三维钢纤维、制造模具及方法及应用三维钢纤维的混凝土

1.本发明涉及渗浇纤维混凝土技术，具体涉及一种三维钢纤维、制造模具及方法及应用三维钢纤维的混凝土。


背景技术：

2.渗浇纤维混凝土(slurry infiltrated fiber concrete，简称sifcon)是一种特殊类型的纤维增强混凝土，具有独立的纤维基体，赋予复合材料基体重要的拉伸性能，并且由于其高纤维含量，还具有独特的延展性和能量吸收性能。尽管sifcon因为需要大量的钢纤维，导致其成本很高，但它在世界各地得到了更广泛的应用，尤其是在爆炸和冲击结构中。一般来说，传统的纤维增强混凝土包含1～2％体积的纤维，如果超过2％体积的纤维可能会导致纤维结团，反而降低了材料的性能，而sifcon可以做到包含4～20％体积的纤维，因为sifcon的基质是一种不同于纤维增强混凝土中使用的骨料混凝土水泥浆或流动砂浆，它的生产也不同于纤维增强混凝土，纤维增强混凝土是通过向新拌混凝土中添加纤维来生产，而sifcon是通过将水泥浆渗透预先放置并紧密填充在模具中的钢纤维来生产。传统钢纤维通常有端钩型、平直型和波浪型等，这些纤维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，其中“联锁”效应被认为是sifcon获得优异性能的主因。
3.现有不同钢纤维类型因为在某个方向的尺寸远大于其他方向，属于“一维”尺寸纤维，需要通过特定的投料工艺才能起到更好的“桥联”作用，且在模具里的分布仅是呈现二维分布，在第三个方向上并不能有效抵抗弹性冲击波的作用，在防护等工程中一定程度上并未充分发挥出sifcon的优点。其次虽然如今有一些三维钢纤维，但其并未应用在sifcon上面，仅在钢纤维混凝土有所应用，但这也产生了另一个问题，钢纤维混凝土在搅拌的过程中会破坏三维钢纤维的形态，不能发挥三维钢纤维的优势，因此对于三维钢纤维的利用和研发并不多，在一定程度上也限制了sifcon的发展。
4.中国专利cn201420291784.3公开了一种三维钢纤维，其将钢纤维进行多次弯折，仅弯折后第二段和第一段不在同一平面内，其端勾是为了增加端部锚固，但由于其平直段的长度占钢纤维总长的2/3，使得纤维在其他方向的投影长度远远小于平直段的投影长度，纤维之间的桥联效果有限。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三维钢纤维、制造模具及方法及应用三维钢纤维的混凝土。发明是针对现有钢纤维在抵抗弹性冲击波性能以及纤维搅拌过程破坏形态的不足之处，在材料参数和长细比不变的情况下，制备一种具有“三维”尺寸特征的钢纤维，该钢纤维可以在模具里以任意的投料工艺产生理想的三维分布，起到更好的桥联作用，在每个方向上均可以抵抗弹性冲击波作用，同时也避免了因搅拌而破坏纤维形态，大幅度提高sifcon的力学性能。
6.本发明提供了如下的技术方案：
7.所述三维钢纤维由多个圆弧段和直线段组成，直线段1在x轴方向上，直线段2在y轴方向上，直线段3在z轴方向上；直线段1与直线段2通过圆弧段4相连，直线段1与直线段3通过圆弧段6相连，组成主体部分；
8.纤维两端不设置有锚固段；或纤维两端设置有锚固段；
9.其中：所述锚固段可由一个或多个连续设置的端勾组成，每个端勾由一个大圆弧段和一个直线段组成，其中：大圆弧段5由两个反方向小圆弧弯曲形成，大圆弧段5的另一端与直线段7相连，组成端勾；大圆弧段8由两个反方向小圆弧弯曲形成，大圆弧段8的另一端与直线段9相连，组成端勾。
10.优先地，所述制备三维钢纤维采用抗拉强度不低于600mpa的钢丝，钢丝直径为0.15mm～2.0mm，钢丝长度为30.0mm～200.0mm，且长径比为40～450。
11.优先地，所述三维钢纤维在x、y、z三个方向上的投影长度比例为1.0:0.5:0.5～1.0:1.5:1.5。
12.优先地，所述圆弧段4和圆弧段6的角度为π/4～π/2；所述大圆弧段5和大圆弧段8的两个小圆弧的角度为π/6～π/3。
13.基于上述三维钢纤维，本发明还提出了一种渗浇纤维混凝土，渗浇纤维混凝土包含了上述结构的三维钢纤维。
14.基于上述的三维钢纤维结构，本发明还提出了三维钢纤维的制作模具，其特征在于，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折弯成型的平板机构。
15.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；
16.所述平板机构上顺次安装有第一卡座、第二卡座、折弯用施力杆和折弯用主动齿轮；所述折弯用主动齿轮通过布设在平板机构下方的第三电机驱动旋转，所述平板机构上还安装有与折弯用主动齿轮啮合的折弯用从动齿轮；
17.所述折弯用从动齿轮的一侧安装有挂板结构，所述挂板结构上安装有施力杆安装通道，电动推杆安装在施力杆安装通道下方；所述施力杆安装通道穿过折弯用从动齿轮，其内部安装有与电动推杆连接的折弯用施力杆；
18.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、第二卡座之后到达折弯用施力杆的前方；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；第一卡座、第二卡座的上部夹装住送线管。
19.基于上述制作模具，本发明还提出了一种制作三维钢纤维的方法，包括如下步骤，
20.1)穿线：选取待制备线材直钢丝，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；
21.2)启动电动推杆使折弯用施力杆下降一段距离，并启动第三电机带动折弯用主动齿轮旋转驱动折弯用从动齿轮向一侧转动，以使折弯用施力杆不在送线管末端正前方位置；此步操作的目的：不妨碍线材从送线管末端穿出；
22.3)启动第二电机，驱动送给滚轮将线材往前输送一段距离；
23.4)启动电动推杆将折弯用施力杆向上顶出，然后启动第三电机驱动折弯用从动齿轮转动设定的角度，折弯用从动齿轮的转动会同时带动折弯用施力杆转动，折弯用施力杆在转动过程中会推抵线材，使线材弯折设定的角度，重复第三步和第四步，能将线材在水平面内进行各种角度的弯折，此时，水平内的各角度折弯完成；
24.5)启动第一电机，驱动主动齿轮转动，即带动送线管旋转，使平板机构、折弯用主动齿轮、折弯用从动齿轮、折弯用施力杆、电动推杆进行翻转，但是线材是不发生翻转的，故能将线材在其他非水平面内进行弯折，从而形成三维线材；
25.6)在以上工作过程中，每完成一次弯折均需将折弯用施力杆进行下降复位，以免影响线材从送线管输出。
26.本发明由于采用了上述结构的设计，具有如下有益效果：
27.1.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，纤维本身并不被搅拌，相比较于普通钢纤维混凝土，避免了因搅拌而产生形状改变。
28.2.本发明是“三维”尺寸钢纤维，无论以怎样的投料工艺，均可以有效地在模具里形成三维分布，由此制成的sifcon无论在哪个方向进行拉伸或者压缩，都可以起到很好的抵抗作用，明显提高与基体的粘结强度，大幅度提升其力学性能和抵抗弹性冲击波能力。
29.3.本发明属于“三维”尺寸钢纤维，相比较于现有钢纤维仅在某个方向有较好的桥联效果，“三维”尺寸钢纤维可以在各个方向均实现良好的桥联，利用纤维间的桥联控制裂缝的开展，减少了混凝土开裂风险。
附图说明
30.图1为三维钢纤维结构示意图；
31.图2为三维钢纤维尺寸图；
32.图3为三维钢纤维折弯装置主视结构示意图；
33.图4为三维钢纤维折弯装置俯视结构示意图；
34.图5为普通端勾钢纤维sifcon轴压性能结果；
35.图6为三维钢纤维sifcon不同方向抵抗压缩性能结果。
具体实施方式
36.如图1所示，三维钢纤维，所述三维钢纤维由多个圆弧段和直线段组成，直线段1在x轴方向上，直线段2在y轴方向上，直线段3在z轴方向上；直线段1与直线段2通过圆弧段4相连，直线段1与直线段3通过圆弧段6相连，组成主体部分，不设置有锚固段；或主体部分不变，为改善纤维和基体间的锚固，可在纤维两端设置锚固段，锚固段可由一个或多个连续设置的端勾组成，每个端勾由一个大圆弧段和一个直线段组成，其中：大圆弧段5由两个反方向小圆弧弯曲形成，大圆弧段5的另一端与直线段7相连，组成端勾；大圆弧段8由两个反方向小圆弧弯曲形成，大圆弧段8的另一端与直线段9相连，组成端勾。三维钢纤维在x、y、z三个方向上的投影长度比例为1.0:0.5:0.5～1.0:1.5:1.5。
37.本技术制备三维钢纤维采用抗拉强度不低于600mpa的钢丝，钢丝直径为0.15mm～2.0mm，钢丝长度为30.0mm～200.0mm，且长径比为40～450。
38.圆弧段4和圆弧段6的角度为π/4～π/2；所述大圆弧段5和大圆弧段8的两个小圆弧的角度为π/6～π/3。
39.基于上述三维钢纤维，本发明还提出了一种渗浇纤维混凝土，渗浇纤维混凝土包含了上述结构的三维钢纤维。
40.基于上述的三维钢纤维结构，本发明还提出了三维钢纤维的制作模具，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折弯成型的平板机构9。
41.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；第一导向座和第二导向座结构相同均为导向座1，导向座1中部具有能使线材穿过的轴向通道。校直滚轮2是能在水平面内转动地设置在工作平台机构16上的，校直滚轮2设置两排，用于捋直线材。送给滚轮3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用于将线材往前输送。轴承4设置两个，为第一轴承和第二轴承，两个轴承通过各自的轴承座安装在工作平台机构16上，送线管7的左端与两个轴承4的内圈过盈连接。
42.平板机构9上顺次安装有第一卡座、第二卡座、折弯用施力杆13和折弯用主动齿轮11；所述折弯用主动齿轮11通过布设在平板机构9下方的第三电机10驱动旋转，所述平板机构9上还安装有与折弯用主动齿轮11啮合的折弯用从动齿轮12；
43.所述折弯用从动齿轮12的一侧安装有挂板结构121，所述挂板结构121上安装有施力杆安装通道，电动推杆14安装在施力杆安装通道下方；所述施力杆安装通道穿过折弯用从动齿轮12，其内部安装有与电动推杆14连接的折弯用施力杆13；
44.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、第二卡座之后到达折弯用施力杆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；第一卡座、第二卡座的上部夹装住送线管7。第一电机5通过主动齿轮6驱动被动齿轮旋转从而驱动送线管7绕其轴线转动。
45.基于上述制作模具，本发明还提出了一种制作三维钢纤维的方法，包括如下步骤，
46.1)穿线：选取待制备线材直钢丝，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；
47.2)启动电动推杆14使折弯用施力杆13下降一段距离，并启动第三电机10带动折弯用主动齿轮11旋转驱动折弯用从动齿轮12向一侧转动，以使折弯用施力杆13不在送线管7末端正前方位置；此步操作的目的：不妨碍线材从送线管7末端穿出；
48.3)启动第二电机15，驱动送给滚轮3将线材往前输送一段距离；
49.4)启动电动推杆14将折弯用施力杆13向上顶出，然后启动第三电机10驱动折弯用从动齿轮12转动设定的角度，折弯用从动齿轮12的转动会同时带动折弯用施力杆13转动，折弯用施力杆13在转动过程中会推抵线材，使线材弯折设定的角度，重复第三步和第四步，能将线材在水平面内进行各种角度的弯折，此时，水平内的各角度折弯完成；
50.5)启动第一电机5，驱动主动齿轮6转动，即带动送线管7旋转，使平板机构9、折弯
用主动齿轮11、折弯用从动齿轮12、折弯用施力杆13、电动推杆14进行翻转，但是线材是不发生翻转的，故能将线材在其他非水平面内进行弯折，从而形成三维线材；
51.6)在以上工作过程中，每完成一次弯折均需将折弯用施力杆13进行下降复位，以免影响线材从送线管7输出。
52.通过上述方法制作本技术的三维钢纤维，步骤如下，
53.s1:采用直径为d且长度为l的直钢丝，选取待制备线材直钢丝，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；
54.s2：启动电动推杆14使折弯用施力杆13下降一段距离，并启动第三电机10带动折弯用主动齿轮11旋转驱动折弯用从动齿轮12向一侧转动，以使折弯用施力杆13不在送线管7末端正前方位置；此步操作的目的：不妨碍线材从送线管7末端穿出；
55.s3：启动第二电机15，驱动送给滚轮3将线材往前输送一段距离；
56.s4：启动电动推杆14将折弯用施力杆13向上顶出，然后启动第三电机10驱动折弯用从动齿轮12逆时针转动角度θ4，折弯用从动齿轮12的转动同时带动折弯用施力杆13转动，折弯用施力杆13在转动过程中会推抵线材，将线材折弯形成半径为r3，然后继续输送线材，重复上述步骤将线材顺时针折弯角度θ3，半径为r2，形成锚固段；
57.s6:继续输送线材长度l2，形成直线段2,重复上述步骤利用折弯用从动齿轮12和折弯用施力杆13将线材顺时针折弯角度θ1，且折弯半径为r1；继续输送线材长度l1，形成直线段1；
58.s7：启动第一电机5，驱动主动齿轮6转动，使平板机构9、折弯用主动齿轮11、折弯用从动齿轮12、折弯用施力杆13、电动推杆14进行翻转，但是线材不发生翻转；
59.s8：重复前面折弯步骤s6和s7利用折弯用从动齿轮12和折弯用施力杆13将线材顺时针折弯角度θ2，且折弯半径为r4；在该方向上继续输送线材长度l3，形成直线段3，重复前面折弯步骤利用折弯用从动齿轮12和折弯用施力杆13将线材顺时针折弯角度θ5，且折弯半径为r5，然后继续输送线材，将线材逆时针折弯角度θ6，半径为r6，最后继续输送线材长度l4，形成锚固段；
60.s9:完成所有步骤后,将线材剪断，即形成三维钢纤维。在以上工作过程中，每完成一次弯折均需将折弯用施力杆13进行下降复位，以免影响线材从送线管7输出。
61.本技术的电机为程序控制电机或其他方式控制的电机。
62.通过上述方法加工了4种材料，具体如下：
63.实施例1
64.采用名义抗拉强度不低于1100mpa，直径为0.55mm且长度为44mm的钢丝，将其按照上述步骤进行制备，其中直线段1的长度l1为12.0mm，直线段2的长度l2为6.0mm，直线段3的长度l3为6.0mm，圆弧段4和6的半径r1和r4为4.0mm，角度θ1和θ2为π/2，大圆弧段5的两个反方向小圆弧的半径r2和r3为2.0mm，角度θ3和θ4为π/4，大圆弧段8的两个反方向小圆弧的半径r5和r6为2.0mm，角度θ5和θ6为π/4，两个直线段7和9的长度l4为2.0mm，钢纤维长径比为80。
65.实施例2
66.采用名义抗拉强度不低于1100mpa，直径为0.55mm且长度为44mm的钢丝，将其按照
上述步骤进行制备，其中直线段1的长度l1为9.0mm，直线段2的长度l2为9.0mm，直线段3的长度l3为9.0mm，圆弧段4和6的半径r1和r4为2.5mm，角度θ1和θ2为π/2，大圆弧段5的两个反方向小圆弧的半径r2和r3为2.0mm，角度θ3和θ4为π/4，大圆弧段8的两个反方向小圆弧的半径r5和r6为2.0mm，角度θ5和θ6为π/4，两个直线段7和9的长度l4为1.5mm，钢纤维长径比为80。
67.实施例3
68.采用名义抗拉强度不低于1100mpa，直径为0.55mm且长度为36mm的钢丝，将其按照上述步骤进行制备，其中直线段1的长度l1为7.0mm，直线段2的长度l2为7.0mm，直线段3的长度l3为7.0mm，圆弧段4和6的半径r1和r4为2.0mm，角度θ1和θ2为π/2，大圆弧段5的两个反方向小圆弧的半径r2和r3分别为2.0mm、1.5mm，角度θ3和θ4为π/4，大圆弧段8的两个反方向小圆弧的半径r5和r6分别为2.0mm、1.5mm，角度θ5和θ6为π/4，两个直线段7和9的长度l4为1.5mm，钢纤维长径比为65。
69.实施例4
70.采用名义抗拉强度不低于2000mpa，直径为0.20mm且长度为36mm的钢丝，将其按照上述步骤进行制备，其中直线段1的长度l1为10.0mm，直线段2的长度l2为5.0mm，直线段3的长度l3为5.0mm，圆弧段4和6的半径r1和r4为2.5mm，角度θ1和θ2为π/2，大圆弧段5的两个反方向小圆弧的半径r2和r3分别为2.0mm、1.5mm，角度θ3和θ4为π/4，大圆弧段8的两个反方向小圆弧的半径r5和r6分别为2.0mm、1.5mm，角度θ5和θ6为π/4，两个直线段7和9的长度l4为1.5mm，钢纤维长径比为180。
71.将实施例2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：
72.表1混凝土配合比列表：
[0073][0074][0075]
将上述混凝土制备完好后，放入标准养护箱养护28天后，利用电液伺服万能试验机进行轴压性能测试。
[0076]
测试结果发现，使用三维钢纤维制备的sifcon，相比较于普通端勾钢纤维，对应sifcon的抗压强度提高了60％，峰值应力对应的压应变提高了50％，混凝土性能得到了大幅提升，且纤维垂直于加载方向排列与纤维平行于加载方向排列相比，抗压强度差值在5％之内，峰值应力对应的压应变差值在3％以内，每个方向均可起到有效地抵抗压缩作用，具体如图5、图6所示。
[0077]
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。