인장 강화 콘크리트 시험

콘크리트와 같은 취성 복합 재료의 인장 용량 (f_t)은압축 용량 (f'c)의 1/10 범위에 종종 있습니다. 이 동작은 모르타르와 골체 사이에 얼굴 전환 영역(ITZ)이라고 하는 매우 약한 층의 존재에 의해 구동됩니다. 이 매우 얇은 층 (약 40 μm 정도)에는 모르타르보다 덜 수화되지 않은 시멘트와 칼슘 규산염 (C-S-H)이 포함되어 있지만, 수산화 칼슘 (C-H)의 더 큰 지향 결정뿐만 아니라 삼황산 수화물 (또는 ettringite, 긴 바늘과 같은 구조). 이 두 가지 요인은 이 층에서 더 큰 다공성에 기여하므로 강도가 낮아집니다. 또한, 골재 입자 사이의 평균 간격이 ITZ의 두께의 2~2.5배에 불과하다는 사실은, 일부 추정치에 의해 매우 상당량의 박격포가 이 약한 물질로 구성되어 있음을 의미한다.

콘크리트의 부서지기 쉬운 동작은 골재와 모르타르 사이에 발생하는 응력 농도에서 전파되는 미세 균열의 성장에 의해 구동됩니다. 개념적으로 압축 부하가 적용됨에 따라 이상적인 둥근 집계 입자 를 둘러싼 응력 상태는 무엇입니까? 압축이 입자 주위의 "흐름"을 시도하고 힘 벡터가 기울어짐에 따라 인장 력이 수평 방향으로 발생합니다. 이러한 힘은 응력 농도로 인해 인터페이스에서 더 높습니다. 대형 인장력과 약한 ITZ의 조합은 이 지역에서 우대 균열로 이어진다.

실린더 테스트에서 압축 응력이 증가함에 따라 이러한 균열은 횡방향 인장 응력, 기존 초기 미세 균열 및 약한 ITZ의 존재로 인해 증가하고 전파되기 시작합니다. 콘크리트가 최대 강도에 도달하면 균열 성장이 불안정해지고 콘크리트는 균열이 큰 속도로 전파됨에 따라 강도를 매우 빠르게 유지하는 능력을 느슨하게 할 것입니다. 이로 인해 콘크리트에 대한 전반적인 부서지기 쉬운 동작뿐만 아니라 인터페이스 영역이 약한 많은 유사한 세라믹 재료에 대한 결과.

콘크리트의 특성낮은 인장 용량은 또한 직접적인 장력 시험을 수행하기가 매우 어렵게 만들며, 종래의 인장 표본은 응력 농도로 인해 그립에 실패하는 경향이 있다. 이 문제를 둘러싼 우아한 해결책은 측면에 실린더를 테스트하는 것입니다. 이 메서드를 분할 실린더 또는 브라질 테스트라고 합니다. 이 테스트에서는 복잡한 응력 상태가 있는 로딩 헤드에서 멀어지면 균일한 수평 인장 응력 필드가 개발됩니다. 콘크리트는 장력이 약하기 때문에 수직 균열과 실린더의 분할로 이어질 것입니다. 통계 연구에서, 분할 실린더 테스트는 6√f'c의순서에 인장 용량을 줄 것으로 예상된다.

장력에서 콘크리트를 테스트하는 또 다른 간접적인 방법은 4점 굽힘 테스트 구성에 짧은 빔 시편을 사용하는 것입니다. 빔의 중앙 부분은 일정한 순간과 제로 전단 아래에 있으므로 탄성 이론 원리를 사용하여 고장난 부하, 기하학적 특성 및 빔의 인장 강도 사이에 간단한 관계가 도출될 수 있다. 빔은 균열이 바닥에 형성되고 잔여 강도가 없는 즉시 갑자기 실패합니다. 실패시 콘크리트 빔의 깊이에 걸쳐 균주의 분포가 탄성 이론의 분포를 따르지 않는 것으로 잘 알려져 있지만,이 불일치는 일반적으로 최종 결과에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 간주됩니다. 통계학에서, 빔 인장 시험은 7.5√f'c의순서에 인장 용량을 줄 것으로 예상된다.

콘크리트 빔 테스트에서 관찰된 갑작스럽고 부서지기 쉬운 고장은 최소 중력 하중을 운반하기 위해 연성과 잔류 강도가 필요한 실용적인 응용 분야에서는 용납될 수 없습니다. 이러한 갑작스러운 고장을 방지하기 위해 빔의 바닥(또는 인장 측)에 강철 보강이 추가됩니다. 콘크리트가 균열되기 시작하면 강철이 인장력을 차지하기 시작합니다. 이 기술은 콘크리트에서 힘을 전송하는 데 도움이 되는 표면 변형이 있는 막대가 제대로 고정되는 한 작동합니다. 여기에서 테스트할 빔과 같은 짧은 빔의 경우 막대 끝에 후크를 제공하여 수행됩니다. 또한 대각선 전단 균열이 빔의 중간 깊이 근처에서 발생할 수 있기 때문에 수직 교반이 일반적으로 제공됩니다. 마지막으로, 철근 콘크리트 구조물의 불확실한 특성으로 인해 특정 하중 아래 빔에 장력과 압축이 어디에 있는지 확실히 알기 어렵다. 이러한 이유로, 바는 또한 상단에 배치됩니다, 철근 콘크리트 구조의 대부분의 빔에서 볼 수있는 전형적인 강철 케이지의 결과.

1. 분할 장력 테스트

1. 이 테스트의 경우 이전에 준비된 샘플 실린더를 사용합니다(JoVE 비디오 "신선한 콘크리트에 대한 테스트참조). 발사 나무 의 두 개의 얇은 스트립또는 유사한 (약 1/8"두꺼운 x 1"넓은 x 8' 길이) 실린더에 부하를 분배 하는 데 도움이.
2. 두 실린더의 치수를 측정합니다. 원통을 양분하는 시편의 각 끝에 지름을 따라 선을 그립니다.
3. 테스트 기계의 하부 베어링 블록의 중심을 따라 하나의 스트립을 중앙에 두는 다.
4. 원통을 스트립에 놓고 시편 끝에 표시된 선이 수직이고 스트립 을 중심으로 되도록 정렬합니다.
5. 두 번째 스트립을 원통에 세로로 배치합니다.
6. 어셈블리가 기계에 고정될 때까지 테스트 시스템의 상부 로딩 헤드를 낮춥니다.
7. 시편이 취할 수 있는 최대 적재를 추정하여 인장 강도가 6√f'c이며, 여기서 f'c는 명목 콘크리트 압축 강도이다.
8. 압축 하중을 천천히 적용(분당 약 100 psi ~ 200 psi)과 시편이 분할 장력에서 실패할 때까지 계속 적용합니다.
9. 적용된 최대 부하를 기록합니다.
10. 골절 표면을 검사하고 골절된 집계 의 백분율을 추정합니다.

2. 빔 장력 테스트

1. 단면 4인, 길이 36으로 콘크리트 빔 1개를 구성합니다.
2. 테스트 기계에 4점 굽힘 테스트 장치를 설치합니다.
3. 조심스럽게 빔을 들어 올려 테스트 설정에 설치합니다.
4. 테스트 컴퓨터를 켜고 소프트웨어를 활성화하여 부하 및 변형을 읽습니다.
5. 시편이 인장 강도가 7.5√f'c라고 가정하고 압축 하중을 천천히 적용(분당 약 100 psi에서 200 psi)을 적용하고 시편이 실패할 때까지 지속적으로 수행될 수 있는 최대 적재를 추정한다.
6. 적용된 최대 부하를 기록합니다.
7. 골절 표면을 검사하고 골절된 집계 의 백분율을 추정합니다.

3. 강화 빔 테스트

1. 바닥에서 약 0.5in에 위치한 두 개의 #3 막대 (직경 3/8)로 보강 된 콘크리트 빔 1 개를 구성합니다. 막대에는 막대 풀아웃 실패를 방지하기 위해 끝에 후크가 있습니다. 빔은 단면의 4인치 x 4인치이며, 지원되지 않는 길이는 36인치입니다.
2. 테스트 기계에 4점 굽힘 테스트 장치를 설치합니다.
3. 조심스럽게 빔을 들어 올려 테스트 설정에 설치합니다.
4. 테스트 컴퓨터를 켜고 소프트웨어를 활성화하여 부하 및 변형을 읽습니다.
5. 시편이 인장 강도가 7.5√f'c라고 가정하고 압축 하중을 천천히 적용(분당 약 100 psi에서 200 psi)을 적용하고 시편이 실패할 때까지 지속적으로 수행될 수 있는 최대 적재를 추정한다.
6. 테스트가 진행됨에 따라 적용된 부하 및 변형을 기록합니다.

분할 인장 테스트 중에 도달한 최대 압축 부하에 대한 인장 강도는 다음 수식에 의해 제공됩니다.
f_t = 2Pmax/ (πDL)
D가 직경(인치), L은 길이(인치) 및 Pmax는 인장 테스트 중에 도달한 최대 압축 부하(lb.)입니다. 이러한 테스트의 경우, 평균은 22.2 psi (표 1)의 표준 편차와 388 psi이었다.

테스트 #	(psi)	P (파운드)	(psi)
1	4780	18456	367.17	5.31
2	4780	20678	411.38	5.95
3	4780	19385	385.65	5.58
		평균 =	388.07	5.61
		세인트 데브.	22.20	0.32

표 1. 분할 인장 테스트에 대한 결과.

빔 인장 테스트 중에 도달한 최대 압축 부하에 대한 인장 강도는 다음 수식에 의해 제공됩니다.
f_t = P_최대L/ (bD²⁾
여기서 d는 깊이(인치), b는 폭이고, L은 길이(인치)이고, P_max는 인장 테스트 중에 도달한 최대 압축 부하(lb.)이다. 이 수식은 하중이 세 번째 지점에서 적용되는 경우에 유효합니다. 이러한 테스트의 경우 평균은 522.9 psi(표 2)였습니다.

테스트 #	(psi)	P (파운드)	(psi)
1	4780	2675	501.6	7.3
2	4780	2903	544.3	7.9
		평균 =	522.9	7.6
		세인트 데브.	30.23	0.44

표 2. 빔 인장 테스트의 결과.

강화및 철근 콘크리트 빔에 대한 하중 편향 곡선이 도 1에 도시된다. 강화되지 않은 빔은 처음에는 동일한 로드 경로를 따랐을 가능성이 있지만 초기 크래킹이 발생하자마자 실패했습니다. 강화된 것은 초기 균열이 발생했을 때 약간의 불연속성을 나타내고, 균열이 있는 상태에서 다시 하중을 받기 시작하면서 약간 낮은 강성을 나타낸다. 커브가 평평해지기 시작할 때 콘크리트가 수율되기 시작할 때까지 계속 하중이 증가합니다. 그러나 강철은 매우 연성및 변형 경화이기 때문에 하중이 계속 증가하고 상단의 콘크리트가 분쇄될 때 매우 큰 변형에서 고장이 발생합니다.

그림 1: (a) 작은 하중 및 (b) 큰 하중(전체 곡선)에서 강화되지 않은(파란색) 및 강화(빨간색) 콘크리트 빔에 대한 하중 편향 곡선비교.

시험은 콘크리트에서 인장 고장의 부서지기 쉬운 특성을 보여주었고 인장 강도가 압축 강도의 분수 (1/8 ~ 1/12)에 불과하다는 것을 보여주었습니다. 이러한 유형의 부서지기 쉬운 실패는 인간의 안전에 치명적인 결과를 초래할 수 있으므로 모든 콘크리트 구조물은 인장력을 취하기 위해 강철(또는 이와 유사한) 막대로 보강되어야 합니다. 강화및 보강 빔에 대한 하중 변형 곡선을 비교하면 후자가 더 큰 강도뿐만 아니라 큰 변형 용량을 가지고 있음을 나타냅니다.

콘크리트 구조물의 안전성과 장기적인 성능의 핵심은 높은 인장 및 전단 응력 영역에서 강철 보강을 제공하는 것입니다. 일반적으로, 이 목표에 도달하는 데 필요한 강철의 양은 콘크리트 단면 면적의 1%-1.5%의 순서로 작습니다. 이 소량은 콘크리트 구조물이 경제적이고 안전하며 좋은 서비스성을 제공할 수 있음을 의미합니다. 또한, 원하는 형태로 콘크리트를 캐스팅 할 수있는 능력은 건축가에게 미적 기쁘게 구조를 개발하는 데 큰 여유를 제공합니다.