响应波形离散钢纤维高强混凝土梁剪切小限值比率
马吉德Alzara
艾哈迈德·m·Yosri
赛义夫Eldeen a . s .尤瑟夫2和
艾哈迈德·法鲁克Deifalla- 1土木工程系,工程学院,Jouf大学Sakakah,沙特阿拉伯
- 2工学院土木工程系,Al-Baha大学Al Bahah沙特阿拉伯
- 3未来大学结构工程和建筑管理部门在埃及,新开罗,埃及
高强度的行为,集中荷载作用下纤维增强混凝土(HSFRC)梁受到许多不同方面的影响,如使用何种类型的纤维和纤维的体积百分比;然而,行为主要是受修改影响剪切span-to-depth比(a / d)。在本实验调查,a / d比率的影响(从1.5到2.2)研究了十二个高强度纤维增强混凝土的反应(HSFRC)梁含有不同数量的不连续的钢纤维混凝土混合料(vf)。本研究的目的是分析失败的方式测试光束和识别有效的梁高的限制a / d。骨高强剪切破坏在高强混凝土梁的vf 2.2 a / d比率高达0%,根据这个研究的发现。改变a / d比率或vf的方式影响HSFRC梁对刺激作出了回应。的一些HSFRC梁是通过剪切挠曲测试失败了。此外,研究结果表明,a / d比率增加了2.2,梁的vf multi-cracking在纯弯曲了0.5%和0.75%。这表明a / d比率有实质性影响的各种失败HSFRC光束的行为。
1介绍
高强混凝土(HSC)出色的机械性能,如耐高压缩应力、高弹性模量(刚性),perme-ability有害物质,低和高耐腐蚀。这些独特的性质使其使用在不同建设项目的应用程序,它可以用在许多预应力混凝土桥梁等混凝土结构(Biolzi et al ., 1997;歌曲和黄,2004年;Ozbakkaloglu 2013;Lim Ozbakkaloglu, 2014;口和Poon 2015;文森特和Ozbakkaloglu, 2015)。高强度con-crete是一种脆性材料,混凝土强度和延性之间成反比关系;因此,处理这个问题的研究有很多。一些研究材料添加到混凝土混合料改善和发展。一些研究表明,添加小离散钢纤维可以提高高强混凝土的抗剪强度和韧性,提高其韧性,同时促进其挠曲失败(补强et al ., 2004;张成泽et al ., 2015;Yoo et al ., 2017;赵et al ., 2018;崔et al ., 2019;Lantsoght 2019;Shahnewaz阿拉姆,2020)。此外,分布离散钢纤维导致产生桥接作用在小小的裂缝传播的混合,提高抵抗裂纹和裂纹。
添加纤维混凝土混合物的影响取决于许多因素,如纤维类型、纤维取向的混合,和纤维几何;的主要因素是纤维体积分数(vf)和包容,和纤维矩阵的属性(Savastano et al ., 2006;Sudin和偶像,2006年;库德和沙,2010年;曹和汗,2021)。纤维可以用于混凝土混合料有许多不同的类型,和一个有效的纤维类型是金属纤维,如碳纤维或不锈钢纤维,它有两种形状:钩端纤维和波纹纤维(布兰德,1985;金和公园,1994年;耿和梁,1996;Yurtseven 2004;艾哈迈德et al ., 2007;Perceka et al ., 2019;汗和阿里,2020年;汗et al ., 2021;汗et al ., 2022)。撤军的行为的钢纤维混凝土和钢纤维与混凝土之间的粘结强度组成复杂的问题;因此,使用纤维的形状是一个非常重要的因素时要考虑研究高强度纤维增强混凝土的行为(HSFRC)梁受到两点集中和单调加载。
此外,剪切span-to-depth比值(a / d)有一个很大的影响高强度纤维增强混凝土梁的极限强度,见先前的研究。其中的一些研究表明,对a / d小于2.2高强度纤维增强混凝土梁的极限强度,由拱的容量控制行动,因为拱行动导致转移负载直接从装载点销支持通过一个支柱(压杆)而对a / d大于2.2极限强度主要由un-cracked混凝土受弯承载能力(哲人和巴伊亚,1985年;曼苏尔et al ., 1986;定省,2009;林,2013;Bae et al ., 2021;Yun et al ., 2022)。此外,梁的抗剪强度就低剪切span-to-depth比率增加(定省,2009;Yun et al ., 2022;ASTM C188-14 2009)。
如前所述,先前的研究已经处理改变a / d的影响比对HSFRC梁的行为,但这些研究的常见纤维的形状是一个钩端钢纤维,不是一个波纹钢纤维,如在研究学者和巴伊亚(Bae et al ., 2021)和云et al。(ASTM C188-14 2009)。
根据专家和巴伊亚(Bae et al ., 2021),纤维体积分数0.5%导致失败的模式变化的迭合梁斜紧张未能shear-compression失败,而高纤维体积分数超过0.8%可能会导致失败的梁挠曲模式。然而,云et al。(ASTM C188-14 2009)表示,钩端钢纤维的抗拉强度显著影响HSFRC梁的抗剪强度,无论剪切span-to-depth比率。
这项研究很重要,因为它的目标是确定的行为HSFRC与波形离散梁钢筋钢纤维受到低剪切span-to-depth比率。我们也想看看HSFRC梁的破坏模式与不同纤维含量的混凝土混合物当受到这些比率。十二HSRFC梁相同的矩形剖面测试a / d比率为1.5,1.7和2.2和vf值从0到0.75%看到组合产生最好的结果。
2材料和方法
2.1材料
2.1.1水泥
普通硅酸盐水泥,比重为3.15。测试使用的水泥根据ASTM-C118 (ASTM C786 / C786M-17 2017)和它的细度模数测试根据ASTM c - 184 - 94 (ASTM C 33 - 86, 1986)。所使用的水泥所示的属性表1。
表1。使用的水泥的性质。
2.1.2总量
粗骨料和细骨料是来自当地碎石头和天然砂。ASTM c33 (ASTM c - 127, 2001)和ASTM c - 127 (ASTM c - 128, 2001)是用于测试粗骨料,ASTM c33 (ASTM c - 127, 2001)和ASTM c - 128 (ASTM A370 2012)是用于测试细骨料。的各种属性中列出了粗、细骨料表2。
表2。使用的骨料的性质。
2.1.3钢纤维
在这项研究中,一种类型的离散与波纹形状钢纤维混合使用。钢纤维进行了测试按照ASTM 370 (ASTM C469 / C469M-10 2010)来确定纤维抗拉强度。所示的波纹纤维的特性表3,而纤维所示的形状图1。
表3。波纹纤维的性质。
图1。所使用的波纹纤维。
2.1.4主要强化
本研究中使用的纵向钢筋从气钢级的36/52。16毫米酒吧被用作纵向钢筋,而8毫米酒吧被用作横向钢筋。
2.1.5混凝土混合比例
拨款高强度混凝土生产与普通硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料、强塑剂和硅灰。硅灰2.23比重,200000厘米2/通用表面积。混凝土抗压强度目标设计不少于50 MPa。混凝土混合比例所示表4。
表4。具体的混合比例。
2.2测试过程
2.2.1梁测试的概述
在这项研究中,测试是进行十二HSRC常维度对于每一个梁,梁与固定的1500毫米和一个矩形截面深度250毫米和120毫米宽,如图所示图2。
图2。梁试件几何。
这些HSRC光束被分为三组(A、B和C)根据剪切span-to-depth比率为1.5,1.7,和2.2,分别。每组包含四光束(S0, S1、S2和S3);这些数字是指使用波纹纤维的体积分数的顺序按重量的0%,0.25%,0.5%,和0.75%,分别。给出了测试标本的完整细节表5和体积分数计算由以下方程:
在哪里
表5。试验梁的概述。
2.2.2钢筋标本的细节
所有测试的主要纵向钢筋标本由2块16毫米直径异型钢,而压缩强化由2块12毫米直径异型钢。低碳钢箍筋抗剪钢筋。图3显示了试验梁的钢筋的细节。
图3。强化细节。
四点进行加载试验梁上为了能够评估他们的剪切和弯曲的优势。数字测压元件容量550 kN被用来测量负载。梁的垂直位移记录使用三个电动千分表,如图所示图4。
图4。测试设置。
3的结果
3.1抗压强度
测试在进行HSRC和HSFRC梁。抗压强度测试进行气缸直径150毫米和300毫米高度,根据ASTM C469 [40]。表6显示了混凝土抗压强度与不同vf。结果表明,波纹钢纤维对混凝土强度有明显影响,混凝土延性。
表6。抗压强度。
高强混凝土的抗压强度从51 MPa提高到55.8 MPa由于波纹钢纤维的加入。力量的最高价值是指出vf0.75%,与混合v相比高出35.09%f的0%。
3.2荷载位移响应
表7;图5显示A组梁的荷载与挠度与A / d比率为1.5。增加的比例波纹钢纤维增强梁的刚度和增强load-resisting能力。的初始横向刚度0 HSRC标本是65.56 kN /毫米,上升到70.45,97.06,和110.0 kN / a - 1毫米,a和a - 3分别。梁的刚度提高67.7%的HSFRC梁vf的0.75%,相比之下,HSRC梁没有纤维。表8;图6显示的载荷挠度测试a / d比率为1.7。除了b 0,所有HSFRC梁表现出类似的载荷挠度响应显著post-yield变形,直到他们的失败。b - 2和酮(HSFRC)梁与vf值分别为0.50%和0.75%,最大load-resisting能力比其他光束。所示表9;图7C组的荷载与挠度响应,a / d比率为2.2,几乎是类似于b组的初始刚度C-0梁47.06 kN /毫米,为颈- 3增加到55.45 kN /毫米光束。这表明有一个增加18%的刚度,因为除了波纹钢纤维的混合物。从结果观察,a / d比率的增加导致光束的峰值负载电阻下降,增加了可变形性。钢纤维的取向也HSFRC梁的极限强度和延性的影响。
表7。初始刚度测试光束(a / d = 1.5)。
图5。试验梁的荷载与挠度(a / d = 1.5)。
表8。初始刚度测试光束(a / d = 1.7)。
图6。试验梁的荷载与挠度(a / d = 1.7)。
表9。初始刚度测试光束(a / d = 2.2)。
图7。试验梁的荷载与挠度(a / d = 2.2)。
3.3 Load-resisting能力
表10显示了最终加载梁所抵制的测试。first-crack-correspondent加载的值从80 kN HSRC标本不同115 kN所有a / d比率。首先尝试加载的大小对HSFRC梁vf的0.25%下降到111 kN / d比率为2.2。
表10。总结失败的负载和故障模式测试。
对梁的a / d比率2.2,首先尝试加载的大小对HSRC梁没有纤维是80 kN。这个值增加到122 kN HSFRC梁vf的0.75%,表明增加约52.5%的由于波纹钢纤维。
从先前的研究预计,HSFRC梁的极限载荷高于那些HSRC梁的a / d比率。0梁展出145 kN的极限载荷,为a - 3增加到215 kN的光束,增量的48.3%。同样,我们观察到相应的增量HSFRC约44.4%的标本与a / d比率为1.7。此外,在a / d的比值2.2,HSFRC梁的极限强度与HSRC梁相比增加了39.13%,vf的0%。
从先前的研究预计,a / d比率的增加导致减少梁的极限承载力的大小,除了最终挠度的增量,直到他们的失败。
3.4失效模式
裂缝和失败的模式的传播HSRC梁不同a / d比率所示图8。0的梁,斜裂缝最后段的负荷95 kN,除了轻微的弯曲裂缝中跨地区。剪切裂缝显示支持地区负荷的大小118 kN。的宽度剪切负载水平的增加而增加。在失败,对角张力(剪切)失败的结果发生了射气的斜裂缝大致的支持,传出,45°角。作为a / d比率增加到1.7和2.2,相同剪切裂缝都注意到不同的负载值。没有区别在失败的模式或传播HSRC梁裂缝的a / d比率为1.7和2.2,如图所示图9。此外,从结果,梁由shear-compression颈- 1失败。裂纹的传播和HSFRC梁的破坏机理与vf所示的0.75%图10。作为HSFRC梁与HSRC梁相比,显示更多的minor-cracks直到失败。的a / d比HSFRC增加到2.2,发现了大量主要弯曲裂缝。a / d比率为2.2,我们观察到剪切破坏的失效模式过渡到曲失败vf0.5%和0.75%的添加到梁。在这种情况下,纯弯曲故障发生与压缩混凝土压碎,如图所示图11。
图8。裂缝和传播模式的失败HSRC标本不同a / d比率。
图9。裂缝和传播模式的失败HSFRC梁vf和不同a / d比率的0.25%。
图10。裂缝和传播模式的失败HSFRC梁vf和不同a / d比率的0.5%。
图11。裂缝和传播模式的失败HSFRC梁vf和不同a / d比率的0.75%。
4讨论
从实验测试的结果,进行了高强度钢筋混凝土梁与离散的钢纤维混凝土混合物,各种限值的影响比率关系失败加载和纤维体积分数(vf)调查。
所示表11;图12的较低的百分比,vf失败,不到0.5%,负载下降了几乎相同的比例(从18%到21%)在不同a / d比率。此外,通过使用一个vf0.75%,负载下降了26%在2.2 a / d的比值。
表11。总结失败的负载在不同a / d比率。
图12。在试验梁剪切span-to-depth比率的影响。
低a / d比率为1.5和1.7,HSRC梁的行为接近深梁,应用的负载是由两个主要的反对斜对角struts抗压混凝土形成的部分在这个区域,称为干扰区域(d层)。这意味着由拱混凝土抵抗行动在这个区域没有显示梁行动,如所示图13。这种行为是HSFRC梁相同的较低的a / d比率为1.5和1.7。钢纤维作为关系,导致增加剪切强度和弯曲裂缝出现,如图所示图14。这清楚地显示的效果提高a / d比率在所有梁。a / d比率,梁有干扰和梁地区在不同负载下,如图所示图15。此外,纤维体积分数的增加增强了试验梁的开裂后刚度在a / d比率,和能量吸收比率增加由于纤维之间的结合行为和矩阵。
图13。a / d的影响比1.5测试光束。
图14。a / d的影响比1.7测试光束。
图15。a / d的影响比2.2测试光束。
与先前的研究相比,使用钩端纤维处理相同的主题,但是,它是认为偏转能力增加使用波纹钢纤维。这是由于波纹纤维之间的结合强度越高,混凝土,纤维的桥接作用。
5的结论
在目前的研究中,离散波纹钢纤维组成各种分数卷被用来提高高强度的性能,纤维增强混凝土梁。测试这些光束在不同剪切span-to-depth比率来调查他们的反应。基于试验研究,结论推导如下:
•在不同剪切span-to-depth比率,钢纤维的加入可以提高高强度的力学性能,纤维增强混凝土。
•增强HSC梁的失效模式是类似于HSRF梁纤维含量较低(0.25%)。
•根据这项研究的结果,梁与a / d比率小于2.2 (a组和B组)在纯剪切失败。
•改变a / d比率2.2导致梁失败由于弯曲和剪切挠曲模式,multi-cracking观察,中间的梁的主要裂缝传播。
•结果表明,高强混凝土(HSRC)梁没有纤维失败剪切不同a / d比率小于2.2,而HSFRC梁的a / d比率2.2失败在纯弯曲,multi-cracking观察;因此,这些裂缝宽度值和峰值应力较高纤维含量为0.5%和0.75%。
•箍筋和离散的组合钢纤维表现出积极的混合影响HSFRC光束的行为。
数据可用性声明
原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。
作者的贡献
概念化,唉;方法,是的;验证,AY和马;正式分析,AY, SY和广告;调查,SY和广告;数据管理,唉;原创作品草稿准备,SY和广告;writing-review和编辑,AY和马。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
引用
艾哈迈德,s . f . U。Maalej, M。,和Paramasivam, P. (2007). Flexural responses of hybrid steel–polyethylene fiber reinforced cement composites containing high volume fly ash.建筑和建筑材料。21日,1088 - 1097。doi: 10.1016 / j.conbuildmat.2006.01.002
英国宇航系统公司,我。,Lee, M.-S., Choi, C.-S., Jung, H.-S., and Choi, H.-K. (2021). Evaluation of the ultimate strength of the ultra-high-performance fiber-reinforced concrete beams.应用科学2951年,11日。doi: 10.3390 / app11072951
Biolzi, L。,Guerrini, G. L., and Rosati, G. (1997). Overall structural behavior of high strength concrete specimens.建筑和建筑材料。11日,57 - 63。doi: 10.1016 / s0950 - 0618 (96) 00026 - 8
崔,w . C。,Jung, K. Y., Jang, S. J., and Yun, H. D. (2019). The influence of steel fiber tensile strengths and aspect ratios on the fracture properties of high-strength concrete.材料12日,2105年。doi: 10.3390 / ma12132105
耿,Y。,和Leung, C. K. (1996). A microstructural study of fibre/mortar interfaces during fibre debonding and pull-out.材料科学杂志。31日,1285 - 1294。doi: 10.1007 / BF00353108
张成泽,s . J。,Kang, D. H., Ahn, K. L., Park, W. S., Kim, S. W., and Yun, H. D. (2015). Feasibility of using high-performance steel fibre reinforced concrete for simplifying reinforcement details of critical members.国际高分子科学杂志》上。2015年,1 - 12。doi: 10.1155 / 2015/850562
汗,M。,和Ali, M. (2020). Optimization of concrete stiffeners for confined brick masonry structures.《建筑工程。32岁,101689年。doi: 10.1016 / j.jobe.2020.101689
汗,M。,曹,M。,Chu, S. H., and Ali, M. (2022). Properties of hybrid steel-basalt fiber reinforced concrete exposed to different surrounding conditions.建筑和建筑材料。322年,126340年。doi: 10.1016 / j.conbuildmat.2022.126340
汗,M。,曹,M。,Xie, C., and Ali, M. (2021). Hybrid fiber concrete with different basalt fiber length and content.结构混凝土。23日,346 - 364。doi: 10.1002 / suco.202000472
金,j·K。,和Park, Y. D. (1994). Shear strength of reinforced high strength concrete beams without web reinforcement.杂志的具体研究。46岁,7 - 16。doi: 10.1680 / macr.1994.46.166.7
口,s . C。,和Poon, C. S. (2015). Effect of the quality of parent concrete on the properties of high performance recycled aggregate concrete.建筑和建筑材料。77年,501 - 508。doi: 10.1016 / j.conbuildmat.2014.12.035
库德,k . G。,和Shah, S. P. (2010). Processing of high-performance fiber-reinforced cement-based composites.建筑和建筑材料。24岁,181 - 186。doi: 10.1016 / j.conbuildmat.2007.06.018
Lim, j . C。,和Ozbakkaloglu, T. (2014). Influence of silica fume on stress–strain behavior of FRP-confined HSC.建筑和建筑材料。63年,11-24。doi: 10.1016 / j.conbuildmat.2014.03.044
曼苏尔,m·A。,Ong, K. C. G., and Paramasivam, P. (1986). Shear strength of fibrous concrete beams without stirrups.结构工程杂志。112年,2066 - 2079。doi: 10.1061 /(第3期)0733 - 9445 (1986)112:9 (2066)
Ozbakkaloglu, t (2013)。正方形和长方形的行为极端高强度钢管混凝土圆管在轴向压缩。复合材料B部分:工程。54岁,97 - 111。doi: 10.1016 / j.compositesb.2013.05.007
Perceka, W。,Liao, W. C., and Wu, Y. F. (2019). Shear strength prediction equations and experimental study of high strength steel fiber-reinforced concrete beams with different shear span-to-depth ratios.应用科学。9日,4790年。doi: 10.3390 / app9224790
Savastano, h·J。特纳,。美世,C。,和Soboyejo, W. O. (2006). Mechanical behavior of cement-based materials reinforced with sisal fibers.材料科学杂志41岁,6938 - 6948。doi: 10.1007 / s10853 - 006 - 0218 - 1
Shahnewaz, M。,和Alam, M. S. (2020). Genetic algorithm for predicting shear strength of steel fiber reinforced concrete beam with parameter identification and sensitivity analysis.《建筑工程。29日,101205年。doi: 10.1016 / j.jobe.2020.101205
歌,p S。,和Hwang, S. (2004). Mechanical properties of high strength steel fiber-reinforced concrete.建筑和建筑材料。18日,669 - 673。doi: 10.1016 / j.conbuildmat.2004.04.027
Sudin, R。,和Swamy, N. (2006). Bamboo and wood fibre cement composites for sustainable infrastructure regeneration.材料科学杂志。41岁,6917 - 6924。doi: 10.1007 / s10853 - 006 - 0224 - 3
偶像,r . N。,和Bahia, H. M. (1985). The effectiveness of steel fibers as shear reinforcement.国际混凝土抽象门户。7,35 - 40。doi: 10.14359 / 51686736
补强H。,Delatte, N., Aggoun, S., Duval, R., and Danson, A. (2004). Effect of supplementary cementitious materials on the compressive strength and durability of short-term cured concrete.水泥和混凝土的研究。34岁,311 - 319。doi: 10.1016 / j.cemconres.2003.08.017
文森特,T。,和Ozbakkaloglu, T. (2015). Influence of shrinkage on compressive behavior of concrete-filled FRP tubes: An experimental study on interface gap effect.建筑和建筑材料。75年,144 - 156。doi: 10.1016 / j.conbuildmat.2014.10.038
柳,d . Y。、元、T。,Yang, J. M., and Yoon, Y. S. (2017). Feasibility of replacing minimum shear reinforcement with steel fibers for sustainable high-strength concrete beams.工程结构。147年,207 - 222。doi: 10.1016 / j.engstruct.2017.06.004
云》。,Jeong, G.-Y., and Choi, W.-C. (2022). Shear strengthening of high strength concrete beams that contain hooked-end steel fiber.材料15日,17岁。doi: 10.3390 / ma15010017
关键词:高强度、纤维增强混凝土、失效模式、剪切span-to-depth比,纤维含量
引用:Alzara M, Yosri,尤瑟夫海洋和Deifalla AF(2023)响应波形离散钢纤维高强混凝土梁剪切小限值比率。前面。建立环境。9:1156261。doi: 10.3389 / fbuil.2023.1156261
收到:2023年2月01;接受:2023年2月24日;
发表:2023年4月04。
编辑:
Abdelhalim阿扎姆收住曼苏拉大学科,埃及版权©2023 Alzara Yosri,尤瑟夫和Deifalla。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。
*通信:艾哈迈德·m·Yosriahmedyosri204@gmail.com