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放电加工过程中使用再生黄铜纤维的水泥砂浆的实验评估

R. Borinaga-Trevintilde;o , A. Orbe , J. Canales , J. Norambuena-Contreras

A 西班牙毕尔巴鄂巴斯克地区大学UPV / EHU机械工程系

b 拉布马特，智利比塞比昂大学土木与环境工程系，土木与环境工程系

强调

• 砂浆中使用了放电加工回收的黄铜纤维。
• 具有机加工纤维的砂浆与未经机加工纤维的砂浆相似。
• 纤维不会改变砂浆的稠度，但会提高其导热系数。
• 纤维太短而不能改善砂浆的机械性能。

文章历史：

2019年12月19日收到

收到修订版表格2020年2月18日

接受于2020年2月19日

关键字：

水泥砂浆黄铜纤维；放电加工超声波时间；浪费；导热系数

摘要：

本文旨在评估再生黄铜纤维对水泥砂浆的物理，热和机械性能的影响。为此，制造了七种不同的砂浆，它们具有相同的水灰比，但使用了两种不同的黄铜纤维。使用未加工的黄铜纤维作为参考，并将其与通过放电加工机作为线切割方法的副产品获得的废黄铜纤维进行比较。两种纤维都以砂浆体积的0.25％，0.5％和1％的比例添加到砂浆中。通过扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散X射线光谱（EDX）评估纤维中元素的形态和存在。另外，测量超声波脉冲速度和热导率以评估砂浆质量和纤维在砂浆样品中的分散性。通过弯曲和压缩试验研究了机械性能。由于纤维长度减小，因此对孔隙率和堆积密度的影响都可以忽略不计，并且由于提供的锚固力有限，超声脉冲速度和压缩强度的降低以及挠曲强度的轻微增加也并不明显。尽管如此，已开发的再生黄铜纤维砂浆的导热性有所提高，这有助于集中于加热设备的利基市场，例如地板采暖或闭环地热热交换器。

1. 介绍

由于全球人口呈指数增长，对建筑业的需求也在不断增长。为了降低建筑业的成本，能源消耗和原材料的使用，引起人们兴趣的是将旧建筑物用于新用途的废物增值。水泥砂浆是一种复合材料，由于其物理，机械和热学特性[1]，广泛用于土木工程中以修复结构或成为建筑围护系统的一部分。为此，目前使用不同类型的纤维来增强每种情况下砂浆所需的特定物理和机械性能[2,3]。特别是，天然纤维[4]，碳纤维[5]，合成纤维[6,7]和金属纤维[8-10]通常用于改善砂浆的新鲜和硬化性能。

合成纤维通常是作为薄复合材料的主要增强材料添加的，而作为次要增强材料则是通过减少硬化过程中因收缩而产生的裂纹来提高砂浆的耐用性[2]。添加碳纤维和钢纤维的目的与合成纤维的目标相同，但同时也增加了增强砂浆的附着力，这使其可以用于修复结构元件[5,11]。 但是，由于商业碳纤维的高昂成本，大多数结构修补砂浆都使用聚丙烯或钢纤维作为修补砂浆的经济替代品。不管纤维的类型 用作增强材料的商购砂浆使用专门设计的纤维，这种纤维涉及与其制造过程相关的高能耗。 为了减少此过程所需的能源和工业垃圾的填埋处置，不同的作者已经提出将不同的金属废料再利用作为增强材料，例如碳纤维或钢纤维[5,8,11,12]，颗粒状的钢颗粒[13]，钢屑或什至是钢丝绒纤维[14,15]。在这些研究中，机械性能是分析最多的性能，热性能则较少评估。

关于用纤维增强的胶凝材料的物理和机械性能，Norambuena-Contreras及其同事[5,14,15]研究了添加再生纤维（如碳微纤维，钢丝绒和刨花）对物理化学的影响。不同固化年龄的硅酸盐水泥浆和硬化砂浆的物理和机械性能。 作者得出的结论是，纤维的添加降低了堆积密度，增加了孔隙率，并且对所得水泥复合材料的机械性能影响不大。Martinelly等。[12]从报废轮胎中回收的废旧再生钢纤维作为部分替代了全部使用的工业钢纤维。他们得出的结论是，用再生钢纤维增强的混凝土具有与工业钢纤维增强的混凝土类似的抗弯强度和抗压强度。尽管开裂后的行为受到了负面影响但显优于与非上非钢筋混凝土。此外，Quadir等。[13]添加了再生的钢颗粒作为混凝土中天然细骨料的部分替代品，从而提高了混合物的可加工性，抗弯强度和抗压强度。

关于热性能，Nagy等人。[16]评估了不同纤维类型对混凝土的影响，指出钢纤维增强的混凝土比合成纤维增强的混凝土具有更高的堆积密度和热导率值，这归因于较高的导热率和密度前纤维。 Girardi等。 [17]在混凝土中添加了钢纤维，粉末和再生刨花，以评估它们对混凝土热性能的影响，以作 为其潜在的储热材料。 根据他们的结果，由于添加了钢纤维，颗粒和刨花，混凝土的热导率分别增加了97％，116％和169％ 然而，其他研究表明，由于添加钢颗粒而引起的导热系数的增加通常较小[11,18]。例如，作者为Khaliq等。[18]使用1.75％（体积）的自固结混凝土与钢纤维和聚丙烯纤维中的一种 或两种，表明钢纤维增加了热导率，而聚丙烯纤维降低了热导率。

简而言之，近年来，纤维增强水泥材料是一个热门话题。但是，关于将黄铜纤维用作水泥复合材料的补强材料的科学论文很少，而有关使用电火花加工过程中的副产品获得的纤维则更少。本文旨在评估添加短黄铜纤维对水泥砂浆的物理，热和机械性能的影响。为此，我们评估了七种不同的砂浆，它们具有相同的水灰比，但具有两种不同的黄铜纤维类型和三种不同的百分比。

1. 材料和方法
   1. 原料

用相同比例的水（w），水泥（c），高效减水剂（sp）和石灰石砂（s）制成砂浆。七种混合砂浆之间的主要区别是纤维类型和每种混合物所用的纤维比例：参考砂浆是在没有任何增强的情况下制成的，两种不同黄铜纤维按砂浆的单位体积按三种不同比例使用：0.25％，0.5％和1％。此外，仅通过使用放电机切割原始的连续黄铜线，未获得机加工的黄铜纤维（B）。因此，在切割过程中没有化学变化或材料损失。由于再生黄铜纤维（B *）是在放电机（EDM）正常运行期间获得的，因此再生纤维的最终几何形状和材料性能会因EDM的使用而异，这在最初是随机的和未知。

根据EN 197-1的要求选择CEM II-B（L）/32.5R型水泥。这种水泥是波特兰水泥和最多35％的石灰石填料的混合物，通常可用于基础混凝土和砌筑砂浆。在2天和28天时，其抗压强度分别大于13.5 MPa和42.5 MPa。重量使用的石灰石骨料的粒度分布根据EN 933-1确定，如表1所示。明显的参与

还根据EN 1097-6获得了密度（ql）和吸水率。

CHRYSO 550高效减水剂混合物用作减水剂，以获得几乎自固的参考砂浆。

另外，两种类型的纤维都被EDM的废物处理系统机械切割，但是只有回收的黄铜纤维才受到机加工过程的降解作用。为了确定其几何特性，未从现有库存中随机抽取机加工和回收的黄铜纤维。使用卡尺和千分尺来确定每种纤维类型最多200条纤维的长度和直径。图1（a）和（b）分别显示了未经机加工和回收的黄铜纤维的外观，几何形状，长度和直径。

从图1中可以看出，未经机加工的黄铜纤维的直径为0.25毫米，几乎恒定的10毫米长度，这是EDM机器中包含的切割系统的预定义长度。对于回收的黄铜纤维，测得的直径几乎恒定，为0.22 mm，而纤维长度在6至11 mm之间变化，因为某些纤维在到达EDM机器的切割系统之前就断裂了。关于密度，认为两种黄铜纤维具有相似的密度，即8400kg / m 3。从图1（b）中可以看出，由机加工过程对回收的黄铜纤维造成的损坏是显而易见的。由于加工纤维褶皱皱度显着高于未加工纤维褶皱皱度，因此通过PANalytical Xpert PRO衍射仪和FISCHERSCOPE X-X进行了X射线衍射（XRD）和能量分散X射线荧光（ED-XRF）测试。射线设备确定其元素组成的可能变化。结果表明，未加工的黄铜纤维约占63.7％的Cu和35.3％的Zn。在回收的黄铜纤维中，尽管在显微镜下观察到变化，但这些比例与前者保持相似，但由于在某些测试样品中出现了高达1％的铁，因此总含量略低。此外，用JEOL JSM-6400扫描电子显微镜（SEM）分析了两种纤维的形态，见图2中的图像结果。

至于通过XRD和ED-XRF测试获得的结果（图3），在所有评估的光谱中主要观察到了元素Zn和Cu。在这种情况下，存在氧气，这表明表面略有腐蚀，但数量并不重要。然而，EDX的结果还检测到某些区域中存在Mo，Fe，Ni和Cr，这很有意义，因为EDM主要用于加工由铬镍铁合金或钢制成的部件。 总体而言，它们的数量并不重要，并且没有均匀地分散在纤维上。

• 1. 试样制备

水泥砂浆由水泥，水，高效减水剂和三种不同的纤维比例组成，按砂浆体积计：0.25％，0.5％和1％。表2显示了本研究中使用的混合比例。为了获得标准稠度的参考砂浆，根据EN 196-3：2005 A1：2009，将所有砂浆混合物的水灰比设定为0.5（重量）。因此，所有灰浆具有相同的水：水泥：石灰石-砂：高效减水剂重量比，为0.5：1：3：0.01。因此，砂浆之间的唯一区别是混合物中要使用的纤维类型和数量，这将改变每立方米砂浆中使用的其他化合物的比例，但不会改变它们之间的重量比。

对于每个灰浆，按照EN 1015-10^的要求准备了六个40times;40times;160 mm3的棱柱形试样。所有批次的混合过程均相似。首先，将干燥的水泥和石灰石砂以低速混合一分钟。此后，加入水和高效减水剂并以相同速度再混合一分钟。然后，将砂浆高速混合一分钟，使混合过程在中断2分钟。为了完成参考砂浆混合过程，再次将混合物再次高速混合另一分钟。

对于使用黄铜纤维的砂浆，将纤维逐渐添加到已混合的砂浆中，同时使混合器以低速运转另外2分钟。混合过程结束后，将得到的新鲜砂浆倒入每个棱柱形模具的中心，以使纤维在试样内部分布更均匀。然后，将模具以300 Hz的频率振动10 s，以在所有混合物中获得均一的稠度。混合后24小时，将样品密封并在实验室环境条件下固化，然后，将样品浸入20°C的水中，直到达到28天的固化年龄。

表格1

石灰石骨料的粒度分布。

图1 所研究的黄铜纤维的外观：（a）未加工，并且（b）回收。

图2 通过SEM研究的纤维外观：（a）未加工黄铜纤维的整体视图； （b）再生黄铜纤维的概况； （c）两根纤维末端的外观； （d）两种纤维类型的代表性末端的细节。

• 1. 新鲜砂浆的稠度

为了确定添加纤维对结果可加工性的影响。在砂浆中，新鲜砂浆的稠度有根据EN 1015-3的流表一致性测试确定。因此，所有砂浆的稠度相似，接近于参考砂浆设定的220毫米。

• 1. 砂浆试样的堆积密度和孔

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