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Engineering

Préparation des fibres en acier alignés renforcés composites cimentaires et son comportement en flexion

Published: June 27, 2018 doi: 10.3791/56307
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 2
1School of Civil and Transportation Engineering, Hebei University of Technology, 2School of Information Engineering, Hebei University of Technology

Summary

Ce protocole décrit une méthode de fabrication composite cimentaire renforcé fibre acier alignés en appliquant un champ électromagnétique uniform. Composite cimentaire renforcé fibre acier alignés présente des propriétés mécaniques supérieures au béton renforcé de fibres ordinaires.

Abstract

Le but de ce travail est de présenter une approche, inspirée par la manière dans laquelle une aiguille de la boussole maintient une orientation cohérente sous l’action du champ magnétique de la terre, pour la fabrication d’un composite cimentaire renforcé avec des fibres en acier alignés. Composites cimentaires renforcés par fibres alignées en acier (ASFRC) ont été préparés en appliquant un champ électromagnétique uniform à mortier frais contenant des fibres courtes en acier, par lequel les fibres courtes en acier ont été chassés pour faire pivoter dans l’alignement du champ magnétique. Le degré d’alignement des fibres en acier trempé ASFRC a été évalué par comptage de fibres d’acier en sections fracturées et diffraction Tomographie calculée. Les résultats des deux méthodes montrent que l’acier, fibres en ASFRC étaient fortement alignés tandis que les fibres d’acier en traitement non magnétique composites ont été distribuées au hasard. Les fibres en acier alignés avaient un rendement beaucoup plus élevé qui se renforcent et les composites, par conséquent, exposées ténacité et sensiblement renforcée résistance à la flexion. Le ASFRC est donc supérieur au BRF en ce qu’il peut supporter des contraintes de traction supérieure et plus efficacement résister à la fissuration.

Introduction

Incorporant des fibres d’acier dans le béton est un moyen efficace de surmonter la faiblesse inhérente de fragilité et d’améliorer la résistance à la traction du béton1. Au cours des dernières décennies, béton renforcé de fibres en acier a été largement étudiée et largement utilisé dans le domaine. Béton renforcé de fibres en acier est supérieur au béton en termes de résistance à la traction, ténacité, énergie de rupture, résistance aux craquelures, etc.2 dans les fibres de béton armé, acier acier fibre sont aléatoirement dispersés, ainsi uniformément disperser l’efficacité se renforcent des fibres dans toutes les directions. Cependant, dans certaines conditions de charge, seulement certains des fibres en acier dans le béton contribuent à la performance des éléments structuraux parce que l’efficacité se renforcent des fibres exige qu’ils soit alignée avec le principe des contraintes de traction dans la structure. Par exemple, lors de l’utilisation de béton armé de fibres en acier contenant des fibres d’acier distribués aléatoirement pour préparer un faisceau, certains des fibres en acier, en particulier celles parallèles à la direction de la contrainte principale de traction, apportera une contribution majeure à ne renforcer l’efficacité, tandis que ceux perpendiculairement à la direction de la contrainte principale de traction fera aucune contribution au renforcement de l’efficacité. Par conséquent, trouver une approche d’aligner les fibres en acier avec la direction de la contrainte principale de traction dans le béton est nécessaire pour atteindre le plus haut rendement de renfort des fibres en acier.

Le facteur d’efficacité de l’orientation, défini comme le rapport de la longueur projetée le long de la direction de la contrainte de traction à la longueur réelle des fibres, est généralement utilisé pour indiquer l’efficacité du renforcement de fibres d’acier3,4 . Selon cette définition, le facteur d’efficacité de l’orientation des fibres alignées avec la direction de la contrainte de traction est de 1,0 ; que des fibres perpendiculaires à la contrainte de traction est 0. Inclinée de fibres ont un facteur d’efficacité de l’orientation entre 0 et 1,0. Les résultats des analyses montrent que le facteur d’efficacité de l’orientation des fibres d’acier distribués aléatoirement dans le béton est 0,4054, tandis que celle des essais de béton renforcé de fibres en acier ordinaire est de l’ordre de 0,167 à 0,5005,6 . Evidemment, si toutes les fibres courtes en acier dans le béton sont alignés et ont la même orientation que la contrainte de traction, les fibres d’acier aura la plus grande efficacité de renfort et les spécimens auront le comportement de traction optimal.

Quelques tentatives réussies pour préparer le béton renforcé de fibres en acier alignés ont été menées depuis les années 1980. En 1984, Shen7 appliqué un champ électromagnétique à la couche inférieure des poutres en acier renforcé de fibres composites cimentaires (BRF) lors de la coulée, et analyse de détection aux rayons x a révélé que les fibres d’acier ont été bien alignées. En 1995, Bayer8 et Arman9 breveté l’approche pour la préparation de béton armé de fibre acier aligné en utilisant un champ magnétique. Yamamoto et al. 10 a examiné l’orientation des fibres d’acier dans le béton pour être principalement influencé par l’approche de la coulée et a tenté d’obtenir le béton renforcé de fibres en acier alignés en gardant frais concrets qui se jettent dans le coffrage d’une direction constante. Xu11 a tenté d’aligner les fibres d’acier dans le béton projeté par projection de fibres d’acier d’une direction constante. Rotondo et Wiener12 a cherché à faire des poteaux de béton avec des fibres aciers longs alignés par coulée centrifuge. Ces études expérimentales montrent que le béton renforcé de fibres en acier alignés a des avantages significatifs sur le béton renforcé de fibres en acier distribués aléatoirement.

Récemment, Michels et al. 13 et Mu et al. 14 ont développé avec succès un groupe de composites cimentaires renforcés par fibres alignées en acier (ASFRCs) à l’aide de champs électromagnétiques. Dans ces études, solénoïdes divers ont tenté de fournir un champ magnétique uniforme pour l’alignement des fibres d’acier dans des échantillons de mortier de différentes tailles. L’électrovanne a une chambre cuboïde creuse qui peut accueillir des échantillons de tailles prédéfinies. Quand l’électrovanne est reliée à courant continu (DC), un champ magnétique uniforme est créé dans la chambre avec une orientation fixe, qui s’aligne sur l’axe du solénoïde. Selon le principe de l’électromagnétisme15, champs magnétiques peuvent conduire ferromagnétiques fibres pour faire pivoter et s’alignent dans le mortier frais. Maniabilité appropriée du mortier est essentielle pour permettre aux fibres d’acier faire pivoter dans le mortier frais. Une viscosité élevée peut entraîner des difficultés dans l’alignement des fibres en acier dans le mortier, tandis que la basse viscosité peut conduire à la séparation des fibres.

Cet article décrit les détails de la préparation des spécimens ASFRC et teste les propriétés en flexion des ASFRC et BRF. Il est prévu que ASFRC a une résistance plus élevée à la flexion et l’endurance que le BRF. Ainsi, ASFRC a potentiellement des avantages sur BRF à résister à des contraintes de traction et fissuration résister si utilisé comme couverture de béton, trottoir, etc.

En utilisant les spécimens fracturées après essais de flexion, l’orientation des fibres en acier dans les prélèvements est étudiée en observant les coupes fracturées et utilisant des rayons x à balayage calculé tomographie analyse16,17 , 18. les propriétés mécaniques des ASFRCs, y compris leur résistance à la flexion et la dureté, sont rapportées et comparées avec celles des SFRCs électromagnétiquement non traitées.

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Protocol

1. installation de champ magnétique solénoïde

Remarque : Le champ magnétique est généré par un solénoïde avec une creuse de la chambre. Le programme d’installation est un squelette de solénoïde polybutylène téréphtalate (PBT) Conseil enroulé avec 4 à 6 couches d’émail des câbles cuivre et enveloppé d’une couche isolante en plastique de protection (Figure 1). Après raccordement de la bobine à DC, le courant dans la bobine crée un champ électromagnétique uniforme au sein de la chambre de solénoïde avec une direction fixe et une intensité constante induction magnétique. Utilisez le champ magnétique pour aligner les fibres d’acier dans le mortier frais et préparer les spécimens ASFRC. Dans cette étude, nous avons préparé 150 × 150 × 550 mm prism spécimens à l’aide d’un solénoïde avec un volume de chambre de 250 × 250 × 750 mm.

  1. Corrélation entre l’intensité de l’induction magnétique au courant électrique de l’électrovanne.
    1. Raccorder l’électrovanne à DC et appliquer le courant de 0 à 10 A avec une longueur de l’étape de 1 a. mesurer et noter l’intensité de l’induction magnétique dans la chambre de solénoïde à l’aide d’un compteur de tesla.
    2. Tracer la courbe d’intensité courant induction magnétique (Figure 2), qui sera utilisée dans les étapes ultérieures afin de déterminer le courant nécessaire du solénoïde.
      Remarque : Respecter scrupuleusement les procédures de sécurité électrique lors de la connexion du solénoïde de la source d’alimentation et dans toutes les autres procédures de fonctionnement pertinents à l’alimentation électrique.

2. la maniabilité du mortier frais

  1. Préparer trois mélanges de mortier avec acier fibre volume fractions 0,8 % et 1,2 % 2,0 %, respectivement (tableau 1). Les trois mélanges ont la même composition de matrice avec une eau à ciment au ratio de 0.42:1:2 de sable. Selon le ratio de mélange, poids 0,5 kg de ciment, 1,0 kg de sable et 0,21 kg d’eau pour les essais de maniabilité.
  2. Ajouter de l’eau tout d’abord au malaxeur de mortier. Puis ajouter le ciment. Mélanger l’eau et le ciment pendant 30 s. Mélangez ensuite pour un autre 30 s et au cours de cette 30 s de mélange, ajouter graduellement le sable à la table de mixage. Mélangez ensuite pour un autre 60 s.
  3. Tester la profondeur d’enfoncement du mélange à l’aide d’un mètre de profondeur naufrage suivant la norme chinoise pour la méthode de test de performance sur la construction de mortier (JGJ/T70-2009)19.
  4. Répétez les étapes 2.2 et 2.3, ajustant le dosage de la superplastifiants jusqu'à ce que la profondeur d’enfoncement se trouve dans la fourchette de 50 à 100 mm. Enregistrer la posologie de la superplastifiant qui produit l’ouvrabilité désirée et de compléter celle-ci dans le cadre de la proportion de mélange dans le tableau 1. Également tester la densité spécifique du mortier frais une fois réalisée l’ouvrabilité. Le dosage optimisé d’un superplastifiant polycarboxylate des essais susmentionnés est 0,10 % (rapport de masse de ciment), et la densité spécifique de mortier frais est 2186 kg/m3.
  5. Tester la viscosité du mortier frais à l’aide d’un rhéomètre de mortier rotation coaxiale (Figure 3). Le rhéomètre a un bain d’eau qui peut maintenir la température du récipient échantillon à 20 ° C.
    1. Mettre 300 mL de mortier frais mélangé dans le précédent 5 min dans le récipient à échantillon.
    2. Commencer le test de viscosité. La sonde tombe peu à peu dans le mortier frais dans le conteneur et le conteneur se met à tourner. Comme le mortier frais se déplace dans le conteneur de rotation, elle applique une force de cisaillement sur la sonde. Dans le processus, les enregistrements de rhéomètre la contrainte de cisaillement et de cisaillement note et trace la courbe de contrainte de cisaillement à taux de cisaillement. La pente de la courbe est la viscosité du mortier20,21. Dans le cadre de cette enquête, la viscosité du mortier frais d’essais est Pas 0,82.

3. préparation des échantillons

  1. Déterminer l’intensité de l’induction magnétique du champ magnétique et le courant de l’électro-aimant.
    1. À l’aide de la viscosité du mortier ciment déterminé à l’étape 2.5.2, calculer l’intensité d’induction magnétique du champ magnétique nécessaire pour aligner les fibres d’acier en mortier de ciment à l’aide de l’équation (1) :13
      Equation 1(1)
      où B est l’intensité magnétique induction, η est la viscosité du mortier frais, lf est la longueur de fibre acier, m est la masse d’une fibre d’acier individuelle, rf est le rayon de fibres d’acier, μ est la perméabilité des fibres d’acier, μ0 est la perméabilité du vide, Δt est intervalle de temps, et α(t + Δt) est l’accélération angulaire au prochain intervalle de temps. Selon la viscosité et les paramètres de la fibre d’acier utilisées dans les essais, l’intensité requise induction magnétique est 9,83 Mt.
    2. Déterminer le courant électrique du solénoïde nécessaire à la création d’une intensité suffisante d’induction magnétique selon Figure 2 ou l’équation (2) :14
      Equation 2(2)
      où I est le courant requis, N est le nombre de spires du solénoïde et L est la longueur du solénoïde.
      Utilisant l’équation (2), le courant nécessaire est 8.3 A, tandis que la Figure 2, c’est environ 8,5 A.
  2. Préparer des échantillons ASFRC
    1. Utilisez un mélangeur de mortier de 15 L pour mélanger le mortier frais. Pour chaque lot, mélanger 7,5 L de mortier selon les proportions de mélange énumérés au tableau 1. Tableau 1 indique les mélanges ASFRC, V, Af, où A indique que les fibres d’acier sont alignés et Vf indique la fraction volumique de fibres en acier. En conséquence, les mélanges de BRF sont notés, à titre de comparaison, R-Vf, où R indique que les fibres d’acier sont distribuées au hasard. Les mélanges de BRF ne figurent pas dans le tableau 1 , mais ont les mêmes proportions que ASFRC.
    2. Peser les matières premières et mélanger le mortier de ciment renforcé de fibres en acier suivant les procédures de routine.
    3. Verser le mortier frais dans un moule en plastique avec claire taille de 150 × 150 × 550 mm. monter les spécimens promptement après le mélange pour éviter de perdre de maniabilité. Il faut environ 25 min à caster un prisme ASFRC du contact entre l’eau et de ciment.
    4. Déplacer le moule sur une table de compactage et mettre la table compactage pendant 30 s. Ajouter mortier plus que nécessaire pour vous assurer que que le moule soit complètement rempli.
    5. Mettre le moule dans la chambre de l’électroaimant.
    6. Allumez le solénoïde et le compactage table pour 50 s.
      Remarque : Pour le béton ordinaire le délai raisonnable de compactage est d’environ 60-120 s. Dans ce test, il est tenté de contrôler le temps total de compactage dans cet intervalle. Temps plus compactage peut améliorer l’alignement des fibres d’acier ; Toutefois, il peut causer au compactage et, par conséquent, la ségrégation (le naufrage de fibres d’acier et agrégats grossiers s’il existe). Moins de temps compactage peut provoquer de mauvais alignement des fibres en acier et béton non consolidé.
    7. Eteindre le tableau de compactage.
    8. Éteindre le solénoïde d’après que le tableau de compactage a cessé complètement.
    9. Doucement, sortir le moule de l’électrovanne et lisser la surface supérieure du mortier avec une truelle. Éviter de déranger les fibres en acier près de la surface supérieure.
  3. Pour chaque mélange, préparer les trois spécimens d’électromagnétiquement traités (après les étapes 3.2.2-3.2.9) et trois électromagnétiquement non traitées (à la suite des mesures 3.2.2-3.2.4 et 3.2.9). Dans la préparation des spécimens électromagnétiquement non traitées, la durée totale de compactage était 80 s — identique à celui dans la préparation des échantillons traités aux ondes électromagnétiques.
  4. Laisser les spécimens à l’intérieur et dans leurs moules pendant 24 h. Puis le demold et guérir les spécimens dans une chambre de brouillard jusqu'à ce qu’ils sont utilisés pour les essais mécaniques.

4. trois points essai de flexion

  1. Après 28 jours, retirez les spécimens de la salle de séchage et marquer les positions pour le chargement (A), prise en charge (B), mi-distance déflexion (C) et LVDT points (D) (Figure 4) de fixation.
  2. Placer l’échantillon sur le banc d’essai flexion trois points (Figure 4) de la machine de test MTS et fixer un LVDT à la mi-portée utilise un dérouleur LVDT sur la surface de chaque côté de l’échantillon (Figure 4).
  3. Connecter le LVDT à un datalog. Puis définissez la fréquence d’acquisition de données sur le PC de contrôle de la machine de test.
  4. Augmentez progressivement le spécimen en soulevant de que le bas prend en charge afin que le supérieur cellule de l’appareil d’essai de chargement est très proche, mais sans le toucher, la surface supérieure de l’échantillon.
  5. Zéro la charge initiale, déviation de mi-portée (LVDT) et valeurs de déplacement (cellule de pesage).
  6. Démarrez le test et d’appliquer une charge en flexion trois points au modèle de formulaire avec un contrôle du déplacement à une vitesse de 0,2 mm/min. enregistrement de l’historique complet de la déviation de chargement et de mi-portée du spécimen.
  7. Regardez la charge et la déformation de l’échantillon. Après la valeur de crête, lorsque le déplacement est supérieur à 30 mm, arrêter le test. Habituellement, le spécimen est fissuré et la charge est inférieur à 1,0 kN.
  8. Répétez les étapes 4.1 à 4.7 pour tester tous les spécimens.

5. acier fibre Orientation analyse

  1. Compter le nombre de fibres d’acier sur la section fracturée.
    1. Les spécimens se divisent en deux portions à la section fissurée.
    2. Mesurer et noter l’orientation des fibres en acier sur la section fracturée du spécimen de mortier de ciment. L’orientation est l’angle entre une fibre d’acier et de l’axe de l’échantillon. Car mesurer manuellement les orientations des fibres d’acier est difficile et peut produire des mesures inexactes, orientations peuvent être classées comme une des six plages d’angle : 0 - 15 °, 15 à 30 °, 30-45 °, 45-60 °, 75 ° - 60 et 75-90 °. Enregistre le nombre de fibres d’acier dans chaque groupe et ensuite calculer le facteur d’efficacité de l’orientation fibre moyenne de l’échantillon utilisant l’équation (3) :
      Equation 3(3)
      où ηθ est le facteur d’efficacité moyenne de l’orientation des fibres en acier, lf est la longueur d’une fibre d’acier individuelle, n est le nombre total de fibres d’acier sur la section fissurée et θj’ai est la angle entre une fibre acier et la direction du champ magnétique appliqué au modèle de formulaire (dans le calcul, la valeur médiane de la fourchette d’angle est adoptée pour toutes les fibres d’acier dans chaque groupe).
  2. Effectuer la diffraction Tomographie calculée.
    1. Couper un cube de 75 mm de chaque échantillon de mortier.
    2. Effectuer la radioscopie du cube à l’aide d’un système de tomographie aux rayons x calculée. Placer un spécimen sur la plateforme de test et commence l’analyse. Le spécimen pivote à 360 ° peu à peu et la machine enregistre l’atténuation des rayons x causée par l’échantillon à chaque étape de rotation. Le système de tomographie par ordinateur génère une structure numérique en trois dimensions du cube.
    3. Identifier les fibres d’acier dans la structure du cube numérique en noir et blanc traitement binaire. Puis obtenir l’image numérique qui décrit la distribution des fibres d’acier.
    4. Déterminer les coordonnées de toutes les fibres d’acier par analyse d’image.
    5. Calculer l’orientation de chaque fibre acier selon ses coordonnées.
    6. Calculer le facteur d’efficacité de l’orientation des fibres à l’aide d’équation (3).

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Representative Results

Les forces en flexion des ASFRCs et SFRCs, déterminés à partir des essais de flexion trois points sont indiqués à la Figure 5. Les forces de flexion des ASFRCs sont plus élevés que ceux des SFRCs pour tous les dosages de fibre. Les forces de flexion des ASFRCs étaient de 88 %, 71 % et 57 % plus élevés que ceux de SFRCs à la fraction volumique de fibre de 0,8 %, 1,2 % et 2,0 %, respectivement. Ces résultats impliquent que la fibre acier alignée renforce la matrice cimentaire plus efficacement que les fibres en acier distribués aléatoirement.

Figure 6 montre le courbes de charge-flèche obtient par les essais de flexion trois points. L’aire sous la courbe contrainte-déformation est défini comme la résistance en flexion, qui reflète la capacité d’absorption d’énergie ou de la consommation de l’échantillon lorsque fracturé. La dureté de ASFRCs et de SFRCs a été calculée et les résultats sont donnés dans le tableau 2. Comme la résistance à la flexion, la résistance du ASFRCs était supérieure à celui de SFRCs. Les valeurs de dureté de ASFRCs étaient de 48 %, 77 % et 39 % supérieur à celui des SFRCs à la fraction volumique de fibre de 0,8 %, 1,2 % et 2,0 %, respectivement.

Le tableau 3 montre la distribution des orientations fibre acier déterminé après avoir mesuré l’angle des fibres sur les sections fracturées. Les spécimens ASFRC ont beaucoup plus de fibres dans la plage de 0 à 15 ° angle que dans n’importe quelle autre gamme d’angle. Ils ont aussi plus de fibres dans la plage d’angle de 0 à 15 ° que les spécimens de BRF. Ainsi, appliquant un champ électromagnétique efficacement contrôle l’orientation des fibres d’acier. Le tableau 3 montre aussi que le nombre total de fibres d’acier sur les sections fracturées des spécimens ASFRC est supérieur à celle des spécimens BRF, ce qui implique que les spécimens ASFRC ont des fibres en acier plus combler les fissures que les spécimens de BRF. Cette différence peut être le résultat d’une partie des fibres dans les spécimens de BRF étant proche et parallèle à la section fracturée ; Toutefois, ces fibres d’acier n’étaient pas visibles au cours de l’inspection. Le tableau 3 donne aussi l’orientation des facteurs d’efficacité des fibres d’acier calculés d’après la distribution des fibres en acier orientations déterminées dans les tests. Les résultats indiquent que les facteurs d’efficacité de l’orientation de tous les spécimens ASFRC sont supérieures à celles des spécimens BRF. Les facteurs d’efficacité de l’orientation pour les spécimens ASFRC A-0.8%, A-1.2% et A-2.0% sont respectivement 0,90 et 0,94 0,95. Pour les échantillons de BRF, en revanche, les facteurs sont 0,75 0,75 et 0,78 pour R-0.8%, R-1.2% et R-2.0%, respectivement.

Comme indiqué dans la vidéo 1 pour les spécimens A-0.8% et Video 2 pour R-0.8%, la radioscopie et la tomodensitométrie analyse produit des images tridimensionnelles montrant la répartition des fibres d’acier dans les prélèvements. Les images révèlent que la plupart des fibres en acier dans les spécimens de ASFRC est effectivement alignée et ont l’orientation identique ou similaire, tandis que ceux dans les spécimens de BRF ont une orientation aléatoire. Du x-ray computed tomography testage, les coordonnées des fibres dans l’échantillon peuvent être déterminées et le facteur d’efficacité de l’orientation des fibres dans l’échantillon peut être calculé. Comme indiqué dans le tableau 4, les facteurs d’efficacité de l’orientation obtenus à partir de x-ray computed tomography sont conformes à ceux établis en comptant sur des coupes transversales.

Figure 1
Figure 1. Configuration magnétique solénoïde. Lorsqu’il est connecté à DC, un champ magnétique uniforme est créé dans la creuse de la chambre de l’électroaimant. Ce champ magnétique est utilisé pour aligner des fibres d’acier en mortier de ciment et de préparer des échantillons ASFRC. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Relation intensité-courant induction magnétique. La relation entre l’intensité de l’induction magnétique et actuel a été démontrée par des tests. Cette relation est utilisée pour déterminer l’intensité nécessaire pour aligner les fibres d’acier en mortier de ciment frais. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3. Installation de rhéomètre. À l’aide d’un rhéomètre, la relation entre la contrainte de cisaillement et la vitesse de cisaillement de mortier de ciment frais est déterminée expérimentalement. La viscosité du mortier peut ensuite être obtenue. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4. Spécimen de chargement pour test de flexion trois points Une charge en flexion trois points est appliquée au modèle de formulaire avec chargement de 0,2 mm/min. La charge et la déformation sont surveillés. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5. Flexion des ASFRCs et SFRCs. La résistance en flexion de chaque mélange est la moyenne des trois échantillons. Les barres d’erreur dans la figure sont l’écart-type (SD) et indiquent la dispersion des tests. Les résultats montrent que la résistance en flexion de ASFRC est plus élevée que celui du BRF. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6. Charge-flèche de spécimens ASFRC et BRF. (A) fraction volume de fibre acier 0,8 %, fraction volumique (B) des fibres en acier 1,2 %, fraction volumique (C) des fibres en acier 2,0 %. Pour chaque mélange, trois spécimens sont testés, et les trois spécimens sont marqués d’un nombre entre parenthèses. Les résultats montrent que les spécimens ASFRC ont peak charge et la dureté des valeurs plus élevées (l’aire sous la courbe) que les spécimens de BRF. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 7
Figure 7. Aligné à fibres d’acier sur la section fracturée d’un échantillon de béton armé de fibres en acier. Bien qu’il existe de nombreux agrégats grossiers, les fibres d’acier dans le béton sont encore effectivement alignés. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Video 1
Vidéo 1. Distribution de fibres en acier de A-0.8% de rayons x calculé tomographie essais. Résultats de la radiographie calculé tomographie tests donnent la répartition spatiale des fibres d’acier dans l’échantillon et prouvent que les fibres d’acier dans des échantillons de ASFRC sont fortement alignées. S’il vous plaît cliquez ici pour voir cette vidéo. (Clic droit pour télécharger.)

Video 2
Vidéo 2. Distribution de fibres en acier de R-0.8% de rayons x calculé tomographie essais. Résultats de la radiographie calculé tomographie tests donnent la répartition spatiale des fibres d’acier dans l’échantillon et prouvent que les fibres en acier dans des échantillons de ASFRC sont fortement alignées tandis que ceux dans les échantillons de BRF sont distribuées au hasard. S’il vous plaît cliquez ici pour voir cette vidéo. (Clic droit pour télécharger.)

Mix n ° Eau (kg/m3) Ciment (kg/m3) Sable (kg/m3) Fibres en acier (kg/m3) Superplastifiant (kg/m3)
A-0.8% 267 633 1266 62,4 0,267
A-1.2% 265 631 1261 93,6 0,265
A-2.0% 263 627 1253 156.0 0,263

Tableau 1. Mélanger les proportions des composites cimentaires avec renfort en fibre acier alignés (ASFRC). La quantité de la matière dans chaque ligne est pour 1 m3 composites. Les homologues de BRF ont exactement les mêmes proportions.

Spécimen Ténacité Dureté moyenne Spécimen Ténacité Dureté moyenne
(N•mm de5× 10) (N•mm de5× 10) (N•mm de5× 10) (N•mm de5× 10)
A-0.8% (1) 2,047 R-0.8% (1) 1,495
A-0.8% (2) 1.945 2.073 R-0.8% (2) 1,344 1,396
A-0.8% (3) 2,226 R-0.8% (3) 1,349
A-1.2% (1) a alloué 2,323 R-1.2% (1) 1.738
A-1.2% (2) 3,707 3.148 R-1.2% (2) 1,476 1,783
A-1.2% (3) 3.414 R-1.2% (3) 2.136
A-2.0% (1) 3.125 R-2.0% (1) 1.692
A-2.0% (2) 3,998 3,568 R-2.0% (2) 2.807 2.575
A-2.0% (3) 3.582 R-2.0% (3) 3.227

Le tableau 2. Dureté de spécimens ASFRC et BRF. La dureté de l’échantillon est l’aire sous la courbe contrainte-déformation. Les spécimens ASFRC ont des valeurs plus élevées de dureté que les spécimens de BRF.

Spécimen Nombre de fibres dans la gamme d’angle Total Facteur d’efficacité de l’orientation
0-15 ° 15-30 ° 30-45 ° 45-60 ° 60-75 ° 75-90 °
A-0.8% 367 80 39 27 15 22 550 0.90
R-0.8% 133 102 83 67 49 45 479 0,75
A-1.2% 668 65 34 16 20 13 816 0,94
R-1.2% 142 120 98 72 61 41 534 0,75
A-2.0% 887 162 45 28 20 11 1153 0,95
R-2.0% 33W 207 151 129 54 61 838 0,78

Tableau 3. Nombre de fibres d’acier sur des sections de mortier fracturée. Les spécimens ASFRC avec des fibres en acier alignés ont beaucoup plus de fibres de niveau 0-15 ° angle que dans n’importe quelle autre gamme d’angle. Ils ont aussi plus de fibres dans la 0-15 ° angle arc que les spécimens de BRF. Le nombre de fibres en acier a été déterminé manuellement en comptant les fibres sur la section fracturée des spécimens. Le nombre total de fibres d’acier sur les sections fracturées des spécimens ASFRC est supérieur à celle des spécimens BRF.

Vf= 0,8 % Vf= 1,2 % Vf= 2,0 %
ASFRC 0,91 0,93 0,94
BRF 0,59 0,66 0,63

Tableau 4. Facteur d’efficacité de l’orientation des fibres d’acier dans un mortier de radiographie calculée analyse tomographie. Les résultats de diffraction Tomographie calculée confirment que les fibres d’acier dans les spécimens de ASFRC sont effectivement alignés et ont des facteurs d’efficacité orientation plus élevés que les spécimens de BRF.

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Discussion

Le solénoïde électromagnétique développé dans cette étude comporte une chambre de mesure 250 × 250 × 750 mm et ne peut pas accueillir les éléments structuraux de pleine grandeur. Bien que la taille de la chambre limite l’application de la configuration, le concept et le protocole proposé dans ce livre inspirera la poursuite du développement d’une installation de taille pour la fabrication d’éléments ASFRC, particulièrement préfabriqués en éléments.

Atteindre une viscosité appropriée de mortier frais est un facteur essentiel pour le contrôle de la qualité des ASFRCs, parce que l’alignement des fibres en acier est entraîné par une force magnétique qu’il faut surmonter la résistance visqueuse dans le mortier frais. La résistance visqueuse est régie par la viscosité du mortier frais. Plus la viscosité du mortier, il est facile d’aligner les fibres en acier. En revanche, la viscosité du mortier frais influe également sur la suspension de fibres d’acier. Très haute viscosité de la matrice douce mène à mal à aligner les fibres d’acier, bien que très faible viscosité provoque la séparation des fibres d’acier. Par conséquent, très haute et très basse viscosité réduire l’efficacité de renfort en fibre. Par conséquent, dans l’ordre balance l’alignement et suspension des fibres en acier, la viscosité du mortier frais peut être empiriquement contrôlée en veillant à ce que la profondeur naufrage du mortier de ciment ordinaire frais demeure dans la fourchette de 50 à 100 mm.

Bien que le protocole décrit dans le présent document sert à préparer le mortier de ciment renforcé de fibres en acier, il est également applicable à l’acier béton renforcé de fibres. La figure 7 est une photo de béton armé fibre acier alignés avec des agrégats grossiers préparés selon le protocole décrit ci-dessus. Pour le béton, due à la présence d’agrégats grossiers, intuitivement, les fibres d’acier sont trouvent dans l’écart entre les agrégats grossiers et donc ne peut pas être alignés. Toutefois, les résultats des tests du procès montrent que l’approche fonctionne bien et que les fibres d’acier dans le béton peuvent être efficacement alignés. En effet, dans le béton, la fraction volumique de gros granulats est à peu près 35 % ; les autre particules fines représentent la fraction restante de 65 % en volume. Ce volume de 65 % offre amplement d’espace pour la fibre à aligner. Par conséquent, cela permet que le protocole proposé a plus larges domaines d’application dans le mortier et le béton.

En conclusion, 1) à l’aide de la configuration du champ électromagnétique solénoïde développée dans cette étude, les fibres d’acier dans le mortier frais étaient fortement alignés et des spécimens ASFRC avec une taille maximale de 150 × 150 × 550 mm ont été préparés avec succès. 2) les facteurs d’efficacité de l’orientation de fibres d’acier dans des échantillons de ASFRC dépassement 0,90, tandis que celles des spécimens de BRF étaient autour de 0,60. En outre, le nombre de fibres d’acier combler les sections fissurées des spécimens ASFRC était supérieur à celle des spécimens BRF. Les facteurs d’efficacité de l’orientation plus élevées et plus les fibres en acier entièrement compte des sections fissuré l’augmentation dans le renforcement de l’efficacité des ASFRC. 3) la résistance à la flexion et l’endurance en flexion de ASFRC sont nettement supérieurs à ceux du BRF à la fraction volumique de fibre de 0,8 %, 1,2 % et 2,0 %. Enfin, 4) si le protocole décrit dans le présent document a été utilisé pour préparer le mortier de ciment renforcé de fibres en acier, elle est également applicable à l’acier béton renforcé de fibres. Le projet de protocole a par conséquent plus larges domaines d’application dans le mortier et le béton.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Les auteurs remercient les soutiens financiers de la Nature Science Fondation nationale de Chine (Grant no 51578208), Hebei Provincial Nature Science Foundation (Grant No. E2017202030 et E2014202178) et des clés de projet de la Science de l’Université et la recherche technologique de la Province du Hebei (subvention no ZD2015028).

Materials

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

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References

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Ingénierie numéro 136 acier béton renforcé de fibres aligné les fibres d’acier composites cimentaires champ électromagnétique dureté résistance à la flexion distribution de fibre facteur d’efficacité de l’orientation mortier
Préparation des fibres en acier alignés renforcés composites cimentaires et son comportement en flexion
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Mu, R., Wei, L., Wang, X., Li, H.,… More

Mu, R., Wei, L., Wang, X., Li, H., Qing, L., Zhou, J., Zhao, Q. Preparation of Aligned Steel Fiber Reinforced Cementitious Composite and Its Flexural Behavior. J. Vis. Exp. (136), e56307, doi:10.3791/56307 (2018).

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