Mechanische eigenschappen van
composieten worden beïnvloed
zowel door mechanische eigen-
schappen van de samenstellende
fasen als door de manier waarop
deze fasen geometrisch zijn ver-
deeld over het materiaal.
Dankzij de
3D printtechniek is het ook voor cementge
bonden materialen mogelijk deze ruimtelijke
verdeling aan te passen en een op maat ge
maakte mesostructuur te realiseren. Met
het juiste ontwerp van de materiaalmix
kunnen daarmee ongekende mechanische
eigenschappen worden bereikt, zoals breuk
taaiheid [6, 7], hoge relatieve sterkte [8, 9] en
auxetisch gedrag. Auxetische materialen
kenmerken zich door een negatieve poisson
verhouding. Eerder al is er gerapporteerd over cement
gebonden cellulaire composieten (CCC's)
vervaardigd met 3D
printen, met een nega
tieve poisson verhouding [10, 11]. Daarbij is
echter de invloed van de structuur en mate
riaaleigenschappen op het gedrag onder
druk niet volledig onderzocht. Aan de TU Delft worden nu de mecha
nische eigenschappen van dit materiaal
getest onder éénassige druk. De ductiliteit
van het materiaal is bepaald aan de hand
van een vierpuntsbuigproef. Ook het ver
moeiingsgedrag is meegenomen. In deze studie is uitgegaan van een
celstructuur vergelijkbaar met de eerdere
studies [10, 11]. Voor het maken van proef
stukken zijn mallen vervaardigd met
3D printtechniek. Daarbij zijn verschillende
Auxetisch
cementgebonden composiet
Door toepassing van 3D-printtechnieken kunnen cementgebonden materialen worden
ontwikkeld met een bijzondere, niet-homogene interne structuur. Deze materialen kunnen auxetisch gedrag vertonen: ze zetten zijdelings uit (worden dikker) wanneer ze worden
uitgerekt en ze trekken zijdelings samen als ze worden samengeperst. Aan de TU Delft is onderzoek verricht naar het mechanische gedrag van deze materialen.
Onderzoek naar auxetisch gedrag van cementgebonden cellulaire composieten onder éénassige druk en cyclische belasting
BRON
Dit artikel is een vertaalde
bewerking van de paper Auxetic
Behavior of Cementitious Cellular
Composites under Uniaxial
Compression and Cyclic Loading
van Yading Xu, Erik Schlangen en
Branko ?avija (allen TU Delft, fac.
CiTG). De paper is geschreven
voor de RILEM-conferentie Digital
Concrete 2020. Deze conferentie
is georganiseerd door de TU
Eindhoven en vond digitaal plaats
van 6 tot 9 juli 2020. De bewerking
is gedaan door ir. Jacques Linssen
(Aeneas Media / redactie Cement).
52? CEMENT 6 2020
structuren toegepast met verschillende
mengselsamenstellingen.
Onderzoeksopzet
In dit onderzoek zijn drie soorten geome
trieën gebruikt: P0, P25 en P50. P0 had sym
metrische cellen, P25 en P50 asymmetrische
ovaalvormige cellen met variërende maten.
De vorm en de afmetingen van de proefstuk
ken zijn getoond in figuur 1 en tabel 1.
Storten en nabehandelen? Voor het ver
vaardigen van de proefstukken zijn dezelfde
technieken gebruikt als in [10, 11]: mallen
zijn geprint door een commerciële op fused
deposition modeling (FDM) gebaseerde
3D printer. Voor de CCC's is gebruikgemaakt
van mortel met én zonder kunststofvezels
(PVA vezels, PolyVinyl Alcohol). De samen
stelling staat in tabel 2. Voor het mengsel is
portandcement (CEM I 42,5 N), vliegas (FA),
zand (0,125 µm ~ 0,25 µm) en VMA, een vis
cositeitsmodificerend middel gebruikt. Deze
werden gewogen en 4 minuten gemengd
met behulp van een Hobart machine. Daar
na werden superplastificeerder (SP) en wa
ter toegevoegd, gevolgd door weer 2 minuten
mengen. Vervolgens werden vezels toege
voegd en werd er nog 2 minuten gemengd.
De gemengde verse mortel werd in de mallen
gegoten en gedurende 40 seconden getrild. De proefstukken werden bedekt met
plastic folie en bewaard bij kamertempera
tuur. Na één dag werden ze uit de mal ge
haald en bewaard in geacclimatiseerde om
standigheden (20
oC, 96% RV) tot 28 dagen
oud. De proefstukken zijn getest op eenassige
druk bij 28 dagen. Er zijn ook balkjes gemaakt
met piepschuimmallen en getest met een
vierpuntsbuigproef op 28 dagen.
Mechanische proeven? Alle mechanische
proeven zijn uitgevoerd met behulp van een
hydraulische pers INSTRON 8872 met een
belastingsnelheid van 0,01 mm/s. Tijdens de
proeven werden de belasting en verplaat
sing gemeten en geregistreerd. Er zijn foto's
gemaakt met een camera die vóór het proef
stuk is geplaatst. Voor de vierpuntsbuigproef is de verplaatsing
in het midden van het proefstuk gemeten.
Een weergave van de proefopstellingen staat
in figuur 2.
Resultaten
Ductiliteit? Zoals eerder vermeld, worden de
mechanische eigenschappen van cellulaire
materialen bepaald door zowel de materiaal
eigenschappen van de toegepaste materialen
als de geometrie van de structuur. Daarom
helpen gekoppelde analyses van de materiaal
eigenschappen en de structuur van de CCC's
om het mechanisme van het auxetische ge
drag te begrijpen. De buigkrommen van gewone mortel
en vezelversterkte mortel zijn weergegeven
in figuur 3. Zoals verwacht vertoont de ge
wone mortel een nogal brosse respons: een
snelle daling na de piekbelasting, wat wijst
op snel bezwijken van het belaste proefstuk.
Omdat dezelfde cementmatrix is gebruikt,
hebben gewone mortel en vezelversterkte
mortel een vergelijkbare scheursterkte bij
de eerste piek. Echter na de eerste piek ver
toont de vezelversterkte mortel een ductiele
respons: in plaats van snel bezwijken begint
de spanning te stijgen, als gevolg van het
scheuroverbruggende gedrag van de PVA
vezels. Zo wordt een tweede piek bereikt.
Vanwege deze tweede piek is de ductiliteit
van het vezelversterkte materiaal veel hoger
dan van de gewone mortel. Hierdoor kan
de celstructuur auxetisch gedrag vertonen,
zoals hierna wordt toegelicht.
Gedrag onder druk? Figuur 4 toont het
spannings rekdiagram van celstructuur P25
met gewone mortel, zonder PVA vezels. Tij
dens de drukproeven werd brosse breuk
waargenomen: nadat de piekbelasting was
bereikt, ontstonden snel microscheurtjes
die uiteindelijk leidden tot bezwijken. Dit is
te zien aan een scherpe daling in de curve.
Vanwege de celstructuur ontwikkelden zich
in sommige gevallen scheurtjes laag voor
laag door de celstructuur heen, zodat meer
dere scherpe dalingen in de curven zijn
waar te nemen.
YADING XU
TU Delft, fac. CiTG
ERIK SCHLANGEN TU Delft, fac. CiTG
BRANKO ?AVIJATU Delft, fac. CiTG
auteurs
CEMENT 6 2020 ?53
1 Ontwerpparameters van de cementgebonden cellulaire composieten?2 Schematische weergave proeven, met (a) éénassige druk en
(b) vierpuntsbuigproef?3 Buigkrommen van de toegepaste materialen; diverse resultaten overgenomen uit [11]? 4 Spannings-rekdiagrammen van drie proefstukken P25, zonder PVA-vezels [11]?
1
3 4
2a 2b
Tabel 1?Proefstukken met verschillende ontwerpparameters
proefstukken as 'a' [mm]as 'b' [mm]volume [cm 3]
P0 4463,7
P25 5367,7
P50 6279,8
Tabel 2?Materiaalsamenstelling [kg/m
3]
CEM I 42.5 N FAzand water SPVA(PVA-vezel)
471 5563854280,86 0,3(-25,6)
54? CEMENT 6 2020
Bij toepassing van vezelversterkte mortel, is
een meer ductiel bezwijkmechanisme waar
te nemen in het spanningrekdiagram (fig. 5,
P25). Dit diagram kan grofweg worden ver
deeld in drie fasen. In de eerste fase (van ongeveer 0% rek
tot 11% rek), is de mechanische respons on
der druk vergelijkbaar met die van traditio
nele cementgebonden materialen: een stij
gende tak bij toenemende spanning. Nadat
de piekbelasting werd bereikt (bij ongeveer
1 MPa), begonnen microscheurtjes te ont
staan in de 'balkjes' tussen de cellen (joints
in fig. 1). Omdat vezelversterkte mortel werd
gebruikt, was er sprake van scheurover
brugging. Hierdoor nam de scheurwijdte
langzaam toe in plaats dat snel bezwijken
optrad. Als gevolg hiervan begonnen de
'knopen' tussen de cellen (sections in fig. 1)
te draaien. Ondertussen was laterale con
tractie zichtbaar: in dit stadium werd auxe
tisch gedrag bereikt. In de tweede fase (van 11% tot 40%)
werd de celstructuur min of meer opgeheven
en verdicht tot een 'massief ' volume. Zoals
te zien is in figuur 5, werd de holle ellips
structuur samengedrukt. Hierdoor vond er
meer contractie in laterale richting plaats
bij toenemende druk. In de spanning rek
relatie werd hier een strain hardeningeffect
waargenomen. Een soortgelijk strain harde
ninggedrag is gevonden bij andere auxeti
sche materialen [12, 13]. Na de tweede piek (bij ongeveer 3 MPa)
begonnen zich scheuren te vertonen in de
knopen tussen de cellen, die zich zelf ont
wikkelen tot afschuifvlakken. Dit is te zien
aan een afnemende tak na de tweede piek in
de spannings rekrelatie. In die zin lijkt deze
tweede piek sterk op het gedrag van een
gewoon vezelversterkt materiaal. De derde fase (na 40% rek) laat een
snelle spanningstoename zien, omdat het
materiaal sterker is samengedrukt.
Net als de hypothese in [11] wordt het auxeti
sche gedrag van het CCC sterk beïnvloed
door de materiaaleigenschappen en door de
asymmetrie van de celstructuur. In deze
studie is dezelfde samenstelling gebruikt als
in [11] en is de invloed van het materiaal ge
elimineerd. Daarom kan de invloed van de
geometrie op het vervormingsgedrag duide
lijk worden bepaald. Te zien is dat het proefstuk P0 geen
auxetisch gedrag vertoont vanwege de sym
metrie in de celstructuur. P50 vertoont ver
gelijkbaar auxetisch gedrag als P25. Ook de
spannings rekrelatie, inclusief de drie fases,
is P50 vergelijkbaar met P25. Wel is de twee
de piek bij P50 duidelijk hoger omdat het
volume met 79,4 cm³
groter is dan dat van
P25 (67,8 cm³). Voor P0 was het vervormingsgedrag
vergelijkbaar met dat van gewoon vezelver
sterkt materiaal, namelijk één piek en
Als gevolg van
langzame
toename in de
scheurvorming
begonnen de
'knopen' tussen
de cellen te
draaien
5
5 Spannings-rekdiagrammen van de CCC's en overeenkomstige weergaven van de proefstukken; enkele
krommen en afbeeldingen zijn overgenomen uit [11, 14] CEMENT 6 2020 ?55
6 7
8
Het auxetische
gedrag wordt
sterk beïnvloed
door de
materiaaleigen -
schappen en de
asymmetrie van
de celstructuur
een lange afnemende tak als gevolg van de
duciliteit van het materiaal.
Dymanische belasting? De spannings re
krelatie van P25 onder dynamische belas
ting (3000 cycli) is weergegeven in figuur 6.
Er wordt typisch hysteresegedrag gevonden
in de relatie (van 11,25% tot 13,75% rek): de
tak van het belasten en ontlasten komen
niet volledig overeen. Opvallend is dat na 3000 cycli de
maximale belasting langzaam toeneemt bij
een toename van het aantal cycli (van 0,1 MPa
tot 0,14 MPa, fig. 7). Een vergelijkbare trend
is te zien in de gedissipeerde energie in een
cyclus (berekend door het gebied omgeven
door de belasting en ontlastingtak in iedere cyclus, gedeeld door het volume van het
proefstuk, fig. 8).
De toename van het scheuroverbrug
gende gedrag van de vezels en de taaiheid is
het gevolg van slip hardeninggedrag, als de
vezels worden uitgetrokken uit de cement
matrix (zoals ook is aangegeven in eerdere
studies [15,16]). Dit slip hardeninggedrag
kan worden verklaard uit het fenomeen fi
brillatie van de PVA vezel: bij spanning in
de vezels wordt het oppervlakte ruwer door
het uittrekken van moleculen van het
PVA polymeer. En hierdoor neemt de wrij
ving tussen de PVA vezel en de cementma
trix toe. Deze fibrillatie is sterker bij dyna
mische belasting en de toename in de
wrijving kan de reden zijn van de toename
6 Spanningsrek-relatie van proefstuk P25 bij de 3000e cyclus [11] 7 Ontwikkeling van de maximale belasting in een cyclus in relatie tot aantal cycli, inclusief standaardafwijking, diverse data is overgenomen uit [11]?
8 Ontwikkeling van de energiedissipatie in een cyclus in relatie tot aantal cycli, inclusief standaardafwijking, diverse data is overgenomen uit [11] 56? CEMENT 6 2020
van de maximale belasting en van de
energiedissipatie na 3000 cycli.
In het algemeen heeft het CCC een pseudo
elasticiteit van 2,5% omkeerbare rek, zelfs
tot 20.000 cycli, wat betekent dat CCC een
veelbelovend materiaal is als het gaat om
energiedissipatie.
Conclusie
In het onderzoek zijn cementgebonden
cellulaire composieten (CCC's) met
auxetisch gedrag ontwikkeld, gebruikma
kend van 3D printtechnieken. De mechani
sche eigenschappen van CCC's zijn onder
zocht onder eenassige druk en dynamische
belasting, alsmede de invloed hierop van
de materiaaleigenschappen en ontwerppa
rameters. Uit het onderzoek zijn diverse
conclusies te trekken:
Zowel de materiaaleigenschappen als de
geometrie van de celstructuur bepalen het
gedrag onder druk. Hierbij is auxetisch
gedrag mogelijk, afhankelijk van het scheuroverbruggende gedrag van de vezels
en de asymmetrie in de celstructuur.
Auxetisch gedrag is zichtbaar bij proef
stukken P25 en P50. Deze proefstukken
vertonen strain hardeninggedrag onder
druk: na een eerste piek ontstaat een twee
de piek.
Voor P25 wordt een pseudoelastisch ge
drag gevonden tussen de 11,25% en de
13,75% rek (in totaal 2,5% omkeerbare ver
vorming) bij 20.000 cycli. P25 biedt daar
mee uitstekende mogelijkheden tot ener
giedissipatie.
Het vermoeiingsgedrag van P25 onder
dynamische belasting vertoont herstelbare
schade. Van 3000 tot 20.000 cycli neemt de
maximale belasting in elke cyclus toe, als
gevolg van de fibrillatie van de PVA vezels.
De toename van de maximale belasting en
energiedissipatie duidt op een interessant
toepassingsgebied voor trillingsbestendig
materiaal.
De maximale
belasting neemt
langzaam toe
bij een toename
van het aantal
cycli
LITERATUUR
1?Zhang, M.-H., J. Islam, and S. Peethamparan,
Use of nano-silica to increase early strength and
reduce setting time of concretes with high volumes of
slag. Cement and Concrete Composites 34(5), 2012:
p. 650-662.
2?Qiao, M., et al., Gemini surfactants as novel air
entraining agents for concrete. Cement and Concrete
Research 100, 2017: p. 40-46.
3?Özcan, F. and M. Emin Koç, Influence of ground
pumice on compressive strength and air content of
both non-air and air entrained concrete in fresh and
hardened state. Construction and Building Materials 187,
2018: p. 382-393.
4?Xu, Y., Schlangen, E. and ?avija, B., Creating strain
hardening cementitious composites (SHCCs) through
use of additively manufactured polymeric meshes as
reinforcement. 2019.
5?Xu, Y. and ?avija B., Development of strain
hardening cementitious composite (SHCC) reinforced
with 3D printed polymeric reinforcement: Mechanical
properties. Composites Part B: Engineering 174, 2019:
p. 107011.
6?Fleck, N.A., V.S. Deshpande, and M.F. Ashby, Micro-
architectured materials: past, present and future.
Proceedings of the Royal Society A: Mathematical,
Physical and Engineering Sciences 466(2121), 2010:
p. 2495-2516.
7?Fleck, N.A. and X. Qiu, The damage tolerance of
elastic?brittle, two-dimensional isotropic lattices.
Journal of the Mechanics and Physics of Solids 55(3),
2007: p. 562-588.
8?Dong, L., V. Deshpande, and H. Wadley, Mechanical
response of Ti?6Al?4V octet-truss lattice structures. International Journal of Solids and Structures 60-61, 2015:
p. 107-124.
9?Messner, M.C., Optimal lattice-structured materials.
Journal of the Mechanics and Physics of Solids 96, 2016:
p. 162-183.
10?Xu, Y., ?avija, B. and Schlangen, E., Compression
Behaviors Of Cementitious Cellular Composites With
Negative Poisson's Ratio. in FramCos. 2019. France.
11?Xu, Y., et al., Cementitious cellular composites with
auxetic behavior. Cement and Concrete Composites 111,
2020: p. 103624.
12?Meena, K. and S. Singamneni, A new auxetic
structure with significantly reduced stress
concentration effects. Materials & Design 173, 2019:
p. 107779.
13?Yang, H., B. Wang, and L. Ma, Mechanical
properties of 3D double-U auxetic structures.
International Journal of Solids and Structures, 2019.
14?Xu, Y., et al., Cementitious cellular composites with
auxetic behavior. Mechanical behavior of Auxetic
Cementitious Cellular Composites
(CCCs) Under Uniaxial Compression: Experiments and
Simulations. (submitted to Materials & Design).
15?Li, V.C., From micromechanics to structural
engineering-the design of cementitous composites for
civil engineering applications. 1993.
16?LIN, Z. and V.C. LI, Crack bridging in fiber
reinforced cementitious composites with slip-
hardening interfaces. Journal of the Mechanics and
Physics of Solids, 1997.
17?SeokLyoo, W. and W. ShikHa, In situ fibrillation
of poly(vinyl alcohol) during saponification of
poly(vinyl ester) (1).
CEMENT 6 2020 ?57
Bron
Dit artikel is een vertaalde bewerking van de paper Auxetic Behavior of Cementitious Cellular Composites under Uniaxial Compression and Cyclic Loading van Yading Xu, Erik Schlangen en Branko Šavija (allen TU Delft, fac. CiTG). De paper is geschreven voor de RILEM-conferentie Digital Concrete 2020. Deze conferentie is georganiseerd door de TU Eindhoven en vond digitaal plaats van 6 tot 9 juli 2020. De bewerking is gedaan door ir. Jacques Linssen (Aeneas Media / redactie Cement).
Reacties