Preparação de fibras de aço alinhada reforçado cimento compósito e seu comportamento à flexão

Resumo

Este protocolo descreve uma abordagem para a fabricação de composto de cimento reforçado de fibra de aço alinhados através da aplicação de um campo eletromagnético uniforme. Composto de cimento reforçado de fibra de aço alinhado exibe propriedades mecânicas superiores de concreto reforçado com fibra comum.

Resumo

O objetivo deste trabalho é apresentar uma abordagem, inspirada pela maneira em que uma agulha de bússola mantém uma orientação consistente sob a ação do campo magnético da terra para a fabricação de um composto de cimento reforçado com fibras de aço alinhadas. Alinhados fibra de aço reforçado de compósitos cimentícios (ASFRC) foram preparados através da aplicação de um campo eletromagnético uniforme de argamassa fresca, contendo fibras curtas de aço, no qual as fibras curtas de aço foram levadas para rodar em alinhamento com o campo magnético. O grau de alinhamento das fibras de aço em ASFRC endurecido foi avaliado pela contagem de fibras de aço em secções transversais fraturadas e por análise de tomografia computadorizada de radiografia computadorizada. Os resultados dos dois métodos mostram que o aço, fibras em ASFRC foram altamente alinhadas, enquanto as fibras de aço no trataram não-magneticamente compósitos foram distribuídos aleatoriamente. As fibras de aço alinhadas tinham uma eficiência muito maior reforço, e os compostos, portanto, exibiram a dureza e resistência à flexão significativamente reforçada. O ASFRC é, portanto, superior ao ALÇAPÃO em que ele pode suportar maior tensão de tração e mais resistem eficazmente a fissuração.

Introdução

Incorporação de fibras de aço no concreto é uma maneira eficaz para superar a fraqueza inerente da fragilidade e melhorar a resistência à tração do concreto¹. Durante as últimas décadas, concreto reforçado com fibras de aço tem sido extensivamente investigado e amplamente utilizado no campo. Concreto reforçado com fibras de aço é superior ao concreto em termos de resistência de rachamento, resistência à tração, tenacidade à fratura, fratura de energia, etc.² nas fibras de concreto armado, aço fibra de aço são aleatoriamente dispersos, desse modo dispersar uniformemente a eficiência de reforço das fibras em todas as direções. No entanto, em determinadas condições de carregamento, apenas algumas das fibras de aço no concreto contribuem para o desempenho dos elementos estruturais porque a eficiência de reforço das fibras requer que eles ser alinhado com o princípio salienta elástica na estrutura. Por exemplo, quando usando concreto reforçado com fibras de aço contendo fibras de aço distribuídas aleatoriamente para preparar um feixe, algumas das fibras de aço, especialmente aqueles paralela à direção da principal tensão elástica, fará uma contribuição importante para Não reforçar a eficiência, enquanto aqueles perpendicular à direção da tensão tração principal fará nenhuma contribuição para o reforço da eficiência. Consequentemente, encontrar uma abordagem para alinhar as fibras de aço com a direção do principal stress elástico em concreto é necessário para atingir a máxima eficiência de reforço das fibras de aço.

O fator de eficiência de orientação, definido como a razão entre o comprimento projetado ao longo da direção do stress elástico para o comprimento real de fibras, geralmente é usado para indicar a eficiência do reforço de fibras de aço^3,4 . De acordo com esta definição, o fator de eficiência de orientação das fibras alinhadas com a direção do stress tênsil é 1.0; das fibras que são perpendiculares ao stress tênsil é 0. Inclinado de fibras têm um fator de eficiência de orientação entre 0 e 1,0. Os resultados analíticos mostram que o fator de eficiência de orientação das fibras de aço distribuídos aleatoriamente em concreto é 0.405⁴, enquanto que a partir de ensaios de concreto reforçado com fibras de aço ordinário é na faixa de 0.167 de 0,500^5,6 . Evidentemente, se todas as fibras curtas de aço no concreto são alinhadas e tem a mesma orientação como o estresse de tração, as fibras de aço terá a mais alta eficiência de reforço e os espécimes terá o comportamento elástico ideal.

Algumas tentativas bem sucedidas para preparar o concreto reforçado com fibras de aço alinhados têm sido realizadas desde a década de 1980. Em 1984, Shen⁷ aplicado a um campo eletromagnético para a camada inferior de vigas de cimento compósito (ALÇAPÃO) fibra de aço reforçada durante a fundição, e análise de detecção de raio-x revelou que as fibras de aço foram bem alinhadas. Em 1995, Bayer⁸ e Arman⁹ patenteou a abordagem para a preparação de concreto reforçado com fibras de aço alinhadas usando um campo magnético. Yamamoto et al . ¹⁰ considera-se a orientação das fibras de aço em concreto para ser principalmente influenciado pela abordagem fundição e tentou obter concreto reforçado com fibras de aço alinhado ao manter fluindo concreto fresco para a cofragem de uma direção constante. Xu¹¹ tentativa de alinhar as fibras de aço em concreto projetado por pulverização de fibras de aço de uma direção constante. Rotondo e Wiener¹² procuraram fazer postes de concretos com fibras de aço longo alinhadas por fundição centrífuga. Estes estudos experimentais revelam que o concreto reforçado com fibras de aço alinhado tem vantagens significativas sobre concreto reforçado com fibras de aço distribuídos aleatoriamente.

Recentemente, Michels et al ¹³ e Mu et al ¹⁴ tem desenvolvido com sucesso um grupo de compósitos cimentícios alinhados fibra de aço reforçado (ASFRCs) usando campos electromagnéticos. Nestes estudos, vários solenoides foram feitas para fornecer um campo magnético uniforme para o alinhamento de fibras de aço em amostras de argamassa de tamanhos diferentes. O solenoide tem uma câmara cuboide oca, que pode acomodar amostras de tamanhos predefinidos. Quando o solenoide é ligado a corrente contínua (DC), um campo magnético uniforme é criado na câmara com uma orientação fixa, que se alinha com o eixo do solenoide. De acordo com o princípio do eletromagnetismo¹⁵, campos magnéticos pode conduzir fibras ferromagnéticas para girar e alinhar na argamassa fresca. Trabalhabilidade adequada da argamassa é crítica para permitindo fibras de aço girar na argamassa fresca. Uma viscosidade elevada pode causar dificuldade no alinhamento das fibras de aço em argamassa, enquanto baixa viscosidade pode levar à segregação das fibras.

Este documento descreve os detalhes da preparação de espécimes ASFRC e testa as propriedades flexurais do ASFRC e do ALÇAPÃO. Espera-se que ASFRC tem uma maior resistência à flexão e dureza do ALÇAPÃO. Assim, ASFRC potencialmente tem vantagens sobre o ALÇAPÃO em suportar o estresse de tração e resistência à rachaduras, se usado como cobertura de concreto, asfalto, etc.

Usando os espécimes fraturados após testes de resistência à flexão, a orientação das fibras de aço nas amostras é investigada, observando as seções transversais fraturadas e utilizando raios-x de digitalização computadorizada tomografia computadorizada análise^{16,17 , 18}. as propriedades mecânicas do ASFRCs, incluindo a sua resistência à flexão e tenacidade, são relatadas e comparadas com os de SFRCs não-eletromagneticamente tratados.

Protocolo

1. configuração de campo magnético do solenoide

Nota: O campo magnético é gerado por um solenoide com uma câmara oca. A instalação é um esqueleto de polibutileno tereftalato (PBT) placa solenoide enrolado com 4 a 6 camadas de esmalte, fio de cobre isolado e envolto com uma camada plástica isolante para proteção (Figura 1). Depois de conectar a bobina para DC, a corrente na bobina cria um campo eletromagnético uniforme dentro da câmara de solenoide com um fixo de direção e intensidade constante da indução magnética. Use o campo magnético para alinhar as fibras de aço na argamassa fresca e preparar as amostras ASFRC. Neste estudo, preparamos 150 × 150 × 550 mm prisma amostras usando um solenoide com um tamanho de câmara de 250 × 250 × 750 mm.

1. Correlacione a intensidade da indução magnética para a corrente elétrica do solenoide.
   1. Ligar o solenoide para DC e aplicar corrente de 0 a 10 A, com um comprimento de passo de 1 a. medida e registo da intensidade da indução magnética na câmara de solenoide usando um medidor de tesla.
   2. Traça a curva de intensidade de corrente de indução magnética (Figura 2), que será usada para determinar a corrente necessária do solenoide em etapas posteriores.
      Nota: Siga atentamente os procedimentos de segurança eléctrica quando ligar o solenoide à fonte de energia e todos os outros processos de operação pertinentes à energia elétrica.

2. a trabalhabilidade da argamassa fresca

1. Preparar três misturas de argamassa com aço fibra volume frações 0.8%, 1,2% e 2,0%, respectivamente (tabela 1). As três misturas têm a mesma composição de matriz com uma água para cimentar a relação de 0.42:1:2 de areia. De acordo com a proporção de mistura, pesa 0,5 kg de cimento, 1,0 kg de areia e 0,21 kg de água para testes de trabalhabilidade.
2. Adicione água para o misturador de argamassa primeiro. Em seguida, adicione o cimento. Misture a água e o cimento por 30 s. Em seguida, misture por mais 30 s e durante este 30 s da mistura, adicione gradualmente a areia ao misturador. Em seguida, misture por mais 60 s.
3. Teste a profundidade naufrágio da mistura usando um medidor de profundidade afundando seguindo o padrão chinês para método de teste de desempenho na construção de argamassa (JGJ/T70-2009)¹⁹.
4. Repita as etapas de 2.2 e 2.3, ajustar a dosagem de superplastificante a até a profundidade de naufrágio cai na faixa de 50-100 mm. Gravar a dosagem de superplastificante que produz a trabalhabilidade desejada e completá-lo como parte da proporção da mistura na tabela 1. Também teste a densidade específica da argamassa fresca após o workability é alcançado. A dosagem otimizada de um superplastificante de policarboxilato dos testes acima mencionados é de 0,10% (relação massa de cimento) e a densidade específica da argamassa fresca é 2186 kg/m³.
5. Teste a viscosidade da argamassa fresca usando um rheometer argamassa rotacional co-axial (Figura 3). O rheometer tem um banho de água que pode manter a temperatura do recipiente da amostra a 20 ° C.
   1. Coloca 300 mL de argamassa fresca misturada dentro o anterior 5 min dentro do recipiente da amostra.
   2. Começa o teste de viscosidade. A sonda cai gradualmente a argamassa fresca no recipiente, e o recipiente começa a girar. Enquanto a argamassa fresca se move dentro do contêiner rotativo, aplica-se uma força de cisalhamento da sonda. No processo, os registros de rheometer a tensão de cisalhamento e cisalhamento taxa e plota a curva de tensão de cisalhamento, a taxa de cisalhamento. A inclinação da curva é a viscosidade da argamassa^20,21. Nesta investigação, a viscosidade da argamassa fresca de testes é Pas 0,82.

3. preparação das amostras

1. Determine a intensidade da indução magnética do campo magnético e a corrente do solenoide.
   1. Usando a viscosidade da argamassa de cimento determinada na etapa 2.5.2, calcular a intensidade da indução magnética do campo magnético necessária para o alinhamento de fibras de aço em argamassa de cimento, através da equação (1):¹³
      (1)
      onde B é a intensidade da indução magnética, η é a viscosidade da argamassa fresca, l_f é o comprimento da fibra de aço, m é a massa de uma fibra de aço individual, de_f r é o raio de fibras de aço, μ é a permeabilidade das fibras de aço, μ₀ é a permeabilidade do vácuo, Δt é o intervalo de tempo e α(t + Δt) é a aceleração angular no próximo intervalo de tempo. De acordo com a viscosidade e os parâmetros da fibra de aço utilizados nos ensaios, a intensidade necessária da indução magnética é 9.83 Mt.
   2. Determinar a corrente elétrica do solenoide necessário para criar uma intensidade da indução magnética suficiente de acordo com a Figura 2 ou equação (2):¹⁴
      (2)
      onde I é a corrente necessária, N é o número de espiras do solenoide e L é o comprimento do solenoide.
      Usando a equação (2), a corrente exigida é 8,3 A, enquanto o da Figura 2 é cerca de 8,5 A.
2. Preparar as amostras ASFRC
   1. Use um misturador de argamassa de 15 L para misturar argamassa fresca. Para cada lote, misture 7,5 L de argamassa de acordo com as proporções de mistura listados na tabela 1. Tabela 1 denota as misturas ASFRC como A-V_f, onde A indica que as fibras de aço são alinhadas e V_f indica a fração de volume de fibras de aço. Por conseguinte, as misturas de ALÇAPÃO são denotadas, para comparação, como R-V_f, onde R indica que as fibras de aço são distribuídas aleatoriamente. As misturas de ALÇAPÃO não estão listadas na tabela 1 , mas tem as mesmas proporções como ASFRC.
   2. Pesar as matérias-primas e misture a argamassa de cimento reforçada com fibras de aço seguindo procedimentos de rotina.
   3. Despeje a argamassa fresca em um molde plástico com claro tamanho de 150 × 150 × 550 mm. elenco dos espécimes imediatamente após a mistura para evitar a perda de trabalhabilidade. Demora cerca de 25 min para lançar um prisma ASFRC do contato entre água e cimento.
   4. Mover o molde em uma mesa de compactação e ligue a compactação da tabela para adicionar s. 30 mais argamassa conforme necessário para garantir que o molde é completamente preenchida.
   5. Colocar o molde para a câmara do solenoide.
   6. Ligar o solenoide e compactação tabela para 50 s.
      Nota: Para o concreto comum o tempo de compactação razoável é em torno de 60-120 s. Neste teste, é tentativa para controlar o tempo total de compactação dentro desse intervalo. Vez mais compactação pode melhorar o alinhamento das fibras de aço; no entanto, pode causar sobre compactação e, consequentemente, a segregação (afundamento de fibras de aço e agregados grosseiros se houver). Menos tempo de compactação pode causar pobre alinhamento das fibras de aço e concreto não consolidado.
   7. Desligue a compactação da tabela.
   8. Desligue o solenoide após a compactação da tabela parou completamente.
   9. Suavemente retire o molde de solenoide e alise a superfície superior da argamassa com uma colher de pedreiro. Não comprometer as fibras de aço perto de superfície superior.
3. Para cada mistura, prepare três espécimes eletromagneticamente tratadas (seguindo passos 3.2.2-3.2.9) e três amostras não-eletromagneticamente tratadas (seguindo os passos 3.2.2-3.2.4 e 3.2.9). Na preparação de amostras não-eletromagneticamente tratadas, o tempo total de compactação foi 80 s — o mesmo que na preparação de amostras tratadas eletromagneticamente.
4. Deixe as amostras dentro de casa e em seus moldes por 24 h. Então demold e curar os espécimes em uma sala de névoa, até que eles são utilizados para ensaios mecânicos.

4. três pontos ensaio de flexão

1. Depois de 28 dias, retire os espécimes da sala de cura e marcar as posições para carregar (A), suporta (B), mid-span deflexão (C) e LVDT fixação pontos (D) (Figura 4).
2. Coloque a amostra no equipamento de teste flexão a três pontos (Figura 4) da máquina de teste MTS e consertar um LVDT para o mid-span usando um suporte LVDT em cada superfície lateral da amostra (Figura 4).
3. Conecte o LVDT um datalog. Em seguida, defina a frequência de aquisição de dados no controle PC da máquina de testes.
4. Gradualmente aumentar a amostra por elevar de que o fundo oferece suporte para que a parte superior célula da máquina de teste de carga é muito perto, mas não tocar a superfície superior da amostra.
5. Zero a carga inicial, mid-span deflexão (LVDT) e valores de deslocamento (célula de carga).
6. Iniciar o teste e aplicar uma carga de flexão de três pontos para a amostra com um controle de deslocamento a uma velocidade de 0,2 mm/min. recorde a história completa da deflexão de carregamento e mid-span do espécime.
7. Cuidado com a carga e a deformação da amostra. Após o valor de pico, quando o deslocamento for superior a 30 mm, pare o teste. Normalmente, a amostra está rachada e a carga é menor que 1,0 kN.
8. Repita as etapas 4.1-4,7 para testar todas as amostras.

5. aço fibra análise de orientação

1. Conte o número de fibras de aço na seção fraturada.
   1. Separe as amostras em duas porções na seção rachada.
   2. Medir e registrar a orientação das fibras de aço na seção transversal fraturada da amostra de argamassa de cimento. A orientação é o ângulo entre uma fibra de aço e o eixo do espécime. Porque medir manualmente as orientações das fibras de aço é difícil e pode produzir medidas imprecisas, orientações podem ser categorizadas como um dos seis intervalos de ângulo: 0 - 15 °, 15-30 °, 45 ° - 30, 45-60 °, 75 ° - 60 e 75-90 °. Registrar o número de fibras de aço em cada grupo e em seguida, calcular o fator de eficiência de orientação de fibra média da amostra através da equação (3):
      (3)
      onde η_θ é o fator de eficiência média de orientação das fibras de aço, l_f é o comprimento de uma fibra de aço individual, n é o número total de fibras de aço na seção rachada e θ é a ângulo entre uma fibra de aço e a direção do campo magnético aplicado ao modelo (no cálculo, o valor médio do intervalo de ângulo é adotado para todas as fibras de aço em cada grupo).
2. Realizar análise de tomografia computadorizada de radiografia computadorizada.
   1. Corte um cubo de 75 mm de cada amostra de argamassa.
   2. Execute a varredura de raio-x do cubo usando um sistema de tomografia computadorizada de radiografia computadorizada. Colocar um exemplar na plataforma de teste e começar a varredura. O espécime gira 360 ° gradualmente e a máquina registra a atenuação dos raios x causada por amostra a cada passo de rotação. O sistema de tomografia computadorizada gera uma estrutura tridimensional digital do cubo.
   3. Identifica as fibras de aço na estrutura do cubo digital por processamento binário preto e branco. Em seguida, obter a imagem digital, descrevendo a distribuição das fibras de aço.
   4. Determine as coordenadas de todas as fibras de aço por análise de imagem.
   5. Calcule a orientação de cada fibra de aço de acordo com as suas coordenadas.
   6. Calcule o fator de eficiência de orientação das fibras através da equação (3).

Resultados

Os pontos fortes à flexão de ASFRCs e SFRCs, determinados a partir de testes de flexão de três pontos são mostrados na Figura 5. Os pontos fortes à flexão de ASFRCs são superiores aos de SFRCs para todas as doses de fibra. A força flexural de ASFRCs foram de 88%, 71% e 57% superiores aos de SFRCs em fracções de volume da fibra de 0,8%, 1,2% e 2,0%, respectivamente. Estes resultados implicam que a fibra de aço alinhada reforça a matriz cimentícia...

Discussão

O solenoide eletromagnético desenvolvido neste estudo tem uma câmara de medição 250 × 250 × 750 mm e não pode acomodar os elementos estruturais de tamanho completo. Embora o tamanho da câmara limita a aplicação da configuração, o conceito e protocolo proposto neste artigo irá inspirar o desenvolvimento de uma configuração de tamanho máximo para a fabricação de elementos ASFRC, particularmente prefabricados de elementos.

Alcançar uma viscosidade adequada de argamassa fresca ?...

Materiais

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