Stress-Strain State of Steel Fiber-Reinforced Concrete under Compression Taking into Account Unloading from Inelastic Region

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The purpose of the study is to examine the physical and mechanical characteristics of steel fiber-reinforced concrete under compression, including: modulus of elasticity, Poisson ratio, values of ultimate strains under compression, values of compressive strength with different percentages of dispersed reinforcement. An experimental investigation program, which included the production of cube samples measuring 100×100×100 mm, as well as a compression test under static loading, taking into account unloading from the region of inelastic deformations, was developed and carried out. Two types of steel fiber were chosen as dispersed reinforcement: hooked end and wave shape. The volume content of steel fiber in the cube samples was 0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 %. As a result of the investigation, the strength and deformation characteristics of steel fiber reinforced concrete under compression were obtained. Based on the experimental data, actual strain diagrams of steel fiber reinforced concrete were constructed, taking into account the type of reinforcing fibers and the percentage of reinforcing fiber. Based on the obtained diagrams, a law of deformation of steel fiber reinforced concrete is proposed, which can be described by a polynomial function of the fourth order with constant coefficients that determine the shape of the stress-strain curve. The presented research results can be used in developing a methodology for physically nonlinear analysis of steel fiber reinforced concrete elements with a percentage of dispersed reinforcement from 0.5 to 2.0 %.

Full Text

1. Введение Дисперсно-армированный бетон представляет собой сложный композиционный материал. Для увеличения физико-механических характеристик бетонов используются различные волокна (стальные, базальтовые, стеклянные, углеродные, полипропиленовые и т.д.) [1-3]. Следует отметить, что существенный практический интерес для эффективного использования в строительной области представляет исследование свойств образцов, полученных на основе стального волокна, что отражено в [3-6]. В [6-9] установлено, что рабочий диапазон объемного содержания стального волокна в дисперсно-армированном бетоне принимается не более 2,5…3,0 %. Более высокий процент армирования не всегда является обоснованным и может привести к снижению прочности [7]. В работах зарубежных и отечественных исследователей отмечено, что добавление стальных волокон в состав бетона значительно увеличивает его прочностные показатели. Прочность сталефибробетона на сжатие повышается на 10…15 % относительно обычного бетона такого же класса при содержании стального волокна до 2,5 % [10-18]. Однако, проведя анализ существующих работ [4-21], можно отметить, что в настоящее время физико-механические характеристики сталефибробетона ещё недостаточно подкреплены экспериментальными данными, в частности, имеется недостаток исследований напряженно-деформированного состояния сталефибробетона с учетом его разгрузки из области неупругих деформаций. В статье особое внимание уделено экспериментальному исследованию сталефибробетона на сжатие с учетом разгрузки из области неупругих деформаций с рациональным содержанием фибрового волокна в пределах от 0,5 до 2 %. 2. Метод Для исследования прочностных и деформативных характеристик сталефибробетона при сжатии были проведены эксперименты, выполненные авторами в лаборатории строительных конструкций и материалов департамента строительства инженерной академии РУДН. Объектом исследования являлись образцы-кубы размером 100×100×100 мм. Для эксперимента было изготовлено 4 партии образцов с применением стального волокна анкерного типа (диаметр 0,3 мм и длина 30 мм) и 4 партии - с применением стального волокна волнового типа (диаметр 0,3 мм и длина 22 мм). Количество стального волокна в образцах увеличивалось от 0,5 до 2 % по объему. Все образцы имели одинаковый состав бетонной матрицы: Ц:П:Щ=1:1,2:1,6 при В:Ц=0,45 и расходе пластифицирующей добавки 1,5 % от массы цемента. Количество образцов-кубов в одной партии составило 6 шт. Итого было изготовлено 48 дисперсно-армированных образцов-кубов. Получение действительных диаграмм деформирования при стандартных испытаниях с применением индикаторов часового типа сопровождается рядом технических трудностей и сложностей регистрации деформаций во времени одновременно в несколько точек. Таким образом, данные, полученные при таком типе измерения, могут иметь серьезные погрешности [22-23]. В нашем случае применялась методика, согласно которой в процессе испытаний в реальном времени синхронно с нагрузкой регистрировались продольные и поперечные деформации образца. Испытание образцов производилось на испытательной установке Matest по Межгосударственному стандарту ГОСТ 10180-2012[6]. Для измерения деформаций на смежные грани контрольных образцов-кубов были наклеены по 7 тензорезисторов BX 120-5АА так, чтобы направление их базы совпадало с направлением измеряемой деформации (рис. 1). Тензорезисторы были подключены к 32-канальной тензометрической станции ZETLAB по полной мостовой схеме (рис. 2). Рис. 1. Схема расположения тензорезисторов на гранях образцов-кубов И с т о ч н и к : выполнено В.П. Агаповым, А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Figure 1. Arrangement of strain gauges on the faces of sample cubes S o u r c e : compiled by V.P. Agapov, A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia Рис. 2. Подключение тензорезисторов к многоканальной тензометрической станции: 1 - тензометрическая станция Zetlab ZET 017-T32; 2 - гидравлический пресс Matest; 3 - образец-куб с тензорезисторами BX 120-5AA; 4 - персональный компьютер И с т о ч н и к : фото А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Figure 2. Connecting strain gauges to a multichannel strain gauge station: 1 - Zetlab ZET 017-T32 strain gauge station; 2 - Matest hydraulic press; 3 - sample cube with BX 120-5AA strain gauges; 4 - personal computer S o u r c e : photo by A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia Для построения диаграммы деформирования с учетом разгрузки из области неупругих деформаций и определения остаточных деформаций сталефибробетона образцы нагружались до заданного уровня напряжений, составляющих 60 % от разрушающих. После этого производилась полная разгрузка. 3. Результаты и обсуждение Характер разрушения образцов представлен на рис. 3. В ходе экспериментов были определены следующие физико-механические характеристики сталефибробетона: прочность на сжатие, начальный модуль упругости, предельная деформация и коэффициент Пуассона. Результаты испытаний приведены в табл. 1. Рис. 3. Разрушенные образцы-кубы И с т о ч н и к : фото А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Figure 3. Destroyed sample cubes S o u r c e : photo by A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia Таблица 1 Результаты испытаний по определению прочности на сжатие сталефибробетонных образцов-кубов Количество Кубиковая Призменная Предельная Начальный Тип стального прочность прочность модуль стального деформация волокна на сжатие на сжатие упругости волокна µf , % Rfb, МПа Rfb’, МПа εufbc Eb, МПа×10-3 Бетон без фибры 0 55,00 39,5 0,00200 39,00 0,5 59,65 42,37 0,00172 44,98 Фибра проволочная 1,0 62,13 43,98 0,00160 49,41 анкерная 0,3/30 1,5 64,33 45,40 0,00156 49,88 2,0 66,55 46,81 0,00154 51,71 0,5 57,75 41,13 0,00194 41,81 Фибра проволочная 1,0 59,21 42,09 0,00191 43,43 волновая 0,3/22 1,5 60,47 42,91 0,00186 45,32 2,0 62,20 44,03 0,00182 48,16 И с т о ч н и к : составлено В.П. Агаповым, А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Table 1 The results of compression tests of steel fiber-reinforced concrete S o u r c e: made by V.P. Agapov, A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о том, что при увеличении дисперсного армирования прочность сталефибробетона при сжатии растет с увеличением объемного содержания стального волокна. Увеличение процента армирования до 2 % позволяет повысить прочность сталефибробетона на сжатие на 21 % при использовании анкерной фибры и на 13 % при использовании волновой. Предельная деформация образцов при сжатии уменьшается с увеличением объемного содержания стального волокна: так, при 2 % армировании предельная деформация уменьшается на 23 % для анкерной фибры и на 9 % для волновой. По полученным результатам установлено, что начальный модуль упругости сталефибробетона увеличивается на 33% при использовании анкерной фибры и на 23,5 % при применении волновой при максимальном проценте армирования в 2 %. Полученные данные согласуются с результатами работ других исследователей [5; 7; 10-18; 23]. На рис. 4 и 5 представлены осредненные диаграммы деформирования образцов из сталефибробетона с ветвями нагрузки и разгрузки, отражающими действительный характер работы материала с учетом типа армирующих волокон и процентного содержания армирующего волокна. а б в г Рис. 4. Диаграмма деформирования дисперсно-армированного бетона с ветвью нагрузки и разгрузки образцов-кубов с фиброй проволочной анкерной: а - µf = 0,5 %; б - µf = 1 %; в - µf =1,5 %; г - µf = 2 % И с т о ч н и к: выполнено В.П. Агаповым, А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Figure 4. Diagram of deformation of fiber-reinforced concrete with a branch of loading and unloading of sample cubes with hooked end wire fiber: а - µf = 0.5 %; б - µf = 1%; в - µf =1.5 %; г- µf = 2 % S o u r c e: compiled by V.P. Agapov, A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia а б в г Рис. 5. Диаграмма деформирования дисперсно-армированного бетона с ветвью нагрузки и разгрузки образцов-кубов с фиброй проволочной волновой: а - µf = 0,5 %; б - µf = 1 %; в - µf =1,5 %; г - µf = 2 % И с т о ч н и к: выполнено В.П. Агаповым, А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Figure 5. Diagram of deformation of fiber-reinforced concrete with a branch of loading and unloading of sample cubes with wave wire fiber а - µf = 0.5 %; б - µf = 1 %; в - µf =1.5 %; г - µf =2 % S o u r c e: compiled by V.P. Agapov, A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia На представленных выше диаграммах (см. рис. 4, 5) ветвь ОА соответствует первоначальному нагружению до нагрузки, составляющей 60 % от разрушающей (350 кН). Ветвь ОА' соответствует разгрузке образца-куба. Отрезок ОО' указывает на остаточные деформации. Ветвь О-А-O' описывает собой неполную петлю гистерезиса. Точка B, находящаяся на вершине диаграммы, соответствует разрушающей нагрузке Rfb и предельной деформации εufbc. Кривая BC характеризует ниспадающую ветвь диаграммы. Анализируя полученные диаграммы деформирования (см. рис. 4, 5), можно отметить, что вершина диаграммы смещается вверх и влево, а угол касательной к наклону кривой в начале координат увеличивается с увеличением процентного содержания волокна в составе бетона. На основании обработки полученных экспериментальных данных получена аналитическая зависимость между напряжениями и деформациями сталефибробетона при сжатии, которая аппроксимируется полиномиальной функцией четвертой степени [25]: σfb =α ε1 fb +α ε2 fb2 +α ε3 3fb +α ε4 fb4 , (1) где σfb - нормальные напряжения сжатия; εfb - продольные деформации; α1, α2 , α3 , α4 - постоянные коэффициенты, которые зависят от процентного содержания стального волокна и типа профиля. Коэффициенты α1, α2 , α3 , α4 , определяющие вид диаграммы деформирования, приведены в табл. 2. Таблица 2 Коэффициенты аппроксимирующей функции σ-ε дисперсно-армированного бетона на сжатие в зависимости от типа профиля и количества стального волокна И с т о ч н и к : составлено В.П. Агаповым, А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Table 2 σ-ε approximation function coefficients of fiber-reinforced concrete under compression, depending on the shape and the content of steel fiber S o u r c e: made by V.P. Agapov, A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia Значения остаточных деформаций сталефибробетона с различным процентом содержания анкерной и волной фибры, представлены в табл. 3. Значения коэффициента Пуассона испытуемых образцов приведены в табл. 4. Таблица 3 Относительные остаточные деформации сталефибробетона на сжатие И с т о ч н и к : составлено В.П. Агаповым, А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Table 3 Relative residual deformation of fiber-reinforced concrete under compression S o u r c e: made by V.P. Agapov, A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia Таблица 4 Значения коэффициента поперечной деформации (ν) на шагах нагружения σfb / Rfb 0,24 0,44 0,61 0,74 0,84 0,92 0,97 1,00 Фибра проволочная анкерная 0,3/30 0,26 0,26 0,28 0,33 0,37 0,48 0,51 0,70 Фибра проволочная волновая 0,3/22 0,24 0,24 0,26 0,29 0,34 0,45 0,62 0,68 И с т о ч н и к: составлено В.П. Агаповым, А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Values of the coefficient of transverse deformation (ν) at loading steps Table 4 σfb / Rfb 0.24 0.44 0.61 0.74 0.84 0.92 0.97 1.00 Hooked end wire fiber 0.3/30 0.26 0.26 0.28 0.33 0.37 0.48 0.51 0.70 Wave wire fiber 0.3/22 0.24 0.24 0.26 0.29 0.34 0.45 0.62 0.68 S o u r c e: made by V.P. Agapov, A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia 4. Заключение 1. На основании проведенных исследований можно сделать вывод о характере сдерживания стальными волокнами продольных и поперечных деформаций бетона. Явно выражен эффект перераспределения усилий в материале, а именно: с увеличением деформаций стальные волокна снимают часть нагрузки с бетонной матрицы, тем самым повышается верхняя граница трещинообразования. 2. Проведенные опыты показали, что использование анкерной фибры в качестве дисперсного армирования бетона оказывается более эффективным, чем волновой. 3. На основании полученных действительных диаграмм деформирования образцов на сжатие предложена зависимость между напряжениями и деформациями в виде полиномиальной функции четвертой степени с постоянными коэффициентами, определяющими вид диаграммы в зависимости от типа армирующих волокон и их процентного содержания.
×

About the authors

Vladimir P. Agapov

RUDN University

Email: agapovpb@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1749-5797
SPIN-code: 2422-0104

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Civil Engineering, Engineering Academy

Moscow, Russia

Alexey S. Markovich

RUDN University; National Research Moscow State University of Civil Engineering

Email: markovich-as@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-3967-2114
SPIN-code: 9203-1434

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Civil Engineering, Academy of Engineering

Moscow, Russia

Prashanta Dkhar

RUDN University

Email: dkhar-p@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-7888-5350
SPIN-code: 5670-7662

Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of the Department of Civil Engineering, Academy of Engineering

Moscow, Russia

Darya A. Golishevskaia

RUDN University

Author for correspondence.
Email: miloserdova-da@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-0835-528X
SPIN-code: 1276-6516

Assistant of the Department of Civil Engineering, Academy of Engineering

Moscow, Russia

References

  1. Rabinovich F.N. Composites based on dispersed reinforced concrete. Questions of theory and design, technology,constructions: monograph. Moscow: ASV Publ.; 2011. (In Russ.) EDN: QNPRVR
  2. Markovich A.S., Miloserdova D.A. Properties of dispersed fibers for efficient concrete reinforcement. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2022;18(2):182–192. (In Russ.) https://doi.org/10.22363/18155235-2022-18-2-182-192
  3. Pukharenko Yu.V., Aubakirova I.U., Skoblikov V.A., Letenko D.G., Nikitin V.A., Charykov N.A. Application ofnanosystems in the steel fibrous concrete production. Bulletin of civil engineers. 2011;3(28):77–81. (In Russ.) EDN: OPHUOT
  4. Kluev A.V. Steel fiber reinforced concrete for prefabricated monolithic construction. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2011;(2):60–63. (In Russ.) EDN: NYATIP
  5. Talantova K.V., Mikheev N.M. A kinetic study of the alcoholic fermentation reaction using a pine nut shell as apacking element. Polzunovskij vestnik. 2011;(1):194–198. (In Russ.) EDN: OCSKFP
  6. Gorokhov M.S. Crack resistance of fiber-reinforced concrete with steel anchor fiber. Bulletin of the State University of Marine and River Fleet named after Admiral S. O. Makarov. 2014;5(27):47-53. (In Russ.) EDN: SWLTOF
  7. Markovich A.S., Miloserdova D.A. Properties of dispersed fibers for efficient concrete reinforcement. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2022;18(2):182–192. (In Russ.) https://doi.org/10.22363/18155235-2022-18-2-182-192
  8. Khegai A.O., Kirilin N.M., Khegai T.S., Khegai O.N. Experimental investigation of stress-strain properties of steelfiber reinforced concrete of the higher classes. Bulletin of civil engineers. 2020;6(83):77–82. (In Russ.) https://doi.org/10.23968/1999-5571-2020-17-6-77-82
  9. Karpenko N.I., Moiseenko G.A. Investigation of the properties of high-strength steel fiber concrete with aminimum effective fiber content under loads of various durations. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2022;18(6):503–514. (In Russ.) http://doi.org/10.22363/1815-5235-2022-18-6-503-514
  10. Yoo D.-Y., Banthia N. Impact resistance of fiber-reinforced concrete — A review. Cement and Concrete Composites. 2019;104:2019. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2019.103389
  11. Yusuf M.S., Isak A.B., Mohamud G.A., Warsame A.H., Osman Y.I., Ibrahim A.H., Elmi L.A.A. Effect of SteelFiber on Concrete’s Compressive Strength. Open Journal of Civil Engineering. 2023;13:192–197. https://doi.org/10.4236/ojce.2023.131014
  12. Zhao M., Li C., Li J., Yue L. Experimental Study on the Performance of Steel-Fiber-Reinforced Concrete forRemote-Pumping Construction. Materials. 2023;16(10):3666. https://doi.org/10.3390/ma16103666
  13. Ding X., Zhao M., Zhou S., Fu Y., Li C. Statistical Analysis and Preliminary Study on the Mix Proportion Designof Self-Compacting Steel Fiber Reinforced Concrete. Materials. 2019;12(4):637. https://doi.org/10.3390/ma12040637
  14. Mohtasham Moein M., Saradar A., Rahmati K., Hatami Shirkouh A., Sadrinejad I., Aramali V., Karakouzian M. Investigation of Impact Resistance of High-Strength Portland Cement Concrete Containing Steel Fibers. Materials. 2022; 15(20):7157. https://doi.org/10.3390/ma15207157
  15. More F.M.D.S., Subramanian S.S. Impact of Fibres on the Mechanical and Durable Behaviour of FibreReinforced Concrete. Buildings. 2022;12(9):1436. https://doi.org/10.3390/buildings12091436
  16. Alrawashdeh A., Eren O. Mechanical and physical characterisation of steel fibre reinforced self-compactingconcrete: Different aspect ratios and volume fractions of fibres. Results in Engineering. 2022;13:100335. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2022.100335
  17. Khan M., Cao M., Xie C., Ali M. Effectiveness of hybrid steel-basalt fiber reinforced concrete under compression.Case Studies in Construction Materials. 2022;16:e00941. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2022.e00941
  18. Hrabová K., Láník J., Lehner P. Statistical and Practical Evaluation of the Mechanical and Fracture Properties of Steel Fibre Reinforced Concrete. Buildings. 2022;12(8):1082. https://doi.org/10.3390/buildings12081082
  19. Moiseenko G.A. Method for construction of isochron diagrams of high-strength steel fiber concrete and itsmatrix. Building and Reconstruction. 2020;(5):32–45. https://doi.org/10.33979/2073-7416-2020-90-4-32-45
  20. Klyuev S.V., Klyuev A.V., Abakarov A.D., Shorstova E.S., Gafarova N.G. The effect of particulate reinforcementon strength and deformation characteristics of fine-grained concrete. Magazine of Civil Engineering. 2017;7:66–75. https://doi.org/10.18720/MCE.75.6
  21. Lesovik R.V., Klyuev A.V., Klyuev S.V. Finegrained steel fiber concrete based on the sand of a technogenicto obtain prefabricated structures. Concrete Technologies. 2014;4(2):44–45. (In Russ.) EDN: SZTHMX
  22. Sidorov V.N., Akimov P.A., Hegai A.O. Experimental researches of high-strength fibro-concrete and appliedproblems of structural analysis. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2010;4(2):427–435. (In Russ.)
  23. Stepanov M.V., Moiseenko G.A. Deformation diagrams of fine-grained high-strength concrete and high-strengthsteel-fibro concrete under compression. Building and reconstruction. 2019;3(83):11–21. (In Russ.) https://doi.org/10.33979/2073-7416-2019-83-3-11-21
  24. Tamov M.M., Salib M.I.F., Abuizeh Y.Q.Y., Sofianikov O.D. Mix design and study of strength properties of selfcompacting ultra high-performance fiber-reinforced concrete. News of higher educational institutions. Construction. 2022;4(760):25–39. (In Russ.) https://doi.org/10.32683/0536-1052-2022-760-4-25-39
  25. Hu L., Li S., Zhu J., Yang X. Mathematical Model of Constitutive Relation and Failure Criteria of PlasticConcrete under True Triaxial Compressive Stress. Materials. 2021;14(1):102. https://doi.org/10.3390/ma14010102

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Agapov V.P., Markovich A.S., Dkhar P., Golishevskaia D.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.