55 - 2011 (24]。再生粗骨料的取代天然粗骨料,替代率为20%。太高碳钢纤维含量会导致高成本和失去了实际的应用价值。六组的测试混合两种不同的再生骨料替代率(即。,0和20%)和钢纤维(即四种不同剂量。,0,0。5,1.0, and 1.5% of the volume of aggregate concrete) were prepared. SF0.5RAC, SF1.0RAC, SF1.5RAC, and SF2.0RAC are steel fiber recycled concrete with 0.5%, 1.0%, 1.5%, and 2.0% steel fiber content. According to the GB/T 50081-2002 [25),一个150 mm×150 mm×550 mm梁用于四点弯曲试验测试。算术平均的三个测试块相同的混合比例是作为最终结果。混凝土的混合设计总结表2。

2.3。弯曲疲劳试验设计

四点弯曲试验进行了MTS伺服控制致动器,如图4。这结果是用来修正最小和最大负载进行弯曲疲劳试验批的剩余混合物。疲劳载荷的形式应用正弦加载与恒幅加载10赫兹的频率在不同压力水平(年代),包括0.6、0.7和0.9,年代代表的比例最大疲劳应力平均抗弯强度。应力比(SR), SR =最大负载(F_马克斯)/最低负载(F_最小值0.10),保持不变,所有疲劳试验进行了研究。的F_马克斯和F_最小值不同的年代在疲劳试验,如表所示3。一个循环荷载应用于南汽的梁如图混合物5。在图6,疲劳试验终止时当梁裂缝或样本超过2000000加载周期没有失败。

3所示。测试结果和分析

3.1。弯曲强度分析

图7显示所有混合物的28°d挠曲强度的曲线相对于南京挠曲强度的混合物。当钢纤维体积分数小于1.0%时,混凝土的抗弯强度随钢纤维体积分数的增加。钢纤维的体积的1.0%,SF1.0RAC挠曲强度超过NAC(约0.3%)的抗弯强度。当钢纤维体积分数大于1%时,混凝土的抗弯强度随钢纤维体积分数的增加而减小。钢纤维的加入可以改善RAC的挠曲强度,弥补不良再生骨料对混凝土的抗弯强度的影响。钢纤维含量为1.0%时,再生混凝土梁的抗弯性能是最好的改善,以及钢纤维再生混凝土的抗弯强度达到NAC的抗弯强度。

3.2。弯曲疲劳的结果

混合物在不同年代的弯曲疲劳测试结果如表所示4。RAC的疲劳生活已经发现低19.9%和53.4%相比,SF1.0RAC压力水平年代= 0.9,年代= 0.7。的年代通常绘制对数的了吗N从疲劳测试图形强度衰减模型通常被称为。

图8在s (n曲线显示在这项研究中,各种各样的混合物,增加年代减少了疲劳寿命,如预期。在疲劳载荷的作用下,小缺陷逐渐开发和扩展最终导致混合物失败。当年代增加,发起微裂隙和更高的裂纹扩展速率由更高的诱导年代,从而,更累积混凝土内部裂缝了,最后加速混凝土的最终失败。当年代是常数,RAC的疲劳寿命低于南汽,但随着添加钢纤维,再生混凝土梁的疲劳寿命长于RAC。RAC比南京更微裂隙。的0.5%,1.0%,1.5%,和2.0%钢纤维,再生混凝土疲劳寿命的增加,然后下降,但仍超过RAC的疲劳寿命。SF1.0RAC有最长的疲劳寿命,不仅相当于NAC也相当于RAC的1.85倍。钢纤维更均匀地分散在混凝土,混凝土样品的所有部分一致强调,和疲劳寿命更长。然而,当钢纤维含量超过1.0%时,混合的疲劳寿命降低。太多不能均匀分布钢纤维混合,导致太多的钢纤维混凝土和混凝土的内部矩阵。钢纤维、骨料和砂浆能承受循环载荷能力。结果表明,适量的钢纤维可以有效地改善再生混凝土的疲劳寿命和抵消再生骨料的缺陷。

3.3。疲劳损伤的演化

如图9,ε- n曲线的混合物基本上符合疲劳应变发展在不同的三个主要阶段年代(15]:(1)在第一阶段,在疲劳周期的开始,所有混合物应该表现出类似的趋势,应变逐渐增加循环率的微小变化。这一阶段占整个疲劳寿命的10%左右。(2)第二阶段,应变相对稳定,内部微裂隙慢慢发展成宏观裂缝,和大量的能量被吸收在混合物。第二阶段占大部分的混凝土的疲劳寿命。(3)第三阶段,应变迅速增加到最后的失败点。混合物被迅速摧毁,占10%到15%的疲劳寿命。在同样的年代,SF1.0RAC终于坏了。最大应变之前SF1.0RAC失败是1800με-2000年με下年代0.9、0.7和0.6。比较与RAC SFRAC SFRAC在第二阶段的应变增长缓慢。钢纤维可以提高混凝土微裂隙。混合物如图的疲劳失效10。

4所示。统计分析

4.1。威布尔分布分析

正态分布和威布尔分布是广泛接受作为统计分析的疲劳寿命的概率模型。本文基于威布尔分布。先前的研究[26,27)有一个结论,混凝土弯曲疲劳寿命跟着威布尔分布。在这项研究中,混合物的疲劳寿命数据符合威布尔分布。最后,生存概率和之间的关系N被发现。根据威布尔分布,在相同年代和相同的循环荷载的分布N与不同的混合物可以表达的威布尔分布函数:

在方程(1),b是威布尔分布的形状函数,N₀是生活的最低参数,N_一个是生命特征参数,然后呢N被称为威布尔变量。实证生存概率( )(28表示如下:

K在一个给定的样本容量吗年代,序数的疲劳寿命数据从低到高按升序。作为测试样本数量的增加,N可以近似为一个连续随机变量,一个连续的概率密度函数, ,用于描述测试结果的可变性。此外,累积分布函数给药 在哪里 代表混合物压力周期后的存活率。考虑到大型SFRAC分散,为了方便计算,确保可靠性,让最低的生活是0。威布尔概率函数简化为两个参数威布尔分布函数 和生存概率 :

通过对数方程两边的两倍(5),可以获得以下方程: 在哪里 , ,和 。预测疲劳寿命( )的混合物,b和c是必要的,这是两个重要的输入参数预测疲劳寿命。的参数b和c方程(7)的回归参数拟合得到的直线X- - -Y拼,如图11。的价值每个方程的范围从0.8370到0.9877(主要是大于0.9),表明本研究中所开发的疲劳方程是可靠的用于预测混凝土混合料的弯曲疲劳性能。的价值拟合的X- - -Y拼范围从0.89483到0.99618为威布尔分布表明发达是可靠的用于预测混合物的弯曲疲劳性能,如表所示5。

4.2。疲劳寿命预测

的疲劳寿命数据SFRAC已被证明为威布尔分布遵循,它可以用来计算对应于不同的疲劳寿命可靠性水平。由于混凝土材料本身的因素,微裂隙内部不可避免地存在。循环荷载的作用下,微裂隙将继续发展,它最终将被摧毁。因此,混凝土材料的疲劳方程的边界条件

最常见的是single-logarithmic疲劳方程的双对数疲劳方程。single-logarithmic疲劳方程不满足的边界条件方程(8)。考虑到疲劳方程条件下的生存概率,这符合要求的安全性能在循环荷载下工程。对数疲劳方程的形式如下:

结合疲劳试验数据与两参数威布尔分布函数,

此外,方程(10)可以表示为

不同的生存条件下的疲劳寿命可以通过计算,如图12。Double-fatigue方程参数,和 ,可以通过线性拟合,从而获得的双对数疲劳方程不同比例的具体样品在不同的生存概率。可靠性水平0.50和0.90时,对数疲劳方程的混合图所示12。

疲劳方程的混合开发在不同的可靠性水平。当生存概率是0.90,疲劳方程是什么

当生存概率是0.50,疲劳方程是什么

可以看出整个既定的双对数疲劳方程和实验数据之间的关系很好。因此,本文建立的双对数疲劳方程可以满足实际工程应用的需求。添加再生骨料之后自然混凝土,混凝土的疲劳强度略有减少,但疲劳强度增加到一定程度后,添加钢纤维再生混凝土,它增加然后减少,类似于四点弯曲试验结果。这表明,钢纤维的掺入可有效地改善再生混凝土的疲劳强度,弥补造成的疲劳性能降低再生骨料。

4.3。透水混凝土疲劳模型的比较

SF1.0RAC在当下研究的单次日志疲劳方程和钢纤维增强混凝土(10)在先前的研究28在90%的生存概率图所示13。单个日志疲劳方程被用来计算在不同压力水平相应的疲劳寿命存活率为90%。从图可以看出13,对于年代值高于0.80,SF1.0RAC疲劳显示更高的值比相应的值配筋。此外,在年代值低于0.75,SF1.0RAC显示疲劳寿命的预测低于配筋。为年代值低于0.5,这是常见的对于路面的应用程序,SF1.0RAC显示较低的疲劳寿命相比配筋。

5。结论

(1)当年代是常数,RAC低于NAC的疲劳寿命;然而,随着钢纤维,比RAC SFRAC增加。当钢纤维含量为1.0%,SF1.0RAC的疲劳寿命最长,最强度增加。这不仅是相当于南汽的疲劳强度,但也比RAC疲劳强度高8.1%。(2)的疲劳应变SFRAC遵循三级法律。钢纤维再生骨料混凝土的应变增长在第二阶段是慢。钢纤维可以提高混凝土微裂隙。(3)南汽的疲劳寿命,RAC, SFRAC可以为威布尔分布服从,和拟合疲劳寿命方程有很好的相关性。疲劳试验数据用于开发S-N-PSFRAC曲线,应力水平之间的关系,建立了疲劳寿命,和生存概率。的S-N-PSFRAC模型可以用于未来的道路、桥梁和铁路设计。(4)在较低年代值,SFRAC疲劳寿命不如钢纤维增强混凝土。SFRAC不能完全取代钢纤维增强混凝土路面。

数据可用性

所有数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由湖北省重大科技创新项目(批准号2018 aaa028)和对桥梁结构的健康和安全国家重点实验室(批准号BHSKL19-04-KF)。作者想表达他们的感谢这些金融援助。

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