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Enquête sur l'érosion des sulfates sur FRP
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Enquête sur l'érosion des sulfates sur FRP

Mar 21, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 10839 (2022) Citer cet article

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Le béton confiné en polymère renforcé de fibres (FRP) est considéré comme une approche innovante et économique pour la réparation structurelle. Deux matériaux typiques [polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP) et polymère renforcé de fibres de verre (GFRP)] sont sélectionnés dans cette étude pour étudier l'effet de renforcement du béton dans un environnement sévère. La capacité de résistance du béton confiné en FRP est discutée lorsqu'il est soumis à une érosion couplée entre l'érosion sulfatique et les cycles de gel-dégel. La microscopie électronique examine la dégradation de la surface et de l'intérieur du béton lors de l'érosion couplée. Le degré de corrosion et le principe du sulfate de sodium sont analysés à l'aide du pH, du microscope électronique SEM et du spectre d'énergie EDS. Le test de résistance à la compression axiale est utilisé pour évaluer le renforcement de la colonne en béton confiné en FRP, et la relation contrainte-déformation pour diverses techniques confinées en FRP dans un environnement d'érosion couplée est obtenue. L'analyse d'erreur est effectuée pour calibrer le résultat du test expérimental à l'aide de quatre modèles de prédiction existants. Toutes les observations indiquent que le processus de détérioration du béton confiné en PRF est complexe et dynamique sous effet couplé. Le sulfate de sodium augmente initialement la résistance initiale du béton. Cependant, les cycles de gel-dégel ultérieurs peuvent aggraver les fractures du béton, tandis que le sulfate de sodium dégrade davantage la résistance du béton par le développement de la fissuration. Un modèle numérique précis est présenté pour simuler la relation contrainte-déformation, qui est essentielle pour la conception et l'évaluation du cycle de vie du béton confiné en PRF.

En tant que méthode innovante de renforcement du béton explorée depuis les années 1970, le FRP présente les avantages d'un faible poids, d'une résistance élevée, d'une résistance à la corrosion, d'une résistance à la fatigue et d'une facilité de construction1,2,3. Il devient de plus en plus courant dans les applications d'ingénierie à mesure que les coûts baissent, comme la fibre de verre (GFRP), la fibre de carbone (CFRP), la fibre de basalte (BFRP) et la fibre d'aramide (AFRP), qui sont les FRP les plus souvent utilisés pour le renforcement structurel4, 5. La technique proposée confinée au FRP peut augmenter les performances du béton et éviter un effondrement prématuré. Cependant, divers environnements externes en ingénierie affectent souvent la durabilité du béton confiné en PRF, entraînant une défaillance de sa résistance.

Certains chercheurs ont étudié les lois de variation contrainte-déformation du béton avec différentes formes et tailles de section. Yan et al.6 ont découvert que la contrainte et la déformation ultimes positivement liées à l'épaisseur du tissu de fibres augmentent. Wu et al.7 ont obtenu des courbes contrainte-déformation pour le béton confiné en PRF en utilisant divers types de fibres pour prédire la déformation et la charge ultimes. Lin et al.8 ont découvert que les modèles contrainte-déformation FRP pour les barres circulaires, carrées, rectangulaires et elliptiques sont également très dissemblables et ont développé un nouveau modèle contrainte-déformation axé sur la conception, utilisant le rapport de largeur et le rayon d'angle comme paramètres. Lam et al.9 ont observé que le joint à recouvrement irrégulier du FRP et la courbure contribuent à ce que la déformation et la contrainte de fracture du FRP soient inférieures à celles du test de traction de la plaque. De plus, les chercheurs ont étudié le confinement partiel et de nouvelles techniques confinées basées sur les différentes exigences des projets pratiques. Wang et al.10 ont effectué des essais de compression axiale concernant trois modes confinés, y compris le béton totalement, partiellement et non confiné. Un modèle contrainte-déformation est développé et fournit des coefficients d'effet de confinement pour le béton partiellement confiné. Wu et al.11 ont développé une méthode pour prédire la relation contrainte-déformation du béton confiné en PRF qui tient compte de l'impact de la taille. Moran et al.12 ont évalué les performances de compression axiale monotone du béton confiné avec une bande hélicoïdale en PRF et ont obtenu sa courbe contrainte-déformation. Cependant, les recherches ci-dessus étudient principalement la différence entre le béton partiellement et entièrement confiné. L'action des différentes parties du béton partiellement confiné en PRF n'a pas été étudiée en détail.

De plus, des études ont également évalué l'efficacité du béton confiné en PRF dans différentes conditions en termes de résistance à la compression, de changement de déformation, de module d'élasticité initial et de module d'écrouissage. Tijani et al.13,14 ont constaté que la réparabilité du béton confiné en PRF diminuait avec l'augmentation du degré de dommage grâce à des expériences de réparation en PRF sur le béton initialement endommagé. Ma et al.15 ont étudié l'effet de l'endommagement initial des colonnes en béton confiné en PRF et ont estimé que le degré d'endommagement avait un effet négligeable sur la résistance ultime et un effet significatif sur la déformation latérale et longitudinale. Cependant, Cao et al.16 ont observé les courbes contrainte-déformation et enveloppe contrainte-déformation du béton confiné en PRF sous l'influence de l'endommagement initial. En plus d'étudier l'état initial des dommages du béton, certaines études ont également été publiées sur la durabilité du béton confiné en PRF dans des conditions environnementales difficiles. Ces chercheurs ont étudié la dégradation du béton confiné en FRP dans des environnements difficiles et ont utilisé des méthodes d'évaluation des dommages pour établir des modèles de dégradation afin de prédire la durée de vie. Xie et al.17 ont placé du béton confiné en FRP dans un environnement hydrothermal et ont constaté que les conditions hydrothermales affectaient de manière significative les propriétés mécaniques du FRP, entraînant une diminution progressive de sa résistance à la compression. Dans l'environnement acide-base, l'interface entre le CFRP et le béton sera affectée par la dégradation. Le taux de libération d'énergie de fracture de la couche de CFRP a diminué de manière significative avec l'augmentation du temps d'immersion, ce qui a finalement conduit à la défaillance de l'échantillon d'interface18,19,20. De plus, certains chercheurs ont également étudié l'effet du gel et du dégel sur le béton confiné en PRF. Liu et al.21 ont souligné que le renforcement CFRP a une bonne durabilité sous les cycles de gel-dégel en fonction du module dynamique relatif, de la résistance à la compression et de la relation contrainte-déformation. De plus, un modèle lié à la dégradation des propriétés mécaniques du béton est proposé. Cependant, Peng et al.22 ont calculé la durée de vie des liants CFRP-béton en utilisant les données de température et de cycle de gel-dégel. Guan et al.23 ont mené un test de gel-dégel rapide sur du béton et ont proposé une méthode d'évaluation de la résistance au gel basée sur l'épaisseur de la couche endommagée sous l'action du gel-dégel. Yazdani et al.24 ont étudié l'effet des couches de PRF sur la pénétration des ions chlorure dans le béton. Les résultats montrent que la couche de FRP est résistante à la corrosion chimique et peut séparer le béton interne des ions chlorure externes. Liu et al.25 ont simulé l'environnement d'essai d'arrachement du béton FRP érodé par les sulfates, établi un modèle de glissement de liaison et prédit la dégradation de l'interface FRP-béton. Wang et al.26 ont établi un modèle contrainte-déformation du béton érodé par les sulfates confiné en PRF par des essais de compression uniaxiale. Zhou et al.27 ont étudié les dommages du béton libre causés par le couplage des cycles sel-gel-dégel et ont utilisé la fonction logistique pour décrire pour la première fois son mécanisme de dégradation. Ces études ont fait des progrès considérables dans l'évaluation de la durabilité du béton confiné en PRF. Cependant, la plupart des chercheurs se sont concentrés sur la simulation de l'environnement avec érosion sous une seule condition défavorable. Le béton est généralement endommagé en raison de l'érosion de couplage causée par diverses conditions environnementales. Ces conditions environnementales couplées ont un effet de détérioration sévère sur la performance du béton confiné en PRF.

Les sulfates et les cycles de gel-dégel sont deux paramètres significatifs typiques ayant un impact sur la durabilité du béton. La technologie confinée au PRF a le potentiel d'améliorer la performance du béton. Il est largement utilisé dans l'ingénierie et la recherche mais a ses limites à l'heure actuelle. Peu de types de recherche se concentrent sur l'endurance du béton confiné en PRF vis-à-vis de la corrosion sulfatée dans les régions froides. Le processus d'érosion du béton entièrement confiné, semi-confiné et non confiné sous l'action couplée du sulfate de sodium et du gel-dégel mérite plus d'exploration, en particulier la nouvelle technique semi-confinée décrite dans cet article. Les effets de renforcement sur les colonnes en béton sont également étudiés en échangeant la séquence de confinement et d'érosion en PRF. Le microscope électronique, le test de pH, le microscope électronique SEM, l'analyse du spectre d'énergie EDS et le test mécanique uniaxial sont tous effectués pour démontrer les micro et macro changements des spécimens causés par l'érosion liée. De plus, cette étude discute de la loi régissant la relation contrainte-déformation générée par les essais mécaniques uniaxiaux. Les valeurs de contrainte et de déformation ultimes de l'essai expérimental sont vérifiées par une analyse d'erreur, qui utilise quatre modèles de contrainte et de déformation ultimes existants. Le modèle présenté peut prédire de manière adéquate la déformation et la résistance ultimes du matériau, ce qui est utile pour les futures pratiques d'ingénierie de renforcement en FRP. Enfin, il sert également de base conceptuelle à l'idée de résistance au gel salin dans le béton FRP.

Cette étude évalue la détérioration du béton confiné en PRF à l'aide de la corrosion en solution de sulfate couplée à des cycles de gel-dégel. Les micro et macro changements causés par l'érosion du béton sont démontrés à l'aide d'un microscope électronique à balayage, d'un test de pH, d'une analyse du spectre d'énergie EDS et d'un test mécanique uniaxial. De plus, les propriétés mécaniques et les variations de contrainte-déformation du béton confiné en PRF soumis à l'érosion couplée sont étudiées à l'aide d'expériences de compression axiale.

Le béton confiné en FRP comprend à l'origine du béton ordinaire, un matériau d'emballage externe en FRP et un adhésif époxy. Deux types de matériaux confinés externes sont sélectionnés : CFRP et GFRP, et la propriété du matériau est indiquée dans le tableau 1. Les résines époxy A et B sont utilisées comme adhésif (le rapport de mélange en volume est de 2:1). La figure 1 illustre les informations détaillées sur le matériau de conception du mélange de béton. Le ciment Portland PO 42.5 de marque Swan est utilisé dans la Fig. 1a. Les agrégats grossiers sont de la pierre concassée de basalte avec des diamètres de 5-10 et 10-19 mm, respectivement, comme indiqué sur les Fig. 1b, c. Du sable de rivière naturel avec un module de finesse de 2,3 est utilisé comme granulat fin dans la Fig. 1d. La solution de sulfate de sodium est préparée à l'aide de granulés de sulfate de sodium anhydre et d'une quantité spécifique d'eau.

Matériaux de conception du mélange de béton : (a) ciment ; (b) agrégat de 5 à 10 mm; (c) agrégat de 10 à 19 mm; (d) sable de rivière.

La résistance de conception du béton est de 30 MPa, ce qui se traduit par un affaissement compris entre 40 et 100 mm pour le béton de ciment fraîchement mélangé. Les proportions de mélange de béton sont indiquées dans le tableau 2, dans lequel le rapport des granulats grossiers entre 5 et 10 mm et 10–20 mm est de 3:7. L'effet couplé environnemental est simulé en préparant initialement une solution de NaSO4 avec une fraction massique de 10%, puis en versant la solution dans la boîte du cycle de congélation-décongélation.

Les mélanges de béton sont préparés dans un malaxeur forcé de 0,5 m3, et l'ensemble du lot de béton est utilisé pour placer les éprouvettes requises. Tout d'abord, les ingrédients du béton sont regroupés dans le tableau 2, et le ciment, le sable et les granulats grossiers sont prémélangés pendant trois minutes. Ensuite, répartissez uniformément l'eau et remuez pendant 5 min. Ensuite, des éprouvettes de béton sont coulées dans des moules cylindriques et compactées sur une table vibrante (les moules mesurent 10 cm de diamètre sur 20 cm de hauteur).

Après durcissement pendant 28 jours, les spécimens sont emballés avec des matériaux FRP. Trois techniques pour les colonnes en béton armé sont discutées dans cette étude, qui comprenaient entièrement confinées, semi-confinées et non confinées. Deux types de CFRP et GFRP sont utilisés pour le matériau confiné. Le béton entièrement confiné en FRP est enveloppé de FRP avec une hauteur de 20 cm et une longueur de 39 cm. Le haut et le bas du béton confiné en PRF ne sont pas encapsulés par de l'époxy. En tant que technique confinée nouvellement suggérée, les processus de test semi-confiné sont décrits comme suit.

(1) Le FRP est découpé en bandes de 2 cm de hauteur sur 39 cm de longueur.

(2) Une règle est utilisée pour marquer la surface cylindrique en béton afin de déterminer l'emplacement des bandes de PRF, qui sont à 2,5 cm l'une de l'autre. Enroulez ensuite le ruban autour des zones en béton qui ne nécessitent pas de FRP.

(3) La surface en béton est poncée avec du papier de verre jusqu'à ce qu'elle soit lisse et essuyée avec du coton alcoolisé, et sa surface est appliquée avec une résine époxy. Collez ensuite les bandes de FRP sur la surface du béton à la main et pressez l'espace pour que le FRP s'adapte parfaitement à la surface du béton afin d'éviter la génération de bulles d'air. Enfin, les bandes de FRP sont collées à la surface du béton de haut en bas selon les marques faites par la règle.

(4) Vérifiez si le béton et le FRP sont séparés après une demi-heure. Si le FRP semble glisser ou gonfler, il doit être corrigé immédiatement. Les spécimens moulés doivent durcir pendant 7 jours pour garantir la résistance durcie.

(5) Après durcissement, la bande sur la surface du béton est décollée par un couteau utilitaire, et enfin, la colonne en béton semi-confiné FRP est obtenue.

Les résultats sous différents confinements sont présentés à la Fig. 2. La Figure 2a montre le béton entièrement confiné CFRP, la Fig. 2b montre le béton semi-confiné CFRP, la Fig. 2c montre le béton entièrement confiné GFRP et la Fig. 2d montre le béton semi-confiné GFRP.

Style confiné : (a) entièrement confiné avec CFRP ; (b) semi-confiné avec CFRP; (c) entièrement confiné avec GFRP ; (d) semi-confiné avec GFRP.

Il existe quatre paramètres principaux, et il vise à examiner l'influence des séquences confinées en FRP et d'érosion sur les performances anti-érosion des colonnes circulaires. Le tableau 3 répertorie le nombre d'éprouvettes de colonne en béton. Chaque catégorie d'échantillons comprend trois échantillons conditionnés identiques pour assurer la cohérence des données. La moyenne de trois spécimens analyse tous les résultats expérimentaux dans cet article.

(1) Les matériaux confinés sont classés CFRP ou GFRP. L'impact de deux types de fibres sur le renforcement du béton est comparé.

(2) Il existe trois techniques confinées pour les colonnes en béton : entièrement confinées, semi-confinées et non confinées. La résistance à l'érosion des colonnes en béton semi-confiné est comparée aux deux autres variétés.

(3) Les conditions d'érosion sont des cycles de gel-dégel couplés à une solution de sulfate, et les cycles de gel-dégel sont respectivement de 0, 50 et 100 fois. L'effet de l'érosion couplée sur les colonnes en béton confinées en PRF est étudié.

(4) Les spécimens sont divisés en trois groupes. Le premier groupe est enveloppé de FRP puis érodé, le deuxième groupe s'érode d'abord puis enveloppé, et le troisième groupe s'érode d'abord puis enveloppé puis s'érode à nouveau.

Les programmes d'expériences sont réalisés à l'aide d'une machine d'essais universelle, d'une machine d'essais de traction, d'une boîte de cycle de congélation-décongélation (modèle CDR-Z), d'un microscope électronique, d'un testeur de pH, d'une jauge de contrainte, d'un dispositif de déplacement, d'un microscope électronique SEM, et un analyseur de spectre d'énergie EDS dans cette étude. L'éprouvette est une colonne de béton de 10 cm de hauteur sur 20 cm de diamètre. Après avoir été placé et compacté, le béton sera durci pendant 28 jours, comme illustré à la Fig. 3a. Tous les spécimens d'essai sont démoulés après la coulée et durcis à 18–22 ° C et 95% d'humidité relative pendant 28 jours, puis certains spécimens sont soumis à un emballage en FRP.

Méthode d'essai : (a) équipement à température et humidité constantes ; (b) machine à cycle de congélation-décongélation ; (c) presse d'essai universelle; (d) testeur de pH ; (e) observation microscopique.

L'expérience de congélation-décongélation a utilisé une méthode de congélation rapide, comme le montre la figure 3b. Selon GB/T 50082-2009 "Standard for Long-Term Performance and Durability Test of Ordinary Concrete", les éprouvettes de béton sont entièrement immergées dans une solution de sulfate de sodium à 10 % à 15-20 °C pendant quatre jours avant congélation et décongélation. Après cela, l'attaque des sulfates couplée aux cycles de congélation-décongélation commence et se termine simultanément. La durée d'un cycle de congélation-décongélation est de 2 à 4 h et la période de décongélation ne doit pas être inférieure à 1/4 de la durée du cycle. La température à cœur de l'échantillon doit être maintenue entre (−18±2) et (5±2) °C. La durée nécessaire pour passer de l'état congelé à l'état décongelé ne doit pas dépasser dix minutes. Trois spécimens d'identité cylindriques pour chaque catégorie sont utilisés pour étudier la perte de poids et les changements de pH de la solution pour chaque cycle de congélation-décongélation de 25, comme le montre la figure 3d. Après tous les 25 cycles de congélation-décongélation, les spécimens sont retirés et nettoyés en surface avant de déterminer leur poids humide (Wd). Toutes les expériences sont réalisées sur trois échantillons répétés et les valeurs moyennes sont utilisées pour discuter des résultats des tests. Les formules de perte de masse et de perte de résistance de l'éprouvette sont déterminées comme suit :

où ΔWd est la perte de poids de l'éprouvette après 25 cycles de gel-dégel (%), W0 est le poids moyen de l'éprouvette de béton avant le cycle de gel-dégel (kg) et Wd est le poids moyen de l'éprouvette de béton après tous les 25 cycles de congélation-décongélation Poids (kg).

Le coefficient de dégradation de la résistance de l'éprouvette est caractérisé par Kd et la formule est la suivante :

où ΔKd est le taux de perte de résistance (%) de l'échantillon tous les 50 cycles de gel-dégel, f0 est la résistance moyenne de l'échantillon de béton avant le cycle de gel-dégel (MPa) et fd est la résistance moyenne de l'échantillon de béton tous les 50 cycles de gel-dégel (MPa).

La figure 3c montre la configuration du test de compression de l'échantillon de béton. Selon la "Norme pour les méthodes d'essai des propriétés physiques et mécaniques du béton" (GBT50081-2019), la méthode d'essai pour l'essai de résistance à la compression des colonnes en béton est déterminée. La vitesse de chargement du test de compression est de 0,5 MPa/s, et un chargement continu et constant est utilisé tout au long de l'essai. La relation charge-déplacement de chaque éprouvette est enregistrée lors de l'essai mécanique. Des jauges de contrainte sont fixées aux surfaces extérieures des couches de béton et de PRF des éprouvettes pour mesurer les déformations axiales et horizontales. La boîte de déformation est utilisée dans l'essai mécanique pour enregistrer la variation de déformation de l'éprouvette pendant l'essai de compression.

Un échantillon de la solution de congélation-décongélation est prélevé et placé dans un récipient tous les 25 cycles de congélation-décongélation. La figure 3d montre le test de pH de l'échantillon de solution dans le récipient. L'examen microscopique de la surface de l'échantillon et de la section transversale dans des conditions de gel-dégel est illustré à la Fig. 3e. Les conditions de surface de différents spécimens après 50 et 100 cycles de congélation-décongélation en solution de sulfate sont observées au microscope. Le microscope utilise un grossissement de 400×. L'observation en surface de l'échantillon a principalement observé l'état d'érosion de la couche de PRF et de la couche extérieure en béton. L'observation en coupe de l'échantillon sélectionne principalement les conditions d'érosion à des positions de 5 mm, 10 mm et 15 mm de la couche externe. Les produits de formation des sulfates et l'érosion du cycle gel-dégel nécessitent une vérification plus poussée. Par conséquent, les surfaces métamorphiques d'échantillons sélectionnés sont examinées avec un microscope électronique à balayage (SEM) et équipées d'un spectromètre à dispersion d'énergie (EDS).

L'examen visuel de la surface de l'échantillon est effectué à l'aide d'un microscope électronique et 400 facteurs de grossissement sont sélectionnés. Le degré d'endommagement de surface du béton FRP semi-confiné et non confiné est assez sévère lorsqu'il est soumis à un cycle de gel-dégel couplé à une érosion sulfatée, alors que le degré d'endommagement de surface du béton entièrement confiné est négligeable. Comme illustré sur la Fig. 4a, la première catégorie fait référence à l'aspect érodé du béton non confiné lorsqu'il est soumis à un sulfate de sodium couplé à des cycles de gel-dégel de 0 à 100 fois. L'échantillon de béton sans érosion par le gel-dégel a une surface lisse dépourvue de caractéristiques visibles. Après 50 fois d'érosion, le bloc de pulpe à la surface est partiellement pelé, révélant une coque de pulpe blanche. Après 100 fois d'érosion, une inspection visuelle de la surface en béton a révélé que la coque de mortier était complètement tombée. L'observation au microscope révèle que la surface de béton érodée par 0 cycle de gel-dégel est lisse et que l'agrégat et le mortier à la surface sont tous sur le même plan. Une surface rugueuse inégale est observée sur la surface de béton érodée par 50 cycles de gel-dégel. On peut expliquer que le mortier s'effrite partiellement et qu'une trace de cristaux granuleux blancs adhère à la surface, principalement constituée d'agrégats, de mortier et de cristaux blancs. Après 100 cycles de gel-dégel, de grandes zones de cristaux blancs se retrouvent sur la surface du béton, tandis que l'agrégat grossier foncé est exposé à l'environnement extérieur. À ce stade, la surface du béton est principalement composée d'agrégats exposés et de cristaux blancs.

Aspect d'érosion par le gel-dégel des colonnes en béton : (a) colonne en béton non confinée ; (b) Béton semi-confiné CFRP ; (c) béton semi-confiné GFRP ; (d) Béton entièrement confiné en PRFC ; (e) Béton semi-confiné GFRP.

La deuxième catégorie est l'apparition de corrosion des colonnes en béton semi-confiné CFRP et GFRP soumises à un cycle de gel-dégel couplé à une érosion sulfatée, comme illustré sur les Fig. 4b,c. L'examen visuel (grossissement 1 ×) a révélé que la surface de la couche de fibres développait progressivement des poudres blanches qui tombaient rapidement à mesure que les cycles de gel-dégel augmentaient. L'érosion de surface non confinée du béton semi-confiné PRF devient plus prononcée à mesure que le nombre de cycles de gel-dégel augmente. Un phénomène de « renflement » est visible (le mortier de surface libre de la colonne en béton est sur le point de s'effondrer). Cependant, le phénomène d'écaillage est partiellement gêné par le revêtement en fibre de carbone à proximité). Au microscope, les fibres de carbone synthétiques apparaissent sous forme de filaments blancs sur fond noir à un grossissement de 400×. Ils apparaissent blancs en raison de la forme circulaire des fibres et de leur exposition à une lumière inégale, mais les brins de fibre de carbone eux-mêmes sont noirs. La fibre de verre est initialement blanche et filamenteuse, mais lorsqu'elle est exposée à l'adhésif, elle devient transparente, permettant une vision claire de l'état du béton dans le tissu en fibre de verre. La fibre de verre est d'une couleur blanche brillante, tandis que l'adhésif est d'une teinte jaunâtre. Les deux sont de couleur claire, de sorte que la couleur de l'adhésif obscurcira les brins de fibre de verre, donnant l'apparence générale d'une teinte jaunâtre. Les fibres de carbone et de verre sont protégées par une résine époxy extérieure et aucun dommage ne se produit. Plus de vides et quelques cristaux blancs à la surface sont devenus visibles à mesure que le nombre d'érosions par le gel-dégel augmentait. Avec l'augmentation des cycles sulfate-gel, l'adhésif s'amincit progressivement, le jaune pâle s'estompe et les fibres deviennent visibles.

La troisième catégorie est l'apparence érodée du béton entièrement confiné CFRP et GFRP soumis à un cycle de gel-dégel couplé à l'érosion des sulfates, comme illustré à la Fig. 4d, e. Encore une fois, les observations sont similaires au deuxième type de résultats de section de confinement de colonne en béton.

Comparer les phénomènes observés suite à l'application des trois techniques de confinement décrites ci-dessus. Le tissu de fibres dans le béton entièrement confiné en FRP est resté stable à mesure que les cycles de gel-dégel augmentaient. D'autre part, la couche d'anneau adhésif est plus fine en surface. La résine époxy réagit principalement avec les ions hydrogène actifs dans l'acide sulfurique pour ouvrir le cycle et réagit à peine avec le sulfate28. Par conséquent, on peut considérer que l'érosion modifie principalement l'effet d'amélioration du FRP en modifiant les propriétés de la couche adhésive à travers les cycles de gel-dégel. La surface en béton du béton semi-confiné FRP présente le même phénomène d'érosion que la surface en béton non confiné. Sa couche de FRP est compatible avec la couche de FRP du béton entièrement confiné, et les dommages ne sont pas apparents. Cependant, des fissures d'érosion étendues se produisent à l'intersection des bandes de fibres et du béton exposé dans le béton semi-confiné en PRF. L'érosion de la surface de béton non confinée devient plus sévère à mesure que le nombre de cycles de gel-dégel augmente.

Les intérieurs du béton FRP entièrement confiné, semi-confiné et non confiné présentent des différences significatives lorsqu'ils sont érodés par des cycles de gel-dégel couplés à des solutions de sulfate. Des coupes transversales sont réalisées dans les éprouvettes, et les coupes sont observées à l'aide d'un microscope électronique à grossissement 400x. La figure 5 montre les images au microscope de 5 mm, 10 mm et 15 mm de la surface de contact du béton et de la solution, respectivement. On observe que les dommages au béton sont progressivement érodés de la surface vers l'intérieur lorsqu'une solution de sulfate de sodium est couplée à l'action du gel-dégel. Étant donné que les conditions d'érosion interne du béton CFRP et du béton confiné GFRP sont identiques, cette section ne comparera pas les deux types de matériaux de confinement.

Observation interne au microscope d'une section de colonne en béton : (a) FRP entièrement confiné ; (b) FRP semi-confiné ; (c) non confiné.

L'érosion interne du béton entièrement confiné en PRF est illustrée à la Fig. 5a. À une distance de 5 mm, des fissures sont visibles, la surface est relativement lisse et aucun cristal n'a précipité. La surface est lisse et sans cristaux, entre 10 et 15 mm. L'érosion interne du béton semi-confiné en PRF est illustrée à la Fig. 5b. Des fissures et des cristaux blancs sont visibles à 5 mm et 10 mm, tandis qu'à 15 mm, la surface est lisse. La figure 5c montre la section de la colonne en béton confiné en PRF avec des fissures trouvées à 5, 10 et 15 mm. Quelques cristaux blancs dans les fissures deviennent de plus en plus rares à mesure qu'ils se déplacent de l'extérieur du béton vers son intérieur. Les colonnes en béton non confiné subissent l'érosion la plus sévère, suivies des colonnes en béton semi-confiné en PRF. Dans les 100 cycles de gel-dégel, le sulfate de sodium a eu peu d'effet sur l'intérieur de l'échantillon de béton entièrement retenu en PRF. Cela indique que la principale raison de l'érosion du béton entièrement confiné en PRF est le gel-dégel dans une certaine période d'érosion couplée. L'observation en coupe a révélé que la section précédant immédiatement la congélation et la décongélation est lisse et sans agrégats. Une fois le béton gelé et dégelé, les fissures sont visibles, tout comme l'agrégat, et les fissures sont densément remplies de cristaux granuleux blancs. Des études27 ont montré que lorsque le béton est placé dans une solution de sulfate de sodium, le sulfate de sodium pénètre dans le béton, une partie précipite sous forme de cristaux de sulfate de sodium et une partie réagit avec le ciment. Les cristaux de sulfate de sodium et les produits de réaction apparaissent sous forme de granulés blancs.

Le béton sous confinement complet FRP produit des fissures sous érosion couplée, mais la section est lisse et sans cristaux. D'autre part, les sections en béton semi-confiné et non confiné en PRF développent des fissures internes et des cristaux sous l'érosion couplée. Selon la description de l'image et les recherches précédentes29, le processus d'érosion de couplage du béton non confiné et du béton semi-confiné FRP est divisé en deux étapes. La première étape des fissures dans le béton est due à l'expansion et à la contraction du gel-dégel. Au fur et à mesure que le sulfate pénètre dans le béton et devient visible, le sulfate approprié remplit les fissures créées par le gel-dégel et le retrait dû aux réactions d'hydratation. Par conséquent, le sulfate a un effet particulièrement protecteur sur le béton au stade initial et peut améliorer dans une certaine mesure les propriétés mécaniques du béton. La deuxième étape de l'érosion des sulfates se poursuit, pénétrant dans les fissures ou les vides et réagissant avec le ciment pour former de l'alun. En conséquence, le volume de fracture se dilate et provoque des dommages. À ce moment, les réactions de dilatation et de contraction liées au gel et au dégel vont aggraver les dommages internes du béton, entraînant une diminution de la capacité portante.

La figure 6 montre les changements de pH des solutions d'immersion en béton de trois techniques confinées surveillées après 0, 25, 50, 75 et 100 cycles de gel-dégel. Les solutions de béton non confiné et semi-confiné FRP ont montré l'augmentation de pH la plus rapide dans 0 à 25 cycles de gel-dégel. Leur pH est passé de 7,5 à 11,5 et 11,4, respectivement. Avec l'augmentation du nombre de cycles de congélation-décongélation, l'augmentation du pH a progressivement ralenti en 25 à 100 cycles de congélation-décongélation. Leur pH est passé de 11,5 et 11,4 à 12,4 et 11,84, respectivement. Étant donné que le béton entièrement retenu par FRP enveloppe la couche de FRP, la solution de sulfate de sodium est difficile à pénétrer. En même temps, il est difficile pour la composition de ciment de pénétrer dans la solution externe. Par conséquent, le pH a progressivement augmenté de 7,5 à 8,0 en 0 à 100 cycles de congélation-décongélation. Les raisons des changements de pH sont analysées comme suit. Le silicate dans le béton se combine avec les ions hydrogène dans l'eau pour former de l'acide silicique, et le OH- restant fait augmenter le pH de la solution saturée. Les changements de pH sont plus importants dans les cycles de gel-dégel de 0 à 25, et les changements ne sont pas apparents dans les cycles de gel-dégel de 25 à 10030. Cependant, on constate ici que le pH a continué d'augmenter sur 25 à 100 cycles de gel-dégel. On peut expliquer que le sulfate de sodium réagit chimiquement avec l'intérieur du béton, modifiant le pH de la solution. L'analyse de la composition chimique montre que les réactions suivantes se produisent entre le béton et le sulfate de sodium.

Changement de pH.

Selon les formules (3) et (4), on peut voir que le sulfate de sodium et l'hydroxyde de calcium dans le ciment génèrent du gypse (sulfate de calcium) et que le sulfate de calcium réagit en outre avec le métaaluminate de calcium dans le ciment pour former des cristaux d'alun. La réaction (4) s'accompagne de la formation d'OH- alcalin, donc le pH augmente. De plus, comme la réaction est réversible, le pH augmente à un moment donné et change lentement.

La perte de masse du béton FRP entièrement confiné, semi-confiné et non confiné pendant les cycles de gel-dégel dans une solution de sulfate est illustrée à la Fig. 7a. Le changement le plus apparent dans la perte de masse concerne le béton non confiné. Le béton non confiné a perdu environ 3,2 % de masse après 50 attaques de gel-dégel et environ 3,85 % après 100 attaques de gel-dégel. Elle montre qu'à mesure que le nombre de gels-dégels augmente, l'effet de l'érosion couplée sur la masse de béton non confiné diminue. Cependant, en observant la surface de l'éprouvette, on constate que la perte de mortier après 100 cycles de gel-dégel est plus sévère que celle après 50 cycles de cycles de gel-dégel. Combiné avec les recherches de la section précédente, on peut supposer que la pénétration du sulfate dans le béton entraîne le ralentissement de la perte de masse. Dans le même temps, on peut prédire à partir des équations chimiques (3) et (4) que l'alun et le gypse générés en interne conduiront également à une perte de masse plus lente.

Changement de masse : (a) la relation entre le changement de masse et le nombre de cycles de gel-dégel ; (b) la relation entre le changement de masse et le pH.

Le changement de perte de masse du béton semi-confiné FRP a d'abord diminué puis augmenté. Après 50 érosions gel-dégel, la perte de masse du béton semi-confiné PRF est d'environ 1,3 %. La perte de masse après 100 cycles est de 0,8 %. Par conséquent, on peut conclure que le sulfate de sodium pénètre dans le béton dans le béton non confiné. De plus, l'observation de la surface des spécimens a également révélé que les bandes de fibres peuvent résister à l'écaillage du mortier dans des zones non confinées, réduisant ainsi la perte de masse.

Le changement de perte de masse du béton entièrement confiné en PRF est différent des deux premiers. Il ne perd pas de masse mais en gagne. Après 50 érosions gel-dégel, la masse a augmenté d'environ 0,08 %. Après 100 fois, sa masse a augmenté d'environ 0,428 %. Parce que le béton est complètement enrobé, le mortier sur la surface du béton ne tombera pas, ce qui entraînera pratiquement aucune perte de masse. D'autre part, la pénétration d'eau et de sulfate de la surface à haute teneur dans la faible teneur en béton intérieur peut également augmenter la masse du béton.

Il existe peu d'études antérieures sur la relation entre le pH et la perte de masse du béton confiné en PRF dans des conditions érosives. La plupart des études traitent principalement de la relation entre la perte de masse, le module d'élasticité et la perte de résistance. La figure 7b montre la relation entre le pH du béton et la perte de masse sous trois contraintes. Un modèle prédictif est présenté pour prédire la perte de masse du béton avec trois techniques confinées à différentes valeurs de pH. On peut voir sur la figure 7b que le coefficient de Pearson est élevé, indiquant qu'il existe bien une corrélation entre le pH et la perte de masse. Le r au carré pour le béton non confiné, le béton semi-confiné et le béton entièrement confiné est respectivement de 0,86, 0,75 et 0,96. Cela indique que le changement de pH et la perte de masse du béton entièrement confiné dans les conditions couplées de sulfate et de gel-dégel sont relativement linéaires. Le pH a progressivement augmenté avec la réaction chimique du ciment et de la solution aqueuse dans le béton non confiné et le béton semi-confiné FRP. En conséquence, la surface en béton s'est progressivement érodée et a chuté, entraînant une perte de poids. D'autre part, la variation de pH du béton entièrement confiné est faible car la couche de PRF ralentit la réaction chimique du ciment avec la solution aqueuse. Par conséquent, aucune érosion de surface visible n'a été observée pour le béton entièrement confiné, mais il a pris du poids en raison de l'effet de saturation de la solution de sulfate absorbante.

La figure 8 montre les résultats de la numérisation SEM de l'échantillon d'érosion par gel-dégel du sulfate de sodium. La microscopie électronique a examiné des échantillons prélevés sur des blocs prélevés sur les couches externes de colonnes en béton. La figure 8a est l'image au microscope électronique à balayage du béton non confiné avant d'être érodé. On observe qu'il y a de nombreux trous sur la surface de l'échantillon, ce qui affecte la résistance de la colonne de béton elle-même avant l'érosion par le gel-dégel. La figure 8b montre le balayage au microscope électronique de l'échantillon de béton entièrement confiné en FRP après 100 érosions par le gel-dégel. Les fissures causées par le gel et le dégel de l'échantillon peuvent être détectées. Cependant, la surface est relativement lisse et aucun cristal n'est présent. Par conséquent, les fissures non remplies sont plus visibles. La figure 8c montre l'échantillon de béton semi-confiné en PRF après 100 érosions par le gel-dégel. Il est clair que les fissures se sont élargies et que des particules se sont formées entre elles. Une partie de ces particules est attachée à la fissure. L'analyse SEM de l'échantillonnage de la colonne de béton non confinée est illustrée à la Fig. 8d, et le phénomène est cohérent avec le semi-confinement. Pour élucider davantage la composition des particules, les particules au niveau de la fissure sont encore agrandies et analysées à l'aide de la spectroscopie EDS. Les particules se présentent principalement sous trois formes différentes. Selon l'analyse du spectre d'énergie, la première catégorie est représentée sur la figure 9a, qui est un cristal massif régulier, principalement composé d'O, S, Ca et d'autres éléments. On peut déterminer que le matériau est principalement composé de gypse (sulfate de calcium) en combinant les formules précédentes (3) et (4). Le deuxième type est représenté sur la figure 9b ; c'est un objet non directionnel en forme d'aiguille grâce à l'analyse du spectre d'énergie, principalement composé d'O, Al, S et Ca. La formule combinée montre que le matériau est principalement composé d'alun. Le troisième type est représenté sur la figure 9c, qui est un volume irrégulier, déterminé par analyse du spectre d'énergie, principalement composé de composants O, Na et S. Il s'avère qu'il s'agit principalement de cristaux de sulfate de sodium. La microscopie électronique à balayage a révélé que la plupart des vides sont remplis de cristaux de sulfate de sodium, comme le montre la figure 9c, ainsi que d'une petite quantité de gypse et d'alun.

Balayages au microscope électronique d'un spécimen avant et après l'érosion : (a) béton non confiné d'avant l'érosion ; (b) après l'érosion du PRF entièrement confiné ; (c) après érosion du béton semi-confiné en PRF ; (d) après érosion du béton non confiné.

Analyse EDS : (a) gypse (sulfate de calcium) ; (b) alun; (c) mirabilite (cristal de sulfate de sodium).

Les conclusions suivantes sont tirées de l'analyse. Les images au microscope électronique des trois spécimens sont toutes de 1k ×, et les fissures et les produits d'érosion dans les images sont trouvés et observés. Le béton non confiné a les fissures les plus larges et contient de nombreuses particules. Le FRP semi-confiné est inférieur au béton non confiné en largeur de fissure et en nombre de particules. La largeur de fissure du béton entièrement confiné en PRF après l'érosion couplée au gel-dégel est la plus petite et exempte de particules. Tout cela indique que le béton entièrement confiné en PRF est le moins affecté par l'érosion couplée du gel-dégel. Les processus chimiques à l'intérieur des colonnes en béton semi-confiné et non confiné en PRF conduisent à la formation d'alun et de gypse, et l'infiltration de sulfates affecte les pores. Bien que les cycles de gel-dégel soient la principale cause de la fissuration du béton, le sulfate et ses produits remplissent certaines des fissures et des pores en premier lieu. Cependant, à mesure que le nombre et la durée de l'érosion augmentaient, les fissures continuaient de se développer et le volume d'alun produit augmentait, serrant les fissures. En fin de compte, le gel-dégel et l'attaque des sulfates peuvent réduire la résistance de la colonne.

Des essais de résistance à la compression axiale ont étudié les propriétés mécaniques de deux matériaux et technologies de confinement soumis à l'érosion du cycle gel-dégel dans une solution de sulfate de sodium. La figure 10a compare la résistance à la compression du béton en utilisant différentes techniques et matériaux confinés dans des conditions érosives et étudie la variation de sa résistance à la compression avec le nombre de cycles de gel-dégel. La résistance du béton semi-confiné et non confiné en PRF a initialement augmenté, puis a légèrement diminué. Le béton entièrement confiné présente une augmentation progressive de sa résistance.

Comparaison de différentes technologies confinées et changements de matériaux : (a) variation de la résistance du béton avec différentes techniques de confinement ; (b) la relation entre le changement de masse et la force.

Après 50 cycles de gel-dégel, la résistance du béton CFRP entièrement confiné augmente de 2,3 MPa et la résistance du béton semi-confiné augmente de 3,5 MPa. La résistance du GFRP entièrement confiné de 3,4 MPa augmente le béton, et de même, 6,5 MPa augmente pour le béton semi-confiné GFRP. Des études ont montré que des fissures sont générées à l'intérieur du béton confiné en PRF et que sa résistance diminue sous une seule condition de gel-dégel22. Cependant, la force des résultats des tests a augmenté. On peut expliquer que l'augmentation de la résistance est due à l'ajout de sulfate de sodium pour remplir les pores du béton et les fissures causées par le gel-dégel lorsque l'on considère le résultat de la microscopie électronique, la perte de masse et le changement de pH. Après 100 cycles de gel-dégel, la résistance du béton CFRP entièrement confiné a augmenté de 3,9 MPa et la résistance du béton semi-confiné a diminué de 2 MPa. Le béton entièrement confiné GFRP a augmenté de 8,2 MPa, tandis que le béton semi-confiné GFRP a diminué de 5,9 MPa. En effet, les cycles de gel-dégel aggravent progressivement les fissures. Le volume excessif d'alun et de gypse généré par la réaction du sulfate de sodium avec le ciment comprimera également les fissures et aggravera les dommages internes. La résistance du béton non confiné a augmenté de 5,7 MPa après 50 cycles de gel-dégel et a diminué de 4,5 MPa après 100 cycles de gel-dégel. La loi de variation de la résistance est similaire à celle du FRP semi-confiné, qui augmente d'abord puis diminue.

La variation de résistance du béton CFRP et du béton confiné GFRP sous les cycles de gel-dégel peut également être comparée à la Fig. 10a. Après 50 et 100 cycles de gel-dégel, la résistance du béton confiné en CFRP est nettement supérieure à celle du béton confiné en GFRP, qu'il s'agisse d'un béton entièrement confiné ou semi-confiné. De plus, on peut voir que la technique entièrement confinée peut amplifier l'écart de résistance causé par différents matériaux plus que la technique semi-confinée en comparant les changements de résistance des deux matériaux.

La perte de masse est un indicateur essentiel pour évaluer la résistance au gel du béton lors de l'essai de gel-dégel. La perte de masse du béton non confiné augmente continuellement dans une seule condition de gel-dégel22. Cependant, sous l'action des cycles de gel-dégel dans une solution de sulfate de sodium, la perte de masse du béton avec différentes méthodes et matériaux confinés n'est pas cohérente. Par conséquent, cet article analyse la corrélation entre la perte de masse et la résistance à la compression de l'échantillon et utilise le logiciel Origin pour ajuster la courbe de la figure 10b. Les modèles de prédiction de résistance de différents spécimens basés sur la perte de masse sont obtenus, et les résultats et paramètres pertinents sont présentés dans le tableau 4. Dans ce modèle de prédiction, le degré d'ajustement R2 du béton non confiné est faible, et d'autres formules de prédiction ont un ajustement élevé. degré.

Cette étude visait à déterminer l'effet du confinement sur la performance opérationnelle du béton érodé par les cycles de gel-dégel dans une solution de sulfate. Dans ce contexte, le terme « performance de travail » désigne principalement la capacité du béton érodé à retrouver sa résistance après le confinement et sa capacité à résister à une nouvelle érosion après le confinement. Les conditions d'érosion sont de 50 cycles de gel-dégel dans une solution de sulfate de sodium à 10 %. La figure 11 montre la résistance du béton dans l'ordre de confinement et d'érosion pour différents matériaux et techniques de confinement. Le béton pré-confiné signifie que le béton ordinaire est d'abord confiné par le FRP puis érodé. Le béton post-confiné signifie que le béton ordinaire est d'abord érodé puis confiné.

Influence de la séquence confinée sur le béton : (a) comparaison de la résistance du béton pré-confiné et post-confiné ; (b) comparaison de la résistance du béton post-confiné et du béton de recouplage.

La figure 11a compare la relation de résistance CFRP et GFRP entre le béton pré-confiné et post-confiné. La résistance du béton semi-confiné GFRP post-confiné est de 96 % de celle du béton pré-confiné. La résistance du béton entièrement confiné en GFRP post-confiné est de 109 % de celle du béton pré-confiné. La résistance du béton semi-confiné CFRP post-confiné est d'environ 80% de celle du béton pré-confiné. Ensuite, le béton GFRP entièrement confiné avec une résistance post-confinée atteint 82,3 % de la résistance pré-confinée. Le béton augmente sa résistance après 50 cycles de gel-dégel en raison de l'infiltration de sulfate. Il est suggéré que le béton confiné après érosion couplée soit plus élevé que le béton non érodé mais confiné. Cependant, la résistance du béton post-retenu est inférieure à celle du béton pré-confiné. L'analyse de l'érosion de la surface du béton a montré que la surface du béton pré-confiné est lisse, tandis que la surface du béton post-confiné est rugueuse et parsemée de cristaux de poudre. À ce stade, l'utilisation de couches de fibres pour confiner la surface du béton entraîne un confinement irrégulier et une contrainte concentrée lorsque le centre axial de l'éprouvette est comprimé. Par conséquent, on peut observer que la résistance du béton post-confiné est inférieure à celle du béton pré-confiné. De plus, le test démontre que lorsque le béton est érodé dans la pratique de l'ingénierie, la surface devient rugueuse et inégale, ce qui réduit la capacité de réparation du béton.

La figure 11b montre la résistance du béton post-confiné et son érosion recouplée. La condition d'érosion par recouplage est toujours de 50 cycles de gel-dégel dans une solution de sulfate de sodium à 10 %. La résistance d'origine représente la résistance du béton post-confiné avant la réérosion. Après la réérosion, le béton semi-confiné CFRP peut atteindre 102 % de sa résistance d'origine, tandis que le béton entièrement confiné GFRP peut se rééroder à 98 % de sa résistance d'origine. Le béton semi-confiné CFRP peut atteindre 112 % de sa résistance d'origine, tandis que le béton GFRP entièrement confiné peut se rééroder à 103 % de sa résistance d'origine. Les résultats des tests montrent que le béton post-confiné peut encore conserver une résistance à la compression élevée après avoir été à nouveau érodé. Il est également montré que le matériau de confinement et la technique de confinement ont des effets non significatifs sur l'ordre de confinement et l'érosion couplée.

Des modèles de contrainte-déformation pour le béton avec différents matériaux et techniques confinés sont étudiés dans des conditions d'érosion couplées. Dans un premier temps, la loi contrainte-déformation de différents bétons sous l'action couplée du sulfate et du gel-dégel est analysée. Deuxièmement, l'applicabilité des modèles précédents de prédiction de contrainte-déformation ultime est discutée, et les modèles de contrainte-déformation ultime des matériaux CFRP et GFRP adaptés aux conditions d'érosion couplées des cycles de sulfate et de gel-dégel sont établis.

Les courbes contrainte-déformation pour le béton non confiné après 0, 50 et 100 cycles de gel-dégel dans une solution de sulfate sont illustrées à la Fig. 12a. L'équation constitutive de Guo31 du béton sous compression uniaxiale est citée comme indiqué dans l'équation. (5). Il est utilisé pour ajuster la courbe contrainte-déformation et déterminer la valeur de 'a'. À la suite du calcul final, 'a' est égal à 2,0, 2,3 et 1,8.

Courbe contrainte-déformation du béton non confiné : (a) courbe contrainte-déformation mesurée ; (b) la courbe contrainte-déformation sans dimension de Guo Zhenhai ; (c) courbes contrainte-déformation mesurées et ajustées.

Selon le modèle de Guo, la plus petite valeur du paramètre 'a', la courbe la plus étroite et la plus petite aire intégrale sont observées. On peut expliquer qu'il démontre « une » diminution de la ductilité et de la capacité de déformation plastique. D'autre part, plus le paramètre 'a' est grand, plus la capacité est importante. Ainsi, le paramètre 'a' peut être utilisé pour comparer les propriétés mécaniques du béton. La figure 12b montre les courbes d'ajustement contrainte-déformation sans dimension du béton dans une solution de sulfate pour différents temps de gel-dégel. La taille de l'aire intégrale sous la courbe contrainte-déformation sans dimension peut être clairement observée. Une observation attentive de la zone critique et de la vitesse d'augmentation de la courbe contrainte-déformation sans dimension montre l'influence de la valeur de a sur celle-ci. Plus le « a » est petit, plus l'augmentation de la déformation est abrupte, ce qui indique une diminution de la ductilité. Plus le « a » est significatif, plus l'augmentation de la déformation est progressive, expliquant l'augmentation de la ductilité. Cependant, la ductilité ne représente ici que la ductilité de la courbe contrainte-déformation sans dimension. Après 50 cycles de gel-dégel, le béton présentait une bonne ductilité et plasticité. D'autre part, après 100 cycles de gel-dégel, la valeur du paramètre a diminue, entraînant une diminution de la surface globale et de la ductilité. La courbe contrainte-déformation prédite par le modèle de Guo et les données mesurées sont présentées à la figure 12c. La courbe prédite est en bon accord avec les données mesurées.

La figure 12c montre la relation contrainte-déformation avant et après l'érosion couplée. Après 50 cycles de gel-dégel, la déformation et la contrainte ultimes ont également augmenté en raison du compactage accru du béton et de l'infiltration de sulfate de sodium, ce qui indique que la ductilité et la résistance à la compression du béton s'améliorent au cours de la phase initiale d'érosion couplée. Au même niveau de contrainte, la déformation axiale de l'éprouvette FT100 est bien supérieure à celle de l'éprouvette FT50. Parce que pour le béton avec une résistance à la compression de 30 MPa, la limite d'élasticité se produit autour de 9-10 MPa. Par conséquent, la ductilité augmente avec le nombre de cycles de gel-dégel. De plus, à mesure que le nombre de cycles de gel-dégel continue d'augmenter, l'expansion des fissures dans le béton augmente. À ce moment, l'effet du gel et du dégel entraîne le relâchement interne du béton, diminue la résistance et augmente la ductilité.

Les courbes contrainte-déformation de divers matériaux et technologies confinés pendant les cycles de gel-dégel dans une solution de sulfate de sodium sont illustrées à la Fig. 13. La déformation longitudinale est représentée à gauche, tandis que la déformation transversale est représentée à droite. Trois étapes peuvent être identifiées dans la courbe contrainte-déformation du béton confiné en PRF. La déformation axiale du béton semi-confiné et entièrement confiné en PRF est comparable à celle du béton non confiné dans la première étape. Ceci démontre que la nappe fibreuse n'exerce pas son effet contraignant à ce stade. La déformation latérale du béton confiné change très peu et il est évident que la déformation axiale est supérieure à la déformation latérale. Alors que le niveau de stress continue d'augmenter, la deuxième étape commence. À ce stade, la courbe devient plus douce et la courbure augmente progressivement. On observe des changements de déformation transversale à un rythme beaucoup plus rapide que la déformation longitudinale. L'intérieur du béton est progressivement détruit, la couche de fibres s'en mêle progressivement et le béton et les fibres supportent simultanément la contrainte axiale. Lorsque la contrainte est encore augmentée, l'intérieur du béton se détériore rapidement et entre dans la troisième étape. Cette étape consiste principalement à contraindre la couche de fibres à supporter la contrainte axiale de l'échantillon. À ce stade, les changements linéaires reprennent. La déformation transversale est significativement augmentée. La déformation longitudinale change à un rythme légèrement plus lent que la déformation transversale, et on peut clairement observer que la pente de la déformation transversale est inférieure à celle de la déformation longitudinale). Le béton se rompt lorsque la contrainte de traction ultime de la couche de fibres est atteinte, signalant la fin de la troisième étape.

Courbes contrainte-déformation du béton avec différentes techniques confinées sous érosion couplée : (a) courbe contrainte-déformation du béton entièrement confiné CFRP ; (b) courbe contrainte-déformation du béton entièrement confiné GFRP ; (c) courbe contrainte-déformation du béton semi-confiné CFRP ; (d) courbe contrainte-déformation du béton semi-confiné GFRP.

Les courbes contrainte-déformation des colonnes en béton entièrement confinées CFRP et GFRP dans des conditions de gel-dégel sont illustrées à la Fig. 13a, b. Dans la première étape, la variation de déformation du béton érodé puis confiné est plus importante que celle du béton non confiné, et la contrainte est toujours plus faible. La courbe du béton entièrement confiné en PRF qui a été érodé puis confiné et érodé à nouveau n'est pas significativement différente de la courbe du béton entièrement confiné en PRF qui n'a pas été érodé, ce qui indique que le béton entièrement confiné a été érodé puis confiné peut encore maintenir une bonne érosion résistance. Il n'y a pas de différence significative dans la première étape du changement de contrainte-déformation à mesure que le nombre d'érosions augmente, et même dans le GFRP, le nombre d'érosions est légèrement plus élevé. Considérez le béton semi-confiné de CFRP et GFRP dans la Fig. 13b,d. Le béton semi-confiné en PRF a une résistance à l'érosion inférieure à celle du béton entièrement confiné en PRF, mais la règle de changement est la même.

Les figures 13a,c montrent les courbes contrainte-déformation du béton CFRP entièrement confiné et semi-confiné, respectivement. La courbe de déformation longitudinale du béton semi-confiné CFRP est plus raide que celle du béton entièrement confiné CFRP. En effet, les bandes de tissu de fibres dans le béton semi-confiné CFRP sont séparées. Parce que la force de confinement des bandes fibreuses du béton semi-confiné CFRP est inférieure à celle du béton totalement confiné. Par conséquent, la déformation longitudinale du béton semi-confiné change plus rapidement en compression axiale et la déformation ultime devient plus petite. Cependant, la contrainte latérale ultime n'est affectée que par le matériau du FRP lui-même, il n'y a donc aucun changement. La courbe contrainte-déformation de la figure 13c montre que la déformation latérale de la coagulation semi-confinée CFRP est très courte dans les premier et deuxième stades et se développe rapidement, et la pente est relativement stable dans le troisième stade. On peut expliquer que la zone de confinement du béton semi-confiné CFRP est plus petite, soit la moitié de celle du béton entièrement confiné. En conséquence, le béton perd rapidement sa capacité de travail. Il est obligé de s'appuyer sur la force de retenue latérale de la couche de fibres pour réduire la déformation de l'éprouvette. Par conséquent, la réduction de moitié de la surface de la couche de fibres accélère le changement de déformation jusqu'à la rupture. Le phénomène du béton confiné en CFRP peut également être obtenu en comparant le béton entièrement confiné et semi-confiné en GFRP sur la Fig. 15b,d.

Le tableau 5 montre la contrainte et la déformation ultimes du béton confiné en PRF et du béton non confiné. Le ε′cc/ε′co est défini avec le rapport d'extension, qui peut indiquer le degré d'amélioration de la capacité de déformation du béton confiné en PRF par rapport au béton non confiné. De même, le f′cc/f′co est défini avec le rapport d'amélioration, indiquant l'amélioration de la capacité de compression axiale du béton confiné en PRF par rapport au béton ordinaire non confiné. Le tableau d'observation montre que le ratio confiné du béton entièrement confiné CFRP est le plus grand, suivi du béton entièrement confiné CFRP, du béton semi-confiné CFRP et du béton post-confiné. L'extension du GFRP est plus importante que celle du CFRP, qui est liée au module d'élasticité du GFRP. Le taux d'amélioration du béton semi-confiné PRF est d'environ la moitié de celui du béton entièrement confiné. Le béton post-confiné a une légère augmentation de l'extension par rapport au béton confiné non érodé.

De nombreux chercheurs ont proposé un modèle contrainte-déformation ultime pour le béton confiné en PRF soumis à l'érosion. Cependant, le modèle n'a pas été étudié dans un environnement de cycle gel-dégel avec divers matériaux et technologies confinés dans une solution de sulfate de sodium. Les modèles de calcul de contrainte-déformation ultime pour le béton confiné en PRF développés par les quatre chercheurs sont présentés dans le tableau 6, avec des symboles de paramètres normalisés pour chaque modèle. La méthode contrainte-déformation ultime a déterminé le meilleur modèle d'ajustement en utilisant l'analyse des erreurs. Les quatre modèles de prédiction des contraintes et déformations ultimes sont basés sur du béton fortement confiné. En observant la courbe contrainte-déformation du béton de la Fig. 13, déterminez sa contrainte et sa déformation ultimes. La contrainte du béton confiné en FRP augmente avec l'augmentation de la déformation et il n'y a pas de segment descendant. Les résultats montrent que la déformation maximale et la déformation ultime du béton confiné en PRF sont cohérentes. La déformation ultime du béton non confiné est la déformation correspondant à la contrainte ultime.

Les valeurs réelles de ε′cc/ε′co dans le tableau 4 sont substituées dans le modèle de recherche ci-dessus, et les valeurs prédites de f′cc/f′co sont calculées. Elle est comparée à la valeur f′cc/f′co réelle pour l'analyse d'erreur du rapport d'amélioration sur la figure 14a. L'abscisse représente le rapport d'amélioration réel et l'ordonnée représente le rapport d'amélioration prévu. Les résultats montrent que le taux d'amélioration prédit du modèle de Karbhari & Gao est supérieur au taux d'amélioration réel. La figure 14b montre que la ligne de base du modèle Toutanj est au centre de la dispersion, avec des erreurs relativement faibles. La figure 14c illustre que le rapport d'amélioration prédit est inférieur au rapport d'amélioration réel. Les bornes d'erreur du modèle Jiang & Teng sont comparables à celles du modèle Toutanji sur la figure 14d. Il est conclu que le modèle Jiang & Teng et Toutanji est le plus similaire au modèle dans cette condition expérimentale. Enfin, le taux d'erreur w(\(\frac{{\sum {{\text{(A}} - {\text{A}^{\prime}}} )}}{{\sum {\text{A }} }}\), où A' est la valeur prédictive et A est la valeur de test) est introduit.

Analyse d'erreur de la contrainte ultime du béton confiné en PRF : (a) analyse d'erreur du modèle de Karbhari et Gao ; (b) Analyse des erreurs du modèle Toutanji ; (c) Analyse des erreurs du modèle Lam & Teng ; (d) Analyse des erreurs du modèle Jiang & Teng.

Les valeurs f'cc/f'co réelles du tableau 4 sont remplacées dans le modèle de recherche ci-dessus, et les valeurs prédites de e'cc/e'co sont calculées. Sur la figure 15, l'abscisse représente le rapport d'extension réel et l'ordonnée représente le rapport d'extension prédit calculé. La figure 15a montre que le rapport d'extension prédit du modèle de Karbhari & Gao est supérieur au rapport réel. La ligne de base du modèle Toutanji est située au centre de la dispersion et l'erreur est plus petite sur la figure 15b. La figure 15c montre que le rapport d'extension calculé est supérieur au rapport d'extension réel. La plage d'erreur du modèle Jiang & Teng illustrée à la Fig. 15d est comparable à celle du modèle Toutanji. Combiné avec l'analyse d'erreur du rapport d'amélioration, il est conclu que le modèle de Jiang & Teng est le plus proche des conditions expérimentales.

Analyse d'erreur de la déformation ultime du béton confiné en PRF : (a) analyse d'erreur du modèle de Karbhari et Gao ; (b) Analyse des erreurs du modèle Toutanji ; (c) Analyse des erreurs du modèle Lam & Teng ; (d) Analyse des erreurs du modèle Jiang & Teng.

Le précédent modèle de prédiction de contrainte-déformation limite montre que le modèle de recherche actuel ne peut pas répondre à la prédiction lorsque le béton confiné en PRF est soumis à des cycles de gel-dégel dans une solution de sulfate de sodium. Par conséquent, un modèle de prédiction sous cette condition est établi dans cette expérience sur la base des données obtenues. Ce modèle présenté a une applicabilité limitée et ne peut prédire que dans une solution de sulfate de sodium à 10 % en masse et 100 cycles de congélation-décongélation. Le dépassement de cette plage nécessite plus d'expériences pour le raffinement. Les résultats des tests sont divisés en deux catégories, à savoir le béton confiné en CFRP et le béton confiné en GFRP. Les taux d'erreur des modèles de prédiction sont respectivement de 0,075 et 0,089. Tous les résultats d'analyse montrent que le modèle a un bon effet de prédiction.

où fcc est la résistance à la compression de l'éprouvette de béton confinée en PRF ; fco est la résistance à la compression de l'éprouvette de béton non confinée ; εcc est la déformation ponctuelle limite correspondant au béton confiné en PRF ; εco est le béton non confiné. La déformation ponctuelle limite correspondant au béton non confiné. a, b et c sont les valeurs à ajuster et leurs valeurs sont indiquées à la Fig. 16.

Modèles de prédiction concrets CFRP et GFRP-confinés.

Des expériences sont menées pour déterminer l'effet des cycles de gel-dégel sur le béton confiné en PRF dans une solution de sulfate. Les conditions environnementales externes utilisent du sulfate de sodium à une concentration de 10% et des cycles de gel-dégel. Les conclusions suivantes sont tirées après observation au microscope, pH, perte de masse, analyse SEM et EDS, test de résistance à la compression axiale et analyse de la courbe contrainte-déformation.

1. Plus les cycles de gel-dégel sont nombreux, plus les dommages de surface sont importants, qui s'érodent progressivement de la surface vers l'intérieur. Les surfaces semi-confinées et non confinées en FRP sont gravement endommagées, tandis que les surfaces entièrement confinées en FRP sont à peine détectables. La technologie semi-confinée ne réduit pas l'attaque chimique de l'environnement sur le béton, mais elle peut assurer la résistance correspondante.

2. Le pH du béton non confiné augmente rapidement pendant l'érosion et augmente progressivement avec le temps. La spectroscopie EDS est utilisée sur l'échantillon pour analyser davantage les cristaux blancs observés dans le SEM. Le sulfate de sodium réagit avec l'hydroxyde de calcium pour former du sulfate de calcium, et le sulfate de calcium réagit avec le méta-aluminate de calcium pour former des cristaux d'alun. La relation prédite entre le pH et la perte de masse sous différentes techniques confinées est établie.

3. Le test mécanique confirme que la technologie confinée FRP améliore considérablement la charge ultime du béton. La technologie semi-fermée FRP peut atteindre environ 50% de l'effet de la technologie entièrement fermée. L'effet mécanique du confinement CFRP est le double de celui du confinement GFRP. Sous l'action de l'érosion couplée, la résistance du béton FRP semi-comprimé et non comprimé a d'abord augmenté puis légèrement diminué. La résistance du béton FRP entièrement retenu montre une lente augmentation. De plus, un béton érodé puis confiné conserve un haut niveau de performance lorsqu'il est à nouveau érodé. Un modèle prédictif de la relation entre la perte de masse et la perte de force est construit.

4. Les courbes contrainte-déformation du béton semi-confiné et entièrement confiné peuvent être divisées en trois étapes. Le modèle contrainte-déformation ultime pour le béton confiné en PRF est validé en se référant à la littérature publiée précédemment. Un nouveau modèle est présenté pour prédire la résistance ultime sous l'érosion couplée du gel-dégel et du sulfate. Il peut prédire la contrainte-déformation ultime du béton confiné par deux matériaux, CFRP et GFRP, dans les conditions couplées de gel-dégel dans une solution de sulfate.

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 de la 67e Fondation postdoctorale en Chine (n° 2020M670872), de la Fondation postdoctorale de la province du Heilongjiang en Chine (n° LBH-Z19105) 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.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Yongcheng ji et Yunfei Zou.

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

Yongcheng Ji, Yunfei Zou et Wei Li

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YJ et YZ ont écrit le texte principal du manuscrit et WL a analysé les données. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Wei Li.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Ji, Y., Zou, Y. & Li, W. Enquête sur l'érosion des sulfates sur le béton confiné en FRP dans une région froide. Sci Rep 12, 10839 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15075-z

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Reçu : 13 avril 2022

Accepté : 17 juin 2022

Publié: 27 juin 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-15075-z

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