Application of fracture energy for the assessment of frost degradation of high-strength concretes

• Autorzy: Borowska Sylwia , Kosior-Kazberuk Marta

Identyfikatory

DOI

10.35784/bud-arch.2453

Warianty tytułu

PL

Energia pękania w ocenie degradacji mrozowej betonów wysokowytrzymałych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Knowledge of fracture mechanics parameters can help for a more accurate assessment of frost degradation of high-strength concrete. High strength concretes, despite the tight structure, are characterized by increased brittleness. Cracks in the concrete structure are places of accumulation of significant stresses. Additional stresses resulting from cyclic freeze/thaw stimulate the material destruction processes. The basic strength parameters of concrete do not take into account structural defects of the material and do not give a complete description of susceptibility to damage caused by, e.g., frost degradation. This study aimed to determine the relationship between frost degradation of high-strength concretes and changes in the value of their fracture energy associated with the initiation of cracking after 150, 250, 350 and 450 freeze/thaw cycles. The research was carried out using 100 × 100 × 400 mm samples, with a pre-initiated 30 mm deep notch. The I load model under a three-point bending test was used, based on the procedure recommended by RILEM. Concrete with a compressive strength of 90 MPa with steel fibres and a mixture of steel and basalt fibers was tested. The obtained results allow for the evaluation of frost degradation using fracture energy GF and critical crack tip opening displacement CTODc.

PL

Znajomość parametrów mechaniki pękania pozwala na dokładniejszą ocenę degradacji mrozowej betonów wysokowytrzymałych. Betony wysokowytrzymałe pomimo szczelnej struktury, cechuje podwyższona kruchość. Występujące w strukturze betonu nieciągłości oraz szczeliny są miejscami kumulacji znacznych naprężeń. Dodatkowe naprężenia powstające w wyniku cyklicznego zamrażania i rozmrażania stymulują procesy zniszczenia materiału. Podstawowe parametry wytrzymałościowe betonu nie uwzględniają wad strukturalnych materiału i nie dają pełnego opisu podatności na zniszczenie spowodowane np. degradacją mrozową. Celem niniejszej pracy było określenie zależności pomiędzy degradacją mrozową betonów wysokowytrzymałych oraz zmianami wartości ich energii pękania, związanej z inicjacją pękania po 150, 250, 350 oraz 450 cyklach zamrażania/rozmrażania. Badania przeprowadzono przy wykorzystaniu próbek o wymiarach 100 x 100 x 400 mm, ze wstępnie zainicjowanymi szczelinami długości 30 mm. Wykorzystano I model obciążenia (rozciąganie przy zginaniu) w warunkach trójpunktowego zginania, opierając się na procedurze badawczej rekomendowanej przez RILEM. Badaniom poddano betony o wytrzymałości na ściskanie 90 MPa bez włókien oraz z włóknami stalowymi i mieszankę włókien stalowych oraz bazaltowych. Otrzymane wyniki pozwalają na ocenę degradacji mrozowej za pomocą energii pękania Gf oraz krytycznej szerokości rozwarcia szczeliny pierwotnej CTODc.

Słowa kluczowe

EN

fracture energy; frost resistance; high strength concrete; fiber; fibre reinforced concrete

PL

energia pękania; mrozoodporność; beton wysokowytrzymały; włókna; fibrobeton

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Budownictwo i Architektura
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 20, no 2
• Strony: 57--68
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Borowska Sylwia

• Katedra Konstrukcji Budowlanych; Wydział Budownictwa i Nauk o Środowisku; Politechnika Białostocka; Polska

• https://orcid.org/0000-0003-2100-2673

autor

Kosior-Kazberuk Marta

• Katedra Konstrukcji Budowlanych; Wydział Budownictwa i Nauk o Środowisku; Politechnika Białostocka; Polska

• https://orcid.org/0000-0001-8171-2242

Bibliografia

• 1. Golewski G., Sadowski T., "The parameters of concrete fracture mechanics are determined on the basis of experimental tests according to the I crack model", Construction Review, no. 7–8, (2005), pp. 28–33.
• 2. Smith G.J., Rad F. N., "Economic Advantages of High-Strength Concretes in Columns", Concrete International, vol. 11, no. 4, (1989), pp. 37-43.
• 3. Jóźwiak – Niedźwiedzka D., "Preventing peeling of concrete surfaces with the use of moistened drug aggregate", Roads and bridges, no. 2, (2006), pp. 37-54.
• 4. Cheng Y., Zhang Y., Jiao Y., "Quantitative analysis of concrete property under effects of crack, freeze-thaw and carbonation", Construction Building Materials, no. 129, (2016), pp. 106-115. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.10.113
• 5. Song P.S., "Mechanical properties of high – strength steel fiber reinforced concrete", Construction and Building Materials, vol. 18, no. 9, (2004), pp. 669-73.
• 6. Holschemacher K., Mueller T., Ribakov Y., "Effect of steel fibres on mechanical properties of high – strength concrete", Materials and design, no. 31, (2010), pp. 2604-2615. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.11.025
• 7. Kosior- Kazberuk M., "Variations in fracture energy of concrete subjected to cyclic freezing and thawing", Civil and Mechanical Engineering, no.13, (2013), pp. 254-259. https://doi.org/10.1016/j.acme.2013.01.002
• 8. ASTM C 666: 2008 Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing.
• 9. Shah S.P., "Size – effect method for determining fracture energy and process zone size of concrete, RILEM TC 89–FMT", Materials and Structures, no. 23, (1990),pp. 461–465.
• 10. Jenq Y. S., Shah S. P., "A two parameter fracture model for concrete", Journal of Engineering Mechanics, no. 111, (1985), pp. 1227–1241.
• 11. Elices M, Guinea G, Planas J., "Measurement of the fracture energy using three-point bend tests: part 3 – influence of cutting the P-δ tail", Material Structures, vol. 25, no. 6, (1992), pp.327–34.
• 12. Neimitz A., Mechanika pękania, PWN, Warszawa 1998.
• 13. Grzegorz Lesiuk, "Application of a New, Energy-Based ΔS* Crack Driving Force for Fatique Crack Growth Rate Description", Materials, no. 12, (2019), pp. 1-13. https://doi.org/10.3390/ma12030518
• 14. Ma H., Yu H., Li C., Tan Y., Cao W., Da B., "Freeze-thaw damage to high- preformance concrete with synthetic fibre and fly ash due to ethylene glycol deicer", Construction and Building Materials, no. 187, (2018), pp. 197-204. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.07.189
• 15. Wawrzeńczyk J., Molendowska A., Kłak A., "Frost durability of steel fiber self-compacting concrete for pavements", The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, vol. 11, no. 1, (2016), pp. 35-42. https://doi.org/10.1088/1757-899X/471/3/032023
• 16. Lee, J. S., "Properties on the Freeze-Thaw Resistance of High Performance Concrete Using Fibers and Mineral Admixtures", Materials science forum, vol. 893, (2017), pp. 375-379. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.893.375
• 17. Smarzewski P., Barnat-Hunek D., "Effect of fiber Hybridization on durability Related Properties of Ultra-High Performance Concrete", International Journal of Concrete Structures and Materials, vol. 11, no. 2, (2017), pp. 315-325. https://doi.org/10.1007/s40069-017-0195-6

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).