Untersuchung der Sulfaterosion an FRP

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 10839 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Faserverstärkter Polymerbeton (FRP) gilt als innovativer und wirtschaftlicher Ansatz für die Sanierung von Bauwerken. In dieser Studie werden zwei typische Materialien [kohlenstofffaserverstärktes Polymer (CFRP) und glasfaserverstärktes Polymer (GFRP)] ausgewählt, um die Betonverstärkungswirkung in einer rauen Umgebung zu untersuchen. Die Widerstandsfähigkeit von FRP-begrenztem Beton wird diskutiert, wenn er einer gekoppelten Erosion zwischen Sulfaterosion und Gefrier-Tau-Zyklen ausgesetzt wird. Elektronenmikroskopie untersucht die Oberflächen- und Innenzerstörung von Beton während der gekoppelten Erosion. Der Korrosionsgrad und das Prinzip von Natriumsulfat werden mithilfe des pH-Werts, des REM-Elektronenmikroskops und des EDS-Energiespektrums analysiert. Der axiale Druckfestigkeitstest wird verwendet, um die Bewehrung der FRP-begrenzten Betonsäule zu bewerten und die Spannungs-Dehnungs-Beziehung für verschiedene FRP-begrenzte Techniken in einer gekoppelten Erosionsumgebung zu ermitteln. Die Fehleranalyse wird durchgeführt, um das experimentelle Testergebnis mithilfe von vier vorhandenen Vorhersagemodellen zu kalibrieren. Alle Beobachtungen deuten darauf hin, dass der Alterungsprozess von FRP-begrenztem Beton kompliziert und dynamisch unter gekoppelten Effekten verläuft. Natriumsulfat erhöht zunächst die Anfangsfestigkeit von Beton. Nachfolgende Frost-Tau-Wechsel können jedoch Betonbrüche verschlimmern, während Natriumsulfat die Festigkeit des Betons durch die Rissbildung weiter verschlechtert. Es wird ein präzises numerisches Modell vorgestellt, um die Spannungs-Dehnungs-Beziehung zu simulieren, die für die Konstruktion und Ökobilanz von FRP-begrenztem Beton von entscheidender Bedeutung ist.

Als innovative Methode zur Betonverstärkung, die seit den 1970er Jahren erforscht wird, bietet FRP die Vorteile eines geringen Gewichts, einer hohen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und einer einfachen Bauweise1,2,3. Da die Kosten sinken, wird es in technischen Anwendungen immer häufiger verwendet, beispielsweise Glasfaser (GFRP), Kohlefaser (CFRP), Basaltfaser (BFRP) und Aramidfaser (AFRP), die am häufigsten zur strukturellen Verstärkung verwendeten FRP4. 5. Die vorgeschlagene FRP-beschränkte Technik kann die Betonleistung steigern und einen vorzeitigen Zusammenbruch verhindern. Verschiedene äußere Umgebungen im Ingenieurwesen beeinträchtigen jedoch häufig die Haltbarkeit von FRP-beschränktem Beton, was zu einem Festigkeitsverlust führt.

Einige Forscher haben die konkreten Spannungs-Dehnungs-Variationsgesetze mit verschiedenen Querschnittsformen und -größen untersucht. Yan et al.6 fanden heraus, dass die ultimative Spannung und Dehnung, die positiv mit der Dicke des Fasergewebes zusammenhängt, zunimmt. Wu et al.7 ermittelten Spannungs-Dehnungs-Kurven für FRP-beschränkten Beton unter Verwendung verschiedener Fasertypen, um die endgültige Dehnung und Belastung vorherzusagen. Lin et al.8 entdeckten, dass die FRP-Spannungs-Dehnungs-Modelle für kreisförmige, quadratische, rechteckige und elliptische Stäbe ebenfalls sehr unterschiedlich sind und entwickelten ein neuartiges, designorientiertes Spannungs-Dehnungs-Modell, das Breitenverhältnis und Eckenradius als Parameter verwendet. Lam et al.9 beobachteten, dass die ungleichmäßige Überlappungsverbindung von FRP und die Krümmung dazu beitragen, dass die Bruchdehnung und -spannung von FRP geringer ist als im Plattenzugversuch. Darüber hinaus haben Wissenschaftler die teilweise Eingrenzung und neuartige begrenzte Techniken auf der Grundlage der unterschiedlichen Anforderungen in praktischen Projekten untersucht. Wang et al.10 führten axiale Kompressionstests für drei begrenzte Modi durch, darunter vollständiger, teilweiser und nicht begrenzter Beton. Es wird ein Spannungs-Dehnungs-Modell entwickelt, das Einschlusseffektkoeffizienten für teilweise eingeschlossenen Beton liefert. Wu et al.11 entwickelten eine Methode zur Vorhersage der Spannungs-Dehnungs-Beziehung von FRP-begrenztem Beton, die den Einfluss der Größe berücksichtigt. Moran et al.12 bewerteten die axiale monotone Druckleistung von begrenztem Beton mit spiralförmigen FRP-Streifen und ermittelten die Spannungs-Dehnungs-Kurve. Die oben genannten Untersuchungen untersuchen jedoch hauptsächlich den Unterschied zwischen teilweise und vollständig begrenztem Beton. Die Wirkung der verschiedenen Teile des teilweise eingeschlossenen FRP-Betons wurde nicht im Detail untersucht.

Darüber hinaus wurde in Studien auch die Wirksamkeit von FRP-begrenztem Beton unter verschiedenen Bedingungen hinsichtlich Druckfestigkeit, Dehnungsänderung, anfänglichem Elastizitätsmodul und Kaltverfestigungsmodul bewertet. Tijani et al.13,14 fanden heraus, dass die Reparaturfähigkeit von FRP-begrenztem Beton mit zunehmendem Schadensgrad durch FRP-Reparaturexperimente an anfänglich beschädigtem Beton abnahm. Ma et al.15 untersuchten die Auswirkung der anfänglichen Beschädigung von FRP-beschränkten Betonsäulen und gingen davon aus, dass der Schadensgrad einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Endfestigkeit und einen erheblichen Einfluss auf die seitliche und längsgerichtete Dehnung hatte. Cao et al.16 beobachteten jedoch die Spannungs-Dehnungs- und Hüllkurven-Spannungs-Dehnungs-Kurven von FRP-beschränktem Beton unter dem Einfluss anfänglicher Schäden. Zusätzlich zur Untersuchung des anfänglichen Schadenszustands des Betons sind auch einige Studien zur Haltbarkeit von FRP-begrenztem Beton unter rauen Umweltbedingungen erschienen. Diese Wissenschaftler untersuchten die Zersetzung von FRP-begrenztem Beton in rauen Umgebungen und nutzten Methoden zur Schadensbewertung, um Degradationsmodelle zur Vorhersage der Lebensdauer zu erstellen. Xie et al.17 platzierten FRP-begrenzten Beton 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 der Säure-Base-Umgebung wird die Grenzfläche zwischen CFK und Beton durch Zersetzung beeinträchtigt. Die Bruchenergiefreisetzungsrate der CFK-Schicht nahm mit zunehmender Eintauchzeit erheblich ab, was schließlich zum Versagen der Grenzflächenprobe führte18,19,20. Darüber hinaus haben einige Wissenschaftler auch die Auswirkungen von Gefrieren und Auftauen auf FRP-begrenzten Beton untersucht. Liu et al.21 wiesen darauf hin, dass die CFK-Verstärkung eine gute Haltbarkeit bei Frost-Tau-Zyklen aufweist, basierend auf dem relativen dynamischen Modul, der Druckfestigkeit und dem Spannungs-Dehnungs-Verhältnis. Darüber hinaus wird ein Modell zur Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften von Beton vorgeschlagen. Peng et al.22 berechneten jedoch die Lebensdauer von CFK-Betonbindern anhand von Temperatur- und Frost-Tau-Wechseldaten. Guan et al.23 führten einen schnellen Frost-Tau-Test an Beton durch und schlugen eine Bewertungsmethode für die Frostbeständigkeit vor, die auf der Dicke der beschädigten Schicht unter Frost-Tau-Einwirkung basierte. Yazdani et al.24 untersuchten die Wirkung von FVK-Schichten auf das Eindringen von Chloridionen in Beton. Die Ergebnisse zeigen, dass die FRP-Schicht beständig gegen chemische Korrosion ist und den inneren Beton von den äußeren Chloridionen trennen kann. Liu et al.25 simulierten die Ausziehtestumgebung von sulfaterosiertem FRP-Beton, erstellten ein Bond-Slip-Modell und sagten die Verschlechterung der FRP-Beton-Grenzfläche voraus. Wang et al.26 erstellten durch einachsige Drucktests ein Spannungs-Dehnungs-Modell für FRP-begrenzten, sulfaterosierten Beton. Zhou et al.27 untersuchten die durch die Kopplung von Salz-Gefrier-Tau-Zyklen verursachten Schäden an unbegrenztem Beton und verwendeten erstmals die logistische Funktion, um seinen Abbaumechanismus zu beschreiben. Diese Studien haben erhebliche Fortschritte bei der Bewertung der Haltbarkeit von FRP-begrenztem Beton erzielt. Die meisten Forscher haben sich jedoch darauf konzentriert, die Umgebung mit Erosion unter einer einzigen ungünstigen Bedingung zu simulieren. Beton wird häufig durch Kupplungserosion beschädigt, die durch verschiedene Umweltbedingungen verursacht wird. Diese gekoppelten Umweltbedingungen haben eine erhebliche Verschlechterung der Leistung von FRP-begrenztem Beton.

Sulfate und Frost-Tau-Wechsel sind zwei typische wichtige Parameter, die sich auf die Haltbarkeit von Beton auswirken. Die FRP-beschränkte Technologie hat das Potenzial, die Leistung von Beton zu verbessern. Es wird häufig in der Technik und Forschung eingesetzt, weist jedoch derzeit seine Grenzen auf. Nur wenige Arten von Forschung konzentrieren sich auf die Beständigkeit von FRP-begrenztem Beton gegenüber Sulfatkorrosion in kalten Regionen. Der Erosionsprozess von voll-, halb- und unbeschränktem Beton unter der gekoppelten Wirkung von Natriumsulfat und Gefrier-Tau-Wechsel bedarf weiterer Untersuchungen, insbesondere der in diesem Artikel beschriebenen neuen halb-beschränkten Technik. Die verstärkenden Auswirkungen auf Betonstützen werden ebenfalls untersucht, indem die Reihenfolge von FRP-Einschluss und Erosion ausgetauscht wird. Das Elektronenmikroskop, der pH-Test, das SEM-Elektronenmikroskop, die EDS-Energiespektrumanalyse und der einachsige mechanische Test werden alle durchgeführt, um die Mikro- und Makroveränderungen von Proben zu demonstrieren, die durch verbundene Erosion verursacht werden. Darüber hinaus wird in dieser Studie das Gesetz erörtert, das die Spannungs-Dehnungs-Beziehung regelt, die durch einachsige mechanische Tests erzeugt wird. Der ultimative Spannungs- und Dehnungswert des experimentellen Tests wird mit einer Fehleranalyse überprüft, die vier vorhandene ultimative Spannungs-Dehnungs-Modelle verwendet. Das vorgestellte Modell kann die endgültige Dehnung und Festigkeit des Materials angemessen vorhersagen, was für die zukünftige Praxis der FRP-Verstärkungstechnik hilfreich ist. Schließlich dient es auch als konzeptionelle Grundlage für die Idee der Salzfrostbeständigkeit von FVK-Beton.

Diese Studie bewertet die Verschlechterung von FRP-begrenztem Beton unter Verwendung der Sulfatlösungskorrosion in Verbindung mit Gefrier-Tau-Zyklen. Die durch Betonerosion verursachten Mikro- und Makroveränderungen werden mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops, eines pH-Tests, einer EDS-Energiespektrumanalyse und eines einachsigen mechanischen Tests nachgewiesen. Darüber hinaus werden die mechanischen Eigenschaften und Spannungs-Dehnungs-Schwankungen von FRP-begrenztem Beton, der gekoppelter Erosion ausgesetzt ist, mithilfe von Axialkompressionsexperimenten untersucht.

Der FRP-begrenzte Beton besteht ursprünglich aus reinem Beton, einem äußeren FRP-Umhüllungsmaterial und einem Epoxidkleber. Es werden zwei Arten von außen begrenzten Materialien ausgewählt: CFK und GFK. Die Materialeigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt. Als Klebstoff werden die Epoxidharze A und B verwendet (das Volumenmischungsverhältnis beträgt 2:1). Abbildung 1 zeigt die detaillierten Informationen zum Betonmischungsdesignmaterial. In Abb. 1a wird Portlandzement PO 42,5 der Marke Swan verwendet. Bei den groben Zuschlagstoffen handelt es sich um Basaltschotter mit Durchmessern von 5–10 bzw. 10–19 mm, wie in Abb. 1b,c dargestellt. Als Feinzuschlagstoff wird in Abb. 1d natürlicher Flusssand mit einem Feinheitsmodul von 2,3 verwendet. Natriumsulfatlösung wird aus wasserfreiem Natriumsulfatgranulat und einer bestimmten Menge Wasser hergestellt.

Entwurfsmaterialien für Betonmischungen: (a) Zement; (b) 5–10 mm großes Aggregat; (c) 10–19 mm großes Aggregat; (d) Flusssand.

Die Betonbemessungsfestigkeit beträgt 30 MPa, was bei frisch angemischtem Zementbeton zu einem Setzmaß zwischen 40 und 100 mm führt. Die Betonmischungsanteile sind in Tabelle 2 dargestellt, wobei das Verhältnis der groben Gesteinskörnung zwischen 5 und 10 mm und 10–20 mm 3:7 beträgt. Der an die Umwelt gekoppelte Effekt wird simuliert, indem zunächst eine NaSO4-Lösung mit einem Massenanteil von 10 % hergestellt und die Lösung dann in die Gefrier-Tau-Zyklusbox gegossen wird.

In einem 0,5-m3-Zwangsmischer werden Betonmischungen hergestellt und die gesamte Betoncharge zum Einbringen der benötigten Probekörper verwendet. Zunächst werden die Betonbestandteile in Tabelle 2 dosiert und Zement, Sand und grobe Zuschlagstoffe drei Minuten lang vorgemischt. Anschließend das Wasser gleichmäßig verteilen und 5 Min. rühren. Anschließend werden Betonproben in zylindrische Formen gegossen und auf einem Rütteltisch verdichtet (die Formen haben einen Durchmesser von 10 cm und eine Höhe von 20 cm).

Nach 28-tägiger Aushärtung werden die Proben mit FRP-Materialien umwickelt. In dieser Studie werden drei Techniken für Stahlbetonstützen besprochen, darunter vollständig eingespannte, halbeingespannte und unbeschränkte. Für das eingeschlossene Material werden zwei Arten von CFK und GFK verwendet. Vollständig eingefasster FRP-Beton ist mit FRP umwickelt und hat eine Höhe von 20 cm und eine Länge von 39 cm. Die Ober- und Unterseite des FRP-begrenzten Betons sind nicht mit Epoxidharz eingekapselt. Als neu vorgeschlagene begrenzte Technik werden die halb-begrenzten Testprozesse wie folgt beschrieben.

(1) FRP wird in Streifen mit den Maßen 2 cm Höhe und 39 cm Länge geschnitten.

(2) Mit einem Lineal wird die zylindrische Betonoberfläche markiert, um die Position der FRP-Streifen zu bestimmen, die 2,5 cm voneinander entfernt sind. Wickeln Sie dann das Klebeband um die Betonbereiche, die kein FRP benötigen.

(3) Die Betonoberfläche wird mit Schleifpapier glatt geschliffen und mit Alkoholwatte abgewischt, und auf die Oberfläche wird ein Epoxidharz aufgetragen. Kleben Sie dann die FRP-Streifen von Hand auf die Betonoberfläche und drücken Sie den Spalt heraus, damit das FRP vollständig auf der Betonoberfläche sitzt und die Entstehung von Luftblasen vermieden wird. Abschließend werden die GFK-Streifen gemäß den Markierungen mit dem Lineal von oben nach unten auf die Betonoberfläche geklebt.

(4) Prüfen Sie, ob Beton und FRP nach einer halben Stunde getrennt sind. Wenn das FRP zu verrutschen oder sich auszubeulen scheint, sollte dies sofort korrigiert werden. Die geformten Proben müssen 7 Tage lang aushärten, um die ausgehärtete Festigkeit zu gewährleisten.

(5) Nach dem Aushärten wird das Klebeband auf der Betonoberfläche mit einem Universalmesser abgezogen und schließlich wird die halbgeschlossene FRP-Betonsäule erhalten.

Die Ergebnisse unter verschiedenen Einschlussbedingungen sind in Abb. 2 dargestellt. Abbildung 2a zeigt vollständig gefassten CFK-Beton, Abb. 2b zeigt halbgefassten CFRP-Beton, Abb. 2c zeigt vollständig gefassten GFRP-Beton und Abb. 2d zeigt halbgefassten GFRP-Beton.

Eingeschränkter Stil: (a) vollständig mit CFRP umschlossen; (b) halbgeschlossen mit CFRP; (c) vollständig mit GFRP umschlossen; (d) halbumschlossen mit GFRP.

Es gibt vier Hauptparameter und zielt darauf ab, den Einfluss von FRP-begrenzten und Erosionssequenzen auf die Anti-Erosionsleistung von kreisförmigen Säulen zu untersuchen. Tabelle 3 listet die Anzahl der Betonsäulenproben auf. Jede Probenkategorie umfasst drei identische konditionierte Proben, um die Datenkonsistenz zu gewährleisten. Der Durchschnitt von drei Proben analysiert alle experimentellen Ergebnisse in diesem Artikel.

(1) Eingeschlossene Materialien werden als CFK oder GFK klassifiziert. Der Einfluss zweier Fasertypen auf die Betonbewehrung wird verglichen.

(2) Es gibt drei begrenzte Techniken für Betonstützen: vollständig begrenzt, halb begrenzt und unbeschränkt. Die Erosionsbeständigkeit von Halbschalenbetonstützen wird mit den beiden anderen Varianten verglichen.

(3) Die Erosionsbedingungen sind mit Sulfatlösung gekoppelte Gefrier-Tau-Zyklen, und die Gefrier-Tau-Zyklen betragen 0, 50 bzw. 100 Mal. Der Effekt der gekoppelten Erosion auf FRP-beschränkte Betonstützen wird untersucht.

(4) Die Proben werden in drei Gruppen eingeteilt. Die erste Gruppe wird mit FRP umwickelt und dann erodiert, die zweite Gruppe wird zuerst erodiert und dann umwickelt, und die dritte Gruppe wird zuerst erodiert, dann umwickelt und dann erneut erodiert.

Die Versuchsprogramme werden mit einer Universalprüfmaschine, einer Zugprüfmaschine, einer Gefrier-Tau-Zyklusbox (Modell CDR-Z), einem Elektronenmikroskop, einem pH-Tester, einem Dehnungsmessstreifen, einem Verdrängungsgerät und einem REM-Elektronenmikroskop durchgeführt. und ein EDS-Energiespektrumanalysator in dieser Studie. Bei der Probe handelt es sich um eine Betonsäule mit einer Höhe von 10 cm und einem Durchmesser von 20 cm. Nach dem Einbau und der Verdichtung härtet der Beton 28 Tage lang aus, wie in Abb. 3a dargestellt. Alle Prüfkörper werden nach dem Gießen aus der Form genommen und 28 Tage lang bei 18–22 °C und 95 % relativer Luftfeuchtigkeit ausgehärtet. Anschließend werden einige Prüfkörper einer FRP-Umhüllung unterzogen.

Prüfmethode: (a) Ausrüstung für konstante Temperatur und Luftfeuchtigkeit; (b) Maschine mit Gefrier-Tau-Zyklus; (c) Universal-Testpresse; (d) pH-Tester; (e) mikroskopische Beobachtung.

Das Gefrier-Tau-Experiment verwendete eine Schnellgefriermethode, wie in Abb. 3b dargestellt. Gemäß GB/T 50082-2009 „Standard for Long-Term Performance and Durability Test of Ordinary Concrete“ werden die Betonproben vier Tage lang vollständig in eine 10 %ige Natriumsulfatlösung bei 15–20 °C eingetaucht, bevor sie einfrieren und auftauen. Danach beginnt und endet gleichzeitig der mit Frost-Tau-Zyklen verbundene Sulfatangriff. Die Dauer eines Gefrier-Tau-Zyklus beträgt 2–4 Stunden und die Auftauzeit sollte nicht weniger als 1/4 der Zyklusdauer betragen. Die Temperatur im Kern der Probe sollte zwischen (−18±2) und (5±2) °C gehalten werden. Der Übergang vom gefrorenen in den aufgetauten Zustand sollte zehn Minuten nicht überschreiten. Drei zylindrische Identitätsproben für jede Kategorie werden verwendet, um den Gewichtsverlust und die pH-Änderungen der Lösung für jeden 25-fachen Gefrier-Tau-Zyklus zu untersuchen, wie in Abb. 3d dargestellt. Nach jeweils 25 Gefrier-Tau-Zyklen werden die Proben herausgenommen und die Oberfläche gereinigt, bevor ihr Nassgewicht (Wd) bestimmt wird. Alle Experimente werden an drei Probenreplikaten durchgeführt und Durchschnittswerte werden zur Diskussion der Testergebnisse verwendet. Die Massenverlust- und Festigkeitsverlustformeln der Probe werden wie folgt bestimmt:

Dabei ist ΔWd der Gewichtsverlust der Probe nach jeweils 25 Frost-Tau-Zyklen (%), W0 das durchschnittliche Gewicht der Betonprobe vor dem Frost-Tau-Zyklus (kg) und Wd das durchschnittliche Gewicht der Betonprobe danach alle 25 Gefrier-Tau-Zyklen Gewicht (kg).

Der Festigkeitsabbaukoeffizient der Probe wird durch Kd charakterisiert und die Formel lautet wie folgt:

Dabei ist ΔKd die Festigkeitsverlustrate (%) der Probe in jeweils 50 Frost-Tau-Zyklen, f0 die durchschnittliche Festigkeit der Betonprobe vor dem Frost-Tau-Zyklus (MPa) und fd die durchschnittliche Festigkeit der Betonprobe in allen 50 Gefrier-Tau-Zyklen (MPa).

Abbildung 3c zeigt den Aufbau des Betonproben-Drucktests. Gemäß dem „Standard for Test Methods for Physical and Mechanical Properties of Concrete“ (GBT50081-2019) wird die Prüfmethode für die Druckfestigkeitsprüfung von Betonsäulen festgelegt. Die Belastungsgeschwindigkeit des Kompressionstests beträgt 0,5 MPa/s, und während des gesamten Versuchs wird eine kontinuierliche und gleichmäßige Belastung verwendet. Das Last-Verschiebungs-Verhältnis jeder Probe wird während der mechanischen Prüfung aufgezeichnet. An den Außenflächen der Beton- und FVK-Schichten der Proben werden Dehnungsmessstreifen angebracht, um die axialen und horizontalen Dehnungen zu messen. Die Dehnungsbox wird bei der mechanischen Prüfung verwendet, um die Dehnungsänderung der Probe während der Druckprüfung aufzuzeichnen.

Alle 25 Gefrier-Tau-Zyklen wird eine Probe der Gefrier-Tau-Lösung entnommen und in einen Behälter gegeben. Abbildung 3d zeigt den pH-Test der Lösungsprobe im Behälter. Die mikroskopische Untersuchung der Probenoberfläche und des Probenquerschnitts unter Gefrier-Tau-Bedingungen ist in Abb. 3e dargestellt. Der Oberflächenzustand verschiedener Proben nach 50 und 100 Gefrier-Tau-Zyklen in Sulfatlösung wird unter dem Mikroskop beobachtet. Das Mikroskop verwendet eine 400-fache Vergrößerung. Bei der Oberflächenbeobachtung der Probe wurde hauptsächlich der Erosionsstatus der FRP-Schicht und der Betonaußenschicht untersucht. Die Schnittbeobachtung der Probe wählt hauptsächlich die Erosionsbedingungen an Positionen 5 mm, 10 mm und 15 mm von der Außenschicht entfernt aus. Die Bildungsprodukte der Sulfat- und Frost-Tau-Wechsel-Erosion bedürfen einer weiteren Überprüfung. Dazu werden die metamorphen Oberflächen ausgewählter Proben mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht und mit einem energiedispersiven Spektrometer (EDS) ausgestattet.

Die visuelle Untersuchung der Probenoberfläche erfolgt mit einem Elektronenmikroskop, wobei 400 Vergrößerungsfaktoren gewählt werden. Der Grad der Oberflächenbeschädigung von halb- und ungespanntem FRP-Beton ist recht schwerwiegend, wenn er einem Frost-Tau-Wechsel in Verbindung mit Sulfaterosion ausgesetzt wird, wohingegen der Grad der Oberflächenschädigung von vollständig gefasstem Beton vernachlässigbar ist. Wie in Abb. 4a dargestellt, bezieht sich die erste Kategorie auf das erodierte Erscheinungsbild von unbefestigtem Beton, wenn er Natriumsulfat in Verbindung mit 0- bis 100-fachen Gefrier-Tau-Zyklen ausgesetzt wird. Die Betonprobe ohne Frost-Tau-Erosion hat eine glatte Oberfläche ohne sichtbare Merkmale. Nach 50-maliger Erosion löst sich der Zellstoffblock an der Oberfläche teilweise ab, wodurch eine weiße Zellstoffhülle zum Vorschein kommt. Nach 100-maliger Erosion ergab die Sichtprüfung der Betonoberfläche, dass die Mörtelhülle vollständig abgefallen war. Die mikroskopische Betrachtung zeigt, dass die durch 0 Frost-Tau-Zyklen erodierte Betonoberfläche glatt ist und dass sich die Zuschlagstoffe und der Mörtel auf der Oberfläche alle auf derselben Ebene befinden. Auf der Betonoberfläche, die durch 50 Frost-Tau-Zyklen erodiert wurde, ist eine ungleichmäßige, raue Oberfläche zu beobachten. Dies lässt sich dadurch erklären, dass der Mörtel teilweise abbröckelt und eine Spur weißer körniger Kristalle an der Oberfläche haftet, die hauptsächlich aus Zuschlagstoffen, Mörtel und weißen Kristallen bestehen. Nach 100 Frost-Tau-Zyklen finden sich große Flächen weißer Kristalle auf der Betonoberfläche, während der dunkle grobe Zuschlagstoff der äußeren Umgebung ausgesetzt ist. Zu diesem Zeitpunkt besteht die Betonoberfläche hauptsächlich aus freiliegenden Gesteinskörnungen und weißen Kristallen.

Aussehen von Betonsäulen durch Frost-Tau-Erosion: (a) unbeschränkte Betonsäule; (b) halbgeschlossener CFK-Beton; (c) halbgeschlossener GFK-Beton; (d) CFK-Vollbeton; (e) Halbgeschlossener GFK-Beton.

Die zweite Kategorie ist das Korrosionserscheinungsbild von halbgeschlossenen Betonsäulen aus CFK und GFK, die einem Gefrier-Tau-Zyklus in Verbindung mit Sulfaterosion ausgesetzt sind, wie in Abb. 4b, c dargestellt. Eine visuelle Untersuchung (1-fache Vergrößerung) ergab, dass sich auf der Oberfläche der Faserschicht nach und nach einige weiße Pulver entwickelten, die mit zunehmenden Gefrier-Tau-Zyklen schnell abfielen. Die unbeschränkte Oberflächenerosion von FRP-Halbbeton wird mit zunehmender Anzahl der Frost-Tau-Zyklen ausgeprägter. Es ist ein „Beulen“-Phänomen zu erkennen (der unbefestigte Oberflächenmörtel der Betonsäule steht kurz vor dem Einsturz). Das Abplatzungsphänomen wird jedoch teilweise durch die nahegelegene Kohlefaserbeschichtung gehemmt. Mikroskopisch erscheinen die synthetischen Kohlenstofffasern bei 400-facher Vergrößerung als weiße Filamente auf schwarzem Hintergrund. Aufgrund der kreisförmigen Form der Fasern und der ungleichmäßigen Lichteinwirkung erscheinen sie weiß, die Carbonfaserstränge selbst sind jedoch schwarz. Die Glasfaser ist anfangs weiß und fadenförmig, doch wenn sie dem Klebstoff ausgesetzt wird, wird sie transparent und ermöglicht so einen klaren Blick auf den Zustand des Betons innerhalb des Glasfasergewebes. Die Glasfaser hat eine strahlend weiße Farbe, während der Kleber einen gelblichen Farbton hat. Beide haben eine helle Farbe, sodass die Farbe des Klebstoffs die Glasfaserstränge verdeckt und insgesamt den Eindruck eines gelblichen Farbtons erweckt. Die Kohlenstoff- und Glasfasern sind außen mit Epoxidharz geschützt und es treten keine Schäden auf. Mit zunehmender Zahl der Frost-Tau-Erosionen wurden weitere Hohlräume und einige weiße Kristalle auf der Oberfläche sichtbar. Mit zunehmenden Sulfat-Gefrier-Zyklen wird der Klebstoff allmählich dünner, das blasse Gelb verblasst und die Fasern werden sichtbar.

Die dritte Kategorie ist das erodierte Erscheinungsbild von vollständig eingeschlossenem CFK- und GFK-Beton, der einem Gefrier-Tau-Zyklus in Verbindung mit Sulfaterosion ausgesetzt ist, wie in Abb. 4d, e dargestellt. Auch hier ähneln die Beobachtungen den Ergebnissen der zweiten Art von Betonsäulen-Einschlussabschnitten.

Vergleichen Sie die Phänomene, die nach der Anwendung der drei oben beschriebenen Eingrenzungstechniken beobachtet wurden. Das Fasergewebe in vollständig eingeschlossenem FRP-Beton blieb auch bei zunehmenden Frost-Tau-Wechseln stabil. Andererseits ist die Kleberingschicht an der Oberfläche dünner. Epoxidharz reagiert hauptsächlich mit aktiven Wasserstoffionen in Schwefelsäure, um den Ring zu öffnen, und reagiert kaum mit Sulfat28. Daher kann davon ausgegangen werden, dass Erosion hauptsächlich die Verstärkungswirkung von FRP verändert, indem sie die Eigenschaften der Klebeschicht durch Gefrier-Tau-Zyklen verändert. Die Betonoberfläche von FRP-Halbbeton weist das gleiche Erosionsphänomen auf wie die unbegrenzte Betonoberfläche. Seine FRP-Schicht stimmt mit der FRP-Schicht aus vollständig eingeschlossenem Beton überein und der Schaden ist nicht erkennbar. Bei FVK-Halbeinfassungsbeton treten jedoch an der Schnittstelle von Faserstreifen und Sichtbeton ausgedehnte Erosionsrisse auf. Die Erosion der freien Betonoberfläche nimmt mit zunehmender Anzahl der Frost-Tau-Zyklen zu.

Die Innenräume von voll-, halb- und unbeschränktem FRP-Beton weisen erhebliche Unterschiede auf, wenn sie durch Gefrier-Tau-Zyklen in Verbindung mit Sulfatlösungen erodiert werden. In den Teststücken werden Querschnitte gemacht und die Querschnitte unter einem Elektronenmikroskop mit 400-facher Vergrößerung beobachtet. Abbildung 5 zeigt die Mikroskopbilder von 5 mm, 10 mm bzw. 15 mm von der Kontaktoberfläche von Beton und Lösung. Es wird beobachtet, dass der Betonschaden allmählich von der Oberfläche ins Innere abgetragen wird, wenn eine Natriumsulfatlösung mit einer Gefrier-Tau-Wirkung gekoppelt wird. Da die inneren Erosionsbedingungen von CFK- und GFK-umschlossenem Beton identisch sind, werden in diesem Abschnitt die beiden Arten von Umschließungsmaterialien nicht verglichen.

Innenmikroskopische Beobachtung des Betonsäulenabschnitts: (a) FRP vollständig eingeschlossen; (b) FRP halbbegrenzt; (c) unbeschränkt.

Die innere Erosion des vollständig eingeschlossenen FRP-Betons ist in Abb. 5a dargestellt. Im Abstand von 5 mm sind Risse sichtbar, die Oberfläche ist relativ glatt und es haben sich keine Kristalle ausgeschieden. Die Oberfläche ist glatt und kristallfrei, zwischen 10 und 15 mm. Die innere Erosion des halbgeschlossenen FRP-Betons ist in Abb. 5b dargestellt. Bei 5 mm und 10 mm sind Risse und weiße Kristalle sichtbar, bei 15 mm ist die Oberfläche glatt. Abbildung 5c ​​zeigt den Abschnitt der FRP-begrenzten Betonsäule mit Rissen bei 5, 10 und 15 mm. Einige weiße Kristalle in den Rissen werden immer seltener, je weiter sie sich von der Außenseite des Betons ins Innere bewegen. Uneingeschränkte Betonsäulen unterliegen der stärksten Erosion, gefolgt von FRP-Halbeinfassungsbetonsäulen. Innerhalb von 100 Frost-Tau-Zyklen hatte Natriumsulfat nur geringe Auswirkungen auf das Innere der vollständig eingespannten FRP-Betonprobe. Dies weist darauf hin, dass der Hauptgrund für die Erosion von vollständig umschlossenem FRP-Beton das Einfrieren und Auftauen innerhalb eines bestimmten Zeitraums der gekoppelten Erosion ist. Die Schnittbeobachtung ergab, dass der Abschnitt unmittelbar vor dem Einfrieren und Auftauen glatt und frei von Aggregaten ist. Nachdem der Beton gefroren und aufgetaut ist, sind die Risse und die Gesteinskörnung sichtbar und die Risse sind dicht mit weißen körnigen Kristallen gefüllt. Studien27 haben gezeigt, dass beim Einlegen von Beton in eine Natriumsulfatlösung Natriumsulfat in den Beton eindringt, ein Teil davon in Form von Natriumsulfatkristallen ausfällt und ein Teil davon mit dem Zement reagiert. Natriumsulfatkristalle und Reaktionsprodukte erscheinen als weiße Körnchen.

Der Beton unter FRP-Volleinschluss erzeugt bei gekoppelter Erosion Risse, der Abschnitt ist jedoch glatt und kristallfrei. Andererseits entwickeln halb- und unbeschränkte FRP-Betonabschnitte unter gekoppelter Erosion innere Risse und Kristalle. Gemäß der Bildbeschreibung und früheren Untersuchungen29 ist der Kopplungserosionsprozess von nicht gespanntem und FVK-halbgespanntem Beton in zwei Phasen unterteilt. Das erste Stadium von Betonrissen ist auf die Ausdehnung und Kontraktion durch Gefrieren und Tauen zurückzuführen. Wenn das Sulfat in den Beton eindringt und sichtbar wird, füllt das entsprechende Sulfat die Risse, die durch Gefrier-Tau-Wechsel und Schrumpfung aufgrund von Hydratationsreaktionen entstehen. Daher hat Sulfat im Anfangsstadium eine besonders schützende Wirkung auf Beton und kann die mechanischen Eigenschaften von Beton in gewissem Maße verbessern. Die zweite Stufe der Sulfaterosion setzt sich fort, dringt in Risse oder Hohlräume ein und reagiert mit Zement unter Bildung von Alaun. Dadurch vergrößert sich das Bruchvolumen und es kommt zu Schäden. Zu diesem Zeitpunkt verstärken die mit dem Einfrieren und Auftauen verbundenen Ausdehnungs- und Kontraktionsreaktionen die inneren Schäden des Betons, was zu einer Verringerung der Tragfähigkeit führt.

Abbildung 6 zeigt die pH-Änderungen von Betontauchlösungen von drei begrenzten Techniken, die nach 0, 25, 50, 75 und 100 Gefrier-Tau-Zyklen überwacht wurden. Unbegrenzte und halbgeschlossene FRP-Betonlösungen zeigten den schnellsten pH-Anstieg in 0 bis 25 Gefrier-Tau-Zyklen. Ihr pH-Wert stieg von 7,5 auf 11,5 bzw. 11,4. Mit zunehmender Anzahl der Gefrier-Tau-Zyklen verlangsamte sich der pH-Anstieg innerhalb von 25–100 Gefrier-Tau-Zyklen allmählich. Ihr pH-Wert stieg von 11,5 bzw. 11,4 auf 12,4 bzw. 11,84. Da der FRP-Vollbeton die FRP-Schicht umhüllt, kann die Natriumsulfatlösung nur schwer eindringen. Gleichzeitig ist es für die Zementzusammensetzung schwierig, in die äußere Lösung einzudringen. Daher stieg der pH-Wert innerhalb von 0 bis 100 Gefrier-Tau-Zyklen allmählich von 7,5 auf 8,0 an. Die Gründe für pH-Änderungen werden wie folgt analysiert. Das Silikat im Beton verbindet sich mit den Wasserstoffionen im Wasser zu Kieselsäure und das verbleibende OH− führt zu einem Anstieg des pH-Wertes der gesättigten Lösung. Die pH-Änderungen sind bei 0–25 Gefrier-Tau-Zyklen signifikanter und bei 25–100 Gefrier-Tau-Zyklen sind die Änderungen nicht erkennbar30. Allerdings wurde hier festgestellt, dass der pH-Wert über 25–100 Gefrier-Tau-Zyklen weiter anstieg. Es kann erklärt werden, dass Natriumsulfat chemisch mit dem Betoninneren reagiert und den pH-Wert der Lösung verändert. Die Analyse der chemischen Zusammensetzung zeigt, dass die folgenden Reaktionen zwischen Beton und Natriumsulfat stattfinden.

pH-Änderung.

Aus den Formeln (3) und (4) geht hervor, dass Natriumsulfat und Calciumhydroxid im Zement Gips (Calciumsulfat) erzeugen und Calciumsulfat weiter mit Calciummetaluminat im Zement unter Bildung von Alaunkristallen reagiert. Die Reaktion (4) geht mit der Bildung von alkalischem OH- einher, sodass der pH-Wert ansteigt. Da die Reaktion außerdem reversibel ist, steigt der pH-Wert zu einem bestimmten Zeitpunkt an und ändert sich langsam.

Der Massenverlust von FRP-Beton mit vollständiger, halber Begrenzung und unbegrenztem Beton während Gefrier-Tau-Zyklen in Sulfatlösung ist in Abb. 7a dargestellt. Die deutlichste Änderung des Massenverlusts ist bei ungespanntem Beton zu verzeichnen. Freier Beton verlor nach 50 Frost-Tau-Wechseln etwa 3,2 % an Masse und nach 100 Frost-Tau-Wechseln etwa 3,85 %. Es zeigt sich, dass mit zunehmender Anzahl von Frost-Tau-Wechseln der Effekt der gekoppelten Erosion auf die Masse des nicht eingespannten Betons abnimmt. Bei der Betrachtung der Probenoberfläche wurde jedoch festgestellt, dass der Mörtelverlust nach 100 Frost-Tau-Wechseln schwerwiegender ist als nach 50 Frost-Tau-Wechseln. In Kombination mit den Untersuchungen im vorherigen Abschnitt kann vermutet werden, dass das Eindringen von Sulfat in den Beton zu einer Verlangsamung des Massenverlusts führt. Gleichzeitig kann aus den chemischen Gleichungen (3) und (4) vorhergesagt werden, dass intern erzeugtes Alaun und Gips ebenfalls zu einem langsameren Massenverlust führen.

Massenänderung: (a) die Beziehung zwischen Massenänderung und der Anzahl der Gefrier-Tau-Zyklen; (b) die Beziehung zwischen Massenänderung und pH-Wert.

Die Änderung des Massenverlusts von FRP-Halbschalenbeton nahm zunächst ab und nahm dann zu. Nach 50 Frost-Tau-Erosionen beträgt der Massenverlust von FRP-Halbbeton etwa 1,3 %. Der Masseverlust nach 100 Zyklen beträgt 0,8 %. Daraus kann geschlossen werden, dass Natriumsulfat in ungespanntem Beton in den Beton eindringt. Darüber hinaus ergab die Beobachtung der Oberfläche der Proben, dass die Faserstreifen dem Abplatzen des Mörtels in unbegrenzten Bereichen standhalten und so den Masseverlust reduzieren können.

Die Änderung des Massenverlusts von vollständig eingeschlossenem FRP-Beton unterscheidet sich von den beiden vorherigen. Es verliert keine Masse, sondern gewinnt an Masse. 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 umhüllt ist, fällt der Mörtel auf der Betonoberfläche nicht ab, was zu praktisch keinem Masseverlust führt. Andererseits kann auch das Eindringen von Wasser und Sulfat von der Oberfläche mit hohem Wassergehalt in den Innenbeton mit niedrigem Wassergehalt zu einer Erhöhung der Betonmasse führen.

Es gibt nur wenige frühere Studien zum Zusammenhang zwischen pH-Wert und Massenverlust von FRP-begrenztem Beton unter erosiven Bedingungen. In den meisten Studien wird hauptsächlich der Zusammenhang zwischen Masseverlust, Elastizitätsmodul und Festigkeitsverlust diskutiert. Abbildung 7b zeigt die Beziehung zwischen dem pH-Wert des Betons und dem Massenverlust unter drei Randbedingungen. Es wird ein Vorhersagemodell vorgestellt, um den Massenverlust von Beton mit drei begrenzten Techniken bei unterschiedlichen pH-Werten vorherzusagen. Aus Abb. 7b ist ersichtlich, dass der Pearson-Koeffizient hoch ist, was darauf hindeutet, dass tatsächlich ein Zusammenhang zwischen pH-Wert und Massenverlust besteht. Das r-Quadrat für nicht gespannten Beton, halbgespannten Beton und vollständig gefassten Beton beträgt 0,86, 0,75 bzw. 0,96. Dies weist darauf hin, dass die pH-Änderung und der Massenverlust von vollständig eingeschlossenem Beton unter den gekoppelten Bedingungen von Sulfat und Gefrier-Tau-Wechsel relativ linear sind. Der pH-Wert stieg mit der chemischen Reaktion von Zement und wässriger Lösung in nicht gespanntem Beton und halbgespanntem FRP-Beton allmählich an. Dadurch wurde die Betonoberfläche nach und nach erodiert und fiel ab, was zu einem Gewichtsverlust führte. Andererseits ist die pH-Schwankung bei vollständig eingeschlossenem Beton gering, da die FRP-Schicht die chemische Reaktion des Zements mit der wässrigen Lösung verlangsamt. Daher wurde bei vollständig eingeschlossenem Beton keine sichtbare Oberflächenerosion beobachtet, sondern er nahm aufgrund des Sättigungseffekts der absorbierenden Sulfatlösung an Gewicht zu.

Abbildung 8 zeigt die Ergebnisse der REM-Untersuchung der Natriumsulfat-Gefrier-Tau-Erosionsprobe. Elektronenmikroskopisch wurden Proben untersucht, die aus Blöcken aus den Außenschichten von Betonsäulen entnommen wurden. Abbildung 8a ist das Rasterelektronenmikroskopbild von unbefestigtem Beton vor der Erosion. Es wird beobachtet, dass es viele Löcher auf der Oberfläche der Probe gibt, was sich auf die Festigkeit der Betonsäule selbst vor der Frost-Tau-Erosion auswirkt. Abbildung 8b zeigt den elektronenmikroskopischen Scan der vollständig eingeschlossenen FRP-Betonprobe nach 100 Frost-Tau-Erosionen. Risse, die durch Gefrieren und Auftauen in der Probe entstanden sind, können erkannt werden. Allerdings ist die Oberfläche relativ glatt und es sind keine Kristalle vorhanden. Daher sind ungefüllte Risse besser sichtbar. Abbildung 8c zeigt die halbgeschlossene FRP-Betonprobe nach 100 Frost-Tau-Erosionen. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich die Risse erweitert haben und sich zwischen ihnen einige Partikel gebildet haben. Ein Teil dieser Partikel bleibt am Riss hängen. Der SEM-Scan der Probenahme der nicht begrenzten Betonsäule ist in Abb. 8d dargestellt, und das Phänomen stimmt mit der Halbeingrenzung überein. Um die Zusammensetzung der Partikel weiter aufzuklären, werden die Partikel am Riss weiter vergrößert und mittels EDS-Spektroskopie analysiert. Partikel kommen hauptsächlich in drei verschiedenen Formen vor. Gemäß der Energiespektrumanalyse ist die erste Kategorie in Abb. 9a dargestellt, bei der es sich um einen regelmäßigen Volumenkristall handelt, der hauptsächlich aus O, S, Ca und anderen Elementen besteht. Durch Kombination der vorherigen Formeln (3) und (4) lässt sich feststellen, dass das Material hauptsächlich aus Gips (Kalziumsulfat) besteht. Der zweite Typ ist in Abb. 9b dargestellt; Laut Energiespektrumanalyse handelt es sich um ein nadelförmiges, ungerichtetes Objekt, das hauptsächlich aus O, Al, S und Ca besteht. Die kombinierte Formel zeigt, dass das Material hauptsächlich aus Alaun besteht. Der dritte Typ ist in Abb. 9c dargestellt. Dabei handelt es sich um eine unregelmäßige Masse, die durch Energiespektrumanalyse bestimmt wurde und hauptsächlich aus O-, Na- und S-Komponenten besteht. Es stellt sich heraus, dass es sich hauptsächlich um Natriumsulfatkristalle handelt. Rasterelektronenmikroskopie ergab, dass die meisten Hohlräume mit Natriumsulfatkristallen gefüllt sind, wie in Abb. 9c dargestellt, zusammen mit einer kleinen Menge Gips und Alaun.

Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Proben vor und nach der Erosion: (a) freier Beton vor der Erosion; (b) nach Erosio von FRP vollständig eingeschlossen; (c) nach der Erosion von FRP-Halbbeton; (d) nach der Erosion von unbefestigtem Beton.

EDS-Analyse: (a) Gips (Kalziumsulfat); (b) Alaun; (c) Mirabilit (Natriumsulfatkristall).

Die folgenden Schlussfolgerungen ergeben sich aus der Analyse. Die elektronenmikroskopischen Bilder der drei Proben sind alle 1k × groß und die Risse und Erosionsprodukte in den Bildern werden gefunden und beobachtet. Freier Beton weist die breitesten Risse auf und enthält viele Partikel. Halbgeschlossener FRP ist in Bezug auf Rissbreite und Partikelanzahl schlechter als ungespannter Beton. Die Rissbreite des vollständig umschlossenen FRP-Betons nach der durch Frost-Tau-Wechsel gekoppelten Erosion ist am kleinsten und frei von Partikeln. All dies deutet darauf hin, dass der vollständig eingeschlossene FRP-Beton am wenigsten von der gekoppelten Erosion durch Frost und Tauwetter betroffen ist. Die chemischen Prozesse im Inneren der halb- und unbeschränkten FRP-Betonsäulen führen zur Bildung von Alaun und Gips, und das Eindringen von Sulfaten beeinträchtigt die Poren. Obwohl Frost-Tau-Wechsel die Hauptursache für Betonrisse sind, füllen Sulfat und seine Produkte einige der Risse und Poren überhaupt. Mit zunehmender Anzahl und Dauer der Erosion wuchsen die Risse jedoch weiter und die Menge des produzierten Alauns nahm zu, wodurch die Risse zusammengedrückt wurden. Letztendlich können Frost-Tau- und Sulfatangriffe die Festigkeit der Säule verringern.

Axiale Druckfestigkeitstests untersuchten die mechanischen Eigenschaften von zwei Einschlussmaterialien und -technologien, die einer Erosion durch Gefrier-Tau-Zyklen in einer Natriumsulfatlösung ausgesetzt waren. Abbildung 10a vergleicht die Druckfestigkeit von Beton unter Verwendung verschiedener begrenzter Techniken und Materialien unter erosiven Bedingungen und untersucht die Variation seiner Druckfestigkeit mit der Anzahl der Gefrier-Tau-Zyklen. Die Festigkeit von FRP-halbgespanntem und nicht gespanntem Beton nahm zunächst zu und nahm dann leicht ab. Der vollständig eingeschlossene Beton weist eine allmähliche Zunahme der Festigkeit auf.

Vergleich verschiedener Einschlusstechniken und Materialänderungen: (a) Variation der Betonfestigkeit bei unterschiedlichen Einschlusstechniken; (b) die Beziehung zwischen Massenänderung und Stärke.

Nach 50 Frost-Tau-Zyklen erhöht sich die Festigkeit von CFK-Volleinschlussbeton um 2,3 MPa und die Festigkeit von Halbeinschlussbeton um 3,5 MPa. Die Festigkeit von vollständig eingeschlossenem GFRP um 3,4 MPa erhöht die Festigkeit des Betons, und in ähnlicher Weise erhöht sich die Festigkeit von GFRP-halbgeschlossenem Beton um 6,5 MPa. Studien haben gezeigt, dass im FRP-begrenzten Beton Risse entstehen und seine Festigkeit bei einem einzigen Frost-Tau-Zustand abnimmt22. Allerdings nahm die Aussagekraft der Testergebnisse zu. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Elektronenmikroskopie, des Massenverlusts und der pH-Änderung kann erklärt werden, dass die Erhöhung der Festigkeit auf die Zugabe von Natriumsulfat zum Füllen der Poren im Beton und der durch Gefrier-Tau-Wechsel verursachten Risse zurückzuführen ist. Nach 100 Frost-Tau-Zyklen erhöhte sich die Festigkeit von vollumschlossenem CFK-Beton um 3,9 MPa und die Festigkeit von halbumschlossenem Beton verringerte sich um 2 MPa. GFK-Volleinschlussbeton erhöhte sich um 8,2 MPa, während GFK-Halbeinschlussbeton um 5,9 MPa abnahm. Dies liegt daran, dass die Risse durch die Frost-Tau-Wechsel immer schlimmer werden. Das übermäßige Alaun- und Gipsvolumen, das durch die Reaktion von Natriumsulfat mit Zement entsteht, drückt auch Risse zusammen und verschlimmert innere Schäden. Die Festigkeit von ungespanntem Beton erhöhte sich nach 50 Frost-Tau-Zyklen um 5,7 MPa und verringerte sich nach 100 Frost-Tau-Zyklen um 4,5 MPa. Das Variationsgesetz der Festigkeit ähnelt dem von halbgeschlossenem FRP, das zuerst zunimmt und dann abnimmt.

Die Festigkeitsschwankung von CFK- und GFK-ummanteltem Beton bei Frost-Tau-Wechseln kann auch in Abb. 10a verglichen werden. Nach 50 und 100 Frost-Tau-Wechseln ist die Festigkeit von CFK-ummanteltem Beton deutlich höher als die von GFK-ummanteltem Beton, unabhängig davon, ob es sich um vollummantelten oder halbummantelten Beton handelte. Darüber hinaus lässt sich erkennen, dass die vollständig begrenzte Technik den durch verschiedene Materialien verursachten Festigkeitsunterschied stärker vergrößern kann als die halbgeschlossene Technik, indem die Festigkeitsänderungen der beiden Materialien verglichen werden.

Der Massenverlust ist ein wesentlicher Indikator zur Beurteilung der Frostbeständigkeit von Beton im Frost-Tau-Wechsel-Test. Der Massenverlust von unbegrenztem Beton nimmt unter einer einzigen Frost-Tau-Bedingung kontinuierlich zu22. Allerdings ist der Massenverlust von Beton unter Einwirkung von Gefrier-Tau-Zyklen in Natriumsulfatlösung bei unterschiedlichen Einschlussmethoden und Materialien nicht konsistent. Daher analysiert dieser Artikel die Korrelation zwischen dem Massenverlust und der Druckfestigkeit der Probe und verwendet die Origin-Software, um die Kurve in Abb. 10b anzupassen. Es werden Festigkeitsvorhersagemodelle verschiedener Proben auf der Grundlage des Massenverlusts erhalten, und die relevanten Ergebnisse und Parameter sind in Tabelle 4 aufgeführt. In diesem Vorhersagemodell ist der Anpassungsgrad R2 des unbeschränkten Betons klein, und andere Vorhersageformeln weisen eine hohe Anpassung auf Grad.

Ziel dieser Studie war es, die Auswirkung des Einschlusses auf die Betriebsleistung von Beton zu bestimmen, der durch Gefrier-Tau-Zyklen in einer Sulfatlösung erodiert wurde. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff „Arbeitsleistung“ in erster Linie auf die Fähigkeit des erodierten Betons, nach dem Einschluss seine Festigkeit wiederzuerlangen, und auf seine Fähigkeit, einer weiteren Erosion nach dem Einschluss zu widerstehen. Die Erosionsbedingungen bestehen aus 50 Gefrier-Tau-Zyklen in 10 %iger Natriumsulfatlösung. Abbildung 11 zeigt die Festigkeit von Beton in der Reihenfolge von Einschluss und Erosion für verschiedene Einschlussmaterialien und -techniken. Vorgefertigter Beton bedeutet, dass gewöhnlicher Beton zunächst durch FRP umschlossen und dann erodiert wird. Nachträglich eingespannter Beton bedeutet, dass der gewöhnliche Beton zuerst erodiert und dann eingespannt wird.

Einfluss der begrenzten Reihenfolge auf den Beton: (a) Festigkeitsvergleich von vorgespanntem und nachträglich begrenztem Beton; (b) Festigkeitsvergleich von nachträglich eingespanntem und wiederverkoppeltem Beton.

Abbildung 11a vergleicht die CFK- und GFK-Festigkeitsbeziehung zwischen vorgespanntem und nachträglich eingeschlossenem Beton. Die Festigkeit des nachträglich eingespannten GFK-Halbeinfassungsbetons beträgt 96 % der Festigkeit des voreingespannten Betons. Die Festigkeit des nachträglich eingespannten GFK-Volleinfassungsbetons beträgt 109 % der Festigkeit des voreingespannten Betons. Die Festigkeit des nachträglich eingespannten CFK-Halbeinfassungsbetons beträgt etwa 80 % der Festigkeit des voreingespannten Betons. Dann erreicht der vollständig umschlossene GFK-Beton mit der Festigkeit nach der Umschließung 82,3 % der Festigkeit vor der Umschließung. Die Festigkeit des Betons nimmt nach 50 Frost-Tau-Zyklen aufgrund der Sulfatinfiltration zu. Es wird vorgeschlagen, dass der begrenzte Beton nach gekoppelter Erosion höher sein sollte als der nicht erodierte, aber begrenzte Beton. Allerdings ist die Festigkeit von nachgespanntem Beton geringer als die von vorgespanntem Beton. Die Analyse der Betonoberflächenerosion zeigte, dass die Oberfläche des vorgespannten Betons glatt ist, wohingegen die Oberfläche des nachträglich eingespannten Betons rau und mit Pulverkristallen übersät ist. An diesem Punkt führt die Verwendung von Faserschichten zur Begrenzung der Betonoberfläche zu einer ungleichmäßigen Begrenzung und konzentrierten Spannungen, wenn die axiale Mitte der Probe zusammengedrückt wird. Daher ist zu beobachten, dass die Festigkeit des nachträglich eingespannten Betons geringer ist als die des vorgespannten Betons. Darüber hinaus zeigt der Test, dass die Oberfläche rau und uneben wird, wenn Beton in der Praxis erodiert wird, was die Reparaturfähigkeit des Betons verringert.

Abbildung 11b zeigt die Festigkeit von nachträglich eingespanntem Beton und seine erneut gekoppelte Erosion. Der Zustand der erneuten Kopplungserosion beträgt immer noch 50 Gefrier-Tau-Zyklen in 10 %iger Natriumsulfatlösung. Die ursprüngliche Festigkeit stellt die Festigkeit des nachträglich eingespannten Betons vor der erneuten Erosion dar. Nach der erneuten Erosion kann der halbgeschlossene CFK-Beton 102 % seiner ursprünglichen Festigkeit erreichen, während der vollgeschlossene GFRP-Beton wieder auf 98 % seiner ursprünglichen Festigkeit erodieren kann. Der halbgeschlossene CFK-Beton kann 112 % seiner ursprünglichen Festigkeit erreichen seine ursprüngliche Festigkeit, während der GFK-Vollbeton wieder auf 103 % seiner ursprünglichen Festigkeit erodieren kann. Die Testergebnisse zeigen, dass der nachträglich eingespannte Beton auch nach erneuter Erosion noch eine hohe Druckfestigkeit aufrechterhalten kann. Es wird auch gezeigt, dass das Einschlussmaterial und die Einschlusstechnik unbedeutende Auswirkungen auf die Reihenfolge des Einschlusses und der damit verbundenen Erosion haben.

Spannungs-Dehnungs-Modelle für Beton mit unterschiedlichen eingeschlossenen Materialien und Techniken werden unter gekoppelten Erosionsbedingungen untersucht. Zunächst wird das Spannungs-Dehnungs-Gesetz verschiedener Betone unter der gekoppelten Einwirkung von Sulfat und Gefrier-Tau-Wechsel analysiert. Zweitens wird die Anwendbarkeit der vorherigen ultimativen Spannungs-Dehnungs-Vorhersagemodelle diskutiert und die ultimativen Spannungs-Dehnungs-Modelle von CFRP- und GFRP-Materialien erstellt, die für die gekoppelten Erosionsbedingungen von Sulfat- und Gefrier-Tau-Zyklen geeignet sind.

Die Spannungs-Dehnungs-Kurven für ungespannten Beton nach 0, 50 und 100 Gefrier-Tau-Zyklen in Sulfatlösung sind in Abb. 12a dargestellt. Guos Stoffgleichung31 für Beton unter einachsiger Kompression wird wie in Gl. (5). Es wird verwendet, um die Spannungs-Dehnungs-Kurve anzupassen und den Wert von „a“ zu bestimmen. Als Ergebnis der endgültigen Berechnung beträgt „a“ 2,0, 2,3 und 1,8.

Spannungs-Dehnungs-Kurve für unbeschränkten Beton: (a) gemessene Spannungs-Dehnungs-Kurve; (b) Guo Zhenhais dimensionslose Spannungs-Dehnungs-Kurve; (c) gemessene und angepasste Spannungs-Dehnungs-Kurven.

Nach Guos Modell werden je kleinerer Wert des Parameters „a“, die schmalere Kurve und die kleinere Integralfläche beobachtet. Es kann erklärt werden, dass es eine „eine“ Abnahme der Duktilität und der Fähigkeit zur plastischen Verformung zeigt. Andererseits ist die Fähigkeit umso bedeutsamer, je größer der Parameter „a“ ist. Somit kann der Parameter „a“ zum Vergleich der mechanischen Eigenschaften von Beton verwendet werden. Abbildung 12b zeigt die dimensionslosen Spannungs-Dehnungs-Anpassungskurven von Beton in Sulfatlösung für verschiedene Gefrier-Tau-Zeiten. Die Größe der Integralfläche unter der dimensionslosen Spannungs-Dehnungs-Kurve ist deutlich zu erkennen. Eine sorgfältige Beobachtung des kritischen Bereichs und der Anstiegsgeschwindigkeit der dimensionslosen Spannungs-Dehnungs-Kurve zeigt den Einfluss des Werts von a darauf. Je kleiner „a“, desto steiler ist der Spannungsanstieg, was auf eine Abnahme der Duktilität hinweist. Je signifikanter das „a“ ist, desto allmählicher steigt die Dehnung an, was den Anstieg der Duktilität erklärt. Allerdings stellt die Duktilität hier nur die Duktilität der dimensionslosen Spannungs-Dehnungs-Kurve dar. Nach 50 Frost-Tau-Zyklen zeigte der Beton eine gute Duktilität und Plastizität. Andererseits nimmt der Wert des Parameters a nach 100 Gefrier-Tau-Zyklen ab, was zu einer Verringerung der Gesamtfläche und der Duktilität führt. Die vom Guo-Modell vorhergesagte Spannungs-Dehnungs-Kurve und die gemessenen Daten sind in Abbildung 12c dargestellt. Die vorhergesagte Kurve stimmt gut mit den gemessenen Daten überein.

Abbildung 12c zeigt die Spannungs-Dehnungs-Beziehung vor und nach der gekoppelten Erosion. Nach 50 Frost-Tau-Zyklen stiegen aufgrund der zunehmenden Verdichtung des Betons und der Infiltration von Natriumsulfat auch die Grenzdehnung und -spannung an, was darauf hindeutet, dass sich die Duktilität und Druckfestigkeit des Betons während der anfänglichen Phase der gekoppelten Erosion verbessern. Bei gleichem Spannungsniveau ist die axiale Dehnung der FT100-Probe deutlich höher als die der FT50-Probe. Denn bei Beton mit einer Druckfestigkeit von 30 MPa liegt die Streckgrenze bei etwa 9–10 MPa. Daher nimmt die Duktilität mit der Anzahl der Gefrier-Tau-Zyklen zu. Darüber hinaus nimmt die Ausdehnung von Betonrissen zu, da die Anzahl der Frost-Tau-Wechsel weiter zunimmt. Zu diesem Zeitpunkt führt die Einwirkung von Gefrieren und Auftauen zu einer inneren Lockerung des Betons, verringert die Festigkeit und erhöht die Duktilität.

Die Spannungs-Dehnungs-Kurven verschiedener eingeschlossener Materialien und Technologien während Gefrier-Tau-Zyklen in Natriumsulfatlösung sind in Abb. 13 dargestellt. Die Längsdehnung ist links dargestellt, während die Querdehnung rechts dargestellt ist. In der Spannungs-Dehnungs-Kurve von FRP-beschränktem Beton können drei Stufen identifiziert werden. Die axiale Dehnung von halb- und vollständig gefasstem FRP-Beton ist vergleichbar mit der von nicht gefasstem Beton in der ersten Stufe. Dies zeigt, dass die Faserschicht in diesem Stadium noch nicht ihre einschränkende Wirkung entfaltet. Die seitliche Dehnung des eingeschlossenen Betons ändert sich nur sehr wenig, und es ist leicht zu erkennen, dass die axiale Dehnung größer ist als die seitliche Dehnung. Mit zunehmendem Stresslevel beginnt die zweite Phase. An diesem Punkt wird die Kurve sanfter und die Krümmung nimmt allmählich zu. Es werden deutlich schnellere Veränderungen der Querdehnung als die Längsdehnung beobachtet. Das Innere des Betons wird nach und nach zerstört, die Faserschicht wird nach und nach in Mitleidenschaft gezogen und sowohl der Beton als auch die Fasern tragen gleichzeitig die axiale Belastung. Wenn die Spannung weiter zunimmt, verschlechtert sich das Betoninnere schnell und tritt in die dritte Phase ein. In dieser Phase geht es in erster Linie darum, die Faserschicht so zu begrenzen, dass sie der axialen Belastung der Probe standhalten kann. An diesem Punkt werden lineare Änderungen wieder aufgenommen. Die Querdehnung wird deutlich erhöht. Die Längsdehnung ändert sich etwas langsamer als die Querdehnung, und es ist deutlich zu erkennen, dass die Steigung der Querdehnung kleiner ist als die der Längsdehnung. Der Beton versagt, wenn die maximale Zugspannung der Faserschicht erreicht ist, was das Ende der dritten Stufe signalisiert.

Spannungs-Dehnungs-Kurven von Beton mit verschiedenen Einschlusstechniken unter gekoppelter Erosion: (a) Spannungs-Dehnungs-Kurve von CFK-Volleinschlussbeton; (b) Spannungs-Dehnungs-Kurve von GFK-Vollbeton; (c) Spannungs-Dehnungs-Kurve von CFK-Halbbeton; (d) Spannungs-Dehnungs-Kurve von GFK-Halbbeton.

Die Spannungs-Dehnungs-Kurven von vollständig umschlossenen CFK- und GFK-Betonstützen unter Frost-Tau-Bedingungen sind in Abb. 13a,b dargestellt. Im ersten Stadium ist die Dehnungsänderung des erodierten und dann eingespannten Betons größer als die des nicht eingespannten Betons, und die Spannung ist immer geringer. Die Kurve von vollständig umschlossenem FRP-Beton, der erodiert und dann umschlossen und erneut erodiert wurde, unterscheidet sich nicht wesentlich von der Kurve von vollständig umschlossenem FRP-Beton, der nicht erodiert wurde, was darauf hindeutet, dass vollständig umschlossener Beton erodiert und dann umschlossen wurde und dennoch eine gute Erosion aufrechterhalten kann Widerstand. Es gibt keinen signifikanten Unterschied im ersten Stadium der Spannungs-Dehnungs-Änderung, wenn die Anzahl der Erosionen zunimmt, und selbst bei GFK ist die Anzahl der Erosionen etwas höher. Betrachten Sie den halbgeschlossenen Beton aus CFK und GFK in Abb. 13b,d. Halbgeschlossener FRP-Beton hat eine geringere Erosionsbeständigkeit als vollgeschlossener FRP-Beton, die Änderungsregel ist jedoch dieselbe.

Abbildung 13a und c zeigen die Spannungs-Dehnungs-Kurven von CFRP-Voll- bzw. Halb-Einschlussbeton. Die Längsdehnungskurve von CFK-Halbeinschlussbeton ist steiler als die von CFK-Volleinschlussbeton. Dies liegt daran, dass die Fasergewebestreifen im CFK-Halbschalenbeton getrennt sind. Denn die Einschlusskraft der Faserstreifen von CFK-Halbeinschlussbeton ist geringer als die von Volleinschlussbeton. Daher ändert sich die Längsdehnung von halbgespanntem Beton bei axialer Kompression schneller und die Grenzdehnung wird kleiner. Die endgültige seitliche Dehnung wird jedoch nur durch das Material des FRP selbst beeinflusst, sodass sich keine Änderung ergibt. Abbildung 13c zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurve, die zeigt, dass die seitliche Dehnung der halbgeschlossenen CFRP-Koagulation in der ersten und zweiten Stufe sehr kurz ist und sich schnell entwickelt, und dass die Steigung in der dritten Stufe relativ stabil ist. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die Einschlussfläche von CFK-Halbeinschlussbeton kleiner ist und nur halb so groß ist wie die von vollständig Einschlussbeton. Dadurch verliert der Beton schnell seine Verarbeitbarkeit. Es ist gezwungen, sich auf die seitliche Rückhaltekraft der Faserschicht zu verlassen, um die Verformung der Probe zu reduzieren. Daher beschleunigt die Halbierung der Faserschichtfläche den Dehnungswechsel bis zum Versagen. Das Phänomen des CFK-begrenzten Betons lässt sich auch durch den Vergleich des GFK-begrenzten und halbbegrenzten Betons in Abb. 15b,d ermitteln.

Tabelle 5 zeigt die maximale Spannung und Dehnung von FRP-begrenztem Beton und unbeschränktem Beton. ε′cc/ε′co wird mit dem Dehnungsverhältnis definiert, das den Grad der Verbesserung des Verformungsvermögens von FRP-begrenztem Beton im Vergleich zu nicht begrenztem Beton angeben kann. In ähnlicher Weise wird f′cc/f′co mit dem Verbesserungsverhältnis definiert, das die Verbesserung der axialen Druckkapazität von FRP-begrenztem Beton im Vergleich zu nicht begrenztem Normalbeton angibt. Die Beobachtungstabelle zeigt, dass der Anteil an vollständig eingeschlossenem CFK-Beton am größten ist, gefolgt von vollständig eingeschlossenem GFRP-Beton, halbgeschlossenem CFK-Beton und nachträglich begrenztem Beton. Die Dehnung von GFK ist signifikanter als die von CFK, was mit dem Elastizitätsmodul von GFK zusammenhängt. Das Verstärkungsverhältnis von FRP-Halbeinschlussbeton beträgt etwa die Hälfte des Verstärkungsgrads von vollständig Einschlussbeton. Nachträglich begrenzter Beton weist im Vergleich zu nicht erodiertem begrenztem Beton eine leichte Vergrößerung der Dehnung auf.

Zahlreiche Forscher haben ein ultimatives Spannungs-Dehnungs-Modell für FRP-begrenzten Beton vorgeschlagen, der Erosion ausgesetzt ist. Das Modell wurde jedoch nicht in einer Gefrier-Tau-Zyklus-Umgebung mit verschiedenen eingeschlossenen Materialien und Technologien in einer Natriumsulfatlösung untersucht. Die von den vier Forschern entwickelten ultimativen Spannungs-Dehnungs-Berechnungsmodelle für FRP-begrenzten Beton sind in Tabelle 6 aufgeführt, mit standardisierten Parametersymbolen für jedes Modell. Die ultimative Spannungs-Dehnungs-Methode ermittelte mithilfe der Fehleranalyse das am besten geeignete Modell. Die vier Modelle zur Vorhersage von Grenzspannungen und -dehnungen basieren auf stark begrenztem Beton. Bestimmen Sie durch Beobachtung der Spannungs-Dehnungs-Kurve des Betons in Abb. 13 dessen maximale Spannung und Dehnung. Die Spannung von FRP-begrenztem Beton nimmt mit zunehmender Dehnung zu, und es gibt kein absteigendes Segment. Die Ergebnisse zeigen, dass die Spitzendehnung und die Grenzdehnung von FRP-begrenztem Beton konsistent sind. Die Grenzdehnung von unbeschränktem Beton ist die Dehnung, die der Grenzspannung entspricht.

Die tatsächlichen ε′cc/ε′co-Werte in Tabelle 4 werden in das obige Forschungsmodell eingesetzt und die vorhergesagten Werte von f′cc/f′co werden berechnet. Er wird mit dem tatsächlichen f′cc/f′co-Wert für die Fehleranalyse des Verstärkungsverhältnisses in Abb. 14a verglichen. Die Abszisse stellt das tatsächliche Verstärkungsverhältnis dar und die Ordinate stellt das vorhergesagte Verstärkungsverhältnis dar. Die Ergebnisse zeigen, dass das vorhergesagte Verbesserungsverhältnis des Karbhari & Gao-Modells größer ist als das tatsächliche Verbesserungsverhältnis. Abbildung 14b zeigt, dass die Basislinie des Toutanj-Modells mit relativ kleinen Fehlern im Zentrum der Streuung liegt. Abbildung 14c zeigt, dass das vorhergesagte Verstärkungsverhältnis kleiner ist als das tatsächliche Verstärkungsverhältnis. Die Fehlergrenzen des Jiang & Teng-Modells sind mit denen des Toutanji-Modells in Abb. 14d vergleichbar. Daraus wird geschlossen, dass das Modell von Jiang & Teng und Toutanji dem Modell unter diesen experimentellen Bedingungen am ähnlichsten ist. Schließlich ist die Fehlerrate w(\(\frac{{\sum {{\text{(A}} - {\text{A}^{\prime}}} )}}{{\sum {\text{A }} }}\), wobei A' der Vorhersagewert und A der Testwert ist) wird eingeführt.

Fehleranalyse der Grenzspannung von FRP-begrenztem Beton: (a) Karbhari & Gao-Modellfehleranalyse; (b) Fehleranalyse des Toutanji-Modells; (c) Fehleranalyse des Lam & Teng-Modells; (d) Fehleranalyse des Jiang & Teng-Modells.

Die tatsächlichen f′cc/f′co-Werte in Tabelle 4 werden in das obige Forschungsmodell eingesetzt und die vorhergesagten Werte von ε′cc/ε′co werden berechnet. In Abb. 15 stellt die Abszisse das tatsächliche Streckungsverhältnis dar, und die Ordinate stellt das berechnete vorhergesagte Streckungsverhältnis dar. Abbildung 15a zeigt, dass das vorhergesagte Erweiterungsverhältnis des Karbhari & Gao-Modells größer ist als das tatsächliche. Die Basislinie des Toutanji-Modells liegt im Zentrum der Streuung und der Fehler ist in Abb. 15b kleiner. Abbildung 15c zeigt, dass das berechnete Verlängerungsverhältnis größer ist als das tatsächliche Verlängerungsverhältnis. Der Fehlerbereich des in Abb. 15d dargestellten Jiang & Teng-Modells ist vergleichbar mit dem des Toutanji-Modells. In Kombination mit der Fehleranalyse des Verstärkungsverhältnisses kommt man zu dem Schluss, dass das Jiang & Teng-Modell den experimentellen Bedingungen am nächsten kommt.

Fehleranalyse der Grenzdehnung von FRP-begrenztem Beton: (a) Karbhari & Gao-Modellfehleranalyse; (b) Fehleranalyse des Toutanji-Modells; (c) Fehleranalyse des Lam & Teng-Modells; (d) Fehleranalyse des Jiang & Teng-Modells.

Das vorherige Grenzspannungs-Dehnungs-Vorhersagemodell zeigt, dass das aktuelle Forschungsmodell die Vorhersage nicht erfüllen kann, wenn FRP-begrenzter Beton Gefrier-Tau-Zyklen in einer Natriumsulfatlösung ausgesetzt wird. Daher wird in diesem Experiment auf der Grundlage der erhaltenen Daten ein Vorhersagemodell unter dieser Bedingung erstellt. Dieses vorgestellte Modell ist nur begrenzt anwendbar und kann nur innerhalb von 10 % Natriumsulfatlösung und 100 Gefrier-Tau-Zyklen Vorhersagen treffen. Das Überschreiten dieses Bereichs erfordert weitere Experimente zur Verfeinerung. Die Testergebnisse sind in zwei Kategorien unterteilt, nämlich CFK-begrenzter Beton und GFK-begrenzter Beton. Die Fehlerraten der Vorhersagemodelle betragen 0,075 bzw. 0,089. Alle Analyseergebnisse zeigen, dass das Modell einen guten Vorhersageeffekt hat.

wobei fcc die Druckfestigkeit der FRP-umschlossenen Betonprobe ist; fco ist die Druckfestigkeit der nicht eingespannten Betonprobe; εcc ist die Grenzpunktdehnung, die dem FRP-begrenzten Beton entspricht; εco ist der unbeschränkte Beton. Die Grenzpunktdehnung, die dem nicht eingespannten Beton entspricht. a, b und c sind die anzupassenden Werte und ihre Werte sind in Abb. 16 dargestellt.

CFK- und GFK-beschränkte Betonvorhersagemodelle.

Es werden Experimente durchgeführt, um die Auswirkung von Gefrier-Tau-Zyklen auf FRP-begrenzten Beton in einer Sulfatlösung zu bestimmen. Äußere Umgebungsbedingungen erfordern Natriumsulfat in einer Konzentration von 10 % und Gefrier-Tau-Zyklen. Die folgenden Schlussfolgerungen werden nach mikroskopischer Beobachtung, pH-Wert, Massenverlust, SEM- und EDS-Analyse, axialer Druckfestigkeitsprüfung und Spannungs-Dehnungs-Kurvenanalyse gezogen.

1. Je mehr Frost-Tau-Zyklen es gibt, desto schwerwiegender ist der Oberflächenschaden, der sich allmählich von der Oberfläche nach innen ausbreitet. Halb- und unbeschränkte FRP-Oberflächen sind stark beschädigt, während vollständig begrenzte FRP-Oberflächen kaum erkennbar sind. Die halbgeschlossene Technologie verringert nicht den chemischen Angriff der Umgebung auf den Beton, kann jedoch die entsprechende Festigkeit gewährleisten.

2. Der pH-Wert von unbefestigtem Beton steigt während der Erosion schnell an und steigt im Laufe der Zeit allmählich an. An der Probe wird EDS-Spektroskopie eingesetzt, um die im REM beobachteten weißen Kristalle weiter zu analysieren. Natriumsulfat reagiert mit Calciumhydroxid unter Bildung von Calciumsulfat, und Calciumsulfat reagiert mit Calciummetaluminat unter Bildung von Alaunkristallen. Die vorhergesagte Beziehung zwischen pH-Wert und Massenverlust unter verschiedenen begrenzten Techniken wird ermittelt.

3. Der mechanische Test bestätigt, dass die FRP-Contained-Technologie die Tragfähigkeit des Betons deutlich verbessert. Die halbgeschlossene FRP-Technologie kann etwa 50 % der Wirkung der vollständig geschlossenen Technologie erreichen. Die mechanische Wirkung des CFK-Einschlusses ist doppelt so hoch wie der des GFK-Einschlusses. Unter der Wirkung der gekoppelten Erosion nahm die Festigkeit von halbverdichtetem und unverdichtetem FRP-Beton zunächst zu und nahm dann leicht ab. Die Festigkeit von vollgespanntem FRP-Beton zeigt einen langsamen Anstieg. Darüber hinaus behält Beton, der erodiert und dann eingesperrt wurde, auch nach erneuter Erosion ein hohes Leistungsniveau. Es wird ein Vorhersagemodell für die Beziehung zwischen Masseverlust und Festigkeitsverlust erstellt.

4. Die Spannungs-Dehnungs-Kurven von halbgespanntem und vollständig gespanntem Beton können in drei Stufen unterteilt werden. Das ultimative Spannungs-Dehnungs-Modell für FRP-begrenzten Beton wird anhand zuvor veröffentlichter Literatur validiert. Ein neues Modell wird vorgestellt, um die endgültige Festigkeit unter der gekoppelten Erosion von Gefrier-Tau-Wechsel und Sulfat vorherzusagen. Es kann die ultimative Spannung/Dehnung von Beton vorhersagen, der durch zwei Materialien, CFRP und GFRP, unter den gekoppelten Bedingungen von Gefrier-Tauen in einer Sulfatlösung eingeschlossen ist.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Die Autoren danken der 67. Postdoctoral Foundation in China (Nr. 2020M670872), der Postdoctoral Foundation der Provinz Heilongjiang in China (Nr. LBH-Z19105) und den Stipendien für Studying Abroad Student (Startup Class) der Provinz Heilongjiang. Aus Gründen der Kommerzialisierung werden keine geschützten Informationen wie Produktnamen und Hersteller angegeben. Die in diesem Dokument dargestellten technischen Inhalte basieren auf der Meinung der Autoren und geben nicht unbedingt die Meinung anderer wieder.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Yongcheng ji und Yunfei Zou.

Fakultät für Bauingenieurwesen, Northeast Forestry University, Harbin, 150040, China

Yongcheng Ji, Yunfei Zou und Wei Li

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YJ und YZ verfassten den Hauptmanuskripttext und WL analysierte die Daten. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Wei Li.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ji, Y., Zou, Y. & Li, W. Untersuchung der Sulfaterosion an FRP-begrenztem Beton in kalten Regionen. Sci Rep 12, 10839 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15075-z

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Eingegangen: 13. April 2022

Angenommen: 17. Juni 2022

Veröffentlicht: 27. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15075-z

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