Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Подготовка унифицированных Фибра стальная усиленная цементная композита и его поведение на изгиб

10.7K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/56307

⸱

27 июня 2018 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Civil and Transportation Engineering, Hebei University of Technology, 2School of Information Engineering, Hebei University of Technology

В этой статье

Краткое содержание

Этот протокол описывает подход для производства унифицированных стальные волокна армированных цементная композита, применяя единообразные электромагнитного поля. Соответствие стальные волокна армированных цементная композита экспонатов улучшенные механические свойства для обычных волокна железобетона.

Аннотация

Цель этой работы заключается в настоящее время подход, вдохновленный кстати в котором компаса ведет последовательную ориентации под действием магнитного поля земли, для изготовления цементная композитные армированные унифицированных стальных волокон. Цементная унифицированных стальные волокна армированных композиционных материалов (ASFRC) были подготовлены путем применения единой электромагнитного поля в свежий раствор, содержащий короткий стальной фибры, whereby короткие стальной фибры были вынуждены повернуть в соответствие с магнитным полем. Степень выравнивания стальных волокон в закаленной ASFRC была оценена как подсчет стальных волокон в трещиноватых сечений и рентгеновская компьютерная томография анализа. Результаты этих двух методов показывают, что сталь, которую волокон в ASFRC высоко были выровняны, в то время как стальной фибры в не магнитно рассматриваются композиты были случайным образом распределены. Унифицированных стальных волокон был гораздо более высокую эффективность укрепления, и композиты, таким образом, выставлены значительно расширенной на изгиб прочность и жесткость. Таким образом превосходит ASFRC SFRC в том, что он может выдерживать более растяжении и более эффективно противостоять трещин.

Введение

Включение стальной фибры в бетон является эффективным способом преодолеть слабости хрупкости и повышения прочности бетона1. В течение последних десятилетий стальная фибра железобетонных подробно расследованы и широко используется в области. Фибра стальная железобетонных превосходит конкретных терминах крекинга сопротивление, прочность, вязкость разрушения, перелом энергии и т.д.2 Фибра стальная армированного бетона, стальных волокон случайно разгоняются, тем самым равномерно рассеивая укрепления эффективности волокон в каждом направлении. Однако, при определенных условиях нагрузки, только некоторые из стальной фибры в бетон способствуют производительности структурных элементов потому что эффективность армирующие волокна требует, что они согласовываться с принципом растягивающие напряжения в структура. Например при использовании Фибра стальная железобетонных конструкций, содержащих случайно распределенными стальной фибры для подготовки луч, некоторые из стальных волокон, особенно тех из них, которые параллельно направлению главных растяжении, сделает крупный вклад укрепление эффективности, в то время как те перпендикулярно направлению главных растяжении сделает без вклада в укрепление эффективности. Следовательно найти подход к выравнивание стальных волокон с направлением основных растяжении в бетон необходимо для достижения наивысшей эффективности армирующие стальной фибры.

Коэффициент полезного действия ориентации, определяется как отношение прогнозируемых длины вдоль направления растяжении фактической длины волокна, обычно используется для обозначения эффективность усиления стальных волокон3,4 . Согласно этому определению КПД ориентации волокон, в соответствие с направлением растяжении является 1,0; волокон, которые перпендикулярном растяжении это 0. Наклонные волокна имеют КПД ориентации от 0 до 1,0. Результаты анализа показывают, что коэффициент полезного действия ориентации случайно распределенных стальной фибры в бетон 0.4054, пока что от испытаний обычные стальные волокна железобетона находится в диапазоне от 0,167 на 0,5005,6 . Очевидно если все короткие стальной фибры в бетон, выравниваются и ту же ориентацию как растяжении, стальной фибры будет иметь самую высокую эффективность армирующие и образцы будут иметь оптимальное растяжение поведение.

Начиная с 80-х годов были проведены некоторые успешные попытки подготовки унифицированных стальных волокон железобетона. В 1984 году Шэнь7 применяется электромагнитное поле в нижнем слое стальные волокна армированных балок цементная композита (SFRC) во время отливки и рентгеновского обнаружения анализ показал, что стальные волокна были хорошо скоординированы. В 1995 году Байер8 и9 Арман запатентовал подход к подготовке унифицированных стальных волокон железобетонных конструкций с помощью магнитного поля. Ямамото и др. 10 считается ориентации стальной фибры в бетон, чтобы быть главным образом под влиянием литья подход и пыталась получить соответствие Фибра стальная железобетонные, сохраняя свежего бетона впадающих в опалубки от постоянного направления. Сюй11 пытался выровнять стальных волокон в торкретирования путем распыления стальных волокон от постоянного направления. Ротондо и Wiener12 стремились сделать конкретные поляков с выровненным длинный стальной фибры, центробежного литья. Эти экспериментальные исследования показывают, унифицированных стальных волокон железобетонных имеет существенные преимущества над случайно распределенными Фибра стальная железобетона.

Недавно, Михельс и др. 13 -му и др. 14 успешно разработали группы унифицированных стальные волокна армированных цементная композиты (ASFRCs) с помощью электромагнитных полей. В этих исследованиях различные магниты были сделаны для обеспечения однородного магнитного поля для выравнивания стальных волокон в раствор образцов различных размеров. Электромагнит имеет полый кубовидной камеру, которая может вместить образцы стандартных размеров. Когда электромагнит подключен к прямого тока (DC), равномерное магнитное поле создается в камере с фиксированной ориентации, которая выравнивает с осью соленоида. Согласно принципу электромагнетизма15магнитные поля может управлять ферромагнитных волокна вращение и выравнивание в свежий раствор. Соответствующие работоспособность раствор имеет решающее значение для позволяя стальной фибры для поворота в свежий раствор. Высокая вязкость может вызвать трудности в согласовании стальной фибры в ступке, в то время как низкая вязкость может привести к сегрегации волокон.

Этот документ описывает детали подготовки образцов для ASFRC и испытания на изгиб свойства ASFRC и SFRC. Предполагается, что ASFRC имеет высокий предел прочности на изгиб и выносливости чем SFRC. Таким образом ASFRC потенциально имеет преимущества над SFRC в выдерживать растягивающее напряжение и сопротивление растрескиванию, если используется в качестве покрытия бетон, тротуар, и т.д.

С помощью трещиноватых образцов после испытания на изгиб, ориентации стальной фибры в образцы исследованы, наблюдая за перелом поперечных сечений и использованием рентгеновского сканирования компьютерная томография анализ16,17 , 18. механические свойства ASFRCs, включая их прочность на изгиб и выносливость, сообщили и по сравнению с теми электромагнитно лечение SFRCs.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. соленоида магнитное поле установки

Примечание: Магнитное поле порождается электромагнитный с полой камеры. Установка производится полибутилен терефталата (PBT) Совет электромагнитный скелет спиральный с 4-6 слоев эмали изоляцией медный провод и завернутый с пластиковой изоляционный слой для защиты (Рисунок 1). После подключения катушки DC, ток в катушке создает единый электромагнитного поля внутри камеры электромагнитный с фиксированного направления и интенсивности постоянной магнитной индукции. Использование магнитного поля для выравнивания стальных волокон в свежий раствор и подготовить образцы ASFRC. В этом исследовании мы подготовили 150 × 150 × 550 мм Призма образцов с помощью соленоида с камеры размером 250 × 250 × 750 мм.

  1. Соотнесите магнитной индукции интенсивности электрического тока соленоида.
    1. Подключите соленоида к DC и применить текущий от 0 до 10 A с длиной шага 1 A. меру и рекорд интенсивности магнитной индукции в электромагнитный камере с помощью Тесла метр.
    2. Участок кривой интенсивности тока индукции (рис. 2), который будет использоваться в последующих шагах для определения необходимого тока соленоида.
      Примечание: Внимательно следуйте процедурам электробезопасности при подключении соленоида к источнику питания и во всех других процедурах операции, отношение к электросети.

2. работоспособность свежего раствора

  1. Подготовить три минометных смешивается с стальные волокна объем фракции 0.8%, 1,2% и 2,0%, соответственно (Таблица 1). Три смеси имеют тот же состав матрицы с водой, чтобы цемент песок отношение 0.42:1:2. Согласно соотношения вес 0,5 кг цемента, 1,0 кг песка и воды для тестов работоспособности 0,21 кг.
  2. Сначала добавьте воды смеситель минометов. Затем добавьте цемента. Смесь воды и цемента для 30 s. Затем смесь для еще 30 сек и в течение этого 30 s смешивания, постепенно добавить песка в смеситель. Затем смесь для еще 60 s.
  3. Проверка погружения глубина смеси с помощью погружения глубина метр после китайского стандарта для метода теста производительности на строительство минометов (JGJ/T70-2009)19.
  4. Повторите шаги 2.2 и 2.3, корректировка дозы Суперпластификатор до глубины погружения попадает в диапазон 50-100 мм. Запись дозировка Суперпластификатор, который производит желаемого работоспособность и дополнить его как часть смеси долю в таблице 1. Также проверьте плотность свежего раствора, после того, как достигается работоспособность. Оптимизированный дозировка поликарбоксилата Суперпластификатор от вышеупомянутых тестов составляет 0,10% (массовых соотношение цемента), а удельная плотность свежего раствора-2186 кг/м3.
  5. Испытания на вязкость свежий раствор с помощью Реометр co-axial вращения раствора (рис. 3). Реометр имеет ванну с водой, которая может поддерживать температуру образца контейнера при 20 ° C.
    1. Положите 300 мл свежего раствора, смешанные в течение предыдущих 5 мин в образце контейнер.
    2. Начните тест вязкости. Зонд постепенно падает в свежий раствор в контейнер, а контейнер начинает вращаться. Как свежий раствор движется в вращающейся контейнере, он применяет поперечной силы на зонд. В процессе записи Реометр касательное напряжение и сдвига оценить и участков кривой касательное напряжение сдвига курс. Наклон кривой является вязкость раствора20,21. В этом расследовании вязкость свежий раствор из тестов – 0.82 Pas.

3. Подготовка образца

  1. Определите интенсивность магнитной индукции магнитного поля и тока соленоида.
    1. С помощью вязкость цементного раствора, определенный на шаге 2.5.2, рассчитать интенсивность магнитной индукции магнитного поля, необходимые для согласования стальных волокон в цементным раствором с помощью уравнения (1):13
      figure-protocol-1(1)
      где B — интенсивность магнитной индукции, η – вязкость свежего раствора, lf является длина стального волокна, m — масса отдельных стальной фибры, rf представляет радиус стальных волокон, μ — проницаемость стальных волокон, μ0 проницаемость вакуума, Δt -интервал времени, и α(t + Δt) угловое ускорение в следующем интервале времени. Зависимости вязкости и параметры стальных волокон, используемых в тестах, интенсивность необходимые магнитной индукции-9,83 mT.
    2. Определение электрического тока соленоида, необходимые для создания достаточной интенсивности магнитной индукции согласно рис или уравнение (2):14
      figure-protocol-2(2)
      я это требуемый ток, N — это количество витков соленоида, где L — длина соленоида.
      Используя уравнение (2), требуемый ток составляет 8.3 A, а на рисунке 2 это около 8,5 а.
  2. Подготовка образцов ASFRC
    1. Используйте 15 Л раствора смеситель смешивать свежий раствор. Для каждой партии смесь 7,5 Л раствора согласно пропорции смеси, перечисленных в таблице 1. Таблица 1 обозначает смеси ASFRC как A-Vf, где A указывает, что стальные волокна выровнены и Vf указывает объёмная стальные волокна. Соответственно SFRC смеси обозначаются, для сравнения, как R-Vf, где R указывает, что стальной фибры распределяются случайным образом. SFRC смеси не перечислены в таблице 1 , но имеют те же пропорции, как ASFRC.
    2. Взвешивание сырья и смесь стального волокна армированных цементным раствором, после обычной процедуры.
    3. Налить свежего раствора в пластмасс с четкой размером от 150 × 150 × 550 мм. приведение образцы незамедлительно после смешивания, чтобы избежать потери работоспособности. Она занимает около 25 минут для приведения одного ASFRC Призма от контакта между цемента и воды.
    4. Переместить плесень на таблицу уплотнения и переключаться на таблице уплотнения за 30 с. добавить больше раствора, необходимых для обеспечения что что плесень полностью заполнен.
    5. Положите плесень в камеру соленоида.
    6. Включите электромагнитный и сжатия таблицы для 50 s.
      Примечание: Для обычных бетонов разумные уплотнения времени составляет около 60-120 с. В этом тесте это попытка контролировать общее время уплотнения в пределах этого диапазона. Больше уплотнения времени может улучшить выравнивание стальных волокон; Однако это может вызвать над сжатие и, следовательно, сегрегации (гибель стальных волокон и грубый агрегатов если есть). Меньше уплотнения времени может вызвать плохое выравнивание стальных волокон и рыхлых бетона.
    7. Выключение сжатия таблицы.
    8. Выключите соленоид после сжатия таблицы полностью остановился.
    9. Осторожно вынуть плесень из соленоида и гладкой поверхности раствор кельмой. Не мешать стальной фибры вблизи верхней поверхности.
  3. Для каждой смеси Подготовьте три электромагнитно обработанных образцов (после шаги 3.2.2-3.2.9) и три-электромагнитно обработанных образцов (после 3.2.2-3.2.4 шаги и 3.2.9). В подготовке электромагнитно обработанных образцов, общее время уплотнения было 80 s — то же самое, что и в подготовке электромагнитно обработанных образцов.
  4. Оставьте образцы в помещении и в их пресс-формы для 24 h. Затем demold и вылечить образцов в тумане комнате, до тех пор, пока они используются для механических испытаний.

4. три Point тест на изгиб

  1. После 28 дней взять образцы из отверждения комнаты и Марк позиции для загрузки (A), поддерживает (B), среднего диапазона отклонения (C) и LVDT фиксации пунктов (D) (рис. 4).
  2. Место образцов на изгиб испытательном стенде три точки (рис. 4) МТС тестового компьютера и исправить LVDT до середины диапазона с помощью LVDT держатель на каждой стороне поверхности образца (рис. 4).
  3. Соединить LVDT datalog. Затем установите частоту сбора данных на элемент управления ПК испытательного оборудования.
  4. Постепенно повышать образца, повышение нижней поддерживает так, что верхняя загрузка ячейки на тестовый компьютер очень близко к, но, не касаясь верхней поверхности образца.
  5. Нулевой начальной загрузки, середина диапазона отклонения (LVDT) и перемещения (динамометр) значения.
  6. Запустите тест и применить три точки изгиба нагрузка для образца с помощью перемещения элемента управления со скоростью 0,2 мм/мин записи Полная история погрузки и середине диапазона отклонения образца.
  7. Смотрите нагрузки и деформации образца. После пикового значения когда перемещение более чем на 30 мм, остановите тест. Как правило, трещины образец и нагрузка составляет менее 1.0 кН.
  8. Повторите шаги 4.1-4.7 для тестирования всех образцов.

5. Стальная фибра ориентации анализ

  1. Подсчитать количество стальных волокон на участке сломана.
    1. Отдельные образцы на две части в разделе трещины.
    2. Измерьте и запишите ориентации стальной фибры на перелом поперечного сечения образца раствора цемента. Ориентация это угол между стальной фибры и ось образца. Потому что вручную измерения направления стальных волокон является сложным и может привести к неточным измерениям, ориентации могут быть классифицированы как один из шести угол диапазона: 0 - 15 °, 15-30 °, 30-45 °, 45-60 °, 60-75 ° и 75-90 °. Записать количество стальных волокон в каждой группе, а затем вычислить среднее волокно ориентации КПД образца с помощью уравнения (3):
      figure-protocol-3(3)
      где ηθ фактор эффективности средняя ориентации стальной фибры, lf длина отдельных Фибра стальная, n — общее количество стальных волокон на участке трещины, и это θ,я угол между стальной фибры и направление магнитного поля, применяемые для образца (в расчет, среднее значение диапазона угла принимается для всех стальных волокон в каждой группе).
  2. Выполните анализ рентгеновская компьютерная томография.
    1. Вырежьте куб 75 мм от каждого образца раствора.
    2. Сканирование рентгеновских Куба с помощью системы рентгеновская компьютерная томография. Поместите образец на испытательную платформу и начать сканирование. Образец постепенно вращается 360 ° и машина записей затухания рентгеновских лучей, вызванные образца на каждом шаге вращающейся. Компьютерная томография система создает трехмерную цифровой структуру куба.
    3. Идентифицировать стальной фибры в структуре цифровой куб черно-белые двоичной обработки. Затем получите цифровое изображение, описывающих распределение стальной фибры.
    4. Определите координаты всех стальных волокон, анализа изображений.
    5. Вычислите ориентации каждого стальные волокна согласно его координаты.
    6. Вычислить коэффициент эффективности ориентации волокон с использованием уравнения (3).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

При изгибе сильные ASFRCs и SFRCs, определяется от 3 точка изгиба испытаний приведены на рисунке 5. При изгибе сильные ASFRCs выше, чем в SFRCs для всех дозировку волокна. При изгибе сильные ASFRCs были 88%, 71% и 57% выше, чем в SFRCs на фракции тома волокна 0.8%, 1,2% и 2,0%, соответственно. Эти результаты означают, что унифицированных стальных волокон усиливает цементная матрицы более эффективно, чем случайно распределенными стальной фибры.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Электромагнитного соленоида, разработанных в этом исследовании имеет камеру измерения 250 × 250 × 750 мм и не может вместить полный размер структурных элементов. Хотя размер камеры ограничивает применение установки, концепции и протокола, предложенный в этом документе будет вдохновлять дальнейшее развитие полный размер установки для изготовления ASFRC элементов, особенно сборные элементы.

Достижение соответствующего вязкость свежего раствора является важным фактором для контроля качества ASFRC...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Авторы с благодарностью признаем финансовую поддержку от национального характера науки фонд Китая (Грант № 51578208), Хэбэй провинций характер научного фонда (Грант № E2017202030 и E2014202178) и ключевых проекта университета науки и технологии исследований в провинции Хэбэй (Грант № ZD2015028).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ЦементТаншань Цзидун Цемент Ко., Лтд.P× O 42,5Исходный портландцементный
песокРечной песокМодуль крупности составляет 2,4
СуперпластификаторSubote New Materials Co., Ltd.PCA-IIIполикарбоксилированного типа, коэффициент водоредуцирования составляет 35%
Стальная фибраTianjin Hengfeng Xuxiang New Metal Materials Co., Ltd.Круглый прямойдиаметр 0,5 мм, длина 25 мм

Ссылки

  1. Zollo, R. F. Fiber-reinforced concrete: an overview after 30 years of development. Cem. Concr. Compos. 19 (2), 107-122 (1997).
  2. Bentur, A., Mindess, S. Fiber reinforced cementitious composites. , 2nd Edition, Taylor & Francis. London and New York. (2014).
  3. Deeb, R., Karihaloo, B. L., Kulasegaram, S. Reorientation of short steel fibres during the flow of self-compacting concrete mix and determination of the fiber orientation factor. Cem. Concr. Res. 56 (1), 112-120 (2013).
  4. Soroushian, P., Lee, C. D. Distribution and orientation of fibers in steel fiber reinforced concrete. ACI Mater. J. 87 (5), 433-439 (1990).
  5. Sebaibi, N., Benzerzour, M., Abriak, N. E. Influence of the distribution and orientation of fibres in a reinforced concrete with waste fibers and powders. Constr. Build. Mater. 65 (1), 254-263 (2014).
  6. Lee, C., Kim, H. Orientation factor and number of fibers at failure plane in ring-type steel fiber reinforced concrete. Cem. Concr. Res. 40 (5), 810-819 (2010).
  7. Shen, R. Effect of compaction methods on fibre orientation, flexural strength and toughness of steel fiber reinforced concrete. J. of the Chinese Ceramic Society. 12 (1), 21-31 (1984).
  8. Process for producing a prepreg with aligned short fibres. US patent. , 3,641,828 (1988).
  9. Building material, especially concrete or mortar, contains magnetically or electrically aligned parallel fibers. US patent. , 19,750,746 (1975).
  10. Yamamoto, T., Gasawara, N., Ohashi, T. The construction method and directional dispersion of steel fiber reinforced concrete. Advances in Science and Technology of Water Resource. (4), 188-197 (1983).
  11. Xu, X. A new type of steel fiber reinforced concrete. Architecture Technology. 20 (4), 240-241 (1993).
  12. Rotondo, P. L., Weiner, K. H. Aligned steel fibers in concrete poles. Con. Int. 8 (12), 22-27 (1986).
  13. Michels, J., Gams, M. Preliminary study on the influence of fibre orientation in fibre reinforced mortars. Gradevinar. 68 (8), 645-655 (2016).
  14. Mu, R., Li, H., Qing, L., Lin, J., Zhao, Q. Aligning steel fibers in cement mortar using electro-magnetic field. Constr. Build. Mater. 131 (1), 309-316 (2017).
  15. Jones, D. S. The theory of electromagnetism. , Pergamon Press. Oxford-London-New York-Paris. (1964).
  16. Liu, J., Li, C., Liu, J., Cui, G., Yang, Z. Study on 3D spatial distribution of steel fibers in fiber reinforced cementitious composites through micro-CT technique. Constr. Build. Mater. 48 (2), 656-661 (2013).
  17. Schnell, J., Schladitz, K., Schuler, F. Direction analysis of fibres in concrete on basis of computed tomography. Betonund Stahlbetonbau. 105 (2), 72-77 (2010).
  18. Wuest, J., Denarié, E., Brühwiler, E., Tamarit, L., Kocher, M., Gallucci, E. Tomography analysis of fiber distribution and orientation in ultra high-performance fiber reinforced composites with high fiber dosages. Experimental Techniques. 33 (5), 50-55 (2009).
  19. JGJ/T70-2009 Chinese standard for test method of performance on building mortar. , Building Press. Beijing, China. (2009).
  20. Roussel, N. Understanding the Rheology of Concrete. , Woodhead Publishing Limited. Cambridge. (2012).
  21. Roussel, N. Steady and transient flow behaviour of fresh cement pastes. Cem. Concr. Res. 35 (9), 1656-1664 (2005).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Электромагнитное полерентгеновская компьютерная томографиятрехточечный изгибориентация стальных волоконудобоукладываемость строительного растворавибростолдержатель LVDT
Подготовка унифицированных Фибра стальная усиленная цементная композита и его поведение на изгиб
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.