FRPの硫酸侵食調査 | 甘粛コンクリート株式会社

Scientific Reports volume 12、記事番号: 10839 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

繊維強化ポリマー (FRP) 閉じ込めコンクリートは、構造修復のための革新的かつ経済的なアプローチとみなされています。本研究では、過酷な環境におけるコンクリートの強化効果を調査するために、2つの代表的な材料[炭素繊維強化ポリマー（CFRP）とガラス繊維強化ポリマー（GFRP）]を選択しました。硫酸塩侵食と凍結融解サイクルの間の結合侵食を受けた場合の FRP 閉じ込めコンクリートの耐性について議論します。電子顕微鏡は、結合浸食中のコンクリートの表面と内部の劣化を検査します。硫酸ナトリウムの腐食の程度と原理を、pH、SEM電子顕微鏡、EDSエネルギースペクトルを使用して分析します。軸圧縮強度試験は、FRP 閉じ込めコンクリート柱の補強を評価するために使用され、結合浸食環境におけるさまざまな FRP 閉じ込め技術の応力とひずみの関係が得られます。誤差分析は、4 つの既存の予測モデルを使用して実験テスト結果を校正するために実行されます。すべての観察は、FRP 閉じ込めコンクリートの劣化プロセスが複合効果の下で複雑かつ動的であることを示しています。硫酸ナトリウムは最初にコンクリートの初期強度を高めます。しかし、その後の凍結融解サイクルによりコンクリートの破壊が悪化する可能性があり、硫酸ナトリウムは亀裂の発生によりコンクリートの強度をさらに低下させます。 FRP 閉じ込めコンクリートの設計とライフサイクル評価に重要な応力とひずみの関係をシミュレートするための正確な数値モデルが提示されています。

1970 年代から研究されてきた革新的なコンクリート強化工法である FRP は、軽量、高強度、耐食性、耐疲労性、施工の容易さなどの利点を持っています1、2、3。構造強化に最もよく使用される FRP であるガラス繊維 (GFRP)、炭素繊維 (CFRP)、玄武岩繊維 (BFRP)、アラミド繊維 (AFRP) など、コストの低下に伴いエンジニアリング用途での使用が一般的になってきています4。 5. 提案された FRP 閉じ込め技術は、コンクリートの性能を向上させ、早期崩壊を回避する可能性があります。しかし、工学上のさまざまな外部環境は、FRP閉じ込めコンクリートの耐久性に影響を与え、強度低下を引き起こすことがよくあります。

一部の研究者は、さまざまな断面形状とサイズを使用してコンクリートの応力 - ひずみの変化の法則を調査しました。 Yan et al.6 は、繊維織物の厚さに正の相関がある極限応力と極限歪みが増加することを発見しました。 Wu ら 7 は、さまざまな種類の繊維を使用して FRP 閉じ込めコンクリートの応力 - ひずみ曲線を取得し、極限ひずみと荷重を予測しました。 Lin ら 8 は、円形、正方形、長方形、楕円形のバーの FRP 応力-ひずみモデルも非常に類似していることを発見し、幅比とコーナー半径をパラメータとして使用する、新しい設計指向の応力-ひずみモデルを開発しました。 Lam ら 9 は、FRP の不均一な重ね接合と曲率が FRP の破壊ひずみと応力がプレート引張試験よりも小さいことに寄与していることを観察しました。さらに、学者たちは、実際のプロジェクトにおけるさまざまな要件に基づいて、部分的閉じ込めや新しい閉じ込め手法を研究してきました。 Wang et al.10 は、全体コンクリート、部分コンクリート、および非閉じ込めコンクリートを含む 3 つの閉じ込めモードに関する軸圧縮試験を実施しました。応力-ひずみモデルが開発され、部分的に閉じ込められたコンクリートの閉じ込め効果係数が得られます。 Wu ら 11 は、サイズの影響を考慮した FRP 閉じ込めコンクリートの応力とひずみの関係を予測する方法を開発しました。 Moran et al.12 は、FRP 螺旋ストリップを使用して拘束コンクリートの軸方向単調圧縮性能を評価し、その応力-ひずみ曲線を取得しました。ただし、上記の研究は主に、部分的なコンクリートと完全に閉じ込められたコンクリートの違いを研究しています。 FRP 部分閉じ込めコンクリートのさまざまな部分の作用は詳細には研究されていません。

さらに、研究では、圧縮強度、ひずみ変化、初期弾性係数、ひずみ硬化係数の観点から、さまざまな条件下での FRP 閉じ込めコンクリートの有効性も評価されています。 Tijani ら 13,14 は、初期損傷コンクリートに対する FRP 補修実験により、FRP 閉じ込めコンクリートの補修性が損傷度の増加とともに低下することを発見した。 Ma et al.15 は、FRP 閉じ込めコンクリート柱の初期損傷の影響を研究し、損傷の程度は極限強度にほとんど影響せず、横方向および縦方向のひずみには重大な影響を与えると考えました。しかし、Cao ら 16 は、初期損傷の影響下で FRP 閉じ込めコンクリートの応力-ひずみ曲線と包絡線応力-ひずみ曲線を観察しました。コンクリートの初期損傷状態の調査に加えて、過酷な環境条件下での FRP 閉じ込めコンクリートの耐久性に関するいくつかの研究も発表されています。これらの学者は、過酷な環境における FRP 閉じ込めコンクリートの劣化を研究し、損傷評価手法を使用して耐用年数を予測するための劣化モデルを確立しました。 Xie ら 17 は、FRP 閉じ込めコンクリートを熱水環境に配置し、熱水条件が FRP の機械的特性に大きな影響を与え、その結果、圧縮強度が徐々に低下することを発見しました。酸塩基環境では、CFRPとコンクリートの間の界面が劣化の影響を受けます。 CFRP 層の破壊エネルギー解放率は浸漬時間の増加とともに大幅に減少し、最終的に界面試験片の破損につながりました 18、19、20。さらに、一部の学者は、FRP で固められたコンクリートに対する凍結と解凍の影響も研究しています。 Liu ら 21 は、相対動的弾性率、圧縮強度、および応力-ひずみ関係に基づいて、CFRP 強化材が凍結融解サイクル下で優れた耐久性を備えていることを指摘しました。さらに、コンクリートの機械的性質の劣化に関するモデルを提案する。しかし、Peng et al.22 は、温度と凍結融解サイクルのデータを使用して CFRP コンクリートバインダーの耐用年数を計算しました。 Guan ら 23 は、コンクリートの急速凍結融解試験を実施し、凍結融解作用下での損傷層の厚さに基づく耐凍結性の評価方法を提案しました。 Yazdani et al.24 は、コンクリートへの塩化物イオンの浸透に対する FRP 層の影響を調査しました。結果は、FRP層が化学的腐食に耐性があり、内部コンクリートを外部の塩化物イオンから分離できることを示しています。 Liu ら 25 は、硫酸塩浸食した FRP コンクリートの引抜試験環境をシミュレートし、接着滑りモデルを確立し、FRP とコンクリートの界面の劣化を予測しました。 Wang et al.26 は、一軸圧縮試験を通じて FRP 閉じ込め硫酸塩浸食コンクリートの応力-ひずみモデルを確立しました。 Zhou ら 27 は、塩分-凍結-融解サイクルの組み合わせによって引き起こされる無拘束コンクリートの損傷を研究し、ロジスティック関数を使用してその劣化メカニズムを初めて説明しました。これらの研究により、FRP 閉じ込めコンクリートの耐久性の評価が大幅に進歩しました。しかし、ほとんどの研究者は、単一の悪条件下で浸食を伴う環境をシミュレートすることに焦点を当ててきました。コンクリートは一般に、さまざまな環境条件によって引き起こされる継手の浸食によって損傷を受けます。これらの環境条件が組み合わさると、FRP 閉じ込めコンクリートの性能に深刻な影響が生じます。

硫酸塩と凍結融解サイクルは、コンクリートの耐久性に影響を与える 2 つの典型的な重要なパラメーターです。 FRPを閉じ込めた技術は、コンクリートの性能を向上させる可能性を秘めています。エンジニアリングや研究で広く使用されていますが、現時点では制限があります。寒冷地における硫酸塩腐食に関する FRP 閉じ込めコンクリートの耐久性に焦点を当てた研究はほとんどありません。硫酸ナトリウムと凍結融解の組み合わせ作用下での完全拘束コンクリート、半拘束コンクリート、および非拘束コンクリートの浸食プロセス、特にこの論文で説明されている新しい半拘束技術については、さらに研究する価値があります。 FRPの閉じ込めと浸食の順序を入れ替えることにより、コンクリート柱の強化効果も調べられます。電子顕微鏡、pH 試験、SEM 電子顕微鏡、EDS エネルギースペクトル分析、および一軸機械試験はすべて、連鎖浸食によって引き起こされる試験片のミクロおよびマクロ変化を実証するために実行されます。さらに、この研究では、一軸機械試験によって生成される応力とひずみの関係を支配する法則についても説明します。実験試験の極限応力と極限ひずみの値は、既存の 4 つの極限応力-ひずみモデルを使用する誤差解析によって検証されます。提示されたモデルは、材料の極限ひずみと強度を適切に予測でき、将来の FRP 強化エンジニアリングの実践に役立ちます。最後に、これは FRP コンクリートの耐塩霜性に関する概念の基礎としても機能します。

この研究では、凍結融解サイクルと組み合わせた硫酸塩溶液腐食を使用して、FRP 閉じ込めコンクリートの劣化を評価します。コンクリート侵食によって引き起こされるミクロおよびマクロの変化は、走査型電子顕微鏡、pH 試験、EDS エネルギースペクトル分析、および一軸機械試験を使用して実証されます。さらに、連成浸食を受ける FRP 閉じ込めコンクリートの機械的特性と応力 - ひずみの変化が、軸圧縮実験を使用して調査されます。

FRP閉じ込めコンクリートは、元は無筋コンクリート、外装FRPラッピング材、エポキシ系接着剤で構成されています。外部封止材として CFRP と GFRP の 2 種類を選択し、その材料特性を表 1 に示します。接着剤にはエポキシ樹脂 A と B を使用します（体積混合比は 2:1）。図 1 にコンクリート配合設計材料の詳細情報を示します。図 1a では、Swan ブランドの PO 42.5 ポルトランドセメントが使用されています。粗骨材は、図1b、cに示すように、それぞれ直径5〜10 mmおよび10〜19 mmの玄武岩砕石です。図1dでは細骨材として細粒度係数2.3の天然川砂を使用しています。硫酸ナトリウム溶液は、無水硫酸ナトリウム顆粒と特定量の水を使用して調製されます。

コンクリート配合設計材料: (a) セメント。 (b) 5 ～ 10 mm の骨材。 (c) 10 ～ 19 mm の骨材。 (d) 川砂。

コンクリートの設計強度は30MPaであり、新配合セメントコンクリートのスランプは40～100mmとなります。コンクリート配合比率は表２のとおりであり、粗骨材の配合割合は5～10mmと10～20mmが3：7となっています。環境連動効果は、最初に質量分率 10% の NaSO4 溶液を調製し、次にその溶液を凍結融解サイクルボックスに注ぐことによってシミュレートされます。

コンクリート混合物は 0.5 m3 の強制ミキサーで準備され、コンクリートのバッチ全体が必要な試験片の配置に使用されます。まず、コンクリート材料を表 2 にまとめ、セメント、砂、粗骨材を 3 分間予混合します。次に、水を均等に分配し、5分間かき混ぜます。次に、コンクリート試験片を円筒形の型に流し込み、振動テーブル上で圧縮します (型のサイズは直径 10 cm、高さ 20 cm)。

28日間養生した後、試験片をFRP材料で包みます。この研究では、完全拘束、半拘束、および非拘束を含む、鉄筋コンクリート柱の 3 つの技術について説明します。閉じ込め素材にはCFRPとGFRPの2種類を使用。 FRP全閉コンクリートは、高さ20cm×長さ39cmのFRPを巻き付けたものです。 FRP閉じ込めコンクリートの上部と底部はエポキシで封止されていません。新たに提案される限定的手法として、半限定的テストプロセスを以下に説明します。

(1) FRPを高さ2cm×長さ39cmの短冊状に切断します。

(2) 定規を使用してコンクリートの円筒面に印を付け、互いに 2.5 cm 離れた FRP ストリップの位置を決定します。次にFRPを必要としないコンクリート部分にテープを巻きます。

(3) コンクリート表面をサンドペーパーで平滑になるまで研磨し、アルコール綿で拭き取り、表面にエポキシ樹脂を塗布する。次に、FRP ストリップをコンクリート表面に手で貼り付け、隙間を押し出し、気泡の発生を避けるために FRP がコンクリート表面に完全にフィットするようにします。最後に、定規で付けたマークに従って、FRP ストリップをコンクリート表面に上から下に接着します。

(4) 30 分後にコンクリートと FRP が分離するかどうかを確認します。 FRP にズレや膨らみがある場合は、直ちに修正する必要があります。硬化強度を保証するには、成形試験片を 7 日間硬化させる必要があります。

(5) 硬化後、コンクリート表面のテープをカッターナイフで剥がし、最終的にFRP半拘束コンクリート柱が得られます。

異なる閉じ込め下での結果を図2に示します。図2aはCFRP完全閉じ込めコンクリート、図2bはCFRP半閉じ込めコンクリート、図2cはGFRP完全閉じ込めコンクリート、図2dはGFRP半閉じ込めコンクリートを示しています。

拘束スタイル: (a) CFRP で完全に拘束。 (b) CFRP で半閉じ込め。 (c) GFRP で完全に閉じ込められている。 (d) GFRP で半閉じ込め。

主要なパラメータは 4 つあり、円柱の耐侵食性能に対する FRP 拘束と侵食シーケンスの影響を調べることを目的としています。表 3 にコンクリート柱試験体の数を示します。データの一貫性を保つために、標本の各カテゴリは 3 つの同一の条件付け標本で構成されています。この論文ではすべての実験結果を 3 つの標本の平均値で分析しています。

(1) 閉じ込められた材料は CFRP または GFRP に分類されます。コンクリート補強に対する 2 種類の繊維の影響を比較します。

(2) コンクリート柱の密閉工法には、完全密閉、半密閉、非密閉の 3 種類があります。半閉じ込めコンクリート柱の耐浸食性を他の 2 種類と比較します。

(3) 浸食条件は硫酸塩溶液を併用した凍結融解サイクルであり、凍結融解サイクルはそれぞれ 0 回、50 回、100 回です。 FRP 閉じ込めコンクリート柱に対する連成浸食の影響を調査します。

(4) 標本は 3 つのグループに分けられます。最初のグループは FRP でラップされてから侵食され、2 番目のグループは最初に侵食されてからラップされ、3 番目のグループは最初に侵食されてからラップされ、その後再び侵食されます。

実験プログラムは万能試験機、引張試験機、凍結融解サイクルボックス（CDR-Z型）、電子顕微鏡、pH試験機、ひずみゲージ、変位装置、SEM電子顕微鏡、この研究では EDS エネルギースペクトルアナライザーを使用しました。試験体は高さ 10 cm、直径 20 cm のコンクリート柱です。図 3a に示すように、コンクリートを配置して締め固めた後、コンクリートは 28 日間養生されます。すべての試験片は鋳造後に型から外され、18 ～ 22 °C、相対湿度 95% で 28 日間硬化され、その後一部の試験片には FRP ラッピングが施されます。

試験方法：（a）恒温恒湿装置。 (b) 凍結融解サイクル装置。 (c) 万能テストプレス。 (d) pH 試験機。 (e) 顕微鏡観察。

図3bに示すように、凍結融解実験では急速凍結法を使用しました。 GB/T 50082-2009「普通コンクリートの長期性能および耐久性試験の規格」によれば、コンクリート試験片は、凍結および解凍する前に、15 ～ 20 °C の 10% 硫酸ナトリウム溶液に 4 日間完全に浸漬されます。その後、凍結融解サイクルと組み合わせた硫酸塩の攻撃が開始され、同時に終了します。凍結融解サイクルの期間は 2 ～ 4 時間で、解凍期間はサイクル期間の 1/4 未満であってはなりません。サンプルの中心部の温度は (-18±2) ～ (5±2) °C の間に維持する必要があります。冷凍状態から解凍状態に移行するのに必要な時間は 10 分を超えてはなりません。図 3d に示すように、各カテゴリの 3 つの円筒形の同一標本を利用して、25 回の凍結融解サイクルごとの重量損失と溶液の pH 変化を調査します。 25 回の凍結融解サイクルごとに、試験片を取り出して表面を洗浄してから、湿重量 (Wd) を測定します。すべての実験は 3 つのサンプルの反復で実行され、テスト結果を議論するために平均値が使用されます。試験片の質量損失と強度損失の式は次のように決定されます。

ここで、ΔWd は 25 回の凍結融解サイクル後の試験片の重量損失 (%)、W0 は凍結融解サイクル前のコンクリート試験片の平均重量 (kg)、Wd は凍結融解サイクル後のコンクリート試験片の平均重量です。 25 凍結融解サイクルごと重量 (kg)。

試験片の強度劣化係数は Kd で表され、式は次のとおりです。

ここで、ΔKd は 50 回の凍結融解サイクルごとのサンプルの強度損失率 (%)、f0 は凍結融解サイクル前のコンクリートサンプルの平均強度 (MPa)、fd はコンクリートサンプルの平均強度です。 50 凍結融解サイクルごと (MPa)。

図 3c は、コンクリート試験片の圧縮試験のセットアップを示しています。「コンクリートの物理的及び機械的性質の試験方法に関する規格」（GBT50081-2019）により、コンクリート柱の圧縮強度試験の試験方法が定められています。圧縮試験の負荷速度は 0.5 MPa/s で、試験全体を通じて連続的で一貫した負荷が使用されます。各試験片の荷重と変位の関係は、機械的試験中に記録されます。試験片のコンクリート層とFRP層の外面にひずみゲージを取り付け、軸方向ひずみと水平ひずみを測定します。ひずみボックスは機械的試験で使用され、圧縮試験中の試験片のひずみの変化を記録します。

凍結融解溶液のサンプルは、25 回の凍結融解サイクルごとに採取され、容器に入れられます。図 3d は、容器内の溶液サンプルの pH テストを示しています。凍結融解条件下でのサンプル表面と断面の顕微鏡検査を図3eに示します。硫酸塩溶液中で 50 回および 100 回の凍結融解サイクル後のさまざまな試験片の表面状態を顕微鏡で観察します。顕微鏡は 400 倍の倍率を使用します。試験体の表面観察では、主にFRP層とコンクリート外層の侵食状況を観察しました。試験片の断面観察では主に外層から5mm、10mm、15mmの位置での侵食状況を抽出します。硫酸塩の形成生成物と凍結融解サイクルによる浸食については、さらなる検証が必要です。したがって、選択したサンプルの変成表面は、エネルギー分散型分光計 (EDS) を備えた走査型電子顕微鏡 (SEM) で検査されます。

試験片の表面の視覚検査は電子顕微鏡を使用して実行され、倍率は 400 倍に設定されます。 FRP 半密閉コンクリートおよび無密閉コンクリートの表面損傷の程度は、硫酸塩浸食を伴う凍結融解サイクルにさらされると非常に深刻ですが、完全密閉コンクリートの表面損傷の程度は無視できます。図 4a に示すように、最初のカテゴリは、0 ～ 100 回の凍結融解サイクルと組み合わせて硫酸ナトリウムにさらされたときの無拘束コンクリートの浸食外観を指します。凍結融解侵食のないコンクリート試験片は、目に見える特徴のない滑らかな表面を持っています。 50回の浸食を経ると、表面のパルプブロックが部分的に剥がれ、白いパルプシェルが現れます。 100回の侵食後、コンクリート表面を目視検査したところ、モルタルの殻が完全に剥がれ落ちていることが判明した。顕微鏡観察により、凍結融解回数 0 回で侵食されたコンクリート表面は滑らかで、表面の骨材とモルタルはすべて同一平面上にあります。 50回の凍結融解サイクルにより浸食されたコンクリート表面には、不均一な粗面が観察されます。部分的にモルタルが崩れ、表面に微量の白い粒状結晶が付着しているものと説明でき、主に骨材、モルタル、白色結晶からなる。凍結融解を 100 回繰り返すと、コンクリート表面に広い範囲の白い結晶が見られますが、黒っぽい粗い骨材が外部環境にさらされています。この時点のコンクリート表面は、主に露出した骨材と白い結晶で構成されています。

コンクリート柱の凍結融解侵食の様子: (a) 非拘束コンクリート柱。 (b) CFRP半閉じ込めコンクリート。 (c) GFRP 半閉じ込めコンクリート。 (d) CFRP 完全閉じ込めコンクリート。 (e) GFRP 半閉じ込めコンクリート。

2 番目のカテゴリは、図 4b、c に示すように、硫酸塩浸食を伴う凍結融解サイクルを受けた CFRP および GFRP 半閉じ込めコンクリート柱の腐食外観です。目視検査 (倍率 1 倍) により、繊維層の表面に白い粉が徐々に発生し、凍結融解サイクルが増加するとすぐに落下することが明らかになりました。 FRP 半閉じ込めコンクリートの不閉じ込め表面侵食は、凍結融解サイクルの回数が増加するにつれてより顕著になります。「膨らみ」現象が見られます（コンクリート柱の非拘束表面モルタルが崩壊寸前です）。ただし、剥離現象は近くの炭素繊維コーティングによって部分的に妨げられます)。顕微鏡で見ると、合成炭素繊維は倍率 400 倍で黒い背景に白いフィラメントとして見えます。繊維の形状が円形であることと不均一な光にさらされることにより白く見えますが、炭素繊維ストランド自体は黒色です。ガラス繊維は当初白色の糸状ですが、接着剤に触れると透明になり、ガラス繊維クロス内のコンクリートの状態がよく見えます。グラスファイバーは明るい白色ですが、接着剤は黄色がかった色合いです。どちらも色が明るいため、接着剤の色がグラスファイバーのストランドを覆い隠し、全体的に黄色がかった外観を与えます。カーボンファイバーとグラスファイバーは外装エポキシ樹脂で保護されており傷つきません。凍結融解侵食の数が増加するにつれて、表面上のより多くの空隙といくつかの白い結晶が見えるようになりました。硫酸塩凍結サイクルが長くなるにつれて、接着剤は徐々に薄くなり、淡黄色が薄れて繊維が見えるようになります。

3番目のカテゴリは、図4d、eに示すように、硫酸塩侵食を伴う凍結融解サイクルを受けたCFRPおよびGFRP完全拘束コンクリートの侵食された外観です。繰り返しになりますが、観察結果は 2 番目のタイプのコンクリート柱閉じ込めセクションの結果と似ています。

上で説明した 3 つの閉じ込め手法を適用した後に観察される現象を比較してください。 FRP 完全閉じ込めコンクリートの繊維織物は、凍結融解サイクルが増加しても安定したままでした。一方、接着リング層は表面が薄くなります。エポキシ樹脂は主に硫酸中の活性水素イオンと反応して開環し、硫酸塩とはほとんど反応しません28。したがって、エロージョンは主に凍結融解サイクルによる接着層の性質の変化によってFRPの強化効果を変化させると考えられます。 FRP半コンクリートのコンクリート表面は、無気密コンクリート表面と同様のエロージョン現象を起こします。 FRP層は完全閉じ込めコンクリートのFRP層と一致しており、損傷は明らかではありません。しかし、FRP半コンクリートでは、ファイバーストリップと露出コンクリートの交差点に広範囲の浸食亀裂が発生します。無拘束コンクリート表面の侵食は、凍結融解サイクルの回数が増えるにつれてさらに激しくなります。

FRP の完全密閉、半密閉、および非密閉コンクリートの内部は、硫酸塩溶液と組み合わせた凍結融解サイクルによって侵食されると、大きな違いを示します。試験片を横方向にカットし、倍率400倍の電子顕微鏡で断面を観察します。図 5 にコンクリートと溶液の接触面からそれぞれ 5 mm、10 mm、15 mm の顕微鏡画像を示します。硫酸ナトリウム溶液と凍結融解作用を組み合わせると、コンクリートの損傷が表面から内部まで徐々に侵食されることが観察されます。 CFRP と GFRP 閉じ込めコンクリートの内部浸食条件は同一であるため、このセクションでは 2 種類の閉じ込め材料を比較しません。

コンクリート柱断面の内部顕微鏡観察: (a) FRP が完全に閉じ込められている。 (b) FRP 半閉じ込め。 (c) 制限されていない。

FRP完全拘束コンクリートの内部侵食を図5aに示します。５ｍｍの距離では亀裂が見られ、表面は比較的平滑であり、結晶は析出していない。表面は滑らかで結晶がなく、厚さは 10 ～ 15 mm です。 FRP半閉じ込めコンクリートの内部侵食を図5bに示します。 5 mm と 10 mm では亀裂と白い結晶が見られますが、15 mm では表面は滑らかです。図 5c は、5、10、15 mm の位置に亀裂が見られる FRP 閉じ込めコンクリート柱の断面を示しています。亀裂内のいくつかの白い結晶は、コンクリートの外側から内側に移動するにつれて、ますますまれになります。無拘束コンクリート柱が最も激しい侵食を受け、次に FRP 半拘束コンクリート柱が続きます。 100 回の凍結融解サイクル以内では、硫酸ナトリウムは FRP 完全拘束コンクリート試験片の内部にほとんど影響を与えませんでした。これは、FRP 完全拘束コンクリート侵食の主な原因が、結合侵食の一定期間内の凍結融解であることを示しています。断面観察の結果、凍結融解直前の断面は滑らかで凝集物が無いことが分かりました。コンクリートが凍結および解凍されると、骨材と同様に亀裂が目視でき、亀裂には白い粒状の結晶が密に詰まっています。研究 27 では、コンクリートを硫酸ナトリウム溶液に入れると、硫酸ナトリウムがコンクリートに浸透し、その一部が硫酸ナトリウム結晶の形で沈殿し、その一部がセメントと反応することが示されています。硫酸ナトリウムの結晶と反応生成物は白い顆粒として現れます。

FRP 完全閉じ込め下のコンクリートは、結合浸食により亀裂を生じますが、断面は滑らかで結晶がありません。一方、FRP の半密閉コンクリート部や無密閉コンクリート部では、浸食が相俟って内部亀裂や結晶が発生します。写真の説明と先行研究 29 によれば、非拘束コンクリートと FRP 半拘束コンクリートの結合浸食プロセスは 2 つの段階に分かれています。コンクリートのひび割れの第 1 段階は、凍結融解による膨張と収縮によって発生します。硫酸塩がコンクリートに浸透して目に見えるようになると、適切な硫酸塩が凍結融解や水和反応による収縮によって生じた亀裂を埋めます。したがって、硫酸塩はコンクリートの初期段階で特に保護効果があり、コンクリートの機械的性質をある程度改善することができます。硫酸塩浸食の第 2 段階は継続し、亀裂または空隙に入り、セメントと反応してミョウバンを形成します。その結果、骨折体積が拡大し、損傷が発生します。このとき、凍結・融解に伴う膨張・収縮反応によりコンクリートの内部損傷が大きくなり、支持力が低下します。

図 6 は、0、25、50、75、および 100 回の凍結融解サイクル後に監視された 3 つの限定技術によるコンクリート浸漬溶液の pH 変化を示しています。非拘束コンクリートおよび FRP 半拘束コンクリート溶液は、0 ～ 25 回の凍結融解サイクルで最も速い pH 上昇を示しました。それらの pH は、それぞれ 7.5 から 11.5 および 11.4 に増加しました。凍結融解サイクルの回数が増えると、pH の上昇は 25 ～ 100 回の凍結融解サイクル内で徐々に遅くなります。それらの pH は、それぞれ 11.5 と 11.4 から 12.4 と 11.84 に増加しました。 FRP完全拘束コンクリートがFRP層を包み込むため、硫酸ナトリウム溶液が浸透しにくくなります。同時に、セメント組成物が外液に浸透しにくくなる。したがって、pH は 0 ～ 100 回の凍結融解サイクル内で 7.5 から 8.0 まで徐々に増加しました。 pH変化の原因は次のように分析されます。コンクリート中のケイ酸塩は水中の水素イオンと結合してケイ酸を形成し、残留するOH-により飽和溶液のpHが上昇します。 pH の変化は 0 ～ 25 回の凍結融解サイクルでより顕著であり、25 ～ 100 回の凍結融解サイクルでは変化は明らかではありません 30。ただし、ここでは、pH が 25 ～ 100 回の凍結融解サイクルにわたって増加し続けることがわかります。硫酸ナトリウムがコンクリート内部と化学反応を起こし、溶液のpHが変化すると説明できます。化学組成を分析すると、コンクリートと硫酸ナトリウムの間で次のような反応が起こることがわかります。

pHの変化。

式（３）、（４）より、セメント中の硫酸ナトリウムと水酸化カルシウムにより石膏（硫酸カルシウム）が生成され、さらに硫酸カルシウムがセメント中のメタアルミン酸カルシウムと反応してミョウバン結晶を形成することがわかる。 (4)の反応ではアルカリ性のOH-が生成するため、pHが上昇します。さらに、この反応は可逆的であるため、pH は特定の時点で上昇し、ゆっくりと変化します。

硫酸塩溶液中での凍結融解サイクル中のFRP完全密閉、半密閉、および非密閉コンクリートの質量損失を図7aに示します。質量損失の最も明らかな変化は、無拘束コンクリートの場合です。無拘束コンクリートは、50 回の凍結融解攻撃後に約 3.2% の質量を失い、100 回の凍結融解攻撃後には約 3.85% の質量を失いました。これは、凍結融解の回数が増加するにつれて、無拘束コンクリートの質量に対する結合浸食の影響が減少することを示しています。しかし、試験片の表面を観察すると、100 回の凍結融解サイクル後のモルタルの損失は、50 回の凍結融解サイクル後のモルタルの損失よりも深刻であることがわかります。前のセクションの研究と組み合わせると、コンクリートへの硫酸塩の浸透が質量損失の遅延につながると推測できます。同時に、化学方程式 (3) と (4) から、内部で生成されるミョウバンと石膏も質量損失を遅くすることが予測できます。

質量変化：（a）質量変化と凍結融解サイクル数の関係。 (b) 質量変化と pH の関係。

FRP半コンクリートの質量損失の変化は、最初は減少し、その後増加しました。 50 回の凍結融解侵食後の FRP 半拘束コンクリートの質量損失は約 1.3% です。 100 サイクル後の質量損失は 0.8% です。したがって、硫酸ナトリウムは無気密コンクリートのコンクリートに浸透していると結論付けることができます。さらに、試験片の表面を観察したところ、繊維ストリップが非密閉領域でのモルタル剥離に耐えることができ、それによって質量損失が減少することがわかりました。

FRP完全拘束コンクリートの質量損失の変化は前者2つとは異なります。質量は減りませんが、質量が増えます。 50 回の凍結融解浸食の後、質量は約 0.08% 増加しました。 100 回後、その質量は約 0.428% 増加しました。コンクリートは完全に覆われているため、コンクリート表面のモルタルが剥がれることはなく、実質的に質量の損失が生じません。一方で、水と硫酸塩が高含有量の表面から低含有量のコンクリート内部に浸透すると、コンクリートの質量が増加する可能性もあります。

侵食条件下での FRP 閉じ込めコンクリートの pH と質量損失の関係に関するこれまでの研究はほとんどありません。ほとんどの研究では、主に質量損失、弾性率、強度損失の関係について議論されています。図 7b は、3 つの制約の下でのコンクリートの pH と質量損失の関係を示しています。異なる pH 値で 3 つの限定された技術を使用してコンクリートの質量損失を予測するための予測モデルが提示されています。図 7b からピアソン係数が高いことがわかり、pH と質量損失の間に実際に相関関係があることを示しています。無拘束コンクリート、半拘束コンクリート、および完全拘束コンクリートの r 二乗は、それぞれ 0.86、0.75、および 0.96 です。これは、硫酸塩と凍結融解の組み合わせ条件下での完全拘束コンクリートの pH 変化と質量損失が比較的線形であることを示しています。無コンクリートおよびFRP半コンクリートでは、セメントと水溶液の化学反応によりpHが徐々に上昇します。その結果、コンクリート表面が徐々に侵食・落下し、重量減少が発生しました。一方、完全拘束コンクリートでは、FRP層によりセメントと水溶液との化学反応が遅くなるため、pHの変化はわずかです。したがって、完全密閉コンクリートでは目に見える表面の浸食は観察されませんでしたが、硫酸塩溶液の吸収による飽和効果により重量が増加しました。

図 8 は、硫酸ナトリウム凍結融解浸食サンプルの SEM スキャンの結果を示しています。電子顕微鏡は、コンクリート柱の外層から採取したブロックから収集したサンプルを検査しました。図 8a は、侵食される前の無拘束コンクリートの走査型電子顕微鏡画像です。サンプルの表面には多数の穴があり、凍結融解侵食前のコンクリート柱自体の強度に影響を与えることが観察されます。図 8b は、100 回の凍結融解侵食後の FRP 完全閉じ込めコンクリート試験片の電子顕微鏡スキャンを示しています。試験片の凍結・融解によって生じた亀裂を検出できます。しかしながら、表面は比較的平滑であり、結晶は存在しない。したがって、埋められていない亀裂がより目立ちます。図 8c は、100 回の凍結融解侵食後の FRP 半拘束コンクリート試験片を示しています。亀裂が広がっており、亀裂の間に粒子がいくつか形成されていることがわかります。これらの粒子の一部が亀裂に付着します。非閉じ込めコンクリート柱のサンプリングのSEMスキャンを図8dに示しますが、この現象は半閉じ込めと一致しています。粒子の組成をさらに解明するために、亀裂の部分の粒子をさらに拡大し、EDS 分光法を使用して分析します。粒子には主に 3 つの異なる形状があります。エネルギースペクトル分析によると、最初のカテゴリは図9aに示されており、主にO、S、Ca、およびその他の元素で構成される規則的なバルク結晶です。先の式（3）と式（4）を組み合わせると、材料は石膏（硫酸カルシウム）を主成分としていることがわかります。 2 番目のタイプは図 9b に示されています。エネルギースペクトル分析により、主にO、Al、S、Caから構成される針状の無指向性物体です。組み合わせた式から、この材料は主にミョウバンで構成されていることがわかります。 3番目のタイプは図9cに示されており、エネルギースペクトル分析によって決定された不規則なバルクであり、主にO、Na、およびS成分で構成されています。これらは主に硫酸ナトリウムの結晶であることがわかります。走査型電子顕微鏡検査により、図9cに示すように、ほとんどの空隙が硫酸ナトリウムの結晶と、少量の石膏およびミョウバンで満たされていることが明らかになりました。

侵食前後の試験片の電子顕微鏡スキャン: (a) 侵食前の無閉じ込めコンクリート。 (b) 完全に閉じ込められた FRP の侵食後。 (c) FRP 半閉じ込めコンクリートの侵食後。 (d) 無拘束コンクリートの侵食後。

EDS 分析：（a）石膏（硫酸カルシウム）。 (b) ミョウバン。 (c) ミラビライト（硫酸ナトリウム結晶）。

分析から次の結論が得られます。 3 つの試験片の電子顕微鏡画像はいずれも 1k 倍であり、画像内の亀裂や侵食生成物を見つけて観察します。無軟コンクリートには最も広い亀裂があり、多くの粒子が含まれています。 FRP半閉じ込めは、ひび割れ幅や粒子数が無閉じ込めコンクリートに比べて劣ります。凍結融解結合浸食後の FRP 完全閉じ込めコンクリートの亀裂幅は最も小さく、粒子がありません。これらすべては、FRP 完全拘束コンクリートが凍結融解による浸食の影響をほとんど受けないことを示しています。 FRP 半密閉および無密閉コンクリート柱内の化学プロセスにより、ミョウバンと石膏が形成され、硫酸塩の浸透が細孔に影響を与えます。凍結融解サイクルはコンクリートひび割れの主な原因ですが、そもそも硫酸塩とその生成物が亀裂や細孔の一部を埋めます。しかし、侵食の回数と時間が増加するにつれて、亀裂は成長し続け、生成されるミョウバンの量が増加して亀裂を圧迫しました。最終的に、凍結融解と硫酸塩による攻撃によりカラムの強度が低下する可能性があります。

軸圧縮強度試験では、硫酸ナトリウム溶液中で凍結融解サイクルによる浸食を受ける 2 つの閉じ込め材料と技術の機械的特性を調査しました。図 10a は、侵食条件下でさまざまな拘束技術と材料を使用したコンクリートの圧縮強度を比較し、凍結融解サイクルの回数による圧縮強度の変化を調査しています。 FRP半密閉コンクリートおよび無密閉コンクリートの強度は、最初は増加しましたが、その後わずかに減少しました。完全閉じ込めコンクリートは徐々に強度が増加します。

さまざまな閉じ込め技術と材料の変更の比較: (a) さまざまな閉じ込め技術によるコンクリート強度の変化。 (b) 質量変化と強度の関係。

50 回の凍結融解サイクルの後、CFRP 完全拘束コンクリートの強度は 2.3 MPa 増加し、半拘束コンクリートの強度は 3.5 MPa 増加します。 GFRP完全閉じ込めコンクリートの強度は3.4MPa増加し、同様にGFRP半閉じ込めコンクリートの強度は6.5MPa増加します。 FRP で固めたコンクリートは、一度の凍結融解条件下で内部に亀裂が発生し、強度が低下することが研究でわかっています22。ただし、テスト結果の強度は増加しました。電子顕微鏡観察の結果や質量減少、pH変化などを考慮すると、コンクリートの空孔や凍結融解によるひび割れを埋めるために硫酸ナトリウムを添加したことによる強度の増加と説明できます。 100 回の凍結融解サイクル後、CFRP 全密閉コンクリートの強度は 3.9 MPa 増加し、半密閉コンクリートの強度は 2 MPa 減少しました。 GFRP完全拘束コンクリートは8.2MPa増加、GFRP半拘束コンクリートは5.9MPa減少した。これは、凍結と融解のサイクルによって亀裂が徐々に悪化するためです。硫酸ナトリウムとセメントの反応によって生成される過剰なミョウバンや石膏も亀裂を圧迫し、内部の損傷を悪化させます。無拘束コンクリートの強度は、50 回の凍結融解サイクル後に 5.7 MPa 増加し、100 回の凍結融解サイクル後に 4.5 MPa 減少しました。強度の変動則は FRP 半拘束の場合と同様で、最初に増加し、その後減少します。

凍結融解サイクル下での CFRP コンクリートと GFRP 閉じ込めコンクリートの強度変化も図 10a で比較できます。 50 回および 100 回の凍結融解サイクル後、CFRP 閉じ込めコンクリートの強度は、完全閉じ込めコンクリートか半閉じ込めコンクリートかに関係なく、GFRP 閉じ込めコンクリートの強度よりも大幅に高くなります。また、2つの材料の強度変化を比較すると、完全拘束法の方が半拘束法よりも材料の違いによる強度差を拡大できることがわかります。

質量損失は、凍結融解試験におけるコンクリートの耐凍害性を評価するための重要な指標です。一軸コンクリートの質量損失は、単一の凍結融解条件下で継続的に増加します22。しかし、硫酸ナトリウム溶液中での凍結融解サイクルの作用下では、さまざまな拘束方法や材料によるコンクリートの質量損失は一貫しません。したがって、この論文では、質量損失とサンプルの圧縮強度の間の相関関係を分析し、Origin ソフトウェアを使用して図 10b の曲線を当てはめます。質量損失に基づくさまざまな試験体の強度予測モデルが得られ、関連する結果とパラメータが表4に示されています。この予測モデルでは、無閉じ込めコンクリートの適合度R2が小さく、他の予測式は高い適合度を示します。程度。

この研究は、硫酸塩溶液中での凍結融解サイクルによって侵食されたコンクリートの運用上の性能に対する閉じ込めの影響を判断することを目的としました。この文脈において、「作業性能」という用語は主に、浸食されたコンクリートが閉じ込められた後に強度を回復する能力と、閉じ込められた後のさらなる浸食に抵抗する能力を指します。侵食条件は、10% 硫酸ナトリウム溶液中での凍結融解サイクルを 50 回繰り返します。図 11 は、さまざまな閉じ込め材料と技術におけるコンクリートの強度を閉じ込めと浸食の順に示しています。プレ閉じ込めコンクリートとは、通常のコンクリートをFRPで閉じ込めた後、侵食させたものです。ポスト閉じ込めコンクリートとは、通常のコンクリートが最初に浸食されてから閉じ込められることを意味します。

コンクリートに対する拘束シーケンスの影響：（a）プレ拘束コンクリートとポスト拘束コンクリートの強度比較。 (b) ポストコンファインコンクリートと再結合コンクリートの強度比較。

図 11a は、プレ閉じ込めコンクリートとポスト閉じ込めコンクリートの間の CFRP と GFRP の強度関係を比較しています。後閉じ込めGFRP半閉じ込めコンクリートの強度は、プレ閉じ込めコンクリートの96％です。後閉じ込めGFRP完全閉じ込めコンクリートの強度は、プレ閉じ込めコンクリートの109％です。後閉じ込めCFRP半閉じ込めコンクリートの強度は、プレ閉じ込めコンクリートの約80％です。そして、GFRP完全拘束コンクリートは、拘束後の強度が事前拘束強度の82.3％に達します。コンクリートは、50 回の凍結融解サイクル後に硫酸塩の浸透により強度が増加します。結合浸食後の閉じ込められたコンクリートは、侵食されていないが閉じ込められたコンクリートよりも高くなるはずであることが示唆されています。ただし、後拘束コンクリートはプレ拘束コンクリートに比べて強度が低くなります。コンクリート表面浸食解析の結果、プレ閉じ込めコンクリートの表面は滑らかであるのに対し、ポスト閉じ込めコンクリートの表面は粗く、粉末結晶が点在していることがわかりました。この時点で、繊維層を使用してコンクリート表面を拘束すると、試験片の軸中心が圧縮されたときに不均一な拘束と応力の集中が生じます。したがって、ポストコンファインドコンクリートの強度は、プレファインドコンクリートの強度よりも低いことが観察できます。さらに、この試験は、工学的実践においてコンクリートが浸食されると、表面が粗く不均一になり、コンクリートの修復能力が低下することを実証しました。

図 11b は、ポスト閉じ込めコンクリートの強度とその再結合浸食を示しています。再結合侵食条件は、10% 硫酸ナトリウム溶液中での 50 回の凍結融解サイクルです。元の強度は、再浸食前のポスト閉じ込めコンクリートの強度を表します。再侵食後、CFRP 半閉じ込めコンクリートは元の強度の 102% に達することができますが、GFRP 完全閉じ込めコンクリートは元の強度の 98% まで再侵食することができます。CFRP 半閉じ込めコンクリートは、元の強度の 112% に達することができます。 GFRP 完全閉じ込めコンクリートは元の強度の 103% まで再侵食される可能性があります。試験結果は、ポスト閉じ込めコンクリートが再び侵食された後も高い圧縮強度を維持できることを示しています。また、閉じ込め材料と閉じ込め技術が閉じ込めと結合浸食の順序にわずかな影響を与えることも示されています。

さまざまな拘束材料と技術を使用したコンクリートの応力-ひずみモデルが、結合浸食条件下で調査されます。まず、硫酸塩と凍結融解の連成作用下でのさまざまなコンクリートの応力-ひずみの法則を分析します。次に、以前の極限応力-ひずみ予測モデルの適用可能性が議論され、硫酸塩と凍結融解サイクルの結合浸食条件に適した CFRP および GFRP 材料の極限応力-ひずみモデルが確立されます。

硫酸塩溶液中で0、50、および100回の凍結融解サイクル後の無拘束コンクリートの応力-ひずみ曲線を図12aに示します。 Guo の一軸圧縮下のコンクリートの構成方程式 31 を式 3 に示すように引用します。 (5)。これは、応力-ひずみ曲線を適合させ、「a」の値を決定するために使用されます。最終計算の結果、「a」は 2.0、2.3、1.8 となります。

一軸コンクリートの応力-ひずみ曲線: (a) 測定された応力-ひずみ曲線 ; (b) Guo Zhenhai の無次元応力-ひずみ曲線。 (c) 測定および当てはめられた応力 - ひずみ曲線。

Guo のモデルによると、パラメーター 'a' の値が小さいほど、曲線が狭くなり、積分面積が小さくなります。これは、延性と塑性変形能力の「a」低下を示していると説明できます。一方、パラメータ「a」が大きいほど、能力が重要になります。したがって、パラメータ「a」を使用してコンクリートの機械的特性を比較できます。図 12b は、さまざまな凍結融解時間に対する硫酸塩溶液中のコンクリートの無次元応力ひずみフィッティング曲線を示しています。無次元の応力-ひずみ曲線の下の積分領域のサイズが明確に観察できます。無次元応力-ひずみ曲線の臨界領域と上昇速度を注意深く観察すると、a の値がその曲線に及ぼす影響がわかります。「a」が小さいほど、ひずみの上昇が急峻になり、延性が低下していることを示します。「a」が大きくなるほど、ひずみの増加が緩やかになり、延性の増加が説明されます。ただし、ここでの延性は、無次元の応力-ひずみ曲線の延性のみを表します。 50 回の凍結融解サイクル後、コンクリートは良好な延性と可塑性を示しました。一方、100 回の凍結融解サイクルの後では、パラメーター a の値が減少し、その結果、全体の面積と延性が減少します。 Guo のモデルによって予測された応力 - ひずみ曲線と測定データを図 12c に示します。予測された曲線は測定データとよく一致しています。

図 12c は、結合浸食前後の応力とひずみの関係を示しています。 50 回の凍結融解サイクル後、コンクリートの圧縮の増加と硫酸ナトリウムの浸透により極限ひずみと応力も増加しました。これは、初期の結合浸食段階でコンクリートの延性と圧縮強度が向上することを示しています。同じ応力レベルでは、FT100 試験片の軸ひずみは FT50 試験片の軸ひずみよりもはるかに大きくなります。圧縮強度が 30 MPa のコンクリートの場合、降伏応力は約 9 ～ 10 MPa になるためです。したがって、凍結融解サイクルの回数に応じて延性が増加します。さらに、凍結融解サイクルの回数が増加し続けると、コンクリートのひび割れの拡大が増加します。このとき、凍結と融解の影響によりコンクリートの内部が緩み、強度が低下し、延性が増加します。

硫酸ナトリウム溶液中での凍結融解サイクル中のさまざまな閉じ込められた材料および技術の応力-ひずみ曲線を図 13 に示します。縦方向のひずみが左側に示され、横方向のひずみが右側に示されます。 FRP 閉じ込めコンクリートの応力 - ひずみ曲線では 3 つの段階を識別できます。 FRP半拘束コンクリートおよび全拘束コンクリートの軸ひずみは、第一段階の無拘束コンクリートの軸ひずみと同等です。これは、この段階では繊維層が拘束効果を発揮していないことを示しています。拘束コンクリートの横ひずみはほとんど変化せず、軸ひずみが横ひずみよりも大きいことがすぐにわかります。ストレスレベルが上昇し続けると、第2段階が始まります。この時点で曲線は緩やかになり、曲率は徐々に大きくなります。横方向のひずみは、縦方向のひずみよりもはるかに速い速度で変化します。コンクリート内部は徐々に破壊され、繊維層も徐々に巻き込まれ、コンクリートと繊維が同時に軸応力を負担することになります。さらに応力が増加すると、コンクリートの内部は急速に劣化し、第3段階に入ります。この段階は主に、試験片の軸応力に耐えるように繊維層を拘束することに関係します。この時点で、線形変化が再開されます。横方向のひずみが大幅に増加します。縦ひずみは横ひずみよりもわずかに遅い速度で変化し、横ひずみの傾きが縦ひずみの傾きよりも小さいことがはっきりと観察できます。繊維層の極限引張ひずみに達するとコンクリートは破壊され、第 3 段階の終了を示します。

結合浸食下でのさまざまな拘束技術を用いたコンクリートの応力-ひずみ曲線: (a) CFRP 完全拘束コンクリートの応力-ひずみ曲線。 (b) GFRP 完全閉じ込めコンクリートの応力-ひずみ曲線。 (c) CFRP 半閉じ込めコンクリートの応力-ひずみ曲線。 (d) GFRP 半閉じ込めコンクリートの応力 - ひずみ曲線。

凍結融解条件下でのCFRPおよびGFRP完全閉じ込めコンクリート柱の応力-ひずみ曲線を図13a、bに示します。第 1 段階では、侵食されて閉じ込められたコンクリートのひずみ変化は、閉じ込められていないコンクリートのひずみ変化よりも大きく、応力は常に低くなります。侵食され、その後閉じ込められ、再び侵食された FRP 完全拘束コンクリートの曲線は、侵食されていない FRP 完全拘束コンクリートの曲線と大きく異なりません。これは、完全拘束コンクリートが侵食されてから拘束された後も良好な侵食を維持できることを示しています。抵抗。侵食数が増加しても、応力 - ひずみ変化の最初の段階では大きな差はなく、GFRP でさえ侵食数がわずかに多くなります。図 13b、d の CFRP と GFRP の半閉じ込めコンクリートを考えてみましょう。 FRP半密閉コンクリートはFRP全密閉コンクリートに比べて耐侵食性が劣りますが、変更ルールは同じです。

図 13a、c は、それぞれ CFRP 完全密閉コンクリートと半密閉コンクリートの応力 - ひずみ曲線を示しています。 CFRP半拘束コンクリートの縦ひずみ曲線は、CFRP完全拘束コンクリートよりも急峻になります。これは、CFRP半コンクリート中の繊維クロスストリップが剥離しているためです。 CFRP半拘束コンクリートのファイバーストリップの拘束力は完全拘束コンクリートに比べて小さいためです。したがって、半拘束コンクリートの縦ひずみは軸圧縮時に速く変化し、終局ひずみは小さくなります。ただし、最終的な横ひずみはFRP自体の材質に影響されるだけなので変化はありません。図13cの応力-ひずみ曲線は、CFRP半閉じ込め凝固の横ひずみが第1段階と第2段階では非常に短く、急速に発達し、第3段階では傾きが比較的安定していることを示しています。 CFRP半閉じ込めコンクリートの閉じ込め面積は完全閉じ込めコンクリートの半分と小さいことが説明できます。その結果、コンクリートはすぐにその作業能力を失います。試験片の変形を軽減するには、繊維層の横方向の拘束力に頼らざるを得ません。したがって、繊維層の面積が半分になると、破損するまでのひずみの変化が加速されます。 CFRP閉じ込めコンクリートの現象は、図15b、dのGFRP完全閉じ込めコンクリートと半閉じ込めコンクリートを比較することによっても取得できます。

FRP閉じ込めコンクリートと無閉じ込めコンクリートの極限応力とひずみを表5に示します。 ε'cc/ε'coは伸び率で定義され、FRP閉じ込めコンクリートの変形能力が無閉じ込めコンクリートに比べてどの程度向上しているかを示すことができます。同様に、f'cc/f'coは強化率で定義され、FRP閉じ込めコンクリートの軸方向圧縮能力が無閉じ込めの普通コンクリートに比べて向上していることを示します。観察表より、CFRP完全拘束コンクリートの拘束率が最も大きく、次いでGFRP完全拘束コンクリート、CFRP半拘束コンクリート、ポスト拘束コンクリートの順となっている。 GFRP の伸長は CFRP の伸長よりも顕著であり、これは GFRP の弾性率に関係します。 FRP半拘束コンクリートの強化率は全拘束コンクリートの約半分です。ポスト閉じ込めコンクリートは、侵食されていない閉じ込めコンクリートと比較して、伸びがわずかに増加します。

多くの研究者が、侵食を受ける FRP 閉じ込めコンクリートの極限応力-ひずみモデルを提案しています。ただし、このモデルは、硫酸ナトリウム溶液中でさまざまな閉じ込められた材料や技術を使用した凍結融解サイクル環境では研究されていません。 4 人の研究者によって開発された FRP 閉じ込めコンクリートの極限応力-ひずみ計算モデルを、各モデルの標準化されたパラメータ記号とともに表 6 に示します。最終的な応力-ひずみ法では、誤差解析を使用して最適なモデルを決定しました。極限応力とひずみを予測するための 4 つのモデルは、強拘束コンクリートに基づいています。図 13 のコンクリートの応力 - ひずみ曲線を観察して、その極限応力とひずみを決定します。 FRP閉じ込めコンクリートの応力はひずみの増加とともに増加し、下降するセグメントはありません。結果は、FRP閉じ込めコンクリートのピークひずみと終局ひずみが一致していることを示しています。無コンクリートの終局ひずみは、終局応力に相当するひずみである。

表 4 の実際の ε'cc/ε'co 値を上記の研究モデルに代入し、f'cc/f'co の予測値を計算します。これは、図14aの強調率誤差分析のために実際のf'cc/f'co値と比較されます。横軸は実際の強調率を表し、縦軸は予測された強調率を表します。結果は、Kabhari & Gao モデルの予測された強調率が実際の強調率よりも大きいことを示しています。図 14b は、Toutanj モデルのベースラインが散乱の中心にあり、誤差が比較的小さいことを示しています。図 14c は、予測された強調率が実際の強調率よりも小さいことを示しています。 Jiang & Teng モデルの誤差限界は、図 14d の Toutanji モデルの誤差限界に匹敵します。 Jiang & Teng および Totanji モデルがこの実験条件下のモデルに最も類似していると結論付けられます。最後に、誤り率 w(\(\frac{{\sum {{\text{(A}} - {\text{A}^{\prime}}} )}}{{\sum {\text{A }} }}\)、A' は予測値、A はテスト値) が導入されます。

FRP 閉じ込めコンクリートの極限応力の誤差解析: (a) Karbhari & Gao モデルの誤差解析。 (b) Totanji モデルのエラー分析。 (c) Lam & Teng モデルの誤差分析。 (d) Jiang & Teng モデルの誤差分析。

表 4 の実際の f'cc/f'co 値を上記の研究モデルに代入し、ε'cc/ε'co の予測値を計算します。図１５において、横軸は実際の伸長率を示し、縦軸は算出された予測伸長率を示す。図 15a は、Karbhari & Gao モデルの予測された伸長率が実際よりも大きいことを示しています。 Toutanji モデルのベースラインは散乱の中心に位置しており、誤差は図 15b の方が小さくなっています。図 15c は、計算された伸長率が実際の伸長率よりも大きいことを示しています。図 15d に示す Jiang & Teng モデルの誤差範囲は Toutanji モデルの誤差範囲に匹敵します。増強率誤差分析と組み合わせると、Jiang & Teng モデルが実験条件に最も近いと結論付けられます。

FRP 閉じ込めコンクリートの終局ひずみの誤差解析: (a) Karbhari & Gao モデルの誤差解析。 (b) Totanji モデルのエラー分析。 (c) Lam & Teng モデルの誤差分析。 (d) Jiang & Teng モデルの誤差分析。

以前の限界応力-ひずみ予測モデルは、FRP 閉じ込めコンクリートが硫酸ナトリウム溶液中で凍結-融解サイクルにさらされた場合、現在の研究モデルが予測を満たすことができないことを示しています。そこで、本実験では、得られたデータに基づいて、この条件における予測モデルを構築する。この提示されたモデルの適用性は限られており、10% 質量の硫酸ナトリウム溶液と 100 回の凍結融解サイクル以内でしか予測できません。この範囲を超えると、改良のためにさらに実験が必要になります。試験結果は、CFRP 閉じ込めコンクリートと GFRP 閉じ込めコンクリートの 2 つのカテゴリに分類されます。予測モデルの誤り率はそれぞれ 0.075 と 0.089 です。すべての分析結果は、モデルが良好な予測効果を持っていることを示しています。

ここで、fcc は FRP 閉じ込めコンクリート供試体の圧縮強度です。 fco は、無締めコンクリート試験片の圧縮強度です。 εcc は FRP 閉じ込めコンクリートに対応する限界点ひずみです。 εco は無拘束コンクリートです。無コンクリートに相当する限界点ひずみ。 a、b、c はフィッティングする値であり、その値を図 16 に示します。

CFRP および GFRP 限定コンクリート予測モデル。

硫酸塩溶液中での FRP 閉じ込めコンクリートに対する凍結融解サイクルの影響を調べるために実験が行われます。外部環境条件では、10% 濃度の硫酸ナトリウムと凍結融解サイクルが使用されます。顕微鏡観察、pH、質量損失、SEM および EDS 分析、軸圧縮強度試験、および応力 - ひずみ曲線分析の後に、次の結論が導き出されます。

1. 凍結融解サイクルが増えるほど、表面の損傷は深刻になり、表面から内部まで徐々に侵食されます。 FRP の半閉じ込め表面と非閉じ込め表面は深刻な損傷を受けますが、FRP の完全閉じ込め表面はほとんど検出できません。半閉じ込め技術は、環境によるコンクリートへの化学的攻撃を軽減するものではありませんが、相応の強度を確保することができます。

2. 無コンクリートの pH は侵食中に急速に増加し、時間の経過とともに徐々に増加します。 EDS 分光法を試料に使用して、SEM で観察された白色結晶をさらに分析します。硫酸ナトリウムは水酸化カルシウムと反応して硫酸カルシウムを形成し、硫酸カルシウムはメタアルミン酸カルシウムと反応してミョウバン結晶を形成します。さまざまな限定技術下での pH と質量損失の間の予測関係が確立されます。

3. 機械的試験により、FRP 閉じ込め技術がコンクリートの終局荷重を大幅に改善することが確認されています。 FRPセミクローズド技術はフルクローズド技術の約50％の効果が得られます。 CFRP 閉じ込めの機械的効果は、GFRP 閉じ込めの 2 倍です。結合浸食作用により、FRP 半圧縮コンクリートおよび未圧縮コンクリートの強度は最初に増加し、その後わずかに減少しました。 FRP完全拘束コンクリートの強度は緩やかに増加します。さらに、一度侵食されて閉じ込められたコンクリートは、再度侵食されても高い性能を維持します。質量損失と強度損失の関係の予測モデルが構築されます。

4. 半密閉コンクリートおよび全密閉コンクリートの応力-ひずみ曲線は 3 段階に分けることができます。 FRP 閉じ込めコンクリートの極限応力-ひずみモデルは、以前に公開された文献を参照して検証されます。凍結融解と硫酸塩の結合浸食下での極限強度を予測するための新しいモデルが提示されています。硫酸塩溶液中での凍結融解の組み合わせ条件下で、CFRP と GFRP という 2 つの材料によって拘束されたコンクリートの極限応力-ひずみを予測できます。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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著者らは、第 67 回中国ポスドク財団（番号 2020M670872）、中国黒竜江省ポスドク財団（番号 LBH-Z19105）、および黒竜江省留学学生（スタートアップクラス）奨学金からの支援に感謝したいと思います。商業主義を避けるため、商品名やメーカーなどの独自情報は掲載しておりません。本書に記載されている技術内容は著者の意見に基づくものであり、必ずしも他者の意見を代表するものではありません。

Yongcheng ji と Yunfei Zou の著者も同様に貢献しました。

東北林業大学土木工学部、ハルビン、150040、中国

Yongcheng Ji、Yunfei Zou、Wei Li

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転載と許可

Ji, Y.、Zou, Y.、Li, W. 寒冷地における FRP 閉じ込めコンクリートの硫酸塩浸食調査。 Sci Rep 12、10839 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-15075-z

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受信日: 2022 年 4 月 13 日

受理日: 2022 年 6 月 17 日

公開日: 2022 年 6 月 27 日

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

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