Vorbereitung der ausgerichteten Stahlfaser verstärkt zementgebundene Verbund und seine Biege-Verhalten

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt einen Ansatz für die Herstellung von ausgerichteten Stahl verstärkten zementgebundene Faserverbund durch die Anwendung einer einheitlichen elektromagnetisches Feld. Ausgerichteten Stahl verstärkten zementgebundene Faserverbund zeigt überlegene mechanische Eigenschaften zu gewöhnlichen Fasern armiertem Beton.

Zusammenfassung

Das Ziel dieser Arbeit ist ein Konzept, inspiriert durch die Art und Weise zu präsentieren, in denen eine Kompassnadel einen konsequenten Ausrichtung unter der Einwirkung des Magnetfeldes der Erde unterhält, für die Herstellung von eines zementgebundenen Verbundes mit ausgerichteten Stahlfasern verstärkt. Ausgerichteten Stahl verstärkt zementgebundene Faserverbundwerkstoffe (ASFRC) waren bereit, indem ein einheitlicher elektromagnetisches Feld auf FRISCHMÖRTEL mit kurzen Stahlfasern, wobei die kurzen Stahlfasern getrieben wurden, um in Übereinstimmung mit dem magnetischen Feld drehen. Der Grad der Ausrichtung der Stahlfasern in gehärteten ASFRC wurde sowohl von Stahlfasern in gebrochenen Querschnitten zählen berechnet Tomographie röntgenstrahlanalyse bewertet. Die Ergebnisse der beiden Methoden zeigen, dass der Stahl, die Fasern in ASFRC hoch ausgerichtet waren, während die Stahlfasern in nicht-magnetisch Zusammensetzungen behandelt wurden nach dem Zufallsprinzip verteilt. Ausgerichteten Stahlfasern hatte eine viel höhere Effizienz verstärkende und die Komposite stellte daher signifikant erhöhte Biegefestigkeit und Zähigkeit aus. Die ASFRC ist somit Stahlfaserbeton überlegen, dass es größere Zugspannungen standhalten kann und mehr effektiv Cracken widerstehen.

Einleitung

Integration von Stahlfasern in Beton ist ein wirksames Mittel, um die inhärenten Schwäche der Sprödigkeit zu überwinden und die Zugfestigkeit von Beton¹zu verbessern. In den vergangenen Jahrzehnten wurde Stahlbeton Stahlfaserbeton umfassend untersucht und in das Feld am meisten benutzt. Stahlbeton Stahlfaserbeton ist besser als Beton im Hinblick auf die Rissbildung Widerstand, Zugfestigkeit, Bruchzähigkeit, Bruchenergie usw.² In Stahl Fasern armiertem Beton, Stahl sind zufällig verteilt, damit gleichmäßig verteilen die verstärkende Effizienz der Fasern in alle Richtungen. Jedoch unter bestimmten Lastbedingungen, nur einige der Stahlfasern im Beton tragen zur Leistungsfähigkeit der Strukturelemente da die verstärkende Effizienz der Fasern erfordert, dass sie mit dem Prinzip ausgerichtet werden Zugspannungen in der Struktur. Zum Beispiel wenn Stahlbeton Stahlfaserbeton mit zufällig verteilten Stahlfasern verwenden, um einen Lichtstrahl, einige der Stahlfasern, bereiten wird vor allem die parallel zur Richtung der wichtigsten Zugspannung leisten wichtigen Beitrag zur Stärkung der Effizienz, während diejenigen, die wird senkrecht zur Richtung der wichtigsten Zugspannung keinen Beitrag zur Stärkung der Effizienz machen. Infolgedessen ist es notwendig, den höchsten verstärkenden Wirkungsgrad der Stahlfasern zu erreichen, einen Ansatz zum Ausrichten der Stahlfasern mit der Richtung der wichtigsten Zugspannungen im Beton zu finden.

Der Wirkungsgrad der Orientierung, definiert als das Verhältnis der projizierten Länge entlang der Richtung der die Zugspannung auf die tatsächliche Länge der Fasern, in der Regel verwendet, um die Effizienz der Verstärkung der Stahlfasern^{3,4 anzugeben} . Nach dieser Definition ist der Wirkungsgrad der Orientierung der Fasern ausgerichtet mit der Richtung der die Zugspannung 1.0; die Fasern, die senkrecht auf die Zugspannung ist 0. Geneigte Fasern haben einen Wirkungsgrad von Orientierung zwischen 0 und 1,0. Die Analyseergebnisse zeigen, dass der Wirkungsgrad der Orientierung von zufällig verteilten Stahlfasern im Beton 0.405⁴, zwar aus Tests der gewöhnlichen Stahlfaser Stahlbeton im Bereich von 0,167 auf 0,500^{5,6 ist} . Offenbar, wenn alle kurzen Stahlfasern im Beton ausgerichtet sind und die gleiche Ausrichtung wie die Zugspannung haben, die Stahlfasern haben die höchste Effizienz verstärkende und die Proben werden das optimale Zug-Verhalten haben.

Einige erfolgreiche Versuche zur Vorbereitung der ausgerichteten Stahlfaser Stahlbeton wurden seit den 1980er Jahren durchgeführt. Im Jahr 1984 Shen⁷ beim Casting ein elektromagnetisches Feld auf der untersten Schicht der Stahl faserverstärkte zementgebundene Verbund (Stahlfaserbeton) Balken angewendet, und x-Ray Erkennung Analyse ergab, dass die Stahlfasern gut ausgerichtet waren. Im Jahr 1995 patentiert Bayer⁸ und Arman⁹ den Ansatz für die Vorbereitung der ausgerichteten Stahlfaser Stahlbeton mit einem Magnetfeld. Yamamoto Et al. ¹⁰ berücksichtigt die Ausrichtung der Stahlfasern im Beton vor allem beeinflusst durch die Casting-Ansatz und versucht, ausgerichteten Stahlfaser Beton zu erhalten, indem man frischen Beton fließt in die Schalung aus einer Konstanten Richtung. Xu¹¹ versucht Stahlfasern in Spritzbeton durch Sprühen Stahlfasern aus einer Konstanten Richtung ausrichten. Rotondo und Wiener¹² wollte betonmasten mit ausgerichteten lange Stahlfasern von Schleuderguss machen. Diese experimentellen Studien zeigen, dass ausgerichteten Stahlfaser Stahlbeton erhebliche Vorteile gegenüber zufällig verteilten Stahlfaser Stahlbeton hat.

Vor kurzem, Michels Et al. ¹³ und Mu Et al. ¹⁴ haben erfolgreich entwickelte eine Gruppe von ausgerichteten Stahl verstärkt zementgebundene Faserverbundwerkstoffe (ASFRCs) Verwendung von elektromagnetischen Feldern. In diesen Studien wurden verschiedene Magnete vorsehen, dass eine einheitliche Magnetfeld Ausrichten von Stahlfasern in Mörtel Exemplare in verschiedenen Größen. Das Magnetventil hat eine quaderförmige Hohlkammer, die Exemplare von vordefinierten Größen aufnehmen kann. Wenn das Magnetventil mit Gleichstrom (DC) verbunden ist, entsteht eine einheitliche Magnetfeld in der Kammer mit einer festen Orientierung, das deckt sich mit der Achse des Magnetventils. Nach dem Prinzip des Elektromagnetismus¹⁵können Magnetfelder ferromagnetische Fasern zu drehen und Ausrichten im FRISCHMÖRTEL fahren. Entsprechenden Verarbeitbarkeit des Mörtels ist entscheidend dafür, dass Stahlfasern im FRISCHMÖRTEL drehen. Eine hohe Viskosität kann Schwierigkeiten bei der Angleichung der Stahlfasern im Mörser verursachen, während niedriger Viskosität, die Trennung der Fasern führen kann.

Dieser Artikel beschreibt die Details der Vorbereitung von ASFRC Exemplaren und testet die Biegefestigkeit Eigenschaften von ASFRC und Stahlfaserbeton. Es wird erwartet, dass ASFRC eine höhere Biegefestigkeit und Zähigkeit als Stahlfaserbeton. So ASFRC potenziell hat Vorteile gegenüber Stahlfaserbeton in Zugspannungen standhalten und Widerstand gegen Rissbildung, wenn als Abdeckung Beton, Pflaster, etc.

Mit der gebrochenen Exemplare nach Biege-Tests, die Ausrichtung der Stahlfasern in den Proben wird durch die Beobachtung der gebrochenen Querschnitte untersucht und mittels röntgen scannen berechnet Tomographie Analyse^{16,17 , 18}. die mechanischen Eigenschaften des ASFRCs, einschließlich ihrer Biegefestigkeit und Zähigkeit, gemeldet und im Vergleich mit denen der nicht elektromagnetisch behandelten SFRCs.

Protokoll

1. Magnet Magnetfeld Setup

Hinweis: Das Magnetfeld wird durch ein Magnetventil mit einer Hohlkammer erzeugt. Das Setup ist ein Polybutylen Polyethylenterephthalat (PBT) Board Magnetventil Skelett aufgewickelt mit 4-6 Schichten des Zahnschmelzes isolierten Kupferdraht und umhüllt mit einer Kunststoff Isolierschicht für Datenschutz (Abbildung 1). Nach dem Anschluss der Spule an DC, erzeugt der Strom in der Spule eine einheitliche elektromagnetisches Feld innerhalb der Magnetspule Kammer mit einer festen Richtung und Konstante magnetische Induktion Intensität. Verwenden Sie das Magnetfeld ausrichten Stahlfasern im FRISCHMÖRTEL und bereiten die ASFRC Exemplare. In dieser Studie haben wir 150 × 150 × 550 mm Prisma Proben mit einem Magnetventil mit einer kammergröße von 250 × 250 × 750 mm vorbereitet.

1. Korrelieren Sie die Intensität der magnetischen Induktion zu elektrischem Strom des Magnetventils.
   1. Verbinden Sie das Magnetventil mit DC und aktuellen Anwenden von 0 bis 10 A mit einer Schrittlänge von 1 A. Messen und aufzuzeichnen die magnetische Induktion-Intensität in der Magnetspule Kammer mit einem Tesla-Messgerät.
   2. Zeichnen Sie die magnetische Induktion-Intensität-Strom-Kennlinie (Abbildung 2), die in späteren Schritten verwendet wird, um den notwendigen Strom des Magneten zu bestimmen.
      Hinweis: Befolgen Sie elektrische Sicherheitsverfahren wenn das Magnetventil an der Stromquelle und in allen anderen Betriebsverfahren relevant für elektrischen Strom anschließen.

2. die Verarbeitbarkeit des Frischmörtels

1. Bereiten Sie drei Mörtelmischungen mit Stahl Faser Volumen Brüche 0,8 %, 1,2 % und 2,0 %, bzw. (Tabelle 1). Die drei Mischungen haben die gleiche Zusammensetzung der Matrix mit Wasser, Zement-Verhältnis von 0.42:1:2 zu Schleifen. Je nach Mischungsverhältnis 0,5 kg Zement, Sand, 1,0 kg wiegen und 0,21 kg Wasser für Verarbeitbarkeit testet.
2. Der Mörtel-Mixer zuerst Wasser hinzufügen. Fügen Sie dann den Zement. Mischen Sie das Wasser und Zement für 30 s. Dann mischen Sie für weitere 30 s, und während dieser 30 s zu mischen, nach und nach hinzufügen Sand zum Mischer. Dann mischen Sie für weitere 60 s.
3. Testen Sie die sinkende Tiefe aus der Mischung mit einer sinkenden Tiefenmesser nach dem chinesischen Standard für Testmethode der Leistung auf den Aufbau von Mörtel (JGJ/T70-2009)¹⁹.
4. Wiederholen Sie die Schritte 2.2 und 2.3, die Dosierung des Fließmittels einstellen, bis die sinkende Tiefe in den 50-100 mm-Bereich fällt. Zeichnen Sie die Dosierung des Fließmittels, die die gewünschte Verarbeitbarkeit produziert und als Bestandteil der Mischung Anteil in Tabelle 1zu ergänzen. Auch testen Sie die spezifische Dichte des frischen Mörtel, nachdem die Verarbeitbarkeit erreicht wird. Die optimale Dosierung von ein Polycarboxylatether-Fließmittel aus den oben genannten Tests ist 0,10 % (Massenverhältnis Zement) und die spezifische Dichte des frischmörtels ist 2186 kg/m³.
5. Testen Sie die Viskosität der FRISCHMÖRTEL mit einem co-axial Rotations Mörtel Rheometer (Abbildung 3). Das Rheometer hat ein Wasserbad, das die Temperatur des probenbehälters bei 20 ° c zu halten, kann
   1. Setzen Sie 300 mL frischen Mörtel innerhalb der letzten 5 min in der Probenbehälter.
   2. Beginnen Sie die Viskosität Test. Die Sonde fällt allmählich in den frischen Mörtel im Container und Container beginnt sich zu drehen. Während der FRISCHMÖRTEL innerhalb der rotierenden Behälter bewegt, gilt es eine Querkraft an der Sonde. Dabei die Rheometer Datensätze der Schubspannung und Scherung bewerten und plottet die Kurve der Schubspannung, Rate zu scheren. Die Steigung der Kurve ist die Viskosität der Mörtel^20,21. Im Rahmen dieser Untersuchung ist die Viskosität der FRISCHMÖRTEL aus Tests 0,82 Pas.

3. die Probenvorbereitung

1. Bestimmen Sie die magnetische Induktion Intensität des Magnetfeldes und der Strom des Magnetventils.
   1. Die Viskosität der Zementmörtel bestimmt im Schritt 2.5.2, berechnen die magnetische Induktion Intensität des magnetischen Feldes erforderlich zum Ausrichten von Stahlfasern in Zementmörtel mit Gleichung (1):¹³
      (1)
      wo B magnetische Induktion Intensität ist η ist die Viskosität der FRISCHMÖRTEL, l_f ist die Länge der Stahlfaser, m ist die Masse eines einzelnen Stahlfaser, R_f ist der Radius der Stahlfasern, μ ist die Durchlässigkeit der Stahlfasern μ₀ ist die Permeabilität des Vakuums, Δt Zeitintervall und ist α(t + Δt) ist die Winkelbeschleunigung im nächsten Zeitintervall. Je nach Viskosität und die Parameter der Stahlfaser, die in den Tests verwendet, ist die erforderliche magnetische Induktion Intensität 9,83 Mt.
   2. Bestimmen Sie den elektrischen Strom des Magnetventils erforderlich, um eine ausreichende magnetische Induktion Intensität nach Figur 2 , Gleichung (2) erstellen:¹⁴
      (2)
      wo I ist der benötigte Strom, N ist die Anzahl der Magnetspule Drehungen und L ist die Länge des Magnetventils.
      Mittels Gleichung (2), ist der benötigte Strom 8,3 A, während aus Abbildung 2 es ca. 8,5 A. ist
2. ASFRC Proben vorbereiten
   1. Verwenden Sie einen 15 L Mörtel-Mixer, um frischen Mörtel mischen. Für jede Charge mix 7,5 L Mörtel entsprechend der Mischung Proportionen in Tabelle 1aufgeführt. Tabelle 1 bezeichnet die ASFRC-Mischungen als A-V_f, wo A beschreibt, dass die Stahlfasern ausgerichtet sind und V_f den Volumenanteil von Stahlfaserbeton zeigt. Zum Vergleich werden Stahlfaserbeton Mischungen entsprechend, als R-V_f, bezeichnet wo R weist darauf hin, dass die Stahlfasern zufällig verteilt sind. Die Stahlfaserbeton Mixe sind nicht in Tabelle 1 aufgeführten aber haben die gleichen Proportionen wie ASFRC.
   2. Wiegen Sie verwendeten Rohstoffe und mischen Sie die Stahl faserverstärktem Zement-Mörtel nach Routineverfahren.
   3. Gießen Sie den frischen Mörtel in eine plastische Form mit klaren Größe von 150 × 150 × 550 mm. gegossen die Proben sofort nach dem Mischen zu verlieren Verarbeitbarkeit. Es dauert etwa 25 min zu einem ASFRC Prisma aus dem Kontakt zwischen Zement und Wasser gegossen.
   4. Die Form auf eine Verdichtung Tisch bewegen, und wechseln auf die Verdichtung Tisch für 30 S. Add mehr Mörtel wie notwendig, um sicherzustellen, dass, dass die Form vollständig gefüllt.
   5. Legen Sie die Form in die Kammer des Magnetventils.
   6. Schalten Sie das Magnetventil und Verdichtung Tisch für 50 s.
      Hinweis: Für gewöhnliche Beton angemessene Verdichtung ist um 60-120 s. Bei diesem Test wird versucht, die Verdichtung Gesamtzeit innerhalb dieses Bereichs zu kontrollieren. Mehr Verdichtung Zeit kann die Ausrichtung der Stahlfasern verbessern; Es kann jedoch führen über verdichten und somit die Trennung (der Untergang der Stahlfasern und groben Gesteinskörnungen gibt). Weniger Verdichtung Zeit verursachen schlechte Ausrichtung von Stahlfaserbeton und nicht konsolidierte Beton.
   7. Schalten Sie die Verdichtung Tabelle.
   8. Schalten Sie das Magnetventil nach die Verdichtung Tabelle zum Stillstand gekommen ist.
   9. Vorsichtig nehmen Sie die Form aus der Magnet und glätten Sie die obere Fläche des Mörtels mit einer Kelle. Stören die Stahlfasern in der Nähe der Oberfläche zu vermeiden.
3. Bereiten Sie für jede Mischung drei elektromagnetisch behandelten Proben (nach 3.2.2-3.2.9 Schritte) und drei nicht elektromagnetisch behandelten Proben (nach Schritten 3.2.2-3.2.4 und 3.2.9). In der Vorbereitung nicht elektromagnetisch behandelten Proben, die Verdichtung Gesamtzeit betrug 80 s – identisch mit dem bei der Vorbereitung der elektromagnetisch behandelten Proben.
4. Verlassen Sie die Proben im Haus und in ihren Formen für 24 h. Dann entformt und die Proben in einem Nebel Raum zu heilen, bis sie für mechanische Prüfungen verwendet werden.

4. drei-Punkt-Biegung Test

1. Nehmen Sie nach 28 Tagen die Exemplare aus der Rauchkuchl und markieren Sie die Positionen für das Laden von (A), (B) unterstützt, Mid-Span Durchbiegung (C) und LVDT Befestigungspunkte (D) (Abbildung 4).
2. Das Exemplar auf dem drei-Punkt-Biegung Prüfstand (Abbildung 4) von der MTS-Test-Maschine und befestigen ein LVDT zu den Mid-Span mit einer LVDT-Halter auf jeder Seitenfläche der Probe (Abbildung 4).
3. Verbinden Sie die LVDT mit einer Datalog. Legen Sie die Daten-Übernahme-Frequenz auf dem Steuerungs-PC von der Testmaschine.
4. Nach und nach erhöhen der Probekörpers durch Erhöhung, die unteren unterstützt, so dass die obere Zelle des Testcomputers laden sehr nah an ist, aber nicht berühren, die Oberfläche der Probe.
5. Die Vorlast, Mid-Span Durchbiegung (LVDT) und verformungswerte (Wägezelle) auf NULL.
6. Starten Sie den Test und die Probe mit einem Hubraum-Steuerelement mit einer Geschwindigkeit von 0,2 mm/min. Eintrag die volle Geschichte der Be- und Mid-Span Durchbiegung der Probe zuweisen Sie eine Dreipunkt-Biegebelastung.
7. Beobachten Sie die Belastung und Verformung der Probe. Nach dem Peak-Wert wenn die Verschiebung größer als 30 mm ist, beenden Sie den Test. In der Regel die Probe ist geknackt und die Last ist kleiner als 1,0 kN.
8. Wiederholen Sie die Schritte 4.1-4.7, alle Proben zu testen.

5. Stahlfaser Orientierung Analyse

1. Die Anzahl der Stahlfasern auf dem gebrochenen Abschnitt.
   1. Trennen Sie die Exemplare in zwei Portionen im Abschnitt geknackt.
   2. Messung und Aufzeichnung der Ausrichtung von Stahlfasern auf dem gebrochenen Querschnitt der Zement-Mörtel-Probe. Die Ausrichtung ist der Winkel zwischen einem Stahlfaserbeton und der Achse der Probe. Da manuell messen die Ausrichtungen von Stahlfasern schwierig ist und kann zu ungenaue Messergebnissen produzieren, Orientierungen können als einer der sechs Winkelbereiche kategorisiert werden: 0 - 15 °, 15-30 °, 30-45 °, 45-60 °, 60-75 ° und 75-90 °. Notieren Sie die Anzahl der Stahlfasern in jeder Gruppe, und berechnen Sie die durchschnittliche Faser Ausrichtung Wirkungsgrad der Probe nach Gleichung (3):
      (3)
      wo η_θ ist der durchschnittliche Orientierung Wirkungsgrad von der Stahlfasern, l_f ist die Länge einer einzelnen Stahlfaser, n ist die Gesamtzahl der Stahlfasern im Abschnitt geknackt und θ_ich ist die Winkel zwischen einem Stahlfaserbeton und Richtung des magnetischen Feldes auf das Präparat angewendet (bei der Berechnung wird der Mittelwert der Winkelbereich für alle Stahlfasern in jeder Gruppe übernommen).
2. Berechnet-Tomographie röntgenstrahlanalyse durchführen.
   1. Schneiden Sie einen 75 mm Würfel aus jeder Probe Mörtel.
   2. Durchführen Sie die Röntgen-Abtastung des Würfels mit ein Röntgensystem berechnet-Tomographie. Legen Sie ein Exemplar auf die Testplattform und starten Sie den Scanvorgang. Die Probe rotiert 360° allmählich und die Maschine nimmt die Dämpfung der Röntgenstrahlen durch die Probe bei jedem rotierenden Schritt verursacht. Das Computer-Tomographie-System erzeugt eine dreidimensionale digitale Struktur des Würfels.
   3. Identifizieren Sie die Stahlfasern in der digitalen Würfel Struktur von schwarzen und weißen binäre Verarbeitung. Dann erhalten Sie das digitale Bild beschreibt die Verteilung der Stahlfasern.
   4. Bestimmen Sie die Koordinaten von allen Stahlfasern durch die Bildanalyse.
   5. Die Ausrichtung der jedes Stahlfaserbeton nach dessen Koordinaten zu berechnen.
   6. Der Wirkungsgrad der Orientierung der Fasern mittels Gleichung (3) zu berechnen.

Ergebnisse

Die Biegefestigkeit Stärken von ASFRCs und SFRCs aus drei-Punkt-Biegeversuche ermittelt sind in Abbildung 5dargestellt. Die Biegefestigkeit Stärken des ASFRCs sind höher als die SFRCs für alle Faser-Dosierungen. Die Biegefestigkeit Stärken der ASFRCs waren 88 %, 71 % und 57 % höher als die der SFRCs auf die Faser Volumen Bruchteile von 0,8 %, 1,2 % und 2,0 %, beziehungsweise. Diese Ergebnisse implizieren, dass ausgerichteten Stahlfaser zementgebundene Matrix ...

Diskussion

Das elektromagnetische Magnetventil entwickelt in dieser Studie hat eine Kammer 250 × 250 × 750 mm messen und nicht genügend Platz für die full-Size-Strukturelemente. Obwohl die Größe der Kammer die Anwendung der Einrichtung, das Konzept schränkt und Protokoll in diesem Papier vorgeschlagene die Weiterentwicklung eines full-Size-Setup begeistern für die Herstellung von ASFRC Elementen, insbesondere Fertigteile Elemente.

Eine entsprechende Viskosität der FRISCHMÖRTEL ist wesentlicher Faktor für...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Zement	Tangshan Jidong Cement Co., Ltd.	P&mal; O 42,5	Oridnary Portland
Cement Sand		River Sand	Der Feinheitsmodul beträgt 2,4
Fließmittel	Subote New Materials Co., Ltd.	PCA-III	Polycarboxylierter Typ, Wasserreduktionsverhältnis beträgt 35%
Stahlfaser	Tianjin Hengfeng Xuxiang New Metal Materials Co., Ltd.	Rund, gerade	, Durchmesser 0,5 mm, Länge 25 mm