Étude de la résistance au gel des matériaux cimentaires en agrégats de briques recyclées renforcées de fibres

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15311 (2022) Citer cet article

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Afin de résoudre le problème de la pollution de l'environnement causée par les déchets de construction, un déchet typique de briques rouges a été sélectionné comme matière première dans le béton recyclé. Cette étude a présenté le béton recyclé en substituant certains granulats naturels par des granulats de briques rouges traités pour étudier et analyser le mécanisme de la loi de dégradation du béton de granulats de briques recyclées en région froide. Au total, quinze catégories d'échantillons et trois paramètres expérimentaux ont été pris en compte, notamment le nombre de cycles de gel-dégel (0, 50 et 100), les mélanges de fibres d'acier (0, 1 et 2 %) et les taux de substitution des agrégats de briques ( 0, 25, 50, 75 et 100 %), respectivement. La méthode d'essai de gel-dégel rapide a été choisie pour étudier le taux de perte de masse par dégradation du béton recyclé et le module d'élasticité dynamique relatif sous divers cycles de gel-dégel. Le microscope numérique et le SEM ont été utilisés pour observer les changements microstructuraux internes des spécimens sous différents temps de congélation-décongélation. De plus, la morphologie des dommages microscopiques des spécimens et le mécanisme des dommages ont été analysés. Enfin, la résistance à la flexion des éprouvettes endommagées par le gel a été testée pour analyser la détérioration mécanique du béton recyclé, et le modèle numérique correspondant au dosage des fibres d'acier et au taux de remplacement des granulats recyclés a été présenté. L'analyse de corrélation grise a été utilisée pour quantifier l'influence de chaque variable expérimentale sur les indices expérimentaux correspondants sous divers cycles de gel-dégel. Les résultats ont montré que la masse du spécimen diminuait après les cycles de gel-dégel, et la perte de masse la plus élevée a été trouvée pour les spécimens avec des taux de substitution de briques de 50 et 75 %. De plus, les éprouvettes ont montré le meilleur module dynamique relatif et la résistance maximale à la flexion lorsque le dopage des fibres d'acier était de 1 %. Le modèle numérique concordait avec les données expérimentales et prédisait efficacement le taux de perte de masse, le module dynamique relatif et la résistance à la flexion des spécimens après les cycles de gel-dégel. L'analyse de corrélation grise a montré que la teneur en fibres d'acier avait une corrélation maximale avec la résistance à la flexion, les taux de substitution de briques pour le module dynamique relatif et la perte de masse contrôlant les cycles de gel-dégel.

Avec l'accélération progressive de l'urbanisation en Chine, de nombreux déchets de construction, principalement des déchets de béton et de briques rouges, sont générés chaque année. De nos jours, les déchets de construction annuels en Chine ont atteint plus de 100 millions de tonnes, ce qui représente 30 à 40 % du total des déchets urbains1. L'existence de déchets de construction occupe non seulement un grand nombre de ressources terrestres, mais provoque également une grave pollution de l'environnement. Ainsi, une grande attention est portée au recyclage du béton. Cependant, l'agrégat recyclé a des propriétés physiques plus faibles que l'agrégat naturel dans le béton recyclé, ce qui rend les propriétés mécaniques et la durabilité du béton recyclé, en particulier la résistance au gel-dégel, plus faibles que le béton ordinaire. Toutes ces observations ont sérieusement freiné la promotion du béton recyclé dans les régions froides.

Afin d'améliorer la résistance au gel-dégel du béton recyclé, des chercheurs nationaux et étrangers ont mené des recherches approfondies sur ce sujet, et certains chercheurs ont utilisé le taux de remplacement des granulats recyclés et le nombre de cycles de gel-dégel comme paramètres de test2,3. Des études fondamentales ont été menées par des méthodes expérimentales telles que les méthodes de congélation rapide et de congélation lente, ce qui a conduit à la dérivation de modèles informatiques pour le béton de granulats recyclés sous différents taux de substitution et différents nombres de cycles de gel-dégel4,5. Cela est utilisé pour analyser le schéma des dommages causés par le gel et le dégel et le taux de remplacement optimal du béton recyclé. Xiao et al.6 ont étudié les propriétés physiques et mécaniques du béton recyclé sous l'effet de couplage des cycles de gel-dégel et de l'environnement sulfaté avec différents taux de remplacement des granulats en formulant du béton recyclé avec différents taux de remplacement et en déterminant le mélange optimal des granulats recyclés à l'aide d'un modèle. analyse. Su et al.7 ont analysé le comportement d'adhérence du béton de granulats grossiers recyclés concernant le nombre de cycles de gel salin, et un modèle de prédiction du glissement d'adhérence du RAC a été établi. L'effet des cycles de gel salin sur la contrainte de liaison avec la distribution des armatures a également été étudié. Hao et al.8 ont renforcé le béton recyclé de classe II et III en ajoutant des adjuvants minéraux et des fibres de polypropylène et ont sélectionné la catégorie optimale de résistance au gel. Les résultats montrent que le modèle exponentiel des dommages cumulés D = aebN est obtenu en ajustant les résultats expérimentaux du degré de dommages de gel-dégel de manière non linéaire, et l'équation d'ajustement du modèle a montré une grande précision.

En raison des limites du granulat recyclé lui-même, certains chercheurs ont étudié les expériences en modifiant la dose d'adjuvant ou en modifiant le traitement du granulat recyclé après la compréhension initiale de la résistance au gel du béton recyclé9,10. Le test de résistance à la compression, le module dynamique relatif et d'autres indices ont été utilisés pour améliorer globalement la résistance au gel du béton de granulats recyclés, et les résultats ont été principalement équipés de données expérimentales pour justifier la prédiction du mélange ou de la proportion optimale11,12. Peng et al.13 ont étudié la variation des performances mécaniques et de durabilité du béton recyclé avec différents adjuvants de fibres de polypropylène et l'effet gel-dégel. Le mélange optimal de fibres pour les conditions du cycle gel-dégel a été obtenu. Kazmi et al.14 ont montré que la performance de durabilité du béton pouvait être estimée à partir des propriétés physiques des granulats en effectuant des tests de résistance au gel-dégel et à l'attaque des sulfates, et un modèle de régression a été développé en considérant des échantillons de béton recyclé traités dans différents environnements acides. Lu et al.15 ont étudié la résistance au gel-dégel du béton recyclé avec différents taux de remplacement sous des pluies acides simulées. Les résultats ont montré que la résistance au gel-dégel du béton recyclé avec différents taux de remplacement était plus faible que celle du béton ordinaire. L'attaque des pluies acides n'a eu aucun effet significatif sur le taux de perte de masse du béton recyclé mais a affecté de manière significative le module d'élasticité dynamique relatif.

Bien que les études ci-dessus se concentrent sur la résistance au gel du béton recyclé, les résultats des tests présentent certaines limites en raison des différences significatives entre leurs matériaux de test, l'environnement de test, les méthodes de test et la situation réelle. De plus, certaines études ont commencé à envelopper des matériaux à haute performance, tels que la fibre de carbone, et à les combiner avec le taux de remplacement des granulats recyclés et plusieurs cycles de gel-dégel pour considérer la résistance au gel et les propriétés mécaniques du béton de granulats recyclés de manière globale16,17, 18,19. Par exemple, Liu et al.20 ont utilisé trois méthodes logicielles de calcul, le réseau de neurones artificiels (ANN), la régression de processus gaussien (GPR) et les splines de régression adaptative multiple (MARS), pour simuler la durabilité au gel du béton recyclé. He et al.21 ont systématiquement étudié les effets du taux de remplacement des granulats grossiers recyclés et de la séquence de renforcement du tissu de fibres de carbone (CFRP) gel-dégel sur la capacité portante des spécimens de colonnes courtes en béton recyclé sous l'action des cycles de gel-dégel. Une équation de capacité portante ultime a été présentée pour simuler des spécimens de colonnes courtes en béton recyclé sous l'influence conjointe des cycles de gel-dégel et du renforcement CFRP. Zheng22 a discuté de l'effet de la nano-silice mélangée à des fibres de basalte dans le béton recyclé sur les propriétés mécaniques et les performances de durabilité et a résumé les applications possibles des nanomatériaux, des fibres et du béton recyclé modifié fibre-nanomatériau dans l'industrie de la construction. Liu23 et al. ont étudié une méthode intégrée basée sur l'apprentissage automatique pour prédire la résistance des racines de sulfate des systèmes RAC. Quatre méthodes d'apprentissage intégrées, la forêt aléatoire, l'augmentation adaptative, l'augmentation de gradient et l'augmentation de gradient de valeur extrême, ont été utilisées pour construire le modèle de prédiction. Dix variables liées aux propriétés des matériaux et aux conditions environnementales ont été sélectionnées comme données d'entrée. Les résultats montrent que les conditions environnementales influencent la résistance aux sulfates du béton recyclé en conditions sèches. Liu24 et al. ont évalué l'utilisation de bactéries dénitrifiantes comme solution de traitement du béton recyclé. Il a été observé que le carbonate de calcium induit biologiquement remplissait la zone de transition entre l'ancienne et la nouvelle interface par analyse thermogravimétrique et microscopie électronique à balayage. Les bactéries pourraient renforcer l'adhérence entre les agglomérats et la matrice et améliorer la résistance au stress cyclique de gel-dégel.

Les recherches mentionnées ci-dessus sur le béton recyclé se concentrent principalement sur les granulats de béton recyclé, tandis que peu de types de recherche se concentrent sur le béton recyclé à partir de granulats de briques rouges. Les briques de rebut rouges sont principalement éliminées par simple empilement et décharge, qui occupent les ressources terrestres et polluent l'environnement. Les propriétés physiques et mécaniques de l'agrégat de brique rouge sont médiocres. La fibre d'acier a une résistance élevée à la traction et une forte ténacité, et l'ajout de fibre d'acier au béton recyclé peut améliorer efficacement les défauts des granulats recyclés, tels que la faible résistance et de nombreuses microfissures. Sur la base des meilleures propriétés physiques et de l'applicabilité économique des fibres d'acier, l'incorporation de fibres d'acier peut atténuer efficacement les propriétés mécaniques inférieures du béton de granulats recyclés en raison de la limitation des propriétés physiques fondamentales des granulats recyclés. Par conséquent, les fibres d'acier à crochets ont été considérées comme des additifs dans cette étude. Le taux de remplacement de la masse des granulats de briques recyclés, la teneur en fibres d'acier et plusieurs cycles de gel-dégel ont été utilisés pour étudier la durabilité du béton de granulats de briques recyclées. De plus, la perte de masse, le module dynamique relatif et le test de résistance à la flexion sont sélectionnés pour quantifier la détérioration du béton recyclé après la variation des cycles de gel-dégel. De plus, l'analyse établit le modèle de calcul du béton recyclé de granulats de briques après avoir été soumis à des cycles de gel-dégel. Enfin, il explore l'influence de chaque variable d'essai sur l'indice d'essai du béton recyclé de granulats de briques dans différents environnements d'essai.

L'ingrédient de béton de brique recyclé comprend un agrégat de brique rouge, un agrégat grossier naturel, du sable de rivière naturel, du ciment Portland ordinaire, de la fibre d'acier à crochet d'extrémité et de l'eau. Les caractéristiques matérielles pertinentes sont répertoriées comme suit :

Agrégat grossier : L'agrégat de briques recyclées a été obtenu par échantillonnage aléatoire dans le district de Xiangfang, dans la ville de Harbin (Fig. 1a). L'agrégat de briques rouges après concassage et traitement par concasseur à mâchoires a été utilisé à partir des briques démolies illustrées à la Fig. des agrégats de granulométrie de 5 à 10 mm (Fig. 1b) et de granulométrie de 10 à 20 mm (Fig. 1c) ont été composés dans un rapport de masse de 7: 3 pour répondre aux exigences d'une gradation continue de 5 à 20 mm25. La performance des granulats grossiers naturels (NA) répond aux exigences des indicateurs de « Galets et pierre concassée pour la construction (GB/T14685-2011) »26. Les principaux indices de performance du granulat grossier naturel (NA) et du granulat grossier recyclé en brique rouge (CCB) sont présentés dans le tableau 1.

Granulats de briques rouges : (a) Site de récupération de briques rouges ; (b) granulométrie 5 ~ 10 mm; (c) granulométrie 10 ~ 20 mm.

Ciment : Du ciment Portland ordinaire de grade PO 42.5 a été utilisé pour le ciment, et ses performances répondent aux exigences du « General Silicate Cement (GB175-2007) »27.

Sable : du sable moyen avec un module de finesse de 2,4 a été utilisé après filtration et séchage.

Fibre d'acier : le type de fibre d'acier à crochet d'extrémité a été utilisé, avec une longueur de 32,0 mm ± 2,0 mm et une largeur de 2,6 mm ± 1,2 mm. La résistance à la traction est ≥ 700 MPa et la masse volumique est de 7850 kg/m3, comme le montre la Fig. 2.

Fin crochet type fibre d'acier.

Les éprouvettes sont regroupées en fonction du nombre de cycles de congélation-décongélation (0, 50 et 100 fois), en considérant le dosage des fibres d'acier et le taux de remplacement des granulats recyclés comme paramètres d'essai. Quarante-cinq spécimens prismatiques ont été testés pour la perte de masse, la perte de module dynamique relative et la résistance à la flexion lorsqu'ils étaient soumis à des cycles de gel-dégel. De plus, le mécanisme de détérioration du béton recyclé a été discuté avec divers processus de gel-dégel.

La résistance de calcul de l'éprouvette de béton témoin est de 40 MPa dans cet essai. Des spécimens de béton recyclé ont été préparés pour chaque groupe à 0, 1 et 2 % de mélange de fibres d'acier et à 0, 25, 50, 75 et 100 % de remplacement de masse d'agrégat grossier recyclé, respectivement. Le tableau 2 montre la conception du mélange de béton, et NAC indique un spécimen de béton ordinaire, RBAC indique un spécimen de béton d'agrégat de brique recyclé, "25, 50, 75, 100" représente une teneur en brique rouge de 25, 50, 75, 100%, "S0, S1 , S2" représente une teneur en fibres d'acier de 1, 2, 3 %, respectivement. Par exemple, « RBAC-25-S0 » indique que la teneur en briques rouges est de 25 % et que le mélange de fibres d'acier est de 0 % du spécimen d'agrégat de briques recyclées.

Compte tenu des caractéristiques d'absorption d'eau élevée et d'indice de concassage, l'agrégat grossier de brique rouge recyclée a subi un traitement sec en surface saturé. Par conséquent, le granulat grossier de brique rouge recyclé broyé et tamisé a été placé dans de l'eau et trempé pendant 24 h. Par la suite, l'agrégat recyclé a été retiré et séché pendant 2 h. Après traitement, il a été considéré comme ayant atteint un état sec saturé en surface28.

Selon la « norme pour les méthodes d'essai pour la performance des mélanges de béton ordinaires (GB/T20081-2002) », un mélangeur forcé a été utilisé pour mélanger les agrégats grossiers et fins, puis ajouté du ciment en ajoutant progressivement de l'eau, et enfin dispersé en ajoutant des fibres d'acier29 . Les échantillons ont été placés dans une chambre à cycle de congélation-décongélation (Fig. 3) après des conditions de maintenance standard pendant 28 jours. La perte de masse (Fig. 4a) et le module dynamique relatif (Fig. 4b) ont été mesurés une fois tous les 25 cycles de gel-dégel, et la résistance à la flexion de chaque groupe d'éprouvettes a été testée sur une machine d'essai de compression (Fig. 5). De plus, la capacité des spécimens de béton à résister à la rupture par flexion sous différents dosages et temps de gel-dégel a été testée, et la résistance au gel a été analysée. Chaque catégorie de spécimens prismatiques a utilisé trois échantillons, en prenant la valeur moyenne comme valeur de test pour maintenir la cohérence des données. Selon la « Norme pour les propriétés physiques et mécaniques des méthodes d'essai du béton (GB/T 50081-2019) », la dimension de l'éprouvette de flexion est de 100 mm de hauteur sur 100 mm de largeur sur 400 mm de longueur30. Le test de gel-dégel a été réalisé dans une chambre à cycle de gel-dégel et a été appelé « Norme pour les méthodes d'essai de performance et de durabilité à long terme pour le béton ordinaire (GB/T50082-2009) »31.

Boîte de circulation gel-dégel : (a) Extérieur de la boîte de cycle gel-dégel ; (b) À l'intérieur de la boîte de circulation de congélation-décongélation.

Test du taux de perte de masse et du module d'élasticité : (a) Test de perte de qualité ; (b) Test du module d'élasticité.

Essai de flexion d'éprouvette prismatique : (a) Essai de résistance à la flexion prismatique (gros plan) ; (b) Test de résistance à la flexion prismatique (Vision).

Le changement d'apparence du béton recyclé a été détecté après chaque 25 cycles de gel-dégel, comme illustré à la Fig. 6. Le mortier à la surface de l'échantillon s'est progressivement décollé sous l'action des cycles de gel-dégel. Avec l'augmentation du taux de remplacement des granulats recyclés, le phénomène de pelage de la surface du mortier s'est progressivement aggravé. En conséquence, une partie de l'agrégat de briques rouges a commencé à être exposée. Avec l'augmentation des cycles de gel-dégel, les spécimens de béton soumis à divers taux de remplacement présentaient une tendance aggravée des dommages causés par le gel. Lorsque le nombre de cycles de gel-dégel a atteint plus de 50 fois, le mortier à la surface de l'échantillon de béton a commencé à tomber et à s'accumuler au fond de l'échantillon, et l'agrégat sur la surface extérieure de l'échantillon de béton était visiblement exposé. . L'intégrité structurelle des spécimens de béton a été endommagée lorsque le nombre de gel-dégel a atteint 100 fois, et une partie de l'agrégat grossier a commencé à tomber.

Aspect du spécimen après congélation et décongélation : (a) congélation-décongélation 0 fois ; (b) Geler-dégeler 25 fois; (c) Congélation-décongélation 50 fois ; (d) Congélation-décongélation 75 fois; (e) Congeler-décongeler 100 fois.

Les sections endommagées des spécimens de béton avec 100 cycles de gel-dégel ont été sélectionnées au hasard après des tests de flexion, et l'agrégat de brique rouge, l'agrégat grossier naturel et l'agrégat de brique rouge enveloppés de mortier ont été placés sous microscope numérique à un grossissement de 100 fois et scannés à 2000 fois. grossissement au microscope électronique, et les figures microscopiques obtenues par observation microscopique sont présentées sur les Fig. 7 et 8. On peut voir que des fissures sont apparues à la surface de l'agrégat de brique rouge stressé après 100 cycles de gel-dégel sous observation au microscope numérique (Fig. 7a). L'adhérence entre l'agrégat de briques rouges et le mortier s'est détériorée au cours des cycles de gel-dégel croissants, et une partie des agrégats de briques rouges a commencé à tomber. La surface du mortier tombé a montré plus de petits trous dus à l'absorption d'eau de gel-dégel (Fig. 7b). Cependant, l'agrégat naturel a été moins affecté par le cycle gel-dégel et les forces externes. L'agrégat et le mortier étaient étroitement liés (Fig. 7c), et aucune fissure apparente ni perte d'agrégat n'est apparue sous l'observation au microscope numérique.

Tableau général d'observation au microscope : (a) Agrégats de briques rouges ; (b) mortier ; (c) Agrégats grossiers naturels.

Image SEM à balayage au microscope électronique : (a) Agrégats grossiers naturels ; (b) Surfaces d'agrégats de briques rouges ; (c) Granulats de briques rouges ; (d) Fissures d'agrégats de briques rouges ; (e) Zone de transition des granulats de briques rouges et du mortier.

La surface des agrégats naturels est plus lisse dans les micrographies électroniques à balayage, comme le montre la figure 8a. La largeur de fissure de l'agrégat de la section endommagée varie d'environ quelques microns à plus de dix microns. Par rapport à l'agrégat grossier naturel, la surface de l'agrégat de brique rouge était rugueuse avec plus de fosses et de pores (Fig. 8b et c). L'agrégat de briques recyclées a une structure interne lâche avec de nombreuses fissures de pores (Fig. 8d et Tableau 1). La largeur de la fissure est généralement d'environ 25 microns, ce qui entraîne son indice de concassage, son taux d'absorption d'eau et d'autres paramètres supérieurs à l'agrégat naturel. On peut expliquer que les granulats de brique recyclés absorbent plus d'eau libre pendant les cycles de gel-dégel. La morphologie microscopique de la zone de transition à l'interface entre le gros granulat de la brique rouge et le nouveau mortier est représentée sur la Fig. 8e. Les fissures les plus apparentes ont été observées à l'interface entre la brique rouge et le mortier, et la largeur de la fissure varie de 15 à 30 µm. La teneur en eau à l'intérieur de l'agrégat de briques rouges augmente avec l'augmentation des cycles de gel-dégel, et la structure devient plus lâche que celle de l'agrégat naturel. L'agrégat de brique rouge influence la résistance à la flexion dans le cas de la fibre d'acier non dopée, et la résistance à la flexion diminue avec l'augmentation des cycles de gel-dégel. Le mode de défaillance de l'échantillon est plus susceptible de se produire lorsque l'agrégat est endommagé.

Le test est effectué par la méthode de congélation rapide et le taux de perte de masse de l'échantillon est calculé comme suit :

où W est le taux de perte de masse du béton ; M0 est la masse initiale de béton avant gel et dégel, exprimée en grammes (g) ; Mn est la masse de béton après n cycles de gel-dégel, exprimée en grammes (g).

Les tests de qualité des éprouvettes ont été effectués dans des conditions sèches superficielles saturées. La figure 9 montre les masses mesurées des spécimens et les taux de perte de masse avec l'augmentation des cycles de gel-dégel. Encore une fois, les masses de chaque groupe ont diminué à des degrés différents lors de la comparaison des échantillons sous chaque dose de fibres. On peut constater qu'avec l'augmentation du taux de remplacement des granulats recyclés, le taux de perte de masse de tous les groupes a augmenté. De plus, avec l'augmentation progressive du mélange de fibres d'acier, le taux de perte de masse des spécimens a progressivement augmenté sous le même taux de remplacement des granulats recyclés, et l'augmentation était supérieure à 10 %. Elle était principalement concentrée dans les spécimens avec des taux de remplacement de 50 et 75 %. Les éprouvettes avec 2 % de fibres d'acier et 75 % de taux de substitution d'agrégats grossiers présentaient la perte de masse la plus importante, qui atteignait 17 %. Par rapport au béton normal et aux spécimens de béton 100 % recyclés, la structure de l'interface est plus compliquée, y compris l'ancien mortier-nouveau mortier, l'ancien agrégat-nouveau mortier et la zone de transition de l'interface ancien agrégat-ancien mortier. Il reste des granulats grossiers et fins naturels dans les éprouvettes sous ce taux de substitution, ce qui gêne l'absorption d'eau libre par les granulats recyclés. De plus, l'incorporation de fibres d'acier entraîne une diminution de la compacité du béton, ce qui fait perdre la structure externe de l'éprouvette après congélation et provoque la chute de certaines fibres d'acier, de sorte que la perte de qualité sous ces deux taux de remplacement est importante. Avec l'augmentation de la fibre d'acier, le taux de perte de masse des spécimens a progressivement augmenté, et en plus certaines des fibres d'acier après le gel et le dégel ont commencé à se détacher et le taux de perte de masse a augmenté. On peut expliquer que le granulat recyclé lui-même présente davantage de micro-fissures et de micro-vides internes. Avec l'augmentation des cycles de dégel des pores, la surface externe du mortier a commencé à se détacher et a progressivement exposé l'agrégat recyclé interne. En conséquence, son taux d'absorption d'eau est beaucoup plus important que l'agrégat naturel. Ainsi, le taux d'absorption d'eau est beaucoup plus important que celui des granulats naturels, ce qui fait diminuer le taux de perte de qualité de l'échantillon.

Masse des éprouvettes et taux de perte de masse : (a) teneur en fibres d'acier 0 % ; (b) teneur en fibres d'acier 1 % ; (c) teneur en fibres d'acier 2 %.

Le module d'élasticité dynamique relatif est généralement utilisé pour exprimer le degré d'endommagement à l'intérieur du béton. La fréquence transversale fondamentale de l'échantillon est déterminée par la méthode de résonance. La fréquence transversale fondamentale est déterminée tous les 25 temps de congélation et de décongélation. Le module d'élasticité dynamique relatif est calculé à l'aide de l'équation suivante :

où Dn est le module d'élasticité dynamique relatif de l'éprouvette, % ; f0 est la fréquence fondamentale transversale initiale de l'échantillon, Hz ; fn est la fréquence transversale fondamentale de l'échantillon après n cycles de gel-dégel, Hz.

Les données relatives au module d'élasticité dynamique relatif des éprouvettes après la fin du cycle de gel-dégel, comme illustré à la Fig. 10. On peut voir sur la figure qu'avec l'augmentation du nombre de cycles de gel-dégel, le module d'élasticité dynamique relatif de chaque groupe de spécimens diminue progressivement. L'analyse transversale montre que le module d'élasticité dynamique relatif de chaque groupe d'éprouvettes est meilleur que le groupe témoin (0 % de granulats recyclés). Comme la teneur en fibres d'acier est de 1 %, le module d'élasticité dynamique relatif des spécimens a été jusqu'à 28 % supérieur à celui du groupe témoin. Le module d'élasticité dynamique relatif des spécimens avec différentes teneurs en fibres d'acier a rebondi lorsque le taux de remplacement des granulats grossiers est de 100 %, indiquant que la surface du mortier de béton a été complètement décollée dans ce cas. Des agrégats grossiers et fins partiels sont également tombés. Après cela, le processus d'endommagement de la surface au noyau en béton causé par le cycle gel-dégel est progressivement ralenti et sa structure interne se stabilise. Lorsque la teneur en fibres d'acier est de 2 %, le module d'élasticité dynamique relatif de l'échantillon sous le taux de remplacement des granulats recyclés est inférieur à celui lorsque la teneur est de 1 %, ce qui indique que la teneur en fibres d'acier est trop élevée dans cet état . La structure interne de l'échantillon est plus chaotique avec l'augmentation des cycles de congélation et de décongélation.

Module dynamique relatif des éprouvettes : (a) teneur en fibres d'acier 0 % ; (b) teneur en fibres d'acier 1 % ; (c) teneur en fibres d'acier 2 %.

Le coefficient de conversion de l'éprouvette prismatique est de 0,85 et la formule de résistance à la flexion est :

où ft est la résistance à la flexion du béton, MPa ; F est la charge d'endommagement des éprouvettes de béton, KN ; l est la portée entre les supports, mm ; b est la largeur de la section de l'échantillon de béton, mm ; h est la hauteur de la section de l'échantillon de béton, mm.

La résistance à la flexion de chaque échantillon après la fin du cycle de gel-dégel est illustrée à la Fig. 11. Avec l'augmentation du nombre de cycles de gel-dégel, la résistance à la flexion de l'échantillon sous chaque teneur en fibres diminue progressivement. Lorsque la teneur en briques rouges est supérieure ou égale à 50 %, la résistance diminue au fur et à mesure que le nombre de gel-dégel augmente.

Résistance à la flexion de l'éprouvette : (a) teneur en fibres d'acier 0 % ; (b) teneur en fibres d'acier 1 % ; (c) teneur en fibres d'acier 2 %.

Pour une teneur en fibres d'acier de 0 % (Fig. 11a), la résistance des éprouvettes de béton ordinaires diminue à peu près linéairement. Dans ce cas, la structure interne est gravement endommagée, l'agrégat de briques rouges absorbe beaucoup d'eau libre et la surface extérieure de l'éprouvette tombe extrêmement, de sorte que la valeur de résistance change radicalement à ce moment.

Pour une teneur en fibres d'acier de 1 % (Fig. 11b), la combinaison de fibres d'acier et de granulats grossiers et fins de béton est relativement faible. Ainsi, sa valeur de résistance à la flexion atteint le maximum dans les mêmes conditions.

Pour une teneur en fibres d'acier de 2 % (Fig. 11c) et une teneur en brique rouge atteignant 50 %, la teneur en eau libre de l'échantillon est élevée en raison du taux d'absorption d'eau élevé de l'agrégat de brique rouge. Par conséquent, sa valeur de résistance à la flexion fluctue dans une petite plage au cours de l'essai de flexion.

La courbe d'évolution du taux de perte de masse W et du nombre de cycles de gel-dégel n montre que le taux de perte de masse M varie avec le nombre de cycles de gel-dégel n dans une relation à peu près positive, c'est-à-dire :

L'analyse d'ajustement a été effectuée par logiciel et les valeurs de la pente a et de l'intersection b ont été ajustées par la méthode des moindres carrés, comme indiqué dans le tableau 3.

Le tableau 3 montre que a et b varient avec le taux de substitution des granulats recyclés γ et la dose de fibres d'acier θ dans différentes conditions de taux de substitution des granulats recyclés et de dose de fibres d'acier. Ainsi, a et b sont ajustés comme une fonction quadratique avec le taux de substitution γ, c'est-à-dire comme indiqué dans l'Eq. 5.

Par conséquent, la teneur en fibres d'acier θ est présentée par analyse de régression et la méthode des moindres carrés est utilisée pour ajuster les valeurs de A, B et C dans l'Eq. 5, respectivement, comme indiqué dans le tableau 4.

Les paramètres A, B et C sont des valeurs liées à la teneur en fibres d'acier θ. La relation entre A, B et C et la teneur en fibres θ est ajustée par la méthode des moindres carrés comme Eq. 6.

Les équations 5 et 6 sont remplacées dans l'équation. 4 pour obtenir la relation entre le taux de perte de masse W et la teneur en fibres d'acier θ, le taux de substitution γ et le nombre de cycles n.

La courbe ajustée du taux de perte de masse sous chaque quantité de dopage est illustrée à la Fig. 12. Comme on peut le voir sur la figure, lorsque la quantité de dopage de la fibre d'acier est de 0 %, l'erreur entre la valeur de test et la valeur ajustée est la plus grande, 7,8 %, dans le groupe d'échantillons avec un taux de substitution de 50 % au nombre de temps de congélation-décongélation de 100. En revanche, l'erreur des groupes restants est inférieure à 5 %, ce qui est dans une fourchette raisonnable. La pente de la courbe ajustée est similaire à la courbe expérimentale, de sorte que la valeur ajustée du modèle calculé (7) s'inscrit dans la plage de taux de substitution de 0 à 100 % d'agrégats recyclés et de dopage de fibres d'acier de 0 à 2 %. Ainsi, le modèle numérique présenté peut prédire efficacement la valeur réelle du taux de perte de masse dans la plage de paramètres ci-dessus.

Courbe d'ajustement du taux de perte de masse : (a) teneur en fibres d'acier 0 % ; (b) teneur en fibres d'acier 1 % ; (c) teneur en fibres d'acier 2 %.

L'observation des courbes de variation du mode dynamique relatif Dn et du nombre de cycles de gel-dégel n montre que le mode dynamique relatif Dn est positivement corrélé au nombre de cycles de gel-dégel n.

L'analyse d'ajustement a été effectuée par logiciel et la méthode des moindres carrés a ajusté les valeurs de a et b, comme indiqué dans le tableau 5.

Le tableau 5 montre que a et b varient avec le taux de substitution de granulats recyclés γ et la dose de fibres d'acier θ sous différents taux de substitution de granulats recyclés et conditions de dose de fibres d'acier. Ainsi, a et b sont ajustés comme une fonction quadratique avec le taux de substitution γ, c'est-à-dire comme indiqué dans l'Eq. 9.

Par conséquent, le dopage θ des fibres d'acier est présenté en utilisant l'analyse de régression. Les valeurs de A, B et C dans l'Eq. 9 sont ajustés en utilisant la méthode des moindres carrés, respectivement, comme indiqué dans le tableau 6. où les paramètres A, B et C sont les valeurs liées au dopage θ des fibres d'acier. La relation entre A, B et C avec le dopage des fibres θ est ajustée par la méthode des moindres carrés comme Eq. 10, respectivement.

Les équations 9 et 10 sont remplacées dans l'équation. 8 pour calculer le module d'élasticité dynamique relatif Dn lié au dopage de la fibre θ, au taux de substitution γ et aux cycles de congélation-décongélation n.

Les courbes ajustées du module dynamique relatif pour chaque quantité de dopage sont représentées sur la figure 13. On peut voir que les courbes ajustées calculées selon le modèle de calcul (11) simulent bien la perte réelle du module dynamique relatif des échantillons de béton. De plus, il peut prédire la perte de module dynamique relatif des éprouvettes de béton en modifiant le taux de remplacement des granulats recyclés et la quantité de dopage des fibres d'acier. La pente des courbes ajustées et les valeurs nodales étaient en bon accord avec les valeurs réelles dans la plage de 0 à 100 % de substitution d'agrégats recyclés et de 0 à 2 % de teneur en fibres d'acier, et la tendance du module dynamique relatif des échantillons de béton recyclé avec une teneur en pourcentage différente pourrait être prédite dans la plage ci-dessus.

Courbe d'ajustement du module élastique dynamique relatif : (a) teneur en fibres d'acier 0 % ; (b) teneur en fibres d'acier 1 % ; (c) teneur en fibres d'acier 2 %.

L'observation des courbes de variation de la résistance à la flexion ft et du nombre de cycles de gel-dégel n montre que la résistance relative à la flexion ft est positivement corrélée au nombre de cycles de gel-dégel n, soit :

L'analyse d'ajustement a été effectuée par logiciel et la méthode des moindres carrés a ajusté les valeurs de a et b, comme indiqué dans le tableau 7.

Le tableau 7 montre que sous différents taux de remplacement de la teneur en granulats recyclés et en fibres d'acier, a et b augmentent avec la variation du taux de remplacement des granulats recyclés γ et de la teneur en fibres d'acier θ. Ainsi, a et b sont calculés en effectuant un ajustement de fonction quadratique lié au taux de substitution γ, comme indiqué dans l'Eq. 13.

Par conséquent, le dopage θ des fibres d'acier est présenté à l'aide d'une analyse de régression. Les valeurs A, B et C dans l'équation. 13 sont ajustés en utilisant la méthode des moindres carrés, respectivement, comme indiqué dans le tableau 8.

Les paramètres A, B et C sont les valeurs liées au dopage des fibres d'acier θ, la relation entre A, B et C avec le dopage des fibres d'acier θ a été ajustée par la méthode des moindres carrés comme Eq. 14, respectivement.

Les équations 13 et 14 sont remplacées dans l'équation. 12 pour calculer la résistance à la flexion ft liée au dopage de la fibre θ, au taux de substitution γ et aux cycles de congélation n.

Comme le montre l'éq. 15, la dégradation relative de la résistance à la flexion est moins liée au nombre de cycles de gel-dégel et plus liée au dopage et au taux de substitution des fibres, ce qui est cohérent avec ce que montrent les graphiques.

Les courbes ajustées du module dynamique relatif sous chaque quantité de dopage sont présentées à la Fig. 14. Combiné avec le modèle calculé (15), on peut voir que la dégradation de la résistance à la flexion a peu de relation avec le nombre de cycles de gel-dégel et est plus lié à la quantité de dopage des fibres d'acier et au taux de remplacement des granulats recyclés. Comme le montre la figure 14a, la valeur ajustée s'écarte partiellement de la valeur d'essai dans le cas d'un faible taux de remplacement des granulats recyclés. La valeur d'écart maximale est de 8,6 % et la variation de la valeur d'erreur sous cette dose est principalement affectée par le taux de remplacement des granulats recyclés. La valeur de test comporte quelques erreurs, mais elle se situe dans une plage raisonnable. Les courbes expérimentales et de test sous la quantité de dopage correspondent relativement bien. Dans la plage ci-dessus du taux de remplacement des granulats recyclés et du dosage des fibres d'acier, les courbes ajustées calculées selon le modèle de calcul (15) peuvent mieux simuler le processus de dégradation de la résistance à la flexion des éprouvettes de béton. Il peut mieux prédire la dégradation de la résistance à la flexion des éprouvettes de béton avec la variation du taux de remplacement des granulats recyclés et du dosage des fibres d'acier.

Courbe d'ajustement de la résistance à la flexion : (a) teneur en fibres d'acier 0 % ; (b) teneur en fibres d'acier 1 % ; (c) teneur en fibres d'acier 2 %.

Le modèle de corrélation grise est une méthode d'analyse statistique multifactorielle basée sur les données d'échantillon de chaque système. Il utilise le degré de corrélation gris pour décrire la relation entre la force, la taille et l'ordre des facteurs. La corrélation entre deux systèmes est jugée en fonction de la taille du degré de corrélation, et plus le degré de corrélation est élevé, plus la corrélation entre les deux systèmes est élevée et plus la vitesse, la direction et le changement de taille des deux systèmes sont proches. Les étapes spécifiques de la méthode sont les suivantes :

Ce test est effectué sur la base du taux de perte de masse, du module élastique dynamique relatif et de la résistance à la flexion pour déterminer la séquence de référence X0(K) = {X0(1), X0(2), X0(3),…X0(n )}, où n signifie La séquence de comparaison Xi(K) = { Xi(1), Xi(2), Xi(3),…Xi(n)}, i représente l'évolution du taux de substitution des fibres d'acier et recyclées granulats et l'évolution du nombre de cycles de gel-dégel, n représente le type d'essai effectué

La méthode de la valeur moyenne est utilisée pour traiter chaque séquence sans dimension, et la formule est la suivante :

Déterminez la série de différences absolues avec l'équation suivante :

Calculez la différence maximale M entre les deux niveaux et la différence minimale m entre les deux niveaux avec l'équation suivante :

Calculez le coefficient de corrélation avec la formule suivante :

où ε est le facteur de résolution, généralement pris égal à 0,5.

Calculez le degré de corrélation des gris avec l'équation suivante.

Le modèle de corrélation grise a été exécuté trois fois et les valeurs de corrélation résultantes sont présentées dans le tableau 9.

Selon les données de degré de corrélation, sous l'action globale de la teneur en fibres d'acier, des temps de cycle de gel-dégel et du taux de remplacement des agrégats recyclés, le degré de corrélation de chaque indice de paramètre change de manière significative. Parmi eux, le degré de corrélation entre le taux de perte de masse et les temps de cycle gel-dégel est le plus élevé, 0,859759 ; La seconde est la teneur en fibre d'acier, qui est de 0,654969 ; Le degré de corrélation avec le taux de substitution est le plus petit, soit 0,651996. La corrélation entre le module dynamique relatif et le taux de substitution est la plus grande, soit 0,631075 ; La seconde est la teneur en fibres d'acier et le degré de corrélation est de 0,580477 ; Le degré de corrélation avec le nombre de cycles de gel-dégel est le plus petit, soit 0,548062. Le degré de corrélation entre la résistance à la flexion et la teneur en fibres d'acier est le plus élevé, 0,557419 ; Le second est le nombre de cycles de gel-dégel, et le degré de corrélation est de 0,552388 ; Le degré de corrélation avec le taux de substitution était le plus petit, 0,540953.

Le processus d'essai mécanique du béton de granulats de briques recyclées en fibres d'acier et les changements dans les propriétés mécaniques et les performances de durabilité sont similaires à ceux du béton ordinaire dans les mêmes conditions. Cependant, le degré de détérioration de ses propriétés mécaniques et de ses performances de durabilité après les cycles de gel-dégel et le mécanisme d'endommagement sont influencés par le taux de remplacement des granulats de briques rouges et la quantité de mélange de fibres d'acier.

Le schéma d'endommagement des spécimens d'agrégats de briques recyclées en fibres d'acier après contrainte est similaire à celui du béton ordinaire. Cependant, la fragilité des spécimens est augmentée après le mélange avec un agrégat de brique rouge, et le mélange avec de la fibre d'acier peut efficacement atténuer le temps d'endommagement des spécimens et améliorer la ductilité des spécimens. Le module dynamique relatif moyen des éprouvettes de béton a augmenté de 19,25 % et la résistance à la flexion moyenne a augmenté de 29 % lorsque le mélange de fibres d'acier était de 1 %.

La section endommagée de l'échantillon après congélation et contrainte a été scannée au microscope électronique. Il a été constaté que l'agrégat de briques rouges avec une surface rugueuse et plus de pores était plus susceptible d'absorber plus d'eau libre après le gel, ce qui a entraîné un ralentissement de son taux de perte de masse avec l'augmentation du nombre de cycles de gel-dégel.

Lorsque le mélange de fibres d'acier est de 2 %, avec l'augmentation du taux de remplacement des granulats recyclés, le béton absorbe plus d'eau libre pendant les cycles de mélange et de gel-dégel, ce qui fait que ses indices de propriétés mécaniques montrent une tendance à la baisse. Combiné à l'analyse complète de l'état des granulats recyclés au microscope électronique, on peut voir que dans le cas d'un mélange de fibres d'acier plus élevé et d'un taux de remplacement des granulats recyclés supérieur à 50 %, la teneur en eau libre dans l'échantillon est mineure. La compacité du béton de l'éprouvette est réduite, ce qui entraîne une diminution de son indice de propriété mécanique. Par conséquent, ce type de béton dans le processus d'application pratique doit être ajouté au rapport approprié d'agents réducteurs d'eau ou améliorer la qualité de l'eau dans le rapport.

Le modèle calculé dérivé de l'analyse logicielle correspond bien à la courbe d'essai et peut prédire la dégradation de l'indice de résistance et de l'indice de durabilité de l'échantillon dans des conditions de gel-dégel.

L'analyse de corrélation grise peut analyser le degré d'influence de chaque indice de test par différentes variables dans différents environnements de test. Le degré d'influence de chaque indice de dopage change sur les résultats du test. Par conséquent, différents environnements doivent être pris en compte dans l'application pratique pour apporter les ajustements appropriés au rapport de mélange des structures en béton.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Les auteurs tiennent à souligner le soutien des fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales (n ° 2572022BJ03) et des bourses d'études pour étudiants à l'étranger de la province du Heilongjiang (classe de démarrage). Les informations exclusives telles que les noms de produits et les fabricants ne sont pas incluses pour éviter tout commercialisme. Le contenu technique présenté dans cet article est basé sur l'opinion des auteurs et ne représente pas nécessairement celle des autres.

Collège de génie civil, Northeast Forestry University, Harbin, 150040, Chine

Yongcheng Ji et Hongrui Zhang

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Conceptualisation, YJ ; méthodologie, YJ; logiciel, HZ; analyse formelle, YJ; conservation des données, YJ et HZ ; rédaction—préparation du brouillon original, YJ et HZ ; rédaction—révision et édition, YJ; acquisition de financement, YJ

Correspondance à Yongcheng Ji.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Ji, Y., Zhang, H. Enquête sur la résistance au gel des matériaux cimentaires en agrégats de briques recyclées renforcées de fibres. Sci Rep 12, 15311 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19006-w

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Reçu : 27 juin 2022

Accepté : 23 août 2022

Publié: 12 septembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-19006-w

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