文摘

混凝土材料是全球的一个重要组成部分结构,及其耐火性直接影响建筑物和隧道的安全。在这项研究中,玄武岩纤维用于增强混凝土高石粉含量以提高其高温性能。力学性能和超声特征在不同的温度下进行了研究使用立方体抗压强度试验和非线性超声测试。结果表明,玄武岩纤维在标本的改进他们的抗压强度;然而,这种力量没有不断增加纤维长度和纤维含量的增加,纤维长度和纤维含量和最优值被确定为12毫米和1公斤/米³分别在600°C。随着温度的增加,无侧限抗压强度增加,然后降低。当温度为400°C,标本的无侧限抗压强度达到最高价值观,然后降低。当温度为400°C和600°C,石粉混凝土与纤维的强度高于没有纤维,这表明,纤维可以提高混凝土在高温下的力学性能。基于Box-Behnken设计(bdd)方法,无侧限抗压强度响应回归模型的玄武岩纤维增强混凝土高石粉含量,它遵循参数包括纤维含量、纤维长度、和温度在高温环境中,成立,它是发现,纤维含量之间的相互作用,纤维长度,温度是重要的基于多因素交互作用分析。分析基于超声信号年代变换表明,随着温度的增加,声波的振幅响应信号,相应的频谱,时频光谱明显减少。在相同的温度下,声波的振幅响应信号的不同的具体测试块没有变化,保持在同一水平。

1。介绍

混凝土是水泥产品用于建筑的许多地方,如建筑物、桥梁、隧道和道路。研究表明,水泥行业需要大量的能源,也会释放大量的二氧化碳到大气层每年13500吨,每年7%的温室气体排放产生和造成更多的环境污染1,2]。因此,目前许多学者致力于研究水泥替代材料。

人们已经发现,一些填充物,如石灰石罚款,花岗岩尘埃,石英岩罚款,岩粉,和回收碎石粉,是好替代品水泥和其他胶结材料(3- - - - - -7]。这些填料不仅可以减少水泥和胶结材料的用量也对强度有显著的影响,混凝土耐久性和尺寸稳定性(8]。Khodabakhshian等人在2018年发现,混凝土的强度和耐久性包含大理石废粉替换率趋于下降超过10%,但满意的结果低于替代水平(9]。2018年,Davraz等人研究了粉末安山岩的火山灰活动和效率因素,发现安山岩废粉的最佳替代率是10% C40强度类(10]。2010年,Aruntaş等人发现,10%的浪费大理石尘埃可以作为水泥添加剂材料制造(11]。此外,浮石(12],粉煤灰[13- - - - - -15],高炉[16),而硅灰(17混凝土工程中)也产生了良好的效果。大多数研究都集中在最优混合大量的这些填充物,但很少有研究混凝土的力学性能与石粉的含量高。

近年来,世界各地的火灾经常发生,造成了不可估量的损失。混凝土材料是全球的一个重要组成部分结构,及其耐火性直接影响建筑物和隧道的安全。当混凝土结构暴露于火,很容易破裂,导致混凝土表面脱落,从而破坏组件的完整性和混凝土的材料性能恶化。因为高温的不利影响机械和混凝土结构的耐久性性能,重要的是要找到一些解决方案来提高混凝土在高温下的属性(18]。一些测试表明,高温会破坏混凝土的耐久性的属性;然而,纤维的加入,如玻璃纤维(18),聚合物光纤(19,20.),钢纤维(21,22),玄武岩纤维(23),和混合纤维(24),已被证明,以弥补这个损失。玄武岩纤维是一种环境友好型和非危险的生物材料,具有较高的抗拉强度,耐高温,所以它已广泛应用于各种建筑工程(25]。2021年,Haido等人发现分裂自密实混凝土的抗拉强度增加了添加0.25%的玄武岩纤维(26]。Mohammadyan-Yasouj等人在2020年发现,玄武岩纤维和藻酸盐是有效的阻止下减少水泥混凝土强度提高的温度(27]。2020年,王等人发现,玄武岩纤维有利于改善再生混凝土的抗压强度,玄武岩纤维具有更重要的影响分裂在更高的温度下抗拉强度。相对剩余分裂增加抗拉强度随着玄武岩纤维含量的增加(28]。2020年,周等人发现,恶化百分比皮和剪切界面断裂韧性的玄武岩FRP-bonded混凝土小于芳纶FRP-bonded混凝土(29日]。2016年,任正非等人发现玄武岩纤维有效提高强度性能、变形能力,混凝土在高温下的能量吸收属性(30.]。本研究表明,玄武岩纤维可以提高混凝土的性能在温度升高(31日]。2020年,Haido等人提出了新的模型本构关系来预测BFRC拉伸和压缩应力下的性能和估计其开裂后刚度模量32]。然而,很少有研究报道了玄武岩纤维增强混凝土的力学性能与高石粉含量在高温下。

那么,本研究旨在调查玄武岩纤维增强混凝土的力学性能与高石粉含量在不同的温度下(200°C, 400°C, 600°C)使用高温测试,抗压强度测试和非线性立方体的超声波测试。的影响纤维含量、纤维长度、温度和机械性能,造成因素,超声波混凝土高石粉含量的特点进行了讨论。研究路径图如图1。

2。材料和样品制备

2.1。石粉

石粉由江西Xintao科技有限公司有限公司(中国萍乡)是用于测试。进行了XRD测试使用x射线衍射仪(Panalytical帐面价值,the Netherlands) to measure the main mineral compositions of stone powder. The XRD test results are shown in Figure2。的主要矿物成分石粉用于测试石英、钠长石、钾长石、白云石、斜发沸石和黑云母。主要氧化物的组成和内容如表所示1。

2.2。玄武岩纤维

提供的捷径玄武岩纤维是海宁Anjie复合材料公司(海宁,中国)。玄武岩纤维的机械和物理性能是由制造商提供,如表所示2。

2.3。水泥

硅酸盐水泥生产的长春亚太有限公司。(中国长春)是用于这项研究。水泥的强度等级是M32.5。其力学性能如表所示3,而水泥的化学成分如图3。

2.4。总

砾石作为粗骨料,其粒径5-45毫米。中型河沙作为细骨料,和它的细度模数和平均粒径分别为2.32和0.15 -1.18毫米,分别如图4。

2.5。具体的样品制备

混合比例的选择是根据设计的规范对普通混凝土配合比设计方法e在中国(JGJ 55 - 2011)。砂率是33%,混合比的标本是水泥:砾石:斯通:水= 1:1.49:3.02:0.50。玄武岩纤维的长度是6毫米,12毫米,和18毫米,纤维内容是1公斤/米³3公斤/米³5公斤/米³,分别。试件的尺寸150毫米×150毫米×150毫米被用于测试分析石粉含量的影响,水泥石粉取代了有质量的比率为15%,18%,和21%,分别。试件的尺寸100毫米×100毫米×100毫米用于高温测试和力学性能测试,在水泥取代石粉的质量比为18%。样品制备过程如图5,具体步骤如下。步骤1:为了把它们完全、水泥、砂、石、石粉,纤维放入推式280 L搅拌干燥混合5分钟。干粉足够解决后,水是补充道,和混合物混合5分钟。步骤2:混合物放入体积塑料模具,分层进行了振动。步骤3:模具被放置在一个振动试验台的振动频率2850 r / min,动摇了五分钟。多余的砂浆表面被夷为平地。步骤4:塑料模具被放置在一个环境温度12 h,然后在标本达到一定的强度,他们喷洒水和塑料薄膜覆盖了3天。步骤5:塑料模具被移除,标本治愈在环境温度为28 d,然后存储在一个水箱在102 d的环境温度。

3所示。实验过程和方法

3.1。实验室测试

3.1.1。耐高温测试

为了防止标本破裂由于过多的水分在样本,治愈的标本被置于干燥箱在80°C 4小时,然后重。高温的标本放入烤箱调节,即。在25°C, 200°C, 400°C, 600°C。高温空调的温度时间曲线如图所示6。升温速率是10°C /分钟。标本达到目标温度后,他们保持在一个恒定的温度为2个小时,然后,他们自然冷却到室温。所有的标本都重和测试在一个102天的时代和测试他们在实验室温度冷却后18±22°C。

3.1.2。无侧限抗压强度试验

标本的无侧限抗压强度测试在计算机控制的电液伺服万能试验机”在普通混凝土力学性能试验方法标准(GB / T 50081 - 2002)。“统一的位移控制加载速率的测试中使用0.1毫米/秒。

3.1.3。非线性超声检测

非线性超声检测是一种无损检测方法,可用于测量暴露于高温后混凝土损伤。非线性超声检测系统由信号发生器、信号放大器,示波器,发射换能器,接收换能器,和一台电脑。测试系统如图7和设备参数如表所示4。这个系统的工作原理是,电气信号发生器发出的信号,即信号放大器放大。然后,发射换能器的声信号转换和传输具体的标本。接收换能器接收到声波信号转换成电信号。最后,对示波器信号反馈。

3.2。方法

3.2.1之上。响应面方法

在调查方面的影响因素对混凝土强度的影响,几个因素,如纤维长度、纤维含量和温度,可以显著影响混凝土的抗压强度。然而,如果只是一个单变量分析上述因素,变量的cross-impact通常是被忽视的。响应面方法(RSM)包括使用一个合理的实验设计方法并通过实验获取某些数据。多元二次回归方程用于符合功能性因素和响应值之间的关系。RSM是统计方法找到最优工艺参数,解决多变量问题,并通过回归方程进行多因素互动分析。Box-Behnken实验设计(bdd)是一种常用的方法用于响应面方法。它可以评估指标和因素之间的非线性关系。

3.2.2。基于声学信号的分析方法年代变换

在这项研究中,使用了Box-Behnken实验设计进行交互分析的影响因素。暴露于高温后的无侧限抗压强度作为输出变量。玄武岩纤维长度X₁(单位:毫米),玄武岩纤维含量X₂(单位:千克/米³),和温度X₃(单位:°C)作为输入变量。三因子响应进行测试设计。测试的代码和水平值因素如表所示5。

3.2.3。测试计划基于bdd方法

bdd优化实验方法,确定了通过使用设计专家设计软件,共有17组和测试网站。有12个因子分和5分中部,平均三个标本的无侧限抗压强度值作为响应值为每个组。测试计划基于bdd方法如表所示6。

3.3。基于声学信号的分析方法年代变换

基于声学信号的分析方法年代变换是非线性超声处理方法之一。整个时间序列包含的傅里叶变换光谱成分的信息,但它不能检测时间分布不同的频率,所以对于一大类实际应用傅里叶变换是不合适的,直到提出了时频分析和应用于许多研究领域的数据处理。为了更好地观察信号在时频域瞬时属性,年代斯托克韦尔和他的同事在1996年提出的变换。的年代变换结合小波变换和短时傅里叶变换的优点,避免他们的缺点,和高斯窗的大小规模年代变换取决于频率的倒数,小波变换的多分辨率的优点。此外,有一个阶段的因素年代变换,保存每个频率的绝对相位特性;这是一个小波变换不具有的特征。与此同时,傅里叶变换,一样年代变换无损和可逆的特征。一维连续年代变换的定义是 在哪里代表了年代变换 , 表示频率,表示时间,控制高斯窗口在时间轴上的位置,相当于在小波变换的转变因素。

4所示。结果与讨论

4.1。无侧限抗压强度测试结果

以下4.4.1。石粉含量的影响

样品的无侧限抗压强度试验结果与不同石粉含量如图所示8。可以看出,混凝土的无侧限抗压强度大大增加石粉的影响。在无侧限抗压强度试验,观察到的无侧限抗压强度混凝土样本慢慢增加显著石粉含量的增加,然后下降。与样品相比没有石粉,试样的强度与18%石粉增加了0.51 MPa,和样品的强度21%石粉下降了0.97 MPa。原因改善混凝土的无侧限抗压强度试件石粉起一定的填充作用,在一定程度上提高混凝土的密实度,和无侧限抗压强度的减少混凝土样本可以归因于这样一个事实:过多的水泥被石粉取代,导致减少的胶结材料。通过曲线拟合的强度和内容,优化内容的最大强度,18%,获得了。

4.1.2。纤维含量的影响

为了研究单个因素的影响样本的属性在高温条件下,温度为600°C选择进行分析。图9说明了纤维含量之间的关系和无侧限抗压强度在600°C。结果表明,试样的强度与纤维高于标本没有纤维,这表明,纤维的加入可以有效地提高试样的强度和抗高温能力的损害。试样的抗压强度与纤维长度为12毫米均呈增长趋势在纤维含量达到1公斤/ m³后,抗压强度下降,最后到相同的水平。类似的性能标本中可观察到的纤维长度18毫米。试样的抗压强度与6毫米的纤维长度增加纤维含量的增加,从0到3公斤/米³;然而,随着纤维含量的增加,抗压强度下降。因此,最有效的混凝土的抗压强度与纤维含量值高石粉含量在高温下测定1公斤/米³(12毫米和18毫米)和3公斤/米³(6毫米)。当纤维含量达到5公斤/米³,所有标本与不同长度的强度降低,往往是相同的,这表明良好效果无法实现纤维含量太大。

4.1.3。纤维长度的影响

纤维长度和无侧限抗压强度之间的关系图10。如这个图所示,无侧限抗压强度在600°C的标本与纤维长度高于标本没有纤维。然而,随着光纤长度的增加,无侧限抗压强度先增加,然后降低。标本的无侧限抗压强度与纤维长度12毫米和内容1公斤/米³高于20%的标本没有纤维。无侧限抗压强度的标本6毫米的纤维长度和内容3公斤/米³高于19%的标本没有纤维。18毫米的纤维长度增加时,样品的无侧限抗压强度下降,这表明这种规模的纤维长度及以上不提高混凝土的强度。

4.1.4。温度的影响

图11显示无侧限抗压强度和温度之间的关系。可以看到,从25°C到200°C,强度值变化不大,因为小温差。抗压强度的标本18毫米的纤维长度和纤维含量的1公斤/ m³均呈增长趋势在温度达到400°C,后的抗压强度下降。类似的性能可能观察到的标本没有纤维。标本有或没有纤维的强度增加了30%和19%在400°C,分别。的原因是部分自由水和毛细水现有混凝土内部蒸发在高温环境下,形成高温蒸汽养护环境进一步促进水泥水化反应,提高强度。从400°C到600°C,标本有或没有纤维的强度降低了33%和42%,分别。原因是自由水和毛细水失去温度的增加,微裂隙和孔隙内形成标本。同时,本构材料的热膨胀系数的具体不同,导致裂缝由于热变形的不一致。此外,材料内部的晶体结构破坏和高温的作用下分解。因此,当温度达到600°C,标本的强度开始下降。在这个图中,我们可以看到标本与纤维的强度降低更在600°C。

4.2。bdd方法交互分析的影响因素

4.2.1。准备RSM模型建立

基于bdd方法测试结果如表所示7。模型适合总结是一种评价方法用于在设计专家建议最合适的模型设计软件。回归模型的方差分析表所示8。如图所示,顺序p二次多项式模型的价值低于0.0001,和F值代表整个拟合模型的显著差异水平为51.90,这表明拟合程度很好。因此,建议二次多项式的无侧限抗压强度响应模型。

基于上面的分析和实验数据,无侧限抗压强度的方程响应值 我们代表无侧限抗压强度,MPa;FL代表纤维长度,mm;FC代表纤维含量,%;T代表温度,°C。

4.2.2。RSM模型验证

为了讨论二次多项式回归模型的有效性,模型的可信度进行了分析,结果如表所示9。分析的模型拟合可以确定系数R₂。越接近R₂1,模型拟合程度越高。确定系数R₂这个模型是0.9594,这表明无侧限抗压强度响应模型有很好的拟合。有一个良好的预测值和测量值之间的相关性,以及误差很小。这个模型的修正系数为0.9072,表明可以有效地预测响应值的90.72%。因此,设计模型基于bdd方法是有效的。

为了分析各种因素的相互作用,方差分析和显著性检验进行二次多项式模型。回归方程的统计参数如表所示9。该模型F价值18.38意味着模型是很有意义的。只有0.04%的机会”模式F值“这很大可能发生是因为噪音。“概率值>F“小于0.0500表明模型方面意义重大。在这种情况下,C²是重要的模型。的F每个因素的价值反映的影响效果。越大F值,对响应值的影响就越大。从表可以看出10二次项(T²)和纤维含量(FC)有重大影响的响应值,和纤维长度和纤维之间的交互内容(FL和FC)是重要的。

图12显示正常的残差图,图13显示了预测和实际响应值之间的关系。从图可以看出12几乎所有点的残余情节在一条直线,这表明有一个正常的误差分布测试,没有异常的模式和结构。图的预测和实际响应值之间的关系,如果对角线上方的点是,它表明,实际价值低于预计值;如果斜下方的点是,它表明,实际的价值大于预测价值;如果点恰好落在对角线,这表明,实际值和预测值之间的区别是相对较小的。从图可以看出13,图中的点在对角或对角两边均匀分布和接近对角线,表明预测值接近测量值,模型具有较高的可靠性。

4.2.3。响应面相互作用分析

基于上述分析,响应面模型和等值线图互动下的无侧限抗压强度与纤维含量、纤维长度,得到了温度,如图(14日)- - - - - -14 (c)。

如图(14日),有一个最优的纤维含量、纤维长度在每一个温度,这是优化时,纤维含量是1公斤/米³纤维长度是18毫米在400°C。从数据14 (b)和14 (c)可以看出,纤维增强混凝土的无侧限抗压强度的增加温度和增加达到最大值400°C,都遵循着相同的模式,如图11。两个因素之间的交互可以反映在等高线图的形状。两个因素之间的相互作用是更重要的如果等高线图的轮廓线是椭圆。人物的轮廓线(14日)- - - - - -14 (c)椭圆,这表明交互的纤维含量,纤维长度,温度是重要的无侧限抗压强度响应指数。

4.3。声信号分析

图15显示了声学响应信号频谱及其时频光谱获得使用年代变换的混凝土没有纤维和高石粉含量添加25°C, 200°C, 400°C,分别和600°C。可以看到从图(15日)声学响应信号由一个单频信号的时间长度0.02秒,最大振幅为0.04,100 kHz的采样率。傅里叶变换后,可以看出,声学响应信号的最大振幅为0.87,占主导地位的频率为300赫兹,和信号的时频特征是正确反映在时频光谱年代变换。当温度升至200°C,可以看到在图15 (b)声学响应的波形信号在时域并未改变,但声波的振幅响应信号下降到0.03。同样的,相应的频谱的振幅和时频光谱也减少了。当温度升至400°C,时间域声学响应信号的振幅进一步降低。在这个时候,因为有效信号的振幅是足够小,可以看到在图15 (c)声学响应信号有点不安的背景噪音。与此同时,相应的频谱的振幅和时频光谱也进一步降低。当温度达到600°C,声波的振幅响应信号进一步减少,和背景噪声严重干扰信号引起的。它从频谱可以看到,在一个信号主频率为300赫兹的高温加热600°C,单频声响应信号成为full-band信号,和这种变化也可以清楚地看到从时频光谱。

响应信号测量混凝土的差异fiber-free,高石粉混凝土纤维长度的18毫米,3公斤/米³石粉含量高,6毫米高石粉混凝土相比,和内容是5公斤/米³。当温度上升至600°C时,时域声学响应信号,频率谱,时频光谱的三个具体测试块如图16。比较三组的图表,可以看出,尽管声学响应信号被噪声严重干扰混凝土后加热到600°C,声波的振幅响应信号的不同的具体测试块没有变化,保持在同一水平上。石粉含量高的声学响应信号具体的18毫米的长度和内容3公斤/米³相对更高的振幅值在时域、频域和时频域。标本抵抗开裂的能力是通过添加纤维增强;更少的裂缝在相同的加热条件下,生成和更多的能量信号通过时保留标本。标本18毫米的长度和内容3公斤/米³无侧限抗压强度较高,有更少的裂缝表面在600°C,如图17。

5。结论

这项研究调查了玄武岩纤维增强混凝土的力学性能和影响因素与高石粉含量在高温下使用高温测试,无侧限抗压强度试验和非线性超声检测。得到了以下主要结论。(1)水泥在混凝土取代石粉含量为18%,可提高混凝土的强度。在混凝土中的应用,用高剂量的石粉取代水泥可以实现废物利用,具有良好的生态效益和快速推广价值。(2)发现玄武岩纤维能有效地提高混凝土的开裂阻力高石粉含量在高温下,它提供了一个广泛的应用在高温下的空间。(3)混凝土被发现的无侧限抗压强度先增加然后减少纤维含量的增加,纤维长度和温度。这是发现之间的交互T²纤维含量、纤维长度和纤维之间的交互使用互动的内容是重要的影响因素的分析基于bdd方法。(4)发现随着温度逐渐增加,单频声波的振幅响应信号在时域、频域和信号的信噪比明显下降。添加纤维有一定的延迟影响混凝土在高温下的裂纹扩展,以便减少裂缝在相同的加热条件下,生成更多的能量是保留当声波信号通过标本。

数据可用性

使用的数据来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有关的出版。

确认

作者欣然承认实验的援助重点实验室综合寒冷地区建筑节能教育部,吉林大学学报。这项研究是由中国国家自然科学基金(项目没有。52008185)。