Preparación de fibra de acero alineada reforzado compuesto de cemento y su comportamiento a la flexión

Resumen

Este protocolo describe un método para la fabricación de compuesto de cemento reforzado de fibra de acero alineado mediante la aplicación de un campo electromagnético uniforme. Compuesto de cemento reforzado de fibra de acero alineado exhibe propiedades mecánicas superiores para el concreto reforzado fibra ordinaria.

Resumen

El objetivo de este trabajo es presentar un enfoque, inspirado por la forma en que la aguja de una brújula mantiene una orientación constante bajo la acción del campo magnético de la tierra, para la fabricación de un cemento compuesto reforzado con fibras de acero alineadas. Compuestos de cemento reforzado fibra de acero alineado (ASFRC) fueron preparados aplicando un campo electromagnético uniforme al mortero fresco que contiene las fibras cortas de acero, por el que las fibras cortas de acero fueron conducidas en alineación con el campo magnético. El grado de alineación de las fibras de acero en ASFRC endurecido se evaluó contando las fibras de acero en sección transversal fracturada y por análisis de tomografía computarizada de rayos x. Los resultados de los dos métodos muestran que el acero fibras en ASFRC fueron altamente alineadas mientras que las fibras de acero en trataron no magnéticamente compuestos se distribuyeron al azar. Las fibras de acero alineadas tenían una mucho mayor eficiencia refuerza y los compuestos, por lo tanto, exhibieron dureza y significativamente mejorada resistencia a la flexión. El ASFRC así es superior a SFRC en que él puede soportar mayor tensión y más efectivamente resisten agrietarse.

Introducción

Incorporación de fibras de acero en concreto es una forma efectiva para superar la debilidad inherente de fragilidad y para mejorar la resistencia a la tracción de concreto¹. Durante las últimas décadas, fibra de acero de hormigón ha sido ampliamente investigado y ampliamente utilizado en el campo. Fibra de acero de hormigón es superior al concreto en términos de resistencia a la fisuración, resistencia a la tracción, resistencia a la fractura, energía de fractura, etc.² en hormigón armado, acero de acero fibras son aleatoriamente dispersa, así dispersar uniformemente la eficacia refuerza de las fibras en cada dirección. Sin embargo, bajo ciertas condiciones de carga, sólo algunas de las fibras de acero en concreto contribuyen al funcionamiento de los elementos estructurales debido a la eficacia refuerza de las fibras requiere que ser alineado con el principio de tensiones de tracción en la estructura. Por ejemplo, al utilizar fibra de acero de hormigón que contiene fibras de acero distribuidas al azar para preparar una viga, algunas de las fibras de acero, especialmente aquellos paralelos a la dirección de la tensión principal de tracción, hará contribución importante a la no reforzar la eficacia, mientras que los perpendicular a la dirección de la tensión principal de tracción hará ninguna contribución a reforzar la eficacia. Por lo tanto, encontrar un enfoque para alinear las fibras de acero con la dirección de la tensión principal en concreto es necesario para lograr la mayor eficiencia refuerza de las fibras de acero.

El factor de eficiencia de la orientación, definido como el cociente de la longitud proyectada a lo largo de la dirección de la tensión extensible a la longitud real de las fibras, se utiliza generalmente para indicar la eficacia del refuerzo de fibras de acero^3,4 . Según esta definición, el factor de eficiencia de la orientación de las fibras alineadas con la dirección de la tensión extensible es 1.0; de las fibras perpendiculares a la tensión es de 0. Las fibras inclinadas tienen un factor de eficiencia de la orientación entre 0 y 1.0. Los resultados analíticos demuestran que el factor de eficiencia de la orientación de las fibras de acero distribuidos al azar en concreto es 0.405⁴, mientras de las pruebas de concreto reforzado de fibra de acero ordinario está en la gama de 0,167 a 0.500^5,6 . Evidentemente, si todas las fibras cortas de acero en concreto están alineadas y tienen la misma orientación que la tensión extensible, las fibras de acero tienen una mejor eficiencia de refuerza y las muestras tendrán el comportamiento a la tracción óptima.

Se han realizado algunos intentos exitosos para preparar el concreto reforzado fibra acero alineado desde la década de 1980. En 1984, Shen⁷ aplicar un campo electromagnético a la capa inferior de fibra de acero reforzada con vigas de cemento compuesto (SFRC) durante el vaciado y análisis de detección de rayos x reveló que las fibras de acero estaban bien alineadas. En 1995, Bayer⁸ y Arman⁹ patentó el método para la preparación de concreto reforzado de fibra de acero alineado usando un campo magnético. Yamamoto et al. ¹⁰ considera la orientación de las fibras de acero en concreto principalmente influenciado por el método de fundición y trató de obtener el concreto reforzado fibra acero alineado al mantener el concreto fresco que fluye en el encofrado de una dirección constante. Xu¹¹ intentó alinear las fibras de acero en el hormigón proyectado por aspersión las fibras de acero de una dirección constante. Rotondo y Wiener¹² intentaron hacer postes de hormigón con fibras de acero largo alineados por Fundición centrífuga. Estos estudios experimentales revelan que el concreto reforzado fibra acero alineado tiene ventajas significativas sobre el concreto reforzado fibra acero distribuidos al azar.

Recientemente, Michels et al. ¹³ y Mu et al. ¹⁴ han desarrollado con éxito un grupo de alineado fibra de acero reforzada con cemento materiales compuestos (ASFRCs) mediante campos electromagnéticos. En estos estudios, se hicieron varios solenoides para proporcionar un campo magnético uniforme para alinear las fibras de acero en las muestras de mortero de diferentes tamaños. El solenoide tiene un hueco cuboides del compartimiento, que puede dar cabida a ejemplares de tamaños predefinidos. Cuando el solenoide está conectado a corriente directa (DC), se crea un campo magnético uniforme en la cámara con una orientación fija, que se alinea con el eje del solenoide. Según el principio de electromagnetismo¹⁵, campos magnéticos puede conducir fibras ferromagnéticas para girar y alinear en el mortero fresco. Adecuada trabajabilidad del mortero es crítica para permitir que las fibras de acero en mortero fresco. Alta viscosidad puede provocar dificultad en la alineación de las fibras de acero en el mortero, mientras que baja viscosidad puede conducir a la segregación de fibras.

Este artículo describe los detalles de la preparación de las muestras ASFRC y pruebas de las propiedades flexurales de ASFRC y HRFA. Se espera que ASFRC tiene una mayor resistencia a la flexión y la dureza de HRFA. Así, ASFRC potencialmente tiene ventajas sobre el HRFA en soportar la tensión de tracción y resistencia agrietamiento si utilizado como tapa de hormigón, pavimento, etc.

Usando a los especimenes fracturados después de pruebas de resistencia a la flexión, la orientación de las fibras de acero en los especímenes se investiga mediante la observación de las secciones transversales fracturadas y utilizando rayos x análisis computado tomografía análisis^{16,17 , 18}. las propiedades mecánicas de ASFRCs, incluyendo su resistencia a la flexión y dureza, son registradas y comparadas con los de SFRCs no sean tratadas.

Protocolo

1. configuración de campo magnético del solenoide

Nota: El campo magnético es generado por un solenoide con una cámara hueca. La configuración es un esqueleto de polibutileno tereftalato (PBT) Junta solenoide en espiral con 4-6 capas de esmalte del alambre de cobre con aislamiento y envuelven con una capa aislante plástico para protección (figura 1). Después de conectar la bobina a DC, la corriente en la bobina crea un campo electromagnético uniforme dentro de la cámara de solenoide con una dirección fija y constante de la inducción magnética intensidad. Utilice el campo magnético para alinear las fibras de acero en mortero fresco y preparar a las muestras ASFRC. En este estudio, hemos preparado a 150 × 150 × 550 mm prisma las muestras usando un solenoide con un tamaño de cámara de 250 × 250 × 750 mm.

1. Correlacionar la intensidad de la inducción magnética a la corriente eléctrica del solenoide.
   1. Conectar el solenoide a DC y se aplica corriente de 0 a 10 A con una longitud de paso de 1 a. Mida y anote la intensidad de inducción magnética en el compartimiento de solenoide utilizando un medidor de tesla.
   2. Trazar la curva de intensidad de corriente de inducción magnética (figura 2), que se utilizará en pasos posteriores para determinar la corriente necesaria del solenoide.
      Nota: Siga los procedimientos de seguridad eléctrica al conectar el solenoide a la fuente de alimentación y en todos los otros procedimientos de operación pertinentes a la alimentación eléctrica.

2. trabajabilidad del mortero fresco

1. Preparar tres mezclas de mortero con acero fibra de fracciones volumen 0.8%, 1.2% y 2.0%, respectivamente (tabla 1). Las tres mezclas tienen la misma composición de la matriz con agua cemento arena proporción de 0.42:1:2. Según la proporción de mezcla, peso 0,5 kg de cemento, 1.0 kg de arena y 0,21 kg de agua para las pruebas de trabajabilidad.
2. Añadir agua a la mezcladora de mortero primero. Luego agregar el cemento. Mezclar el agua y el cemento por 30 s. Luego mezcle durante otros 30 s y durante este 30 s de la mezcla, poco a poco añadir arena a la mezcladora. Luego se mezclan para otro 60 s.
3. Prueba de la profundidad que se hunde de la mezcla usando un medidor de profundidad que se hunde tras el chino estándar método de prueba de rendimiento en la construcción de mortero (JGJ/T70-2009)¹⁹.
4. Repita los pasos 2.2 y 2.3, ajustando la dosificación de los superplastificantes hasta la profundidad que se hunde cae en el rango de 50-100 mm. Grabar la dosificación de los superplastificantes que produce la trabajabilidad deseada y completar como parte de la proporción de mezcla en la tabla 1. También prueba de la densidad del mortero fresco después de la trabajabilidad. La dosificación optimizada de un policarboxilato superplastificante de las pruebas mencionadas es 0.10% (relación entre la masa de cemento), y la densidad del mortero fresco es 2186 kg/m³.
5. Prueba de la viscosidad del mortero fresco usando un reómetro de mortero rotacional coaxial (figura 3). El Reómetro dispone de un baño de agua que puede mantener la temperatura del recipiente a 20 ° C.
   1. Poner 300 mL de mortero fresco mezclado dentro de los anteriores 5 minutos en el recipiente de la muestra.
   2. Comenzar la prueba de la viscosidad. La sonda cae poco a poco en el mortero fresco en el recipiente, y el contenedor comienza a girar. Mientras que el mortero fresco se mueve dentro del contenedor giratorio, se aplica una fuerza de esquileo en la sonda. En el proceso, los registros del reómetro para la tensión de cizalla y corte tasa de parcelas y la curva de esfuerzo cortante a velocidad de cizalla. La pendiente de la curva es la viscosidad del mortero^20,21. En esta investigación, la viscosidad del mortero fresco de pruebas es 0,82 Pas.

3. PREPARACION

1. Determinar la intensidad de inducción magnética del campo magnético y la corriente del solenoide.
   1. La viscosidad del mortero de cemento en paso 2.5.2, calcular la inducción magnética intensidad de campo magnético para alinear las fibras de acero en mortero de cemento utilizando la ecuación (1):¹³
      (1)
      donde B es la intensidad de inducción magnética, η es la viscosidad del mortero fresco, l_f es la longitud de la fibra de acero, m es la masa de una fibra de acero individual, _f de r es el radio de las fibras de acero, μ es la permeabilidad de las fibras de acero, μ₀ es la permeabilidad del vacío, Δt es el intervalo de tiempo y α(t + Δt) es la aceleración angular en el siguiente intervalo de tiempo. De acuerdo con la viscosidad y los parámetros de la fibra de acero utilizado en las pruebas, la intensidad requerida de la inducción magnética es 9.83 MT.
   2. Determinar la corriente eléctrica del solenoide necesario para crear una suficiente intensidad de inducción magnética según figura 2 o la ecuación (2):¹⁴
      (2)
      donde I es la corriente requerida, N es el número de vueltas del solenoide, y L es la longitud del solenoide.
      Utilizando la ecuación (2), la corriente requerida es 8.3 A, mientras que el de la figura 2 es aproximadamente 8.5 A.
2. Preparar a muestras ASFRC
   1. Utilice una mezcladora de mortero de 15 L para mezclar mortero fresco. Por cada lote, mezclar 7.5 L de mortero según las proporciones de mezcla que figuran en la tabla 1. Tabla 1 indica las mezclas ASFRC A V_f, donde A indica que las fibras de acero se alinean y V_f indica la fracción de volumen de la fibra de acero. Por consiguiente, las mezclas de HRFA se indican, para la comparación, como R-V_f, donde R indica que las fibras de acero se distribuyen al azar. Las mezclas de HRFA no aparecen en la tabla 1 pero tienen las mismas proporciones como ASFRC.
   2. Pesar las materias primas y mezcle el mortero de cemento reforzado con fibra de acero siguiendo procedimientos de rutina.
   3. Verter el mortero fresco en un molde de plástico transparente tamaño de 150 × 150 × 550 mm. fundición a las muestras inmediatamente después de mezclar para evitar la pérdida de trabajabilidad. Tarda unos 25 minutos a un prisma ASFRC del contacto entre cemento y agua.
   4. Mover el molde sobre una mesa de compactación y encender la mesa de compactación para agregar s. 30 más mortero según sea necesario para asegurar que el molde esté totalmente lleno.
   5. Ponga el molde en la cámara del solenoide.
   6. Interruptor de solenoide y mesa de compactación de 50 s.
      Nota: Para el concreto ordinario el tiempo de compactación razonable es alrededor de 60-120 s. En esta prueba, se intenta controlar el tiempo total de compactación dentro de esta gama. Vez más compactación puede mejorar el alineamiento de las fibras de acero; sin embargo, puede causar compactación y, en consecuencia, la segregación (el hundimiento de las fibras de acero y agregados gruesos si hay). Menos tiempo de compactación puede causar mala alineación de la fibra de acero y hormigón sin consolidar.
   7. Apague la mesa de compactación.
   8. Desconectar el solenoide después la mesa de compactación se ha detenido completamente.
   9. Con cuidado sacar el molde del solenoide y alisar la superficie superior del mortero con una llana. Evitar molestar a las fibras de acero cerca de la superficie.
3. Para cada mezcla, preparar tres especímenes sean tratados (siguiendo los pasos 3.2.2-3.2.9) y tres especímenes no sean tratados (siguiendo los pasos 3.2.2-3.2.4 y 3.2.9). En la preparación de las muestras no sean tratadas, el tiempo total de compactación fue 80 s, el mismo que en la preparación de las muestras sean tratadas.
4. Dejar a los especímenes en el interior y en sus moldes durante 24 h. Luego demold y curar a las probetas en un cuarto de niebla hasta que son utilizados para los ensayos mecánicos.

4. tres puntos prueba de flexión

1. Después de 28 días, saque las muestras de la sala de curado y marque las posiciones para la carga (A), soportes (B), Mid-span desviación (C) y puntos (D) (figura 4) de fijación del LVDT.
2. Coloque al espécimen en la plataforma de prueba de flexión de tres puntos (figura 4) de la máquina de prueba MTS y fijar un LVDT en el Mid-span con un soporte LVDT en cada superficie lateral de la muestra (figura 4).
3. Conecte el LVDT a una base de datos. Entonces establecer la frecuencia de adquisición de datos en el PC de control de la máquina de prueba.
4. Poco a poco levantar a la muestra levantando que el fondo apoya para que la parte superior de la máquina de prueba de la célula de carga está muy cerca, pero no tocar, la superficie superior del espécimen.
5. Cero la carga inicial, Mid-span deformación (LVDT) y los valores de desplazamiento (celda de carga).
6. Iniciar la prueba y una carga de flexión de tres puntos se aplican a la muestra con un control de desplazamiento a una velocidad de 0.2 mm/min registro la historia completa de la carga y Mid-span desviación de la muestra.
7. Ver la carga y la deformación de la muestra. Después de valor pico, cuando el desplazamiento es superior a 30 mm, pare la prueba. Generalmente, la pieza está agrietada y la carga es menos de 1.0 kN.
8. Repita los pasos 4.1-4.7 para probar a todas las muestras.

5. Análisis de la orientación de fibra acero

1. Contar el número de fibras de acero en la sección fracturada.
   1. Separar a las muestras en dos porciones en la sección agrietada.
   2. Mida y anote la orientación de las fibras de acero en la sección fracturada del espécimen de mortero de cemento. La orientación es el ángulo entre una fibra de acero y el eje del espécimen. Porque medir manualmente las orientaciones de las fibras de acero es difícil y puede producir mediciones inexactas, orientaciones pueden calificarse como uno de seis rangos de ángulo: 0 - 15 °, 15 y 30 °, 30-45 °, 45-60 °, 60-75 º y 75-90 °. Anote el número de fibras de acero en cada grupo y luego calcular el factor de eficiencia orientación de fibra media de la muestra con la ecuación (3):
      (3)
      donde η_θ es el factor de eficiencia promedio de la orientación de las fibras de acero, l_f es la longitud de una fibra de acero individual, n es el número total de fibras de acero en la sección agrietada y θ es la ángulo entre una fibra de acero y la dirección del campo magnético aplicado a la muestra (en el cálculo, el valor medio de la gama del ángulo se adopta para todas las fibras de acero en cada grupo).
2. Realizar análisis de tomografía computarizada de rayos x.
   1. Cortar un cubo de 75 mm de cada espécimen de mortero.
   2. Realizar el análisis de rayos x del cubo mediante un sistema de tomografía computarizada de rayos x. Coloque a un ejemplar en la plataforma de la prueba y empezar a escanear. La muestra gira 360 ° poco a poco y la máquina registra la atenuación de los rayos x causada por la muestra a cada paso giratorio. El sistema de tomografía computada genera una estructura tridimensional digital del cubo.
   3. Identificar las fibras de acero en la estructura del cubo digital blanco y negro proceso binario. Obtener la imagen digital que describe la distribución de las fibras de acero.
   4. Determinar las coordenadas de todas las fibras de acero por análisis de imagen.
   5. Calcular la orientación de cada fibra de acero según sus coordenadas.
   6. Calcular el factor de eficiencia de la orientación de las fibras mediante la ecuación (3).

Resultados

Las fortalezas a la flexión de ASFRCs y SFRCs determinadas pruebas de flexión de tres puntos se muestran en la figura 5. Las fuerzas de flexión de ASFRCs son superiores a los de SFRCs para todas las dosis de fibra. Las fuerzas de resistencia a la flexión de ASFRCs fueron 88%, 71% y 57% más alto que los de SFRCs en las fracciones de volumen de la fibra de 0.8%, 1.2% y 2.0%, respectivamente. Estos resultados implican que la fibra de acero alineada refuerza...

Discusión

Electrovalvulas solenoide desarrollado en este estudio tiene una cámara de medición de 250 × 250 × 750 mm y no puede dar cabida a los elementos estructurales de tamaño completo. Aunque el tamaño de la cámara limita la aplicación de la configuración, el concepto y protocolo propuesto en este documento inspire el desarrollo de una configuración de tamaño completo para la fabricación de elementos ASFRC, especialmente prefabricados de elementos.

Lograr una adecuada viscosidad del morte...

Materiales

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