定向钢纤维增强水泥基复合材料的制备及其弯曲性能研究

摘要

本协议描述了一种采用均匀电磁场制造对齐钢纤维增强水泥基复合材料的方法。对钢纤维增强水泥基复合材料具有优异的力学性能。

摘要

这项工作的目的是提出一种方法, 灵感的方式, 罗盘针保持一致的方向, 在地球的磁场的作用下, 制造的水泥基复合材料加强了对齐钢纤维。将均匀的电磁场应用于含短钢纤维的新鲜砂浆中, 通过将短钢纤维与磁场相对准, 使钢纤维增强水泥基复合材料 (ASFRC) 制备。通过对断裂剖面中钢纤维的计数和 X 射线计算机断层分析, 对钢纤维在硬化 ASFRC 中的对准程度进行了评价。这两种方法的结果表明, ASFRC 中的钢纤维高度排列, 而非磁处理复合材料中的钢纤维是随机分布的。所对的钢纤维具有更高的增强效率, 因此复合材料的抗弯强度和韧性明显增强。因此, ASFRC 比钢纤维混凝土更优越, 它能承受较大的拉应力, 更有效地抵御开裂。

引言

钢纤维掺入混凝土是克服脆性的固有弱点, 提高混凝土抗拉强度的有效途径¹。在过去的几十年中, 钢纤维混凝土已被广泛的研究和广泛应用于该领域。钢纤维混凝土在抗裂性、抗拉强度、断裂韧性、断裂能等方面优于混凝土²在钢纤维混凝土中, 钢纤维随机分散, 从而均匀分散纤维在各个方向的增强效率。然而, 在一定的荷载条件下, 混凝土中只有部分钢纤维对结构构件的性能有贡献, 因为纤维的增强效率要求它们与主拉应力在结构。例如, 当钢纤维混凝土中含有随机分布的钢纤维来制备梁时, 某些钢纤维, 特别是与主拉应力方向平行的钢筋, 将对提高效率, 而垂直于主拉应力方向的那些将不会对提高效率作出贡献。因此, 寻找一种将钢纤维与混凝土主要拉应力方向相对准的方法, 是实现钢纤维最高加固效率的必要条件。

定位效率因子, 定义为沿拉伸应力方向的投影长度与纤维实际长度的比值, 通常用来表示钢筋纤维^3、4 的增强效率..根据这一定义, 与拉伸应力方向一致的纤维取向效率系数为 1.0;与拉伸应力垂直的纤维是0。倾斜纤维在0和1.0 之间有一个取向效率因素。分析结果表明, 混凝土中随机分布钢纤维的取向效率系数为 0.405⁴, 而普通钢纤维混凝土的试验范围为0.167 到 0.500^5,6.显然, 如果混凝土中的短钢纤维对齐, 并且与拉伸应力方向相同, 则钢纤维将具有最高的加固效率, 试样的拉伸性能最佳。

自二十世纪八十年代以来, 一些成功的尝试准备对齐钢纤维钢筋混凝土。在 1984年, 沈⁷在铸钢纤维增强水泥基复合材料 (纤维混凝土) 梁的底层应用了一个电磁场, x 射线检测分析表明, 钢纤维的排列良好。在 1995年, 拜耳⁸和 Arman⁹获得专利的方法, 以制备对齐钢纤维钢筋混凝土使用磁场。山本等。¹⁰考虑了钢纤维在混凝土中的取向主要受铸造方法的影响, 并试图通过保持新混凝土从恒定方向向模板流动的方式获得对齐钢纤维混凝土。徐¹¹试图将钢纤维从一个恒定的方向喷出, 使其在喷射混凝土中保持一致。圣乔瓦尼罗和维纳¹²试图用离心铸造的方式使长钢纤维的混凝土极。试验研究表明, 钢纤维混凝土与随机分布的钢纤维混凝土相比具有明显的优越性。

最近, 米歇尔斯等。¹³和亩等。¹⁴已成功开发了一组采用电磁场的排列钢纤维增强水泥基复合材料 (ASFRCs)。在这些研究中, 各种螺线管被用来提供一个统一的磁场, 使钢纤维在不同尺寸的砂浆试样中进行对准。螺线管有一个空心长方体室, 可以容纳预定大小的样品。当电磁线圈连接到直流 (DC), 一个统一的磁场是在腔内创建一个固定的方向, 这与螺线管的轴对齐。根据电磁¹⁵原理, 磁场可以驱动铁磁纤维在新鲜砂浆中旋转和对准。砂浆的适当的可加工性对于允许钢纤维在新鲜砂浆中旋转是至关重要的。高粘度可能会导致砂浆中钢纤维的对准困难, 而低粘度可能导致纤维的离析。

本文介绍了 ASFRC 试样的制备细节, 并对 ASFRC 和钢纤维混凝土的弯曲性能进行了试验研究。预计 ASFRC 比钢纤维混凝土具有更高的抗弯强度和韧性。因此, ASFRC 有可能比钢纤维混凝土在抗拉应力和抗裂性能方面具有优越性, 如用作覆盖混凝土、路面等.

利用弯曲试验后的断裂试样, 通过观测裂隙剖面, 利用 X 射线扫描计算机层析分析^16、17 , 研究了试样中钢纤维的取向。^,18. 报告了 ASFRCs 的力学性能, 包括其弯曲强度和韧性, 并与非电磁处理的 SFRCs 进行了比较。

研究方案

1. 电磁磁场设置

注: 磁场是由一个空心腔的螺线管产生的。该装置是一个聚对苯二甲酸 (PBT) 板螺线管骨架盘绕4-6 层搪瓷绝缘铜线和包装的塑料绝缘层保护 (图 1)。将线圈连接到直流后, 线圈中的电流在螺线管腔内产生一个均匀的电磁场, 具有固定方向和恒定的磁感应强度。使用磁场将钢纤维与新鲜砂浆对齐, 并准备 ASFRC 试样。在这项研究中, 我们准备了150×150×550毫米棱镜标本, 使用的电磁阀室大小的250×250×750毫米。

1. 将磁感应强度与电磁线圈的电流相关。
   1. 将螺线管连接到 DC, 并将电流从0到 10 a 与步骤长度 1 a 测量并记录电磁室中的磁感应强度, 使用特斯拉计。
   2. 绘制磁感应强度-电流曲线 (图 2), 将在以后的步骤中使用, 以确定螺线管的必要电流。
      注: 在将螺线管连接到电源和所有其他与电力有关的操作程序时, 小心地遵循电气安全程序。

2. 新鲜砂浆的实用性

1. 准备三砂浆与钢纤维体积分数分别0.8%、1.2% 和2.0% 混合 (表 1)。三混合有相同的基质组成与水水泥砂比为 0.42:1: 2。根据混合比, 重0.5 公斤水泥, 1.0 公斤沙子和0.21 公斤水为可加工性测试。
2. 先把水加入砂浆搅拌机。然后加入水泥。三十年代混合水和水泥。然后再混合三十年代, 在这个三十年代的混合, 逐渐增加了沙子的搅拌机。然后再混合六十年代。
3. 根据中国建筑砂浆性能试验方法标准 (JGJ/T70-2009)¹⁹, 用下沉深度计测试混合料的下沉深度。
4. 重复步骤2.2 和 2.3, 调整减水剂的用量, 直到下沉深度降到50-100 毫米范围。记录生产所需的可行性的减水剂的用量, 并在表 1中补充它作为混合比例的一部分。还可以在可加工性达到后, 测试新鲜砂浆的特定密度。在上述试验中, 聚羧酸系高效减水剂的最佳用量为 0.10% (与水泥质量比), 新鲜砂浆的比重为2186公斤/米³。
5. 使用共轴旋转砂浆流变仪测试新鲜砂浆的粘度 (图 3)。流变仪有一个水浴, 可以保持样品容器的温度在20摄氏度。
   1. 将300毫升的新鲜砂浆混合在前5分钟内, 放入样品容器中。
   2. 开始粘度测试。探头逐渐滴入容器中的新鲜砂浆, 容器开始旋转。当新的砂浆在旋转容器内移动时, 它会在探针上应用剪切力。在该过程中, 流变仪记录了剪切应力和剪切速率, 并将剪切应力曲线绘制为剪切速率。曲线的斜率是灰浆的粘度^20,21。在本研究中, 新鲜砂浆的粘度为0.82 失礼

3. 标本准备

1. 确定磁场的磁感应强度和电磁线圈的电流。
   1. 利用阶梯2.5.2 中确定的水泥砂浆粘度, 计算用方程对钢纤维在水泥砂浆中的磁场感应强度 (1):¹³
      (1)
      凡B是磁感应强度, η是粘度的新鲜砂浆, l_f 是钢纤维的长度, m是单个钢纤维的质量, r_f 是钢纤维的半径, μ是钢纤维的渗透性, μ₀是真空的透气性, Δt为时间间隔, α(t + Δt) 是下一次间隔时的角加速度。根据试验所用钢纤维的粘度和参数, 所需的磁感应强度为 9.83 mT。
   2. 根据图 2或方程 (2) 确定所需电磁线圈的电流, 以产生足够的磁感应强度:¹⁴
      (2)
      在我所要求的电流中, N是电磁线圈的数目, 而L是螺线管的长度。
      使用等式 (2), 所需的电流是 8.3 a, 而从图 2它是大约 8.5 a。
2. 准备 ASFRC 标本
   1. 使用15升砂浆搅拌机混合新鲜砂浆。对于每批, 根据表 1中列出的混合比例混合7.5 升砂浆。表1表示 ASFRC 混合物为 V_f, 其中 a 表示钢纤维对齐, V_f表示钢纤维的体积分数。因此, 钢纤维混凝土的混合物被表示, 作为比较, r-V_f, 其中 r 表明, 钢材是随机分布。钢纤维混凝土混合物没有列在表 1 , 但有相同的比例 ASFRC。
   2. 根据常规程序, 对原材料进行称量, 混合钢纤维增强水泥砂浆。
   3. 将新鲜的砂浆倒入塑料模中, 150×150×550的尺寸清晰. 混合后迅速浇铸试样, 避免失去可加工性。从水泥和水的接触中铸造一 ASFRC 棱镜需要大约25分钟。
   4. 将模具移动到压实表上, 然后在压缩工作台上打开三十年代. 根据需要添加更多砂浆, 以确保模具完全填充。
   5. 把模具放进螺线管的腔内。
   6. 开关在五十年代的电磁线圈和压实表。
      注: 对于普通混凝土, 合理的压实时间约为60-120 秒。在此测试中, 尝试控制此范围内的总压缩时间。较长的压实时间可改善钢纤维的对准;然而, 它可能导致过度压实和因此离析 (如果有的话, 钢纤维和粗骨料的下沉)。压缩时间越小, 钢纤维和疏松混凝土的线形就越差。
   7. 关掉压实表。
   8. 在压实表完全停止后, 关掉电磁线圈。
   9. 轻轻地从螺线管中取出模具, 用铲子将砂浆的顶面光滑。避免干扰顶部表面附近的钢纤维。
3. 对于每个混合, 准备三电磁处理标本 (以下步骤 3.2. 2-3. 2.9) 和三非电磁处理标本 (以下步骤 3.2. 2-3 和 3.2.9)。在非电磁处理标本的制备中, 总压实时间为八十年代--与制备电磁处理试样时相同。
4. 将标本留在室内, 并在其模具中24小时。然后脱模和治疗雾室中的标本, 直到它们被用于机械测试。

4. 三点弯曲试验

1. 28天后, 取出固化室中的标本, 并标记装货位置 (A)、支撑 (B)、中跨偏转 (C) 和 LVDT 固定点 (图 4)。
2. 将试样放在 MTS 测试机的三点弯曲试验台 (图 4) 上, 并用试样的每一侧表面的 LVDT 保持架固定 LVDT 到中跨 (图 4)。
3. 将 LVDT 连接到数据记录。然后设置测试机控制 PC 上的数据采集频率。
4. 通过提高底部支撑来逐步提高试样的承载力, 使试验机上部加载单元非常接近, 但不接触试样的顶端表面。
5. 零初始负载、中跨偏转 (LVDT) 和位移 (加载单元) 值。
6. 开始测试并将三点弯曲载荷应用于具有位移控制的试样, 其速度为0.2 毫米/分钟. 记录试样的荷载和中跨挠度的完整历史。
7. 观察试样的载荷和变形。峰值后, 当位移大于30毫米时, 停止测试。通常, 试样开裂, 载荷小于 1.0 kN。
8. 重复步骤 4.1-4.7 测试所有标本。

5. 钢纤维取向分析

1. 计算断裂截面上钢纤维的数量。
   1. 把标本分成两部分在破裂的部分。
   2. 测量和记录钢纤维在水泥砂浆试样断裂断面上的定位。方向是钢纤维和试样轴线之间的夹角。由于手工测量钢纤维的方向是困难的, 可能产生不准确的测量, 方向可以归类为六个角度范围: 0-15 °, 15-30 °, 30-45 °, 45-60 °, 60-75 °和 75-90 °。记录每组钢纤维的数量, 然后用方程计算试样的平均纤维取向效率系数 (3):
      (3)
      η_θ 是钢纤维的平均取向效率系数, l_f 是单个钢纤维的长度, n是裂纹截面上钢纤维的总数量, 而θ_i 是钢纤维与磁场方向的夹角 (在计算中, 每个组的钢纤维采用角度范围的中间值)。
2. 执行 X 射线计算机断层扫描分析。
   1. 从每个迫击炮标本中剪下一个75毫米的立方体。
   2. 使用 x 射线计算机层析成像系统对立方体进行 x 射线扫描。将标本放在测试平台上, 开始扫描。试样逐渐旋转360°, 机器记录每个旋转步骤中试样引起的 X 射线的衰减。计算机断层扫描系统生成立方体的三维数字结构。
   3. 用黑白二进制处理技术识别数字立方体结构中的钢纤维。然后获得了描述钢纤维分布的数字图像。
   4. 用图像分析法确定所有钢纤维的坐标。
   5. 根据其坐标计算各钢纤维的方向。
   6. 用方程 (3) 计算纤维的取向效率系数。

结果

由三点弯曲试验确定的 ASFRCs 和 SFRCs 的弯曲强度如图 5所示。ASFRCs 的抗弯强度高于所有纤维用量的 SFRCs。ASFRCs 的抗弯强度分别为0.8%、1.2%、2.0% 纤维体积分数的88%、71% 和57% 以上的 SFRCs。这些结果意味着, 对齐钢纤维比随机分布的钢纤维更有效地加强胶凝基体。

图 6显示?...

讨论

本研究开发的电磁螺线管有一室测量250×250×750毫米, 不能容纳全尺寸结构元素。虽然会议厅的大小限制了设置的应用, 本文提出的概念和协议将激励进一步开发一个完整的尺寸设置, 制造 ASFRC 元素, 特别是预制元件。

达到适当粘度的新鲜砂浆是控制 ASFRCs 质量的关键因素, 因为钢纤维的对准是由需要克服新砂浆粘性阻力的磁力驱动的。粘性电阻受新砂浆粘度的制约。砂浆的粘度...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Cement	Tangshan Jidong Cement Co., Ltd.	P×O 42.5	Oridnary Portland Cement
Sand		River sand	Fineness modulus is 2.4
Superplasticizer	Subote New Materials Co., Ltd.	PCA-III	Polycarboxylated type, water reducing ratio is 35%
Steel fiber	Tianjin Hengfeng Xuxiang New Metal Materials Co., Ltd.	Round straight	Diameter 0.5mm, length 25mm