弧形状钢纤维、制造模具及方法及应用该钢纤维的混凝土
阅读说明：本技术 弧形状钢纤维、制造模具及方法及应用该钢纤维的混凝土 (Arc-shaped steel fiber, manufacturing mold and method and concrete applying steel fiber ) 是由 潘云锋 李贺东 李亚彪 王敏嘉 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种弧形状钢纤维,其特征在于：所述弧形状钢纤维主体为圆弧,为改善纤维在基体中的锚固,可在纤维两端设置锚固段,锚固段可由一个或多个连续设置的端勾组成,每个端勾由一个圆弧段和一个直线段组成。本发明是针对“一维”尺寸纤维在基体中的桥连机制以及裂缝抑制能力的不足之处,制备一种具有“二维”尺寸特征的弧形状钢纤维,将弧形状钢纤维提前铺满整个模具,通过发挥弧形状钢纤维间的相互“勾连”作用、对基体裂缝的“两次桥联”作用以及两根纤维即可在基体中形成一个封闭空间抑制裂缝扩展的优势作用,提高对裂缝扩展的抑制效率,大幅度提升渗浇纤维混凝土的基本力学性能。(The invention provides an arc-shaped steel fiber, which is characterized in that: the arc-shaped steel fiber main body is an arc, and in order to improve the anchoring of the fiber in the matrix, anchoring sections can be arranged at two ends of the fiber, each anchoring section can be composed of one or more continuously arranged end hooks, and each end hook is composed of an arc section and a straight line section. Aiming at the defects of a bridging mechanism and crack inhibition capability of one-dimensional fibers in a matrix, the invention prepares arc-shaped steel fibers with two-dimensional size characteristics, the arc-shaped steel fibers are paved in the whole mould in advance, and a closed space can be formed in the matrix to inhibit crack propagation by exerting the mutual hooking action among the arc-shaped steel fibers, the twice bridging action on the matrix cracks and the advantage action of two fibers, so that the crack propagation inhibition efficiency is improved, and the basic mechanical property of the infiltration-cast fiber concrete is greatly improved.)
技术领域
本发明涉及渗浇纤维混凝土技术，具体涉及一种弧形状钢纤维、制造模具及方法及应用该钢纤维的混凝土。
背景技术
渗浇纤维混凝土(Slurry infiltrated fiber concrete，简称SIFCON)的制备工艺与传统混凝土不同，其需要在模具里预先铺满钢纤维，由此产生的纤维网络被搅拌好的水泥净浆(或砂浆)渗透制备而成，纤维体积率可达到5％～20％，硬化后受拉、受压都具有明显的应变硬化性能，是一种极富前景的高强高韧材料，在新型结构、抗震和防护工程等领域应用广泛。SIFCON使用的钢纤维形状对其力学性能影响显著，传统钢纤维通常有端钩型、直型和波浪形等纤维，这些纤维在某一方向的尺寸远大于其他方向的尺寸，属于“一维”尺寸纤维，并且主要通过纤维与基体间的粘结、拔出过程中的摩擦阻力以及纤维间的“联锁”效应在材料中发挥作用。现有不同的钢纤维类型仅仅在原有基础上调控其几何参数，仍然属于“一维”尺寸纤维，并未对纤维各个方向的尺寸进行改善，关于裂缝开展的控制效果提升较小，而且纤维间潜在的“联锁”效应过于依赖纤维端部的几何形状以及纤维间的位置关系，很难在各个方向上均起到很好的裂缝控制效果，在一定程度上制约了SIFCON性能的进一步提升。
中国专利CN201120344944.2公开了一种端勾型钢纤维，它将钢纤维碾压成主体结构为弓型的形状，然后在两端进行两次弯折设置锚固段，但其主体部分的尺寸仍远大于其他方向，属于“一维”尺寸纤维，在基体中很难利用两根纤维间的桥联形成一个封闭空间，以此来抑制裂缝的开展，对裂缝开展的控制效果有限。
中国专利CN200920236174.2公开了一种波浪形微细钢纤维，它将钢纤维碾压成波浪形状，存在波峰和波谷，单一方向的尺寸远大于其他方向，同样属于“一维”尺寸纤维，在基体中仅在某一个方向上具有较好的裂缝桥连效果，在另一个方向上不能起到很好的桥连效果。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种弧形状钢纤维、制造模具及方法及应用该钢纤维的混凝土。本发明是针对“一维”尺寸纤维在改善钢纤维-界面粘结性能以及裂缝控制能力的不足之处，制备一种具有“二维”尺寸特征的弧形状钢纤维，将弧形状钢纤维提前铺满整个模具，通过弧形状钢纤维之间的相互“勾连”作用以及与基体裂缝间的“两次桥联”作用，利用两根纤维在基体中形成一个封闭空间，抑制裂缝的继续开展，提高对于裂缝开展的控制效率，大幅度提升SIFCON的基本力学性能。
本发明提供了如下的技术方案：
弧形状钢纤维，其特征在于：整体仅有主体圆弧段1组成，不设置有锚固段；或所述弧形状钢纤维主体为圆弧，为改善纤维和基体间的锚固，可在纤维两端设置锚固段，锚固段可由一个或连续设置的多个端勾组成，每个端勾由一个圆弧段和一个直线段组成，其中：主体部分为中间圆弧段1，当在端部设置锚固段时，中间圆弧段1的两端分别弯曲形成两个相同小圆弧段2，小圆弧段2的另一端连接直线段3，形成端勾。
优先地，所述制备弧形状钢纤维采用材质为抗拉强度不低于600MPa的钢丝，钢丝直径为0.15mm～2.00mm，钢丝长度为20.00mm～150.00mm，长径比为30～350。
优先地，所述主体圆弧段1趋向为半圆形状，圆心为O点，圆心到纤维两端点的弧度θ变化范围为5π/6～4π/3。当不设置锚固段时，整体仅有主体圆弧段1组成。当设置锚固段时，两端设置一个或连续多个端勾，端勾由小圆弧段(2)和直线段3组成。
基于上述的弧形状钢纤维，本发明还提出了一种渗浇纤维混凝土，在混凝土中包括上述的弧形状钢纤维。
基于上述的渗浇纤维混凝土，本发明还提出了一种渗浇纤维混凝土的制备方法，包括如下步骤，
1)将弧形状钢纤维铺满整个模具，使多个弧形状钢纤维之间形成勾连；
2)在模具内注入水泥净浆(或砂浆)渗浇而成渗浇纤维混凝土。
此外，针对上述的弧形状钢纤维，本发明还提出了一种弧形状钢纤维的制作模具，包括：用于对待制备线材进行拉直的工作平台机构和用于接收工作平台输入的待制备线材进行冲压成型的平板机构。
优先地，所述工作平台机构上面顺次安装有第一导向座、校直滚轮、第二导向座、送给滚轮、第一轴承、第二轴承，其中：送给滚轮的下端连接有第二电机；
所述平板机构上顺次安装有第一卡座、第二卡座、卡槽和切断模具；
送线管起始段安装在第一轴承上，并延伸通过第二轴承、第一卡座、第二卡座之后到达卡槽的前方；其中：第一轴承和第二轴承之间安装有第一电机，第一电机的输出轴上安装有主动齿轮，所述送线管上安装有与主动齿轮啮合的被动齿轮；
所述切断模具包括安装在平板机构上的挂板结构，电动推杆安装在挂板结构上，所述电动推杆的活塞上安装有下模，卡槽的右侧安装有与下模相配合的上模，其中：上模的左边设有切断槽；下模上安装有插入切断槽的切刀。
基于上述制作模具，本发明还提出一种弧形状钢纤维的方法，包括如下步骤，
1)穿线：选取待制备线材钢丝，将线材的一端穿过第一导向座中的通道，进入到两排校直滚轮之间进行线材捋直，然后再穿过第二导向座中的通道，随后进入一对送给滚轮之间，最后将线材穿进送线管中；
2)启动电动推杆使下模下降一段距离，启动第二电机，驱动送给滚轮将线材往前输送指定距离，利用卡槽，将穿过的线材固定牢固；
3)待线材进入切断模具后，启动电动推杆将下模向上顶出，使得下模与上模成型槽完全贴合，冲压使得弧形状纤维成型，利用切刀将线材在切断槽中快速切断，完成冲压切断后，下降施力杆12至原来位置，进行卸料，重复以上步骤，完成弧形状钢纤维制备。
本发明在工程实际中有广泛应用前景，具有如下优点：
1.本发明是提前被铺满整个模具，然后通过水泥净浆(或砂浆)渗浇而成，由于其主体是弧形状，在基体之中纤维与纤维之间相互勾连，而因相互勾连产生的“咬合力”理论上远大于传统端勾钢纤维间因端部“联锁”效应产生的机械咬合力，使得本发明从SIFCON中的拔出变得更加困难，纤维间的相互勾连有助于荷载传递更远，让更大体积SIFCON参与受力。
2.本发明属于“二维”尺寸钢纤维，在基体中可以呈现出“准三维”分布状态，在各个方向均有很好的粘接效果。
3.本发明属于“二维”尺寸钢纤维，相比较于“一维”尺寸钢纤维对裂缝面仅有的“一次桥联”，“二维”尺寸钢纤维潜在可以实现对裂缝面的“两次桥联”，如图4所示，纤维对裂缝的桥联效率得以增强。
4.相比于传统端勾纤维等“一维”尺寸钢纤维需要三根或以上纤维方能形成封闭空间控制裂缝扩展。具有“二维”尺寸特征的本发明仅需要两根纤维便可以形成封闭区域——本发明可以更及时地桥联裂缝，控制裂缝的发展。
附图说明
图1为弧形状钢纤维结构示意图；
图2为弧形状钢纤维尺寸图；
图3为弧形状钢纤维间的勾连效应示意图；
图4为弧形状钢纤维对裂缝面的“两次桥联”示意图；
图5为弧形状钢纤维制作模具的主视结构示意图；
图6为弧形状钢纤维制作模具的俯视结构示意图；
图7为弧形状钢纤维制作模具冲压切断详图；
图8为普通端勾钢纤维SIFCON轴压性能试验结果；
图9为弧形状钢纤维SIFCON轴压性能试验结果。
具体实施方式
如图1和图2所示，弧形状钢纤维采用的是钢丝材质，钢丝的抗拉强度不低于600MPa，钢丝直径为0.15mm～2.00mm，钢丝长度为20.00mm～150.00mm，长径比为30～350。
整体仅有主体圆弧段1组成，不设置有锚固段；或为改善纤维和基体间的锚固，可在纤维两端设置锚固段，锚固段可由一个或连续设置的多个端勾组成，每个端勾由一个圆弧段和一个直线段组成，且下述尺寸和结构为优选，其中：主体部分为中间圆弧段1，主体圆弧段1趋向为半圆形状，即为近似为半圆形状，圆心为O点，圆心到纤维两端点的弧度θ变化范围为5π/6～4π/3。当不设置锚固段时，整体仅有主体圆弧段1组成。
当设置锚固段时，中间圆弧段1的两端分别弯曲形成两个小圆弧段2，小圆弧段2的另一端连接直线段3。
基于上述的弧形状钢纤维，本发明还提出了一种渗浇纤维混凝土，在混凝土中包括上述的弧形状钢纤维。
基于上述的渗浇纤维混凝土，本发明还提出了一种渗浇纤维混凝土的制备方法，包括如下步骤，
1)将弧形状钢纤维铺满整个模具，使多个弧形状钢纤维之间形成勾连；
2)在模具内注入水泥净浆(或砂浆)渗浇而成渗浇纤维混凝土。由于其主体是弧形状，在基体之中纤维与纤维之间相互勾连，请重点参阅图3，而因相互勾连产生的“咬合力”理论上远大于传统端勾钢纤维间因端部“联锁”效应产生的机械咬合力，使得本发明从SIFCON中的拔出变得更加困难，纤维间的相互勾连有助于荷载传递更远，让更大体积SIFCON参与受力
此外，针对上述的弧形状钢纤维，本发明还提出了一种弧形状钢纤维的制作模具，包括：用于对待制备线材进行拉直的工作平台机构16和用于接收工作平台16输入的待制备线材进行冲压成型的平板机构9。
工作平台机构16上面顺次安装有第一导向座、校直滚轮2、第二导向座、送给滚轮3、第一轴承、第二轴承，其中：送给滚轮3的下端连接有第二电机15；送给滚轮3为一对，包括一个主动滚轮和一个从动滚轮，其中主动滚轮由第二电机15驱动，第二电机15安装在工作平台16下面，送给滚轮3的作用是为驱动线材向前运动。第一导向座和第二导向座的结构是相同的，在说明书附图中均为导向座1，第一轴承、第二轴承的结构是相同的，在说明书附图中均为轴承4。导向座中部具有能使线材穿过的轴向通道。
平板机构9上顺次安装有第一卡座、第二卡座、卡槽13和切断模具；平板机构9可以通过支架架起和工作平台机构16处于同一水平位置，也可以将其他方式固定在侧边的墙上与工作平台机构16处于同一水平位置。第一卡座、第二卡座的结构是相同的，在说明书附图中均为卡座8。第一卡座、第二卡座是通过螺栓固定安装在平板机构9上的，第二卡座还设有连接块与卡槽13连接帮助稳定。
送线管7起始段安装在第一轴承上，并延伸通过第二轴承、第一卡座、第二卡座之后到达卡槽13的前方；其中：第一轴承和第二轴承之间安装有第一电机5，第一电机5的输出轴上安装有主动齿轮6，所述送线管7上安装有与主动齿轮6啮合的被动齿轮；第一电机5驱动主动齿轮6运动带动被动齿轮运动，带着送线管7旋转，送线管7旋转是为制作三维钢纤维时所使用，本申请不做多余赘述。
切断模具包括安装在平板机构9上的挂板结构121，挂板结构121可以通过螺栓固定在平板机构9上。电动推杆14安装在挂板结构121上，所述电动推杆14的活塞上安装有下模12，卡槽13的右侧安装有与下模12相配合的上模，上模与连接块的连接模式也是通过螺栓连接固定，其中：上模的左边设有切断槽10；下模12上安装有插入切断槽10的切刀11。电动推杆14的来回运动的频率通过实际生产需要设定。
基于上述制作模具，本发明还提出一种弧形状钢纤维的制备方法，包括如下步骤，
1)穿线：选取待制备线材钢丝，将线材的一端穿过第一导向座中的通道，进入到两排校直滚轮2之间进行线材捋直，然后再穿过第二导向座中的通道，随后进入一对送给滚轮3之间，最后将线材穿进送线管7中；
2)启动电动推杆14使下模12下降一段距离，启动第二电机15，驱动送给滚轮3将线材往前输送指定距离，线材穿过送线管7后，利用卡槽13，将穿过的线材固定牢固；一对送给滚轮3均连接有第二电机15驱动旋转使线材前进
3)待线材进入切断模具后，启动电动推杆14将下模12向上顶出，使得下模12与上模成型槽完全贴合，冲压使得弧形状纤维成型，利用切刀11将线材在切断槽10中快速切断，完成冲压切断后，下降施力杆12至原来位置，进行卸料，重复以上步骤，完成弧形状钢纤维制备。
前端纤维的切断模具形状提前加工成型，和本申请所需要的弧形状钢纤维的尺寸数据要相匹配。
实施例1：
采用名义抗拉强度为1100MPa，直径为0.55mm且长度为44.00mm的钢丝，将其按照上述步骤进行制备，设置锚固段，其中圆弧段1的半径R1为10.00mm，小圆弧段2的半径R2为4.50mm，直线段3的长度L2为2.48mm，圆心0点到纤维两端点的弧度θ为5π/4，纤维两端之间的直线距离L1为25.53mm，钢纤维长径比为80。
实施例2：
采用名义抗拉强度为600MPa，直径为0.50mm且长度为31.00mm的钢丝，将其按照上述步骤进行制备，设置锚固段，其中圆弧段1的半径R1为7.00mm，小圆弧段2的半径R2为2.55mm，直线段3的长度L2为2.15mm，圆心0点到纤维两端点的弧度θ为4π/3，纤维两端之间的直线距离L1为15.21mm，钢纤维长径比为62。
实施例3：
采用名义抗拉强度为1100MPa，直径为0.20mm且长度为21.00mm的钢丝，将其按照上述步骤进行制备，不设置锚固段，其中圆弧段1的半径R1为7.60mm，圆心0点到纤维两端点的弧度θ为5π/6，纤维两端之间的直线距离L1为14.84mm，钢纤维长径比为105。
实施例4：
采用名义抗拉强度为2000MPa，直径为0.20mm且长度为34.00mm的钢丝，将其按照上述步骤进行制备，设置锚固段，其中圆弧段1的半径R1为8.00mm，小圆弧段2的半径R2为2.36mm，直线段3的长度L2为1.87mm，圆心0点到纤维两端点的弧度θ为11π/9，纤维两端之间的直线距离L1为19.98mm，钢纤维长径比为170。
将实施例1与掺加普通端勾钢纤维的基准样本进行对比混凝土力学性能的差异，得出以下结论：
表1混凝土配合比列表：
将上述混凝土制备完好后，放入标注养护箱养护28天后，利用电液伺服万能试验机进行轴压性能测试。
测试结果发现，在纤维材质、纤维长细比、基体配比都一样的情况下，使用弧形状钢纤维替代普通端勾钢纤维，对应SIFCON的抗压强度提高了83％，峰值应力对应的压应变提高了45％，具体如图8、图9所示，混凝土的轴压性能得到了大幅提升。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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