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ポリマー強化コンクリート (FRP) は、革新的で経済的な構造修復方法と見なされています。この研究では、2 つの典型的な材料 [炭素繊維強化ポリマー (CFRP) とガラス繊維強化ポリマー (GFRP)] を選択して、過酷な環境におけるコンクリートの補強効果を研究しました。硫酸塩の攻撃および関連する凍結融解サイクルに対する FRP を含むコンクリートの耐性が議論されています。共役浸食中のコンクリートの表面と内部の劣化を調べるための電子顕微鏡。硫酸ナトリウム腐食の程度とメカニズムは、pH 値、SEM 電子顕微鏡、および EMF エネルギー スペクトルによって分析されました。軸圧縮強度試験は、FRP で拘束されたコンクリート柱の補強を評価するために使用されており、腐食結合環境での FRP 保持のさまざまな方法について、応力とひずみの関係が導き出されています。エラー分析は、4 つの既存の予測モデルを使用して実験的テスト結果を調整するために実行されました。すべての観察結果は、FRP 拘束コンクリートの劣化プロセスが複雑で、共役応力下で動的であることを示しています。硫酸ナトリウムは、生の形のコンクリートの強度を最初に高めます。ただし、その後の凍結融解サイクルはコンクリートのひび割れを悪化させる可能性があり、硫酸ナトリウムはひび割れを促進することでコンクリートの強度をさらに低下させます。FRP拘束コンクリートのライフサイクルを設計および評価するために重要な応力-ひずみ関係をシミュレートするために、正確な数値モデルが提案されています。
1970 年代から研究されてきた革新的なコンクリート補強方法として、FRP は、軽量、高強度、耐食性、耐疲労性、および建設の容易さという利点があります1,2,3。コストが低下するにつれて、構造補強に最も一般的に使用される FRP であるガラス繊維 (GFRP)、炭素繊維 (CFRP)、玄武岩繊維 (BFRP)、アラミド繊維 (AFRP) などのエンジニアリング用途で一般的になりつつあります4、5。提案された FRP 保持方法は、コンクリートの性能を向上させ、早期の崩壊を回避することができます。しかし、機械工学におけるさまざまな外部環境が、FRP 限定コンクリートの耐久性に影響を与え、その強度が損なわれることがよくあります。
何人かの研究者が、さまざまな断面形状とサイズのコンクリートの応力とひずみの変化を研究してきました。ヤンら。6 は、極限応力とひずみが繊維組織の厚さの成長と正の相関があることを発見しました。Wu ら 7 は、さまざまな種類の繊維を使用して FRP 拘束コンクリートの応力-ひずみ曲線を取得し、極限ひずみと荷重を予測しました。Lin ら 8 は、丸棒、四角棒、長方形棒、楕円棒の FRP 応力-ひずみモデルも大きく異なることを発見し、幅と角の半径の比率をパラメータとして使用して、新しい設計志向の応力-ひずみモデルを開発しました。Lam ら 9 は、FRP の不均一なオーバーラップと湾曲により、FRP の破壊ひずみと応力がスラブ引張試験よりも小さくなることを観察しました。さらに、科学者は、さまざまな現実世界の設計ニーズに応じて、部分的な制約と新しい制約方法を研究してきました。王ら。[10] は、3 つの制限されたモードで、完全、部分的、および制限されていないコンクリートの軸方向圧縮試験を実行しました。「応力-ひずみ」モデルが開発され、部分的に閉じたコンクリートの制限効果の係数が与えられています。呉ら。11 は、サイズ効果を考慮した FRP 拘束コンクリートの応力-ひずみ依存性を予測する方法を開発しました。Moran et al.12 は、FRP ヘリカル ストリップを使用した拘束コンクリートの軸方向の単調圧縮特性を評価し、その応力-ひずみ曲線を導出しました。ただし、上記の研究は、主に部分的に囲まれたコンクリートと完全に閉じられたコンクリートの違いを調べています。コンクリート セクションを部分的に制限する FRP の役割は、詳細に研究されていません。
さらに、この研究では、さまざまな条件下での圧縮強度、ひずみ変化、初期弾性係数、およびひずみ硬化係数の観点から、FRP 拘束コンクリートの性能を評価しました。ティジャニ等。13,14は、最初に損傷したコンクリートのFRP修復実験で、FRP限定コンクリートの修復性が損傷の増加とともに減少することを発見しました。馬ら。[15]は、FRP拘束コンクリート柱の初期損傷の影響を研究し、引張強度に対する損傷度の影響は無視できるが、横方向および縦方向の変形に大きな影響を与えると考えました.しかし、曹ら。16 観測された応力 - ひずみ曲線と FRP 拘束コンクリートの初期損傷の影響を受けた応力 - ひずみ包絡線。コンクリートの初期破壊に関する研究に加えて、過酷な環境条件下での FRP 限定コンクリートの耐久性に関する研究もいくつか行われています。これらの科学者は、過酷な条件下での FRP 拘束コンクリートの劣化を研究し、損傷評価技術を使用して劣化モデルを作成し、耐用年数を予測しました。謝ら。17 は、熱水環境に FRP 拘束コンクリートを配置し、熱水条件が FRP の機械的特性に大きく影響し、圧縮強度が徐々に低下することを発見しました。酸塩基環境では、CFRP とコンクリートの間の界面が劣化します。浸漬時間が長くなると、CFRP 層の破壊エネルギーの放出速度が大幅に低下し、最終的に界面サンプルの破壊につながります18,19,20。さらに、一部の科学者は、FRP 限定コンクリートに対する凍結と解凍の影響も研究しています。Liu ら 21 は、相対動的弾性率、圧縮強度、および応力 - ひずみ比に基づいて、CFRP 鉄筋が凍結融解サイクル下で優れた耐久性を持っていることを指摘しました。さらに、コンクリートの力学特性の劣化に関連するモデルが提案されています。しかし、Peng ら 22 は、温度と凍結融解サイクルのデータを使用して、CFRP とコンクリート接着剤の寿命を計算しました。グアンら。23 は、コンクリートの急速凍結融解試験を実施し、凍結融解暴露下の損傷層の厚さに基づいて耐霜性を評価する方法を提案しました。ヤズダニ等。24は、コンクリートへの塩化物イオンの浸透に対するFRP層の影響を研究しました。結果は、FRP層が耐薬品性であり、外側の塩化物イオンから内側のコンクリートを絶縁することを示しています.Liu ら 25 は、硫酸塩で腐食した FRP コンクリートの剥離試験条件をシミュレートし、滑りモデルを作成し、FRP とコンクリートの界面の劣化を予測しました。王ら。26は、一軸圧縮試験により、FRP拘束硫酸塩浸食コンクリートの応力-ひずみモデルを確立しました。周ら。[27] は、塩の凍結融解サイクルの組み合わせによって引き起こされる拘束されていないコンクリートへの損傷を研究し、初めてロジスティック関数を使用して破損メカニズムを説明しました。これらの研究は、FRP 限定コンクリートの耐久性を評価する上で大きな進歩を遂げました。ただし、ほとんどの研究者は、1 つの不利な条件下で侵食性メディアをモデル化することに焦点を当てています。コンクリートは、さまざまな環境条件によって引き起こされる関連する侵食により、損傷を受けることがよくあります。これらの組み合わせた環境条件は、FRP 拘束コンクリートの性能を著しく低下させます。
硫酸化と凍結融解サイクルは、コンクリートの耐久性に影響を与える 2 つの典型的な重要なパラメーターです。FRP局在化技術は、コンクリートの特性を改善できます。工学や研究で広く使用されていますが、現在は限界があります。寒冷地における硫酸塩腐食に対する FRP 拘束コンクリートの耐性に焦点を当てた研究がいくつかあります。硫酸ナトリウムと凍結融解による完全密閉、半密閉、開放コンクリートの侵食のプロセス、特にこの記事で説明されている新しい半密閉方法については、より詳細な研究に値します。コンクリート柱の補強効果についても、FRPの保持と侵食の順序を入れ替えて検討した。結合侵食によって引き起こされるサンプルのミクロ宇宙的および巨視的な変化は、電子顕微鏡、pH テスト、SEM 電子顕微鏡、EMF エネルギー スペクトル分析、および単軸機械テストによって特徴付けられました。さらに、この研究では、一軸機械試験で発生する応力-ひずみ関係を支配する法則について説明します。実験的に検証された限界応力とひずみの値は、4 つの既存の限界応力-ひずみモデルを使用したエラー解析によって検証されました。提案されたモデルは、材料の極限ひずみと強度を完全に予測できます。これは、将来の FRP 補強の実践に役立ちます。最後に、FRP コンクリートの耐塩害性コンセプトの概念的基礎として機能します。
この研究では、凍結融解サイクルと組み合わせた硫酸塩溶液腐食を使用して、FRP 限定コンクリートの劣化を評価します。コンクリート侵食によって引き起こされる微視的および巨視的な変化は、走査型電子顕微鏡、pH 試験、EDS エネルギー分光法、および単軸機械試験を使用して実証されています。さらに、軸圧縮実験を使用して、結合侵食を受ける FRP 拘束コンクリートの機械的特性と応力-ひずみ変化を調査しました。
FRP 拘束コンクリートは、生コンクリート、FRP 外装材、エポキシ接着剤で構成されています。表 1 に示すように、CFRP と GRP の 2 つの外部絶縁材料が選択されました。材料の特性を表 1 に示します。米。コンクリート混合材の施工内容を図1に示します。図 1a では、スワン PO 42.5 ポートランド セメントが使用されました。粗骨材は、図に示すように、それぞれ直径 5 ～ 10 mm および 10 ～ 19 mm の玄武岩を砕いたものです。1bおよびc。図1gの細かいフィラーとして、2.3の細かさ係数を持つ天然の川砂を使用しました。無水硫酸ナトリウムの顆粒と一定量の水から硫酸ナトリウムの溶液を調製します。
コンクリート混合物の組成: a – セメント、b – 骨材 5 ～ 10 mm、c – 骨材 10 ～ 19 mm、d – 川の砂。
コンクリートの設計強度は 30 MPa で、生セメント コンクリートの沈下は 40 ～ 100 mm になります。コンクリートの配合は表2の通りで、粗骨材5～10mmと10～20mmの比率は3：7です。環境との相互作用の影響は、最初に 10% NaSO4 溶液を調製し、次にその溶液を凍結融解サイクル チャンバーに注ぐことによってモデル化されました。
コンクリート混合物は 0.5 m3 の強制ミキサーで調製し、コンクリートのバッチ全体を使用して必要なサンプルを敷設しました。まず、表 2 に従ってコンクリートの材料を準備し、セメント、砂、粗骨材を 3 分間予備混合します。次に、水を均等に分配し、5分間かき混ぜます。次に、コンクリート サンプルを円筒形の型に流し込み、振動テーブル (型の直径 10 cm、高さ 20 cm) で圧縮しました。
28 日間硬化させた後、サンプルを FRP 材料で包みました。この研究では、鉄筋コンクリート柱の 3 つの方法について説明します。これには、完全密閉、半拘束、非制限が含まれます。限定素材にはCFRPとGFRPの2種類を採用。FRP 完全に密閉された FRP コンクリート シェル、高さ 20 cm、長さ 39 cm。FRP で固められたコンクリートの上部と下部は、エポキシでシールされていませんでした。最近提案された気密技術としての半気密試験プロセスは、次のように説明されます。
(2) 定規を使用して、コンクリートの円筒面に線を引き、FRP ストリップの位置を決定します。ストリップ間の距離は 2.5 cm です。次に、FRP が不要なコンクリート部​​分にテープを巻き付けます。
(3) コンクリート表面をサンドペーパーで滑らかに磨き、アルコールウールで拭き、エポキシでコーティングします。次に、ガラス繊維ストリップを手動でコンクリート表面に貼り付け、ギャップを押し出して、ガラス繊維がコンクリート表面に完全に付着し、気泡を回避します。最後に、FRP ストリップを定規で付けたマークに従って、コンクリート面に上から下に接着します。
(4) 30 分後、コンクリートが FRP から分離しているかどうかを確認します。FRPがずれたり、はみ出したりしている場合は、すぐに修正する必要があります。成形された試験片は、硬化強度を確保するために 7 日間硬化する必要があります。
(5) 養生後、カッターナイフでコンクリート面のテープを剥がし、最終的に半密閉のFRPコンクリート柱を得る。
さまざまな制約下での結果を図 1 に示します。2. 図 2a は完全に密閉された CFRP コンクリートを示し、図 2b は半一般化された CFRP コンクリートを示し、図 2c は完全に密閉された GFRP コンクリートを示し、図 2d は半拘束された CFRP コンクリートを示します。
同封のスタイル: (a) 完全に同封された CFRP。(b) セミクローズドカーボンファイバー;(c) ガラス繊維で完全に囲まれている。(d) 半密閉グラスファイバー。
シリンダーの浸食制御性能に対する FRP の制約と浸食シーケンスの影響を調査するために設計された 4 つの主要なパラメーターがあります。表 3 にコンクリート柱のサンプル数を示します。各カテゴリのサンプルは、データの一貫性を保つために 3 つの同一のステータス サンプルで構成されています。この記事のすべての実験結果について、3 つのサンプルの平均値を分析しました。
(1) 気密材料は、炭素繊維またはガラス繊維に分類されます。コンクリートの補強に対する 2 種類の繊維の効果を比較しました。
(2) コンクリート柱の封じ込め方法は、完全限定、半限定、無制限の 3 種類に分けられます。半密閉型コンクリート柱の耐侵食性を他の 2 種類と比較しました。
(3) 侵食条件は、凍結融解サイクルと硫酸塩溶液であり、凍結融解サイクルの回数はそれぞれ 0 回、50 回、100 回です。FRP 拘束コンクリート柱に対する連成浸食の影響が研究されています。
(4) 試験片を 3 つのグループに分ける。最初のグループは FRP ラッピング後に腐食、2 番目のグループは最初に腐食してからラッピング、3 番目のグループは最初に腐食してからラッピングしてから腐食です。
実験手順は、万能試験機、引張試験機、凍結融解サイクルユニット（CDR-Z型）、電子顕微鏡、pHメーター、ひずみゲージ、変位計、SEM電子顕微鏡、この研究では EDS エネルギー スペクトル アナライザーを使用します。サンプルは、高さ 10 cm、直径 20 cm のコンクリート柱です。コンクリートは、図 3a に示すように、注入および圧縮後 28 日以内に硬化しました。すべてのサンプルは鋳造後に脱型し、18～22°C、相対湿度 95% で 28 日間保管し、次にいくつかのサンプルをグラスファイバーで包みました。
試験方法: (a) 一定の温度と湿度を維持するための装置。(b) 凍結融解サイクル機;(c) 万能試験機。(d) pHテスター;(e) 顕微鏡観察。
凍結融解実験では、図 3b に示すように瞬間凍結法を使用します。GB/T 50082-2009「従来のコンクリートの耐久性基準」に従って、コンクリート サンプルを 15 ～ 20 °C の 10% 硫酸ナトリウム溶液に 4 日間完全に浸漬した後、凍結および解凍しました。その後、硫酸塩の攻撃が始まり、凍結融解サイクルと同時に終了します。凍結融解のサイクル タイムは 2 ～ 4 時間で、解凍時間はサイクル タイムの 1/4 未満であってはなりません。サンプルのコア温度は、(-18±2) ～ (5±2) °C の範囲内に維持する必要があります。冷凍から解凍への移行には 10 分もかかりません。図3dに示すように、各カテゴリの3つの円筒形の同一サンプルを使用して、25回の凍結融解サイクルにわたる溶液の重量損失とpH変化を調べました。25回の凍結融解サイクルごとに、サンプルを取り出し、表面をきれいにしてから、新鮮な重量（Wd）を測定しました。すべての実験は 3 通のサンプルで実施され、平均値を使用してテスト結果を議論しました。サンプルの質量と強度の損失の式は、次のように決定されます。
式中、ΔWd は凍結融解サイクル 25 回ごとのサンプルの重量減少 (%)、W0 は凍結融解サイクル前のコンクリート サンプルの平均重量 (kg)、Wd はコンクリートの平均重量です。25 回の凍結融解サイクル後のサンプルの重量 (kg)。
サンプルの強度劣化係数は Kd で表され、計算式は次のとおりです。
式中、ΔKd は凍結融解サイクル 50 回ごとのサンプルの強度損失率 (%)、f0 は凍結融解サイクル前のコンクリート サンプルの平均強度 (MPa)、fd は凍結融解サイクルの平均強度です。 50 凍結融解サイクル (MPa) のコンクリート サンプル。
図上。3cは、コンクリート試験片の圧縮試験機を示しています。「コンクリートの物理的および機械的特性の試験方法に関する標準」（GBT50081-2019）に従って、コンクリート柱の圧縮強度を試験する方法が定義されています。圧縮試験の荷重速度は 0.5 MPa/s で、試験全体を通して連続および逐次荷重が使用されます。各試験片の荷重と変位の関係は、機械的試験中に記録されました。試験片のコンクリートと FRP 層の外面にひずみゲージを取り付け、軸方向と水平方向のひずみを測定しました。ひずみセルは、機械的試験で使用され、圧縮試験中の試験片のひずみの変化を記録します。
凍結融解サイクル 25 回ごとに、凍結融解溶液のサンプルを取り出し、容器に入れました。図上。図３ｄは、容器内のサンプル溶液のｐＨ試験を示す。凍結融解条件下でのサンプルの表面と断面の顕微鏡検査を図3dに示します。硫酸塩溶液中で50回および100回の凍結融解サイクル後の様々なサンプルの表面の状態を顕微鏡で観察しました。顕微鏡は 400 倍の倍率を使用します。サンプルの表面を観察すると、主にFRP層とコンクリートの外層の浸食が観察されます。サンプルの断面の観察は、基本的に外層から 5、10、および 15 mm の距離での浸食条件を選択します。硫酸塩生成物と凍結融解サイクルの形成には、さらなるテストが必要です。したがって、選択されたサンプルの変更された表面は、エネルギー分散型分光計 (EDS) を備えた走査型電子顕微鏡 (SEM) を使用して検査されました。
電子顕微鏡でサンプル表面を目視検査し、400 倍の倍率を選択します。凍結融解サイクルおよび硫酸塩への暴露下での半閉鎖およびジョイントレス GRP コンクリートの表面損傷の程度は非常に高く、完全に閉鎖されたコンクリートでは無視できます。最初のカテゴリは、図 4a に示すように、硫酸ナトリウムと 0 ～ 100 回の凍結融解サイクルによる自由流動コンクリートの侵食の発生を指します。霜にさらされていないコンクリートサンプルは、目に見える特徴のない滑らかな表面を持っています。50回の侵食後、表面のパルプブロックが部分的に剥がれ、パルプの白い殻が露出しました。100回の侵食後、コンクリート表面の目視検査中に溶液の殻が完全に剥がれ落ちました。顕微鏡観察では、0 凍結融解侵食コンクリートの表面は滑らかで、表面の骨材とモルタルは同一平面上にあることがわかりました。50回の凍結融解サイクルによって侵食されたコンクリート表面に、でこぼこしたざらざらした表面が観察されました。これは、モルタルの一部が破壊され、少量の白い粒状の結晶が表面に付着しているという事実によって説明できます。これは、主に骨材、モルタル、および白い結晶で構​​成されています。100回の凍結融解サイクルの後、コンクリートの表面に白い結晶の広い領域が現れ、暗い粗い骨材が外部環境にさらされました.現在、コンクリートの表面は骨材や白い結晶がほとんど露出しています。
侵食性凍結融解コンクリート柱の形態: (a) 制限のないコンクリート柱。(b) 半密閉型炭素繊維強化コンクリート。(c) GRP 半密閉コンクリート。(d) 完全に密閉された CFRP コンクリート。(e) GRP コンクリート半閉鎖コンクリート。
2 番目のカテゴリは、図 4b、c に示すように、凍結融解サイクルおよび硫酸塩への曝露下での半密閉 CFRP および GRP コンクリート柱の腐食です。目視検査 (倍率 1 倍) により、繊維層の表面に白い粉末が徐々に形成され、凍結融解サイクルの回数が増えるとすぐに剥がれ落ちることが示されました。半密閉 FRP コンクリートの無制限の表面浸食は、凍結融解サイクルの回数が増えるにつれて、より顕著になりました。「膨満」（コンクリート柱の溶液の開放面が崩壊寸前）という目に見える現象。ただし、剥離現象は、隣接する炭素繊維コーティングによって部分的に妨げられます)。顕微鏡下では、400 倍の倍率で合成炭素繊維が黒い背景に白い糸として見えます。繊維の形状が丸く、光にムラがあるため白く見えますが、炭素繊維の束自体は黒くなっています。グラスファイバーは最初は白い糸状ですが、接着剤と接触すると透明になり、グラスファイバー内のコンクリートの状態がはっきりと見えます。グラスファイバーは明るい白で、バインダーは黄色がかっています。どちらも色が非常に薄いため、接着剤の色がグラスファイバーのストランドを隠し、全体的に黄色がかった色合いになります.カーボンファイバーとグラスファイバーは、外部のエポキシ樹脂によって損傷から保護されています。凍結融解攻撃の回数が増えるにつれて、ボイドが増え、表面にいくつかの白い結晶が見えるようになりました。硫酸塩凍結サイクルが進むにつれて、結合剤は徐々に薄くなり、黄色がかった色が消え、繊維が見えるようになります。
3 番目のカテゴリは、図 4d、e に示すように、凍結融解サイクルおよび硫酸塩への曝露下での完全に密閉された CFRP および GRP コンクリートの腐食です。ここでも、観測された結果は、コンクリート柱の 2 番目のタイプの拘束されたセクションの結果と同様です。
上記の 3 つの封じ込め方法を適用した後に観察される現象を比較します。完全に断熱された FRP コンクリートの繊維組織は、凍結融解サイクルの回数が増えても安定したままです。一方、接着リング層は表面が薄くなっています。エポキシ樹脂は、主に開環硫酸中の活性水素イオンと反応し、硫酸塩とはほとんど反応しません28。このように、エロージョンは主に凍結融解サイクルの結果として接着剤層の特性を変化させ、それによって FRP の補強効果を変化させると考えられます。FRP半密閉コンクリートのコンクリート表面は、自由コンクリート表面と同様の浸食現象を起こします。その FRP 層は、全閉コンクリートの FRP 層に相当し、損傷は明らかではありません。しかし、セミシールされた GRP コンクリートでは、繊維ストリップが露出したコンクリートと交差する場所に広範な浸食亀裂が発生します。露出したコンクリート表面の侵食は、凍結融解サイクルの回数が増えるにつれて、より深刻になります。
完全に囲まれた、半密閉された、および制限されていない FRP コンクリートの内部は、凍結融解サイクルおよび硫酸塩溶液への曝露にさらされると、大きな違いを示しました。サンプルを横方向に切断し、断面を電子顕微鏡を使用して 400 倍の倍率で観察しました。図上。図５は、コンクリートとモルタルの境界からそれぞれ５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍの距離での顕微鏡画像を示す。硫酸ナトリウム溶液を凍結融解と組み合わせると、コンクリートの損傷が表面から内部に徐々に分解されることが観察されています。CFRP と GFRP 拘束コンクリートの内部浸食条件は同じであるため、このセクションでは 2 つの封じ込め材料を比較しません。
柱のコンクリート セクションの内部の顕微鏡観察: (a) ガラス繊維によって完全に制限されています。(b) グラスファイバーで半密閉。(c) 無制限。
FRP全閉コンクリートの内部浸食を図1に示します。5a.5mmにクラックが見られ、表面は比較的滑らかで、結晶化はありません。表面は滑らかで、結晶はなく、厚さは 10 ～ 15 mm です。FRP半密閉コンクリートの内部侵食を図1に示します。5 B. 5mm と 10mm でクラックと白い結晶が見られ、15mm で表面が滑らかです。図 5c は、5、10、および 15 mm の亀裂が見つかったコンクリート FRP 柱の断面を示しています。ひび割れがコンクリートの外側から内側に移動するにつれて、ひび割れのいくつかの白い結晶が次第に少なくなりました。無限のコンクリート柱が最も浸食を示し、半拘束された FRP コンクリート柱がそれに続きました。硫酸ナトリウムは、100 回の凍結融解サイクルにわたって、完全に密閉された FRP コンクリート サンプルの内部にほとんど影響を与えませんでした。これは、完全に拘束された FRP コンクリートの侵食の主な原因が、一定期間にわたる凍結融解による侵食であることを示しています。断面を観察したところ、凍結融解直前の断面は滑らかで凝集物が無かった。コンクリートが凍ったり解けたりするとひび割れが見えますが、骨材も同様で、白い粒状の結晶がひび割れで密に覆われています。研究 27 では、コンクリートを硫酸ナトリウム溶液に入れると、硫酸ナトリウムがコンクリートに浸透し、その一部は硫酸ナトリウムの結晶として沈殿し、一部はセメントと反応す​​ることが示されています。硫酸ナトリウムの結晶と反応生成物は、白い粒のように見えます。
FRP は共役侵食によるコンクリートのひび割れを完全に抑えますが、断面は結晶化せずに滑らかです。一方、FRP の半閉鎖型および非拘束型のコンクリート セクションでは、共役浸食下で内部クラックと結晶化が発生しています。画像の説明と以前の研究29によると、非拘束および半拘束 FRP コンクリートのジョイント浸食プロセスは 2 つの段階に分けられます。コンクリートのひび割れの最初の段階は、凍結融解中の膨張と収縮に関連しています。硫酸塩がコンクリートに浸透して目に見えるようになると、対応する硫酸塩が、凍結融解および水和反応による収縮によって生じた亀裂を埋めます。したがって、硫酸塩は初期段階でコンクリートに特別な保護効果をもたらし、コンクリートの機械的特性をある程度改善することができます。硫酸塩の攻撃の第 2 段階が続き、亀裂や空隙に浸透し、セメントと反応してミョウバンを形成します。その結果、ひび割れが大きくなり、破損の原因となります。この間、凍結と解凍に伴う膨張と収縮の反応により、コンクリートの内部損傷が悪化し、支持力が低下します。
図上。図６は、０、２５、５０、７５、および１００回の凍結融解サイクル後に監視された３つの限定された方法についてのコンクリート含浸溶液のｐＨ変化を示す。無制限および半閉鎖 FRP コンクリート モルタルは、0 から 25 の凍結融解サイクルで最も速い pH 上昇を示しました。それらのpH値は、それぞれ7.5から11.5および11.4に増加しました。凍結融解サイクルの回数が増えるにつれて、25 ～ 100 回の凍結融解サイクルの後、pH の上昇は徐々に遅くなりました。それらのpH値は、それぞれ11.5および11.4から12.4および11.84に増加しました。FRP層を完全接着FRPコンクリートで覆うため、硫酸ナトリウム溶液が浸透しにくい。同時に、セメント組成物が外部溶液に浸透することは困難です。したがって、pH は 0 ～ 100 の凍結融解サイクルで 7.5 から 8.0 に徐々に増加しました。ｐＨ変化の理由は次のように分析される。コンクリート中のケイ酸塩は水中の水素イオンと結合してケイ酸を形成し、残りの OH- は飽和溶液の pH を上昇させます。pH の変化は、0 ～ 25 回の凍結融解サイクルの間でより顕著であり、25 ～ 100 回の凍結融解サイクルの間ではそれほど顕著ではありませんでした30。しかし、ここでは、25 ～ 100 回の凍結融解サイクルの後も pH が上昇し続けることがわかりました。これは、硫酸ナトリウムがコンクリートの内部と化学的に反応し、溶液の pH を変化させるという事実によって説明できます。化学組成の分析は、コンクリートが硫酸ナトリウムと次のように反応することを示しています。
式（３）、（４）は、セメント中の硫酸ナトリウムと水酸化カルシウムが石膏（硫酸カルシウム）を形成し、さらに硫酸カルシウムがセメント中のメタアルミン酸カルシウムと反応してミョウバン結晶を形成することを示している。反応 (4) は塩基性 OH- の形成を伴い、pH の上昇につながります。また、この反応は可逆反応であるため、ある時点でpHが上昇し、ゆっくりと変化します。
図上。図７ａは、硫酸塩溶液中での凍結融解サイクル中の完全密閉、半密閉、および連結ＧＲＰコンクリートの重量損失を示す。質量損失の最も明らかな変化は、制限されていないコンクリートです。制限されていないコンクリートは、50 回の凍結融解攻撃で質量の約 3.2% を失い、100 回の凍結融解攻撃で約 3.85% を失いました。結果は、フリー フロー コンクリートの品質に対する共役侵食の影響が、凍結融解サイクルの回数が増えるにつれて減少することを示しています。しかし、サンプルの表面を観察すると、100 回の凍結融解サイクル後のモルタルの損失は、50 回の凍結融解サイクル後よりも大きいことがわかりました。前のセクションの研究と組み合わせると、コンクリートへの硫酸塩の浸透が質量損失の減速につながるという仮説を立てることができます。一方、化学式 (3) および (4) で予測されるように、内部で生成されたミョウバンと石膏も減量が遅くなります。
重量変化：（a）重量変化と凍結融解サイクル数の関係。(b) 質量変化と pH 値の関係。
FRP 半密閉コンクリートの重量損失の変化は、最初に減少し、次に増加します。50 回の凍結融解サイクルの後、半密閉グラスファイバー コンクリートの質量損失は約 1.3% です。100 サイクル後の体重減少は 0.8% でした。したがって、硫酸ナトリウムは自由流動コンクリートに浸透すると結論付けることができます。さらに、試験片の表面を観察すると、繊維ストリップは開放領域でのモルタル剥離に耐え、それによって減量が減少することも示された。
完全に密閉された FRP コンクリートの質量損失の変化は、最初の 2 つとは異なります。質量は失われませんが、追加されます。50 回の凍結融解侵食の後、質量は約 0.08% 増加しました。100回後、その質量は約0.428%増加しました。コンクリートを完全に流し込むため、コンクリート表面のモルタルが剥がれず、品質の低下が起こりにくい。一方、高含有量の表面から低含有量のコンクリートの内部への水と硫酸塩の浸透も、コンクリートの品質を向上させます。
侵食条件下での FRP 制限コンクリートの pH と質量損失の関係については、これまでにいくつかの研究が行われてきました。ほとんどの研究では、主に質量損失、弾性率、および強度損失の関係が議論されています。図上。図７ｂは、３つの制約下でのコンクリートｐＨと質量損失との間の関係を示している。予測モデルは、異なる pH 値で 3 つの保持方法を使用してコンクリートの質量損失を予測するために提案されています。図 7b に見られるように、ピアソン係数は高く、pH と質量損失の間に実際に相関関係があることを示しています。非拘束コンクリート、半拘束コンクリート、および完全拘束コンクリートの r 二乗値は、それぞれ 0.86、0.75、および 0.96 でした。これは、完全に断熱されたコンクリートの pH 変化と重量損失が、硫酸塩と凍結融解の両方の条件下で比較的直線的であることを示しています。自由コンクリートおよび半密閉型 FRP コンクリートでは、セメントが水溶液と反応するにつれて pH が徐々に上昇します。その結果、コンクリートの表面が徐々に破壊され、無重力につながります。一方、完全密閉コンクリートの pH はほとんど変化しません。これは、FRP 層がセメントと水溶液の化学反応を遅くするためです。したがって、完全に密閉されたコンクリートの場合、目に見える表面侵食はありませんが、硫酸塩溶液の吸収による飽和により重量が増加します。
図上。図８は、硫酸ナトリウム凍結融解でエッチングされたサンプルのＳＥＭスキャンの結果を示す。コンクリート柱の外層から採取したブロックから採取したサンプルを電子顕微鏡で調べました。図 8a は、浸食前の密閉されていないコンクリートの走査型電子顕微鏡画像です。サンプルの表面には多くの穴があり、凍結融解前のコンクリート柱自体の強度に影響を与えることに注意してください。図上。図８ｂは、１００回の凍結融解サイクル後の完全に断熱されたＦＲＰコンクリートサンプルの電子顕微鏡画像を示す。凍結および融解によるサンプルの亀裂が検出される場合があります。ただし、表面は比較的滑らかで、結晶はありません。したがって、未充填の亀裂がより目立ちます。図上。図８ｃは、１００回の霜侵食サイクル後の半密閉ＧＲＰコンクリートのサンプルを示す。クラックが拡大し、クラック間に結晶粒が形成されていることが明らかです。これらの粒子の一部は、亀裂に付着します。制限されていないコンクリート柱のサンプルの SEM スキャンを図 8d に示します。これは、半制限と一致する現象です。粒子の組成をさらに解明するために、亀裂内の粒子をさらに拡大し、EDS 分光法を使用して分析しました。粒子には基本的に 3 つの異なる形状があります。エネルギースペクトル分析によると、図9aに示すように、最初のタイプは通常のブロック結晶であり、主にO、S、Caおよびその他の元素で構成されています。前述の式（3）と（4）を組み合わせることで、材料の主成分が石膏（硫酸カルシウム）であることがわかります。2 つ目は図 9b に示されています。エネルギースペクトル分析によると、それは針状の無指向性物体であり、その主成分はO、Al、S、およびCaです。組み合わせレシピは、材料が主にミョウバンで構成されていることを示しています。図 9c に示す 3 番目のブロックは、エネルギー スペクトル分析によって決定された不規則なブロックであり、主に成分 O、Na、および S で構成されています。これらは主に硫酸ナトリウムの結晶であることがわかりました。走査型電子顕微鏡は、図 9c に示すように、少量の石膏とミョウバンとともに、ほとんどの空隙が硫酸ナトリウムの結晶で満たされていることを示しました。
腐食前後のサンプルの電子顕微鏡画像：（a）腐食前のオープンコンクリート。(b) 腐食後、グラスファイバーは完全に密閉されます。(c) GRP 半密閉コンクリートの腐食後。(d) オープン コンクリートの腐食後。
分析により、次の結論を導き出すことができます。3 つのサンプルの電子顕微鏡画像はすべて 1kx であり、クラックと侵食生成物が画像に見られ、観察されました。無制限のコンクリートには、最も広い亀裂があり、多くの粒子が含まれています。FRP セミプレッシャー コンクリートは、ひび割れ幅と粒子数の点で無プレッシャー コンクリートに劣ります。完全に密閉された FRP コンクリートは、亀裂幅が最も小さく、凍結融解侵食後の粒子もありません。これらすべては、完全に密閉された FRP コンクリートが、凍結および融解による浸食の影響を最も受けにくいことを示しています。半閉鎖型および開放型の FRP コンクリート柱内部の化学プロセスにより、ミョウバンと石膏が形成され、硫酸塩の浸透が気孔率に影響を与えます。凍結融解サイクルがコンクリートのひび割れの主な原因ですが、硫酸塩とその生成物が最初にひび割れや気孔の一部を埋めます。しかし、侵食の量と時間が増加するにつれて、クラックは拡大し続け、形成されるミョウバンの量が増加し、押出クラックが発生します。最終的に、凍結融解と硫酸塩への露出は、カラムの強度を低下させます。