Experimentelle Untersuchung der axialen Zugeigenschaften von Polypropylenfaserbeton

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 16383 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Um die axialen Zugeigenschaften von Polypropylenfaserbeton zu untersuchen, wird in dieser Arbeit ein Axialzugprüfgerät für Beton entwickelt. Das Gerät besteht aus drei Teilen: starrem Rahmen, sphärischem Scharnier und Abzieher sowie Teil zur Probenherstellung. Das Prüfgerät kann die Zugfestigkeit und Spitzenzugspannung von Beton genau messen und löst perfekt das Exzentrizitätsproblem von Betonproben unter Spannung. Es kann die Zugspannung nach dem Peak-Segment messen, sodass die Zugspannungs-Dehnungs-Kurve des gesamten Prozesses ermittelt werden kann. Der axiale Zugversuch von Polypropylenfaserbeton wurde mit dem oben genannten Prüfgerät durchgeführt und die Ergebnisse zeigen, dass die Zugfestigkeit von Beton durch die Zugabe von Polypropylenfasern deutlich verbessert werden kann, wodurch das Zugversagen von Beton bestimmte plastische Eigenschaften aufweist. Die Testergebnisse zeigen, dass mit zunehmendem Fasergehalt die Zugfestigkeit des Betons zunächst zunimmt und dann abnimmt. Die Auswirkungen des Polypropylenfasergehalts und des Aushärtealters auf die Zugeigenschaften von Beton wurden untersucht und der optimale Polypropylenfasergehalt ermittelt. Bei einem Fasergehalt von 0,9 kg/m3 erreicht die Zugfestigkeit von Beton den Maximalwert. Gleichzeitig wurde der Spaltzugversuch von Beton unter den gleichen Bedingungen durchgeführt. Das Schädigungsphänomen und die Testergebnisse des Axialzugversuchs und des Spaltzugversuchs von Beton wurden verglichen und analysiert, und die Anwendbarkeit des neu entwickelten Geräts im Betonaxialzugversuch wurde überprüft.

Der Zusatz von Polypropylenfasern zu Beton kann erhebliche Vorteile sowie eine verbesserte Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit bieten. Beispielsweise kann die Kombination von Fasern und Beton die Rissbeständigkeit von Beton verbessern1,2. Polypropylenfasern zeichnen sich durch hervorragende mechanische Eigenschaften, gute Korrosionsbeständigkeit und einen niedrigen Preis aus. Die Zugabe einer geeigneten Menge an Polypropylenfasern zu Beton kann offensichtlich die mechanischen Eigenschaften und die Rissbeständigkeit von Beton verbessern3,4,5. Die plastische Schwindung von Beton kann um 12–25 % reduziert werden, wenn 0,1–0,3 % Polypropylenfasern hinzugefügt werden. Darüber hinaus können die Spaltzugfestigkeit und die Biegefestigkeit des Betons nach 7 und 28 Tagen sowie das Zug-Druck-Verhältnis nach 28 Tagen um 46 % erhöht werden. Offensichtlich können Polypropylenfasern die Leistung von Beton erheblich verbessern6,7,8.

Derzeit konzentrieren sich die meisten Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften von Beton auf die Leistung von Beton unter Druck- und Biegebelastungen, während Studien zum axialen Zugverhalten von Beton selten sind. Derzeit wird die Zugfestigkeit von Beton hauptsächlich mit der indirekten Methode gemessen, einschließlich Spalttest9,10 und Biegetest11. Die Zugfestigkeit wird nach der empirischen Formel berechnet, wohingegen der innere Spannungszustand der Probe komplizierter ist; Der Fehler der gemessenen Zugfestigkeit ist größer und die maximale Zugdehnung sowie die Zugspannungs-Dehnungs-Kurve von Beton können nicht gemessen werden12. Der Axialzugversuch ist die am besten geeignete Methode zur Prüfung der Zugfestigkeit von Beton13. Mehrere Wissenschaftler haben diesbezüglich Experimente durchgeführt.

Julia et al.14 führten gleichzeitig einen Dreipunkt-Biegeversuch und einen axialen Zugversuch durch. Im Axialzugversuch wurden zylindrische Betonproben verwendet. Darüber hinaus wurde ein Axialzugprüfgerät entwickelt. Die beiden Enden der Proben wurden durch eine Metallhalterung festgeklemmt, um eine Zugkraft auszuüben. Dieser Ansatz ergreift jedoch keine Maßnahmen zur Eliminierung der Exzentrizität. Kim et al.15 verwendeten eine Hantelprobe mit variablem Abschnitt und die Spannungskonzentration wurde durch den variablen Abschnitt reduziert, sodass der mittlere Teil der Probe eine gleichmäßige Zugzone darstellte. Liao et al.16 entwarfen eine Reihe von axialen Betonzugvorrichtungen und -klemmen und führten gleichzeitig direkte und indirekte Zugversuche an Beton durch. Kasagani und Rao17 entwickelten eine externe Betonbefestigung mit Klemme, die das obere und untere Ende des Betons sichert und an beiden Enden einen Zugring anbringt, um die Exzentrizität der Probe zu beseitigen. Mit dieser Methode wurde der ansteigende Abschnitt der Zugspannungs-Dehnungs-Kurve von Beton gemessen. Die experimentellen Arbeiten wurden unter einachsiger Spannung mit 0,1 %, 0,2 %, 0,3 %, 0,4 % und 0,50 % Faservolumen von Monoglasfasern durchgeführt und die Ergebnisse zeigten, dass die Festigkeit, Verformungsfähigkeit und Energieabsorptionskapazität höher waren Gradierter glasfaserverstärkter Beton als für monoglasfaserverstärkten Beton.

Chrysanidis und Panoskaltsis18 entwarfen prismatische Proben mit eingebetteten Stahlstäben, bei denen die Stahlstäbe an beiden Enden mit Stahlplatten verschweißt waren, um Spannung auf den Beton auszuüben. Chun und Yoo19 verwendeten Dog-Bone-Betonproben für die Zugfestigkeitstests von stahlfaserverstärktem Beton. Die Größe der Proben war gering und die Breite der Spannungszone betrug nur 25 mm. Es wurde festgestellt, dass der Zugversuch leicht durch Exzentrizitäts- und Größeneffekte beeinflusst wird.

Zusammenfassend sind die Hauptprobleme der axialen Zugprüfvorrichtung für Beton folgende: (1) Die Größe der Probe ist zu klein und die Form der Probe ist unangemessen, und die Testergebnisse werden durch den Größeneffekt und die Spannungskonzentration beeinflusst. Die innere Zugspannung des Prüflings ist nicht gleichmäßig, was zu einer Verfälschung der Prüfergebnisse führt. (2) Während des Tests kann es leicht zu Exzentrizität kommen. (3) Der Beton bricht unmittelbar nach der Rissbildung, daher kann der absteigende Abschnitt der Zugspannungs-Dehnungs-Kurve nicht gemessen werden.

Um die aktuellen Herausforderungen beim Axialzugversuch von Beton zu lösen, wurde in dieser Arbeit eine Reihe von Betonaxialzugversuchsgeräten entwickelt. Mit diesem Gerät wurde der axiale Zugversuch von Polypropylenfaserbeton durchgeführt und die Zugfestigkeit, Spitzenzugdehnung und die gesamte Zugspannungs-Dehnungskurve ermittelt. Basierend auf den Testdaten wurde die Wirkung von Polypropylenfasern auf die Zugeigenschaften von Beton analysiert. Der Axialzugversuch und der Spaltzugversuch des Betons wurden gleichzeitig unter den gleichen Bedingungen durchgeführt. Abschließend wurde anhand des Spannungszustands im Inneren der Probe und der Testdaten die Anwendbarkeit des neuen Testgeräts bei der Untersuchung der Zugeigenschaften von Beton überprüft.

Für den Betonaxialspannungstest gibt es drei gängige Prüfmethoden. Die erste Testmethode verwendet eine Art Vorrichtung. Die Klemme wird außerhalb der Betonprobe befestigt und die Spannung wird durch die Reibungskraft mit der Betonoberfläche übertragen20. Bei der zweiten Prüfmethode wird an beiden Enden der Betonprobe eine Bewehrung eingebettet. Die gleichmäßige Zugzone bildet sich in der Mitte der Probe und die Zugkraft wird durch die Adhäsionskraft zwischen Stahlstab und Beton übertragen21,22. Bei der dritten Prüfmethode, auch Klebemethode genannt, wird die Stahlplatte an beiden Enden der Betonprobe aufgeklebt und die Zugkraft direkt auf die Probe ausgeübt23,24. Alle diese drei Methoden testen jedoch indirekt die Zugfestigkeit und weisen offensichtliche Mängel auf. Somit kommt es leicht zum Scheitern des Tests und der Abwärtsabschnitt der Spannungs-Dehnungs-Kurve kann nicht ermittelt werden.

Der Erfolg des axialen Zugversuchs für Beton hängt hauptsächlich von zwei Aspekten ab: Erstens, ob die Exzentrizität der Probe vermieden werden kann, und zweitens, ob die Spannungskonzentration der Probe gelöst werden kann25. Basierend auf der obigen Analyse wird hierin eine Reihe von Axialspannungsprüfgeräten entwickelt. Das Gerät besteht aus drei Teilen: starrem Rahmen, sphärischem Scharnier und Abzieher sowie Teil zur Probenherstellung, wie in Abb. 1 dargestellt.

Axialzugprüfgerät für Beton. (In der Abbildung: 1 – obere Zugstange; 2 – oberes Kugelscharnier; 3 – Verbindungsstange des Kugelscharniers; 4 – unteres Kugelscharnier; 5 – untere Zugstange; 6 – oberer Balken; 7 – unterer Balken; 8 – rund Stahl; 9 – Abzieher; 10 – Betonprobe).

Abbildung 2 zeigt das schematische Diagramm des starren Rahmens. Dieser Teil besteht hauptsächlich aus zwei Balken und zwei Rundstäben, und der Rundstahl ist an beiden Enden durch Muttern mit dem Balken verbunden und befestigt. Die Länge des Trägers beträgt 460 mm, die Breite 50 mm und die Dicke 40 mm. Der Durchmesser von Rundstahl beträgt 25 mm und die Länge 600 mm. Während des Versuchs werden der Rundstahl und die Betonprobe zusammengezogen, wodurch die Schwierigkeit gelöst wird, die Zugspannungs-Dehnungs-Kurve nach der Spitzenfestigkeit des Betons zu messen.

Schematische Darstellung des starren Rahmenteils.

Es gibt zwei Hauptgründe für die Exzentrizität beim axialen Zugversuch: Der eine ist die Abweichung der Probenplatzierungsposition und der andere ist der Fehler des Prüfgeräts selbst, weil die Abzieher im Prüfgerät nicht auf derselben Achse liegen.

Um das Exzentrizitätsproblem zu lösen, sind das kugelförmige Scharnierteil und der Abzieher wie in Abb. 3 dargestellt konstruiert. Das kugelförmige Gelenk befindet sich zwischen der Betonprobe und dem Abzieher der Prüfmaschine und kann sich in einem bestimmten Bereich frei drehen. Bei der Prüfung kann sichergestellt werden, dass die Zugkraft und die Achse der Betonprobe stets auf derselben Achse liegen, wodurch das Exzentrizitätsproblem beseitigt wird.

Kugelförmiges Scharnierteil und Abzieher.

Da sich Beton leicht gießen und formen lässt, wurden eine hantelförmige Betonprobe und eine Form entworfen. Die Abmessungen der Form und der Betonprobe sind in Abb. 4 dargestellt. Der mittlere Teil der Betonprobe ist die Zugzone, die Länge der Zugzone beträgt 100 mm, die Breite 50 mm und die Dicke 50 mm. Die Form besteht aus vier Seitenplatten und einer Bodenplatte, wobei die Seitenplatten mit Bolzen an der Bodenplatte befestigt sind. Bei der Herstellung von Betonproben wird zunächst die Form zusammengebaut und dann der Beton hineingegossen. Nach dem anfänglichen Abbinden des Betons wird die Form zerlegt und die Probe kann aushärten. Die hantelförmige Betonprobe ist perfekt auf den Abzieher abgestimmt, was praktisch ist, um Spannung auf die Probe auszuüben und Spannungskonzentrationen zu beseitigen, und die Genauigkeit und Erfolgsquote des Tests effektiv verbessert. Darüber hinaus ist zwischen dem Abzieher und der Probe ein Spalt von 3 mm vorgesehen, um die Installation der Probe zu erleichtern. An der Stelle, an der der Abzieher die Probe berührt, wird ein Gummipolster angebracht, um die durch den lokalen Kontakt verursachte Spannungskonzentration zu beseitigen.

Betonprobenform.

Im Vergleich zu anderen Zugprüfgeräten bietet dieses Prüfgerät folgende Vorteile: (1) Das Gerät ist einfach zu installieren und zu demontieren. Bei Verwendung mit der Universalprüfmaschine können die Zugfestigkeit, die Spitzenzugdehnung und die Zugspannungs-Dehnungs-Kurve des Betons im gesamten Prozess genau gemessen werden. (2) Der Zugversuch ist einfach durchzuführen und die Form kann nach Bedarf für die Herstellung einer Betonprobe gestaltet werden. Die Vorbereitung der Probe ist einfach durchzuführen. Die hantelförmige Probe eignet sich zur Übertragung der Zugkraft und zur Bildung einer gleichmäßigen Zugzone in der Mitte der Probe. Die gemessene Zugfestigkeit liegt näher am wahren Wert. (3) Der starre Rahmen im Gerät und die Probe werden gleichzeitig gezogen, und die Zugspannungs-Dehnungs-Kurve des Betons nach dem Spitzenwert kann gemessen werden. (4) Das Kugelgelenk im Gerät eliminiert effektiv die Exzentrizität, wodurch die Probe immer den axialen Spannungszustand beibehält. (5) Das Gerät ist nicht nur auf die Prüfung der Zugfestigkeit von Beton beschränkt, sondern kann auch zur Beurteilung der Zugfestigkeit anderer leicht formbarer Materialien verwendet werden; Daher hat es Potenzial für eine breite Anwendung.

Um die Zugfestigkeit, die Spitzenspannung und die vollständige Spannungs-Dehnungs-Kurve von Polypropylenfaserbeton direkt zu testen, wird der axiale Zugversuch mit dem neu entwickelten Prüfgerät durchgeführt.

Der Festigkeitsgrad von Polypropylenfaserbeton ist C30, der Zement ist gewöhnlicher Portlandzement PO 42,5, die Partikelgröße von Kies beträgt 5–20 mm, der Feinheitsmodul von Feinzuschlagstoffen beträgt 2,5 und die groben und feinen Zuschlagstoffe sind gut abgestuft . Das Betonmischungsverhältnis ist wie folgt: Zement:Wasser:Sand:Kies = 337,95:4,875:634,79:1232,25. Die mechanischen Eigenschaften von Polypropylenfasern sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Die Mengen an Zement, Wasser, Sand und Fasern werden berechnet und bestimmt. Vor dem Einfüllen der Probe wurde der grobe Zuschlagstoff zunächst gereinigt und luftgetrocknet. Beim Mischvorgang wurden zunächst der grobe Zuschlagstoff und der Sand zugegeben, die Mischung 60 Sekunden lang gerührt, dann wurden Zement und die Hälfte von Wasser hinzugefügt, die Mischung wurde 30 Sekunden lang gerührt, dann wurden zweimal Polypropylenfasern zugegeben und die Mischung wurde gemischt 60 s gerührt. Schließlich wurden die andere Hälfte Wasser und Wasserreduktionsmittel zugegeben, um die Mischung 180 s lang zu rühren, und Wasser und Polypropylenfasern wurden in zwei Stufen zugegeben, um den erforderlichen Rührzustand zu erreichen. Dann wurde das Setzmaß jeder Probe unmittelbar nach dem Mischen gemessen. Anschließend wird der gemischte Beton in hantel- und würfelförmige Formen gegossen, die auf einem Rütteltisch gleichmäßig gerüttelt werden. Nach Abschluss des Guss- und Entformungsvorgangs sollte die Probe sofort in den Standard-Betonhärtungsraum gebracht werden, wo Temperatur und Luftfeuchtigkeit konstant sind, die Temperatur des Härtungsraums konstant bei 20 ± 2 °C liegt und die relative Luftfeuchtigkeit nicht konstant ist weniger als 95 %. Während der Aushärtung werden die Proben vor Beschädigungen geschützt.

Beim axialen Zugversuch von Polypropylenfaserbeton werden hauptsächlich zwei Faktoren berücksichtigt: der Gehalt an Polypropylenfasern und das Aushärtealter. Die Länge der Polypropylenfaser beträgt 19 mm. Es sind sechs verschiedene Fasergehalte vorgesehen, nämlich 0 kg/m3, 0,3 kg/m3, 0,6 kg/m3, 0,9 kg/m3, 1,2 kg/m3 und 1,5 kg/m3. Es werden drei verschiedene Reifezeiten berücksichtigt, nämlich 14 Tage, 28 Tage und 60 Tage. Basierend auf den beiden oben genannten Faktoren werden 18 Probengruppen erstellt. Jede Probengruppe umfasst 4 hantelförmige Exemplare und 6 würfelförmige Exemplare. Die hantelförmige Probe wird unter Verwendung der oben genannten Form hergestellt und die Seitenlänge der würfelförmigen Probe beträgt 150 mm.

Mit dem oben genannten Gerät wird der Axialzugversuch von Beton durchgeführt. Die wichtigsten Testschritte sind in Abb. 5 dargestellt. (1) Das Testgerät wird zusammengebaut. Gemäß der Montagezeichnung (Abb. 1) werden das starre Rahmenteil, das kugelförmige Gelenkteil sowie der obere und untere Abzieher des Geräts zusammengebaut. (2) Das Prüfgerät wird justiert, ebenso der Zugraum der Universalprüfmaschine. Die oberen und unteren Zugstangen der Vorrichtung werden jeweils mit den Klemmen der Prüfmaschine verbunden und dann festgeklemmt. Der Dehnungsmessstreifen wird beidseitig auf den Rundstahl geklebt und mit Strom geprüft. (3) Betonproben werden eingebaut. Die Probe wird aus der Aushärtungsbox entnommen und geprüft, nachdem ihre Oberfläche trocken ist. Anschließend wird es zwischen dem oberen und unteren Abzieher der Axialspannvorrichtung eingebaut. Die Dehnungsmessstreifen werden auf die Vorder- und Rückseite der Probe geklebt. Die Prüfmaschine wird gestartet, zunächst wird eine kleine Zugkraft aufgebracht und die Dehnung des Rundstahls auf beiden Seiten beobachtet, um sicherzustellen, dass sie auf beiden Seiten den gleichen Wert hat. Ist dies nicht der Fall, werden nach der Inbetriebnahme die Befestigungsbolzen am Rundstahl angepasst und die Zugkraft auf Null reduziert. (4) Die Probe wird geladen. Die Prüfmaschine wird gestartet, die Spannung wird in Form einer gleichmäßigen Dehnung angelegt und die Belastung wird fortgesetzt, bis das Prüfstück vollständig gebrochen ist. Aufgezeichnet werden die Zugkraft F der Prüfmaschine, die Zugdehnung ε0 des Rundstahls und die Zugdehnung ε der Betonprobe. Die Zugkraft F0 der Betonprobe beträgt:

Schritte des axialen Zugversuchs.

In der obigen Formel bezeichnet E0 den Elastizitätsmodul des Rundstahls, A die beidseitige Querschnittsfläche des Rundstahls und ε0 die Zugdehnung des Rundstahls.

Die axiale Zugfestigkeit von Betonproben beträgt:

In der obigen Formel bezeichnet Ac die Querschnittsfläche in der Mitte der Betonprobe.

Basierend auf den oben genannten Testdaten werden die Zugfestigkeit, die Spitzenzugdehnung und die vollständige Prozesszugspannung/-dehnung von Polypropylenfaserbeton ermittelt.

Mit unserem selbst entwickelten Axialzugprüfgerät wurden 18 Gruppen von Axialzugversuchen an Faserbeton durchgeführt. Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Nummerierungsregeln für die Proben lauten wie folgt: PFRC steht für Polypropylenfaserbeton, und die ersten Zahlen 14, 28 und 60 nach PFRC geben das Aushärtealter der Proben mit 14 Tagen bzw. 28 Tagen an bzw. 60 Tage. Die zweiten Zahlen 0, 0,3, 0,6, 0,9, 1,2 und 1,5 stellen die Polypropylenfasergehalte von 0 kg/m3, 0,3 kg/m3, 0,6 kg/m3, 0,9 kg/m3, 1,2 kg/m3 und 1,5 kg/m3 dar , jeweils.

Wie in Abb. 6 dargestellt, liegt die Bruchstelle bei den meisten Proben in der zentralen Zugzone. Die Bruchfläche ist flach und im Wesentlichen senkrecht zur Achse der Proben. Auf der Bruchfläche sind keine groben Gesteinskörnungen hervorstehend. Bei einem Fasergehalt über 0,9 kg/m3 ist die gezogene Polypropylenfaser an der Bruchfläche zu beobachten. Das Änderungsgesetz der Betonzugfestigkeit mit dem Polypropylenfasergehalt ist in Abb. 7 dargestellt. Basierend auf der Zugfestigkeit von reinem Beton beträgt der Fasergehalt 0,3 kg/m3, 0,6 kg/m3, 0,9 kg/m3, 1,2 kg /m3 und 1,5 kg/m3 erhöht sich die Zugfestigkeit um 17 %, 27 %, 43 %, 38 % bzw. 29 %. Mit zunehmendem Fasergehalt steigt die Zugfestigkeit des Betons zunächst und sinkt dann. Bei einem Fasergehalt von 0,9 kg/m3 ist die Steigerung der Zugfestigkeit von Beton am deutlichsten.

Versagensart von Polypropylenfaserbeton.

Einfluss des Polypropylenfasergehalts auf die Zugfestigkeit.

Die gleichmäßig verteilten Polypropylenfasern verbinden die Schwachstelle zwischen der Zementmatrix und dem Zuschlagstoff. Wenn der Beton unter Spannung steht, teilen die Fasern einen Teil der Spannung, was die Zugfestigkeit des Betons verbessert. Da die Fasern im Beton ungerichtet verteilt sind, kommt es bei hohem Fasergehalt zum Phänomen der Faseragglomeration im Beton26, und an der Faserüberlappung treten Blasen und unregelmäßige Löcher auf, was wiederum die Wahrscheinlichkeit interner Defekte erhöht im Beton, wodurch die Zugfestigkeit des Betons verringert wird.

Der Einfluss des Aushärtealters auf die Zugfestigkeit von Beton ist in Abb. 8 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Zugfestigkeit von Polypropylenfaserbeton mit dem Aushärtealter monoton zunimmt und sich die Wachstumsrate dann bis zu einem gewissen Grad verlangsamt und konvergiert allmählich. Für dieses Phänomen gibt es zwei spezifische Gründe: Erstens ist die innere Hydratationsreaktion von Betonproben nach der Umformung intensiv und die Geschwindigkeit der frühen Festigkeitsentwicklung ist schneller. Im späteren Stadium der Aushärtung der Probe wird die Hydratationsreaktion allmählich schwächer und die Wachstumsrate der Betonfestigkeit verlangsamt sich, bis sie sich stabilisiert. Zweitens verbessert die Zugabe von Polypropylenfasern die innere Struktur des Betons, was zu vollständigeren Hydratationsreaktionen und einem schnellen Wachstum der Frühfestigkeit führt.

Einfluss des Aushärtealters auf die Zugfestigkeit von Beton.

Die Festigkeit von Polypropylenfaserbeton nimmt im Frühstadium schnell zu. Nach einer Aushärtezeit von 14 Tagen hat die Zugfestigkeit mehr als 90 % der Zugfestigkeit nach 28 Tagen erreicht. Wenn der Fasergehalt 0 kg/m3, 0,3 kg/m3, 0,6 kg/m3, 0,9 kg/m3, 1,2 kg/m3 und 1,5 kg/m3 beträgt, beträgt das Verhältnis von 14-Tage-Zugfestigkeit zu 28-Tage-Zugfestigkeit 0,904 , 0,901, 0,903, 0,933, 0,936 bzw. 0,936. Die Zugfestigkeit nach 60 Tagen erhöht sich nur geringfügig; Im Vergleich zur Zugfestigkeit nach 28 Tagen ist sie um 7,4 %, 2,3 %, 2,6 %, 4,2 %, 8,3 % bzw. 7,8 % erhöht. Die Zugfestigkeit von Beton mit unterschiedlichem Fasergehalt bleibt mit dem Aushärtealter stabil. Daher kann davon ausgegangen werden, dass die Zugfestigkeit von Polypropylenfaserbeton in den ersten 14 Tagen schnell ansteigt. Während dieses Zeitraums ist die Hydratationsreaktion im Beton intensiv, was den Schlüsselzeitraum für die Leistungsverbesserung von Beton darstellt. Nach 14 Tagen steigt die Zugfestigkeit von Polypropylenfaserbeton nicht wesentlich an und erreicht grundsätzlich Stabilität.

Die typischen Spannungs-Dehnungs-Kurven von Polypropylenfaserbeton und Normalbeton sind in Abb. 9 dargestellt. Die Nummern der beiden Kurven sind PFRC-28-0,9 und PFRC-28-0, entsprechend dem Beton mit einem Polypropylenfasergehalt von 0,9 kg/m3 bzw. ohne Polypropylenfaser. Der Grund für die Wahl von PFRC-28-0.9 liegt darin, dass bei einem Aushärtealter von 28 Tagen die mechanischen Eigenschaften des Betons am meisten verbessert werden, wenn der Gehalt an Polypropylenfasern 0,9 kg/m3 und die Spannungs-Dehnungs-Kurve der Probe 0,9 kg/m3 beträgt das glatteste und repräsentativste.

Vergleich des Zugverfahrens zwischen Faserbeton und Normalbeton.

Die Zugspannungs-Dehnungs-Kurve von Beton kann in die folgenden Phasen unterteilt werden: elastisches Spannungsstadium, Rissausbreitungsstadium, Fallstadium und Versagensstadium, um den gesamten Zugprozess von faserverstärktem Beton darzustellen.

Elastisches Spannungsstadium: Dies entspricht den Abschnitten OA und OE, in denen die Spannungs-Dehnungs-Kurve nahezu einer geraden Linie entspricht und die Spannungswachstumsrate schnell ist. Im OE-Stadium stehen die Polypropylenfaser und die Betonmatrix gemeinsam unter Spannung, sodass der Polypropylenfaserbeton eine größere Zugkraft aushalten kann als gewöhnlicher Beton.

Bruchausbreitungsstadium: Dies entspricht dem EF-Segment der Kurve und ist das Mikrorissentwicklungsstadium. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve erscheint bei E als Wendepunkt und die Steigung nimmt ab. Zu diesem Zeitpunkt weiten sich Mikrorisse im Beton allmählich aus und die Spannung nimmt zu. Mit der kontinuierlichen Erhöhung der Zugspannung entstehen in gewissem Umfang Mikrorisse und die Polypropylenfaser beginnt, Zugkräfte aufzunehmen, was die weitere Entstehung von Mikrorissen verhindert. Die Mikrorisse in der Probe verbinden sich nach und nach und dringen in den Hauptriss ein, der Kraftübertragungsweg im Beton nimmt ab und die Spannung der Probe nimmt ab. Zu diesem Zeitpunkt spielen die Polypropylenfasern hauptsächlich die Rolle der Rissfestigkeit. In diesem Stadium beginnt die Spannungs-Dehnungs-Kurve sanfter zu werden und die Spannungswachstumsrate wird beschleunigt. Im Vergleich zu Polypropylenfaserbeton weist gewöhnlicher Beton kein offensichtliches Rissausbreitungsstadium auf, und wenn die Zugspannung den Spitzenspannungswert erreicht, bildet sich schnell die Bruchfläche und die Zugkapazität geht verloren, was auch zur Spitzendehnung von gewöhnlichem Beton führt niedriger als der von Polypropylenfaserbeton. Einige Betonproben mit geringem Fasergehalt brechen nach Erreichen der Spitzenspannung auch schnell und zeigen keine offensichtliche Fallkurve. Dies liegt an dem geringen Ballaststoffgehalt. Darüber hinaus sind die Zugfestigkeit der Faser und die Verbundkraft mit dem Beton unzureichend, so dass die Verbesserung der Zugfestigkeit des Betons begrenzt ist.

Abstiegsphase: Dies entspricht den Stufen FG und AB der Spannungs-Dehnungs-Kurve. In diesem Stadium fällt die Spannungs-Dehnungs-Kurve von Polypropylenfaserbeton schwankend ab, da die Faser an der Bruchfläche nach Einwirkung der Zugkraft abgezogen bzw. herausgezogen wird. Allerdings ist die Fallstufe von gewöhnlichem Beton ohne die Rissfestigkeitswirkung von Polypropylenfasern annähernd linear und die Probe wird schnell zerstört.

Versagensstadium: Dies entspricht den GH- und CD-Stadien der Spannungs-Dehnungs-Kurve. Bei Polypropylenfaserbeton stellt Punkt G die Eigenspannung des Faserbetons dar. Nach Punkt G tritt die Spannungs-Dehnungs-Kurve in die Konvergenzphase ein, die Spannung nimmt auf das Minimum ab und ändert sich nicht, und die Dehnung steigt schnell an. Zu diesem Zeitpunkt ist die Probe vollständig zerstört und die meisten Fasern werden abgerissen oder herausgezogen. Gewöhnlicher Beton wird nach Punkt C vollständig abgezogen und die Spannung wird Null.

Abbildung 10 zeigt die Zugspannungs-Dehnungs-Kurve von 28 Tagen Polypropylenfaserbeton bei unterschiedlichen Fasergehalten. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve von gewöhnlichem Beton weist folgende Merkmale auf: Zu Beginn der Belastung dauert die Entwicklung von Mikrorissen länger, da es im Inneren keine Faserbeschränkung gibt, und der Entwicklungsgrad von Mikrorissen ist höher. Nach dem Ende der Mikrorissentwicklungsphase wird die Steigung der Kurve größer und die Spannung steigt schneller an. Nach Erreichen des Spitzenwerts findet kein langsamer Wachstumsprozess statt, der Riss entwickelt sich schnell und die Spannungs-Dehnungs-Kurve weist einen scharfen Punkt auf und nimmt dann im absteigenden Stadium linear ab.

Einfluss des Fasergehalts auf die Zugspannungs-Dehnungs-Kurve.

Wenn der Polypropylenfasergehalt im Vergleich zu gewöhnlichem Beton 0,3 kg/m3 und 0,6 kg/m3 beträgt, spiegelt sich der Einfluss des Fasergehalts auf die Form der Zugspannungs-Dehnungs-Kurve hauptsächlich in den folgenden Aspekten wider: dem Entwicklungsprozess von Mikrorissen im Das elastische Stadium ist offensichtlich kürzer, die Steigung der Kurve wird geringer und die Spitzendehnung nimmt zu. Die Duktilität des Betons wird durch die Hinzufügung der Faserdimension verbessert.

Wenn der Polypropylenfasergehalt 0,9 kg/m3, 1,2 kg/m3 und 1,5 kg/m3 beträgt, ist die Form der Spannungs-Dehnungs-Kurve sanfter, die Krümmung des Spitzenpunkts wird größer und die scharfe Spitze verschwindet. Es gibt ein relativ offensichtliches langsames Wachstum und einen langsamen Rückgang vor und nach Erreichen der Spitzenbelastung. In der absteigenden Phase gilt: Je höher der Fasergehalt, desto sanfter ist der abfallende Abschnitt der Spannungs-Dehnungs-Kurve, desto voller ist die Gesamtform der Kurve und desto stärker werden die Restfestigkeit und Dehnung verbessert. Die Restfestigkeit nimmt mit zunehmendem Fasergehalt geringfügig zu, wobei die Steigerung innerhalb von 0,2 MPa liegt. Wenn der Fasergehalt über 0,9 kg/m3 liegt, ist der Prozess der Spannungs-Dehnungs-Kurve von der Spitzenspannung bis zur endgültigen Konvergenz länger.

Die Bedeutung des Vergleichs des Axialzugversuchs mit dem Spaltzugversuch besteht darin, den Unterschied zwischen einem indirekten Zugversuch und einem direkten Zugversuch aufzuzeigen. Es zeigt die Grenzen des indirekten Tests, der durch den Spaltzugtest dargestellt wird, wohingegen das neue Testgerät und die neue Testmethode zuverlässiger sind und den tatsächlichen Spannungszustand von Beton widerspiegeln können.

Zur Zeit der Herstellung hantelförmiger Betonproben wurden auch Würfelproben mit dem gleichen Mischungsverhältnis und Fasergehalt hergestellt. Die Seitenlänge der Würfelprobe beträgt 150 mm und diese Probe wird zur Durchführung des Spaltzugversuchs verwendet.

Die Betonwürfelprobe wird aus der Aushärtungsbox entnommen, eine Linie wird an der Mittellinie der Ober- und Unterseite der Probe gezogen und die Position der Spaltfläche wird vorläufig bestimmt. Der Lichtbogenkissenblock ist auf der Universalprüfmaschine montiert. Um den Einfluss der Exzentrizität auf die Testergebnisse zu vermeiden, wird der bogenförmige Kissenblock an der Mittellinie der Ober- und Unterseite der Probe ausgerichtet. Die Probe wird mit gleicher Dehnung belastet, bis sie zerstört wird. Beim Trennen des Prüflings wird der Druck F der Prüfmaschine erfasst. Die Hauptschritte des Spaltzugversuchs sind in Abb. 11 dargestellt. Die Spaltzugfestigkeit von Beton kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

Schritte für den Spaltzugversuch von Beton.

In der obigen Formel bezeichnet fts die Spaltzugfestigkeit von Beton; F bezeichnet den Druck beim Spalten der Probe; A ist die geteilte Oberfläche des Prüfstücks. Die Spaltzugfestigkeit von Faserbeton ist in Tabelle 2 dargestellt.

Zur Prüfung der Zugfestigkeit wird derzeit häufig der Spaltzugversuch eingesetzt. Die Bedienung ist einfach und die Abweichung der Testergebnisse ist gering. Wie in Abb. 12 dargestellt, unterscheidet sich der Spaltzugversuch wesentlich vom Axialzugversuch. Beim axialen Zugversuch wird die Zugzone der Probe gleichmäßig beansprucht, es handelt sich also um einen echten Einweg-Zugzustand. Beim Spaltzugversuch ist der Spannungszustand an der Spaltfläche der Probe jedoch komplexer; Insbesondere ist die Spannungskonzentration im Kontaktbereich mit dem Lichtbogenkissenblock schwerwiegender. Die Spaltzugfestigkeit wird aus der Elastizitätstheorie27 abgeleitet, die nur einen ungefähren Ausdruck für die Zugfestigkeit von Materialien darstellt.

Vergleich von Axialzugversuch und Spaltzugversuch von Beton.

Beim Vergleich der Axialzugfestigkeit und der Spaltzugfestigkeit von Faserbeton zeigt sich, dass eine Abweichung zwischen den beiden Zugfestigkeiten besteht; Die Spaltzugfestigkeit ist unter den gleichen Bedingungen größer als die axiale Zugfestigkeit. Bei einem Aushärtealter von 14 Tagen ist der Unterschied zwischen den beiden Zugfestigkeiten unterschiedlich und liegt zwischen 0,17 und 0,67 MPa. Darüber hinaus nimmt der Unterschied mit zunehmendem Ballaststoffgehalt ab. Bei einem Aushärtealter von 28 Tagen ist der Unterschied zwischen den beiden Zugfestigkeiten mit etwa 0,5 MPa relativ durchschnittlich und wird nicht durch den Fasergehalt beeinflusst. Bei einem Aushärtealter von 60 Tagen ist der Unterschied zwischen den beiden Zugfestigkeiten relativ groß und beträgt im Durchschnitt 0,59 MPa. Beim Ballaststoffgehalt gibt es kein offensichtliches Änderungsgesetz. Das Änderungsgesetz der Differenz zwischen den beiden Zugfestigkeiten und dem Fasergehalt ist in Abb. 13 dargestellt.

Vergleich von Axialzugfestigkeit und Spaltzugfestigkeit.

Die Hauptgründe dafür, dass die Spaltzugfestigkeit im Allgemeinen höher ist als die Axialzugfestigkeit, sind folgende:

Die Formel für die Spaltzugfestigkeit wird unter der Annahme abgeleitet, dass Beton ein homogener idealer elastischer Körper ist. Allerdings ist die Größe der Sand- und Kieszuschlagstoffe im Beton zufällig verteilt. Beton ist ein heterogener Körper, der durch die Bindung von Zementstein und Zuschlagstoffen entsteht und kein idealer elastischer Körper ist. Dies führt zu einer Abweichung zwischen den theoretischen Ergebnissen und der tatsächlichen Festigkeit.

Beim Spaltzugversuch ist die Bruchfläche relativ fest. Es liegt immer auf der Mittellinie zwischen den oberen und unteren Polsterstreifen, dieser Abschnitt ist jedoch nicht unbedingt die schwache Oberfläche des Betons. Allerdings ist die Bruchfläche des axialen Zugversuchs ungewiss und der Riss tritt an einer schwachen Oberfläche der Zugzone in der Mitte der Probe auf. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass die axiale Zugfestigkeit geringer ist als die Spaltzugfestigkeit.

Die Herstellung und Aushärtung von Betonproben, die Verteilung und Dichte der Zuschlagstoffe, die Qualität der Rohstoffe, das Betonmischungsverhältnis und andere Prüfbedingungen können nicht völlig gleich sein. Die oben genannten Faktoren führen dazu, dass die tatsächlichen Test- und theoretischen Ableitungsergebnisse inkonsistent sind.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die durch den axialen Zugversuch gemessene Festigkeit die Zugfestigkeit von Beton unter einachsiger Spannung ist, was das direkteste und wahrste Ergebnis ohne theoretische Annahmen ist. Darüber hinaus ermöglicht es die Messung der Zugspannungs-Dehnungskurve von Beton, was mit dem Spaltzugversuch nicht möglich ist.

Um die bestehenden Probleme bei der axialen Zugprüfung von Beton zu lösen, wird in dieser Arbeit ein axiales Zugprüfgerät für Beton entwickelt. Es besteht aus drei Teilen: starrem Rahmen, sphärischem Scharnier und Abzieher sowie einem Teil zur Probenherstellung. Das Testgerät ist einfach zu installieren und zu demontieren und kann Exzentrizität im Testprozess effektiv beseitigen und Spannungskonzentrationsfehler vermeiden. In Kombination mit einer Universalprüfmaschine können die Zugfestigkeit, die Spitzenzugdehnung und die Zugspannungs-Dehnungs-Kurve von Beton genau gemessen werden.

Der Axialzugversuch von Polypropylenfaserbeton wurde mit dem neu entwickelten Axialzugversuchsgerät durchgeführt. Die Testergebnisse zeigen, dass mit zunehmendem Fasergehalt die Zugfestigkeit des Betons zunächst zunimmt und dann abnimmt. Bei einem Fasergehalt von 0,9 kg/m3 erreicht die Zugfestigkeit von Beton den Maximalwert. Je länger die Aushärtungszeit ist, desto höher ist die Zugfestigkeit von Polypropylenfaserbeton, während die Zugfestigkeit von Polypropylenfaserbeton nach einer Aushärtungszeit von mehr als 28 Tagen nicht zunimmt.

Gleichzeitig wurde der Spaltzugversuch von Beton unter gleichen Bedingungen durchgeführt. Im Vergleich zur axialen Zugfestigkeit ist die Spaltzugfestigkeit von Beton im Allgemeinen größer, die Streuung ist hoch und es gibt keine offensichtliche Regelmäßigkeit. Die Zugdehnung und Zugspannungs-Dehnungs-Kurven von Beton können nicht mit dem Spaltzugversuch gemessen werden. Die Anwendbarkeit des neu entwickelten Geräts im Zugversuch von Beton wird weiter überprüft.

Die Anwendung des neu entwickelten Prüfgeräts beschränkt sich nicht nur auf die Zugfestigkeitsprüfung von Beton, sondern auch auf die Prüfung der Zugfestigkeit anderer leicht formbarer Materialien. Daher ist das Testgerät vielseitig einsetzbar.

Die Autoren bestätigen, dass die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, im Artikel verfügbar sind.

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Diese Arbeit wurde von der Natural Science Foundation der Provinz Shandong (ZR2022ME060) und der National Natural Science Foundation of China (42172310) unterstützt.

Fakultät für Architektur und Ingenieurwesen, Liaocheng-Universität, Liaocheng, 252059, China

Xutao Zhang, Ruijie Yin und Chao Lou

Hochschule für Bauingenieurwesen, Shandong Jianzhu University, Jinan, 250101, China

Yunjuan Chen

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XZ und RY haben den Hauptmanuskripttext geschrieben. Von YC und CL vorbereitete Zahlen. Alle Autoren haben zur Überarbeitung des Manuskripts beigetragen, die eingereichte Version gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Xutao Zhang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhang, X., Yin, R., Chen, Y. et al. Experimentelle Untersuchung der axialen Zugeigenschaften von Polypropylenfaserbeton. Sci Rep 13, 16383 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-43723-5

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Eingegangen: 17. Juni 2023

Angenommen: 27. September 2023

Veröffentlicht: 29. September 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-43723-5

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