Name: 定向钢纤维增强水泥基复合材料的制备及其弯曲性能研究 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-27T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 7 s
Description: 学习利用均匀电磁场制备定向钢纤维增强水泥基复合材料的方法。该技术通过电磁场对齐短钢纤维，显著提升复合材料的抗弯强度和韧性，为土木工程高性能材料开发提供新途径。

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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。

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。
<ol>
	<li>将螺线管的磁感应强度与电流相关联。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 新拌砂浆的工作性
<ol>
	<li>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相同，水：水泥：砂比例为0.42:1:2。根据配合比，称取0.5 kg水泥、1.0 kg砂和0.21 kg水，用于工作性测试。</li>
	<li>首先将水加入砂浆搅拌机中，然后加入水泥，搅拌30秒；再继续搅拌30秒，在此30秒内逐渐将砂加入搅拌机中，之后再继续搅拌60秒。</li>
	<li>按照《建筑砂浆性能试验方法标准》（JGJ/T70-2009）19，使用沉入度测定仪测试混合料的沉入深度。</li>
	<li>重复步骤2.2和2.3，调整高效减水剂的掺量，直至沉入度落在50–100 mm范围内。记录达到所需工作性时的高效减水剂掺量，并将其补充至表1中的配合比中。在达到工作性后，同时测试新鲜砂浆的表观密度。前述试验所得聚羧酸高效减水剂的优化掺量为0.10%（占水泥质量的百分比），新鲜砂浆的表观密度为2186 kg/m3。</li>
	<li>使用同轴旋转砂浆流变仪（图3）测试新鲜砂浆的黏度。该流变仪配备水浴系统，可将样品容器的温度维持在20 °C。
	<ol>
		<li>将前5分钟内拌合好的300 mL新鲜砂浆放入样品容器中。</li>
		<li>开始黏度测试。探头逐渐浸入容器中的新鲜砂浆，容器开始旋转。当新鲜砂浆在旋转容器中流动时，会对探头施加剪切力。在此过程中，流变仪记录剪应力与剪切速率，并绘制剪应力–剪切速率曲线。该曲线的斜率即为砂浆的黏度20,21。本研究中，测试所得新鲜砂浆的黏度为0.82 Pas。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 样品制备
<ol>
	<li>确定磁场的磁感应强度和螺线管的电流。
	<ol>
		<li>利用步骤 2.5.2 中测定的水泥砂浆黏度，根据公式 (1) 计算在水泥砂浆中使钢纤维定向排列所需的磁场磁感应强度：13 
		<img alt="磁场方程 B²，电磁分析，数学公式，物理概念。" src="/files/ftp_upload/56307/56307eq1v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 1"> (1) 
		其中 B 为磁感应强度，η 为新鲜砂浆的黏度，lf 为钢纤维长度，m 为单根钢纤维的质量，rf 为钢纤维半径，μ 为钢纤维的磁导率，μ0 为真空磁导率，Δt 为时间间隔，α(t+Δt) 为下一时间间隔的角加速度。根据试验中所用砂浆的黏度及钢纤维参数，所需磁感应强度为 9.83 mT。</li>
		<li>根据 图 2 或公式 (2) 确定螺线管所需电流，以产生足够的磁感应强度：14 
		<img alt="磁场方程；螺线管中电流与磁场的公式；用于教学。" src="/files/ftp_upload/56307/56307eq2v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 2"> (2) 
		其中 I 为所需电流，N 为螺线管匝数，L 为螺线管长度。 
		根据公式 (2) 计算，所需电流为 8.3 A，而根据 图 2 查得约为 8.5 A。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>制备定向钢纤维水泥砂浆（ASFRC）试件
	<ol>
		<li>使用 15 L 砂浆搅拌机搅拌新鲜砂浆。每批次搅拌 7.5 L 砂浆，配合比见 表 1。表 1 中将 ASFRC 配合比记为 A-Vf，其中 A 表示钢纤维定向排列，Vf 表示钢纤维体积分数。相应地，作为对比的 SFRC 配合比记为 R-Vf，其中 R 表示钢纤维随机分布。SFRC 配合比未列于 表 1 中，但其组分比例与 ASFRC 相同。</li>
		<li>称量原材料，并按照常规程序混合钢纤维增强水泥砂浆。</li>
		<li>将新鲜砂浆倒入尺寸为 150×150×550 mm 的塑料模具中。混合完成后应立即浇筑试件，以避免工作性损失。从水泥与水接触开始，浇筑一个 ASFRC 棱柱试件约需 25 分钟。</li>
		<li>将模具置于振动台上，开启振动台振动 30 秒。根据需要补充砂浆，确保模具完全填满。</li>
		<li>将模具放入螺线管腔体内。</li>
		<li>开启螺线管和振动台，持续 50 秒。 
		注：普通混凝土的合理振动时间约为 60–120 秒。本试验中尝试将总振动时间控制在此范围内。较长的振动时间可能改善钢纤维的定向排列，但也可能导致过度密实，进而引起离析（如钢纤维和粗骨料下沉）；较短的振动时间则可能导致钢纤维排列不良和混凝土密实度不足。</li>
		<li>关闭振动台。</li>
		<li>待振动台完全停止后，关闭螺线管。</li>
		<li>小心将模具从螺线管中取出，并用抹刀修平砂浆表面。注意避免扰动靠近表面的钢纤维。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对每种配合比，制备三个经电磁处理的试件（按步骤 3.2.2–3.2.9 操作）和三个未经电磁处理的试件（按步骤 3.2.2–3.2.4 和 3.2.9 操作）。在制备未经电磁处理的试件时，总振动时间设为 80 秒，与经电磁处理试件的总振动时间相同。</li>
	<li>将试件在室内模具中静置 24 小时，然后脱模并放入雾室中养护，直至进行力学性能测试。</li>
</ol>
4. 三点弯曲试验
<ol>
	<li>28天后，从养护室中取出试件，并标记加载位置（A）、支点位置（B）、跨中挠度测量位置（C）以及LVDT固定点（D）（图4）。</li>
	<li>将试件放置于MTS试验机的三点弯曲试验装置上（图4），并在试件两侧面使用LVDT支架固定LVDT，用于测量跨中挠度（图4）。</li>
	<li>将LVDT连接至数据采集仪，然后在试验机的控制计算机上设置数据采集频率。</li>
	<li>通过提升底部支座缓慢抬高试件，使试验机上部加载头接近但不接触试件上表面。</li>
	<li>将初始荷载、跨中挠度（LVDT）和位移（荷载传感器）数值归零。</li>
	<li>启动试验，以0.2 mm/min的位移控制速率对试件施加三点弯曲荷载，记录试件加载全过程及跨中挠度的完整数据。</li>
	<li>观察试件的荷载与变形情况；当荷载达到峰值后，若位移超过30 mm，则停止试验。通常此时试件已开裂，且荷载低于1.0 kN。</li>
	<li>重复步骤4.1–4.7，完成所有试件的测试。</li>
</ol>
5. 钢纤维取向分析
<ol>
	<li>统计断裂截面上钢纤维的数量。
	<ol>
		<li>将试样在裂缝处分为两部分。</li>
		<li>测量并记录水泥砂浆试样断裂横截面上钢纤维的取向。取向是指钢纤维与试样轴线之间的夹角。由于手动测量钢纤维取向较为困难且容易产生误差，可将取向角度划分为六个范围：0 - 15 °、15 - 30 °、30 - 45 °、45 - 60 °、60 - 75 ° 和 75 - 90 °。记录每个角度范围内钢纤维的数量，然后使用公式 (3) 计算试样的平均纤维取向效率因子： 
		<img alt="包含求和符号和余弦变量的静力平衡方程；数学公式。" src="/files/ftp_upload/56307/56307eq3v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 3"> (3) 
		其中 ηθ 为钢纤维的平均取向效率因子，lf 为单根钢纤维的长度，n 为裂缝截面上钢纤维的总数，θi 为钢纤维与施加于试样上的磁场方向之间的夹角（在计算中，每组内所有钢纤维的角度均采用该角度范围的中值）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进行X射线计算机断层扫描分析。
	<ol>
		<li>从每个砂浆试样上切割出一个75 mm的立方体。</li>
		<li>使用X射线计算机断层扫描系统对立方体进行X射线扫描。将试样放置在测试平台上并开始扫描。试样逐步旋转360 °，仪器记录在每个旋转步长下试样引起的X射线衰减情况。计算机断层扫描系统生成该立方体的三维数字结构。</li>
		<li>通过黑白二值化处理识别数字立方体结构中的钢纤维，进而获得描述钢纤维分布的数字图像。</li>
		<li>通过图像分析确定所有钢纤维的坐标。</li>
		<li>根据各钢纤维的坐标计算其取向。</li>
		<li>使用公式 (3) 计算纤维的取向效率因子。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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0.4054，而普通钢纤维混凝土试验测得的取向效率因子范围为0.167至0.5005,6。显然，若混凝土中所有短钢纤维均沿拉伸应力方向排列并具有相同取向，则钢纤维将发挥最高的增强效率，试件也将表现出最优的抗拉性能。
自20世纪80年代以来，已有一些成功制备定向排列钢纤维增强混凝土的尝试。1984年，Shen7在浇筑钢纤维增强水泥基复合材料（SFRC）梁的底层时施加了电磁场，X射线检测分析表明钢纤维实现了良好定向排列。1995年，Bayer8和Arman9获得了利用磁场制备定向排列钢纤维增强混凝土的技术专利。Yamamoto 等10认为混凝土中钢纤维的取向主要受浇筑方式影响，并尝试通过使新拌混凝土持续从单一方向流入模板来获得定向排列的钢纤维增强混凝土。Xu11尝试通过从固定方向喷射钢纤维来实现喷射混凝土中钢纤维的定向排列。Rotondo和Wiener12则通过离心浇筑工艺尝试制备具有定向长钢纤维的混凝土电杆。这些实验研究表明，与随机分布的钢纤维增强混凝土相比，定向排列钢纤维增强混凝土具有显著优势。
最近，Michels 等13 以及 Mu 等14 成功开发出一类利用电磁场制备的取向钢纤维增强水泥基复合材料（ASFRCs）。在这些研究中，研究人员制作了多种螺线管，以在不同尺寸的砂浆试件中提供均匀的磁场，用于使钢纤维定向排列。该螺线管具有一个中空的长方体腔室，可容纳预设尺寸的试件。当螺线管连接至直流电源（DC）时，腔室内会产生方向固定的均匀磁场，其方向与螺线管的轴线一致。根据电磁学原理15，磁场可驱动铁磁性纤维在新鲜砂浆中旋转并定向排列。砂浆具备适当的施工和易性，对于实现钢纤维在新拌砂浆中的旋转至关重要。若黏度过高，会导致钢纤维在砂浆中难以定向排列；而黏度过低则可能引起纤维离析。
本文详细描述了ASFRC试件的制备过程，并测试了ASFRC与SFRC的抗折性能。预计ASFRC的抗折强度和韧性高于SFRC。因此，若用作保护层混凝土或路面材料，ASFRC在承受拉应力和抗裂性能方面可能较SFRC更具优势。 等等。
利用弯曲试验后的断裂试样，通过观察断裂截面并结合X射线扫描计算机断层分析技术，研究试样中钢纤维的取向16,17,18。文中报道了ASFRC的力学性能，包括其抗折强度和韧性，并与未经电磁处理的SFRC进行了比较。

<table><tbody><tr><td>水泥</td><td>Tangshan Jidong Cement Co., Ltd.</td><td>P&amp;times;O 42.5</td><td>普通硅酸盐水泥</td></tr><tr><td>砂</td><td></td><td>河砂</td><td>细度模数为2.4</td></tr><tr><td>高效减水剂</td><td>Subote New Materials Co., Ltd.</td><td>PCA-III</td><td>聚羧酸系，减水率为35%</td></tr><tr><td>钢纤维</td><td>Tianjin Hengfeng Xuxiang New Metal Materials Co., Ltd.</td><td>圆形直丝</td><td>直径0.5 mm，长度25 mm</td></tr></tbody></table>

定向钢纤维增强水泥基复合材料的制备及其抗弯性能

Preparation of Aligned Steel Fiber Reinforced Cementitious Composite and Its Flexural Behavior

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。

通过三点弯曲试验测得的定向钢纤维混凝土（ASFRC）和普通钢纤维混凝土（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。当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，定向排列的钢纤维对水泥基体的增强效果优于随机分布的钢纤维。
图6展示了通过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消耗能量的能力。ASFRCs和SFRCs的韧性已计算得出，结果见表2。与抗弯强度类似，ASFRCs的韧性高于SFRCs。在纤维体积分数分别为0.8%、1.2%和2.0%时，ASFRCs的韧性值比SFRCs分别高出48%、...

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。

本研究的目的是介绍一种受指南针指针在地磁场作用下保持恒定方向这一现象启发的方法……

该方法制备出一种优于以往技术所制备的钢纤维增强水泥基复合材料。此技术的主要优势在于，短钢纤维需要通过电磁场对新鲜水泥基复合材料进行定向排列，从而显著提高对试样的增强能力。将由多人协助演示相关操作步骤。副教授王晓伟、周健教授、研究生韦銮苏和博士生李慧指出，了解砂浆的工作性是制备试件的关键。需准备好沉入度仪以表征砂浆性能，此外还需准备同轴旋转式砂浆流变仪用于工作性测试。进行砂浆混合时，所需材料应放置在砂浆搅拌机附近。每次混合所用的水、水泥和砂的量应相同。测试还需要准备高效减水剂。制备砂浆时，首先将砂加入搅拌机的砂料斗中。然后，将水加入搅拌机中。接着，加入水泥。让水和水泥混合30秒。开始缓慢自动加入砂子，并继续混合另外30秒。再持续搅拌60秒后停止。此时，取下沉深度计，并将新鲜砂浆放入样品容器中。将圆锥体调整至样品上方，固定圆锥位置，使其恰好接触砂浆表面。将仪器上的仪表归零，然后释放圆锥以完成测试。检查仪表读数，确认贯入深度是否在50至100毫米之间。如果结果超出范围，则准备重新配制另一批样品。首先在搅拌机中加入水，然后加入增塑剂以调节沉降深度。接着按之前的方法继续加入水泥和砂。当新拌合物准备好后，再次进行沉降深度测试。如果结果在50至100毫米范围内，则该混合物符合要求。接下来，测试混合物的黏度。将约300毫升新鲜砂浆转移至流变仪样品容器中。进行黏度测试。测试结果将有助于确定所需的磁场强度。实验样品的制备需要施加磁场。该螺线管位于一个压实台上，可对样品模具施加均匀的磁场。砂浆用的塑料模具应能轻松放入螺线管内部。将模具送至30升的砂浆搅拌机旁并放置一旁。在搅拌机附近准备好先前确定的15升砂浆混合料所需的原材料。水泥与砂混合，水与高效减水剂也预先混合。对于所需的钢纤维体积分数，钢纤维是定向钢混合料中的新增组分。首先将水泥和砂加入搅拌机中，以制备砂浆。搅拌后通过目视检查确认其混合均匀，再继续后续操作。然后，加入水和高效减水剂，搅拌约一分钟。最后，加入钢纤维，再搅拌两分钟。完成后，迅速将新鲜砂浆倒入塑料模具中。将模具移至振实台上。开启振实台，持续振动30秒。在继续下一步操作前，确保模具已完全填满。现在，将模具放入电磁室中。同时开启电磁装置和振动台，持续50秒。当振动台完全停止后，关闭电磁装置，并轻轻取出模具。使用铲子平整表面，但避免扰动钢纤维。针对每种钢纤维体积分数，制备三个经电磁处理的试件和三个标准的纤维增强试件。将试件在室内模具中养护24小时。然后，将试样送至雾室进行脱模并继续养护。力学测试在三点弯曲试验装置上进行。两个滚轮将支撑试样。将从上方施加一个载荷。该示意图显示了试件在装置上的安装方式。注意，支座位于550毫米长度试件两端各50毫米处。支点标记为B。载荷施加在该长度中点处，该位置标记为A。在标记为D的位置，试样两侧粘有螺柱，用于支撑线性可变差动变压器（LVD

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定向钢纤维增强水泥基复合材料的制备及其抗弯性能

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