一種螺旋纖維制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種螺旋纖維，所述纖維的中心線在三維空間中的幾何結(jié)構(gòu)為：

A helical fiber

The invention discloses a spiral fiber, wherein the central line of the fiber is in the three-dimensional space:

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種螺旋纖維
本專利技術(shù)涉及一種纖維材料，特別涉及一種螺旋纖維。
技術(shù)介紹
利用架橋機(jī)制(纖維在裂縫上架橋以及將張應(yīng)力轉(zhuǎn)移到開裂截面的能力)將不連續(xù)的短纖維隨意摻入混凝土中，得到的復(fù)合材料是纖維增強(qiáng)混凝土，將短纖維摻入混凝土中可提升混凝土的材料性能。在出現(xiàn)微裂縫時(shí)，纖維可以避免裂縫擴(kuò)大，增加混凝土的極限強(qiáng)度。若纖維和填縫材料的綜合性能良好，可以控制微裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，推遲宏裂隙的形成從而增加混凝土的斷裂后韌性和延性。這樣就能通過減小裂縫的寬度和間距達(dá)到控制混凝土的裂縫的目的。減小裂縫寬度能夠降低化學(xué)物質(zhì)和水對結(jié)構(gòu)的不利影響，從而提升結(jié)構(gòu)的長期使用性能。纖維的這種性能可以用來提升鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐用性和適用性，保持原設(shè)計(jì)的使用年限。大量研究發(fā)現(xiàn)纖維(包括鋼制品和合成制品)可以作為二次鋼筋的替代品，如防縮鋼筋和溫度鋼筋。研究表明，加入鋼纖維后不僅可以降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中箍筋的使用數(shù)量，還能減少橫剪切力鋼筋的使用，同時(shí)提升結(jié)構(gòu)的整體延性，控制裂縫擴(kuò)大。但由于商業(yè)化纖維的效益成本比率，纖維增強(qiáng)混凝土未能在大型結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。市場上的大多數(shù)纖維，如端鉤纖維和卷曲鋼纖維以及聚丙烯纖維的實(shí)際用量不能顯示出其有利的結(jié)構(gòu)性能，而具有較好結(jié)構(gòu)性能纖維的價(jià)格又較高，如合股纖維，同時(shí)在混凝土合成組成中的比例又有嚴(yán)格要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種具有螺旋結(jié)構(gòu)的纖維，其用于水泥或塑料等基質(zhì)結(jié)構(gòu)中，可提高材料性能。基于上述問題，本專利技術(shù)提供的技術(shù)方案是：一種螺旋纖維，所述纖維的中心線在三維空間中的幾何結(jié)構(gòu)為：其中，x、y和z分別代表螺旋的任一點(diǎn)在三維空間中的坐標(biāo)，分別是A域中t的函數(shù)。在其中的一些實(shí)施方式中，所述纖維的中心線在三維空間中的幾何結(jié)構(gòu)為：其中，D是螺旋纖維的直徑，c是無量綱常數(shù)，2πc等于螺旋相鄰兩圈對應(yīng)點(diǎn)在中徑上的軸向距離。在其中的一些實(shí)施方式中，所述纖維的幾何指數(shù)參數(shù)GI為：其中，N為纖維圓周的數(shù)量，N的范圍為0～40；OD為纖維外徑，OD的范圍為0.2～10mm；WDeq.為單線直徑，WDeq.的范圍為0.1～1.2mm；Lf為纖維長度，Lf的范圍為4～60mm；GI的范圍為0～20。在其中的一些實(shí)施方式中，所述纖維采用包括金屬、玻璃、碳、聚丙烯腈、聚丙烯、聚乙烯、聚烯烴或聚乙烯醇材料制成。在其中的一些實(shí)施方式中，所述纖維應(yīng)用于水泥或塑料基質(zhì)中。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：采用本專利技術(shù)的技術(shù)方案，該螺旋纖維具有良好的拉拔性能，將其摻入水泥或塑料等基質(zhì)中，可提高材料的性能，增加基質(zhì)的極限強(qiáng)度與韌性。附圖說明為了更清楚地說明本專利技術(shù)實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術(shù)的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本專利技術(shù)一種螺旋纖維的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例中萬能測試機(jī)中夾持裝置的投影結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例中萬能測試機(jī)中夾持裝置的實(shí)體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本專利技術(shù)實(shí)施例中螺旋纖維的拉拔性能曲線圖；圖5為本專利技術(shù)實(shí)施例中彎曲實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本專利技術(shù)實(shí)施例中采用螺旋纖維與市場現(xiàn)有纖維的混凝土塊的抗彎性能對比圖；圖7為本專利技術(shù)實(shí)施例中臨界撓度測試裝置的示意圖；圖8(a)、8(b)為本專利技術(shù)實(shí)施例中橫梁的臨界剪切力性能曲線圖；圖9為本專利技術(shù)實(shí)施例中橫梁的臨界撓度性能曲線圖；其中，1、10、混凝土塊；2、螺旋纖維；3、塑料分離裝置；4、鋼棒；5、拉拔測試螺絲鉗；6、11、滾動(dòng)支座；7、12、加載輥；8、支架；9、14、線性位移傳感器；13、橫梁；15、錨筋；16、抗拉鋼筋。具體實(shí)施方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對上述方案做進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例是用于說明本專利技術(shù)而不限于限制本專利技術(shù)的范圍。實(shí)施例中采用的實(shí)施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進(jìn)一步調(diào)整，未注明的實(shí)施條件通常為常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的條件。本專利技術(shù)提供一種螺旋纖維，用于摻入混凝土或塑料等基質(zhì)中以提高材料的性能，纖維的中心線在三維空間中的幾何結(jié)構(gòu)滿足式(1)：其中，x、y和z分別代表螺旋的任一點(diǎn)在三維空間中的坐標(biāo)，分別是A域中t的函數(shù)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，螺旋纖維為勻速圓周螺旋線，其結(jié)構(gòu)在三維空間中滿足式(2)：其中，D是螺旋纖維的直徑，c是無量綱常數(shù)，2πc等于螺旋相鄰兩圈對應(yīng)點(diǎn)在中徑上的軸向距離。參見圖1，為一種螺旋纖維的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中N為纖維圓周的數(shù)量，OD為纖維外徑，WDeq.為單線直徑，Lf為纖維長度。對于圓柱形和棱柱形的線材，WDeq可通過式(3)來計(jì)算：其中，Awire為線材的橫截面積。螺旋纖維的幾何參數(shù)可根據(jù)(4)、(5)來計(jì)算：OD＝D+WDeq.(5)纖維的幾何指數(shù)參數(shù)GI為：其中，N為纖維圓周的數(shù)量，OD為纖維外徑，WDeq.為等效單線直徑，Lf為纖維長度；優(yōu)選的N的范圍為0～40，OD的范圍為0.2～10mm，WDeq.的范圍為0.1～1.2mm，Lf的范圍為4～60mm，GI的范圍為0～20。為了測試螺旋纖維的拉拔性能，利用萬能測試機(jī)在纖維的兩端進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)，參見圖2-3，螺旋纖維2在兩個(gè)尺寸為65毫米×65毫米×100毫米的單獨(dú)混凝土塊1中澆鑄而成，在澆鑄混凝土塊1時(shí)，每塊混凝土塊1中放置內(nèi)徑為16毫米的鋼管，配合后置鋼棒4，以將樣本緊緊夾住。首先，在一個(gè)混凝土塊1樣本部件中插入螺旋纖維2，讓其固化24小時(shí)；在混凝土塊1變硬后，在其頂部放置一個(gè)塑料分離裝置3，然后澆鑄另一個(gè)混凝土塊1樣本；澆鑄后固化28天。將混凝土塊1夾持在拉拔測試螺絲鉗5中，用位移控制法以0.6毫米/分鐘的速度進(jìn)行纖維拉拔過程。制備混凝土圓柱體(直徑為150毫米，高度為300毫米)，混凝土圓柱體的目標(biāo)強(qiáng)度(fck)為35MPa。表1列出了每立方米混合材料的干組成。用位移控制抗壓試驗(yàn)機(jī)在純混凝土圓柱樣本上進(jìn)行抗壓測試。抗壓試驗(yàn)程序遵守BSEN12390-3(2009)標(biāo)準(zhǔn)，混凝土的圓柱抗壓強(qiáng)度為36±1.2MPa，坍落26毫米。表1混凝土組分配比參見圖4，為不同結(jié)構(gòu)螺旋纖維的拉拔性能曲線圖，不同結(jié)構(gòu)的螺旋纖維通過“SD-N-OD-WDeq-Lf”進(jìn)行標(biāo)識(shí)，說明纖維的結(jié)構(gòu)為螺旋、圓周數(shù)量N、外徑OD、單線直徑WDeq和長度Lf，從圖4可見，螺旋纖維具有滑移硬化特性。為了測試摻雜螺旋纖維的混凝土塊的抗彎性能，根據(jù)ASTMC1609/C1609M-12(2012)進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，使用閉環(huán)控制萬能試驗(yàn)機(jī)通過位移控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)混凝土塊樣本的尺寸為150毫米x150毫米×550毫米，參見圖5為彎曲實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，包括滾動(dòng)支座6和加載輥7，將混凝土塊10置于滾動(dòng)支座6和加載輥7之間，在混凝土塊10上罩設(shè)一支架8，沿支架8長度方向的兩側(cè)分別設(shè)置線性位移傳感器9以測量混凝土塊10垂直面的中跨撓度，取平均值作為樣本的中跨凈撓度。試驗(yàn)機(jī)設(shè)置為以0.1毫米/分鐘的恒速增加樣本的凈撓度。當(dāng)凈撓度超過0.6毫米時(shí)，加載速度增加到0.3毫米/分鐘，且增速設(shè)置為0.05毫米/分鐘。使用的螺旋纖維(SD-9-1.45-0.4-40)GI＝0.82，鋼制fu＝1500MPa，纖維體積含量(Vf)包括0.2％、0.35％、0.5％，和0.65％，以便檢驗(yàn)螺旋纖維對混凝土抗彎性能的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種螺旋纖維，其特征在于，所述纖維的中心線在三維空間中的幾何結(jié)構(gòu)為：

【技術(shù)特征摘要】
1.一種螺旋纖維，其特征在于，所述纖維的中心線在三維空間中的幾何結(jié)構(gòu)為：其中，x、y和z分別代表螺旋的任一點(diǎn)在三維空間中的坐標(biāo)，分別是A域中t的函數(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種螺旋纖維，其特征在于：所述纖維的中心線在三維空間中的幾何結(jié)構(gòu)為：其中，D是螺旋纖維的直徑，c是無量綱常數(shù)，2πc等于螺旋相鄰兩圈對應(yīng)點(diǎn)在中徑上的軸向距離。3.根據(jù)權(quán)利要求2所...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：程志翔，穆罕默德·哈吉薩德黑，
申請(專利權(quán))人：西交利物浦大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32