Pourquoi avons-nous besoin de carbure de tungstène dans le béton ? 1

Le béton est généralement le matériau de construction le plus utilisé. C'est un matériau structurel convivial, économique, facile à mettre en forme et efficace. Cependant, il présente également certains inconvénients, tels qu'un faible module d'élasticité, une petite plage d'élasticité, une faible résistance à la traction et à la flexion et une mauvaise perméabilité (donc sujette à la corrosion). Par conséquent, le métal, le polymère et la fibre sont généralement utilisés pour renforcer le béton afin de surmonter ces lacunes. Il est nécessaire d'explorer des matériaux durs autres que l'acier, tels que divers carbures métalliques, pour renforcer les performances du béton sous forme de poudre et de particules grossières.

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Les carbures métalliques peuvent exister naturellement et peuvent également être produits en tant que sous-produits de différentes industries. Cependant, les carbures ont des propriétés uniques, telles que la dureté, la résistance à l'usure, la résistance à la traction, l'atténuation des neutrons, la résistance à la chaleur et l'inertie chimique. Ils sont ajoutés aux métaux pour rendre les composites durs, résistants à la corrosion et aux produits chimiques, et pour fabriquer différents outils. Afin d'obtenir un meilleur effet de l'ajout de carbures à la céramique métallique. Les chercheurs ont commencé à étudier ces carbures comme adjuvants pour béton. Certains articles montrent que l'utilisation de laitier de carbure le long du SCM peut réduire la consommation de ciment dans le béton. D'autres articles ont également confirmé que ce type de carbure a une meilleure durabilité. Les chercheurs ont utilisé différentes formes de carbures, telles que des nanoparticules, des poudres, des flocons ou des fibres. La taille et la forme des carbures affectent leurs propriétés dans les composites.

Le carbure de tungstène (WC) est utile car il s'agit d'un matériau de protection contre les rayonnements. Les WC sous forme de nanopoudre offrent une meilleure protection contre les rayonnements et une meilleure résistance à la compression. De plus, il a également une excellente résistance à l'usure, dureté et stabilité chimique. De plus, WC est un réfractaire à haute température. Il est très dur, avec une rigidité de 18 à 22 GPA et un module de Young de 700 GPa. Le réseau WC peut produire une plasticité spécifique et une ductilité élevée tout en maintenant une rigidité élevée. Il a une haute résistance à la corrosion. Lorsqu'il est exposé à l'air, le WC montrera des signes de corrosion à des températures supérieures à 600 ° C. Le WC est également un absorbeur de rayonnement électromagnétique.

WC est utilisé seul ou mélangé avec différents composites métalliques pour améliorer la résistance. En raison de sa résistance, de sa stabilité chimique, de sa rigidité et de sa résistance aux hautes températures, ce carbure céramique est également utilisé pour améliorer les propriétés mécaniques de différents composites. Le WC est le déchet de carbure métallique cémenté et le SiC est également un déchet.

Le tungstène et le carbure de tungstène offrent une excellente protection contre les rayonnements gamma et une excellente absorption des neutrons. WC a un effet synergique sur l'usure et la corrosion des composites et est utilisé pour améliorer la durée de vie des composites. Les scientifiques ont découvert que lorsqu'il est ajouté aux composites d'aluminium, le mélange de carbure de silicium et de carbure de tungstène améliore la résistance à la compression, la résistance à la traction et la résistance à l'usure, car les deux carbures sont des matériaux plus durs et plus résistants.

Cet article présente l'influence des carbures (carbure de silicium et carbure de tungstène) sur les propriétés mécaniques et la perméabilité des bétons composites, et détermine leur compatibilité avec le béton. Ces deux types de carbures sont additionnés respectivement de 1%, 2%, 3% et 4% du poids de ciment dans le béton. Une combinaison mixte de 2% et 4% des deux carbures a également été utilisée. La densité, la résistance à la compression, la résistance à la corrosion et la résistance à la flexion du béton ont été testées.

Densité 

La figure 1 montre la densité de tous les échantillons de béton. Comme le montre la figure 4, la densité du béton augmente avec l'augmentation du pourcentage de carbure de tungstène et de carbure de silicium. La densité des carbures simples et mixtes et des carbures mixtes atteint le maximum lorsque la densité est de 4%.

En augmentant le pourcentage de carbure de tungstène dans le béton, la densité augmente légèrement. En raison de l'utilisation d'un pourcentage inférieur de carbure de tungstène, il n'y a pas de changement significatif de densité. Cependant, nous avons quand même trouvé que l'utilisation de SiC dans le béton peut augmenter la densité. La densité typique des WC est supérieure à celle de la composition du béton. C'est peut-être la raison pour laquelle les carbures augmentent la densité du béton, même si le pourcentage utilisé est très faible.

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Figure 1. Densité des échantillons de ciment

résistance à la compression

La figure 2 montre la résistance à la compression des composites de béton carbonaté. La résistance à la compression du béton augmente légèrement avec la proportion de carbure simple et de carbure mixte passant à 4%. Lorsque la teneur en WC est de 4%, la résistance à la compression augmente de 17%. L'augmentation de la résistance à la compression peut être attribuée à la petite structure fibreuse du WC utilisé dans l'étude. On peut en déduire que la petite fibre de WC peut être comparée à la fibre d'acier en termes d'efficacité et de coût. Typiquement, les chercheurs utilisent une teneur en fibres de 1 – 3% du volume de béton. Cependant, les carbures utilisés dans cette étude sont des additifs par rapport au poids de ciment ; Par conséquent, leur quantité peut être bien inférieure à celle des fibres ordinaires. Cette méthode est conçue car il est plus pratique et plus facile d'utiliser des matériaux avec un certain pourcentage de ciment.

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Figure 2. Résistance à la compression des spécimens à 28 jours. 

Il a été constaté que les WC mixtes peuvent améliorer considérablement la résistance à la compression du béton. Cela peut être dû au fait que les carbures forment une meilleure interface, les particules s'accumulent mieux, laissant moins de vides, ce qui entraîne une densité plus élevée. L'augmentation de la résistance à la compression peut également être attribuée à la résistance à la compression inhérente des carbures en tant que composant du béton.

Résistance à la flexion

La résistance est la propriété la plus importante du béton. La résistance à la flexion du béton est généralement faible. La résistance à la flexion joue un rôle très important dans la conception des chaussées en béton. L'augmentation de la résistance à la traction/flexion est l'objectif que les chercheurs espèrent atteindre. Le béton à haute résistance à la traction/flexion est moins sujet aux fissures et aux problèmes de durabilité. De plus, la résistance à la flexion est la performance la plus importante dans la conception des chaussées en béton. Aujourd'hui, les chercheurs tentent d'améliorer la résistance à la flexion en utilisant différents adjuvants, fibres et autres technologies de béton de chaussée.

L'influence de différents pourcentages de carbures dans le béton sur la qualité de la flexion est illustrée à la figure 3.

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Figure 3. Résistance à la flexion de l'éprouvette à 28 jours.

En ajoutant des carbures individuels et mixtes, la résistance à la flexion du béton est considérablement améliorée. Le WC a une résistance à la traction élevée, mais il est utilisé sous forme de petites fibres. Même si la quantité d'utilisation est très faible, cela peut améliorer considérablement la résistance à la flexion. Les feuilles de carbure de silicium ne permettent pas d'endommager facilement les prismes. Ils fournissent suffisamment de renfort pour améliorer la résistance à la flexion du béton. Bien que le WC ait une résistance élevée à la traction / à la flexion, il ne peut pas transférer efficacement les contraintes de traction en raison de sa petite taille (3 à 4 mm). Plus la résistance inhérente des carbures est élevée, plus la résistance à la flexion des composites est élevée. De plus, la résistance à l'usure ne permet pas aux particules composites de se déplacer facilement. Cela rend la résistance du composite plus élevée.

Le mélange de WC et d'autres carbures a une résistance élevée à la flexion. Le WC est généralement mélangé à d'autres métaux en raison de son effet synergique. Certains chercheurs ont découvert que le WC et le SiC ont des effets synergiques sur les composites. Ils ont trouvé un effet synergique entre les deux carbures dans le renforcement des composites. Les meilleurs résultats des composites WC + SiC peuvent être attribués à la meilleure interface et à l'effet synergique des composites de carbure. L'analyse ANOVA a révélé que le rôle du pourcentage de fibres dans l'amélioration de la résistance à la flexion a également confirmé l'effet significatif des deux pourcentages de carbure sur la résistance à la flexion.

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Figure 4. Variation de la résistance à la flexion avec l'augmentation du pourcentage de WC. 

Test rapide de perméabilité au chlorure 

La perméabilité du béton est la caractéristique clé pour contrôler d'autres problèmes de durabilité. Une perméabilité plus élevée est liée à une durabilité plus faible, à un potentiel de corrosion plus élevé et à d'autres problèmes de durabilité. Le test RCPT est une méthode de test standard pour indiquer la perméabilité au chlorure et la possibilité de corrosion de l'acier. Après avoir obtenu les meilleurs résultats pour 4% de carbures simples et mixtes, une détermination rapide des chlorures a été effectuée pour ces carbures de béton.

La figure 5 illustre les résultats du RCPT en comparant les charges moyennes du béton composite et ordinaire à travers la voiture. Le test a conclu que la charge minimale a passé WC 4%.

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Figure 5. Test rapide de perméabilité au chlorure des échantillons. 

Les résultats montrent que le WC a la plus grande résistance à la pénétration des ions chlorure. Utilisé seul ou en mélange, le WC réduit la perméabilité des bétons composites. Le WC est très dense et ne laisse pas passer les ions. Par conséquent, même une petite quantité de WC peut constituer une barrière permettant aux ions de traverser le béton. Cependant, le carbure de silicium présente une perméabilité plus élevée. Les composites de carbure hybride réduisent la perméabilité en raison de leur effet synergique et de leur meilleure densité.

Microscope électronique à balayage à émission de champ

La figure 6 montre les images au microscope électronique à balayage à émission de champ des échantillons témoins (a), wc4% (B - d) et sic4% (E, f).

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Fig 6. Résultats FESEM pour (a) échantillon témoin, (b–d) échantillon WC4% et (e,f) échantillons SiC4%. 

Sur la figure 10B, le lustre métallique aciculaire sous le produit d'hydratation montre la présence de trichites de WC. De toute évidence, l'aiguille passe à travers une fissure très fine pour combler la fissure. WC ne montre pas d'ITZ évident, ce qui peut être la raison pour laquelle l'ajout de WC conduit à une meilleure résistance. Les moustaches en carbure de tungstène ressemblent à des métaux solides et n'ont pas de pores évidents. WC semble également attirer les produits d'hydratation. Sur la figure 10d, on peut voir un cercle de produits d'hydratation de sel blanc qui peuvent se former à l'extrémité de l'aiguille WC. Une bonne couche intermédiaire et une ITZ peu claire montrent que WC a une meilleure compatibilité avec le béton, ce qui se traduit par une meilleure résistance. Aucune porosité évidente ne conduira à une faible perméabilité.

conclusion

Dans cette étude, les effets du carbure de tungstène (WC), l'un des matériaux les plus durs sur terre, sur la résistance à la compression, la résistance à la flexion et la perméabilité du béton ont été étudiés. Utiliser du carbure de tungstène seul et l'ajouter à 4% du poids du ciment sous forme mélangée pour produire des composites de béton au carbure sera un très bon choix.

L'augmentation du pourcentage de carbures dans les formes individuelles et mixtes augmente la résistance à la compression et la résistance à la flexion du béton. Avec l'augmentation de la résistance à la compression, la résistance à la compression du béton composite WC (c'est-à-dire 17%) est supérieure à celle du composite SiC (la résistance à la compression augmente de 6%). WC est particulièrement adapté au béton de chaussée.

Lorsque le dosage est de 4%, la perméabilité des composites WC et hybrides est relativement faible. Les images FESEM ont également vérifié les résultats. De toute évidence, le tungstène et le carbure peuvent améliorer les performances et être compatibles avec le béton. Cependant, les composites de carbure hybride fournissent des effets synergiques en améliorant la résistance mécanique, en particulier la résistance à la flexion, et en réduisant la perméabilité.

Propositions pour l'avenir

Les propriétés des composites sont directement améliorées par l'ajout de 4%. Cela signifie qu'un pourcentage plus élevé de carbure de tungstène peut être étudié. Ces travaux peuvent être étendus aux composites de béton pour obtenir d'autres propriétés uniques de leurs carbures constitutifs, notamment le blindage neutronique, l'épreuve des balles, les barrières contre les rayonnements électromagnétiques pour les réacteurs nucléaires et l'impression 3D. Si des résultats positifs sont obtenus, cela pourrait ouvrir la voie à la production de ciment et de béton aux propriétés particulières.

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