Прочность пенобетона: Основные достоинства и недостатки пеноблоков

4. Выводы

Пенобетон может достигать гораздо более низкой плотности (от 400 до 1400 кг / м ³ ) по сравнению с обычным бетоном. Была проведена серия испытаний для проверки механических параметров пенобетона: прочности на сжатие, прочности на изгиб и модуля упругости.Кроме того, влияние 25 циклов замораживания и оттаивания на прочность на сжатие была исследована.

Основные выводы, которые можно сделать из этого исследования, следующие: (i) Дозировка пенообразователя влияет на плотность смеси и затвердевшего пенобетона. Плотность пенобетона сильно коррелирует с содержанием пены в смеси. (Ii) прочность на сжатие, модуль упругости и прочность на изгиб уменьшаются с уменьшением плотности пенобетона; полиномиальные функции были предложены для описания этих отношений.(iii) Прочность на сжатие и модуль упругости пенобетона были немного уменьшены при добавлении 5% летучей золы. (iv) Прочность на сжатие пенобетона, подвергнутого испытаниям на замерзание-оттаивание, показывает значения только примерно на 15% ниже по сравнению с к необработанным образцам.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана текущим исследовательским проектом «Стабилизация слабого грунта путем нанесения слоя пенобетона, контактирующего с грунтом» (LIDER / 022/537 / L-4 / NCBR / 2013), финансируемого Национальный центр исследований и разработок в рамках программы LIDER.Авторы с благодарностью признают навыки и приверженность лаборанта Альфреда Кукиелки, без которого настоящее исследование не могло бы быть успешно завершено.

Изготовление пенобетона — FoamConcreteWorld.com

На этой странице описывается, как производить FC и что влияет на «качество»

Пенобетон также известен как

Воздухобетон, Пенобетон, Пенобетон, Пенцемент, Ячеистый легкий бетон, Бетон пониженной плотности, Легкий бетон, Ячеистый бетон, Газбетон, Пенобетон, легкий бетон воздушного твердения, газобетон, Ячеистый легкий бетон, изоляционный бетон, Ячеистый бетон из легких заполнителей, бетон низкой плотности, вспененный раствор, раствор из пеноматериала.

Пенобетон (FC) получают путем смешивания пены с раствором. Раствор представляет собой цементную смесь с песком и водой. В результате получается смесь, которая легче «обычного» бетона. Масса или плотность, как мы ее здесь называем, (вес на кубический метр) зависит от того, сколько пены добавлено в раствор. Чем больше пены мы добавляем, тем она легче, но также она становится слабее. «Идеальная» смесь должна иметь не менее 20 МПа при плотности 1000 кг / м3, однако лучшие результаты, которые я обнаружил в исследованиях, составили 18 МПа и плотность 1200 кг / м3.Простой FC без добавок обычно составляет около 5-8 МПа при плотности 1000 кг / м3. На рынке есть ФК «Бренды», претендующие на лучшее, чем это.

Чем легче ТЭ, тем лучше становится теплоизоляция. Комбинация прочности и теплоизоляции делает FC идеальным строительным материалом. О преимуществах и недостатках FC см .: Почему пенобетон — идеальный строительный материал

В этой статье мы кратко опишем:

Новая страница для домашних проектов!

Если у вас есть проект, которым вы хотите поделиться с нами, я буду рад разместить его на странице «Проекты FC».Это может быть ваш собственный домашний проект или более крупное мероприятие, например, целый дом. Или разместите его на нашей странице в Facebook, чтобы мы все могли учиться друг у друга.

https://www.facebook.com/InternationalFoamConcreteInstitute

Пенообразователи

Свойства пены
Вспенивающие агенты и создание пены часто упускаются из виду из-за их важности для получения FC. Однако это очень важный аспект процесса, и если все сделать не «правильно», он может пойти совершенно неправильно.

Характеристики пены, из которой получается «хороший» пенобетон:

Стабильность, как долго пена удерживает пузыри.

Это можно проверить, сделав немного пены и оставив ее в стакане, и посмотреть, сколько времени пройдет, прежде чем вы увидите усадку и жидкость на дне. Он не должен разрушиться до тех пор, пока FC не установится достаточно, чтобы сохранять свою форму, это может занять до 5 часов! Однако этот тест не говорит вам, как он ведет себя при смешивании с строительным раствором и других реакциях с добавками.

Позвонить в помощь

Как вы узнаете, читая больше о пенообразователе, наиболее важным аспектом является то, как долго пена будет стоять. Большинство пенообразователей разрушаются очень быстро.

Я ищу рецепт, создающий «прочную» пену. Может ли кто-нибудь помочь в этом или знает промышленного химика, который готов помочь? Надеюсь, мы сможем придумать то, что большинство из нас сможет сделать в большинстве стран по разумной цене.

Маленькие пузыри прочнее больших, оптимальный размер 0,5 мм. Хорошие результаты могут быть достигнуты при размере пузырьков от 0,05 до 1 мм и, предпочтительно, для большинства пузырьков такого же небольшого размера.

Однородность и форма пузыря:

Более крупные пузыри обычно схлопываются первыми при смешивании с раствором. Чем однороднее размер пузырьков, тем прочнее будет FC. Оптимальная форма пузыря — идеальная круглая сфера.Насколько он выдержит деформацию, зависит от модулей поверхности и поверхностного натяжения.

Связь пузырей:

В идеале все пузыри должны быть отделены друг от друга при смешивании в ступке.

Уничтожение пузырей

• Пузырьки могут схлопнуться из-за реакции с другими добавками и цементными продуктами, которые мы добавляем в смесь.
• Продолжительное и энергичное перемешивание пенобетона, чем необходимо, приводит к уничтожению пузырей.
• Прокачка FC на большую длину и высоту также может разрушить пузыри.Проверьте заявления производителя пенообразователя.

Ниже приводится обзор свойств смеси FC без каких-либо добавок, которые могут улучшить некоторые из этих характеристик.

Пенообразователи можно разделить на классы,

Синтетические поверхностно-активные вещества , изготовленные из нефтепродуктов. Некоторые из них являются лауретсульфатом натрия, не путать с лаурилсульфатом натрия, это другое химическое вещество.

Прочие: додецилсульфат натрия, кокамидопропилбетан или их смесь

На белковой основе натриевых и калиевых солей жирных кислот (алкилкарбоновых кислот), таких как лауриновая и миристиновая кислоты.Обычно делают из субпродуктов животных.

До настоящего времени было обнаружено, что агенты на основе белка лучше подходят для создания FC. В зависимости от того, насколько хорошо они очищены, белковые продукты могут иметь более короткий срок хранения и вызывать запах в FC. Каждый производитель утверждает, что у него превосходный продукт. Некоторые синтетические пены утверждают, что они более стабильны и перекачиваются, чем другие. Я нашел одно исследование, в котором сравнивали 3 разных пенообразователя.

Растительное происхождение

Этот тип является альтернативой, если вы не хотите использовать другие типы.

FOAM AGENT ISOCEM S / BN 100% РАСТИТЕЛЬНЫЙ, ISOCEM S / BN — это новый продукт в линейке Isocem, пенообразователи для производства пенобетона. Он более концентрированный и 100% растительного происхождения. https://www.isoltech.it Это единственный бренд такого типа, который я нашел до сих пор, поэтому я упоминаю его здесь по имени.

Для поставщиков пенообразователей перейдите по ссылке Пенообразователи

Не рекомендуется вспенивать такие бытовые продукты, как мягкое мыло или шампунь, если у вас есть специальная пена FC.Стоимость даже самых дорогих пенообразователей невелика по сравнению со стоимостью вышедшей из строя партии пенобетона или всего дома! Самая большая проблема для DIY — получение небольшого количества средства. Я предлагаю обратиться в местную компанию, которая предоставляет услуги по вспениванию, или к производителю продукции FC. Однако это вещество, которое используется для «укрепления» пены, ксантановой камеди. Это также используется как пищевая добавка. Я понятия не имею, какую концентрацию использовать, поэкспериментируйте с ней и дайте мне знать, пожалуйста.Я попробовал его и обнаружил, что он не заставляет пену «стоять» дольше, но вполне может иметь другие полезные качества.

Качество пены

При вспенивании рекомендуемая «консистенция» составляет от 80 до 120 грамм на литр, но я видел публикации, в которых они использовали 45 грамм на литр.

Концентрация зависит от марки. Это достигается за счет правильной степени разбавления и процесса пенообразования. Это можно легко проверить, наполнив литровый контейнер и взвесив его.Это нужно делать перед каждым замесом! После того, как вы определились с тем, какое разведение вы хотите использовать, убедитесь, что оно всегда остается неизменным с точностью до 5%. Качество вашей пены влияет на качество FC!

На качество пены также влияет тип пеногенератора. Желаемый размер пузырьков составляет от 0,5 до 2 мм. Распределение размера пузырьков, по-видимому, также влияет на МПа FC. Небольшой (0,5 мм) однородный размер пузырьков делает FC более прочным.

Тип пеногенератора также имеет большое влияние на размер пузырьков.Так далеко от литературы я обнаружил, что метод «сухого» вспенивания дает более мелкие пузырьки.

Добавление суперпластификаторов и ускорителей в растворную смесь также может повлиять на размер пузырьков и их распределение. Проверьте, совместимы ли эти продукты. Некоторые добавки содержат пеногаситель

Пену можно вводить и перемешивать, как только раствор будет готов, желательно на дне бочки. Изобретательный способ — использовать инструмент для смешивания красок, надеть на вал трубу с Т-образным соединением вверху и заглушкой вверху.Открытый конец чуть выше лопастей мешалки. Закачать пену через тройник. Картинку можно посмотреть на https://www.domegaia.com

Убедитесь, что у вас есть чистая вода, обычно подходит питьевая вода. Температура воды может повлиять на результат; поддерживайте температуру от 10 до 40 C. Если он не «чистый», то органические вещества могут отрицательно повлиять на качество пенообразователя на белковой основе, что повлияет на формирование смеси FC.

Существует сухой и влажный способ вспенивания, сухой метод дает более мелкие пузыри. Большинство вспенивающих машин используют сухой метод, и можно сделать небольшой самостоятельно. Для получения однородной пены вам понадобится надежный и управляемый метод или машина вспенивания. Сухой метод также предпочтителен, поскольку легче контролировать содержание воды и, следовательно, влияние, которое она оказывает на строительный раствор.

Пенообразователь, вероятно, является самым большим препятствием в этом процессе. Они могут отличаться от самодельных, см. Https: // www.etsy.com ищет пеногенераторы и т. д. Около 8 человек продают различные типы. Я сделал один сам, используя метод трубы под давлением (9 л).

Полностью автоматизированная коммерческая машина большого объема см. Агенты и оборудование. У всех них есть одна общая черта: они используют сжатый воздух для изготовления пены.

У каждого типа пенообразователя своя оптимальная плотность пены для создания желаемой плотности FC. Оптимальное соотношение вода / цемент также различается для каждого типа / марки пенообразователя.Поскольку соотношение воды и влаги чрезвычайно важно для создания хорошего FC, советуем вам сначала провести несколько испытаний.

Сжатый воздух

Не все компрессоры одинаковы! Самая важная проблема для приготовления пены — это постоянное давление, которое подается в смесительную камеру. Если давление, поступающее в пенообразователь, меняется, то качество пены будет изменяться. Я не видел исследования, в котором учитывался бы этот аспект, но мой опыт подсказывает мне, что это так.

Чтобы избежать изменения давления и объема, мощность компрессора должна быть достаточно большой, чтобы соответствовать потреблению при вспенивании! Регулятор давления должен поддерживать одинаковое давление все время, независимо от того, работает ли компрессор или его резервуар находится под давлением.

Шланг компрессора должен быть достаточно большим в диаметре и не длиннее, чем необходимо.

Влага и содержание масла в сжатом воздухе могут влиять на степень разбавления, вероятно, минимальную, но имейте это в виду.Помогает хорошая система фильтров. Если вы охладите сжатый воздух, выходящий из компрессора, до фильтра в линии, фильтры будут работать лучше. (длина (4М) стальной трубы — несложный способ.

Расчет количества

Перед тем, как сделать пену, необходимо произвести некоторые расчеты.

Вам необходимо решить, какой объем FC вы хотите произвести.

Вам необходимо определиться с плотностью FC, которую вы хотите сделать.

Это дает вам объем разбавленного агента.Разбавление зависит от типа и марки пены. Большинство брендов дадут вам рекомендации по разбавлению для данной плотности. Это разбавление должно быть точным и постоянным для каждой партии, если вы хотите получить одинаковый результат. Будьте осторожны и приготовьте больше раствора, чем нужно для партии. Во время перемешивания часть пены разрушится, поэтому вам нужно больше, чем рассчитано!

Плотность ФК зависит от того, сколько пены вы кладете в раствор, существует прямая зависимость. Я поместил это в свою книгу «E».

Необходимо учитывать мощность вспенивающей машины, она зависит от размера партии или продолжающегося производства. Скорость производства пены должна быть немного выше, чем скорость смешивания при серийном производстве.

Другие способы изготовления FC

Высокоскоростное перемешивание

Существует метод изготовления FC, при котором вспенивающий агент добавляют в растворную смесь, когда все это находится в специальном высокоскоростном смесителе. Часто используется для FC плотностью более 1800 кг / м3.Мы оставляем это коммерческим специалистам.

Просто добавьте воды

Есть сухая смесь, в которую нужно только добавить воды, и в растворе начинают образовываться пузырьки газа. Это химическая реакция между алюминием и кислотой. Получение смеси является коммерческой тайной! Пока я нашел только одну компанию, http://www.cellularfibroconcrete.com, предлагающую этот продукт.

Примешивание пены к раствору

Это самая захватывающая часть процесса! Важная часть процесса, и она должна выполняться правильно, используйте один и тот же метод каждый раз, когда вы делаете партию FC.

Убедитесь, что ваша емкость для смешивания достаточно велика, чтобы вмещать объем, который вы хотите получить, плюс еще немного для исправления и защиты от перелива за край.

Смешать пену с раствором непросто, так как масса пены и раствора сильно различаются. Это также нужно делать «осторожно», чтобы не разрушить пену. Во время смешивания часть пены неизбежно схлопнется, что повлияет на ее плотность.

Смешивание пены в строительном растворе, вероятно, последняя «добавка», которую вы хотите добавить в смесь.Все остальные ингредиенты должны быть уже смешаны, в противном случае потребуется большее перемешивание, и пена сместится сильнее.

Лучше всего залить пену на дно емкости, рядом со смесителем, если вы делаете раствор самостоятельно. Вы, конечно, можете заказать автобетоносмеситель и залить пену в бочку грузовика. Сейчас на грани профессиональной работы!

Если вы знаете объем вашей вспенивающей машины в минуту и ​​сколько пены вам нужно, вы можете рассчитать время процесса.

Знание общего объема, необходимого для достижения желаемой плотности, также является хорошим измерением. Это должно дать вам теоретическую плотность, но вы, конечно же, должны это проверить, взвесив FC перед заливкой!

Теперь вы готовы к заливке! Но подождите, это была простая версия! Если вы хотите добиться «более сильного» ФК, существует множество вариантов. Отказ от простого добавления еще одного ингредиента в ступку во время смешивания и надежды на лучшее, чтобы действительно понять, что вы делаете, и сделать все правильно.

Замешивание раствора

Основными ингредиентами раствора являются портландцемент, песок и вода. Существует множество различных компаний, которые производят портландцемент в соответствии со стандартами, соответствующими портландцементу типа I, указанному в Британском стандарте (BS EN 197-1: 2000). Здесь мы предполагаем, что это соответствует стандарту.

Песок

Песок, песок должен быть чистым речным песком и предпочтительно равного размера, было обнаружено, что увеличение размера частиц мелкого заполнителя снижает его прочность.Часто используется мелкодисперсный кварцевый песок разной крупности 0,6, 1,18 и 2 мм. Песок, размер которого меньше 2 мм, может стоить дороже. Проверьте массу вашего песка, она может варьироваться от 1,2 до 2,1. Вероятно, это в основном около 1,6. Это может иметь большое влияние на желаемую плотность и другие сопутствующие ей качества.

Соотношение воды и цемента (ж / ц) очень важно, это в значительной степени решает, насколько «прочным» будет ваш FC. В настоящее время обычной практикой является использование суперпластификатора для улучшения строительного раствора.Влажность зависит от используемого пластификатора. В одном исследовании они использовали GLENIUM52, соответствующий стандарту ASTM (ASTM C494M – 04). Суперпластификатор выпускается в виде темно-коричневого водного раствора. Оптимальная пропорция смеси была разработана на основе заданной плотности, в / в и в / в (соотношение песка и цемента) легкого пенобетона. Диапазон плотностей составлял 1500, 1750 и 1800 кг / м3. Диапазон используемых соотношений в / ц составлял 0,5, 0,45, 0,4, 0,35 и 0,3, в то время как коэффициент вязкости был 1,0 для всех смесей в этой работе.

В приведенном выше примере показан очень плотный FC, для ваших целей вы можете стремиться к 1000 кг м3.

Соотношение W / C для создания оптимальной прочности FC с используемым пенообразователем может варьироваться. Исследование показало, что разные агенты требуют разного соотношения W / C для оптимальной прочности. Возможно, это связано с тем, что вода может вымываться из пены, но это всего лишь мои предположения.

Измерение качества раствора

Поскольку качество песка и содержание влаги, количество добавляемой воды и другие незначительные вариации ингредиентов могут варьироваться, результат смешивания должен быть одинаковым, чтобы обеспечить стабильно хороший FC.Вам нужно измерить консистенцию; один из способов сделать это — испытание на спад. Испытание на оседание является мерой консистенции и удобоукладываемости бетона. Таким образом, консистенция является мерой содержания воды в бетоне. Содержание воды контролирует и влияет на содержание цемента в бетоне. Поскольку испытание на оседание важно, не заменяйте реальный тест предположением. Раствор должен быть достаточно текучим, чтобы можно было смешать с ним пену. Если он слишком жесткий, то пена разрушится,

Оборудование, необходимое для испытания на оседание: конус для испытания на оседание, непористая опорная плита, измерительная шкала, стержень для измерения температуры.

Форма для теста имеет форму открытого верхнего и нижнего конуса высотой 30 см, диаметром нижнего 20 см и верхним диаметром 10 см.

Конус кладут на твердую неабсорбирующую горизонтальную поверхность. Этот конус заполняется свежим бетоном в три этапа. Каждый раз каждый слой утрамбовывают 25 раз металлическим стержнем с пулевым наконечником длиной 60 см и диаметром 16 мм. В конце третьего этапа бетон вытирается заподлицо с верхней частью формы. Форма поднимается вертикально вверх, чтобы не задевать бетонный конус.Затем бетон оседает. Осадка бетона измеряется путем измерения расстояния от вершины осевшего бетона до уровня вершины конуса оседания.

Измерение проводится сразу после подъема конуса. Это должно быть в пределах 5% от того, чего вы хотите достичь.

Если результат испытания на оседание выходит за пределы диапазона осадки, исправьте его перед укладкой бетона в работу. Внесите следующие исправления: Слишком низкая осаждение: добавьте воды в отмеренных количествах, чтобы довести оседание до указанного диапазона.Слишком высокая осадка: добавьте дополнительный цемент, чтобы довести осадку до указанного диапазона. Используйте того же производителя, что и партия. Запишите добавленный цемент для использования в будущем. После добавления воды или цемента повторно перемешайте партию в течение 50 оборотов при скорости перемешивания, чтобы обеспечить адекватное диспергирование материалов по всей партии. Повторите тест, чтобы проверить соответствие диапазону.

Если вам сложно измерить высоту провала, вы можете измерить диаметр «провала». Чтобы упростить задачу, отметьте на доске концентрические круги и поместите конус в центр.Убедитесь, что доска расположена горизонтально, и поднимите трубу. Запишите результат для использования в будущем.

Самое главное, чтобы ваш метод был последовательным.

Тестирование смеси FC

Вы проверили пену и раствор, теперь вам нужно убедиться, что у вас правильная плотность.

Вы можете использовать тот же конус, но заполнять его за один раз и не трогать. Вашу высоту провала будет слишком сложно измерить, вместо этого измерьте диаметр «провала». Чтобы упростить задачу, отметьте на доске концентрические круги и поместите конус в центр.

Если он слишком «тонкий», измените свое мнение о том, что вы собираетесь делать, так как добавление строительного раствора не является хорошей практикой. Не достаточно «тонкий», добавьте в смесь больше пены.

Также неплохо сделать тестовый образец (образцы) из каждой партии. Убедитесь, что вы идентифицировали каждый образец. Даже если вы делаете кирпич, размер тестовой выборки должен быть одинаковым и подходящим для тестирования. Нарезка кирпича по размеру для тестирования не является общепринятым методом, так как во время резки вы можете образовать трещины от волос.

Самый простой способ — сделать кирпичи.Размер зависит от вашего метода строительства и всех других факторов, влияющих на толщину стены. На мой взгляд, чем меньше кирпичей нужно использовать для постройки стены, тем она лучше. Решающим фактором может быть вес, который вы можете поднять и разместить, а также сделать прямую стену. Чем меньше кирпичей, тем меньше потребуется раствора, меньше отделочных работ и вероятность попадания воды через шов.

Самый простой способ сделать форму для кирпича — это фанера и саморезы. Это может длиться долго, можно сто раз, делал это сам.

Первое правило — форма должна быть достаточно прочной, чтобы удерживать вес на FC. Я никогда не использовал ничего толщиной менее 16 мм, еще потому, что винты должны иметь небольшую толщину, и они должны оставаться прямыми.

Вы должны иметь возможность снимать форму сбоку с FC. Вы не можете поднять его прямо вверх, не повредив FC, если используете фанерную форму. Таким образом, изготовление длинной формы с помощью фанерных разделителей не подходит для опалубки из фанеры!

Лучше всего покрасить фанеру, чтобы она не впитывала воду.Все неровности дерева проявятся в вашем кирпиче!

Я всегда использую смазку для форм для «нормального» бетона на форме, так как бетон может прилипать к форме и вытягиваться. Самый дешевый разделительный агент — это сахарная вода, но я не уверен, что она делает с FC. Попробуйте и дайте мне знать. См. Этикетку с пенообразователем на предмет совместимости!

Если вы хотите использовать металлическую форму, проверьте поставщиков оборудования FC, перейдите к агенту по пенообразованию и поставщикам оборудования

Есть несколько интересных систем блокировки.

Заливка FC

Заливка FC

Даже более увлекательно, чем создание FC, и может быть столь же сложно!

Критическими точками в этом процессе являются:

• Форма чистая и обработана смазкой.
• Сидит идеально горизонтально и остается в таком положении под весом.
• У вас есть достаточно форм для вашей партии плюс несколько запасных!
• При заливке вы можете легко добраться до всех форм.
• Установите форму так, чтобы ее можно было легко разобрать.
• Раньше нам приходилось лепить формы на столе, но нам приходилось переносить бетон с тележки на стол. С помощью FC вы можете смешивать FC в бочке, которая размещается над формами и имеет шланг, прикрепленный ко дну.
• Контроль за заливкой, чтобы не пролить.
• Заполняйте форму каждый раз до нужного уровня!

Чистите свое оборудование каждый раз! Я уже упоминал о необходимости мыть пенообразователь (желательно) теплой водой!

И последнее, но не менее важное: поддерживайте порядок, это позволит избежать несчастных случаев.Я уже упоминал об очистке после заливки партии?

Отверждение FC

Это процесс упрочнения FC. Как вы теперь обнаружили, приготовление FC похоже на выпечку пирога, а не просто пирога. А теперь самое лучшее, потому что вам не нужно делать слишком много. Для выпечки торта вам понадобится хорошая надежная духовка. То же самое и с ФК. Отверждение — это химический процесс. Вода вступает в реакцию с ингредиентами смеси! Все ваши усилия могут быть провалены, если этого не произойдет, как должно быть.

Вы можете обнаружить, что FC затвердевает дольше, чем обычный бетон. Агенты Fc имеют тенденцию оказывать замедляющее действие.

Держите разлитую форму влажной или не дайте ей высохнуть, накройте то, что вы вылили. Даже если это целый дом! Не дайте высохнуть! Вы также можете сохранить его влажным после того, как он застынет, обрызгав его водой. Если вы заставляете блоки закрывать их до тех пор, пока не вынимаете их из формы, то заверните блоки в пищевую пленку. Оставьте их лечиться хотя бы на неделю, лучше четыре недели.Этот процесс лечения будет длиться годами.

Правила отверждения FC такие же, как и для «обычного» бетона, перейдите по ссылке https://www.wikihow.com/Cure-Concrete

Еще об этом, 8 страниц и несколько интересных моментов.

Извлечение FC из формы.

Это лучше всего делать, когда он установлен достаточно, чтобы держать свою форму, и достаточно прочным, чтобы выдерживать силу, которую вы можете приложить к нему при снятии формы.

Это может варьироваться от пары часов до более чем 3 дней.Это зависит от замедляющего действия и температуры окружающей среды.

Внутреннее отверждение

Curing FC — это химический процесс! Ему нужна вода. Когда для отверждения использована вся доступная вода, процесс останавливается. Некоторые ингредиенты могут не полностью прореагировать с соседним компонентом из-за отсутствия воды. В результате ФК в этот момент слабее. Преимущество FC в том, что «оболочка» пузыря содержит воду и становится доступной для внутреннего отверждения.Некоторые пенообразователи могут выполнять эту работу лучше, чем другие, но это предмет дальнейших исследований.

Внутреннему отверждению может способствовать использование материалов, которые быстро впитывают воду при точении, но высвобождают ее медленно, или для высасывания воды из материала требуются силы. Супервпитывающий полимер (SAP) является таким материалом и может быть добавлен в смесь FC. Некоторые легкие заполнители поглощают воду и легко выделяют ее, что затрудняет получение правильного водоцементного отношения, а это крайне важно.

Как это:

Like Loading …

Механические свойства наполнителя из легкого пенобетона для дорожного полотна высокоскоростной железной дороги

Свойства при сжатии

Кривые деформации при сжатии легкого пенобетона различной плотности показаны на рис. 5. Видно, что кривая осевого сжатия образцов в основном делится на четыре этапа. (1) Стадия уплотнения: в легком пенобетоне есть хрупкие поры и дефекты, которые сначала уплотняются, и напряжение медленно увеличивается с деформацией.(2) Упругая стадия: напряжение линейно увеличивается с деформацией и сильно изменяется, а внешняя сила переносится на весь образец. (3) Хрупкая стадия: эта стадия сопровождается распространением микротрещин и образованием или накоплением новых трещин внутри образца. Модуль упругости уменьшается по сравнению с упругой стадией. (4) Стадия доходности: ее можно разделить на два случая неудач: ударная доходность и точечная доходность.

Кривые деформации при сжатии пенобетона различной плотности ( ρ = 650 кг / м ³ на примере)

С увеличением плотности легкого пенобетона во влажном состоянии текучесть стадия переходит от ударной текучести к пределу текучести, а амплитуда резкого падения текучести увеличивается.В процессе сжатия легкого пенобетона напряжение и деформация выражаются как (а) упругая деформация в пределах диапазона прочности, (б) пластическая деформация после превышения прочности и (в) пластичное разрушение. После разрушения все еще сохраняется высокая остаточная прочность, которая составляет примерно 60-70% от максимальной прочности.

Испытание на водонепроницаемость

Непроницаемость легкого пенобетона

Результаты испытаний на водонепроницаемость легкого пенобетона при различных плотностях во влажном состоянии и водоцементном соотношении представлены в таблице 2.Видно, что время инфильтрации легкого пенобетона увеличивается с увеличением плотности во влажном состоянии. Когда влажная плотность меньше 600 кг · м ⁻³ , приращение невелико. При этом время инфильтрации быстро увеличивается с увеличением плотности во влажном состоянии и в основном линейно увеличивается, когда плотность составляет более 600 кг · м ^-3 . В легкий пенобетон низкой плотности добавляется больше пены в процессе подготовки, содержание цемента низкое, а пена легко деформируется и лопается.После схватывания и затвердевания пористость высока, имеется много макропор и связанных пор. Кроме того, водоцементное соотношение больше, чем у высокой плотности, а избыток воды испаряется и выходит из дренажного канала в процессе схватывания и затвердевания. Таким образом, внешняя вода легко проникает по соединенным порам, и соответствующая водонепроницаемость оставляет желать лучшего.

Время инфильтрации легкого пенобетона сначала увеличивается, а затем уменьшается с увеличением водоцементного отношения.Когда водоцементное соотношение относительно невелико, текучесть цементного теста невысока, и большое количество частиц цемента агломерируется, что вызывает деформацию и разрыв пены в процессе перемешивания, что приводит к увеличению внутренних дефектов и плохая водонепроницаемость легкого пенобетона. С увеличением водоцементного отношения улучшается текучесть и однородность раствора, а также улучшается непроницаемость. Однако при дальнейшем увеличении водоцементного отношения слой воды, окружающий частицы цемента, становится толще, и количество воды, не участвующей в реакции гидратации, увеличивается.Вода легко проникает в легкий пенобетон, снижается его водонепроницаемость.

Анализ объемного водопоглощения

С увеличением сухой плотности водопоглощение легкого пенобетона заметно уменьшается, как показано на рис. 6. Водопоглощение легкого пенобетона низкой плотности очень высокое, в котором водопоглощение образца с сухой плотностью 274 кг · м ⁻³ достигает 86,5%, а образца с сухой плотностью 954 кг · м ⁻³ снижается до 29.4%. Изменение водопоглощения более чувствительно, когда плотность легкого пенобетона ниже 500 · кг · м ⁻³ . На рис. 7 показаны изображения образца легкого пенобетона, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Видно, что размер пор образца с плотностью 500 кг · м ^-3 большой, а диаметр пор достигает 0,2 ~ 0,3 мм. В то время как клеточная стенка очень тонкая, около 0,03 мм, что составляет всего около одной десятой диаметра поры.

Влияние плотности в сухом состоянии на водопоглощение

СЭМ-изображения с разным увеличением (500 ×)

Минеральные добавки также оказывают большое влияние на свойства легкого пенобетона. На рисунке 8 показана зависимость между количеством летучей золы и водопоглощением легкого пенобетона. Водопоглощение сначала уменьшается, а затем увеличивается с увеличением содержания летучей золы, а когда содержание летучей золы составляет 40%, водопоглощение является самым низким.Активное действие угольной золы ослабляет внутреннее разрушение пор, вызванное растворением и осаждением бетона. Вторичная гидратация поглощает слабые кристаллы Ca (OH) ₂ в бетоне, снижает внутреннюю пористость и улучшает плотность бетона. Однако, когда количество летучей золы превышает определенный диапазон (40%), слишком большое количество летучей золы снижает внутреннюю компактность бетона, и влияние вышеуказанных эффектов будет значительно уменьшено, что приведет к увеличению водопоглощения. .

Влияние содержания летучей золы на водопоглощение

Объемное водопоглощение образца также различается в зависимости от времени выдержки. Из рис. 9 видно, что водопоглощение имеет тенденцию к увеличению с увеличением времени выдержки, а водопоглощение образцов с низкой плотностью со временем изменяется более явно. Это может быть связано с большим количеством пор в легком пенобетоне низкой плотности, для достижения насыщения требуется больше времени.А поскольку поры в легком пенобетоне в основном являются закрытыми, молекулам воды требуется больше времени, чтобы проникнуть внутрь, что также может привести к увеличению времени впитывания воды.

Изменение водопоглощения во времени

Анализ характеристики ползучести

В зависимости от прочности образца легкого пенобетона режим ползучести был выбран следующим образом: удерживающее давление и осевая нагрузка. Результаты испытаний на ползучесть образцов с плотностью 800 кг · м ^-3 и содержанием воды 40%, 50% и 60% показаны на рис.10. Характеристики ползучести легкого пенобетона после водопоглощения очень очевидны, и деформация первой стадии в основном такая же, что в основном представляет собой уплотнение, и расширение трещин отсутствует. На втором этапе разница очевидна с увеличением содержания воды, и чем выше содержание воды, тем больше напряжение. Третья стадия — стадия ускоренной ползучести, при которой трещины быстро расширяются. Чем больше разовьются трещины, тем сильнее ослабляющее действие воды.Восходящий тренд кривой ползучести увеличивается с увеличением содержания воды. Видно, что с увеличением влагосодержания, деформация и сопротивление разрушению легкого пенобетона явно ухудшаются. Когда выбранная осевая нагрузка снижается до 100 кПа, трехступенчатые характеристики ползучести перестают быть очевидными.

Поведение легкого пенобетона при ползучести с различным содержанием воды

Анализ цикла «сухой-мокрый»

Вода оказывает большое влияние на прочность и другие механические свойства легкого пенобетона.В практическом проектировании легкий пенобетон также может страдать от воздействия циклов «сухой-влажный», и этот эффект сильнее и серьезнее, чем ухудшение, вызванное одним только водоносным состоянием. На рисунке 11 показано изменение внутреннего давления воды и давления воды в порах легкого пенобетона в течение 7 месяцев практического применения. Внутреннее давление воды и давление воды в порах периодически изменяются в определенном диапазоне, указывая на то, что легкий пенобетон пострадал от эрозии сухого и влажного цикла в течение этого периода.

Изменение гидравлического и порового давления в легком пенобетоне. a Анализ гидравлического давления. b Анализ положительного порового давления

Зависимость напряжения от деформации легкого пенобетона с начальным содержанием воды 7% и ограничивающим давлением 300 кПа при различных циклах сухой-влажный показана на рис. 12. Из-за эффекта В цикле «сухой – влажный» общая прочность образцов дорожного полотна на сдвиг постепенно снижается.После 10 циклов «сухой-влажный» прочность на сдвиг становится стабильной с увеличением количества циклов. Цикл сухой – влажный может разрушить структуру скелета сдвига самого образца дорожного полотна и коллоидную структуру растворимой соли. При продлении цикла содержание растворимой соли в основном остается стабильным, и формируется новая структура образца дорожного полотна. Хотя прочность на сдвиг ниже, чем у оригинала, новая конструкция обладает хорошей стабильностью и долговечностью.

Зависимость напряжения от деформации легкого пенобетона при циклах «сухой-мокрый»

На рисунке 13 представлена ​​прочность легкого пенобетона с различной плотностью, изменяющейся в зависимости от количества циклов «сухой-мокрый». Видно, что с увеличением количества циклов «сухой-мокрый» прочность легкого пенобетона постепенно уменьшается, и эти два параметра приблизительно удовлетворяют соотношению степенной функции. Чем ниже плотность, тем легче разрушить легкий пенобетон по циклу сухой – влажный.Поскольку прочность легкого пенобетона невысока, он легко размягчается при водной эрозии. В процессе сушки возникают трещины, что приводит к дальнейшему переходу воды внутрь матрицы, что приводит к накоплению повреждений и ухудшению характеристик легкого пенобетона.

Вариации прочности на сжатие легкого пенобетона в зависимости от количества циклов «сухой-мокрый» с различной плотностью. a ρ = 500 кг / м ³ . b ρ = 800 кг / м ³

Анализ морозостойкости

На рисунке 14 показано изменение динамического модуля упругости легкого пенобетона с различной плотностью в сухом состоянии в зависимости от количества циклов замораживания – оттаивания. Морозостойкость легкого пенобетона постепенно увеличивается с увеличением плотности. После 20 циклов замораживания-оттаивания скорость потери динамического модуля упругости образца с плотностью 1044 кг · м ⁻³ составляет всего 26.3%, а у образца плотностью 279 кг · м ⁻³ — 41,1%, что можно считать достигшим максимального количества циклов замораживания – оттаивания. Из-за большой доли внутренних пор и большего количества внутренних сквозных отверстий в легком пенобетоне низкой плотности водопоглощение очень велико, поэтому морозостойкость снижается.

Влияние плотности на морозостойкость легкого пенобетона

Зола-унос имеет эффект активности, эффект формы частиц и эффект микроагрегатов, которые помогают уменьшить внутреннюю пористость бетона и улучшить структуру пор бетона и улучшить его плотность.Рисунок 15 иллюстрирует влияние содержания летучей золы на морозостойкость пенобетона. При содержании золы уноса 20% морозостойкость легкого пенобетона равна морозостойкости чистого цемента. Образец с 40% летучей золы имеет лучшую морозостойкость, а потеря динамического модуля упругости составляет всего 27,1% после 20 циклов замораживания-оттаивания. Когда содержание золы-уноса увеличивается до 60%, морозостойкость заметно снижается, и коэффициент потери динамического модуля упругости достигает 33,8% после 20 циклов замораживания-оттаивания, что составляет 19.На 1% ниже, чем у чистого цемента. И это близко к максимальному количеству циклов замораживания – оттаивания. Следовательно, оптимальное количество летучей золы, определенное в этом эксперименте, составляет 40%.

Влияние летучей золы на морозостойкость легкого пенобетона

Frontiers | Динамические характеристики пенобетона с вторичным кокосовым волокном

Введение

Пенобетон используется в качестве наполнителя для противоударных барьеров из-за его хороших энергопоглощающих свойств.Однако его существенные недостатки, в том числе низкая прочность, низкая ударная вязкость и легкое растрескивание, могут повлиять на характеристики конструкции и безопасность противоударных барьеров (Kearsley, Wainwright, 2001; Etkin et al., 2010; Кудяков, Стешенко, 2015). Многие существующие исследования подтвердили, что включение волокон в пенобетон может улучшить прочность, ударную вязкость, трещиностойкость и характеристики поглощения энергии (Zhang et al., 2011; Ma et al., 2012; Shen et al., 2012) . Волокна, обычно используемые в машиностроении, такие как стальное волокно, стекловолокно или другое синтетическое волокно, обычно имеют недостатки, связанные с поглощением высокой энергии и потреблением большого количества ресурсов (Zhan et al., 2009; Ван, 2011; Shang and Song, 2016), что может привести к загрязнению окружающей среды и увеличению стоимости проекта. Таким образом, существует необходимость в разработке новых альтернативных материалов. Койровое волокно (CF) — это возобновляемое переработанное растительное волокно с преимуществами хорошей экономии энергии, благоприятной защиты окружающей среды и превосходных механических свойств (Calado et al., 2000). Некоторые предыдущие исследования показали, что механические характеристики материалов на основе цемента можно улучшить, добавив CF.Ван и Чоу (Wang and Chouw, 2017) изучали динамическое поведение железобетона CF (CFRC) под действием ударных нагрузок падающим весом. Они обнаружили, что на характеристики CFRC при многократных ударах влияет длина CF, а CF длиной 25 и 50 мм имеет лучшую ударопрочность, чем 75 мм. Дансо и Ману (Danso and Manu, 2020) провели исследование влияния содержания CF (0,2–0,8% по весу) и содержания извести (0–15% по весу) на поведение грунтово-цементного раствора, указав, что оптимальный сила была записана на уровне 0.Добавление 2% CF и 5% извести в образец. Али и др. (2012) исследовали влияние содержания CF (1, 2, 3 и 5% по массе цемента) и длины CF (2,5, 5 и 7,5 см) на механические и динамические свойства элементов из железобетона CF (CFRC). Результаты показали, что CFRC с длиной CF 5 см и содержанием CF 5% имеет лучшие свойства.

Как показано выше, было доказано, что CF может заменить эти обычные волокна в соответствии с требованиями энергосбережения и защиты окружающей среды.Однако большинство существующих исследований было сосредоточено на обычном бетоне с добавлением CF или пенобетоне с добавлением обычных волокон. Исследований по применению CF в пенобетоне было очень мало. Mohamad et al. (2018) провели экспериментальное исследование влияния содержания CF (0,1, 0,2 и 0,3% от общей массы цемента) на механические свойства и поведение при изгибе пенобетона. Было отмечено, что пенобетон с 0,3% CF испытал наименьшее распространение трещин, а прочность на сжатие, предел прочности и модуль упругости пенобетона увеличивались с увеличением процента CF.Исследование Мохамада дало некоторые положительные результаты. Однако этого все же было недостаточно.

Исходя из этого, необходимо систематически и всесторонне изучать механическое поведение пенобетона CF, чтобы лучше понять влияние CF на характеристики пенобетона. В предыдущей работе было изучено влияние содержания CF на статическое поведение пенобетона CF, включая свойства сжатия и изгиба. Результаты показали, что CF значительно улучшил статические характеристики пенобетона.Статическая прочность на сжатие увеличилась с 0,83 до 1,51 МПа при увеличении содержания CF от 0,0 до 1,5%, поглощение статической энергии увеличилось с 55,37 до 106,32 Дж при увеличении содержания CF с 0,0 до 2,0%, а статическая прочность на изгиб увеличилась с 0,33 до 0,73. МПа при увеличении содержания CF от 0,0 до 2,0%. Однако рост производительности пенобетона пошел вспять, когда CF превысил пороговое значение. Исходя из этого, необходимы дальнейшие исследования для изучения механической реакции пенобетона CF на ударную нагрузку, которая значительно отличается от таковой при статической нагрузке.

В этой статье динамические характеристики CF-пенобетона были исследованы с использованием экспериментальной технологии разделенной балки давления Хопкинсона (SHPB), классического экспериментального метода для проверки динамических свойств материалов Gray (2000). В общей сложности 54 образца круглой корки пенобетона, разделенных на шесть групп с шестью различными содержаниями CF, были использованы для изучения влияния содержания CF на режим разрушения, динамическую прочность на сжатие, поведение при напряжении и деформации и способность пенопласта поглощать энергию. бетон при трех давлениях газа.Кроме того, был проведен анализ микроструктуры с использованием сканирующего электронного микроскопа (SEM) и дифракции рентгеновских лучей (XRD), чтобы осветить микроскопический механизм CF-пенобетона для объяснения этого динамического поведения.

Экспериментальная программа

Сырье и подготовка образцов

Пенобетон CF, использованный в данном исследовании, был приготовлен путем смешивания пенобетона с CF шести различных объемных долей (0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 и 2,5%) . Следует отметить, что содержание CF, приведенное в этом исследовании, относится к объемным долям.

Взяв в качестве сырья композитный портландцемент P.C32.5R, кокамидопропилбетаин CAB-35 (пенообразователь), гидроксипропилметилцеллюлозу (стабилизатор пены), нанокремниевый диоксид (усиливающий пенообразователь), подробные параметры свойств которых были Пенобетон, предусмотренный в Т1-5, производился в следующие этапы. Во-первых, пена была приготовлена ​​путем смешивания стабилизатора пены, армирующего агента, пенообразователя и воды в весовом соотношении 0,05: 0,2: 1: 7,5. Во-вторых, цементный раствор производился в смесителе с водоцементным соотношением 0.5. В-третьих, пену выливали в цементный раствор в объемном соотношении 1: 2 и затем перемешивали в смесителе для раствора в течение 3 мин.

ТАБЛИЦА 1 . Свойства цемента.

ТАБЛИЦА 2 . Параметры свойств пенообразователя.

ТАБЛИЦА 3 . Параметры свойств пенного стабилизатора.

ТАБЛИЦА 4 . Параметры свойств пенопласта.

ТАБЛИЦА 5 . Параметры свойства CF.

Перед добавлением CF в пенобетон, CF следует предварительно обработать для улучшения характеристик (Wang and Chouw, 2017).В данном исследовании CF замачивали на 30 мин после повторной очистки и кипятили в течение 2 ч в электротермостатическом водном шкафу. После этого кипяченый CF сушили при постоянной температуре 60 ° C в течение 24 ч с использованием электрического термостатического сушильного шкафа. Эти высушенные CF затем разрезали на мелкие кусочки длиной 20 ± 2 мм.

Производство пенобетона CF было завершено после того, как CF постепенно добавлялся в пенобетонный раствор и перемешивался в течение примерно 2 минут, чтобы гарантировать, что части CF были равномерно распределены в бетонном растворе.

В общей сложности 54 образца круглого пирога диаметром 75 мм и толщиной 35 мм были отлиты, выполнив следующие действия: во-первых, формы были предварительно обработаны маслом для облегчения извлечения из формы. Во-вторых, раствор из пенобетона CF заливался в формы и подвергался механической вибрации, чтобы избежать образования сот и отверстий. Наконец, все 54 образца, поровну разделенные на шесть групп в соответствии с содержанием CF, были отверждены в течение 28 дней после извлечения из формы. Образец описан на рисунке 1, а процесс производства пенобетона CF показан на рисунке 2.

РИСУНОК 1 . Образец.

РИСУНОК 2 . Процесс производства пенобетона CF.

Методы испытаний

Испытание на сжатие при однократном ударе было проведено с помощью экспериментальной технологии SHPB для измерения механических свойств образцов при динамическом ударе (Davies and Hunter, 1963; Frew et al., 2001). В этом исследовании была принята установка SHPB диаметром 75 мм, состоящая в основном из системы загрузки, измерительной системы и системы сбора и обработки данных.В этой установке SHPB пуля имела диаметр 75 мм и длину 500 мм, падающий стержень имел диаметр 75 мм и длину 5,5 м, а направляющий стержень имел диаметр 75 мм и длину 3,5 м. Расстояния от двух тензометров на падающей балке до точки удара составляли 2,54 и 2,76 м соответственно, в то время как расстояние от деформографов на трансмиссионной планке до точки удара составляло 1 м. Подробная схематическая диаграмма экспериментальной установки была показана на рисунке 3.

РИСУНОК 3 .Испытательное оборудование.

Экспериментальная рабочая процедура была представлена ​​следующим образом. Сначала образец был отполирован с использованием высокоточного шлифовального станка для обеспечения гладкости и параллельности их двух поверхностей. Во-вторых, образец с вазелином, нанесенным на две его поверхности, помещали между падающим стержнем и трансмиссионным стержнем. В-третьих, была откалибрована система сбора сигналов и настроено давление газа. Наконец, клапан пневматического пистолета был выпущен, и пуля попала в упор.

Методика экспериментов SHPB была основана на предположении об одномерной упругой волне и предположении об однородности напряжения и деформации. Принцип работы установки ШПБ описывался следующим образом: пуля, приводимая в движение газом высокого давления, попадала в падающую штангу с определенной скоростью V ₀ . Таким образом, генерировалась и распространялась волна напряжения , , _{, , ,} (, ) в падающем стержне. В результате под действием этой волны происходила высокоскоростная деформация образца.Тем временем волна ε _r ( t ) отражалась от образца к падающему стержню, а волна ε _t ( t ) передавалась от образца к трансмиссионная планка. После этого три сигнала деформации были измерены тензометрами и собраны индикатором динамической деформации. Затем сигналы данных обрабатывались с помощью профессионального программного обеспечения SHPB, после чего можно было получить динамические свойства образцов (Wang et al., 2011).

Согласно теории одномерных упругих волн, напряжение, деформация и скорость деформации образца можно сформулировать следующим образом:

Где ε _i ( t ), ε _r ( t ) и ε _t ( t ) — падающая волна напряжения, отраженная волна напряжения и прошедшая волна напряжения, соответственно. A ₀ — площадь поперечного сечения стержня. E ₀ — модуль Юнга материала стержня. C ₀ — скорость волны. A _s и L _s — исходная площадь поперечного сечения и длина образца соответственно.

Исходя из предположения об однородности напряжения и деформации в образце, соотношение между напряжением, деформацией и скоростью деформации может быть получено следующим образом:

Подставив уравнение.4 в уравнение. 1 экв. 3 затем превращается в

Динамические свойства образца были рассчитаны в соответствии с приведенными выше уравнениями. В установке SHPB путем установки различных давлений рабочего газа (0,20, 0,25 и 0,30 МПа) скорость удара пули была скорректирована для создания различных волн напряжения ε _i ( t ), ε _r ( t ) и ε _t ( t ), которые соответствовали разным скоростям деформации.Девять идентичных образцов в каждой из шести групп были поровну разделены на три комплекта и подвергались ударным нагрузкам при трех различных давлениях рабочего газа. Каждому образцу в каждом наборе присваивали порядковый номер: содержание CF — давление газа. Например, образец с номером CF1.5-AP0.25-3 является третьим из установленных на давление газа 0,25 МПа с содержанием CF 1,5%. Более подробные параметры испытаний представлены в Таблице 6.

ТАБЛИЦА 6 . Параметры образца.

Кроме того, было проведено микроскопическое исследование на основе SEM и XRD для дальнейшего объяснения механизма изменения характеристик пенобетона CF. После испытаний SHPB в общей сложности 18 типичных поврежденных образцов, равномерно выбранных из шести групп, были обработаны для анализа микроструктуры. Морфологию образцов наблюдали с помощью SEM, а фазовый состав образцов характеризовали с помощью XRD. Кроме того, параметры пористой структуры образцов определялись методом анализа изображений (Zhang et al., 2015; Райяни и др., 2016).

Результаты и анализ

Экспериментальные результаты были сопоставлены и проанализированы для изучения влияния содержания CF на динамические характеристики пенобетона. Следует отметить, что экспериментальные данные образцов с содержанием CF 2,5% при давлении газа 0,3 МПа отсутствовали из-за некоторых проблем в испытательном оборудовании.

Режимы отказов

Для облегчения обсуждения видов отказов из каждого набора для анализа был выбран один репрезентативный образец.F4F6 описывает поврежденные образцы с различным содержанием CF при трех давлениях газа. Образцы без CF разорвались на мелкие кусочки или рассыпались в порошок, что, очевидно, привело к хрупкому разрушению, как показано на рисунках 4A, 5A, 6A. При увеличении содержания CF от 0,5 до 1,5% образцы имели меньше повреждений и в основном сохраняли свою целостность с небольшими разрывами и отслаиваниями на краях, как показано на рисунках 4B – D, 5B – D, 6B – D. Даже при высоком давлении газа 0,3 МПа, как показано на рисунках 6B – D, эти образцы с адекватным содержанием CF также рвались только по краям, вместо того чтобы рассыпаться в порошок или разламываться на мелкие кусочки, что указывает на то, что включение с достаточным содержанием CF может эффективно улучшить сопротивление деформации пенобетона и способствовать режиму разрушения образца от хрупкого разрушения до пластичного разрушения.Это в основном связано с улучшающим эффектом CF на целостность и ударопрочность бетонной матрицы. Однако режимы отказа показали небольшие изменения для образцов с содержанием CF 2,0 и 2,5%, как показано на рисунках 4E, F, 5E, F, 6E. Эти образцы с чрезмерным количеством CF имели тенденцию демонстрировать удивительно похожие режимы разрушения, что указывает на то, что эффективность CF была ограничена в улучшении пластичности и ударопрочности пенобетона.

РИСУНОК 4 .Режимы отказа при давлении газа 0,2 МПа (А) CF0.0-AP0.20-1 (B) CF0.5-AP0.20-3 (C) CF1.0-AP0.20- 1 (D) CF1.5-AP0.20-2 (E) CF2.0-AP0.20-3 (F) CF2.5-AP0.20-3.

РИСУНОК 5 . Режимы отказа при давлении газа 0,25 МПа (А) CF0.0-AP0.25-2 (B) CF0.5-AP0.25-3 (C) CF1.0-AP0.25- 3 (D) CF1.5-AP0.25-1 (E) CF2.0-AP0.25-3 (F) CF2.5-АП0.25-1.

РИСУНОК 6 . Режимы отказа при давлении газа 0,3 МПа (А) CF0.0-AP0.30-3 (B) CF0.5-AP0.30-3 (C) CF1.0-AP0.30- 2 (D) CF1.5-AP0.30-1 (E) CF2.0-AP0.30-3.

Динамическая прочность на сжатие

На рис. 7 показаны значения динамической прочности на сжатие и коэффициенты динамического увеличения образцов, причем разные цвета представляют различные давления газа: серый для 0,2 МПа, красный для 0,25 МПа и синий для 0.3 МПа.

РИСУНОК 7 . Прочность на динамическое сжатие и коэффициент динамического увеличения (A) Прочность на динамическое сжатие (B) Коэффициент динамического увеличения.

Из рисунка 7A можно видеть, что изменяющиеся тенденции динамической прочности на сжатие с увеличением содержания CF были в основном идентичны при разных давлениях газа, то есть сначала увеличивались, а затем уменьшались. Возьмите изменяющуюся кривую динамической прочности на сжатие с содержанием CF при давлении газа 0.Например, 20 МПа (серая кривая на рисунке 7A). Прочность на сжатие образцов с содержанием CF 0,0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 и 2,5% составляла 1,55, 1,65, 1,93, 2,27, 2,13 и 1,23 МПа соответственно. Было обнаружено, что образец без CF имел низкую прочность на сжатие 1,55 МПа. При добавлении CF прочность на сжатие быстро возрастала и достигла максимального значения 2,27 МПа при содержании CF 1,5%. Скорость роста прочности на сжатие составила 46,45%. Аналогично для двух других изменяющихся кривых при давлении газа 0.25 и 0,3 МПа оптимальное содержание CF для получения максимальной динамической прочности на сжатие также составляло 1,5%. При добавлении 1,5% CF образцы имели самую высокую динамическую прочность на сжатие 3,18 МПа (при давлении газа 0,25 МПа) и 4,21 МПа (при давлении газа 0,30 МПа). Это показало, что CF оказывает очевидное улучшающее влияние на динамические сжимающие свойства пенобетона.

Однако динамическая прочность образцов на сжатие снижается, когда содержание CF превышает 1.5% и упали до минимальных значений при содержании CF 2,5%. Также возьмите серую кривую (при давлении газа 0,20 МПа) на рисунке 7A. Например, динамическая прочность на сжатие образца с содержанием CF 2,5% составила 1,23 МПа, что даже ниже, чем у образца без CF. Это продемонстрировало, что улучшение динамической сжимаемости пенобетона, которое сильно зависит от содержания CF, будет прекращено, когда содержание CF превысит пороговое значение (1,5% в этом исследовании).

Кроме того, все образцы оказались более прочными при более высоком давлении газа из-за эффекта скорости деформации (Sun et al., 2018). Более высокая ударная нагрузка (т.е. более высокое давление газа) соответствовала большей скорости деформации нагружения, что способствовало увеличению прочности на сжатие.

В предыдущем исследовании была проверена и получена статическая прочность на сжатие пенобетона CF с таким же составом смеси. Результат показал, что при увеличении содержания CF от 0,0 до 2,5% статическая прочность на сжатие сначала увеличивалась, а затем уменьшалась, значения которой равнялись 0.82, 0,96, 1,20, 1,51, 1,42 и 0,73 МПа соответственно. Очевидно, изменяющийся закон статической прочности на сжатие в основном совпал с законом динамической прочности на сжатие. Это показало, что CF показал одинаковый эффект как на динамическую, так и на статическую прочность на сжатие.

Чтобы лучше понять механизм изменения характеристик бетона, влияние CF на характеристики бетона было обсуждено на основе результатов SEM и XRD как с положительных, так и с отрицательных сторон.

С положительной стороны, CF показал улучшение характеристик бетона.Было известно, что механическая прочность бетона в основном связана с гелем гидрата силиката кальция (гель C-S-H), основным продуктом гидратации цемента, который обладает высокими характеристиками сжатия, но плохо ведет себя при растяжении и вязкости. После того, как CF был добавлен в пенобетон, матрица, агрегат кристаллогидратов, включающий непрореагировавшие частицы цемента и продукты гидратации, связанные с CF, образуют пространственную сетчатую структуру с хорошей целостностью, как показано на Рисунке 8. Водородная связь между CF лигнином и гель CSH, а также высокая прочность на разрыв CF способствовали отличной межфазной связи между CF и матрицей, что привело к значительному повышению прочности бетона (Uygunolu, 2008; Yang et al., 2010).

РИСУНОК 8 . Структура космической сети.

Между тем, гидроксид кальция, другой продукт гидратации цемента, увеличился с 870 до 1 473 а. u. с увеличением содержания CF от 0,0 до 2,5%, как показано в спектре XRD на Фигуре 9A. Это указывает на то, что CF вызывает увеличение гидроксида кальция, хотя он не участвует в реакции гидратации цемента. Как видно из рисунка 9B, гидроксид кальция может заполнять поры в бетоне, увеличивая плотность бетона, улучшая межфазную связь между CF и цементной матрицей и предотвращая возникновение и расширение трещин в бетоне, что приводит к лучшим характеристикам бетона.

РИСУНОК 9 . Микроструктура (A) Спектр XRD (B) Результат СЭМ.

Более того, как видно из Фиг.10, поры становились меньше, меньше и более однородными при добавлении CF. Пористость и средний диаметр пор уменьшались с увеличением содержания CF. Разница между значением округлости и 1,0 (оптимальное значение округлости), которое отражает регулярность формы пор, также уменьшилась после добавления CF. Это также подтвердило, что надлежащее содержание CF улучшило характеристики бетона, способствуя улучшению структуры пор бетона (Zhu et al., 2017; Чжоу и др., 2019).

РИСУНОК 10 . Структура пор (A) Фотография сечения образца с высоким разрешением (B) Параметры структуры пор.

Однако CF также оказал негативное влияние на характеристики бетона. CF привел к падению интенсивности геля C-S-H с 2436 до 1445 a. u., как показано на рисунке 9A, что отрицательно сказалось на прочности бетона. Избыточное количество CF поглощает слишком много воды и соединяется вместе с образованием агломератов, вызывая сухие усадочные трещины и плохую текучесть цементного раствора.Кроме того, внутренние пузырьки прорезались избытком CF и сливались в поры в форме стержней. Что касается структуры пор, то поры были слишком маленькими и неоднородными.

Эти данные свидетельствуют о том, что, когда содержание CF было меньше порогового значения, положительный эффект играл доминирующую роль, приводя к увеличению прочности бетона. Однако, как только содержание CF превышает пороговое значение, отрицательный эффект начинает перевешивать положительный, что приводит к ухудшению прочности бетона.

Коэффициент динамического увеличения был рассчитан по формуле.8 согласно (de Andrade Silva et al., 2011):

, где DIF — коэффициент динамического увеличения, f _{c, d} — динамическая прочность на сжатие и f _{c, s} — статическая прочность на сжатие.

DIF обычно имеет тенденцию сначала падать, а затем повышаться, как на Рисунке 7B. Возьмите две красные кривые (при давлении газа 0,25 МПа) на рисунках 7A, B в качестве примеров, DIF, очевидно, имел совершенно противоположную тенденцию изменения прочности на динамическое сжатие.При увеличении содержания CF от 0,0 до 1,5% динамическая прочность на сжатие увеличивалась, а DIF вместо этого снижалась. Когда содержание CF составляло более 1,5%, прочность на динамическое сжатие начинала снижаться, в то время как DIF начинал медленно расти. После того, как содержание CF превысило 2,0%, скорость снижения динамической прочности на сжатие и скорость роста DIF резко увеличились. Это продемонстрировало меньшее влияние содержания CF на динамическую прочность на сжатие, чем на статическую прочность на сжатие. Сравнение между динамической прочностью на сжатие и статической прочностью на сжатие также показало, что динамическая прочность на сжатие имеет меньшую скорость изменения, чем статическая прочность на сжатие.

Более того, порог содержания CF был меньше в случае более высоких давлений газа. Как показано на Рисунке 7B, порог содержания CF для начала увеличения DIF составлял 2% при давлении газа 0,2 МПа, но 1,5% при давлении газа 0,25 МПа и только 0,5% при максимальном давлении газа 0,3 МПа. Это было приписано более низкой статической прочности на сжатие образцов с меньшим CF и более значительному динамическому эффекту при более высоком давлении газа.

Кривые напряжение-деформация

Кривые напряжения-деформации при динамическом сжатии (SS) можно разделить на три сегмента, как показано на рисунке 11A: восходящий сегмент (O – A), платформенный сегмент (A – B) и нисходящий сегмент (B). —С).На рисунках 11B – D представлены кривые SS образцов с различным содержанием CF при 3 давлениях газа, где шесть разных цветов представляют 6 содержаний CF: черный для 0,0%, красный для 0,5%, синий для 1,0%, зеленый для 1,5%, фиолетовый для 2,0%, а желтый — 2,5%.

РИСУНОК 11 . Кривые напряжение-деформация (A) Схема (B) Кривые SS при давлении газа 0,2 МПа (C) Кривые SS при давлении газа 0,25 МПа (D) Кривые SS при давлении газа 0.3 МПа.

В восходящем сегменте (O – A) все особи демонстрировали схожее поведение S – S. Напряжение увеличивалось приблизительно линейно до пикового значения (точка А) с высокой скоростью, указывая на то, что образец проявлял упругие свойства. При увеличении содержания CF пиковое напряжение (точка A) сначала увеличивалось до максимального значения, когда содержание CF составляло 1,5%, а затем упало до минимального значения, когда содержание CF составляло 2,5%. Одновременно пиковая деформация O – A (деформация в точке A) сначала уменьшалась, а затем увеличивалась с увеличением содержания CF.Это можно объяснить анализом микроструктуры в Dynamic Compression Strength .

Модуль упругости, то есть наклон O – A, как показано на рисунке 11A, на этом этапе был приблизительно равен σ _p / ε _a . Из рисунков 11B – D можно было наблюдать, что модуль упругости сначала увеличивался, а затем уменьшался с увеличением содержания CF. Модуль упругости при давлении газа 0,25 МПа (т.е., наклон кривых на фиг. 11C), например, сначала увеличивался до максимума, когда содержание CF увеличивалось до 1,5%, затем уменьшался до минимума, когда содержание CF увеличивалось до 2,5%. Увеличение модуля упругости было приписано улучшающему эффекту CF на характеристики бетона, в то время как уменьшение модуля упругости можно объяснить в соответствии с теорией композитных материалов (Swamy, 1970): в CF-пенобетоне модуль упругости матрицы бетона был скомпрометирован более низким модулем упругости CF.Когда содержание CF было не более 1,5%, CF ограниченно вычитал модуль упругости бетонной матрицы, но в основном улучшал его. В то время как после превышения CF эффект уменьшения CF становился все более очевидным, постепенно компенсировал и перевешивал эффект улучшения и в конечном итоге приводил к окончательному снижению модуля упругости.

В сегменте платформы (A – B) трещины распространились на большую ширину, вызывая достаточное напряжение растяжения в CF, чтобы нейтрализовать напряжение сжатия в матрице.Таким образом, после точки А напряжение больше не показывало значительных изменений, в то время как деформация продолжала расти, что указывает на то, что пенобетон CF вступил в пластическую деформацию. Плато напряжений, соответствующее пиковому напряжению, сначала увеличивалось, а затем уменьшалось с увеличением содержания CF, с его значением при давлении газа 2,0 МПа, например, близким к 1,55, 1,75, 1,9, 2,5, 2,1 и 1,25 МПа, когда содержание CF было 0,0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 и 2,5% соответственно.

Как показано на рисунке 11A, ширина плато напряжений A – B (т.е.е., ε _b минус ε _a ) можно использовать для оценки способности образца к пластической деформации. Возьмем в качестве примера кривые SS на рисунке 11C, ширина плато при давлении газа 2,5 МПа сначала увеличивалась, а затем уменьшалась с увеличением содержания CF. уменьшается при избытке CF. Это было связано с тем, что характеристики соединения CF с матрицей сначала улучшались, а затем ослаблялись с увеличением содержания CF, что также можно объяснить анализом микроструктуры, разработанным в Dynamic Compression Strength .

В нисходящем сегменте (B – C) кривая начала снижаться после точки B с уменьшением напряжения и увеличением деформации, что свидетельствует о том, что образец теряет свою несущую способность. Это произошло потому, что по мере дальнейшего развития трещин CF вырывался из матрицы или разрывался, что приводило к нарушению соединения между CF и матрицей. Более того, из рисунков 11B – D можно было наблюдать, что ширина O – C (т. Е. Общая деформация), представляющая динамическую деформационную способность CF-пенобетона, увеличивалась с повышением давления газа, что было связано с деформацией эффект скорости, упомянутый в Dynamic Compression Strength .

Поглощение энергии

Динамическое поглощение энергии сжатия, значение которого равно площади под кривой S-S, было рассчитано по формуле. 9 (Su et al., 2010):

, где S — поглощение энергии, σ — напряжение, ε — деформация и ε _p — пиковая деформация. На рисунке 12A представлена ​​схема для расчета поглощения энергии.

РИСУНОК 12 . Способность к поглощению энергии (A) Схема (B) Поглощение энергии образцами.

Кривые изменения поглощения энергии в зависимости от содержания CF были получены и показаны на Рисунке 12B с тремя разными цветами, отличающими три давления газа: серый для 0,2 МПа, красный для 0,25 МПа и синий для 0,3 МПа.

Результаты испытаний показали, что поглощение энергии имело тенденцию к увеличению раньше и уменьшению позже с увеличением содержания CF. Возьмем для примера серую кривую (при давлении газа 0,2 МПа), поглощение энергии образцами составило 4,8, 5,1, 6,7, 7,9, 8,9 и 5.3 Дж с содержанием CF 0,0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 и 2,5% соответственно. Было обнаружено, что образец без CF имел низкое поглощение энергии 4,8 Дж. После добавления CF поглощение энергии явно увеличивалось. Образец с содержанием CF 2,0% показал лучшее поглощение энергии 8,9 Дж. Скорость роста поглощения энергии составила 85,42% при увеличении содержания CF от 0,0 до 2,0%. Точно так же для двух других изменяющихся кривых при давлении газа 0,25 и 0,3 МПа поглощение энергии достигло своих максимальных значений 14.9 и 22,4 Дж соответственно при содержании CF 1,5%.

Более того, в предыдущем исследовании статических характеристик пенобетона CF с тем же составом смеси было доказано, что CF оказывает такое же влияние на поглощение статической энергии сжатия пенобетоном. Результат показал, что статическое поглощение энергии сжатия увеличилось с 55,37 до 106,32 Дж при увеличении содержания CF с 0,0 до 2,0%. Темп роста составил 92,02%.

Все они подтвердили, что способность пенобетона к поглощению энергии может быть эффективно улучшена за счет добавления CF.

Однако рост поглощения энергии пошел вспять, когда содержание CF превышало пороговое значение. Продолжая пример с серой кривой, упомянутой выше, поглощение энергии образцом с содержанием CF 2,5% составило 5,3 Дж, что всего на 10,42% больше, чем у образца без CF. Это продемонстрировало, что улучшение способности пенобетона поглощать энергию сильно зависит от содержания CF. Вместо этого слишком большое количество CF может привести к снижению характеристик бетона.

Причина этого изменения заключалась в следующем: CF, распределенный в бетоне, образовывал мощную пространственную сетчатую структуру, которая препятствовала образованию и развитию трещин в бетоне и способствовала поглощению энергии во время распространения трещин. Однако, когда CF в бетоне был избыточным, текучесть пенобетона снижалась, и на границе раздела CF-бетонная матрица возникала явная концентрация напряжений, что приводило к ухудшению характеристик поглощения энергии. Это соответствовало предложенному анализу микроструктуры в Dynamic Compression Strength .

Кроме того, по серой кривой также можно было заметить, что увеличение поглощения энергии образцом с 0,5% содержанием CF было весьма незначительным по сравнению с образцом без CF. Синяя кривая (при давлении газа 0,3 МПа) показывает, что поглощение энергии пенобетоном может быть значительно улучшено с помощью небольшого количества CF. Это можно объяснить следующим образом: при более низком давлении газа (более низкой скорости деформации) небольшого количества включенного CF было недостаточно для полного подавления образования и расширения микротрещин внутри бетона.Между тем, явление концентрации напряжений, вызванное этими микротрещинами, ухудшило способность бетона поглощать энергию, что нивелировало улучшающий эффект CF на поглощение энергии. Однако при более высоком давлении газа (более высокой скорости деформации) время ударного нагружения было заметно короче, поэтому концентрация напряжений не возникала до разрушения образца. Следовательно, более высокая скорость деформации была полезна для улучшения эффекта CF на способность бетона поглощать энергию.

Заключение

Это экспериментальное исследование доказало возможность и обоснованность использования CF в армировании бетона в качестве альтернативы обычным волокнам. Результаты выявили изменение закона характеристик пенобетона с содержанием CF и уточнили оптимальное содержание CF для улучшения динамических характеристик пенобетона. Таким образом, это исследование стало ценным справочным материалом по применению CF в качестве добавочного материала в бетоне.

(1) Добавление CF может эффективно улучшить способность пенобетона к пластической деформации.Образцы для испытаний претерпевают переход от хрупкости к пластичности по мере увеличения содержания CF и демонстрируют отличную целостность и пластичность при содержании CF 2,0%. Однако режимы разрушения образцов изменяются незначительно, если содержание CF превышает 2,0%.

(2) Соответствующее количество CF может улучшить динамическую прочность пенобетона на сжатие, в то время как избыток CF имеет противоположный эффект. Для получения максимальной динамической прочности на сжатие оптимальное содержание CF в данном исследовании составляет 1,5%.Более того, динамическая прочность на сжатие выше при более высоком давлении газа из-за эффекта скорости деформации. Кроме того, коэффициент динамического увеличения показывает обратную тенденцию изменения прочности на динамическое сжатие.

(3) Добавление соответствующего CF способствует более высокому модулю упругости и способности к пластической деформации пенобетона, но избыток CF имеет отрицательный эффект. Кроме того, деформация разрушения пенобетона CF увеличивается с ростом давления газа.

(4) При увеличении содержания CF значительно возрастает энергоемкость пенобетона.Однако образцы с чрезмерным CF показывают плохие характеристики поглощения энергии. Кроме того, CF лучше влияет на способность пенобетона поглощать энергию при более высоком давлении газа.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок.

Вклад авторов

JL отвечал за разработку схемы эксперимента, выполнение тестов, анализ данных и написание оригинальной рукописи.JZ и LZ отвечали за руководство по схеме эксперимента, теоретическое руководство и редактирование рукописи. ZL и ZJ отвечали за участие в разработке экспериментальной схемы, выполнении испытаний и анализе данных.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Национальному фонду естественных наук Китая (проект No.51608137) и Фонду развития инновационных способностей аспирантов Университета Гуанчжоу (проект № 2019GDJC-M38) за финансовую поддержку, которая помогла нам завершить эксперимент, описанный в этой статье.

Ссылки

Али, М., Лю, А., Соу, Х., и Чоу, Н. (2012). Механические и динамические свойства бетона, армированного кокосовым волокном. Construct. Строить. Матер. 30 (30), 814–825. doi: 10.1016 / j.conbuildmat.2011.12.068

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Calado, V., Баррето, Д. У., и Далмейда, Дж. Р. (2000). Влияние химической обработки на структуру и морфологию волокон кокосового волокна. J. Mater. Sci. Lett. 19 (23), 2151–2153. doi: 10.1023 / a: 1026743314291

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дансо, Х. и Ману, Д. (2020). Влияние кокосовых волокон и извести на свойства грунтово-цементного раствора. Шпилька корпуса. Констр. Матер. 12, e00316. doi: 10.1016 / j.cscm.2019.e00316

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дэвис, Э.Д. Х. и Хантер С. К. (1963). Испытания твердых тел на динамическое сжатие методом разделенного давления Хопкинсона. J. Mech. Phys. Твердый. 11 (3), 155–179. doi: 10.1016 / 0022-5096 (63) ^-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эткин А., Фоли К. Дж. И Гольдман Дж. Х. (2010). Влияние двойных добавок летучей золы и вспученного перлита на свойства пенобетона. Зола уноса Comp. Util. , 36 (25), 1482–1484. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.36.1482

Google Scholar

Сильва, Ф.d. А., Батлер, М., Меччерин, В., Чжу, Д., и Мобашер, Б. (2011). Влияние скорости деформации на растяжение текстильного бетона при статической и динамической нагрузке. Mater. Sci. Англ. 528 (3), 1727–1734. doi: 10.1016 / j.msea.2010.11.014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фрю Д. Дж., Форрестол М. Дж. И Чен В. (2001). Метод разделенной планки давления Хопкинсона для определения данных о напряжении-деформации сжатия для горных материалов. Exp. Мех. 41 (1), 40–46.doi: 10.1007 / bf02323102

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Грей, Г. Т. И. (2000). Классические испытания давлением на стержне сплит-Хопкинсона. мех. Тестовое задание. Eval. 8, 462–476. doi: 10.31399 / asm.hb.v08.a0003296

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кирсли, Э. П. и Уэйнрайт, П. Дж. (2001). Влияние высокого содержания летучей золы на прочность пенобетона на сжатие. Цемент Конкр. Res. 31 (1), 105–112. doi: 10.1016 / s0008-8846 (00) 00430-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кудяков А.И., Стешенко А.Б. (2015). Усадочная деформация цементного пенобетона. IOP Conf. Сер. Матер. Sci. Eng , 71 (1), 012019. doi: 10.1088 / 1757-899x / 71/1/012019

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ma, Y. P., Li, G. Y., and Yang, L. X. (2012). Влияние кажущейся плотности и плотности полипропиленового волокна на усадочные свойства пенобетона при высыхании. Mater. Ред. , 026 (006), 121–125. DOI: 10.3969 / j.issn.1005-023X.2012.06.033

Google Scholar

Mohamad, N., Иман, М. А., Отуман Мидин, М. А., Самад, А. А., Росли, Дж. А., и Ноорвирдавати, А. (2018). Механические свойства и поведение при изгибе легкого пенобетона с кокосовым волокном. IOP Conf. Сер. Earth Environ. Sci. 140, 012140. doi: 10.1088 / 1755-1315 / 140/1/012140

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Raiyani, S., Morbia, U., and Karanjiya, P. (2016). «Анализ армированного биоволокном бетона с помощью XRD и SEM», 7-я национальная конференция по новым перспективам технологий в 21 веке, Вадодара, Индия, 8–9 апреля 2016 г.

Google Scholar

Шанг, С. С., и Сонг, X. Б. (2016). Экспериментальные исследования механических характеристик железобетона с углеродными нанотрубками. Заявл. Мех. Матер. 858, 173–178. doi: 10.4028 / www.scientific.net / amm.858.173

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шен, Х. Р., Ше, Ю. Х. и Гао, П. У. (2012). Влияние полипропиленовой фибры на характеристики бетонного покрытия. Amministrare 178–181, 1099–1103. DOI: 10.4028 / www.scientific.net / amm.178-181.1099

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Su, H.Y., Xu, J.Y., and Li, M. (2010). Энергопоглощающая способность бетона, армированного керамическим волокном. Adv. Матер. Res. 168–170, 1970–1975. doi: 10.4028 / www.scientific.net / amr.168-170.1970

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Sun, X., Zhao, K., Li, Y., Huang, R., Ye, Z., Zhang, Y., et al. (2018). Исследование влияния скорости деформации и фибробетона на динамическое поведение стального фибробетона. Construct. Строить. Матер. 158, 657–669. doi: 10.1016 / j.conbuildmat.2017.09.093

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Свами, П. А. В. Б. (1970). Эффективный вывод в модели регрессии случайных коэффициентов. Econometrica 38, 311–323. doi: 10.2307 / 1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Uygunolu, T. (2008). Исследование микроструктуры и поведения при изгибе сталефибробетона. Mater. Struct. 41 (8), 1441–1449.doi: 10.1617 / s11527-007-9341-y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Х. У. (2011). Влияние полипропиленовой фибры на механические свойства бетона, содержащего золу. Adv. Magn. Резон. 346, 26–29. doi: 10.4028 / www.scientific.net / amr.346.26

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван С., Чжан М. Х. и Квек С. Т. (2011). Влияние размера образца на статическую прочность и коэффициент динамического увеличения высокопрочного бетона по испытаниям ШПБ. J. Test. Eval. 39 (5), 898–907. doi: 10.1520 / jte103370

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, W., and Chouw, N. (2017). Поведение бетона, армированного кокосовым волокном (CFRC) при ударной нагрузке. Construct. Строить. Матер. 134, 452–461. doi: 10.1016 / j.conbuildmat.2016.12.092

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Янг, С., Гао, Д., и Чжао, Дж. (2010). Микроструктура фибробетона с шлаковой способностью после воздействия высоких температур. J. Southeast Univ. 40 (2), 102–106.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhan, B.G., Guo, J. L., and Lin, X. S. (2009). Свойства пенобетона с армированием стекловолокном. J. Hefei Univ. Technol. (Естественные науки) 32 (2), 226–229. DOI: 10.1109 / CLEOE-EQEC.2009.5194697

Google Scholar

Zhang, P., Li, Q., and Zhang, H. (2011). Комбинированное влияние полипропиленового волокна и микрокремнезема на механические свойства бетонного композита, содержащего летучую золу. J. Reinforc. Пласт. Compos. 30 (16), 1349–1358. doi: 10.1177 / 0731684411425974

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан, К., Лю, Г. Л. и Ченг, К. Х. (2015). Механические экспериментальные исследования высокопрочного бетона после высокой температуры на основе XRD. China Concr. Цемент Прод . 3, 9–11. doi: 10.19761 / j.1000-4637.2015.03.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhou, J., Kang, T., and Wang, F. (2019). Пористая структура и прочность вторичного бетона из отходов фибры. J. Eng. Волокна Фабр. 14 (5), 155892501987470. doi: 10.1177 / 1558925019874701

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhu, D. M., Huo, Y. Z., and Li, S. Y. (2017). Об экспериментальном исследовании морозостойкости каучукового фибробетона и пористой структуры . Баяннур, Китай: Форум колледжей Хетао.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Материальный дизайн и оценка характеристик пенобетона для цифрового производства

Abstract

Трехмерная (3D) печать пенобетоном, который известен своими отличными физико-механическими свойствами, еще не исследовался целенаправленно.В данной статье представлен методический подход к проектированию смесей из пенобетонов, пригодных для 3D-печати, и систематическое исследование возможностей применения этого типа материала в цифровом строительстве. Три различных пенобетонных состава с соотношением воды к вяжущему между 0,33–0,36 и плотностью от 1100 до 1580 кг / м ³ в свежем состоянии были произведены методом предварительного вспенивания с использованием пенообразователя на белковой основе. На основе испытаний в свежем состоянии, включая 3D-печать как таковую, был определен оптимальный состав и охарактеризована его прочность на сжатие и изгиб.Пенобетон, пригодный для печати, показал низкую теплопроводность и относительно высокую прочность на сжатие, превышающую 10 МПа; Таким образом, он соответствовал требованиям, предъявляемым к строительным материалам, используемым для изготовления несущих стеновых элементов в многоэтажных домах. Таким образом, он подходит для приложений 3D-печати, одновременно выполняя как несущие, так и изолирующие функции.

Ключевые слова: цифровое изготовление , 3D-печать, пенобетон, дизайн смеси, испытание материалов

1. Введение

Пенобетон (FC) — это легкий цементный материал с ячеистой структурой, получаемый путем введения воздушных пустот в строительный раствор или цемент вставить.Он может иметь плотность от 200 до 1900 кг / м ³ . Пенобетон плотностью менее 400 кг / м ³ используется в основном в качестве наполнителя или изоляционного материала [1,2,3]. Из-за технической и инженерной незнания большинства практиков и предполагаемых трудностей в достижении достаточно высокой прочности в последние несколько десятилетий пенобетон в значительной степени игнорировался для использования в конструкционных приложениях. В большинстве случаев пенобетон использовался для заполнения пустот, выполнял функцию теплоизоляции и действовал как акустический глушитель.Достижения в области химических и механических технологий вспенивания, добавок в бетон и других добавок значительно улучшили стабильность и механические свойства пенобетона. В настоящее время потенциал этого материала для структурного применения хорошо известен, и многочисленные исследовательские проекты были сосредоточены на улучшении свойств пенобетона, особенно в отношении его механических характеристик несущей способности [2,4,5].

Группы, работающие с предвидением в области цифрового производства, определили будущую потребность в устойчивых строительных материалах, которые являются экономически эффективными и экологически чистыми [6].Ожидается, что после завершения предварительных исследований и описания фундаментальных принципов цифрового производства из цементирующих материалов следующим шагом станет переосмысление технологии, включая сокращение материальных затрат и воздействия на окружающую среду. Пенобетон имеет небольшой удельный вес, что снижает собственные нагрузки и, таким образом, позволяет уменьшить размеры фундамента и количество арматуры. Кроме того, низкая теплопроводность пенобетона позволяет сократить использование дополнительных изоляционных материалов, которые в основном основаны на нефтехимических полимерах с высоким содержанием CO ₂ и очень ограниченной пригодностью для вторичной переработки.В отличие от таких материалов пенобетон состоит из минеральных компонентов с незначительным содержанием химических примесей [7]. Кроме того, поскольку применение дополнительных изоляционных панелей может больше не потребоваться, можно ожидать значительного сокращения энергопотребления и времени на транспортировку и монтаж, а также снижение шума на строительной площадке. Подводя итог, пенобетон признан универсальным строительным материалом, экологически чистым и технически эффективным.

Концепция 3D-печати бетона на месте (CONPrint3D), разработанная в Техническом университете Дрездена, способствует реализации преимуществ аддитивных технологий в строительной отрасли [8]. В отличие от концепций, продвигающих печать интегрированной опалубки, CONPrint3D подчеркивает сокращение второстепенных шагов, таких как заполнение печатных форм [9,10]. Эта технология позволяет печатать стены большой толщины, заменяя кладку.Применение пенобетона в рамках концепции CONPrint3D является многообещающим и потенциально позволяет изготавливать несущие стены и конструктивные элементы с такими свойствами, как превосходная теплоизоляция, звукопоглощение и огнестойкость [11,12]. Авторы ожидают, что применение различных материалов на основе цемента в 3D-печати бетона упростит формулирование новых строительных стандартов и перейдет к полной автоматизации строительных процессов. Изменяя плотность и толщину стен из пенобетона, напечатанных на 3D-принтере, можно полностью или частично отказаться от дополнительных систем изоляции.Еще одним аспектом, облегчающим применение пенобетона в качестве материала, выполняющего как изоляционные, так и структурные функции, является легкость его переработки и утилизации.

В литературе есть пример, описывающий автоматическое нанесение пенобетона на вертикальные поверхности методом экструзии [13]. Авторы поместили пенобетон на голые стены существующих зданий, чтобы получить изоляцию фасада, которую можно перерабатывать, а также свободный дизайн и форму.Использованный материал обладал видимой стабильностью формы, прочностные характеристики не изучались.

Faliano et al. В [14,15] описаны пенобетоны с плотностью в сухом состоянии от 400 до 800 кг / м ³ и прочностью на сжатие от 1,5 до 9 МПа, которые, кроме того, сохраняют стабильность размеров после экструзии. Отношение воды к цементу (в / ц) было установлено на 0,3 во всех смесях. Ни наполнители, ни заполнители не использовались. Предварительно сформированная пена была приготовлена ​​с пенообразователем на белковой основе.Исследование дает широкий спектр результатов, связанных с влиянием условий отверждения на прочность на растяжение и сжатие. Однако описанная экспериментальная процедура не представляла типичных процедур 3D-печати с помощью роботизированных печатающих головок. Материал был скорее заполнен стальной опалубкой и вручную вытеснен с опалубки на ранней стадии гидратации. Техника осаждения, использованная Faliano et al. имитировала автоматическую экструзию и обеспечила первое заполнение поведения материала с точки зрения стабильности формы и развития прочности в сыром виде.

Не существует стандартного способа измерения свойств сборки. Как правило, возможность сборки оценивается путем печати определенного количества слоев с определенной скоростью [16,17,18,19]. На данный момент трудно оценить возможную конструктивность пенобетона, разработанного Faliano et al. [11,12], поскольку время покоя пенобетона и его реологические характеристики в свежем состоянии не уточняются. В исследовании подчеркивается использование агентов, повышающих вязкость (VEA), и указывается на необходимость дополнительных исследований поведения экструдированного пенобетона в свежем состоянии.Авторы предполагали возможность применения экструдированных пенобетонных смесей плотностью до 200 кг / м 3 ³ . Как конструкционные, так и неструктурные области применения экструдируемых элементов из пенобетона были признаны эффективными и экологически безопасными. Одним из предложенных вариантов применения было формирование многослойных изоляционных панелей на месте.

В общем, бетон, который подходит для цифрового строительства, должен быть хорошо экструдируемым и демонстрировать адекватную строительную способность.Кроме того, напечатанные слои должны иметь хорошие межслойные связи [9,16,20,21]. Наконец, материал должен обладать соответствующими механическими свойствами, например прочностью на сжатие [9,21,22,23]. Обычный пенобетон отличается хорошей технологичностью и текучестью, что является многообещающим с точки зрения технологических параметров экструзии и прокачиваемости, необходимых для 3D-печати. Обычно пенобетон перекачивается к месту укладки и, как правило, не требует уплотнения; пенобетон можно успешно перекачивать на значительные расстояния и высоты [1].Таким образом, с этой точки зрения он подходит для технологий 3D-печати на основе экструзии. Однако необходимо учитывать потенциальное влияние перекачки на характеристики пены, поскольку они могут повлиять на стабильность смеси и привести к изменению ее плотности.

Другой важной особенностью материала для печати является его способность к наращиванию, которая складывается из стабильности формы напечатанных слоев под их собственным весом и способности удерживать следующие слои с минимальной деформацией [20].Другими словами, строительную способность пенобетона можно описать как сочетание самостойкости и достаточной жесткости с ранним схватыванием. Что касается самостойкости, пенобетон обычно воспринимается как сыпучий, самоуплотняющийся материал. Признано, что при более низких плотностях текучесть снижается из-за уменьшения собственного веса и адгезии между твердыми частицами и пузырьками воздуха [24]. Однако предыдущие исследования пенобетона показали, что снижение текучести по сравнению с обычными применениями, такими как заполнение пустот, часто рассматривается как признак низкого качества или несоответствующего состава смеси [4].Имея в виду 3D-печать в качестве технологии нанесения, должно быть возможно получение перекачиваемого и самостабильного пенобетона, но на сегодняшний день этот подход не был тщательно исследован, поэтому необходимы дальнейшие исследования.

В исследованиях, связанных с 3D-печатью с использованием бетона с нормальным весом, быстрое схватывание обычно достигается за счет использования ускоряющих добавок или выбора цементов с более коротким временем схватывания, то есть быстротвердеющих сульфоалюминатных или алюминатных цементов [6,25]. Такими же подходами можно добиться быстрого схватывания пенобетона.Однако, как сообщается в [26], использование ускоряющих схватывание материалов в пенобетоне не всегда дает такой же эффект, как в бетоне с нормальным весом. Более того, они могут вызвать нестабильность и повлиять на качество пенобетона. В некоторых исследованиях использовались различные типы цемента, характеризующиеся быстрым схватыванием [27,28]. Быстротвердеющий портландцемент часто используется для снижения рисков нестабильности и сегрегации, а также для обеспечения того, чтобы пенобетон на очень ранней стадии развил прочную однородную микроструктуру.Также было замечено, что добавление алюминатного цемента, сокращая время схватывания, может снизить прочность пенобетона на сжатие [29]. Кроме того, упомянутые специальные вяжущие материалы относительно дороги, что ограничивает область их применения.

Еще одним важным аспектом печатных элементов является их межслойное склеивание. Он сильно влияет на механические свойства, долговечность и работоспособность 3D-печатных конструкций; см., например, [30,31,32]. Качество межслойной связи зависит от множества факторов, связанных со свойствами свежего бетона и техникой печати, т.е.е., временной интервал между слоями, форма и размер волокна и т. д. Не было найдено литературы, которая могла бы помочь оценить поведение пенобетона с этой точки зрения. Что касается проницаемости пенобетона и его устойчивости к агрессивным средам, было доказано, что его ячеистая пористая структура не обязательно делает его менее устойчивым к проникновению влаги по сравнению с обычным плотным бетоном, поскольку воздушные пустоты не связаны между собой и действуют как буфер, предотвращающий капиллярное всасывание и другие транспортные процессы.

Как правило, существует два механизма введения больших объемов воздушных пустот в смесь: (1) использование газообразующих химикатов, таких как алюминиевый порошок, и (2) использование пенообразователей. Добавление газообразующих агентов приводит к образованию пузырьков в результате химических реакций с щелочными продуктами гидратации, например гидроксидом кальция [33]. Этот метод используется для производства газобетона, который еще называют газобетоном. Как сообщают Холт и Райвио [31], пенобетон, полученный с добавлением алюминиевой пудры, имеет ряд существенных недостатков, таких как относительно высокая стоимость, а также более низкая прочность, более высокое содержание влаги и более выраженная усадка по сравнению с традиционным бетоном.Свойства газобетона можно значительно улучшить путем отверждения паром под высоким давлением в автоклаве. Однако такое отверждение было бы контрпродуктивным, поскольку основным преимуществом технологии 3D-печати бетона является сокращение промежуточных этапов, таких как сложное литье и отверждение.

В альтернативном подходе пенобетон может быть получен либо путем добавления пенообразователя к цементному тесту с последующим интенсивным перемешиванием, которое называется методом смешанного вспенивания, либо путем смешивания отдельно полученной пены с цементным тестом, что, как известно как метод предварительного вспенивания [1,4].В отличие от добавления газообразующих химикатов, использование пенообразователей при производстве пенобетона имеет более высокий потенциал для применения в 3D-печати. В основном это объясняется относительной легкостью корректировки свежих и затвердевших свойств путем варьирования сырья и химических добавок [1,2,7,24,26,34].

Смешанный метод вспенивания широко применяется в строительной индустрии для производства пенобетона. Однако этот метод ограничен использованием синтетических пенообразователей и сильно зависит от используемого смесительного устройства.Напротив, метод предварительного вспенивания позволяет определять плотность материала путем точного добавления необходимого количества пены к основной смеси. Поскольку соотношение пены и основного материала может быть больше 1: 1, пена становится основным фактором влияния [35]. Стабильность воздушных пустот во время перекачивания и перемешивания с цементной матрицей важна для обеспечения требуемых характеристик пенобетона в свежем и затвердевшем состояниях. Для пенобетона с синтетическими пенообразователями легче обращаться, они менее восприимчивы к экстремальным температурам и могут храниться дольше.Синтетические пенообразователи можно использовать как в технологиях предварительного вспенивания, так и в технологиях смешанного вспенивания. Более того, они, как правило, менее дороги и требуют значительно меньше энергии для производства высококачественной пены [35]. Тем не менее, синтетические поверхностно-активные вещества не могут соответствовать характеристикам агентов на основе белков из-за их большего размера пузырьков и менее изолированных ячеек, что приводит к более низкой прочности бетона [35,36]. Пены, полученные с использованием пенообразователей на белковой основе, характеризуются меньшим размером пузырьков воздуха, более высокой стабильностью, т.е.е. меньший дренаж воды и более прочная изолированная пузырьковая структура по сравнению с пенами, полученными с помощью синтетических пенообразователей [1,2]. Также сообщалось, что пенобетон, полученный с использованием поверхностно-активных веществ на белковой основе, имеет отношение прочности к плотности от 50% до 100% выше по сравнению с пенобетоном, полученным с использованием синтетического пенообразователя [35,36].

Основываясь на соображениях, упомянутых в отношении характеристик двух существующих поверхностно-активных веществ, в этом исследовании основное внимание уделяется технологии предварительного вспенивания с использованием пенообразователя на белковой основе.показана структура экспериментальной части представленного исследования. Настоящее исследование посвящено получению пригодного для печати пенобетона, который является стабильным и дает адекватные реологические и механические свойства, подходящие для 3D-печати. Составляющие материалы были выбраны специально для достижения достаточной когезии и стабильности формы сразу после нанесения материала печатающей головкой, а также адекватных долгосрочных механических свойств для структурных применений. Было подготовлено четыре рецепта.Желаемая плотность свежих смесей была указана в пределах 1100–1600 кг / м ³ . Наконец, изоляционные свойства пенобетона для печати сравнивались с изоляционными свойствами обычного бетона для печати (справочный материал описан в [37]).

Обзор экспериментальной программы.

2. Материалы и методы

2.1. Методология проектирования смесей и экспериментальная программа

Схема подхода к проектированию смесей, разработанная в рамках исследовательского проекта CONPrint3D-Ultralight, представлена ​​в.Этот подход также может быть применен к смешанному методу вспенивания. Тогда определение характеристик пены не требуется. Разработка смеси пенобетона с использованием метода предварительного вспенивания делится на два этапа, а именно: определение состава матрицы на основе цемента и определение количества пены, которое нужно добавить для достижения желаемой плотности. В частности, общий подход к дизайну смеси можно разделить на четыре этапа, как показано на. Итеративная оптимизация используется для получения удовлетворительных композиций пенобетона, пригодных для печати.

Подход к составлению смеси для пенобетона, пригодного для печати.

Во-первых, ограничения, такие как диапазон водоцементного отношения (в / ц) и содержание цемента, должны быть установлены в соответствии с предполагаемым применением. На основании информации из литературы можно определить подходящие пропорции и материалы. Производство и характеристики пены приведены ниже. Целью этого этапа является получение достаточно стабильной пены, способной выдержать процесс перемешивания. Параллельно с этим путем итеративного тестирования определяются водопотребление и вяжущий состав матрицы на основе цемента, включая дозировку суперпластификатора (SP).Обрабатываемость оценивалась путем измерения значений диаметра распределенного потока в соответствии с европейским стандартом DIN EN 1015-3: 1998 и, таким образом, с использованием так называемого конуса Хэгермана и применения 15 ходов [38]. На первом этапе цель этой процедуры состоит в том, чтобы получить матрицу на основе цемента с минимальным количеством воды, но этого достаточно для пластификации матрицы с рекомендованной дозировкой SP. В то же время матрица на основе цемента должна быть достаточно текучей, чтобы обеспечить хорошее включение пены в смесь.Чрезмерно жесткая матрица на основе цемента приводит к разрушению или разрушению пены, тогда как чрезмерно жидкая матрица расслаивается. В этом исследовании первая оценка добавления воды была сделана в соответствии с процедурой, описанной Окамурой и Одзавой [39]. В результате первого шага получается стабильная пена и соответственно жидкая матрица на основе цемента.

Третий этап направлен на проверку реологических свойств свежего пенобетона, которые должны соответствовать требованиям процесса 3D-печати по пригодности для печати, экструдируемости и сборке [39,40,41,42].Состав связующего можно регулировать для достижения требуемых свойств, включая использование дополнительных химических добавок и дальнейшую оптимизацию пены.

Последний шаг определяет испытания свойств пенобетона в затвердевшем состоянии, таких как его прочность на сжатие и изгиб, теплопроводность и / или долговечность. На этом этапе отношение воды к связующему (вес / вес) может быть уменьшено; в качестве альтернативы может быть введено усиление в виде диспергированных нановолокон или микроволокон [1,3,43].Представленный подход был использован в данном исследовании для разработки пенобетонов с различной плотностью путем изменения их состава и режимов перемешивания. Реологические свойства в свежем состоянии и механические свойства в затвердевшем состоянии — по схеме, приведенной в — были испытаны, и их результаты представлены в разделе 3.

2.2. Определение потребности в воде

Важно указать подходящее содержание воды в пенобетоне. Стандартной процедуры не существует, особенно когда должны быть выполнены требования по пригодности для печати, прокачиваемости и наращиванию.В настоящей работе водопотребность цементной матрицы определялась методом Окамуры и Одзавы [39]. Состав испытанных порошков приведен в.

Таблица 1

Композиции связующего, испытанные в соответствии с процедурой Окамуры.

2.3. Сырье

Использовали композитный портландцемент типа II CEM II / A-M (S-LL) 52,5 R (OPTERRA Zement GmbH, Werk Karsdorf, Германия). В качестве вторичного вяжущего материала была выбрана летучая зола каменного угля Steament H-4 (STEAG Power Minerals GmbH, Динслакен, Германия). Химический состав и измеренный гранулометрический состав представлены соответственно в и.Хотя химический состав был взят из таблиц данных поставщиков материалов, распределение частиц по размерам было оценено с помощью лазерной дифракции (LS 13320, Beckman Coulter, Крефельд, Германия). Летучая зола соответствует стандарту DIN EN 450 [44] и может использоваться в качестве добавки к бетону в соответствии с DIN EN 206-1 [45]. Таким образом, он был принят как полученный в данном исследовании и не охарактеризован далее. Второстепенные составляющие показаны, тогда как значения для основных составляющих SiO ₂ и Al ₂ O ₃ не приводятся.Внедрение летучей золы в состав бетона, с одной стороны, позволило снизить водопотребность сухих компонентов при сохранении заданного реологического поведения; с другой стороны, это улучшило устойчивость смесей. SP на основе поликарбоксилатного эфира (PCE) (MasterGlenium SKY 593, BASF Construction Solutions GmbH, Тростберг, Германия) использовали в матрице на основе цемента для регулирования удобоукладываемости при пониженном содержании воды. Содержание воды в СП составляло 77% по массе.Плотность СП составила 1050 кг / м 3 ³ . Для производства пены использовали пенообразователь на белковой основе (Oxal PLB6, MC-Bauchemie GmbH & Co. KG, Боттроп, Германия).

Гранулометрический состав твердых компонентов.

Таблица 2

Химический состав цемента и летучей золы (LOI = потери при возгорании, n.d. = не определено).

2.4. Процедура смешивания

На предварительном этапе было приготовлено три литра матричной пасты на основе цемента для оценки потребности в воде с использованием тарельчатого смесителя (Hobart NCM20, The Hobart Manufacturing Company Ltd, Лондон, Великобритания, вместимость 5 л). описывает процедуру смешивания.

Таблица 3

Методика смешивания связующей пасты для определения водопотребности порошков.

Пенобетон производился с помощью конического многороторного коллоидного смесителя (KNIELE KKM30, Kniele GmbH, Bad Бухау, Германия).Для каждого эксперимента было приготовлено 30 л пенобетона по методике согласно. После смешивания связующей матрицы пошагово добавляли отдельно полученную пену: 40%; затем еще 40% и, наконец, оставшиеся 20% от общего объема пены.

Таблица 4

Порядок перемешивания пенобетона.

2.5. Процесс 3D-печати

Эксперименты по экструзии и осаждению проводились с использованием двух устройств: (а) автономный винтовой насос с прогрессивной циркуляцией (PCP1) DURAPACT DP 326S (DURAPACT Gesellschaft für Faserbetontechnologie mbH, Хаан, Германия) и (б) 3D-бетон. испытательное устройство для печати (3DPTD, устройство для 3D-печати по индивидуальному заказу, разработанное TU Dresden, Дрезден, Германия), оснащенное PCP2; видеть . Использовалась труба диаметром 25 мм, а выход из сопла устанавливался вручную для нанесения бетонных слоев.В b выходное отверстие сопла расположено автономно с помощью предварительно запрограммированного сценария Lua, который является языком программирования. При использовании PCP1 скорость откачки была установлена ​​на уровне 10 л / мин, а выходное отверстие сопла имело круглое поперечное сечение диаметром 20 мм. Эксперименты по печати с использованием специально разработанного 3DPTD были выполнены с двумя различными прямоугольными геометрическими формами сопла: 10 мм на 50 мм и 20 мм на 30 мм, чтобы исследовать влияние этого параметра на печатные характеристики пенобетона. Скорость печати 40 мм / с была выбрана на основании предварительных исследований экструдируемости.Были изготовлены образцы с прямыми стенками длиной 700 мм с интервалом времени послойного напыления 30 с. Чтобы оценить способность к наращиванию состава смеси, было нанесено максимальное количество слоев, один поверх другого, до тех пор, пока не произошло саморазрушение. Кроме того, стены, состоящие всего из трех слоев, были напечатаны и в конечном итоге использовались при подготовке образцов для механических испытаний.

( a ) Автономный винтовой насос (PCP), DUROPACT DP 326S и ( b ) устройство для тестирования 3D-печати бетона (3DPTD).

2.6. Подготовка образца

Каждая напечатанная стена была перенесена в климатическую камеру в возрасте 24 часов и отверждена при постоянной температуре 20 ° C, относительной влажности 65% и при отсутствии ветра в течение 27 дней. Эта процедура специально не соответствует стандарту DIN EN 12390-2 [46], который предписывает совсем другие условия отверждения, а именно влажное отверждение. Поскольку в 3D-печати бетона не используется опалубка, а практические варианты отверждения очень ограничены из-за особенностей процесса печати, авторы решили использовать стандартный лабораторный климат на протяжении всей экспериментальной программы, включая подготовку бетона, 3D-печать, отверждение и т. Д. и тестирование.Такие климатические условия лучше всего представляют перспективную экспозицию крупногабаритных печатных элементов конструкций в практике строительства. В возрасте шести дней стены распилили, чтобы изготовить образцы для механических испытаний. Пиление происходило без добавления воды, чтобы избежать впитывания; затем образцы были возвращены в климатическую камеру. Кубики с длиной кромки 40 мм были подготовлены для испытаний на прочность на сжатие, тогда как размеры образцов для испытаний на изгиб варьировались в диапазоне от 30 до 33 мм в ширину и от 50 до 56 мм в высоту, что соответствует размеру трех отпечатанных слои.Неровные боковые поверхности слоев не шлифовали. Длина балочных образцов 160 мм. Погрузочная площадка была равномерно закалена быстротвердеющим гипсом.

2.7. Механические испытания

показывает установки для испытаний на изгиб и сжатие. Испытания на изгиб проводились под контролем поперечного смещения со скоростью смещения 0,5 мм / мин. Для измерения прочности на сжатие загрузочные плиты испытательной установки были 40 мм на 40 мм в соответствии с поперечным сечением кубов.Для каждого материала было испытано не менее трех образцов.

Измерение механических свойств напечатанных образцов: ( a ) испытание на трехточечный изгиб (Zwick 1445, ZwickRoell GmbH & Co. KG, Ульм, Германия), ( b ) испытание на одноосное сжатие (EU20, VEB Werkstoffprüfmaschinen, Лейпциг, Германия).

2,8. Измерения теплопроводности

Образцы размером 70 × 70 × 20 мм ³ были вырезаны из стен, напечатанных таким же образом, как и для механических испытаний.Изоляционные свойства оптимального состава смеси были измерены с помощью анализатора теплопередачи ISOMET 2104 (Applied Precision Ltd, Братислава, Словакия). В этом приборе применяется метод динамического измерения, который позволяет сократить период измерения теплопроводности до 10–16 минут.

2.9. Сканирующая электронная микроскопия и световая микроскопия

Сканирующая электронная микроскопия (SEM) использовалась для визуализации микроструктуры пенобетона. Устройство для сканирующего электронного микроскопа Quanta 250 FEG (Thermo Fisher Scientific, Уолтем, Массачусетс, США) работало в так называемом «режиме низкого вакуума», в результате чего непроводящие образцы отображались в том виде, в каком они были получены без напыления.

Пористая структура пенобетона состоит из пор геля, капиллярных пор, а также захваченных и захваченных воздушных пустот [3]. Гелевые и капиллярные поры не оценивались, потому что эти характеристики матрицы на основе цемента не считались существенными в данном исследовании. Между тем, оценивались только захваченные и захваченные воздушные пустоты диаметром более 0,01 мм. Размеры воздушных пустот в пенобетоне изучали с помощью цифрового микроскопа VHX 6000 (Keyence Deutschland GmbH, Ной-Изенбург, Германия) с инструментом анализа изображений высокого разрешения.Метод SEM не позволяет захватить большую площадь, а требует длительных последовательностей изображений и сшивания изображений. Напротив, цифровой световой микроскоп значительно упростил создание обзорных изображений богатой порами микроструктуры с наиболее подходящей степенью разрешения. Образцы измерений теплопроводности использовались в дальнейшем для измерения пористости. Их обрабатывали в три этапа: (1) шлифовка наблюдаемой поверхности наждачной бумагой разной степени тяжести, (2) окрашивание выглаженной поверхности черным фломастером и 3) заполнение протянутых пор порошком контрастного цвета ( белый BaSO ₄ ).Эта часть подготовки образца соответствует стандарту DIN EN 480-11: 2005 [47]. Для оценки рассматривалась площадь 1905,0 мм². После того, как поры были заполнены и контраст между порами и остальной поверхностью был заархивирован, было создано двоичное изображение, состоящее из двух (случайных) цветов. показывает типичную последовательность обработки изображений.

Типичное исходное изображение и последовательность обработанных изображений пенобетона: ( a ) полированный образец, ( b ) цветное изображение, ( c ) двоичное изображение, обработанное для вычислительных измерений параметров воздушной полости.

Пенобетон для заполнения пустот и стабилизации | Поропена

Применение пенобетона

идеально подходит для заполнения пустот, таких как вышедшие из употребления топливные баки, канализационные системы, трубопроводы и водопропускные трубы, особенно там, где доступ затруднен. Это признанное средство восстановления дорожных траншей. Приложения включают:

Нежелательные пустоты:
Трубопроводы, служебные каналы и шахты, воронки

Вышедшие из употребления сооружения
Водопроводные трубы и подземные ходы, резервные канализации, подвалы и подвалы на верхнем уровне

Структурная стабилизация
Опоры мостов, стабилизация туннелей, насыпи

Изоляционная заливка
Изоляционная стяжка низкой плотности, Изоляционная заливка для жилых домов

Дополнительная информация о пенобетоне

ПЛОТНОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ

Porofoam может быть адаптирован к вашим требованиям, наша техническая команда создаст подходящий дизайн смеси для вашего применения.Porofoam может достигать прочности до 20 Н / мм2, а наш уникальный производственный процесс позволяет нам производить чрезвычайно широкий диапазон плотности в сухом состоянии от 300 кг / м3 до 2000 кг / м3. Для сильных сторон и плотностей за пределами этого диапазона наша команда будет работать с вами, чтобы найти решение. .

УКАЗАНИЯ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ ПЕНОБЕТОНА

можно перекачивать горизонтально, вертикально или непосредственно укладывать слоями на глубину до 1 м за один подъем, чтобы поддерживать требуемую структуру воздушных пустот.Жидкая природа Porofoam позволяет бетону свободно течь даже в самые маленькие пространства, что делает его очень подходящим для заполнения пустот. Пенопласт можно перекачивать обычным бетононасосом или роторным статорным насосом. Материал обычно остается жидким в течение 2/3 часов после смешивания с пеной (в зависимости от условий окружающей среды). Porofoam также не проявляет характеристик оседания, которые могут возникать с гранулированными наполнителями, что позволяет получить гораздо более стабильный наполнитель.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Porofoam может поставляться с крупнозернистым заполнителем или без него, в зависимости от типа и области применения.Стабильная пузырьковая структура может быть добавлена ​​в смесь тремя способами:

Путем смешивания предварительно сформированной пены с основной смесью строительного раствора после смешивания или на месте, что позволяет достичь сверхнизкой плотности.

Путем добавления в бетон специально разработанных воздухововлекающих добавок в процессе перемешивания. Это обычно обеспечивает содержание увлеченного воздуха от 10% до 25%. Полученный в результате материал упоминается как бетон с высоким содержанием воздуха (HAC) или строительный раствор с высоким содержанием воздуха (HAM)

Путем добавления пенообразующих примесей к строительной смеси после смешивания или на месте.Это приведет к более высокому уровню увлеченного воздуха, чем воздухововлекающая добавка, и, следовательно, более низкой плотности.

Позвоните в нашу службу поддержки продуктов, чтобы получить дополнительную информацию по телефону 01926 818264

Мы здесь, чтобы помочь

CEMEX предоставит вам доступ к нашей высококвалифицированной технической команде, которая сможет создать индивидуальные смеси для всех ваших потребностей в готовом бетоне.

Наша техническая команда имеет обширный опыт производства уникальных смесей для индивидуальных работ и может решить такие проблемы, как коррозионные грунтовые условия, экстремальные погодные условия и высокие требования к прочности.

CEMEX будет работать в соответствии с вашей спецификацией или, если потребуется, предоставит предложения, чтобы гарантировать соответствие конкретным потребностям вашего проекта.

Другие изделия Voidfill

Дорожная насыпь

Дорожная засыпка — эффективный и экономичный материал для восстановления, который соответствует Закону о дорожных и уличных работах 1991 года. Дорожная засыпка доступна в классах FCR C2 и C4. Расселения нет, поэтому его можно полностью восстановить за одну операцию.Также нет необходимости в уплотнительном оборудовании. Области применения: восстановление временных проемов на улицах и автомагистралях, защита подземных сооружений, восстановление дорожного покрытия

Резервуар

Tankfill — Более когезионное свойство Porofoam Tankfill позволяет осуществлять контролируемый слив в резервуары с ограниченным входом. Воздух и газы в емкости постепенно вытесняются пенобетоном. Являясь ячеистым наполнителем, Porofoam менее подвержен проникновению внешних загрязнений.Porofoam Tankfill соответствует строительным нормам огнестойкости. Области применения: заполнение вышедших из употребления бензиновых и масляных резервуаров, заполнение резервуаров для сточных вод и воды, заполнение избыточных силосов

Поропена в действии