Estudio experimental sobre las propiedades de tracción axial del hormigón armado con fibras de polipropileno.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 16383 (2023) Citar este artículo

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Con el fin de estudiar las propiedades de tracción axial del hormigón armado con fibras de polipropileno, en este artículo se desarrolla un dispositivo de ensayo de tracción axial para hormigón. El dispositivo se compone de tres partes: marco rígido, bisagra esférica y extractor, y parte de fabricación de la muestra. El dispositivo de prueba puede medir con precisión la resistencia a la tracción y la deformación máxima de tracción del concreto, y resuelve perfectamente el problema de excentricidad de las muestras de concreto bajo tensión. Puede medir la deformación por tracción del segmento posterior al pico, de modo que se pueda obtener la curva tensión-deformación por tracción del proceso completo. La prueba de tracción axial del hormigón con fibra de polipropileno se llevó a cabo utilizando el dispositivo de prueba anterior, y los resultados muestran que la resistencia a la tracción del hormigón se puede mejorar claramente añadiendo fibra de polipropileno, lo que hace que la falla por tracción del hormigón muestre ciertas características plásticas. Los resultados de las pruebas muestran que con el aumento del contenido de fibra, la resistencia a la tracción del hormigón aumenta primero y luego disminuye. Se estudiaron los efectos del contenido de fibra de polipropileno y la edad de curado sobre las propiedades de tracción del hormigón y se determinó el contenido óptimo de fibra de polipropileno. Cuando el contenido de fibra es de 0,9 kg/m3, la resistencia a la tracción del hormigón alcanza el valor máximo. Simultáneamente se llevó a cabo la prueba de tracción del hormigón en las mismas condiciones. Se compararon y analizaron el fenómeno de daño y los resultados de las pruebas de tracción axial y de tracción de división del concreto, y se verificó la aplicabilidad del nuevo dispositivo desarrollado en la prueba de tracción axial del concreto.

La adición de fibras de polipropileno al hormigón puede proporcionar importantes beneficios, una mayor economía y sostenibilidad. Por ejemplo, la combinación de fibra y hormigón puede mejorar la resistencia al agrietamiento del hormigón1,2. La fibra de polipropileno tiene excelentes propiedades mecánicas, buena resistencia a la corrosión y bajo precio. Obviamente, agregar una cantidad adecuada de fibra de polipropileno al concreto puede mejorar las propiedades mecánicas y la resistencia al agrietamiento del concreto3,4,5. La contracción plástica del hormigón se puede reducir entre un 12% y un 25% cuando se añade entre un 0,1% y un 0,3% de fibra de polipropileno. Además, se puede aumentar la resistencia a la tracción y a la flexión del hormigón después de 7 y 28 días, y la relación tracción-compresión a los 28 días se puede aumentar en un 46%. Evidentemente, las fibras de polipropileno pueden mejorar significativamente las prestaciones del hormigón6,7,8.

En la actualidad, la mayoría de las investigaciones sobre las propiedades mecánicas del hormigón se centran en el comportamiento del hormigón bajo cargas de compresión y flexión, mientras que los estudios sobre el comportamiento de tracción axial del hormigón han sido escasos. En la actualidad, la resistencia a la tracción del hormigón se mide principalmente mediante el método indirecto, que incluye el ensayo de rotura9,10 y el ensayo de flexión11. La resistencia a la tracción se calcula según la fórmula empírica, mientras que el estado de tensión interna de la muestra es más complicado; el error de la resistencia a la tracción medida es mayor y la deformación última por tracción y la curva tensión-deformación del hormigón no se pueden medir12. El ensayo de tracción axial es el método más adecuado para probar la resistencia a la tracción del hormigón13. Varios estudiosos han realizado experimentos a este respecto.

Julia et al.14 realizaron un ensayo de flexión en tres puntos y un ensayo de tracción axial al mismo tiempo. En el ensayo de tracción axial se utilizaron probetas de hormigón cilíndricas. Además, se desarrolló un dispositivo de ensayo de tracción axial. Los dos extremos de las muestras se sujetaron mediante un dispositivo metálico para ejercer fuerza de tracción, pero este enfoque no toma ninguna medida para eliminar la excentricidad. Kim et al.15 utilizaron una muestra en forma de mancuerna con sección variable, y la concentración de tensión se redujo mediante la sección variable, de modo que la parte media de la muestra fuera una zona de tracción uniforme. Liao et al.16 diseñaron un conjunto de dispositivo de tracción axial y abrazadera de hormigón y realizaron ensayos de tracción directa e indirecta sobre hormigón al mismo tiempo. Kasagani y Rao17 desarrollaron un dispositivo de sujeción externo para concreto tipo abrazadera que asegura los extremos superior e inferior del concreto y coloca un anillo de tracción en ambos extremos para eliminar la excentricidad de la muestra. Este método se utilizó para medir la sección ascendente de la curva tensión-deformación del hormigón. El trabajo experimental se realizó bajo tensión uniaxial con 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.50% volúmenes de fibra de Mono Fibras de Vidrio, y los resultados demostraron que la resistencia, capacidad de deformación y capacidad de absorción de energía fueron mayores para Hormigón reforzado con fibra de vidrio graduado que para hormigón armado monofibra de vidrio.

Chrysanidis y Panoskaltsis18 diseñaron probetas prismáticas con barras de acero incrustadas, en las que las barras de acero en ambos extremos estaban soldadas a placas de acero para ejercer tensión sobre el hormigón. Chun y Yoo19 utilizaron muestras de hormigón con forma de hueso de perro para los ensayos de resistencia a la tracción del hormigón reforzado con fibras de acero. El tamaño de las muestras era pequeño y el ancho de la zona de tensión era de sólo 25 mm. Se encontró que el ensayo de tracción se ve fácilmente afectado por los efectos de excentricidad y tamaño.

En resumen, los principales problemas del dispositivo de prueba de tracción axial del hormigón son los siguientes: (1) el tamaño de la muestra es demasiado pequeño y la forma de la muestra no es razonable, y los resultados de la prueba se ven afectados por el efecto del tamaño y la concentración de tensión. La tensión de tracción interna de la pieza de prueba no es uniforme, lo que conduce a la distorsión de los resultados de la prueba. (2) La excentricidad ocurrirá fácilmente durante la prueba. (3) El hormigón se romperá inmediatamente después de agrietarse, por lo que no se puede medir el segmento descendente de la curva tensión-deformación.

Para resolver los desafíos actuales en el ensayo de tracción axial del hormigón, en este trabajo se desarrolló un conjunto de equipos de ensayo de tracción axial del hormigón. La prueba de tracción axial del hormigón de fibra de polipropileno se llevó a cabo utilizando este dispositivo, y se determinaron la resistencia a la tracción, la deformación máxima por tracción y toda la curva del proceso de tensión-deformación por tracción. Con base en los datos de las pruebas, se analizó el efecto de la fibra de polipropileno sobre las propiedades de tracción del hormigón. La prueba de tracción axial y la prueba de tracción de división del hormigón se llevaron a cabo simultáneamente bajo las mismas condiciones. Finalmente, de acuerdo con el estado tensional en el interior de la probeta y los datos del ensayo, se verificó la aplicabilidad del nuevo dispositivo de ensayo en el estudio de las propiedades de tracción del hormigón.

Existen tres métodos de prueba comunes para la prueba de tensión axial del hormigón. El primer método de prueba utiliza algún tipo de dispositivo. La abrazadera se fija fuera de la muestra de concreto y la tensión se transmite por la fuerza de fricción con la superficie del concreto20. El segundo método de prueba implica incrustar un refuerzo en ambos extremos de la muestra de concreto. La zona de tracción uniforme se forma en el medio de la muestra y la fuerza de tracción se transmite a través de la fuerza adhesiva entre la barra de acero y el hormigón21,22. En el tercer método de prueba, también llamado método de unión, la placa de acero se pega en ambos extremos de la muestra de concreto y la fuerza de tracción se aplica directamente a la muestra23,24. Sin embargo, estos tres métodos prueban indirectamente la resistencia a la tracción y tienen defectos obvios. Por lo tanto, la prueba fallará fácilmente y no se podrá obtener la sección descendente de la curva tensión-deformación.

El éxito del ensayo de tracción axial del hormigón depende principalmente de dos aspectos: el primero es si se puede evitar la excentricidad de la muestra y el segundo es si se puede resolver la concentración de tensiones de la muestra25. En este documento, basándose en el análisis anterior, se desarrolla un conjunto de dispositivos de prueba de tensión axial. El dispositivo se compone de tres partes: marco rígido, bisagra esférica y extractor, y parte de fabricación de la muestra, como se muestra en la Fig. 1.

Dispositivo de ensayo de tracción axial para hormigón. (En la figura: 1—barra de tracción superior; 2—bisagra esférica superior; 3—biela de conexión de la bisagra esférica; 4—bisagra esférica inferior; 5—barra de tracción inferior; 6—viga superior; 7—viga inferior; 8—circular acero; 9—extractor; 10—muestra de concreto).

La figura 2 ilustra el diagrama esquemático del marco rígido. Esta parte incluye principalmente dos vigas y dos barras redondas, y el acero redondo está conectado y fijado con la viga a través de tuercas en ambos extremos. La longitud de la viga es de 460 mm, el ancho es de 50 mm y el espesor es de 40 mm. El diámetro del acero redondo es de 25 mm y la longitud es de 600 mm. Durante la prueba, el acero redondo y la muestra de hormigón se juntan, lo que resuelve la dificultad de medir la curva tensión-deformación después de la resistencia máxima del hormigón.

Diagrama esquemático de la pieza del marco rígido.

Hay dos razones principales para la excentricidad en la prueba de tracción axial: una es la desviación de la posición de colocación de la muestra y la otra es el error del propio dispositivo de prueba porque los extractores del dispositivo de prueba no están en el mismo eje.

Para resolver el problema de excentricidad, se diseñan la parte de bisagra esférica y el extractor, como se muestra en la Fig. 3. La junta esférica está ubicada entre la muestra de concreto y el extractor de la máquina de prueba, y puede girar libremente dentro de un cierto rango. Durante la prueba, se puede garantizar que la fuerza de tracción y el eje de la muestra de hormigón estén siempre en el mismo eje, lo que elimina el problema de excentricidad.

Pieza de bisagra esférica y extractor.

Teniendo en cuenta que el hormigón es fácil de verter y formar, se diseñan una muestra y un molde de hormigón en forma de mancuerna. Las dimensiones del molde y la muestra de concreto se muestran en la Fig. 4. La parte central de la muestra de concreto es la zona de tracción, la longitud de la zona de tracción es de 100 mm, el ancho es de 50 mm y el espesor es de 50 mm. El molde se compone de cuatro placas laterales y una placa inferior, estando fijadas las placas laterales a la placa inferior mediante pernos. Al fabricar muestras de hormigón, primero se monta el molde y luego se vierte el hormigón en él. Después del fraguado inicial del hormigón, se desmonta el molde y se deja curar la muestra. La muestra de concreto en forma de mancuerna combina perfectamente con el extractor, lo cual es conveniente para aplicar tensión a la muestra y eliminar la concentración de tensión, y mejora efectivamente la precisión y la tasa de éxito de la prueba. Además, se reserva un espacio de 3 mm entre el extractor y la muestra para facilitar la instalación de la muestra. Se coloca una almohadilla de goma en la posición donde el extractor hace contacto con la muestra para eliminar la concentración de tensión causada por el contacto local.

Molde de muestra de hormigón.

En comparación con otros dispositivos de prueba de tracción, este dispositivo de prueba ofrece los siguientes beneficios: (1) el dispositivo es fácil de instalar y desmontar. Cuando se utiliza con la máquina de ensayo universal, se pueden medir con precisión la resistencia a la tracción, la deformación máxima por tracción y la curva tensión-deformación del hormigón durante todo el proceso. (2) La operación de la prueba de tracción es simple y el molde se puede diseñar según sea necesario para fabricar una muestra de concreto. La preparación de la muestra se puede realizar fácilmente. La muestra en forma de mancuerna es conveniente para transferir la fuerza de tracción y formar una zona de tracción uniforme en el medio de la muestra. La resistencia a la tracción medida está más cerca del valor real. (3) El marco rígido en el dispositivo y la muestra se tiran al mismo tiempo, y se puede medir la curva tensión-deformación de tracción del concreto después de la sección máxima. (4) La junta esférica del dispositivo elimina eficazmente la excentricidad, lo que hace que la muestra mantenga siempre el estado de tensión axial. (5) El dispositivo no sólo se limita a probar la resistencia a la tracción del hormigón, sino que también se puede utilizar para evaluar la resistencia a la tracción de otros materiales que se forman fácilmente; por lo tanto, tiene potencial para una amplia aplicación.

Para probar directamente la resistencia a la tracción, la tensión máxima y la curva tensión-deformación total del hormigón reforzado con fibra de polipropileno, se lleva a cabo la prueba de tracción axial utilizando el dispositivo de prueba recientemente desarrollado.

El grado de resistencia de diseño del hormigón reforzado con fibra de polipropileno es C30, el cemento es cemento portland ordinario PO 42,5, el tamaño de las partículas de la grava es de 5 a 20 mm, el módulo de finura del agregado fino es 2,5 y los agregados gruesos y finos están bien clasificados. . La proporción de la mezcla de concreto es la siguiente, cemento:agua:arena:grava = 337.95:4.875:634.79:1232.25. Las propiedades mecánicas de la fibra de polipropileno se resumen en la Tabla 1.

Se calculan y determinan las cantidades de cemento, agua, arena y fibra. Antes de verter la muestra, primero se limpió el agregado grueso y se secó al aire. En el proceso de mezclado, primero se agregó el agregado grueso y arena, la mezcla se agitó durante 60 s, luego se agregó cemento y la mitad de agua, la mezcla se agitó durante 30 s, luego se agregó fibra de polipropileno dos veces y la mezcla se Se agitó durante 60 s. Finalmente, se añadió la otra mitad agua y agente reductor de agua para agitar la mezcla durante 180 s, y se añadió agua y fibra de polipropileno en dos etapas para lograr el estado de agitación requerido. Luego se midió el asentamiento de cada muestra inmediatamente después de mezclar. A continuación, el hormigón mezclado se vierte en moldes con forma de mancuerna y de cubo, que se vibran uniformemente sobre una mesa vibratoria. Después de completar el colado y el desmolde, la muestra debe trasladarse inmediatamente a la sala de curado de concreto estándar donde la temperatura y la humedad son constantes, la temperatura de la sala de curado es constante a 20 ± 2 °C y la humedad relativa no es menos del 95%. Durante el curado, las muestras quedan protegidas contra daños.

En el ensayo de tracción axial del hormigón con fibras de polipropileno se consideran principalmente dos factores: el contenido de fibra de polipropileno y la edad de curado. La longitud de la fibra de polipropileno es de 19 mm. Se diseñan seis contenidos de fibra diferentes, a saber, 0 kg/m3, 0,3 kg/m3, 0,6 kg/m3, 0,9 kg/m3, 1,2 kg/m3 y 1,5 kg/m3. Se consideran tres edades de curación diferentes, a saber, 14 días, 28 días y 60 días. Con base en los dos factores anteriores, se preparan 18 grupos de especímenes. Cada grupo de ejemplares incluye 4 ejemplares con forma de mancuerna y 6 ejemplares de cubo. La muestra en forma de mancuerna se fabrica usando el molde anterior y la longitud lateral de la muestra cúbica es de 150 mm.

La prueba de tracción axial del hormigón se lleva a cabo utilizando el dispositivo anterior. Los principales pasos de la prueba se muestran en la Fig. 5. (1) El dispositivo de prueba está ensamblado. Según el dibujo de montaje (Fig. 1), la parte del marco rígido, la parte de unión esférica y el extractor superior e inferior del dispositivo se ensamblan juntos. (2) Se ajusta el dispositivo de prueba, así como el espacio de tracción de la máquina de prueba universal. Las varillas de tracción superior e inferior del dispositivo se conectan respectivamente con las abrazaderas de la máquina de prueba y luego se sujetan. La galga extensométrica se pega por ambos lados al acero redondo y se prueba con electricidad. (3) Se instalan muestras de hormigón. La muestra se saca de la caja de curado y se prueba después de que su superficie esté seca. Luego se instala entre el tirador superior e inferior del dispositivo de tensión axial. Las galgas extensométricas se pegan en las superficies delantera y trasera de la muestra. Se pone en marcha la máquina de prueba, primero se aplica una pequeña fuerza de tracción y se observa la deformación del acero redondo en ambos lados, asegurándose de que tenga el mismo valor en ambos lados. Si no es así, se ajustan los pernos de fijación del acero redondo y la fuerza de tracción se reduce a cero después de la puesta en servicio. (4) Se carga la muestra. Se pone en marcha la máquina de ensayo, se aplica tensión en forma de deformación igual y se continúa la carga hasta que la pieza de ensayo se rompe por completo. Se registran la fuerza de tracción F de la máquina de ensayo, la deformación por tracción ε0 del acero redondo y la deformación por tracción ε de la muestra de hormigón. La fuerza de tracción F0 de la muestra de hormigón es:

Pasos del ensayo de tracción axial.

En la fórmula anterior, E0 denota el módulo elástico del acero redondo, A denota el área de la sección transversal del acero redondo en ambos lados y ε0 es la deformación por tracción del acero redondo.

La resistencia a la tracción axial de las probetas de hormigón es:

En la fórmula anterior, Ac denota el área de la sección transversal en el medio de la muestra de concreto.

Con base en los datos de prueba anteriores, se obtienen la resistencia a la tracción, la deformación máxima por tracción y la tensión-deformación por tracción del proceso completo del concreto de fibra de polipropileno.

Se llevaron a cabo dieciocho grupos de ensayos de tracción axial de hormigón armado con fibra utilizando nuestro dispositivo de ensayo de tracción axial de desarrollo propio. Los resultados de las pruebas se muestran en la Tabla 2. Las reglas de numeración de las muestras son las siguientes: PFRC significa concreto reforzado con fibra de polipropileno, y el primer número 14, 28 y 60 después de PFRC representa las edades de curado de las muestras como 14 días, 28 días y 60 días, respectivamente. Los segundos números 0, 0,3, 0,6, 0,9, 1,2 y 1,5 representan los contenidos de fibra de polipropileno de 0 kg/m3, 0,3 kg/m3, 0,6 kg/m3, 0,9 kg/m3, 1,2 kg/m3 y 1,5 kg/m3. , respectivamente.

Como se muestra en la Fig. 6, la posición de fractura de la mayoría de las muestras es en la zona de tracción central. La superficie de fractura es plana y básicamente perpendicular al eje de las muestras. No hay agregado grueso que sobresalga en la superficie de la fractura. Cuando el contenido de fibra es superior a 0,9 kg/m3, se puede observar la fibra de polipropileno estirada en la superficie de fractura. La ley de cambio de la resistencia a la tracción del hormigón con el contenido de fibra de polipropileno se muestra en la Fig. 7. Basado en la resistencia a la tracción del hormigón simple, cuando el contenido de fibra es 0,3 kg/m3, 0,6 kg/m3, 0,9 kg/m3, 1,2 kg /m3 y 1,5 kg/m3, la resistencia a la tracción aumenta en un 17%, 27%, 43%, 38% y 29%, respectivamente. Con el aumento del contenido de fibra, la resistencia a la tracción del hormigón aumenta primero y luego disminuye. Cuando el contenido de fibra es de 0,9 kg/m3, el aumento de la resistencia a la tracción del hormigón es más evidente.

Modo de falla del hormigón con fibras de polipropileno.

Efecto del contenido de fibra de polipropileno sobre la resistencia a la tracción.

La fibra de polipropileno distribuida uniformemente conectará el área débil entre la matriz de cemento y el agregado. Cuando el hormigón está en tensión, la fibra compartirá parte de la tensión, lo que mejora la resistencia a la tracción del hormigón. Debido a que la fibra no está distribuida direccionalmente en el concreto, cuando el contenido de fibra es grande, se producirá el fenómeno de aglomeración de fibras en el concreto26 y aparecerán burbujas y agujeros irregulares en la superposición de las fibras, lo que a su vez aumenta la probabilidad de defectos internos. en el hormigón, por lo que se reduce la resistencia a la tracción del hormigón.

La influencia de la edad de curado en la resistencia a la tracción del concreto se muestra en la Fig. 8. Se puede ver en la figura que la resistencia a la tracción del concreto de fibra de polipropileno aumenta monótonamente con la edad de curado, luego la tasa de crecimiento se ralentiza hasta cierto punto. y converge gradualmente. Hay dos razones específicas para este fenómeno: en primer lugar, la reacción de hidratación interna de las muestras de hormigón después del conformado es intensa y la velocidad de desarrollo inicial de la resistencia es más rápida. En la última etapa del curado de la muestra, la reacción de hidratación se debilita gradualmente y la tasa de crecimiento de la resistencia del concreto se desacelera hasta estabilizarse. En segundo lugar, la adición de fibras de polipropileno mejora la estructura interna del hormigón, lo que da como resultado reacciones de hidratación más completas y un rápido crecimiento de la resistencia inicial.

Efecto de la edad de curado sobre la resistencia a la tracción del hormigón.

La resistencia del hormigón con fibra de polipropileno aumenta rápidamente en la etapa inicial. En el tiempo de curado de 14 días, la resistencia a la tracción alcanzó más del 90% de la resistencia a la tracción de 28 días. Cuando el contenido de fibra es 0 kg/m3, 0,3 kg/m3, 0,6 kg/m3, 0,9 kg/m3, 1,2 kg/m3 y 1,5 kg/m3, la relación entre la resistencia a la tracción de 14 días y la resistencia a la tracción de 28 días es 0,904 , 0,901, 0,903, 0,933, 0,936 y 0,936 respectivamente. La resistencia a la tracción a los 60 días aumenta muy poco; en comparación con la resistencia a la tracción a los 28 días, aumenta un 7,4%, 2,3%, 2,6%, 4,2%, 8,3% y 7,8%, respectivamente. La resistencia a la tracción del hormigón con diferentes contenidos de fibra permanece estable con la edad de curado. Por tanto, se puede considerar que la resistencia a la tracción del hormigón con fibras de polipropileno aumenta rápidamente en los primeros 14 días. Durante este período, la reacción de hidratación dentro del concreto es intensa, que es el período clave para la mejora del desempeño del concreto. Después de 14 días, la resistencia a la tracción del hormigón con fibras de polipropileno no aumenta mucho y básicamente alcanza la estabilidad.

Las curvas tensión-deformación típicas del hormigón armado con fibras de polipropileno y del hormigón ordinario se muestran en la Fig. 9. Los números de las dos curvas son PFRC-28-0.9 y PFRC-28-0, correspondientes al hormigón con un contenido de fibra de polipropileno de 0,9 kg/m3 y sin fibra de polipropileno, respectivamente. La razón para elegir PFRC-28-0.9 es que cuando la edad de curado es de 28 días, las propiedades mecánicas del concreto mejoran más cuando el contenido de fibra de polipropileno es de 0.9 kg/m3 y la curva tensión-deformación de la muestra es el más suave y representativo.

Comparación del proceso de tracción entre hormigón reforzado con fibras y hormigón ordinario.

La curva tensión-deformación del hormigón se puede dividir en las siguientes etapas: etapa de tensión elástica, etapa de propagación de grietas, etapa de caída y etapa de falla, para mostrar todo el proceso de tracción del hormigón reforzado con fibras.

Etapa de tensión elástica: corresponde a las secciones OA y OE, donde la curva tensión-deformación es cercana a una línea recta y la tasa de crecimiento de la tensión es rápida. En la etapa OE, la fibra de polipropileno y la matriz de hormigón están bajo tensión juntas, por lo que el hormigón de fibra de polipropileno puede soportar una mayor fuerza de tracción que el hormigón ordinario.

Etapa de propagación de la fractura: corresponde al segmento EF de la curva y es la etapa de desarrollo de la microfisura. La curva tensión-deformación aparece como un punto de inflexión en E y la pendiente disminuye. En este momento, las microfisuras del hormigón se expanden gradualmente y la deformación aumenta. Con el aumento continuo de la tensión de tracción, se desarrollan hasta cierto punto microfisuras y la fibra de polipropileno comienza a soportar fuerza de tracción, lo que impide el desarrollo posterior de microfisuras. Las microfisuras en la muestra se conectan y penetran gradualmente para formar la grieta principal, la trayectoria de transmisión de fuerza en el concreto disminuye y la tensión de la muestra disminuye. En este momento, las fibras de polipropileno desempeñan principalmente el papel de resistencia al agrietamiento. En esta etapa, la curva tensión-deformación comienza a suavizarse y la tasa de crecimiento de la deformación se acelera. En comparación con el hormigón reforzado con fibra de polipropileno, el hormigón ordinario no tiene una etapa obvia de propagación de grietas, y cuando la tensión de tracción alcanza el valor de tensión máxima, se forma rápidamente la superficie de fractura y se pierde la capacidad de tracción, lo que también conduce a que la deformación máxima del hormigón ordinario se reduzca. menor que el del hormigón armado con fibra de polipropileno. Algunas muestras de concreto con bajo contenido de fibra también se romperán rápidamente después de alcanzar la tensión máxima y no mostrarán una curva de caída obvia. Esto se debe al bajo contenido de fibra. Además, la resistencia a la tracción de la fibra y la fuerza de unión con el hormigón son insuficientes, por lo que la mejora del comportamiento a la tracción del hormigón es limitada.

Fase de descenso: corresponde a las etapas FG y AB de la curva tensión-deformación. En esta etapa, la curva tensión-deformación del hormigón con fibra de polipropileno disminuirá de manera fluctuante, porque la fibra en la superficie de fractura se desprenderá o arrancará después de ser sometida a la fuerza de tracción. Sin embargo, la etapa de caída del concreto ordinario es aproximadamente lineal sin el efecto de resistencia al agrietamiento de la fibra de polipropileno, y la muestra se destruye rápidamente.

Etapa de falla: corresponde a las etapas GH y CD de la curva tensión-deformación. Para el hormigón con fibras de polipropileno, el punto G representa la tensión residual del hormigón con fibras. Después del punto G, la curva tensión-deformación entra en la etapa de convergencia, la tensión disminuye al mínimo y no cambia, y la deformación aumenta rápidamente. En este momento, la muestra está completamente destruida y la mayoría de las fibras se desprenden o arrancan. El hormigón ordinario se desprende por completo después del punto C y la tensión se vuelve cero.

La Figura 10 presenta la curva tensión-deformación de tracción de un hormigón con fibra de polipropileno de 28 días bajo diferentes contenidos de fibra. Las características de la curva tensión-deformación del hormigón ordinario son las siguientes: al comienzo de la carga, el proceso de desarrollo de las microfisuras es más largo porque no hay restricción de fibras en el interior y el grado de desarrollo de las microfisuras es mayor. Una vez finalizada la etapa de desarrollo de microfisuras, la pendiente de la curva se hace mayor y la tensión aumenta más rápidamente. Después de alcanzar el valor máximo, no hay un proceso de crecimiento lento, la grieta se desarrolla rápidamente y la curva tensión-deformación muestra un punto agudo, luego disminuye linealmente en la etapa descendente.

Influencia del contenido de fibra en la curva tensión-deformación a tracción.

Cuando el contenido de fibra de polipropileno es de 0,3 kg/m3 y 0,6 kg/m3, en comparación con el hormigón ordinario, la influencia del contenido de fibra en la forma de la curva tensión-deformación se refleja principalmente en los siguientes aspectos: el proceso de desarrollo de microfisuras en el La etapa elástica es obviamente más corta, la pendiente de la curva se vuelve más pequeña y la deformación máxima aumenta. La ductilidad del hormigón mejora después de añadir la dimensión de la fibra.

Cuando el contenido de fibra de polipropileno es 0,9 kg/m3, 1,2 kg/m3 y 1,5 kg/m3, la forma de la curva tensión-deformación es más suave, la curvatura del punto máximo se hace más grande y la punta aguda desaparece. Hay un lento crecimiento y declive relativamente obvio antes y después de alcanzar el estrés máximo. En la etapa descendente, cuanto mayor es el contenido de fibra, más suave es la sección descendente de la curva tensión-deformación, más completa es la forma general de la curva y más se mejoran la resistencia y la deformación residuales. La resistencia residual aumenta ligeramente con el aumento del contenido de fibra, cuyo aumento está dentro de 0,2 MPa. Cuando el contenido de fibra es superior a 0,9 kg/m3, el proceso de curva tensión-deformación desde la tensión máxima hasta la convergencia final es más largo.

La importancia de comparar la prueba de tensión axial con la prueba de tensión de división es señalar la diferencia entre una prueba de tensión indirecta y una prueba de tensión directa. Muestra la limitación de la prueba indirecta representada por la prueba de tracción de división, mientras que el nuevo dispositivo de prueba y método de prueba son más confiables y pueden reflejar el verdadero estado de tensión del concreto.

Al momento de fabricar probetas de hormigón en forma de mancuerna, también se fabricaron probetas cúbicas con la misma proporción de mezcla y contenido de fibra. La longitud lateral de la muestra del cubo es de 150 mm y esta muestra se utiliza para llevar a cabo el ensayo de tracción de división.

La muestra cúbica de concreto se saca de la caja de curado, se traza una línea en la línea central de las superficies superior e inferior de la muestra y se determina preliminarmente la posición de la superficie de división. El bloque amortiguador de arco se instala en la máquina de prueba universal. Para evitar la influencia de la excentricidad en los resultados de la prueba, el bloque amortiguador en forma de arco se alinea con la línea central de las superficies superior e inferior de la muestra. La muestra se carga con la misma tensión hasta que se destruye. La presión F de la máquina de prueba se registra cuando se parte la pieza de prueba. Los pasos principales de la prueba de tracción por división se muestran en la Fig. 11. La resistencia a la tracción por división del concreto se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

Pasos para el ensayo de rotura y tracción del hormigón.

En la fórmula anterior, fts denota la resistencia a la tracción del hormigón; F denota la presión cuando se parte la muestra; A es el área de la superficie dividida de la pieza de prueba. La resistencia a la tracción del hormigón reforzado con fibras se muestra en la Tabla 2.

En la actualidad, la prueba de tracción de división se utiliza con frecuencia para probar la resistencia a la tracción. El funcionamiento es sencillo y la desviación de los resultados de la prueba es pequeña. Como se muestra en la Fig. 12, la prueba de tracción de división es esencialmente diferente de la prueba de tracción axial. En el ensayo de tracción axial, la zona de tracción de la muestra se tensiona uniformemente, lo que constituye un verdadero estado de tracción unidireccional. Sin embargo, en el ensayo de tracción de división, el estado de tensión en la superficie de división de la muestra es más complejo; especialmente, la concentración de tensiones en el área en contacto con el bloque amortiguador de arco es más grave. La resistencia a la tracción por rotura se deriva de la teoría de la elasticidad27, que es sólo una expresión aproximada de la resistencia a la tracción de los materiales.

Comparación del ensayo de tracción axial y el ensayo de tracción de división del hormigón.

Al comparar la resistencia a la tracción axial y la resistencia a la tracción de división del hormigón reforzado con fibra, se puede ver que existe una desviación entre las dos resistencias a la tracción; la resistencia a la tracción de división es mayor que la resistencia a la tracción axial en las mismas condiciones. Cuando la edad de curado es de 14 días, la diferencia entre las dos resistencias a la tracción está dispersa, oscilando entre 0,17 y 0,67 MPa. Además, la diferencia disminuye con el aumento del contenido de fibra. Cuando la edad de curado es de 28 días, la diferencia entre las dos resistencias a la tracción es relativamente media de aproximadamente 0,5 MPa y no se ve afectada por el contenido de fibra. Cuando la edad de curado es de 60 días, la diferencia entre las dos resistencias a la tracción es relativamente grande y la diferencia promedio es de 0,59 MPa. No existe una ley de cambio obvia con respecto al contenido de fibra. La ley de cambio de la diferencia entre las dos resistencias a la tracción y el contenido de fibra se muestra en la Fig. 13.

Comparación de resistencia a la tracción axial y resistencia a la tracción de división.

Las principales razones por las que la resistencia a la tracción de división es generalmente mayor que la resistencia a la tracción axial son las siguientes:

La fórmula para dividir la resistencia a la tracción se deriva del supuesto de que el hormigón es un cuerpo elástico ideal homogéneo. Sin embargo, el tamaño de los agregados de arena y grava en el concreto se distribuye aleatoriamente. El hormigón es un cuerpo heterogéneo formado por cemento, piedra y áridos aglutinados, y no es un cuerpo elástico ideal. Esto conduce a una desviación entre los resultados teóricos y la fuerza real.

En el ensayo de tracción de división, la superficie de falla es relativamente fija. Siempre está en la línea central entre las tiras de amortiguación superior e inferior, pero esta sección no es necesariamente la superficie débil del concreto. Sin embargo, la superficie de falla del ensayo de tracción axial es incierta y la grieta aparecerá en una superficie débil de la zona de tracción en el medio de la muestra. Esta es la razón principal por la que la resistencia a la tracción axial es menor que la resistencia a la tracción de división.

La producción y curado de muestras de concreto, la distribución y densidad de los agregados, la calidad de las materias primas, la proporción de la mezcla de concreto y otras condiciones de prueba no pueden ser completamente iguales. Los factores anteriores hacen que los resultados de la prueba real y de la derivación teórica sean inconsistentes.

En resumen, la resistencia medida por el ensayo de tracción axial es la resistencia a la tracción del hormigón bajo tensión uniaxial, que es el resultado más directo y verdadero sin ningún supuesto teórico. Además, permite medir la curva tensión-deformación del hormigón, que no se puede lograr mediante el ensayo de tracción por división.

En este trabajo, para solucionar los problemas existentes en el ensayo de tracción axial del hormigón, se desarrolla un dispositivo de ensayo de tracción axial para hormigón. Se compone de tres partes: marco rígido, bisagra esférica y extractor, y pieza de fabricación de muestras. El dispositivo de prueba es fácil de instalar y desmontar y puede eliminar eficazmente la excentricidad en el proceso de prueba y evitar fallas por concentración de tensión. En combinación con una máquina de ensayo universal, se pueden medir con precisión la resistencia a la tracción, la deformación máxima por tracción y la curva tensión-deformación del hormigón.

La prueba de tracción axial del hormigón con fibras de polipropileno se llevó a cabo utilizando el dispositivo de prueba de tracción axial recientemente desarrollado. Los resultados de las pruebas muestran que con el aumento del contenido de fibra, la resistencia a la tracción del hormigón aumenta primero y luego disminuye. Cuando el contenido de fibra es de 0,9 kg/m3, la resistencia a la tracción del hormigón alcanza el valor máximo. Cuanto mayor sea la edad de curado, mayor será la resistencia a la tracción del hormigón de fibra de polipropileno, mientras que la resistencia a la tracción del hormigón de fibra de polipropileno no aumenta después de que la edad de curado supere los 28 días.

Simultáneamente se llevó a cabo el ensayo de tracción del hormigón en las mismas condiciones. En comparación con la resistencia a la tracción axial, la resistencia a la tracción del hormigón es generalmente mayor, la dispersión es alta y no hay una regularidad obvia. Las curvas de deformación por tracción y tensión-deformación del hormigón no se pueden medir mediante el ensayo de tracción por división. Se verifica además la aplicabilidad del nuevo dispositivo desarrollado en el ensayo de tracción del hormigón.

La aplicación del dispositivo de prueba recientemente desarrollado no sólo se limita a la prueba de resistencia a la tracción del hormigón, sino también a la prueba de resistencia a la tracción de otros materiales fácilmente moldeables. Por lo tanto, el dispositivo de prueba puede usarse ampliamente.

Los autores confirman que los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el artículo.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación de Ciencias Naturales de la provincia de Shandong (ZR2022ME060) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (42172310).

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Xutao Zhang, Ruijie Yin y Chao Lou

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Yunjuan Chen

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XZ y RY escribieron el texto principal del manuscrito. YC y CL prepararon cifras. Todos los autores contribuyeron a la revisión del manuscrito, leyeron y aprobaron la versión enviada.

Correspondencia a Xutao Zhang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zhang, X., Yin, R., Chen, Y. et al. Estudio experimental sobre las propiedades de tracción axial del hormigón armado con fibras de polipropileno. Representante científico 13, 16383 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-43723-5

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Recibido: 17 de junio de 2023

Aceptado: 27 de septiembre de 2023

Publicado: 29 de septiembre de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-43723-5

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