Πειραματική και θεωρητική διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς ινοπλισμένου σκυροδέματος

Abstract

This thesis deals with the mechanical behaviour of fibre-reinforced concrete by using three different fibres, hooked-end steel fibres, polypropylene micro- and macro-fibres. These three types of fibres were chosen to have different length, so that their contribution in different deformation stages of fibre reinforced concrete specimens is investigated. For this purpose six fibre reinforced concrete mixtures were produced with fibre volume fractions of 0.5% and 1.0% by volume of concrete using only one type of fibres in each mixture and three hybrid mixtures with fibre volume fraction of 1.0% by volume of concrete combining the three types of fibres per two. The efficiency of each fibre reinforced concrete mixture was based on the comparison with a plain concrete mixture.The comparison was made at room temperature, as well as at the temperature of 280°C. The latter temperature is the one that is reached at the interface of the passive fire-protection and the fibre reinforced concrete, when it is subjected to thermal stress in accordance with the worst fire scenario of Rijkswaterstaat curve (RWS) and in accordance with international experimental data. The heating rate was equal to 2°C/min until reaching the target temperature, namely 280°C, which was maintained for 30 min and the samples remained in the oven for one day to gradually cool down until the time of testing. The determination of the mechanical characteristics was performed by three testing methods, namely (a) uniaxial compressive test, (b) three-point bending test, and (c) double-punch test (Barcelona test), by means of which, the strengths and modified toughnesses, after reaching the peak load, were calculated. A total of 3 specimens were produced for each test, mixture and temperature, so as to extract average values of the mechanical characteristics of each case. Moreover, acoustic emission signals were being recorded for a further understanding of the fibre reinforced concrete fracture mechanism. For this purpose, eight piezoelectric acoustic emission sensors were placed to each specimen and all signals that were produced during testings were recorded. Furthermore, the number and characteristics of the signals produced of each fibre reinforced mixture were compared. In particular, average frequency and peak amplitude of the signals were investigated. Additionally, the signals were divided in 6 different stages based on the load and the displacement for a more detailed analysis. Finally, empirical equations determining the total circumferential opening displacement in Barcelona test using the mechanical characteristics of the fibres and the axial displacement were produced. The purpose of these equations is to simplify the test by measuring only the axial displacement without the necessity of complicated and expensive lab equipement.According to the experimental results of this thesis, an optimal choice of fibre combination is proposed for producing fibre reinforced concrete comparing only mechanical properties. This choice is mainly based on the ductility capacity after achieving the peak load for both temperature conditions.

Στόχος της παρούσας έρευνας είναι η διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς ινοπλισμένου σκυροδέματος με διαφορετικούς τύπους ινών ή συνδυασμού τους. Προς τούτο επιλέχθηκαν 3 διαφορετικοί τύποι ινών, ήτοι: χαλύβδινες ίνες με γαντζωτά άκρα, μακροΐνες πολυπροπυλενίου και μικροΐνες πολυπροπυλενίου. Τα τρία είδη ινών επιλέχθηκαν να είναι διαφορετικού μήκους, ώστε να διερευνηθεί η προσφορά τους σε διαφορετικά στάδια παραμόρφωσης των δοκιμίων ινοπλισμένου σκυροδέματος. Για το σκοπό αυτό παρασκευάστηκαν 6 συνθέσεις ινοπλισμένου σκυροδέματος με συγκεντρώσεις ινών 0.5% και 1.0% κ.ό. σκυροδέματος χρησιμοποιώντας έναν τύπο ίνας κάθε φορά και 3 υβριδικές συνθέσεις με συγκέντρωση ινών 1.0% κ.ό. συνδυάζοντας ανά δύο τους τρεις τύπους ινών. Η προσφορά των ινών βασίστηκε σε σύγκριση των συνθέσεων ινοπλισμένου σκυροδέματος με μια αντίστοιχη άοπλου σκυροδέματος. H σύγκριση πραγματοποιήθηκε τόσο στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, όσο και στη θερμοκρασία των 280°C, θερμοκρασία που φθάνει η διεπιφάνεια παθητικά πυροπροστατευμένου ινοπλισμένου σκυροδέματος το οποίο έχει υποστεί θερμική καταπόνηση, σύμφωνα με το δυσμενέστερο σενάριο πυρκαγιάς της καμπύλης Rijkswaterstaat (RWS) και σύμφωνα με διεθνή πειραματικά δεδομένα. Ο ρυθμός θέρμανσης ήταν ίσος με 2°C/min μέχρι την επίτευξη της θερμοκρασίας στόχου, ήτοι 280°C, η οποία διατηρήθηκε για 30 λεπτά και τα δοκίμια παρέμειναν εντός φούρνου για μία μέρα για την σταδιακή αποθέρμανσή τους μέχρι τη στιγμή της δοκιμής τους. Ο προσδιορισμός των μηχανικών χαρακτηριστικών πραγματοποιήθηκε με τρεις μεθόδους, ήτοι (α) δοκιμή μονοαξονικής θλίψης, (β) δοκιμή κάμψης τριών σημείων και (γ) δοκιμή σημειακής μονοαξονικής θλίψης (δοκιμή Barcelona), με τη βοήθεια των οποίων υπολογίστηκαν οι αντίστοιχες αντοχές και ικανότητες ανάπτυξης πλαστιμότητας μετά την επίτευξη του μέγιστου κάθε φορά φορτίου. Συνολικά παρασκευάστηκαν 3 δοκίμια για κάθε δοκιμή, σύνθεση και θερμοκρασία, έτσι ώστε να εξαχθούν μέσες τιμές των μηχανικών χαρακτηριστικών για κάθε περίπτωση. Κατά την εκτέλεση των δοκιμών καταγράφονταν τα σήματα ακουστικής εκπομπής για την περαιτέρω κατανόηση του μηχανισμού θραύσεως του ινοπλισμένου σκυροδέματος. Για το σκοπό αυτό τοποθετήθηκαν 8 πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες ακουστικής εκπομπής σε κάθε δοκίμιο και καταγράφησαν όλα τα σήματα που παρήχθησαν κατά τη διάρκεια των δοκιμών. Πραγματοποιήθηκε σύγκριση μεταξύ των συνθέσεων ως προς τον αριθμό των σημάτων και το είδος τους. Πιο συγκεκριμένα, ελέγχθηκαν τα σήματα ως προς τη μέση συχνότητά τους και το μέγιστο πλάτος τους. Επιπλέον, τα σήματα κατανεμήθηκαν σε 6 διαφορετικά στάδια ανάλογα το φορτίο και το στάδιο παραμόρφωσης των δοκιμίων για μια πιο λεπτομερή ανάλυση. Τέλος, εξήχθησαν εμπειρικές σχέσεις προσδιορισμού της αύξησης περιφέρειας των δοκιμίων Barcelona, συναρτήσει των μηχανικών χαρακτηριστικών των ινών και της αξονικής μετατόπισης. Οι εμπειρικές αυτές σχέσεις έχουν ως σκοπό την απλοποίηση της δοκιμής και την πραγματοποίησή της μόνο με τη μέτρηση της αξονικής μετατόπισης χωρίς την απαίτηση πολύπλοκων και ακριβών εργαστηριακών οργάνων.Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα της παρούσας διατριβής προτάθηκε η βέλτιστη επιλογή ινών για την παρασκευή ινοπλισμένου σκυροδέματος συγκρίνοντας αποκλειστικά μηχανικά χαρακτηριστικά. Η πρόταση αυτή βασίστηκε κυρίως στην ικανότητα πλαστιμότητας πέραν του μέγιστου φορτίου και για τις δύο θερμοκρασιακές συνθήκες.