Preparazione di allineati fibra d'acciaio rinforzato cementizia composito e il relativo comportamento flessionale

Riepilogo

Questo protocollo descrive un metodo per la produzione di composito cementizia rinforzato in fibra di acciaio allineato applicando un campo elettromagnetico uniforme. Composito cementizia rinforzato in fibra di acciaio allineato esibisce Proprietà meccaniche superiori al cemento armato ordinario.

Abstract

Lo scopo di questo lavoro è di presentare un approccio, ispirato dal modo in cui un ago di bussola mantiene un orientamento coerente sotto l'azione del campo magnetico terrestre, per la produzione di un cementizio composito rinforzato con fibre di acciaio allineate. Allineati in acciaio fibra rinforzata cementizi compositi (ASFRC) sono stati preparati mediante l'applicazione di un campo elettromagnetico uniforme a Malta fresca contenente brevi fibre d'acciaio, per cui il breve fibre d'acciaio sono state cacciate per ruotare in allineamento con il campo magnetico. Il grado di allineamento delle fibre in acciaio temprato ASFRC è stato valutato sia di analisi a raggi x computato tomografia di conteggio fibre d'acciaio in sezioni trasversali fratturate. I risultati dei due metodi mostrano che l'acciaio fibre in ASFRC altamente sono stati stati allineati mentre le fibre d'acciaio in trattamento non magneticamente compositi sono stati distribuiti in modo casuale. Le fibre d'acciaio allineate avevano un'efficienza molto maggiore rinforzo e i compositi, pertanto, ha esibito la tenacità e resistenza alla flessione significativamente migliorata. Il ASFRC è superiore a elementi così che può sostenere una maggiore trazione e più efficacemente resistere alla fessurazione.

Introduzione

Incorporando le fibre d'acciaio nel calcestruzzo è un modo efficace per superare la debolezza intrinseca di fragilità e migliorare la resistenza alla trazione del calcestruzzo¹. Durante i decenni passati, fibra d'acciaio cemento armato è stato studiato estesamente e ampiamente usato nel campo. Acciaio cemento armato è superiore al calcestruzzo in termini di resistenza fendentesi, resistenza alla trazione, resistenza alla frattura, energia di frattura, ecc.² nelle fibre di cemento armato, acciaio di fibra d'acciaio sono casualmente dispersi, quindi uniformemente disperdendo l'efficienza di rinforzo delle fibre in ogni direzione. Tuttavia, in determinate condizioni di carico, solo alcune delle fibre d'acciaio nel calcestruzzo contribuiscono alle prestazioni degli elementi strutturali perché l'efficienza di rinforzo delle fibre richiede che essi siano allineati con il principio di sollecitazioni di trazione nella struttura. Per esempio, quando si utilizza cemento armato d'acciaio contenenti fibre d'acciaio distribuiti casualmente per preparare un fascio, alcune delle fibre d'acciaio, soprattutto quelli paralleli alla direzione di trazione principale, farà grande contributo alla non rafforzare l'efficienza, mentre quelli perpendicolare alla direzione dello sforzo di trazione principale farà alcun contributo a rafforzare l'efficienza. Di conseguenza, trovare un approccio per allineare le fibre d'acciaio con la regia della sollecitazione di trazione principale in calcestruzzo è necessario per raggiungere la massima efficienza di rinforza delle fibre d'acciaio.

Il fattore di efficienza di orientamento, definito come il rapporto tra la lunghezza proiettata lungo la direzione della trazione alla lunghezza effettiva delle fibre, viene solitamente utilizzato per indicare l'efficienza del rinforzo di fibre d'acciaio^3,4 . Secondo questa definizione, il fattore di efficienza di orientamento delle fibre allineati con la direzione dello sforzo di trazione è 1.0; che delle fibre che sono perpendicolari alla trazione è 0. Inclinato di fibre hanno un fattore di efficienza di orientamento tra 0 e 1.0. I risultati analitici indicano che il fattore di efficienza di orientamento delle fibre in acciaio distribuiti casualmente nel calcestruzzo è 0,405⁴, mentre che da prove di cemento armato d'acciaio ordinario è nella gamma di 0,167 a 0.500^5,6 . Evidentemente, se tutte le fibre in acciaio breve in calcestruzzo sono allineate e hanno lo stesso orientamento come la sollecitazione di trazione, le fibre in acciaio avrà la massima efficienza di rinforza e gli esemplari avrà il comportamento a trazione ottima.

Alcuni tentativi riusciti di preparare allineati in acciaio cemento armato sono stati condotti dal 1980. Nel 1984, Shen⁷ applicato un campo elettromagnetico per lo strato inferiore del rinforzo d'acciaio di fibra cementizia composito (elementi) travi durante il casting, e analisi di rilevazione dei raggi x ha rivelato che fibre d'acciaio erano ben allineate. Nel 1995, Bayer⁸ e Arman⁹ brevettato l'approccio per la preparazione di allineati in acciaio cemento armato usando un campo magnetico. Yamamoto et al. ¹⁰ considerato l'orientamento delle fibre d'acciaio in calcestruzzo per essere principalmente influenzata dai casting e ha tentato di ottenere sul cemento armato d'acciaio allineati mantenendo fresco calcestruzzo sfociano la cassaforma da una direzione costante. Xu¹¹ tentò di allineare le fibre d'acciaio nel calcestruzzo proiettato spruzzando fibre d'acciaio da una direzione costante. Rotondo e Wiener¹² cercarono di rendere pali in cemento con fibre di acciaio lunghe allineate da colata centrifuga. Questi studi sperimentali rivelano che sul cemento armato d'acciaio allineato ha vantaggi significativi rispetto sul cemento armato d'acciaio distribuiti casualmente.

Recentemente, Michels et al. ¹³ e Mu et al. ¹⁴ hanno sviluppato con successo un gruppo di compositi cementizi di allineati rinforzati con fibre d'acciaio (ASFRCs) utilizzando campi elettromagnetici. In questi studi, sono stati fatti vari elettromagneti per fornire un campo magnetico uniforme per l'allineamento delle fibre d'acciaio negli esemplari di mortaio di diverse dimensioni. Il solenoide è una cavità Cuboide, che può ospitare esemplari di dimensioni predefinite. Quando il solenoide è collegato alla corrente continua (DC), viene creato un campo magnetico uniforme in aula con un orientamento fisso, che si allinea con l'asse del solenoide. Secondo il principio dell'elettromagnetismo¹⁵, campi magnetici può guidare ferromagnetici fibre per ruotare e allineare nella malta fresca. Lavorabilità appropriato del mortaio è critica per permettendo fibre d'acciaio a ruotare nella malta fresca. Una viscosità elevata può causare difficoltà nell'allineamento delle fibre d'acciaio nel mortaio, mentre bassa viscosità può condurre alla segregazione delle fibre.

Questo articolo descrive i dettagli della preparazione degli esemplari ASFRC e verifica la proprietà di ASFRC ed elementi flessione. Si prevede che ASFRC ha una maggiore resistenza alla flessione e la costituzione di elementi. Così, ASFRC potenzialmente ha vantaggi rispetto elementi a sopportare sollecitazioni a trazione e resistenza al cracking se utilizzato come copertura in cemento, pavimentazione, ecc.

Usando gli esemplari fratturati dopo prove di flessione, l'orientamento delle fibre in acciaio negli esemplari è studiato osservando le sezioni trasversali fratturate e che utilizzano raggi x scansione computato tomografia analisi^{16,17 , 18}. le proprietà meccaniche del ASFRCs, compresa la loro resistenza alla flessione e durezza, sono segnalate e confrontate con quelli di SFRCs non-elettromagneticamente trattate.

Protocollo

1. installazione di campo magnetico solenoide

Nota: Il campo magnetico è generato da un solenoide con una cavità. L'installazione è uno scheletro di solenoide polibutilene tereftalato (PBT) bordo arrotolato con 4-6 strati di smalto rame filo isolato e avvolto con uno strato isolante di plastica per la protezione (Figura 1). Dopo aver collegato la bobina DC, la corrente nella bobina crea un campo elettromagnetico uniforme all'interno della camera di solenoide con una direzione fissa e l'intensità di induzione magnetica costante. Utilizzare il campo magnetico per allineare le fibre d'acciaio nella malta fresca e preparare gli esemplari ASFRC. In questo studio, abbiamo preparato 150 × 150 × 550 mm Prisma esemplari usando un solenoide con una camera con dimensioni di 250 × 250 × 750 mm.

1. Correlare l'intensità di induzione magnetica per la corrente elettrica del solenoide.
   1. Collegare il solenoide a DC e applicare corrente da 0 a 10 A con una lunghezza di passo di 1 a. misurare e registrare l'intensità di induzione magnetica nella camera di solenoide utilizzando un misuratore di tesla.
   2. Tracciare la curva di intensità corrente di induzione magnetica (Figura 2), che verrà utilizzata nei passaggi successivi per determinare la corrente necessaria del solenoide.
      Nota: Seguire attentamente le procedure di sicurezza elettrica durante la connessione il solenoide alla fonte di alimentazione e in tutte le altre procedure di funzionamento pertinenti alla rete elettrica.

2. lavorabilità della malta fresca

1. Preparare tre miscele di mortaio con acciaio fibra volume frazioni dello 0,8%, 1,2% e 2,0%, rispettivamente (tabella 1). Le tre miscele hanno la stessa composizione di matrice con un acqua per cementare alla sabbia rapporto di 0.42:1:2. Secondo il rapporto di miscelazione, peso 0,5 kg di cemento, 1,0 kg di sabbia e 0,21 kg d'acqua per i test di lavorabilità.
2. Aggiungere acqua al miscelatore mortaio prima. Quindi aggiungere il cemento. Mescolare acqua e cemento per 30 s. Poi mescolare per altri 30 s e durante questo 30 s di miscelazione, aggiungere gradualmente la sabbia al mixer. Poi mescolare per altri 60 s.
3. Prova la profondità d'abbassamento della miscela utilizzando un metro di profondità d'abbassamento seguendo lo standard cinese per metodo di test di performance sulla costruzione mortaio (JGJ/T70-2009)¹⁹.
4. Ripetere i passaggi da 2.2 e 2.3, regolando il dosaggio del superplastificanti fino a quando la profondità d'abbassamento cade nella gamma 50-100 mm. Registrare il dosaggio di Superfluidificante che produce la lavorabilità desiderata e integrarla come parte della proporzione di miscela nella tabella 1. Anche testare la densità specifica della malta fresca dopo aver raggiunto la lavorabilità. Il dosaggio ottimizzato di un Superfluidificante policarbossilato dai test di cui sopra è 0,10% (rapporto massa di cemento), e la densità specifica della malta fresca è 2186 kg/m³.
5. Testare la viscosità della malta fresca utilizzando un reometro rotazionale co-axial mortaio (Figura 3). Il reometro dispone di una vasca di acqua che può mantenere la temperatura del contenitore del campione a 20 ° C.
   1. Mettere 300 mL della malta fresca miscelato entro il precedente 5 min nel contenitore del campione.
   2. Iniziare la prova di viscosità. La sonda scende gradualmente nella malta fresca nel contenitore e il contenitore comincia a ruotare. Come la malta fresca si muove all'interno del contenitore rotante, si applica una forza di taglio sulla sonda. Nel processo, i record di reometro la sollecitazione di taglio e taglio votare e tracciata la curva di sollecitazione di taglio a taglio tasso. La pendenza della curva è la viscosità del mortaio^20,21. In questa indagine, la viscosità della malta fresca dalle prove è 0,82 Pas.

3. preparazione

1. Determinare l'intensità di induzione magnetica del campo magnetico e la corrente del solenoide.
   1. Utilizzando la viscosità del mortaio cemento determinato al punto 2.5.2, calcolare l'intensità di induzione magnetica del campo magnetico necessario per l'allineamento delle fibre d'acciaio in Malta di cemento utilizzando l'equazione (1):¹³
      (1)
      dove B è intensità di induzione magnetica, η è la viscosità della malta fresca, l_f è la lunghezza della fibra d'acciaio, m è la massa di una singola fibra d'acciaio, r_f è il raggio di fibre d'acciaio, μ è la permeabilità delle fibre d'acciaio, μ₀ è la permeabilità del vuoto, Δt è l'intervallo di tempo e α(t + Δt) è l'accelerazione angolare al successivo intervallo di tempo. Secondo la viscosità e i parametri della fibra d'acciaio utilizzati nei test, l'intensità di induzione magnetica necessaria è 9,83 mt.
   2. Determinare la corrente elettrica del solenoide necessari per creare una sufficiente intensità di induzione magnetica secondo Figura 2 o l'equazione (2):¹⁴
      (2)
      dove I è la corrente richiesta, N è il numero di spire del solenoide e L è la lunghezza del solenoide.
      Utilizzando l'equazione (2), la corrente richiesta è 8.3 A, mentre dalla Figura 2 è circa 8.5 A.
2. Preparare gli esemplari ASFRC
   1. Usare un mixer di mortaio 15L per miscelare Malta fresca. Per ogni batch, mescolare 7,5 L di Malta secondo le proporzioni di miscela elencati nella tabella 1. Tabella 1 denota le miscele ASFRC come A-V_f, dove A indica che le fibre d'acciaio sono allineate e V_f indica la frazione di volume di fibra d'acciaio. Di conseguenza, le miscele di elementi sono indicate, per il confronto, come R-V_f, dove R indica che le fibre d'acciaio sono distribuite in modo casuale. Il mix di elementi non è elencato nella tabella 1 , ma ha le stesse proporzioni come ASFRC.
   2. Pesare le materie prime e mescolare la Malta di cemento rinforzato con fibra in acciaio seguendo le procedure di routine.
   3. Pour la malta fresca in uno stampo in plastica con chiaro dimensioni di 150 × 150 × 550 mm. Cast i campioni immediatamente dopo la miscelazione per evitare la perdita di lavorabilità. Ci vogliono circa 25 minuti per lanciare uno prisma ASFRC dal contatto tra cemento e acqua.
   4. Spostare lo stampo su un tavolo di compattazione e passare sul tavolo compattazione per 30 s. Add mortaio più come necessario per garantire che che lo stampo è completamente riempito.
   5. Mettere lo stampo nella camera del solenoide.
   6. Accendere il solenoide e compattazione tabella per 50 s.
      Nota: Per calcestruzzo ordinario il tempo ragionevole di compattazione è intorno 60-120 s. In questo test, si è tentato di controllare il tempo totale di compattazione all'interno di questa gamma. Compattazione più tempo può migliorare l'allineamento delle fibre d'acciaio; Tuttavia, essa può causare in compattazione e di conseguenza la segregazione (l'affondamento di fibre d'acciaio e aggregati grossi se ci sono). Meno tempo di compattazione può causare scarso allineamento delle fibre di acciaio e calcestruzzo non consolidata.
   7. Spegnere la tabella di compattazione.
   8. Spegnere il solenoide dopo la compattazione tabella ha fermato completamente.
   9. Delicatamente prendere la muffa dal solenoide e lisciare la superficie superiore del mortaio con un trowel. Evitare di disturbare le fibre d'acciaio vicino alla superficie superiore.
3. Per ogni miscela, preparare tre elettromagneticamente trattate (seguendo la procedura 3.2.2-3.2.9) e tre provini non elettromagneticamente trattate (dopo 3.2.2-3.2.4 passaggi e 3.2.9). Nella preparazione di campioni non-elettromagneticamente trattati, il tempo totale di compattazione era 80 s — lo stesso di quello nella preparazione dei campioni trattati elettromagneticamente.
4. Lasciare i campioni interni ed in loro stampi per 24 h. Quindi sformatura e curare gli esemplari in una camera a nebbia, fino a quando non sono usati per prove meccaniche.

4. tre punti prova di piegatura

1. Dopo 28 giorni, togliere i campioni dalla camera polimerizzazione e segnare le posizioni per il caricamento (A), supporti (B), mid-span deflessione (C) e LVDT punti (D) (Figura 4) di fissaggio.
2. Posizionare il campione sul banco di prova piegamento del tre-punto (Figura 4) della macchina di prova MTS e fissare un LVDT per il mid-span utilizzando un supporto LVDT su ogni superficie laterale del provino (Figura 4).
3. Collegare il LVDT un datalog. Quindi impostare la frequenza di acquisizione dei dati su PC di controllo del computer del test.
4. Aumentare gradualmente l'esemplare di sollevare a che il fondo supporta in modo che la tomaia cella di macchina per il test di carico è molto vicino, ma non toccare, la superficie superiore del provino.
5. Zero il caricamento iniziale, il mid-span deflessione (LVDT) e valori di spostamento (cella di carico).
6. Avviare il test e applicare un carico di flessione di tre punti al provino con un controllo di spostamento ad una velocità di 0,2 mm/min Record la storia completa della deflessione carico e mezza campata dell'esemplare.
7. Guarda il carico e la deformazione del provino. Dopo il valore di picco, quando lo spostamento è maggiore di 30 mm, interrompere la prova. Solitamente, il provino è rotto e il carico è inferiore a 1,0 kN.
8. Ripetere i passaggi da 4.1-4.7 per testare tutti gli esemplari.

5. analisi di orientamento della fibra acciaio

1. Contare il numero di fibre d'acciaio sulla sezione fratturata.
   1. Separare gli esemplari in due porzioni a sezione incrinata.
   2. Misurare e registrare l'orientamento delle fibre in acciaio sulla sezione trasversale fratturata dell'esemplare di Malta di cemento. L'orientamento è l'angolo tra una fibra di acciaio e l'asse del provino. Perché misurare manualmente gli orientamenti delle fibre d'acciaio è difficile e può produrre misurazioni imprecise, orientamenti possono essere classificati come uno dei sei gamme di angolo: 0 - 15 °, 15-30 °, 30-45 °, 45-60 °, 60-75 ° e 75-90 °. Registrare il numero di fibre d'acciaio in ogni gruppo e quindi calcolare il fattore di efficienza di orientamento della fibra media del campione usando l'equazione (3):
      (3)
      dove η_θ è il fattore di efficienza media orientamento delle fibre d'acciaio, l_f è la lunghezza di una singola fibra d'acciaio, n è il numero totale di fibre d'acciaio sulla sezione cracking e θ_io è il angolo tra una fibra di acciaio e la direzione del campo magnetico applicato al provino (nel calcolo, il valore medio dell'intervallo angolo è adottato per tutte le fibre in acciaio in ogni gruppo).
2. Eseguire analisi di tomografia a raggi x computato.
   1. Tagliare un cubo di 75 mm da ciascun campione di mortaio.
   2. Eseguire la scansione a raggi x del cubo utilizzando un sistema di tomografia a raggi x computato. Collocare un campione sulla piattaforma di prova e avviare la scansione. Il campione ruota di 360 ° gradualmente e la macchina registra l'attenuazione dei raggi x causata da esemplare ad ogni passo di rotazione. Il sistema di tomografia computata genera una struttura tridimensionale digitale del cubo.
   3. Identificare le fibre d'acciaio nella struttura del cubo digitale di elaborazione binario bianco e nero. Quindi ottenere l'immagine digitale che descrive la distribuzione delle fibre d'acciaio.
   4. Determinare le coordinate di tutte le fibre in acciaio da analisi dell'immagine.
   5. Calcolare l'orientamento di ogni fibra di acciaio secondo le sue coordinate.
   6. Calcolare il fattore di efficienza di orientamento delle fibre utilizzando l'equazione (3).

Risultati

I punti di forza di flessione di ASFRCs e SFRCs determinata da prove di flessione di tre punti sono mostrati in Figura 5. I punti di forza di flessione di ASFRCs sono superiori a quelli di SFRCs per tutti i dosaggi di fibra. I punti di forza di flessione del ASFRCs erano 88%, 71% e 57% superiori a quelli di SFRCs presso le frazioni volumetriche di fibre di 0,8%, 1,2% e 2,0%, rispettivamente. Questi risultati implicano che la fibra d'acciaio allineata rafforza...

Discussione

Il solenoide elettromagnetico sviluppato in questo studio ha una camera di misura 250 × 250 × 750 mm e non può contenere gli elementi strutturali di dimensioni complete. Anche se la dimensione della camera limita l'applicazione del programma di installazione, il concetto e protocollo proposta nel presente libro ispirerà l'ulteriore sviluppo di un setup di dimensioni complete per la produzione di elementi ASFRC, in particolare prefabbricati di elementi.

Conseguire un'adeguata viscosità del...

Materiali

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