Préparation des fibres en acier alignés renforcés composites cimentaires et son comportement en flexion

Résumé

Ce protocole décrit une méthode de fabrication composite cimentaire renforcé fibre acier alignés en appliquant un champ électromagnétique uniform. Composite cimentaire renforcé fibre acier alignés présente des propriétés mécaniques supérieures au béton renforcé de fibres ordinaires.

Résumé

Le but de ce travail est de présenter une approche, inspirée par la manière dans laquelle une aiguille de la boussole maintient une orientation cohérente sous l’action du champ magnétique de la terre, pour la fabrication d’un composite cimentaire renforcé avec des fibres en acier alignés. Composites cimentaires renforcés par fibres alignées en acier (ASFRC) ont été préparés en appliquant un champ électromagnétique uniform à mortier frais contenant des fibres courtes en acier, par lequel les fibres courtes en acier ont été chassés pour faire pivoter dans l’alignement du champ magnétique. Le degré d’alignement des fibres en acier trempé ASFRC a été évalué par comptage de fibres d’acier en sections fracturées et diffraction Tomographie calculée. Les résultats des deux méthodes montrent que l’acier, fibres en ASFRC étaient fortement alignés tandis que les fibres d’acier en traitement non magnétique composites ont été distribuées au hasard. Les fibres en acier alignés avaient un rendement beaucoup plus élevé qui se renforcent et les composites, par conséquent, exposées ténacité et sensiblement renforcée résistance à la flexion. Le ASFRC est donc supérieur au BRF en ce qu’il peut supporter des contraintes de traction supérieure et plus efficacement résister à la fissuration.

Introduction

Incorporant des fibres d’acier dans le béton est un moyen efficace de surmonter la faiblesse inhérente de fragilité et d’améliorer la résistance à la traction du béton¹. Au cours des dernières décennies, béton renforcé de fibres en acier a été largement étudiée et largement utilisé dans le domaine. Béton renforcé de fibres en acier est supérieur au béton en termes de résistance à la traction, ténacité, énergie de rupture, résistance aux craquelures, etc.² dans les fibres de béton armé, acier acier fibre sont aléatoirement dispersés, ainsi uniformément disperser l’efficacité se renforcent des fibres dans toutes les directions. Cependant, dans certaines conditions de charge, seulement certains des fibres en acier dans le béton contribuent à la performance des éléments structuraux parce que l’efficacité se renforcent des fibres exige qu’ils soit alignée avec le principe des contraintes de traction dans la structure. Par exemple, lors de l’utilisation de béton armé de fibres en acier contenant des fibres d’acier distribués aléatoirement pour préparer un faisceau, certains des fibres en acier, en particulier celles parallèles à la direction de la contrainte principale de traction, apportera une contribution majeure à ne renforcer l’efficacité, tandis que ceux perpendiculairement à la direction de la contrainte principale de traction fera aucune contribution au renforcement de l’efficacité. Par conséquent, trouver une approche d’aligner les fibres en acier avec la direction de la contrainte principale de traction dans le béton est nécessaire pour atteindre le plus haut rendement de renfort des fibres en acier.

Le facteur d’efficacité de l’orientation, défini comme le rapport de la longueur projetée le long de la direction de la contrainte de traction à la longueur réelle des fibres, est généralement utilisé pour indiquer l’efficacité du renforcement de fibres d’acier^3,4 . Selon cette définition, le facteur d’efficacité de l’orientation des fibres alignées avec la direction de la contrainte de traction est de 1,0 ; que des fibres perpendiculaires à la contrainte de traction est 0. Inclinée de fibres ont un facteur d’efficacité de l’orientation entre 0 et 1,0. Les résultats des analyses montrent que le facteur d’efficacité de l’orientation des fibres d’acier distribués aléatoirement dans le béton est 0,405⁴, tandis que celle des essais de béton renforcé de fibres en acier ordinaire est de l’ordre de 0,167 à 0,500^5,6 . Evidemment, si toutes les fibres courtes en acier dans le béton sont alignés et ont la même orientation que la contrainte de traction, les fibres d’acier aura la plus grande efficacité de renfort et les spécimens auront le comportement de traction optimal.

Quelques tentatives réussies pour préparer le béton renforcé de fibres en acier alignés ont été menées depuis les années 1980. En 1984, Shen⁷ appliqué un champ électromagnétique à la couche inférieure des poutres en acier renforcé de fibres composites cimentaires (BRF) lors de la coulée, et analyse de détection aux rayons x a révélé que les fibres d’acier ont été bien alignées. En 1995, Bayer⁸ et Arman⁹ breveté l’approche pour la préparation de béton armé de fibre acier aligné en utilisant un champ magnétique. Yamamoto et al. ¹⁰ a examiné l’orientation des fibres d’acier dans le béton pour être principalement influencé par l’approche de la coulée et a tenté d’obtenir le béton renforcé de fibres en acier alignés en gardant frais concrets qui se jettent dans le coffrage d’une direction constante. Xu¹¹ a tenté d’aligner les fibres d’acier dans le béton projeté par projection de fibres d’acier d’une direction constante. Rotondo et Wiener¹² a cherché à faire des poteaux de béton avec des fibres aciers longs alignés par coulée centrifuge. Ces études expérimentales montrent que le béton renforcé de fibres en acier alignés a des avantages significatifs sur le béton renforcé de fibres en acier distribués aléatoirement.

Récemment, Michels et al. ¹³ et Mu et al. ¹⁴ ont développé avec succès un groupe de composites cimentaires renforcés par fibres alignées en acier (ASFRCs) à l’aide de champs électromagnétiques. Dans ces études, solénoïdes divers ont tenté de fournir un champ magnétique uniforme pour l’alignement des fibres d’acier dans des échantillons de mortier de différentes tailles. L’électrovanne a une chambre cuboïde creuse qui peut accueillir des échantillons de tailles prédéfinies. Quand l’électrovanne est reliée à courant continu (DC), un champ magnétique uniforme est créé dans la chambre avec une orientation fixe, qui s’aligne sur l’axe du solénoïde. Selon le principe de l’électromagnétisme¹⁵, champs magnétiques peuvent conduire ferromagnétiques fibres pour faire pivoter et s’alignent dans le mortier frais. Maniabilité appropriée du mortier est essentielle pour permettre aux fibres d’acier faire pivoter dans le mortier frais. Une viscosité élevée peut entraîner des difficultés dans l’alignement des fibres en acier dans le mortier, tandis que la basse viscosité peut conduire à la séparation des fibres.

Cet article décrit les détails de la préparation des spécimens ASFRC et teste les propriétés en flexion des ASFRC et BRF. Il est prévu que ASFRC a une résistance plus élevée à la flexion et l’endurance que le BRF. Ainsi, ASFRC a potentiellement des avantages sur BRF à résister à des contraintes de traction et fissuration résister si utilisé comme couverture de béton, trottoir, etc.

En utilisant les spécimens fracturées après essais de flexion, l’orientation des fibres en acier dans les prélèvements est étudiée en observant les coupes fracturées et utilisant des rayons x à balayage calculé tomographie analyse^{16,17 , 18}. les propriétés mécaniques des ASFRCs, y compris leur résistance à la flexion et la dureté, sont rapportées et comparées avec celles des SFRCs électromagnétiquement non traitées.

Protocole

1. installation de champ magnétique solénoïde

Remarque : Le champ magnétique est généré par un solénoïde avec une creuse de la chambre. Le programme d’installation est un squelette de solénoïde polybutylène téréphtalate (PBT) Conseil enroulé avec 4 à 6 couches d’émail des câbles cuivre et enveloppé d’une couche isolante en plastique de protection (Figure 1). Après raccordement de la bobine à DC, le courant dans la bobine crée un champ électromagnétique uniforme au sein de la chambre de solénoïde avec une direction fixe et une intensité constante induction magnétique. Utilisez le champ magnétique pour aligner les fibres d’acier dans le mortier frais et préparer les spécimens ASFRC. Dans cette étude, nous avons préparé 150 × 150 × 550 mm prism spécimens à l’aide d’un solénoïde avec un volume de chambre de 250 × 250 × 750 mm.

1. Corrélation entre l’intensité de l’induction magnétique au courant électrique de l’électrovanne.
   1. Raccorder l’électrovanne à DC et appliquer le courant de 0 à 10 A avec une longueur de l’étape de 1 a. mesurer et noter l’intensité de l’induction magnétique dans la chambre de solénoïde à l’aide d’un compteur de tesla.
   2. Tracer la courbe d’intensité courant induction magnétique (Figure 2), qui sera utilisée dans les étapes ultérieures afin de déterminer le courant nécessaire du solénoïde.
      Remarque : Respecter scrupuleusement les procédures de sécurité électrique lors de la connexion du solénoïde de la source d’alimentation et dans toutes les autres procédures de fonctionnement pertinents à l’alimentation électrique.

2. la maniabilité du mortier frais

1. Préparer trois mélanges de mortier avec acier fibre volume fractions 0,8 % et 1,2 % 2,0 %, respectivement (tableau 1). Les trois mélanges ont la même composition de matrice avec une eau à ciment au ratio de 0.42:1:2 de sable. Selon le ratio de mélange, poids 0,5 kg de ciment, 1,0 kg de sable et 0,21 kg d’eau pour les essais de maniabilité.
2. Ajouter de l’eau tout d’abord au malaxeur de mortier. Puis ajouter le ciment. Mélanger l’eau et le ciment pendant 30 s. Mélangez ensuite pour un autre 30 s et au cours de cette 30 s de mélange, ajouter graduellement le sable à la table de mixage. Mélangez ensuite pour un autre 60 s.
3. Tester la profondeur d’enfoncement du mélange à l’aide d’un mètre de profondeur naufrage suivant la norme chinoise pour la méthode de test de performance sur la construction de mortier (JGJ/T70-2009)¹⁹.
4. Répétez les étapes 2.2 et 2.3, ajustant le dosage de la superplastifiants jusqu'à ce que la profondeur d’enfoncement se trouve dans la fourchette de 50 à 100 mm. Enregistrer la posologie de la superplastifiant qui produit l’ouvrabilité désirée et de compléter celle-ci dans le cadre de la proportion de mélange dans le tableau 1. Également tester la densité spécifique du mortier frais une fois réalisée l’ouvrabilité. Le dosage optimisé d’un superplastifiant polycarboxylate des essais susmentionnés est 0,10 % (rapport de masse de ciment), et la densité spécifique de mortier frais est 2186 kg/m³.
5. Tester la viscosité du mortier frais à l’aide d’un rhéomètre de mortier rotation coaxiale (Figure 3). Le rhéomètre a un bain d’eau qui peut maintenir la température du récipient échantillon à 20 ° C.
   1. Mettre 300 mL de mortier frais mélangé dans le précédent 5 min dans le récipient à échantillon.
   2. Commencer le test de viscosité. La sonde tombe peu à peu dans le mortier frais dans le conteneur et le conteneur se met à tourner. Comme le mortier frais se déplace dans le conteneur de rotation, elle applique une force de cisaillement sur la sonde. Dans le processus, les enregistrements de rhéomètre la contrainte de cisaillement et de cisaillement note et trace la courbe de contrainte de cisaillement à taux de cisaillement. La pente de la courbe est la viscosité du mortier^20,21. Dans le cadre de cette enquête, la viscosité du mortier frais d’essais est Pas 0,82.

3. préparation des échantillons

1. Déterminer l’intensité de l’induction magnétique du champ magnétique et le courant de l’électro-aimant.
   1. À l’aide de la viscosité du mortier ciment déterminé à l’étape 2.5.2, calculer l’intensité d’induction magnétique du champ magnétique nécessaire pour aligner les fibres d’acier en mortier de ciment à l’aide de l’équation (1) :¹³
      (1)
      où B est l’intensité magnétique induction, η est la viscosité du mortier frais, l_f est la longueur de fibre acier, m est la masse d’une fibre d’acier individuelle, r_f est le rayon de fibres d’acier, μ est la perméabilité des fibres d’acier, μ₀ est la perméabilité du vide, Δt est intervalle de temps, et α(t + Δt) est l’accélération angulaire au prochain intervalle de temps. Selon la viscosité et les paramètres de la fibre d’acier utilisées dans les essais, l’intensité requise induction magnétique est 9,83 Mt.
   2. Déterminer le courant électrique du solénoïde nécessaire à la création d’une intensité suffisante d’induction magnétique selon Figure 2 ou l’équation (2) :¹⁴
      (2)
      où I est le courant requis, N est le nombre de spires du solénoïde et L est la longueur du solénoïde.
      Utilisant l’équation (2), le courant nécessaire est 8.3 A, tandis que la Figure 2, c’est environ 8,5 A.
2. Préparer des échantillons ASFRC
   1. Utilisez un mélangeur de mortier de 15 L pour mélanger le mortier frais. Pour chaque lot, mélanger 7,5 L de mortier selon les proportions de mélange énumérés au tableau 1. Tableau 1 indique les mélanges ASFRC, V, A_f, où A indique que les fibres d’acier sont alignés et V_f indique la fraction volumique de fibres en acier. En conséquence, les mélanges de BRF sont notés, à titre de comparaison, R-V_f, où R indique que les fibres d’acier sont distribuées au hasard. Les mélanges de BRF ne figurent pas dans le tableau 1 , mais ont les mêmes proportions que ASFRC.
   2. Peser les matières premières et mélanger le mortier de ciment renforcé de fibres en acier suivant les procédures de routine.
   3. Verser le mortier frais dans un moule en plastique avec claire taille de 150 × 150 × 550 mm. monter les spécimens promptement après le mélange pour éviter de perdre de maniabilité. Il faut environ 25 min à caster un prisme ASFRC du contact entre l’eau et de ciment.
   4. Déplacer le moule sur une table de compactage et mettre la table compactage pendant 30 s. Ajouter mortier plus que nécessaire pour vous assurer que que le moule soit complètement rempli.
   5. Mettre le moule dans la chambre de l’électroaimant.
   6. Allumez le solénoïde et le compactage table pour 50 s.
      Remarque : Pour le béton ordinaire le délai raisonnable de compactage est d’environ 60-120 s. Dans ce test, il est tenté de contrôler le temps total de compactage dans cet intervalle. Temps plus compactage peut améliorer l’alignement des fibres d’acier ; Toutefois, il peut causer au compactage et, par conséquent, la ségrégation (le naufrage de fibres d’acier et agrégats grossiers s’il existe). Moins de temps compactage peut provoquer de mauvais alignement des fibres en acier et béton non consolidé.
   7. Eteindre le tableau de compactage.
   8. Éteindre le solénoïde d’après que le tableau de compactage a cessé complètement.
   9. Doucement, sortir le moule de l’électrovanne et lisser la surface supérieure du mortier avec une truelle. Éviter de déranger les fibres en acier près de la surface supérieure.
3. Pour chaque mélange, préparer les trois spécimens d’électromagnétiquement traités (après les étapes 3.2.2-3.2.9) et trois électromagnétiquement non traitées (à la suite des mesures 3.2.2-3.2.4 et 3.2.9). Dans la préparation des spécimens électromagnétiquement non traitées, la durée totale de compactage était 80 s — identique à celui dans la préparation des échantillons traités aux ondes électromagnétiques.
4. Laisser les spécimens à l’intérieur et dans leurs moules pendant 24 h. Puis le demold et guérir les spécimens dans une chambre de brouillard jusqu'à ce qu’ils sont utilisés pour les essais mécaniques.

4. trois points essai de flexion

1. Après 28 jours, retirez les spécimens de la salle de séchage et marquer les positions pour le chargement (A), prise en charge (B), mi-distance déflexion (C) et LVDT points (D) (Figure 4) de fixation.
2. Placer l’échantillon sur le banc d’essai flexion trois points (Figure 4) de la machine de test MTS et fixer un LVDT à la mi-portée utilise un dérouleur LVDT sur la surface de chaque côté de l’échantillon (Figure 4).
3. Connecter le LVDT à un datalog. Puis définissez la fréquence d’acquisition de données sur le PC de contrôle de la machine de test.
4. Augmentez progressivement le spécimen en soulevant de que le bas prend en charge afin que le supérieur cellule de l’appareil d’essai de chargement est très proche, mais sans le toucher, la surface supérieure de l’échantillon.
5. Zéro la charge initiale, déviation de mi-portée (LVDT) et valeurs de déplacement (cellule de pesage).
6. Démarrez le test et d’appliquer une charge en flexion trois points au modèle de formulaire avec un contrôle du déplacement à une vitesse de 0,2 mm/min. enregistrement de l’historique complet de la déviation de chargement et de mi-portée du spécimen.
7. Regardez la charge et la déformation de l’échantillon. Après la valeur de crête, lorsque le déplacement est supérieur à 30 mm, arrêter le test. Habituellement, le spécimen est fissuré et la charge est inférieur à 1,0 kN.
8. Répétez les étapes 4.1 à 4.7 pour tester tous les spécimens.

5. acier fibre Orientation analyse

1. Compter le nombre de fibres d’acier sur la section fracturée.
   1. Les spécimens se divisent en deux portions à la section fissurée.
   2. Mesurer et noter l’orientation des fibres en acier sur la section fracturée du spécimen de mortier de ciment. L’orientation est l’angle entre une fibre d’acier et de l’axe de l’échantillon. Car mesurer manuellement les orientations des fibres d’acier est difficile et peut produire des mesures inexactes, orientations peuvent être classées comme une des six plages d’angle : 0 - 15 °, 15 à 30 °, 30-45 °, 45-60 °, 75 ° - 60 et 75-90 °. Enregistre le nombre de fibres d’acier dans chaque groupe et ensuite calculer le facteur d’efficacité de l’orientation fibre moyenne de l’échantillon utilisant l’équation (3) :
      (3)
      où η_θ est le facteur d’efficacité moyenne de l’orientation des fibres en acier, l_f est la longueur d’une fibre d’acier individuelle, n est le nombre total de fibres d’acier sur la section fissurée et θ_j’ai est la angle entre une fibre acier et la direction du champ magnétique appliqué au modèle de formulaire (dans le calcul, la valeur médiane de la fourchette d’angle est adoptée pour toutes les fibres d’acier dans chaque groupe).
2. Effectuer la diffraction Tomographie calculée.
   1. Couper un cube de 75 mm de chaque échantillon de mortier.
   2. Effectuer la radioscopie du cube à l’aide d’un système de tomographie aux rayons x calculée. Placer un spécimen sur la plateforme de test et commence l’analyse. Le spécimen pivote à 360 ° peu à peu et la machine enregistre l’atténuation des rayons x causée par l’échantillon à chaque étape de rotation. Le système de tomographie par ordinateur génère une structure numérique en trois dimensions du cube.
   3. Identifier les fibres d’acier dans la structure du cube numérique en noir et blanc traitement binaire. Puis obtenir l’image numérique qui décrit la distribution des fibres d’acier.
   4. Déterminer les coordonnées de toutes les fibres d’acier par analyse d’image.
   5. Calculer l’orientation de chaque fibre acier selon ses coordonnées.
   6. Calculer le facteur d’efficacité de l’orientation des fibres à l’aide d’équation (3).

Résultats

Les forces en flexion des ASFRCs et SFRCs, déterminés à partir des essais de flexion trois points sont indiqués à la Figure 5. Les forces de flexion des ASFRCs sont plus élevés que ceux des SFRCs pour tous les dosages de fibre. Les forces de flexion des ASFRCs étaient de 88 %, 71 % et 57 % plus élevés que ceux de SFRCs à la fraction volumique de fibre de 0,8 %, 1,2 % et 2,0 %, respectivement. Ces résultats impliquent que la fibre acier alignée re...

Discussion

Le solénoïde électromagnétique développé dans cette étude comporte une chambre de mesure 250 × 250 × 750 mm et ne peut pas accueillir les éléments structuraux de pleine grandeur. Bien que la taille de la chambre limite l’application de la configuration, le concept et le protocole proposé dans ce livre inspirera la poursuite du développement d’une installation de taille pour la fabrication d’éléments ASFRC, particulièrement préfabriqués en éléments.

Atteindre une visco...

matériels

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