繊維強化再生レンガ骨材セメント系材料の耐凍害性調査

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15311 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

建設廃棄物による環境汚染問題を解決するため、代表的な赤レンガ廃棄物を再生コンクリートの原料として採用しました。本研究では、寒冷地における再生レンガ骨材コンクリートの劣化機構を研究・解析するために、天然骨材の一部を処理赤レンガ骨材に置き換えた再生コンクリートを紹介した。合計 15 のカテゴリーの試験片と 3 つの実験パラメーターが考慮されました。これらには、凍結融解サイクル数 (0、50、および 100)、鋼繊維混和剤 (0、1、および 2%)、およびレンガ骨材の置換率が含まれます。それぞれ0、25、50、75、100%)。急速凍結融解試験方法は、さまざまな凍結融解サイクル下での再生コンクリートの劣化質量損失率と相対動的弾性率を調査するために選択されました。デジタル顕微鏡と SEM を使用して、異なる凍結融解時間下での試料の内部微細構造の変化を観察しました。さらに、試験片の顕微鏡的な損傷形態と損傷メカニズムを分析しました。最後に、再生コンクリートの機械的劣化を解析するために凍害試験片の曲げ強度を試験し、鋼繊維注入量と再生骨材置換率に対応する数値モデルを提示した。灰色相関分析を使用して、さまざまな凍結融解サイクル下での対応する実験指標に対する各実験変数の影響を定量化しました。結果は、凍結融解サイクル後に試験片の質量が減少し、レンガ置換率が 50% および 75% の試験片で最大の質量損失が見られたことを示しました。さらに、鋼繊維ドーピングが 1% の場合、試験片は最高の相対動的弾性率と最大曲げ強度を示しました。数値モデルは実験データと一致し、凍結融解サイクル後の試験片の質量損失率、相対動的弾性率、および曲げ強度を効果的に予測しました。灰色の相関分析では、鋼繊維含有量が曲げ強度、相対動的弾性率のレンガ置換率、および質量損失が凍結融解サイクルを制御すると最大の相関関係があることが示されました。

中国では都市化が徐々に加速しており、主に廃コンクリートや赤レンガなど多くの建設廃棄物が毎年発生しています。現在、中国の年間建設廃棄物は 1 億トン以上に達しており、都市廃棄物全体の 30 ～ 40% を占めています1。建設廃棄物の存在は、多くの土地資源を占有するだけでなく、環境に深刻な汚染を引き起こします。そのため、コンクリートのリサイクルに大きな注目が集まっています。しかし、再生骨材は再生コンクリートに含まれる天然骨材に比べて物性が劣るため、再生コンクリートの機械的性質や耐久性、特に耐凍結融解性が通常のコンクリートに比べて劣ります。これらすべての観察結果は、寒冷地における再生コンクリートの推進を著しく妨げています。

再生コンクリートの耐凍結融解性を向上させるために、国内外の学者がこのテーマについて広範な研究を行っており、一部の学者は再生骨材置換率と凍結融解サイクル数を試験パラメータとして使用しています2,3。基礎研究は、急速凍結法や緩速凍結法などの実験的方法によって実施され、さまざまな置換率およびさまざまな凍結融解サイクル数の下での再生骨材コンクリートの計算モデルの導出につながりました4,5。これは、凍結融解損傷パターンと再生コンクリートの最適な交換率を分析するために使用されます。 Xiao et al.6 は、異なる骨材置換率を持つ再生コンクリートを配合し、モデルを利用して再生骨材の最適混合を決定することにより、凍結融解サイクルと硫酸塩環境の結合効果の下で、骨材置換率が異なる再生コンクリートの物理的および機械的特性を研究しました。分析。 Su et al.7 は再生粗骨材コンクリートの塩霜サイクル数に関する接着挙動を解析し、RAC の接着滑りの予測モデルを確立した。塩霜サイクルが強化材分布による結合応力に及ぼす影響も調査されました。 Hao et al.8 は、鉱物混和剤とポリプロピレン繊維を添加することによってクラス II および III の再生コンクリートを強化し、最適な耐凍害性カテゴリーを選択しました。その結果、累積損傷D = aebNの指数関数モデルは凍結融解損傷度の実験結果を非線形にフィッティングすることによって得られ、モデルフィッティング式は高い精度を示した。

再生骨材自体の限界のため、一部の学者は、再生コンクリートの耐凍害性を最初に理解した後、混和剤の投与量を変更したり、再生骨材の処理を変更したりして実験を研究しました9,10。圧縮強度、相対動的弾性率、およびその他の指標の試験は、再生骨材コンクリートの耐凍害性を包括的に改善するために使用され、結果は最適な混和剤または比率の予測を正当化するために実験データとほぼ一致しました11,12。 Peng ら 13 は、さまざまなポリプロピレン繊維混和剤を使用した再生コンクリートの機械的性能と耐久性性能の変化と凍結融解効果を研究しました。凍結融解サイクル条件に最適な繊維混合物が得られました。 Kazmi et al.14 は、凍結融解試験および硫酸塩攻撃耐性試験を実施することにより、コンクリートの耐久性能が骨材の物性から推定できることを示し、さまざまな酸性環境で処理された再生コンクリート試験片を考慮した回帰モデルが開発されました。 Lu ら 15 は、模擬酸性雨噴霧下で、さまざまな置換率を使用した再生コンクリートの凍結融解耐性を研究しました。その結果、置換率の異なる再生コンクリートは通常のコンクリートに比べて耐凍結融解性が劣ることがわかった。酸性雨による攻撃は、再生コンクリートの質量損失率には大きな影響を与えませんでしたが、相対動的弾性率には大きな影響を与えました。

上記の研究は再生コンクリートの耐凍害性に焦点を当てていますが、試験材料、試験環境、試験方法、および実際の状況との間に大きな違いがあるため、試験結果にはいくつかの限界があります。さらに、炭素繊維などの高性能材料を巻き付け、再生骨材置換率や数回の凍結融解サイクルと組み合わせて、再生骨材コンクリートの耐凍害性や機械的特性を総合的に検討する研究も始まっている16,17。 18、19。例えば、Liu et al.20 は、人工ニューラルネットワーク (ANN)、ガウス過程回帰 (GPR)、および多重適応回帰スプライン (MARS) という 3 つの計算ソフトウェア手法を使用して、再生コンクリートの凍害耐久性をシミュレートしました。 He ら 21 は、凍結融解サイクルの作用下での再生コンクリート短柱試験片の耐力に及ぼす再生粗骨材置換率と凍結融解炭素繊維織物 (CFRP) 補強の順序の影響を体系的に調査しました。凍結融解サイクルと CFRP 補強の共同影響下で再生コンクリート短柱試験片をシミュレートするために、究極の支持力方程式が提示されました。 Zheng22 は、リサイクルコンクリート中の玄武岩繊維と配合されたナノシリカが機械的特性と耐久性能に及ぼす影響について議論し、建設業界におけるナノマテリアル、繊維、および繊維ナノマテリアル改質リサイクルコンクリートの応用可能性についてまとめました。 Liu23 ら RAC システムの硫酸根耐性を予測するための統合された機械学習ベースの方法を研究しました。予測モデルの構築には、ランダムフォレスト、適応拡張、勾配拡張、極値勾配拡張の 4 つの統合学習方法が使用されました。材料特性と環境条件に関連する 10 個の変数が入力として選択されました。結果は、環境条件が乾燥条件での再生コンクリートの耐硫酸塩性に影響を与えることを示しています。 Liu24ら。は、再生コンクリートを処理するための解決策としての脱窒細菌の使用を評価しました。熱重量分析と走査型電子顕微鏡により、生物学的に誘導された両方の炭酸カルシウムが古い界面と新しい界面の間の遷移領域を満たしていることが観察されました。細菌は凝集体とマトリックスの間の接着を強化し、凍結融解の繰り返しストレスに対する耐性を高める可能性があります。

上述の再生コンクリートに関する研究は主に再生コンクリート骨材に焦点を当てており、赤レンガ骨材からの再生コンクリートに焦点を当てた研究はほとんどない。赤レンガの廃棄は主に単純な積み上げや埋め立てによって行われており、土地資源を占有し、環境を汚染しています。赤レンガ骨材の物理的および機械的特性は劣っています。鋼繊維は引張強度が高く、靱性が強いため、再生コンクリートに鋼繊維を添加すると、強度が低く、微小亀裂が多いなどの再生骨材の欠陥を効果的に改善できます。鋼繊維の優れた物理的特性と経済的適用性に基づいて、鋼繊維の導入は、再生骨材の基本的な物理的特性の制限に起因する再生骨材コンクリートの低い機械的特性を効果的に軽減できます。したがって、この研究では、エンドフック鋼繊維を添加剤として考慮しました。再生レンガ骨材の質量置換率、鋼繊維含有量、および数回の凍結融解サイクルを使用して、再生レンガ骨材コンクリートの耐久性を調査しました。さらに、凍結融解サイクルを変化させた後の再生コンクリートの劣化を定量化するために、質量損失、相対動的弾性率、および曲げ強度試験が選択されます。さらに、この解析により、凍結融解サイクルを受けた後のレンガ骨材再生コンクリートの計算モデルが確立されます。最後に、異なる試験環境下でのレンガ骨材再生コンクリートの試験指数に対する各試験変数の影響を調査します。

再生レンガコンクリート原料は、赤レンガ骨材、天然粗骨材、天然川砂、普通ポルトランドセメント、エンドフック鋼繊維、水からなる。関連する材料特性は次のとおりです。

粗骨材：リサイクルレンガ骨材は、ハルビン市襄坊区で無作為にサンプリングして入手しました（図1a）。赤レンガ骨材は、図 1 に示す解体レンガをジョークラッシャーで粉砕・加工したものを使用した。 5 ～ 20 mm の連続グラデーションの要件を満たすために、粒径 5 ～ 10 mm（図 1b）と粒径 10 ～ 20 mm（図 1c）の骨材を 7:3 の質量比で配合しました25。天然粗骨材（NA）の性能は、「建設用小石および砕石（GB/T14685-2011）」26 の指標の要件を満たしています。天然粗骨材（NA）と赤レンガ再生粗骨材（CCB）の主な性能指数を表1に示します。

赤レンガ骨材：（a）赤レンガ取り出し場。 (b) 粒径 5 ～ 10 mm。 (c) 粒径10～20mm。

セメント: PO 42.5 グレードの普通ポルトランドセメントがセメントに使用され、その性能は「一般ケイ酸塩セメント (GB175-2007)」27 の要件を満たしています。

砂: 濾過および乾燥後に、繊度係数 2.4 の中程度の砂を使用しました。

スチールファイバー：長さ32.0mm±2.0mm、幅2.6mm±1.2mmのエンドフックタイプのスチールファイバーを使用した。図2に示すように、引張強さは700MPa以上、密度は7850kg/m3です。

エンドフックタイプのスチールファイバー。

試験片は、鋼繊維の添加量と再生骨材の置換率を試験パラメータとして考慮し、凍結融解サイクルの回数 (0、50、および 100 回) によってグループ化されます。 45 個の角柱試験片について、凍結融解サイクルにさらしたときの質量損失、相対動的弾性率損失、および曲げ強度をテストしました。さらに、再生コンクリートの劣化メカニズムをさまざまな凍結融解プロセスから検討しました。

この試験における対照コンクリート供試体の設計強度は 40 MPa です。各グループの再生コンクリート供試体は、鋼繊維混和材をそれぞれ 0、1、2%、再生粗骨材を 0、25、50、75、100% 質量置換して調製しました。表2にコンクリート配合設計を示し、NACは普通コンクリート供試体、RBACは再生レンガ骨材コンクリート供試体、「25、50、75、100」は赤レンガ含有率25、50、75、100％、「S0、S1」、Ｓ２」は、それぞれ鋼繊維含有量１、２、３％を表す。たとえば、「RBAC-25-S0」は、再生レンガ骨材試験片の赤レンガ含有量が 25%、鋼繊維混和材が 0% であることを示します。

高い吸水率と破砕指数の特性を考慮して、再生赤レンガの粗骨材に飽和表面乾燥処理を施した。そこで、破砕・篩い分けした再生赤レンガ粗骨材を水中に入れ、24時間浸漬した。続いて、再生骨材を取り出し、２時間乾燥させた。処理後、表面が飽和乾燥状態に達したと考えられます28。

「普通コンクリート混合物の性能試験方法に関する基準（GB/T20081-2002）」によれば、強制ミキサーを使用して粗骨材と細骨材を混合し、セメントを徐々に加えて水を加え、最後に鋼繊維を加えて散布する29。。標本は、標準的なメンテナンス条件を 28 日間維持した後、凍結融解サイクルチャンバー内に配置されました (図 3)。質量損失（図 4a）と相対動的弾性率（図 4b）は 25 凍結融解サイクルごとに 1 回測定され、試験片の各グループの曲げ強度は圧縮試験機で試験されました（図 5）。さらに、さまざまな投与量および凍結融解時間の下でのコンクリート試験片の曲げ破壊に耐える能力がテストされ、耐凍害性が分析されました。各角柱状試験片カテゴリでは 3 つのサンプルを使用し、データの一貫性を保つために平均値を試験値として採用しました。「コンクリート試験方法の物理的および機械的性質に関する規格（GB/T 50081-2019）」によれば、曲げ試験片の寸法は、高さ 100 mm、幅 100 mm、長さ 400 mm です30。凍結融解試験は凍結融解サイクルチャンバー内で実施され、「普通コンクリートの長期性能および耐久性試験方法の標準（GB/T50082-2009）」31と呼ばれています。

凍結融解循環ボックス: (a) 凍結融解サイクルボックスの外装。 (b) 凍結融解循環ボックスの内部。

質量損失率および弾性率試験：（a）品質損失試験。 (b) 弾性率試験。

角柱状試験片の曲げ試験：（a）角柱状曲げ強度試験（拡大）。 (b) プリズム曲げ強度試験 (視覚)。

図6に示すように、25回の凍結融解サイクルごとに、再生コンクリートの外観変化が観察されました。凍結融解サイクルの作用により、供試体表面のモルタルは徐々に剥離しました。再生骨材の置換率の増加に伴い、モルタル表面の剥離現象は徐々に悪化した。その結果、赤レンガ骨材の一部が露出し始めた。凍結融解サイクルの増加に伴い、さまざまな交換率のコンクリート供試体では凍害が悪化する傾向がありました。凍結融解サイクル数が 50 回を超えると、コンクリート供試体表面のモルタルが剥離して供試体底部に堆積し、コンクリート供試体の外表面の骨材が明らかに露出しました。。凍結融解回数が 100 回に達すると、コンクリート供試体の構造的完全性が損傷し、粗骨材の一部が脱落し始めました。

凍結および解凍後の試料の外観: (a) 凍結-解凍回数 0 回。 (b) 凍結融解を 25 回行う。 (c) 50 回の凍結融解。 (d) 75 回の凍結融解。 (e) 凍結融解を 100 回行う。

凍結融解を100回繰り返したコンクリート供試体の損傷部を曲げ試験後にランダムに選択し、赤レンガ骨材、天然粗骨材、モルタル巻き赤レンガ骨材を倍率100倍のデジタル顕微鏡下に置き、2000倍でスキャンした。電子顕微鏡による拡大図と顕微鏡観察による顕微鏡像を図１〜図３に示す。デジタル顕微鏡観察下では、100回の凍結融解サイクル後に応力がかかった赤レンガ集合体の表面に亀裂が現れたことがわかります（図7a）。赤レンガ骨材とモルタルとの密着性は、凍結融解を繰り返すうちに弱くなり、赤レンガ骨材の一部が剥がれ始めた。落下したモルタルの表面には、凍結融解による吸水により小さな穴がさらに多く見られました（図7b）。しかし、天然骨材は凍結融解サイクルや外力の影響をあまり受けませんでした。骨材とモルタルは密接に結合して巻き付けられており（図 7c）、デジタル顕微鏡観察下では明らかな亀裂や骨材の脱落は見られませんでした。

一般的な顕微鏡観察図：（a）赤レンガ骨材。 (b) モルタル。 (c) 天然粗骨材。

電子顕微鏡走査型 SEM 画像：（a）天然の粗骨材。 (b) 赤レンガ骨材表面。 (c) 赤レンガ骨材。 (d) 赤レンガ骨材の亀裂。 (e) 赤レンガ骨材とモルタル移行ゾーン。

図8aに示すように、走査型電子顕微鏡写真では、天然の骨材表面はより滑らかです。損傷部からの骨材の亀裂幅は数ミクロン程度から十ミクロン以上までさまざまです。天然粗骨材と比較して、赤レンガ骨材の表面は粗く、ピットや細孔が多くありました（図8b、c）。リサイクルされたレンガ骨材は、多数の細孔亀裂を持つ緩い内部構造を持っています（図8dおよび表1）。亀裂の幅はほとんどが約 25 ミクロンであり、破砕指数、吸水率、その他のパラメータが天然骨材よりも高くなります。リサイクルされたレンガ骨材は、凍結融解サイクル中により多くの自由水を吸収すると説明できます。赤レンガの粗骨材と新しいモルタルの界面にある遷移領域の顕微鏡的形態を図8eに示します。赤レンガとモルタルの界面ではより明白な亀裂が観察され、亀裂の幅は15～30μmの範囲で変化しました。赤レンガ骨材は凍結融解を繰り返すと内部の水分が増加し、自然骨材よりも構造が緩くなります。赤レンガ骨材は、ドープされていない鋼繊維の場合の曲げ強度に影響を及ぼし、凍結融解サイクルが増加すると曲げ強度が低下します。試験片の破損モードは、骨材が損傷した場合に発生する可能性が高くなります。

試験は急速冷凍法で行われ、試験片の質量減少率は次のように計算されます。

ここで、W はコンクリートの質量損失率です。 M0 は、グラム (g) で表される、凍結および解凍前のコンクリートの初期質量です。 Mn は、n 回の凍結融解サイクル後のコンクリートの質量で、グラム (g) で表されます。

試験片の品質試験は、飽和表面乾燥条件下で実施されました。図 9 は、凍結融解サイクルの増加に伴う試料の測定質量と質量損失率を示しています。ここでも、各繊維投与量の下で標本を比較すると、各グループの質量は異なる程度に減少しました。再生骨材置換率の増加に伴い、すべてのグループの質量減少率が増加していることがわかります。さらに，鋼繊維混和材の漸増に伴い，同じ再生骨材置換率のもとで試験片の質量損失率は徐々に増加し，その増加率は10％を超えた。それは主に、置換率が 50 および 75% の標本に集中していました。 2% の鋼繊維と 75% の粗骨材置換率を備えた試験片では、質量損失が最も大きく、17% に達しました。通常コンクリートや100％再生コンクリート試験体と比較すると、旧モルタル－新モルタル、旧骨材－新モルタル、旧骨材－旧モルタル界面移行帯など、界面構造はより複雑となっている。この置換率での試験体にはまだ天然の粗骨材と細骨材が存在しており、リサイクル骨材による自由水の吸収が妨げられます。さらに、鋼繊維の混入によりコンクリートの緻密性が低下し、凍結後に試験体の外部構造が失われ、鋼繊維の一部が脱落するため、これら2つの交換率の下での品質低下が顕著になります。鋼繊維の増加に伴い、試験片の質量減少率は徐々に増加し、さらに凍結および解凍後に一部の鋼繊維が脱落し始め、質量減少率が増加した。これは、再生骨材自体の内部に微細な亀裂や微細な空隙が多く存在しているためと説明できる。細孔の解凍サイクルが増加すると、モルタルの外側表面が脱落し始め、内部の再生骨材が徐々に露出しました。その結果、その吸水率は天然骨材よりもはるかに大きくなります。このため、天然骨材に比べて吸水率が非常に大きく、試験片の品質劣化率が低くなります。

試験片の質量および質量損失率: (a) 鋼繊維含有量 0%。 (b) 鋼繊維含有量 1%。 (c) 鋼繊維含有量 2%。

コンクリート内部の損傷の程度を表すには、通常、相対動弾性係数が使用されます。試験片の基本横周波数は共振法によって決定されます。基本横周波数は、凍結と解凍を 25 回繰り返すごとに決定されます。相対動的弾性率は、次の式を使用して計算されます。

ここで、Dn は試験片の相対動的弾性率、% です。 f0 は試験片の初期横基本周波数 Hz です。 fn は、n 回の凍結融解サイクル後の試験片の基本横周波数 (Hz) です。

凍結融解サイクル完了後の試験片の相対動弾性率データを図10に示します。図から、凍結融解サイクルの回数が増加するにつれて、相対動弾性率が向上することがわかります。標本の各グループの数は徐々に減少します。横断解析により、試験片の各グループの相対動的弾性率が対照グループ (再生骨材 0%) よりも優れていることがわかります。鋼繊維含有量が 1% であるため、試験片の相対動的弾性率は対照グループよりも最大 28% 高くなりました。鋼繊維含有率の異なる供試体では、粗骨材置換率100%の場合に相対動弾性係数が反発しており、コンクリートモルタル表面が完全に剥離していることがわかります。部分的な粗骨材や細骨材も脱落しています。その後、凍結融解サイクルによって表面からコアコンクリートに至るまでの損傷過程が徐々に遅くなり、内部構造が安定します。鋼繊維含有量が 2% の場合は、再生骨材置換率下での供試体の動相対弾性係数が含有量 1% の場合に比べて低くなり、この状態では鋼繊維含有量が多すぎることがわかります。。凍結と解凍のサイクルが増えると、標本の内部構造はより混沌とします。

試験片の相対動的弾性率: (a) 鋼繊維含有量 0%。 (b) 鋼繊維含有量 1%。 (c) 鋼繊維含有量 2%。

角柱状試験片の換算係数は 0.85、曲げ強度の式は次のとおりです。

ここで、ft はコンクリートの曲げ強度、MPa です。 Fはコンクリート供試体の損傷荷重、KNです。 lはサポート間のスパン、mmです。 bはコンクリート試験片の幅、mmです。 h はコンクリート試験片の高さ、mm です。

凍結融解サイクル終了後の各試験片の曲げ強度を図11に示します。凍結融解サイクルの回数が増加するにつれて、各繊維含有量における試験片の曲げ強度は徐々に低下します。赤レンガの含有率が50%以上の場合、凍結融解の回数が増えると強度は徐々に低下します。

試験片の曲げ強度: (a) 鋼繊維含有量 0%。 (b) 鋼繊維含有量 1%。 (c) 鋼繊維含有量 2%。

鋼繊維含有量が 0% の場合 (図 11a)、通常のコンクリート試験片の強度はほぼ直線的に減少します。この場合、内部構造が大きく損傷し、赤レンガ骨材が多くの自由水を吸収し、試験片の外表面が極端に脱落するため、この時点で強度値が大きく変化します。

鋼繊維含有量が 1% の場合 (図 11b)、鋼繊維とコンクリートの粗骨材および細骨材の組み合わせは比較的低くなります。したがって、その曲げ強度値は同じ条件下で最大に達します。

鋼繊維含有量が2％（図11c）、赤レンガの含有量が50％に達すると、赤レンガ骨材の吸水率が高いため、試験片の自由水含有量が高くなります。したがって、曲げ試験中の曲げ強さの値は小さな範囲で変動します。

質量損失率 W と凍結融解サイクル数 n の変化曲線は、質量損失率 M が凍結融解サイクル数 n とともにほぼ正の関係で変化することを示しています。

フィッティング分析はソフトウェアによって実行され、傾き a と切片 b の値は表 3 に示すように最小二乗法によってフィッティングされました。

表３は、再生骨材置換率条件および鋼繊維量が異なる場合において、再生骨材置換率γおよび鋼繊維量θによってａおよびｂが変化することを示している。したがって、a と b は、式 (1) に示すように、置換率 γ をもつ二次関数としてフィッティングされます。 5.

したがって、鋼繊維含有量 θ は回帰分析によって表され、最小二乗法を使用して式 (1) の A、B、C の値をフィッティングします。表4に示すように、それぞれ5。

パラメータＡ、Ｂ、Ｃは、鋼繊維含有量θに関する値である。 A、B、C と繊維含有量 θ の関係は、最小二乗法により式 (1) のようにフィッティングされます。 6.

式 5 と 6 は式 5 に代入されます。図４に示す質量減少率Ｗと鋼繊維含有量θ、置換率γ、サイクル数ｎとの関係を求める。

各添加量における質量損失率の近似曲線を図12に示します。図からわかるように、鋼繊維添加量が0%の場合、試験値と近似値との誤差が最も大きく、凍結融解回数 100 回における置換率 50% の検体グループでは 7.8% でした。一方、残りのグループの誤差は 5% 以内であり、妥当な範囲内です。近似曲線の傾きは実験曲線と類似しているため、計算モデル (7) の近似値は、再生骨材の置換率 0 ～ 100% および鋼繊維ドーピング 0 ～ 2% の範囲に収まります。したがって、提示された数値モデルは、上記のパラメーター範囲で実際の質量損失率値を効果的に予測できます。

質量損失率フィッティング曲線: (a) 鋼繊維含有量 0%。 (b) 鋼繊維含有量 1%。 (c) 鋼繊維含有量 2%。

相対動的モード Dn と凍結融解サイクル数 n の変化曲線を観察すると、相対動的モード Dn が凍結融解サイクル数 n と正の相関があることがわかります。

フィッティング分析はソフトウェアによって実行され、表 5 に示すように最小二乗法により a と b の値がフィッティングされました。

表５は、再生骨材置換率および鋼繊維投入量条件が異なる場合において、再生骨材置換率γおよび鋼繊維投入量θに応じてａおよびｂが変化することを示している。したがって、a と b は、式 (1) に示すように、置換率 γ をもつ二次関数としてフィッティングされます。 9.

したがって、鋼繊維ドーピング θ は回帰分析を使用して表示されます。式の A、B、および C の値は次のとおりです。図９のパラメータは、表６に示すように、それぞれ最小二乗法を使用してフィッティングされる。ここで、パラメータＡ、Ｂ、およびＣは、鋼繊維ドーピングθに関連する値である。 A、B、および C とファイバードーピング θ の関係は、式 1 のように最小二乗法によってフィッティングされます。それぞれ10。

式 9 と 10 は式 9 に代入されます。図８を用いて、繊維ドーピングθ、置換率γ、凍結融解サイクルｎに関係する相対動的弾性率Ｄｎを計算する。

各ドープ量に対する相対動弾性率の近似曲線を図 13 に示す。計算モデル (11) に従って計算された近似曲線は、コンクリート供試体の実際の相対動弾性率の損失をよくシミュレートしていることがわかります。さらに、再生骨材置換率や鋼繊維ドーピング量を変化させることにより、コンクリート供試体の相対動係数の低下を予測することができます。近似曲線の傾きと節点値は、再生骨材置換率 0 ～ 100%、鋼繊維含有量 0 ～ 2% の範囲における実際の値、および再生コンクリート供試体の相対動的弾性率の傾向とよく一致しました。異なる含有率のものも上記の範囲内で予測できます。

相対動的弾性率フィッティング曲線: (a) 鋼繊維含有量 0%。 (b) 鋼繊維含有量 1%。 (c) 鋼繊維含有量 2%。

曲げ強度 ft と凍結融解サイクル数 n の変化曲線を観察すると、相対曲げ強度 ft が凍結融解サイクル数 n と正の相関があることがわかります。つまり、次のようになります。

フィッティング分析はソフトウェアによって実行され、表 7 に示すように最小二乗法により a と b の値がフィッティングされました。

表 7 は、再生骨材と鋼繊維含有量の置換率が異なると、再生骨材置換率 γ と鋼繊維含有量 θ の変化に応じて a と b が増加することを示しています。そこで、式（１）に示すように、置換率γに関する２次関数フィッティングを行うことによりａ、ｂを算出する。 13.

したがって、鋼繊維ドーピング θ は回帰分析を使用して表示されます。式の A、B、および C の値は次のとおりです。表 8 に示すように、13 はそれぞれ最小二乗法を使用してフィッティングされます。

パラメータ A、B、および C は、鋼繊維ドーピング θ に関連する値であり、A、B、および C と鋼繊維ドーピング θ の関係は、式 1 のように最小二乗法によってフィッティングされました。それぞれ14。

式 13 と 14 は式 13 に代入されます。図１２を参照して、繊維ドーピングθ、置換率γ、および凍結サイクルｎに関連する曲げ強度ｆｔを計算する。

式で示されるように、図 15 に示すように、相対的な曲げ強度の低下は凍結融解サイクルの回数とはあまり関係がなく、繊維のドーピングと置換率により多く関係しており、これはグラフが示す内容と一致しています。

各ドーピング量における相対動的弾性率の近似曲線を図 14 に示します。計算されたモデル (15) と組み合わせると、曲げ強度の劣化は凍結融解サイクルの回数とほとんど関係がなく、鋼繊維のドーピング量と再生骨材置換率との関係がより深い。図 14a に示すように、再生骨材置換率が低い場合、適合値は試験値から部分的に逸脱します。最大偏差値は 8.6% であり、この線量下での誤差値の変化は主に再生骨材置換率の影響を受けます。テスト値には多少の誤差はありますが、妥当な範囲内です。ドーピング量における実験曲線とテスト曲線は比較的よく一致しています。再生骨材置換率と鋼繊維添加量の上記範囲では、計算モデル (15) に従って計算された近似曲線は、コンクリート試験片の曲げ強度の劣化プロセスをより適切にシミュレートできます。再生骨材の置換率と鋼繊維の注入量を変化させることで、コンクリート試験片の曲げ強度の劣化をより適切に予測できます。

曲げ強度フィッティング曲線: (a) 鋼繊維含有量 0%。 (b) 鋼繊維含有量 1%。 (c) 鋼繊維含有量 2%。

グレー相関モデルは、各システムのサンプルデータに基づく多要素統計分析手法です。グレー相関度を使用して、因子の強度、サイズ、順序間の関係を記述します。 2 つのシステム間の相関は相関度の大小によって判断され、相関度が大きいほど 2 つのシステム間の相関が高く、2 つのシステムの速度、方向、大きさの変化が近くなります。この方法の具体的な手順は次のとおりです。

この試験は、質量減少率、相対動的弾性率、および曲げ強度に基づいて実行され、基準シーケンス X0(K) = {X0(1), X0(2), X0(3),...X0(n) を決定します。 )}、n は比較シーケンス Xi(K) = { Xi(1)、Xi(2)、Xi(3)、…Xi(n)}、i は鋼繊維とリサイクルされた鋼繊維の置換率の変化を表します凝集体と凍結融解サイクル数の変化、n は実行されたテストの種類を表します

各シーケンスの無次元処理には平均値法が使用され、計算式は次のとおりです。

次の方程式を使用して絶対差分級数を決定します。

次の式を使用して、2 つのレベル間の最大差 M と 2 つのレベル間の最小差 m を計算します。

次の式で相関係数を計算します。

ここで、ε は分解能係数で、通常は 0.5 と見なされます。

次の式でグレー相関度を計算します。

グレー相関モデルは 3 回実行され、結果の相関値が表 9 に示されています。

相関度データによれば、鋼繊維含有量、凍結融解サイクルタイム、再生骨材置換率の総合作用により、各パラメータ指標の相関度は大きく変化する。その中で、質量減少率と凍結融解サイクル時間との相関度は0.859759と最も大きく、0.859759であった。 2 番目は鋼繊維の含有量で、0.654969 です。代替率との相関度は0.651996で最も小さい。相対動的弾性率と置換率との相関は最も大きく、0.631075 です。 2 番目は鋼繊維の含有量で、相関度は 0.580477 です。凍結融解回数との相関度は0.548062と最も小さい。曲げ強度と鋼繊維含有量の相関度は 0.557419 と最も大きく、0.557419 と最も大きい。 2 番目は凍結融解サイクル数で、相関度は 0.552388 です。置換率との相関度は0.540953と最も小さかった。

鋼繊維再生レンガ骨材コンクリートの力学試験プロセスと機械的性質および耐久性能の変化は、同一条件下での通常のコンクリートと同様です。しかし、凍結融解サイクル後の機械的性質や耐久性能の劣化の程度や損傷メカニズムは、赤レンガ骨材の置換率や鋼繊維混入量に影響されます。

鋼繊維再生レンガ骨材試験片の応力後の損傷パターンは、通常のコンクリートの損傷パターンと同様です。ただし、赤レンガ骨材と混合すると試験片の脆性が増加するため、鋼繊維と混合することで試験片の損傷時間を効果的に軽減し、試験片の延性を向上させることができます。鋼繊維混合物が 1% の場合、コンクリート試験片の平均相対動的弾性率は 19.25% 増加し、平均曲げ強度は 29% 増加しました。

凍結および応力を加えた後の試験片の損傷部分を電子顕微鏡でスキャンしました。表面が粗く細孔が多い赤レンガ骨材は、凍結後により多くの自由水を吸収する可能性が高く、その結果、凍結融解サイクルの回数が増えると代わりに質量損失速度が遅くなることがわかりました。

鋼繊維混和率が 2%の場合、再生骨材置換率の増加に伴い、コンクリートは混合および凍結融解サイクル中により多くの自由水を吸収し、機械的特性指数は低下傾向を示します。電子顕微鏡による再生骨材の状態の総合解析と組み合わせると、鋼繊維混和率が高く、再生骨材置換率が50％を超える場合には、試験体中の自由水含有量が少ないことがわかります。試験片のコンクリートの緻密性が低下し、その結果、機械的特性指数が低下します。したがって、この種のコンクリートの実用化プロセスでは、適切な割合で減水剤を添加するか、その割合で水質を改善する必要があります。

ソフトウェア解析から得られた計算モデルは試験曲線とよく一致し、凍結融解条件下での試験片の強度指数と耐久性指数の劣化を予測できます。

グレー相関分析では、異なるテスト環境における異なる変数による各テスト指標の影響度を分析できます。各ドーピング指数が検査結果に及ぼす影響の程度は変化します。したがって、実際の適用では、さまざまな環境を考慮して、コンクリート構造物の混合比を適切に調整する必要があります。

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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Yongcheng Ji & Honrui Zhang

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Ji, Y.、Zhang, H. 繊維強化リサイクルレンガ骨材セメント質材料の耐凍害性調査。 Sci Rep 12、15311 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-19006-w

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受信日: 2022 年 6 月 27 日

受理日: 2022 年 8 月 23 日

公開日: 2022 年 9 月 12 日

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