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Polymerbewehrter Beton (FVK) gilt als innovative und wirtschaftliche Methode der Bauwerksinstandsetzung.In dieser Studie wurden zwei typische Materialien [kohlefaserverstärktes Polymer (CFK) und glasfaserverstärktes Polymer (GFRP)] ausgewählt, um die verstärkende Wirkung von Beton in rauen Umgebungen zu untersuchen.Die Beständigkeit von FVK-haltigem Beton gegen Sulfatangriff und damit verbundene Frost-Tau-Wechsel wurde diskutiert.Elektronenmikroskopie zur Untersuchung der Oberflächen- und inneren Degradation von Beton während der konjugierten Erosion.Der Grad und Mechanismus der Natriumsulfatkorrosion wurden durch pH-Wert, SEM-Elektronenmikroskopie und EMF-Energiespektrum analysiert.Axiale Druckfestigkeitstests wurden verwendet, um die Bewehrung von FRP-beanspruchten Betonsäulen zu bewerten, und Spannungs-Dehnungs-Beziehungen wurden für verschiedene Methoden der FRP-Retention in einer erosiv gekoppelten Umgebung abgeleitet.Eine Fehleranalyse wurde durchgeführt, um experimentelle Testergebnisse unter Verwendung von vier bestehenden Vorhersagemodellen zu kalibrieren.Alle Beobachtungen weisen darauf hin, dass der Abbauprozess von FRP-eingeschränktem Beton unter konjugierten Spannungen komplex und dynamisch ist.Natriumsulfat erhöht zunächst die Festigkeit von Beton im Rohzustand.Nachfolgende Frost-Tau-Zyklen können jedoch die Betonrissbildung verschlimmern, und Natriumsulfat verringert die Festigkeit des Betons weiter, indem es die Rissbildung fördert.Es wird ein genaues numerisches Modell vorgeschlagen, um die Spannungs-Dehnungs-Beziehung zu simulieren, die für die Gestaltung und Bewertung des Lebenszyklus von Beton mit FVK von entscheidender Bedeutung ist.
Als innovative Betonbewehrungsmethode, die seit den 1970er Jahren erforscht wird, hat FRP die Vorteile von geringem Gewicht, hoher Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und bequemer Konstruktion1,2,3.Da die Kosten sinken, wird es immer häufiger in technischen Anwendungen wie Glasfaser (GFRP), Kohlefaser (CFK), Basaltfaser (BFRP) und Aramidfaser (AFRP), die die am häufigsten verwendeten FRP für die strukturelle Verstärkung sind4, 5 Die vorgeschlagene FRP-Rückhaltemethode kann die Betonleistung verbessern und einen vorzeitigen Zusammenbruch vermeiden.Verschiedene äußere Umgebungen im Maschinenbau beeinträchtigen jedoch häufig die Haltbarkeit von FVK-begrenztem Beton, wodurch seine Festigkeit beeinträchtigt wird.
Mehrere Forscher haben Spannungs- und Dehnungsänderungen in Beton mit unterschiedlichen Querschnittsformen und -größen untersucht.Yanget al.6 fanden heraus, dass die Höchstspannung und -dehnung positiv mit dem Wachstum der Fasergewebedicke korrelierten.Wu et al.7 erhielten Spannungs-Dehnungs-Kurven für glasfaserverstärkten Beton unter Verwendung verschiedener Fasertypen, um Bruchdehnungen und Belastungen vorherzusagen.Lin et al.8 fanden heraus, dass FVK-Spannungs-Dehnungs-Modelle für runde, quadratische, rechteckige und elliptische Stäbe ebenfalls stark voneinander abweichen, und entwickelten ein neues designorientiertes Spannungs-Dehnungs-Modell, das das Verhältnis von Breite und Eckenradius als Parameter verwendet.Lam et al.9 beobachteten, dass die ungleichmäßige Überlappung und Krümmung des FRP zu einer geringeren Bruchdehnung und Spannung im FRP führte als bei Plattenzugversuchen.Darüber hinaus haben Wissenschaftler partielle Beschränkungen und neue Beschränkungsmethoden gemäß unterschiedlichen Konstruktionsanforderungen der realen Welt untersucht.Wanget al.[10] führten axiale Druckversuche an Voll-, Teil- und uneingeschränktem Beton in drei begrenzten Modi durch.Es wurde ein „Spannungs-Dehnungs“-Modell entwickelt und die Beiwerte der Grenzwirkung für teilweise geschlossenen Beton angegeben.Wu et al.11 entwickelte eine Methode zur Vorhersage der Spannungs-Dehnungs-Abhängigkeit von FVK-Beton, die Größeneffekte berücksichtigt.Moran et al.12 bewerteten die axialen monotonen Druckeigenschaften von gespanntem Beton mit schraubenförmigen FRP-Streifen und leiteten seine Spannungs-Dehnungs-Kurven ab.Die obige Studie untersucht jedoch hauptsächlich den Unterschied zwischen teilweise umschlossenem Beton und vollständig umschlossenem Beton.Die Rolle von FRPs, die Betonquerschnitte teilweise begrenzen, wurde nicht im Detail untersucht.
Darüber hinaus bewertete die Studie die Leistung von FRP-eingeschränktem Beton in Bezug auf Druckfestigkeit, Dehnungsänderung, Anfangselastizitätsmodul und Dehnungsverfestigungsmodul unter verschiedenen Bedingungen.Tijani et al.13,14 fanden in FVK-Reparaturexperimenten an anfänglich geschädigtem Beton heraus, dass die Reparierbarkeit von FVK-begrenztem Beton mit zunehmender Schädigung abnimmt.Ma et al.[15] untersuchten die Auswirkungen von Anfangsschäden auf FVK-beanspruchte Betonstützen und stellten fest, dass die Auswirkung des Schadensgrades auf die Zugfestigkeit vernachlässigbar war, aber einen signifikanten Einfluss auf Quer- und Längsverformungen hatte.Cao et al.16 beobachtete Spannungs-Dehnungs-Kurven und Spannungs-Dehnungs-Hüllkurven von glasfaserverstärktem Beton, der von anfänglichen Schäden betroffen war.Neben Studien zum anfänglichen Betonversagen wurden auch einige Studien zur Dauerhaftigkeit von FVK-begrenztem Beton unter rauen Umweltbedingungen durchgeführt.Diese Wissenschaftler untersuchten den Abbau von FRP-eingeschränktem Beton unter rauen Bedingungen und verwendeten Techniken zur Schadensbewertung, um Abbaumodelle zur Vorhersage der Nutzungsdauer zu erstellen.Xieet al.17 platzierten Beton mit FVK in einer hydrothermalen Umgebung und stellten fest, dass hydrothermale Bedingungen die mechanischen Eigenschaften von FRP erheblich beeinflussten, was zu einer allmählichen Abnahme seiner Druckfestigkeit führte.In einer Säure-Base-Umgebung verschlechtert sich die Grenzfläche zwischen CFK und Beton.Mit zunehmender Tauchzeit nimmt die Freisetzungsrate der Zerstörungsenergie der CFK-Schicht deutlich ab, was letztlich zur Zerstörung von Grenzflächenproben führt18,19,20.Darüber hinaus haben einige Wissenschaftler auch die Auswirkungen des Einfrierens und Auftauens auf FVK-begrenzten Beton untersucht.Liu et al.21 stellten fest, dass CFK-Bewehrungsstäbe eine gute Haltbarkeit bei Frost-Tau-Zyklen aufweisen, basierend auf dem relativen dynamischen Modul, der Druckfestigkeit und dem Spannungs-Dehnungs-Verhältnis.Darüber hinaus wird ein Modell vorgeschlagen, das mit der Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften von Beton zusammenhängt.Allerdings berechneten Peng et al.22 die Lebensdauer von CFK- und Betonklebstoffen anhand von Temperatur- und Frost-Tau-Zyklus-Daten.Guanget al.23 führten schnelle Frost-Tau-Tests von Beton durch und schlugen ein Verfahren zur Bewertung der Frostbeständigkeit auf der Grundlage der Dicke der beschädigten Schicht unter Frost-Tau-Belastung vor.Yazdaniet al.24 untersuchten die Wirkung von GFK-Schichten auf das Eindringen von Chloridionen in Beton.Die Ergebnisse zeigen, dass die GFK-Schicht chemisch beständig ist und den inneren Beton von den äußeren Chloridionen isoliert.Liu et al.25 simulierten Schältestbedingungen für sulfatkorrodierten GFK-Beton, erstellten ein Gleitmodell und prognostizierten eine Verschlechterung der GFK-Beton-Grenzfläche.Wanget al.26 erstellte ein Spannungs-Dehnungs-Modell für FVK-beanspruchten sulfaterodierten Beton durch einachsige Druckversuche.Zhouet al.[27] untersuchten Schäden an ungespanntem Beton, die durch kombinierte Frost-Tau-Wechsel von Salz verursacht wurden, und verwendeten erstmals eine logistische Funktion zur Beschreibung des Versagensmechanismus.Diese Studien haben erhebliche Fortschritte bei der Bewertung der Dauerhaftigkeit von FVK-begrenztem Beton gemacht.Die meisten Forscher haben sich jedoch darauf konzentriert, erosive Medien unter einer ungünstigen Bedingung zu modellieren.Beton wird häufig aufgrund der damit verbundenen Erosion beschädigt, die durch verschiedene Umweltbedingungen verursacht wird.Diese kombinierten Umgebungsbedingungen verschlechtern die Leistungsfähigkeit von FRP-eingeschränktem Beton erheblich.
Sulfatierung und Frost-Tau-Wechsel sind zwei typische wichtige Parameter, die die Dauerhaftigkeit von Beton beeinflussen.Die FRP-Lokalisierungstechnologie kann die Eigenschaften von Beton verbessern.Es ist in Technik und Forschung weit verbreitet, hat aber derzeit seine Grenzen.Mehrere Studien haben sich auf die Beständigkeit von FVK-beschränktem Beton gegen Sulfatkorrosion in kalten Regionen konzentriert.Der Prozess der Erosion von vollständig umschlossenem, halbumschlossenem und offenem Beton durch Natriumsulfat und Frost-Tau-Wechsel verdient eine eingehendere Untersuchung, insbesondere die in diesem Artikel beschriebene neue halbumschlossene Methode.Die Bewehrungswirkung auf Betonstützen wurde ebenfalls untersucht, indem die Reihenfolge von FRP-Retention und -Erosion vertauscht wurde.Mikrokosmische und makroskopische Veränderungen in der Probe, die durch Bindungserosion verursacht wurden, wurden durch Elektronenmikroskop, pH-Test, SEM-Elektronenmikroskop, EMF-Energiespektrumanalyse und uniaxialen mechanischen Test charakterisiert.Darüber hinaus erörtert diese Studie die Gesetzmäßigkeiten der Spannungs-Dehnungs-Beziehung, die bei einachsigen mechanischen Prüfungen auftritt.Die experimentell verifizierten Grenzspannungs- und Dehnungswerte wurden durch Fehleranalyse anhand von vier bestehenden Grenzspannungs-Dehnungs-Modellen validiert.Das vorgeschlagene Modell kann die endgültige Dehnung und Festigkeit des Materials vollständig vorhersagen, was für die zukünftige FRP-Verstärkungspraxis nützlich ist.Schließlich dient es als konzeptionelle Grundlage für das FVK-Beton-Salzfrostbeständigkeitskonzept.
Diese Studie bewertet die Verschlechterung von FVK-begrenztem Beton durch Sulfatlösungskorrosion in Kombination mit Frost-Tau-Wechseln.Mikroskopische und makroskopische Veränderungen durch Betonerosion wurden mit Rasterelektronenmikroskopie, pH-Tests, EDS-Energiespektroskopie und einachsiger mechanischer Prüfung nachgewiesen.Darüber hinaus wurden die mechanischen Eigenschaften und Spannungs-Dehnungs-Änderungen von FVK-beanspruchtem Beton, der einer gebundenen Erosion ausgesetzt war, mit axialen Kompressionsexperimenten untersucht.
FRP Confined Concrete besteht aus Rohbeton, FRP-Außenhüllenmaterial und Epoxidkleber.Es wurden zwei Außenisolationsmaterialien ausgewählt: CFK und GFK, die Eigenschaften der Materialien sind in Tabelle 1 dargestellt. Als Klebstoffe wurden die Epoxidharze A und B verwendet (Mischungsverhältnis 2:1 nach Volumen).Reis.1 veranschaulicht die Einzelheiten der Konstruktion von Betonmischungsmaterialien.In Abbildung 1a wurde Portlandzement Swan PO 42,5 verwendet.Grobe Aggregate sind zerkleinerter Basaltstein mit einem Durchmesser von 5-10 bzw. 10-19 mm, wie in Abb.1b und c.Als Feinfüllstoff wird in Fig. 1g natürlicher Flusssand mit einem Feinheitsmodul von 2,3 verwendet.Bereiten Sie eine Lösung von Natriumsulfat aus dem Granulat aus wasserfreiem Natriumsulfat und einer bestimmten Menge Wasser vor.
Die Zusammensetzung der Betonmischung: a – Zement, b – Gesteinskörnung 5–10 mm, c – Gesteinskörnung 10–19 mm, d – Flusssand.
Die Bemessungsfestigkeit von Beton beträgt 30 MPa, was zu einer frischen Zementbetonsetzung von 40 bis 100 mm führt.Das Betonmischungsverhältnis ist in Tabelle 2 angegeben, und das Verhältnis von grobem Zuschlagstoff 5-10 mm und 10-20 mm beträgt 3:7.Die Auswirkung der Wechselwirkung mit der Umgebung wurde modelliert, indem zuerst eine 10%ige NaSO4-Lösung hergestellt und die Lösung dann in eine Gefrier-Tau-Wechselkammer gegossen wurde.
In einem 0,5 m3 Zwangsmischer wurden Betonmischungen hergestellt und die gesamte Betoncharge zum Verlegen der erforderlichen Proben verwendet.Zunächst werden die Betonzutaten gemäß Tabelle 2 aufbereitet und Zement, Sand und grobe Gesteinskörnung drei Minuten lang vorgemischt.Anschließend das Wasser gleichmäßig verteilen und 5 Minuten rühren.Anschließend wurden Betonproben in zylindrische Formen gegossen und auf einem Rütteltisch (Formdurchmesser 10 cm, Höhe 20 cm) verdichtet.
Nach 28-tägiger Aushärtung wurden die Proben mit GFK-Material umwickelt.In dieser Studie werden drei Methoden für Stahlbetonstützen erörtert, einschließlich vollständig umschlossener, halb eingespannter und uneingeschränkter Stützen.Für begrenzte Materialien werden zwei Typen, CFK und GFK, verwendet.GFK Vollständig geschlossene GFK-Betonschale, 20 cm hoch und 39 cm lang.Die Ober- und Unterseite des GFK-gebundenen Betons wurden nicht mit Epoxid versiegelt.Das halbhermetische Testverfahren als kürzlich vorgeschlagene luftdichte Technologie wird wie folgt beschrieben.
(2) Zeichnen Sie mit einem Lineal eine Linie auf der zylindrischen Betonoberfläche, um die Position der GFK-Streifen zu bestimmen, der Abstand zwischen den Streifen beträgt 2,5 cm.Wickeln Sie dann das Band um die Betonbereiche, wo kein GFK benötigt wird.
(3) Die Betonoberfläche wird mit Schleifpapier glattpoliert, mit Alkoholwolle abgewischt und mit Epoxidharz beschichtet.Kleben Sie dann die Glasfaserstreifen manuell auf die Betonoberfläche und drücken Sie die Lücken heraus, damit die Glasfaser vollständig auf der Betonoberfläche haftet und Luftblasen vermeidet.Abschließend die GFK-Streifen entsprechend den Markierungen mit dem Lineal von oben nach unten auf die Betonfläche kleben.
(4) Prüfen Sie nach einer halben Stunde, ob sich der Beton vom GFK getrennt hat.Wenn das FRP rutscht oder herausragt, sollte es sofort repariert werden.Geformte Proben müssen 7 Tage lang ausgehärtet werden, um die ausgehärtete Festigkeit zu gewährleisten.
(5) Verwenden Sie nach dem Aushärten ein Gebrauchsmesser, um das Klebeband von der Betonoberfläche zu entfernen, und erhalten Sie schließlich eine halbhermetische FRP-Betonsäule.
Die Ergebnisse unter verschiedenen Randbedingungen sind in Abb. 1 dargestellt.2. Abbildung 2a zeigt einen vollständig umschlossenen CFK-Beton, Abbildung 2b zeigt einen halbverallgemeinerten CFK-Beton, Abbildung 2c zeigt einen vollständig umschlossenen GFK-Beton und Abbildung 2d zeigt einen halbbefestigten CFK-Beton.
Geschlossene Ausführungen: (a) vollständig geschlossenes CFK;(b) halbgeschlossene Kohlefaser;(c) vollständig in Glasfaser eingeschlossen;(d) halbgeschlossenes Fiberglas.
Es gibt vier Hauptparameter, die dazu bestimmt sind, die Wirkung von FRP-Einschränkungen und Erosionssequenzen auf die Erosionsschutzleistung von Zylindern zu untersuchen.Tabelle 3 zeigt die Anzahl der Betonsäulenproben.Die Proben für jede Kategorie bestanden aus drei identischen Statusproben, um die Daten konsistent zu halten.Für alle experimentellen Ergebnisse in diesem Artikel wurde der Mittelwert von drei Proben analysiert.
(1) Luftdichtes Material wird als Kohlefaser oder Glasfaser klassifiziert.Es wurde die Wirkung zweier Fasertypen auf die Bewehrung von Beton verglichen.
(2) Eindämmungsmethoden für Betonsäulen werden in drei Typen unterteilt: vollständig begrenzt, halb begrenzt und unbegrenzt.Die Erosionsbeständigkeit von halbgeschlossenen Betonsäulen wurde mit zwei anderen Varianten verglichen.
(3) Die Erosionsbedingungen sind Gefrier-Tau-Zyklen plus Sulfatlösung, und die Anzahl der Gefrier-Tau-Zyklen beträgt 0, 50 bzw. 100 Mal.Die Auswirkung der gekoppelten Erosion auf FVK-gebundene Betonstützen wurde untersucht.
(4) Die Teststücke werden in drei Gruppen eingeteilt.Die erste Gruppe ist FRP-Umhüllung und dann Korrosion, die zweite Gruppe ist zuerst Korrosion und dann Umhüllung, und die dritte Gruppe ist zuerst Korrosion und dann Umhüllung und dann Korrosion.
Das experimentelle Verfahren verwendet eine Universalprüfmaschine, eine Zugprüfmaschine, eine Gefrier-Tau-Zyklus-Einheit (CDR-Z-Typ), ein Elektronenmikroskop, ein pH-Meter, einen Dehnungsmessstreifen, eine Verschiebungsvorrichtung, ein SEM-Elektronenmikroskop und ein EDS-Energiespektrumanalysator in dieser Studie.Die Probe ist eine Betonsäule von 10 cm Höhe und 20 cm Durchmesser.Der Beton wurde innerhalb von 28 Tagen nach dem Gießen und Verdichten ausgehärtet, wie in Abbildung 3a gezeigt.Alle Proben wurden nach dem Gießen entformt und 28 Tage lang bei 18–22°C und 95 % relativer Luftfeuchtigkeit aufbewahrt, und dann wurden einige Proben mit Glasfaser umwickelt.
Prüfverfahren: (a) Ausrüstung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur und Feuchtigkeit;(b) eine Gefrier-Tau-Zyklus-Maschine;(c) Universalprüfmaschine;(d) pH-Tester;(e) mikroskopische Beobachtung.
Das Gefrier-Tau-Experiment verwendet die Flash-Freeze-Methode, wie in Abbildung 3b gezeigt.Gemäß GB/T 50082-2009 „Dauerhaftigkeitsstandards für konventionellen Beton“ wurden Betonproben vor dem Einfrieren und Auftauen 4 Tage lang vollständig in eine 10-prozentige Natriumsulfatlösung bei 15–20 °C getaucht.Danach beginnt und endet der Sulfatangriff gleichzeitig mit dem Frost-Tau-Wechsel.Die Gefrier-Tau-Zykluszeit beträgt 2 bis 4 Stunden, und die Auftauzeit sollte nicht weniger als 1/4 der Zykluszeit betragen.Die Probenkerntemperatur sollte im Bereich von (-18±2) bis (5±2) °С gehalten werden.Der Übergang vom Einfrieren zum Auftauen sollte nicht länger als zehn Minuten dauern.Drei zylindrische identische Proben jeder Kategorie wurden verwendet, um den Gewichtsverlust und die pH-Änderung der Lösung über 25 Einfrier-Auftau-Zyklen zu untersuchen, wie in Fig. 3d gezeigt.Nach jeweils 25 Frost-Tau-Zyklen wurden die Proben entnommen und die Oberflächen gereinigt, bevor ihr Frischgewicht (Wd) bestimmt wurde.Alle Experimente wurden in dreifacher Ausführung der Proben durchgeführt, und die Durchschnittswerte wurden verwendet, um die Testergebnisse zu diskutieren.Die Formeln für den Masse- und Festigkeitsverlust der Probe werden wie folgt ermittelt:
In der Formel ist ΔWd der Gewichtsverlust (%) der Probe nach jeweils 25 Frost-Tau-Wechseln, W0 ist das durchschnittliche Gewicht der Betonprobe vor dem Frost-Tau-Wechsel (kg), Wd ist das durchschnittliche Betongewicht.Gewicht der Probe nach 25 Gefrier-Tau-Zyklen (kg).
Der Festigkeitsabbaukoeffizient der Probe wird durch Kd gekennzeichnet, und die Berechnungsformel lautet wie folgt:
In der Formel ist ΔKd die Festigkeitsverlustrate (%) der Probe nach jeweils 50 Frost-Tau-Wechseln, f0 ist die durchschnittliche Festigkeit der Betonprobe vor dem Frost-Tau-Wechsel (MPa), fd ist die durchschnittliche Festigkeit von die Betonprobe für 50 Frost-Tau-Wechsel (MPa).
Auf Abb.3c zeigt eine Druckprüfmaschine für Betonproben.Gemäß dem „Standard for Test Methods for the Physical and Mechanical Properties of Concrete“ (GBT50081-2019) ist ein Verfahren zur Prüfung von Betonstützen auf Druckfestigkeit definiert.Die Belastungsrate im Kompressionstest beträgt 0,5 MPa/s, und während des gesamten Tests wird eine kontinuierliche und sequentielle Belastung verwendet.Die Last-Verschiebungs-Beziehung für jede Probe wurde während der mechanischen Prüfung aufgezeichnet.Dehnungsmessstreifen wurden an den Außenflächen der Beton- und GFK-Schichten der Proben angebracht, um axiale und horizontale Dehnungen zu messen.Die Dehnungsmesszelle dient in der mechanischen Prüfung dazu, die Dehnungsänderung der Probe während einer Druckprüfung aufzuzeichnen.
Alle 25 Gefrier-Tau-Zyklen wurde eine Probe der Gefrier-Tau-Lösung entnommen und in einen Behälter gegeben.Auf Abb.3d zeigt einen pH-Test einer Probenlösung in einem Behälter.Die mikroskopische Untersuchung der Oberfläche und des Querschnitts der Probe unter Frost-Tau-Bedingungen ist in Fig. 3d gezeigt.Unter dem Mikroskop wurde der Zustand der Oberfläche verschiedener Proben nach 50 und 100 Gefrier-Tau-Wechseln in Sulfatlösung beobachtet.Das Mikroskop verwendet eine 400-fache Vergrößerung.Bei der Betrachtung der Oberfläche der Probe wird hauptsächlich die Erosion der GFK-Schicht und der äußeren Betonschicht beobachtet.Die Betrachtung des Querschnitts der Probe wählt im Wesentlichen die Erosionsbedingungen in einem Abstand von 5, 10 und 15 mm von der äußeren Schicht aus.Die Bildung von Sulfatprodukten und Frost-Tau-Zyklen erfordert weitere Tests.Daher wurde die modifizierte Oberfläche der ausgewählten Proben unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (REM) untersucht, das mit einem energiedispersiven Spektrometer (EDS) ausgestattet war.
Untersuchen Sie die Probenoberfläche visuell mit einem Elektronenmikroskop und wählen Sie eine 400-fache Vergrößerung.Der Grad der Oberflächenschädigung bei halbgeschlossenem und fugenlosem GFK-Beton bei Frost-Tau-Wechsel und Sulfatbelastung ist ziemlich hoch, während er bei vollständig geschlossenem Beton vernachlässigbar ist.Die erste Kategorie bezieht sich auf das Auftreten von Erosion von fließfähigem Beton durch Natriumsulfat und von 0 bis 100 Frost-Tau-Zyklen, wie in Abb. 4a gezeigt.Betonproben ohne Frosteinwirkung haben eine glatte Oberfläche ohne sichtbare Merkmale.Nach 50 Erosionen löste sich der Zellstoffblock an der Oberfläche teilweise ab, wodurch die weiße Schale des Zellstoffs freigelegt wurde.Nach 100 Erosionen fielen die Schalen der Lösungen bei einer Sichtprüfung der Betonoberfläche vollständig ab.Eine mikroskopische Untersuchung zeigte, dass die Oberfläche des durch Frost-Tau-Wechsel erodierten Betons glatt war und der Oberflächenzuschlagstoff und der Mörtel in derselben Ebene lagen.Auf einer durch 50 Frost-Tau-Wechsel erodierten Betonoberfläche wurde eine unebene, raue Oberfläche beobachtet.Dies lässt sich dadurch erklären, dass ein Teil des Mörtels zerstört wird und eine kleine Menge weißer körniger Kristalle an der Oberfläche haften bleibt, die hauptsächlich aus Zuschlag, Mörtel und weißen Kristallen besteht.Nach 100 Frost-Tau-Wechseln erschien ein großer Bereich weißer Kristalle auf der Betonoberfläche, während der dunkle grobe Zuschlagstoff der äußeren Umgebung ausgesetzt war.Derzeit besteht die Betonoberfläche hauptsächlich aus freigelegten Zuschlagstoffen und weißen Kristallen.
Morphologie einer erosiven Frost-Tau-Betonsäule: (a) uneingeschränkte Betonsäule;(b) halbgeschlossener kohlefaserverstärkter Beton;(c) halbgeschlossener GFK-Beton;(d) vollständig umschlossener CFK-Beton;(e) GFK-Beton halbgeschlossener Beton.
Die zweite Kategorie ist die Korrosion von halbhermetischen CFK- und GFK-Betonstützen unter Frost-Tau-Wechseln und Sulfatbelastung, wie in Abb. 4b, c dargestellt.Die visuelle Untersuchung (1-fache Vergrößerung) zeigte, dass sich allmählich ein weißes Pulver auf der Oberfläche der Faserschicht bildete, das mit zunehmender Anzahl von Gefrier-Tau-Zyklen schnell abfiel.Die uneingeschränkte Oberflächenerosion von halbhermetischem GFK-Beton verstärkte sich mit zunehmender Anzahl von Frost-Tau-Wechseln.Das sichtbare Phänomen des „Aufblähens“ (die offene Oberfläche der Lösung der Betonsäule steht kurz vor dem Zusammenbruch).Das Ablösephänomen wird jedoch teilweise durch die angrenzende Kohlefaserbeschichtung behindert).Unter dem Mikroskop erscheinen synthetische Kohlenstofffasern bei 400-facher Vergrößerung als weiße Fäden auf schwarzem Hintergrund.Aufgrund der runden Form der Fasern und ungleichmäßiger Lichteinstrahlung erscheinen sie weiß, die Kohlefaserbündel selbst sind jedoch schwarz.Fiberglas ist zunächst weiß, fadenförmig, aber bei Kontakt mit dem Klebstoff wird es transparent und der Zustand des Betons innerhalb des Fiberglases ist deutlich sichtbar.Das Fiberglas ist hellweiß und das Bindemittel ist gelblich.Beide haben eine sehr helle Farbe, sodass die Farbe des Klebers die Glasfaserstränge verdeckt und dem Gesamtbild einen gelblichen Farbton verleiht.Die Carbon- und Glasfasern werden durch ein externes Epoxidharz vor Beschädigungen geschützt.Als die Zahl der Frost-Tau-Angriffe zunahm, wurden mehr Hohlräume und einige weiße Kristalle auf der Oberfläche sichtbar.Mit zunehmendem Sulfat-Gefrierzyklus wird das Bindemittel allmählich dünner, die gelbliche Farbe verschwindet und die Fasern werden sichtbar.
Die dritte Kategorie ist die Korrosion von vollständig umschlossenem CFK- und GFK-Beton unter Frost-Tau-Wechsel und Einwirkung von Sulfaten, wie in Abb. 4d, z.Auch hier ähneln die beobachteten Ergebnisse denen für den zweiten Typ des Zwangsabschnitts der Betonstütze.
Vergleichen Sie die Phänomene, die nach Anwendung der drei oben beschriebenen Eindämmungsmethoden beobachtet wurden.Das Fasergewebe im vollgedämmten GFK-Beton bleibt auch bei steigender Anzahl von Frost-Tau-Wechseln stabil.Andererseits ist die Haftringschicht an der Oberfläche dünner.Epoxidharze reagieren in Schwefelsäure mit offenem Ring hauptsächlich mit aktiven Wasserstoffionen und kaum mit Sulfaten28.Somit kann davon ausgegangen werden, dass die Erosion hauptsächlich die Eigenschaften der Klebeschicht infolge von Frost-Tau-Wechseln verändert und dadurch die Verstärkungswirkung von FVK verändert.Die Betonoberfläche von halbhermetischem FRP-Beton weist das gleiche Erosionsphänomen auf wie eine uneingeschränkte Betonoberfläche.Seine GFK-Schicht entspricht der GFK-Schicht aus vollständig umschlossenem Beton, und die Beschädigung ist nicht offensichtlich.Bei halbversiegeltem GFK-Beton treten jedoch ausgedehnte Erosionsrisse im Schnittpunkt der Faserstreifen mit dem Sichtbeton auf.Die Erosion von Sichtbetonoberflächen wird mit zunehmender Anzahl von Frost-Tau-Wechseln stärker.
Die Innenräume von vollständig geschlossenem, halbgeschlossenem und uneingeschränktem FRP-Beton zeigten signifikante Unterschiede, wenn sie Frost-Tau-Wechseln und Sulfatlösungen ausgesetzt wurden.Die Probe wurde quer geschnitten und der Querschnitt wurde unter Verwendung eines Elektronenmikroskops bei 400-facher Vergrößerung betrachtet.Auf Abb.5 zeigt mikroskopische Aufnahmen in einem Abstand von 5 mm, 10 mm bzw. 15 mm von der Grenze zwischen Beton und Mörtel.Es wurde beobachtet, dass bei Kombination von Natriumsulfatlösung mit Frost-Tau-Wechsel Betonschäden zunehmend von der Oberfläche ins Innere abgebaut werden.Da die inneren Erosionsbedingungen von CFK- und GFK-betoniertem Beton gleich sind, werden in diesem Abschnitt die beiden Eindämmungsmaterialien nicht verglichen.
Mikroskopische Betrachtung des Inneren des Betonabschnitts der Säule: (a) vollständig durch Glasfaser begrenzt;(b) halbgeschlossen mit Fiberglas;(c) unbegrenzt.
Die innere Erosion von vollständig umschlossenem GFK-Beton ist in Abb. 2 dargestellt.5a.Risse sind bei 5 mm sichtbar, die Oberfläche ist relativ glatt, es gibt keine Kristallisation.Die Oberfläche ist glatt, ohne Kristalle, 10 bis 15 mm dick.Die innere Erosion von halbhermetischem GFK-Beton ist in Abb. 2 dargestellt.5 B. Risse und weiße Kristalle sind bei 5 mm und 10 mm sichtbar, und die Oberfläche ist bei 15 mm glatt.Abbildung 5c ​​zeigt Abschnitte von Beton-GFK-Säulen, bei denen Risse bei 5, 10 und 15 mm gefunden wurden.Ein paar weiße Kristalle in den Rissen wurden immer seltener, je mehr sich die Risse von der Außenseite des Betons nach innen bewegten.Endlose Betonsäulen zeigten die stärkste Erosion, gefolgt von halbbeanspruchten FRP-Betonsäulen.Natriumsulfat hatte über 100 Gefrier-Tau-Wechsel wenig Einfluss auf das Innere von vollständig eingeschlossenen GFK-Betonproben.Dies weist darauf hin, dass die Hauptursache für die Erosion von vollständig eingeschränktem FRP-Beton die damit verbundene Frost-Tau-Erosion über einen bestimmten Zeitraum ist.Die Betrachtung des Querschnitts zeigte, dass der Schnitt unmittelbar vor dem Einfrieren und Auftauen glatt und frei von Aggregaten war.Wenn der Beton gefriert und auftaut, sind Risse sichtbar, das gleiche gilt für Zuschlagstoffe, und die weißen körnigen Kristalle sind dicht mit Rissen bedeckt.Studien27 haben gezeigt, dass beim Einbringen von Beton in eine Natriumsulfatlösung Natriumsulfat in den Beton eindringt, von denen einige als Natriumsulfatkristalle ausfallen und andere mit Zement reagieren.Natriumsulfatkristalle und Reaktionsprodukte sehen aus wie weiße Körnchen.
FRP begrenzt Betonrisse bei konjugierter Erosion vollständig, aber der Abschnitt ist glatt ohne Kristallisation.Andererseits haben halbgeschlossene und uneingeschränkte FRP-Betonabschnitte interne Risse und Kristallisation unter konjugierter Erosion entwickelt.Der Fugenerosionsprozess von uneingeschränktem und halbbeschränktem FVK-Beton wird gemäß der Bildbeschreibung und vorangegangenen Untersuchungen29 in zwei Phasen eingeteilt.Die erste Phase der Betonrissbildung ist mit der Ausdehnung und Kontraktion während des Frost-Tau-Wechsels verbunden.Wenn Sulfat in den Beton eindringt und sichtbar wird, füllt das entsprechende Sulfat Risse, die durch Schrumpfung durch Frost-Tau- und Hydratationsreaktionen entstanden sind.Daher hat Sulfat schon im frühen Stadium eine besondere Schutzwirkung auf Beton und kann die mechanischen Eigenschaften von Beton bis zu einem gewissen Grad verbessern.Die zweite Stufe des Sulfatangriffs setzt sich fort, dringt in Risse oder Hohlräume ein und reagiert mit dem Zement, um Alaun zu bilden.Dadurch vergrößert sich der Riss und verursacht Schäden.Während dieser Zeit werden die mit dem Einfrieren und Auftauen verbundenen Expansions- und Kontraktionsreaktionen die inneren Schäden des Betons verschlimmern, was zu einer Verringerung der Tragfähigkeit führt.
Auf Abb.6 zeigt die pH-Änderungen von Betonimprägnierlösungen für drei begrenzte Verfahren, die nach 0, 25, 50, 75 und 100 Gefrier-Tau-Zyklen überwacht wurden.Uneingeschränkte und halbgeschlossene GFK-Betonmörtel zeigten den schnellsten pH-Anstieg von 0 auf 25 Frost-Tau-Wechsel.Ihre pH-Werte stiegen von 7,5 auf 11,5 bzw. 11,4.Als die Anzahl der Gefrier-Tau-Zyklen zunahm, verlangsamte sich der pH-Anstieg allmählich nach 25–100 Gefrier-Tau-Zyklen.Ihre pH-Werte stiegen von 11,5 bzw. 11,4 auf 12,4 bzw. 11,84.Da der vollflächig gebundene GFK-Beton die GFK-Schicht überdeckt, kann Natriumsulfatlösung nur schwer eindringen.Gleichzeitig ist es für die Zementzusammensetzung schwierig, in externe Lösungen einzudringen.Somit stieg der pH zwischen 0 und 100 Gefrier-Tau-Zyklen allmählich von 7,5 auf 8,0 an.Der Grund für die pH-Änderung wird wie folgt analysiert.Das Silikat im Beton verbindet sich mit Wasserstoffionen im Wasser zu Kieselsäure, und das verbleibende OH- erhöht den pH-Wert der gesättigten Lösung.Die pH-Änderung war zwischen 0-25 Gefrier-Tau-Zyklen ausgeprägter und zwischen 25-100 Gefrier-Tau-Zyklen weniger ausgeprägt30.Allerdings wurde hier festgestellt, dass der pH-Wert nach 25–100 Gefrier-Tau-Zyklen weiter ansteigt.Dies lässt sich dadurch erklären, dass Natriumsulfat mit dem Inneren des Betons chemisch reagiert und den pH-Wert der Lösung verändert.Die Analyse der chemischen Zusammensetzung zeigt, dass Beton auf folgende Weise mit Natriumsulfat reagiert.
Die Formeln (3) und (4) zeigen, dass Natriumsulfat und Calciumhydroxid in Zement Gips (Calciumsulfat) bilden und Calciumsulfat weiter mit Calciummetaaluminat in Zement reagiert, um Alaunkristalle zu bilden.Reaktion (4) wird von der Bildung von basischem OH- begleitet, was zu einer Erhöhung des pH-Werts führt.Da diese Reaktion reversibel ist, steigt der pH-Wert zu einem bestimmten Zeitpunkt an und ändert sich langsam.
Auf Abb.7a zeigt den Gewichtsverlust von vollständig umschlossenem, halbumschlossenem und ineinandergreifendem GFK-Beton während Frost-Tau-Zyklen in Sulfatlösung.Die offensichtlichste Änderung des Massenverlusts ist uneingeschränkter Beton.Uneingeschränkter Beton verlor etwa 3,2 % seiner Masse nach 50 Frost-Tau-Angriffen und etwa 3,85 % nach 100 Frost-Tau-Angriffen.Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss der konjugierten Erosion auf die Qualität von Fließbeton mit zunehmender Anzahl von Frost-Tau-Wechseln abnimmt.Bei Betrachtung der Oberfläche der Probe wurde jedoch festgestellt, dass der Mörtelverlust nach 100 Frost-Tau-Wechseln größer war als nach 50 Frost-Tau-Wechseln.In Kombination mit den Untersuchungen im vorherigen Abschnitt kann die Hypothese aufgestellt werden, dass das Eindringen von Sulfaten in Beton zu einer Verlangsamung des Masseverlusts führt.In der Zwischenzeit führen auch intern erzeugter Alaun und Gips zu einem langsameren Gewichtsverlust, wie durch die chemischen Gleichungen (3) und (4) vorhergesagt.
Gewichtsänderung: (a) Beziehung zwischen Gewichtsänderung und Anzahl der Gefrier-Tau-Wechsel;(b) Zusammenhang zwischen Massenänderung und pH-Wert.
Die Änderung des Gewichtsverlusts von halbhermetischem FRP-Beton nimmt zuerst ab und steigt dann an.Nach 50 Frost-Tau-Wechseln beträgt der Massenverlust von halbhermetischem Glasfaserbeton etwa 1,3 %.Der Gewichtsverlust nach 100 Zyklen betrug 0,8 %.Daraus kann geschlossen werden, dass Natriumsulfat in fließfähigen Beton eindringt.Außerdem zeigte die Beobachtung der Oberfläche des Teststücks auch, dass die Faserstreifen dem Ablösen des Mörtels in einem offenen Bereich widerstehen konnten, wodurch der Gewichtsverlust verringert wurde.
Die Änderung des Masseverlusts von vollständig eingeschlossenem GFK-Beton unterscheidet sich von den ersten beiden.Masse verliert nicht, sondern fügt hinzu.Nach 50 Frost-Tau-Erosionen nahm die Masse um etwa 0,08 % zu.Nach 100 Mal nahm seine Masse um etwa 0,428 % zu.Da der Beton vollständig gegossen wird, löst sich der Mörtel auf der Betonoberfläche nicht und es ist unwahrscheinlich, dass es zu Qualitätsverlusten kommt.Andererseits verbessert auch das Eindringen von Wasser und Sulfaten von der inhaltsreichen Oberfläche in das Innere des inhaltsarmen Betons die Qualität des Betons.
Zuvor wurden mehrere Studien über die Beziehung zwischen pH-Wert und Masseverlust in FRP-eingeschränktem Beton unter erosiven Bedingungen durchgeführt.Der größte Teil der Forschung diskutiert hauptsächlich die Beziehung zwischen Massenverlust, Elastizitätsmodul und Festigkeitsverlust.Auf Abb.7b zeigt die Beziehung zwischen Beton-pH und Masseverlust unter drei Randbedingungen.Es wird ein Vorhersagemodell vorgeschlagen, um den Massenverlust von Beton unter Verwendung von drei Retentionsmethoden bei unterschiedlichen pH-Werten vorherzusagen.Wie in Abbildung 7b zu sehen ist, ist der Pearson-Koeffizient hoch, was darauf hindeutet, dass tatsächlich eine Korrelation zwischen dem pH-Wert und dem Massenverlust besteht.Die r-Quadrat-Werte für uneingeschränkten, halb eingeschränkten und vollständig eingeschränkten Beton betrugen 0,86, 0,75 bzw. 0,96.Dies weist darauf hin, dass die pH-Änderung und der Gewichtsverlust von vollständig isoliertem Beton sowohl unter Sulfat- als auch unter Frost-Tau-Bedingungen relativ linear sind.In uneingeschränktem Beton und halbhermetischem GFK-Beton steigt der pH-Wert allmählich an, wenn der Zement mit der wässrigen Lösung reagiert.Dadurch wird die Betonoberfläche nach und nach zerstört, was zur Schwerelosigkeit führt.Andererseits ändert sich der pH-Wert von vollständig umschlossenem Beton kaum, da die FRP-Schicht die chemische Reaktion des Zements mit der Wasserlösung verlangsamt.Somit gibt es bei einem vollständig umschlossenen Beton keine sichtbare Oberflächenerosion, aber er nimmt aufgrund der Sättigung aufgrund der Absorption von Sulfatlösungen an Gewicht zu.
Auf Abb.8 zeigt die Ergebnisse eines SEM-Scans von Proben, die mit Natriumsulfat-Gefrier-Tau geätzt wurden.Elektronenmikroskopisch wurden Proben untersucht, die aus Blöcken entnommen wurden, die aus der äußeren Schicht von Betonsäulen entnommen wurden.Abbildung 8a ist ein Rasterelektronenmikroskopbild von nicht umschlossenem Beton vor der Erosion.Es wird angemerkt, dass es viele Löcher auf der Oberfläche der Probe gibt, die die Festigkeit der Betonsäule selbst vor dem Frost-Tauen beeinträchtigen.Auf Abb.8b zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer vollisolierten GFK-Betonprobe nach 100 Frost-Tau-Wechseln.Risse in der Probe durch Einfrieren und Auftauen können erkannt werden.Allerdings ist die Oberfläche relativ glatt und es befinden sich keine Kristalle darauf.Daher sind ungefüllte Risse besser sichtbar.Auf Abb.8c zeigt eine Probe von halbhermetischem GFK-Beton nach 100 Frosterosionszyklen.Es ist klar, dass sich die Risse erweiterten und sich zwischen den Rissen Körner bildeten.Einige dieser Partikel lagern sich an Rissen an.Ein SEM-Scan einer Probe einer unbeschränkten Betonsäule ist in Abbildung 8d gezeigt, ein Phänomen, das mit einer Halbbeschränkung übereinstimmt.Um die Zusammensetzung der Partikel weiter aufzuklären, wurden die Partikel in den Rissen weiter vergrößert und mittels EDS-Spektroskopie analysiert.Partikel kommen grundsätzlich in drei verschiedenen Formen vor.Gemäß der Energiespektrumanalyse ist der erste Typ, wie in Abbildung 9a gezeigt, ein regelmäßiger Blockkristall, der hauptsächlich aus O, S, Ca und anderen Elementen besteht.Durch Kombinieren der vorherigen Formeln (3) und (4) kann bestimmt werden, dass die Hauptkomponente des Materials Gips (Calciumsulfat) ist.Der zweite ist in Abbildung 9b dargestellt;laut Energiespektrumanalyse ist es ein nadelförmiges, ungerichtetes Objekt, und seine Hauptbestandteile sind O, Al, S und Ca.Kombinationsrezepte zeigen, dass das Material hauptsächlich aus Alaun besteht.Der dritte Block, der in Fig. 9c gezeigt wird, ist ein unregelmäßiger Block, der durch Energiespektrumanalyse bestimmt wurde und hauptsächlich aus den Komponenten O, Na und S besteht. Es stellte sich heraus, dass dies hauptsächlich Natriumsulfatkristalle waren.Rasterelektronenmikroskopie zeigte, dass die meisten Hohlräume mit Natriumsulfatkristallen gefüllt waren, wie in Abbildung 9c gezeigt, zusammen mit kleinen Mengen an Gips und Alaun.
Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Proben vor und nach Korrosion: (a) offener Beton vor Korrosion;(b) nach der Korrosion ist das Fiberglas vollständig versiegelt;(c) nach Korrosion von halbgeschlossenem GFK-Beton;(d) nach Korrosion von offenem Beton.
Die Analyse erlaubt uns, die folgenden Schlussfolgerungen zu ziehen.Die elektronenmikroskopischen Bilder der drei Proben waren alle 1k× und Risse und Erosionsprodukte wurden gefunden und in den Bildern beobachtet.Uneingeschränkter Beton hat die breitesten Risse und enthält viele Körner.GFK-Halbdruckbeton ist drucklosem Beton in Bezug auf Rissbreite und Partikelanzahl unterlegen.Vollständig geschlossener GFK-Beton hat die kleinste Rissbreite und keine Partikel nach Frost-Tau-Erosion.All dies deutet darauf hin, dass vollständig eingeschlossener GFK-Beton am wenigsten anfällig für Erosion durch Frost und Tauwetter ist.Chemische Prozesse in halbgeschlossenen und offenen GFK-Betonsäulen führen zur Bildung von Alaun und Gips, und das Eindringen von Sulfat beeinflusst die Porosität.Während Frost-Tau-Wechsel die Hauptursache für Betonrisse sind, füllen Sulfate und ihre Produkte einige der Risse und Poren überhaupt erst auf.Mit zunehmender Menge und Zeit der Erosion dehnen sich die Risse jedoch weiter aus und das Volumen des gebildeten Alauns nimmt zu, was zu Extrusionsrissen führt.Letztendlich wird die Stärke der Säule durch Frost-Tau-Wechsel und Sulfat-Exposition verringert.