Liyun Tang;Yang Du;Liujun Yang;Xin Wang;Long Jin;Miaomiao Bai
Structural Engineering and Mechanics
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v.86
no.5
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pp.663-671
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2023
Freeze-thaw cycles induce strength loss at the frozen soil-concrete interface and deterioration of bonding, which causes construction engineering problems. To clarify the deterioration characteristics of the interface under the freeze-thaw cycle, a frozen soil-concrete sample was used as the research object, an interface scanning electron microscope test under the freeze-thaw cycle was carried out to identify the micro index information, and an interface shear test was carried out to explore the loss law of interface shear strength under the freeze-thaw cycle. The results showed that the integrity of the interface was destroyed, and the pore number and pore size of the interface increased significantly with the number of freeze-thaw cycles. The connection form gradually deteriorates from surface-to-surface contact to point-to-surface contact and point-to-point contact, and the interfacial shear strength decreases the most at 0-3 freeze-thaw cycles, with small decreases from to 3-8 cycles. After 12 freeze-thaw cycles, the interfacial shear strength tends to be stable, and shear the failure occurs internally in the soil.
Histology and transmission electron microscopy studies were carried out on buffalo muscles that were subjected to repeated freeze-thaw cycles at -10 and $-18^{\circ}C$. In the first freeze thaw cycle ($-10^{\circ}C$) structures of muscle showed slight change and closely resembled to those of normal muscle. There were frequent gaps in the half way across the fibres and some cracks in individual fibre were also noticed in second freeze thaw cycle. In the muscle frozen at $-18^{\circ}C$, more pronounced shrinkage with extensive damage of fibres with tearing was observed. The interfibrillar gaps were wider, shrinkage and tearing of the fibres were more distinct after second freeze-thaw cycle. After the second cycle, the interior portion showed large scale degradation of the ultrastructure. Our studies of buffalo muscle showed that under the proper condition, little structural damage takes place in the meat histology and ultrastructure under repeated freeze-thaw conditions. This study adds continued weight to the evidence that limited freeze-thaw cycles will not deteriorate the quality of meat.
Strength of loess that experienced cyclic freeze and thaw is of great significance for evaluating stability of slopes and foundations in loess regions. This paper takes the frequently encountered loess in the Northwestern China as the study object and carried out three kinds of laboratory tests including freeze-thaw test, direct shear test and SEM test to investigate the strength behaviors of loess after cyclic freeze and thaw, and the correlation with meso-level changes in soil structure. Results show that for loess specimens at four dry densities, the cohesion decreases with freeze-thaw cycles until a residual value is reached and thus an exponential equation is proposed. Besides, little change in the angle of internal friction was observed as freeze-thaw proceeds. This may depend on the varying of soil structure, based on which a clue can be found from the surface morphology and mesoscopic scanning of loess specimens. Clearly we observed significant changes in surface morphology of loess and it tends to aggravate at higher water contents or more cycles of freeze and thaw. Moreover, freeze-thaw cycling leads to obvious changes in the meso-structure of loess including lowering the particle aggregates and increasing both the proportion of fine particles and porosity area ratio. A damage variable dependent on the ratio of porosity area is introduced based on the continuum damage mechanics and its correlation with cohesion is discussed.
In this study, the fresh properties of paraffin-mixed concrete, compressive strength, resistance to frost damage, and resistance to composite deterioration under freeze-thaw and salt environment were investigated. The compressive strength of paraffin-mixed concrete was almost the same as that of unmixed concrete, and no decrease in strength was observed, unlike the concrete with entrained air in consideration of freeze-thaw resistance. Concerning the freeze-thaw resistance of paraffin-mixed concrete, the relative dynamic modulus of elasticity (RDME) did not decrease even without entrained air. In addition, no decrease in the RDME was observed in the combined deterioration with salt damage, and it was confirmed that the mass reduction was suppressed compared to the concrete without paraffin. The freeze-thaw resistance of concrete when paraffin is mixed may be improved due to the reduction in the amount of frozen water and the mixed paraffin particles exist in the concrete as pore fillers with a size of 200 ㎛ or less, which act as substitutes for air voids. This resulted in reduction of the apparent air void spacing and thereby relieving the pore pressure.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.20
no.4
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pp.269-275
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2000
It is well recognized that damage resulting from freeze-thaw cycles is a serious problem causing deterioration and degradation of concrete. In general, freeze-thaw cycles change the microstructure of the concrete ultimately leading to internal stresses and cracking. In this study, a new method for one-sided stress wave velocity measurement has been applied to evaluate freeze-thaw damage in concrete by monitoring the velocity change of longitudinal and surface waves. The freeze-thaw damage was induced in a $400{\times}350{\times}100mm$ concrete specimen in accordance with ASTM C666 using s commercial testing apparatus. A cycle consisted of a variation of the temperature from -14 to 4 degrees Celsius. A cycle takes 4-5 hours with approximately equal times devoted to freezing-thawing. Measurement of longitudinal and surface wave velocities based on one-sided stress wave velocity measurement technique was made every 5 freeze-thaw cycle. The variation of longitudinal and surface wave velocities due to increasing freeze-thaw damage is demonstrated and compared to determine which one is more effective to monitor freeze-thaw cyclic damage progress. The variation in longitudinal wave velocity measured by one-sided technique is also compared with that measured by the conventional through transmission technique.
This paper deals with the accumulated damage in concrete structures due to the cyclic freeze-thaw as an environmental load. The cyclic ice body nucleation and growth processes in porous systems are affected by the thermo-physical and mass transport properties, and gradients of temperature and chemical potentials. Furthermore, the diffusivity of deicing chemicals shows significantly higher value under cyclic freeze-thaw conditions. Consequently, the disintegration of concrete structures is aggravated at marine environments, higher altitudes, and northern areas. However, the properties of cyclic freeze-thaw with crack growth and diffusion of chloride ion effects are hard to be identified in tests, and there has been no analytic model for the combined degradations. The main objective is to determine the driving force and evaluate the reduced strength and stiffness by freeze-thaw. For the development of computational model of those coupled deterioration, micro-pore structure characterization, pore pressure based on the thermodynamic equilibrium, time and temperature dependent super-cooling with or without deicing salts, nonlinear-fracture constitutive relation for the evaluation of internal damage, and the effect of entrained air pores (EA) has been modeled numerically. As a result, the amount of ice volume with temperature dependent surface tensions, freezing pressure and resulting deformations, and cycle and temperature dependent pore volume has been calculated and compared with available test results. The developed computational program can be combined with DuCOM, which can calculate the early aged strength, heat of hydration, micro-pore volume, shrinkage, transportation of free water in concrete. Therefore, the developed model can be applied to evaluate those various practical degradation cases as well.
The flexural behaviors of two types of beam members exposed to freeze-thaw cycles were evaluated. This study aims to examine the effect of freeze-thaw cycles on the behavior characteristics of reinforced concrete (RC) beams. For the purpose, a part of the beam specimens were damaged until yielding of tension reinforcement was reached, before they were exposed to 150 and 300 cycles of freeze-thaw. Cyclic tests, as well as monotonic tests, were conducted to evaluate the stiffness degradation characteristics when same cycle is repeated. The material tests showed that relative dynamic modulus of concrete exposed to 300 cycles of freeze-thaw moderately decreased to 86.8% of normal concrete, indicating that concrete used in this study has good durability against freeze and thaw damage. The results of monotonic tests showed reduction of flexural strength, ductility and stiffness of the beam specimens exposed to freeze-thaw cycles compared with those of the control speciments. In particular, BDF13 specimens, which had been subjected to artificial cracking damage, did not showed enough flexural strength to satisfy nominal moment required by current concrete structure design code. In the monotonic tests results, BF75 specimens exposed to freeze-thaw cycles showed 10% or more cyclic stiffness degradation. Therefore, it was thought that deformation of concrete in compression have to be considered in design process of members under cyclic load, such as seismic device.
The dynamic compressive behavior of concrete after freezing and thawing tests are investigated by using the split Hopkinson pressure bar (SHPB) technique. The stress-strain curves of concrete under dynamic loading are measured and analyzed. The setting numbers of freeze-thaw cycles are 0, 25, 50, and 75 cycles. Test results show that the dynamic strength decreases and peak strain increases with the increasing of freeze-thaw cycles. Based on the Weibull distribution model, statistical damage constitutive model for dynamic stress-strain response of concrete after freeze-thaw cycles was proposed. At last, the fragmentation test of concrete subjected to dynamic loading and freeze-thaw cycles is carried out using sieving statistics. The distributions of the fragment sizes are analyzed based on fractal theory. The fractal dimensions of concrete increase with the increasing of both freeze-thaw cycle and strain rate. The relations among the fractal dimension, strain rates and freeze-thawing cycles are developed.
Settlement of foundations in permafrost regions primarily results from three physical and mechanical processes such as thaw consolidation of permafrost layer, creep of warm frozen soils and the additional deformation of seasonal active layer induced by freeze-thaw cycling. This paper firstly establishes theoretical models for the three sources of settlement including a statistical damage model for soils which experience cyclic freeze-thaw, a large strain thaw consolidation theory incorporating a modified Richards' equation and a Drucker-Prager yield criterion, as well as a simple rheological element based creep model for frozen soils. A novel numerical method was proposed for live computation of thaw consolidation, creep and freeze-thaw cycling in corresponding domains which vary with heat budget in frozen ground. It was then numerically implemented in the FISH language on the FLAC platform and verified by freeze-thaw tests on sandy clay. Results indicate that the calculated results agree well with the measured data. Finally a model test carried out on a half embankment in laboratory was modeled.
This paper presents the experimental test results on moisture and freeze-thaw resistance of hot mix crumb rubber modified (CRM) asphalt concrete mixture. To compare the differences in mechanical properties of conventional and CRM asphalt concretes, various tests were conducted under different moisture conditions and freeze-thaw cycles. Marshall mix design was also performed to determine the optimum asphalt contents for the both asphalt concrete mixtures. Test results revealed that the moisture and freeze-thaw resistance of CRM asphalt mixture was superior to the conventional asphalt concrete. As a result, it is considered that the utilization of waste tires in asphalt pavements has the potential of minimizing the damage due to the moisture and freeze-thaw.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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