一直線に並べられた鋼繊維の準備強化セメント系複合材料とその曲げ挙動

要約

このプロトコルでは、均一な電磁界を適用することによって一直線に並べられた鋼繊維補強セメント系複合材料を製造するためのアプローチについて説明します。一直線に並べられた鋼繊維補強セメント系複合材料は、普通繊維補強コンクリートの優れた機械的特性を表わします。

要約

この作業の目的は、コンパスの針が一直線に並べられた鋼繊維補強セメント系複合材料の製造のため、地球の磁場の作用の下で一貫した方向を維持して方法で触発され、アプローチを提示することです。一直線に並べられた鋼繊維補強セメント系複合材料 (ASFRC) は、均一な電磁界を短い鋼繊維が磁場に沿った回転に追い込まれたという短いの鋼繊維を含むモルタルに適用することにより調製しました。硬化 ASFRC における鋼繊維の配向の程度は、破断面における鋼繊維を数えると x 線トモグラフィー解析によって評価しました。2 つの方法からの結果を示す鋼における鋼繊維非磁気治療複合材料 ASFRC の繊維が高配向がランダムに配られました。整列鋼繊維がはるかに高い補強効率、および複合材料、したがって、大幅に強化された曲げ強度と靱性を展示します。ASFRC は、それは大きい引張応力に耐えることができ、もっと効果的に割れに抵抗にしたがって SFRC より優れています。

概要

コンクリートに鋼繊維を組み込むことは、脆性の固有の弱さを克服するためにコンクリート¹の引張強さを改善する効果的な方法です。過去数十年の間に鋼繊維補強コンクリートは広く調査されフィールドで広く使用されます。鋼繊維補強コンクリートは、優れた耐ストレスクラッ キング性、引張強度、破壊靭性、破壊エネルギー等の面でコンクリート²鋼繊維補強コンクリート、鋼繊維でランダムに分散している、それによってあらゆる方向に繊維の補強効率を均一に分散させ。ただし、特定の荷重条件下でコンクリートの鋼繊維の一部だけに貢献構造要素の性能繊維の補強効率は彼らが原則と引張応力を整列することを必要とするため、構造体です。例えば、鋼繊維補強コンクリートの鋼繊維をランダムに分布を含むを使用してビーム鋼繊維のいくつかを準備するとき特にそれらは主引張応力の方向に平行はへの主要な貢献を作るそれらの効率を強化主引張応力の方向に対して垂直になるない効率の強化に貢献。したがって、鋼繊維コンクリートの引張応力の方向に合わせてアプローチを発見鋼繊維補強最高の効率を達成するために必要です。

繊維の実際の長さに引張応力の方向に沿って投影長さの比率として定義されている向きの効率因子通常鋼繊維^{3,4 の補強の有効性を示すため}.この定義によると引張応力の方向に揃えて繊維の配向効率因子は 1.0;引張応力に垂直な繊維のそれは 0 です。傾斜ファイバー 0 から 1.0 まで向き効率因子があります。分析の結果、コンクリートにおけるランダム鋼繊維の配向効率因子は 0.500 0.167 に^{5,6 までの範囲では普通鋼繊維補強コンクリートのテストから 0.4054、}.明らかに、すべての短い鋼繊維コンクリート中に並べ、引張応力と同じ向き、鋼繊維は最高の補強効率を持っている、標本は最適の引張挙動を持っています。

一直線に並べられた鋼繊維補強コンクリートを準備するいくつかの成功した試行は、1980 年代から行われてきました。1984 年、シェン⁷は鋳造中に鋼繊維補強セメント系複合材料 (SFRC) 梁の底層に電磁界を適用し、x 線検出解析鋼繊維が整列したも明らかにしました。1995 年にバイエル⁸とアーマン⁹磁場を用いたアライメントされた鋼繊維補強コンクリートの準備のためのアプローチ特許を取得しました。山本ら¹⁰では、主に鋳造方法によって影響を受けるし、一定の方向から型枠に流れるフレッシュ コンクリートを保つことによって一直線に並べられた鋼繊維補強コンクリートを取得しようとしたためにコンクリートの鋼繊維の方向と見なされます。徐¹¹一定の方向から鋼繊維を噴霧することにより吹付けコンクリートの鋼繊維を配置しようとしました。ロトンドやウィーナー¹²遠心鋳造によって一直線に並べられた長い鋼繊維コンクリート製電柱を作るように努めた。これらの実験的研究では、ランダムに配置された鋼繊維補強コンクリートの大きな利点は、一直線に並べられた鋼繊維補強コンクリートを明らかにします。

最近、ミケルスら¹³ Muら¹⁴整列鋼繊維補強セメント系複合材料 (ASFRCs) 電磁フィールドを使用してグループを開発しました。これらの研究で様々 なソレノイドは、サイズの異なるモルタル試験体における鋼繊維を揃えるため一様磁場を提供するためになされました。ソレノイドは空洞、定義済みのサイズの標本を収容できる立方体です。ソレノイドを直流 (DC) に接続すると、チャンバー内にソレノイドの軸に揃えます一定の方向に一様な磁界が作成されます。電磁気学¹⁵の主義に従って磁界が回転し、モルタルで整列する強磁性ファイバーをドライブできます。モルタルの適切な施工はモルタルで回転する鋼繊維をできるようにするため重要です。高粘度低粘度は繊維の分離につながる可能性があります、モルタルに鋼繊維の配置が困難を引き起こす可能性があります。

本稿では、ASFRC 試験片の準備の詳細と、ASFRC、SFRC の曲げ特性をテストします。ASFRC、高い曲げ強度と SFRC より靱性が期待されます。したがって、ASFRC の引張応力に耐える SFRC 上利点がある可能性がある、かぶりコンクリート、舗装、等として使用される場合、耐割れ

骨折の試料を用いて曲げ試験後破断面を観察することにより検討する標本における鋼繊維の向きとスキャン利用 x 線トモグラフィー解析^16,17の計算^,18. ASFRCs、曲げ強度、靭性などの機械的性質の報告し、比較した非電磁治療 SFRCs の。

プロトコル

1. ソレノイド磁場セットアップ

注: 磁場は、空洞のソレノイドによって生成されます。セットアップは、ポリブチレンテレフタ レート (PBT) ボード ソレノイド スケルトン 4 - 6 エナメルの層は銅電線し、保護 (図 1) のためのプラスチック絶縁層巻きコイルです。Dc コイルを接続した後、コイル内の電流は固定方向と強度定数の磁気誘導ソレノイド チャンバー内の均一な電磁界を作成します。モルタルに鋼繊維を合わせ、ASFRC 標本の作製に磁場を使用します。本研究で我々 は 150 × 150 × 550 mm プリズム試料室サイズ 250 × 250 × 750 mm のソレノイドを使用して準備。

1. ソレノイドの電流を磁気誘導強度を関連付けます。
   1. Dc ソレノイドを接続し、0 から現在 10 A 1 A. 測定して記録テスラ メーターを用いた電磁室における磁気誘導強度のステップ長と適用します。
   2. ソレノイドの必要電流を確認後の手順で使用される磁気誘導電流強度曲線 (図 2) をプロットします。
      注意: 慎重に手順を電気的安全性を電源と電力に関連するすべての操作手順でソレノイドを接続するとき。

2. フレッシュ モルタルの施工性

1. 3 つの準備とモルタル混合繊維量分数 0.8%、1.2% と 2.0% の鋼をそれぞれ (表 1)。3 つのミックスは、0.42:1:2 の比を砂にセメントを水と同じマトリックス組成を持っています。混合比によるとセメントの 0.5 kg、砂、1.0 kg と 0.21 kg 加工性テストのための水の重量を量る。
2. まず、モルタル ミキサーに水を追加します。セメントを加えます。ミックスは、水とセメントの 30 s。別の 30 のミックス s、この 30 の中に混合の s は、ミキサーに砂を徐々 に追加。別の 60 のミックス s。
3. モルタル (JGJ/T70-2009)¹⁹階パフォーマンスのテスト メソッドの中国の標準に続く沈降深度計を用いた混合物の沈降深さをテストします。
4. 2.2 と 2.3、シンクの深さに 50 〜 100 ミリメートルの範囲内になるまで、高性能減水剤の投与量を調整する手順を繰り返します。目的の作業を生成する高性能減水剤の投与量を記録し、表 1に調合の一部としてそれを補います。また施工性が達成された後は、フレッシュ モルタルの比重をテストします。上記の検査からポリカルボン酸系高性能減水剤の最適投与量は 0.10% (セメント質量比) とモルタルの比重は 2186 kg/m³。
5. 同軸回転モルタル レオメータ (図 3) を用いたフレッシュ モルタルの粘性をテストします。レオメータ、20 ° C でサンプル容器の温度を維持することができます水のお風呂
   1. サンプル容器に混合前の 5 分以内モルタルの 300 mL を入れます。
   2. 粘度試験を開始します。コンテナーで、モルタルにプローブがだんだんし、コンテナーが回転を開始します。フレッシュ モルタル回転容器内の移動、せん断力がプローブに適用されます。過程で、レオメータ レコードせん断応力とせん断速度し、ずり速度、剪断応力の曲線をプロットします。曲線の傾きは、モルタル^20,21の粘度です。この調査では、テストからフレッシュ モルタルの粘度は 0.82 Pas です。

3. 試料作製

1. 磁場の磁気誘導強度と、ソレノイドの電流を決定します。
   1. 2.5.2、ステップで決定したセメント モルタルの粘度を使用して計算式 (1) を用いたセメント モルタルにおける鋼繊維を揃えるために必要な磁場の磁気誘導強度:¹³
      (1)
      Bが磁気誘導強度、 ηはフレッシュ モルタルの粘性、 l_fは鋼繊維の長さ、 mは個々 の鋼繊維の質量、 r_fはスチール繊維、 μ の半径鋼繊維の透磁率、 μ₀は真空の透磁率、Δtが時間間隔ありα(t + Δt) 次の時間間隔で角加速度は。粘度と鋼繊維のテストで使用されるパラメーターによると必要な磁気誘導強度は 9.83 山
   2. 図 2または式 (2) によると十分な磁気誘導強度を作成するために必要なソレノイドの電流を決定する:¹⁴
      (2)
      必要な電流は、 Nはソレノイド巻き数、 Lはソレノイドの長さ。
      式 (2) を使用すると、必要な電流は 8.3 A、図 2からは約 8.5 a.
2. ASFRC 標本を作製します。
   1. 15 L モルタル ミキサーを使用すると、モルタルを混ぜます。各バッチのためによると、表 1に示した調合モルタルの 7.5 L をミックスします。表 1 は、A V と_fA が、鋼繊維が規則正しく並んだ、V_fは鋼繊維体積率を示します ASFRC ミックスを表します。したがって、SFRC ミックス示されます、比較のため R V と_fR が鋼繊維がランダムに分布していることを示します。SFRC ミックスは表 1に記載されていないが ASFRC と同じ比率です。
   2. 原材料の重量を量るし、鋼繊維補強モルタルのルーチンの手順を次を混ぜます。
   3. 明確なサイズの 150 × 150 × 550 mm. とプラスチック金型にモルタルを注ぐ作業性を失うことを避けるために混合後速やかに試料をキャストしました。セメントと水との接触からの 1 つの ASFRC プリズムをキャスト約 25 分します。
   4. 圧縮テーブルの上に金型を移動し、圧縮テーブル 30 s. 追加のため、金型は完全に満ちていることを確認するため必要に応じてより多くの乳鉢を切り替えます。
   5. ソレノイドの商工会議所に金型を入れます。
   6. ソレノイドおよび 50 の圧縮テーブルのスイッチ s。
      注: 普通コンクリートの合理的な圧縮に周りが 60-120 s。このテストでは、この範囲内で総圧縮時間を制御しようが。もはや圧縮時間は、鋼繊維; のアライメントを改善可能性があります。ただし、それは圧縮とその結果 (沈没スチール繊維と粗骨材がある場合) の分離を引き起こすかもしれません。圧縮時間は、鋼繊維と非連結コンクリートの位置合わせが不正確で可能性があります。
   7. 圧縮テーブルをオフにします。
   8. スイッチ、ソレノイドを切る圧縮テーブルが完全に停止した後。
   9. 優しくソレノイドから金型を取り出して、こてでモルタルの上面を滑らかに。上面に近い鋼繊維を妨害しません。
3. 各ミックス (次の手順 3.2.2-3.2.9) 電磁治療の 3 つの標本と (次の手順 3.2.2-3.2.4 と 3.2.9) 非電磁治療の 3 つの標本を準備します。非電磁処理試料作製、圧縮時間の合計は 80 s-電磁処理試料作製のと同じ。
4. 屋内と 24 h の金型では、標本をままにします。脱型し、霧部屋で標本を治す機械試験に使用されるまで。

4. 3 点曲げ試験

1. 28 日後養生室から試験片を取り出し、(A)、(B) をサポート、中間スパンのたわみ (C)、LVDT は、固定点 (D) (図 4) の読み込み位置をマークします。
2. MTS 試験機の 3 点曲げ試験装置 (図 4) に標本を置き、供試体 (図 4) の各側面の LVDT ホルダーを使用して中間スパンに LVDT を修正します。
3. Datalog、LVDT に接続します。試験機の制御 PC のデータの取得頻度を設定します。
4. 徐々 に上げて下をサポートして、載荷試験機のセル上に非常に近いが、供試体の上面に触れていない供試体を発生させます。
5. 初期読み込み、中間スパンのたわみ (LVDT) と変位 (ロードセル) 値はゼロします。
6. テストを開始し、標本の読み込みと中間スパンのたわみの完全な履歴のレコードを 0.2 mm/分の速度で変位制御をもつ試料に 3 点曲げ荷重を適用します。
7. 負荷と供試体の変形を見る。ピーク値の後の変位が 30 mm より大きい、テストを停止します。通常、試料が割れているし、負荷が 1.0 未満 kN。
8. すべての標本をテストする 4.1 4.7 の手順を繰り返します。

5. 鋼繊維配向解析

1. 骨折部に鋼繊維の数をカウントします。
   1. 標本をひびの入ったセクションで 2 つの部分に分けます。
   2. 測定し、セメント モルタル試験片の破断面の鋼繊維の向きを記録します。方向は、鋼繊維と供試体の軸間の角度です。向きを六つの角度範囲のいずれかに分類できます鋼繊維の向きを手動で測定が困難な不正確な測定を作り出すことができるので: 0 - 15 °、15-30 °、30 ~ 45 °、45-60 °、60-75 °、75-90 °。各グループの鋼繊維の数を記録し、式 (3) を用いた試験体の平均繊維配向効率因子を計算します。
      (3)
      η_θは鋼繊維の平均方位効率係数、 l_fは個々 の鋼繊維の長さ、 nはひび割れ部に鋼繊維の合計数とθ_は私です、鋼繊維と試料に印加される磁界の方向間の角度 (計算、角度範囲の中間の値は、各グループにおけるすべての鋼繊維に採用されて)。
2. X 線トモグラフィー解析を実行します。
   1. 各モルタル供試体から 75 mm キューブをカットします。
   2. X 線断層撮影システムを使用してキューブの x 線スキャンを実行します。テスト プラットフォームで試験片を置き、スキャンを開始します。供試体は徐々 に 360 ° を回転し、回転ステップごとに試料による x 線の減衰を記録します。コンピューター断層撮影システムでは、キューブの三次元デジタル構造を生成します。
   3. 白と黒の二値化処理、デジタル キューブ構造における鋼繊維を識別します。鋼繊維の分布を記述する画像を取得します。
   4. 画像解析によるすべての鋼繊維の座標を決定します。
   5. その座標によると各鋼繊維の方向を計算します。
   6. 式 (3) を使用して繊維の配向の効率因子を計算します。

結果

ASFRCs と SFRCs の 3 点曲げ試験から決定の曲げ強さは、図 5のとおりです。ASFRCs の曲げ強さは、すべて繊維用量の SFRCs のそれらより高くなっています。ASFRCs の曲げ強さは 88%, 71%, 57% 0.8%、1.2% 2.0% ・繊維容積比で SFRCs のそれらより高いであった。これらの結果は、一直線に並べられた鋼繊維がランダム スチール繊維より効果的にセメント系マトリ?...

ディスカッション

本研究で開発した電磁ソレノイド 250 × 250 × 750 mm を測定室には、フルサイズの構造要素を格納することはできません。商工会議所のサイズ設定、概念のアプリケーションに関する制限、本論文で提案されたプロトコルがフルサイズ セットアップ ASFRC 要素の製造のためのそれ以上の開発を刺激する、プレキャストの要素が特に。

鋼繊維の配置はフレッシュ モルタルの粘?...

資料

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