本方案描述了一种通过施加均匀电磁场来制备取向钢纤维增强水泥基复合材料的方法。取向钢纤维增强水泥基复合材料相较于普通纤维增强混凝土具有更优异的力学性能。
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本文内容
摘要
摘要
本研究旨在介绍一种受指南针指针在地磁场作用下保持恒定取向的启发而提出的方法，用于制备钢纤维定向排列的水泥基复合材料。通过在掺有短钢纤维的新拌砂浆中施加均匀的电磁场，使短钢纤维在磁场作用下发生旋转并沿磁场方向定向排列，从而制备出定向钢纤维增强水泥基复合材料（ASFRC）。采用断裂截面钢纤维计数法和X射线计算机断层扫描分析法，对硬化ASFRC中钢纤维的定向程度进行了评估。两种方法的结果均表明，ASFRC中的钢纤维高度定向排列，而未经磁场处理的复合材料中的钢纤维则呈随机分布。定向排列的钢纤维具有更高的增强效率，因此该复合材料表现出显著提高的抗折强度和韧性。因此，ASFRC相较于普通钢纤维增强水泥基复合材料（SFRC）具有更优的性能，能够承受更大的拉应力，并更有效地抑制开裂。
引言
在混凝土中掺入钢纤维是克服混凝土固有脆性弱点并提高其抗拉强度的有效方法1在过去的几十年中，钢纤维混凝土得到了广泛研究，并已在工程领域中大量应用。与普通混凝土相比，钢纤维混凝土在抗裂性能、抗拉强度、断裂韧性、断裂能等方面具有显著优势。 等等。2 在钢纤维增强混凝土中，钢纤维呈随机分布，从而在各个方向上均匀分散纤维的增强效应。然而，在特定荷载条件下，混凝土中仅部分钢纤维对结构构件的性能产生贡献，因为纤维的增强效应要求其方向与结构中的主拉应力方向一致。例如，当采用含有随机分布钢纤维的混凝土制备梁时，部分钢纤维（尤其是与主拉应力方向平行的纤维）对增强效应起主要作用，而与主拉应力方向垂直的钢纤维则对增强效应无贡献。因此，有必要探索一种使钢纤维在混凝土中沿主拉应力方向定向排列的方法，以实现钢纤维最高程度的增强效率。
取向效率因子定义为纤维在拉伸应力方向上的投影长度与纤维实际长度的比值，通常用于表征钢纤维增强效果的效率3,4。根据该定义，与拉伸应力方向一致的纤维取向效率因子为1.0；垂直于拉伸应力方向的纤维取向效率因子为0；倾斜纤维的取向效率因子介于0至1.0之间。分析结果表明，混凝土中随机分布的钢纤维取向效率因子为0.405....
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方案
1. 螺线管磁场装置
注意：磁场由带有空腔的螺线管产生。该装置由聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）板制成的螺线管骨架构成，其上缠绕4–6层漆包铜线，并外覆塑料绝缘层以提供保护（图1）。将线圈连接至直流电源后，线圈中的电流会在螺线管空腔内产生方向固定、磁感应强度恒定的均匀电磁场。利用该磁场对新鲜砂浆中的钢纤维进行取向排列，并制备定向钢纤维增强水泥基复合材料（ASFRC）试件。本研究中，采用空腔尺寸为250×250×750 mm的螺线管制备了尺寸为150×150×550 mm的棱柱形试件。
- 将螺线管的磁感应强度与电流相关联。
- 将螺线管连接至直流电源，以1 A为步长，从0 A逐步增加电流至10 A。使用特斯拉计测量并记录螺线管腔内的磁感应强度。
- 绘制磁感应强度-电流曲线（图2），该曲线将在后续步骤中用于确定螺线管所需的电流。
注意：在将螺线管连接至电源以及所有涉及电力的操作过程中，务必严格遵守电气安全操作规程。
2. 新拌砂浆的工作性
- 分别制备钢纤维体积分数为0.8%、1.2%和2.0%的三种砂浆配合比（表1）。这三种配合比的基体组成....
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结果
通过三点弯曲试验测得的定向钢纤维混凝土（ASFRC）和随机分布钢纤维混凝土（SFRC）的抗折强度如图5所示。在所有纤维掺量下，ASFRC的抗折强度均高于SFRC。在纤维体积分数分别为0.8%、1.2%和2.0%时，ASFRC的抗折强度比SFRC分别高出88%、71%和57%。这些结果表明，与随机分布的钢纤维相比，定向排列的钢纤维能够更有效地增强水泥基体。
图6展示了三点弯曲试验获得的荷载-挠度曲线。荷载-挠度曲线下的面积定义为抗弯韧性，反映了试件在断裂时吸收或耗散能量的能力。ASFRC和SFRC的韧性已计算得出，结果见表2。与抗弯强度类似，ASFRC的韧性高于SFRC。在纤维体积分数分别为0.8%、1.2%和2.0%时，ASFRC的韧性值分别比SFRC高出48%、77.......
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讨论
本研究开发的电磁螺线管腔室尺寸为 250×250×750 mm，无法容纳完整尺寸的结构构件。尽管腔室尺寸限制了该装置的应用，但本文提出的概念和方案将为开发用于制造 ASFRC 构件（特别是预制构件）的全尺寸装置提供重要参考。
控制新鲜砂浆的适当黏度是确保 ASFRC 质量的关键因素，因为钢纤维的取向由磁力驱动，而磁力必须克服新鲜砂浆中的黏性阻力。这种黏性阻力由新鲜砂浆的黏度决定。砂浆黏度越低，钢纤维越容易取向。另一方面，新鲜砂浆的黏度也影响钢纤维的悬浮状态。过高的新鲜基体黏度会导致钢纤维取向困难，而过低的黏度则会引起钢纤维离析。因此，过高或过低的黏度都会降低纤维增强的效率。为平衡钢纤维的取向与悬浮，可通过控制普通新鲜水泥砂浆的沉入深度在 50–100 mm 范围内，从而经验性地调节新鲜砂浆的黏度。
尽管本文所述方案用于制备钢纤维增强水泥砂浆，但也适用于钢纤维增强混凝土。图7是根据上述方案制备的含粗骨料的定向排列钢纤维增强混凝土的照片。对于混凝土而言，由于存在粗骨料，直观上钢纤维位于粗骨料之间的空隙中，因而难以实现定向排列。然而.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：51578208）、河北省自然科学基金（项目编号：E2017202030 和 E2014202178）以及河北省高等学校科学技术研究重点项目（项目编号：ZD2015028）提供的经费支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 水泥 | Tangshan Jidong Cement Co., Ltd. | P×O 42.5 | 普通硅酸盐水泥 |
| 砂 | 河砂 | 细度模数为2.4 | |
| 高效减水剂 | Subote New Materials Co., Ltd. | PCA-III | 聚羧酸系，减水率为35% |
| 钢纤维 | Tianjin Hengfeng Xuxiang New Metal Materials Co., Ltd. | 圆形直丝 | 直径0.5 mm，长度25 mm |
参考文献
- Zollo, R. F. Fiber-reinforced concrete: an overview after 30 years of development. Cem. Concr. Compos. 19 (2), 107-122 (1997).
- Bentur, A., Mindess, S. Fiber reinforced cementitious composites. , 2nd Edition, Taylor & Francis. London and New York. (2014).
- Deeb, R., Karihaloo, B. L., Kulasegaram, S. R....
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重印与许可
