專利名稱：纖維增強(qiáng)材料,由其制造的產(chǎn)品,和制造它們的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及增強(qiáng)材料，更特別地，涉及用于為建筑材料提供結(jié)構(gòu)和裂縫控制增強(qiáng)的合成纖維材料。
背景技術(shù)：
描述
眾所周知，向建筑材料如膠結(jié)材料(cementitious material)、磚、瀝青等中加入增強(qiáng)組分能提高材料地結(jié)構(gòu)完整性和降低開(kāi)裂的可能性。當(dāng)被摻入到膠結(jié)材料如混凝土中時(shí)，例如，加入增強(qiáng)組分以降低兩種主要結(jié)構(gòu)缺陷1)低抗拉強(qiáng)度；和2)低斷裂應(yīng)變的影響?；炷恋目估瓘?qiáng)度較低，因?yàn)榛炷猎诒恍纬蓵r(shí)通常包含大量微裂縫。正是這些微裂縫在施加應(yīng)力下的快速擴(kuò)散造成材料的低抗拉強(qiáng)度。由于混凝土的廣泛使用和適用性，因此已進(jìn)行了大量研究減少其不足的結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響。
被加入到膠結(jié)材料的典型增強(qiáng)材料包括例如各種規(guī)格的金屬絲網(wǎng)或增強(qiáng)纖維。能為建筑材料提供強(qiáng)度特性的各種增強(qiáng)纖維添加劑在本領(lǐng)域中是已知的。典型的增強(qiáng)纖維包括石棉纖維、玻璃纖維、鋼纖維、礦物纖維和纖維素纖維。一些增強(qiáng)纖維比其它一些更適于特殊應(yīng)用。例如，已知石棉纖維提供有效的增強(qiáng)，但由于環(huán)境和健康關(guān)注，未被廣泛使用。另外，玻璃纖維和鋼纖維相對(duì)昂貴，并在膠結(jié)材料中有分解的趨勢(shì)。鋼纖維一般在纖維增強(qiáng)材料的表面處分解，而玻璃纖維由于水泥的堿性而連續(xù)進(jìn)行分解。另外，由于鋼纖維的物理和化學(xué)特性，在整個(gè)混合物中均勻分布鋼纖維有一定困難。此外，鋼纖維存在降低其效力的一些固有物理和操作缺陷。這類缺陷包括例如在噴注混凝土(air placed concrete)應(yīng)用中回彈，和因與鋼纖維接觸而磨損設(shè)備造成的較高設(shè)備成本。
已知混凝土在其被澆注后由于過(guò)量混合水的蒸發(fā)而有收縮的趨勢(shì)。塑性收縮導(dǎo)致在混凝土澆注后即刻形成收縮裂縫，這使其基材變?nèi)?。不象其它纖維材料，合成纖維被認(rèn)為能減少由早期塑性收縮引起的這類開(kāi)裂。例如，用聚烯烴薄膜形成的原纖維化纖維已被成功用于防止或減少開(kāi)裂。拉伸纖維多次，然后沿至少部分橫切于取向方向的線切割。纖維因此被原纖維化。當(dāng)混合在膠結(jié)材料內(nèi)時(shí)，于是它們能提供變形以提高混凝土基材內(nèi)的錨固和粘結(jié)，短纖維分散在整個(gè)混合物中，張開(kāi)形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因此提高了膠結(jié)基材的強(qiáng)度和粘結(jié)特性。
在纖維增強(qiáng)領(lǐng)域，已取得一些進(jìn)展來(lái)提供提高的韌性和耐久性，并減少了建筑材料如混凝土的基材中的開(kāi)裂。但是，現(xiàn)有技術(shù)的增強(qiáng)纖維具有大量削弱或以其它方式限制它們的效力的缺點(diǎn)。因此，需要能為加入它們的建筑材料提供提高的結(jié)構(gòu)性能的改進(jìn)增強(qiáng)纖維。特別是需要這樣的合成增強(qiáng)纖維，即當(dāng)被加入到例如膠結(jié)材料中時(shí)，能提供表現(xiàn)出降低的滲透性、增加的疲勞強(qiáng)度、提高的韌性和減少的塑性收縮的建筑材料。
發(fā)明概述
在一種實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種纖維增強(qiáng)材料，其包括每個(gè)單絲(filament)為約350至約6000但尼爾的多根聚烯烴單絲絞線(strands ofmonofilament)，絞線纏繞(twist)形成纖維束，纏繞程度(degree of twist)大于約0.9匝(turn)/英寸(0.36匝/cm)。
在另一種實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種膠結(jié)材料用增強(qiáng)物，其包括多根聚烯烴單絲，所述多根單絲處于纏繞構(gòu)造，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
本發(fā)明還提供增強(qiáng)的膠結(jié)材料，其包括膠結(jié)體(cementitious mass)和分散在整個(gè)膠結(jié)體內(nèi)的纖維組分。纖維組分是每個(gè)單絲為約350至約6000但尼爾的多根聚烯烴單絲絞線，絞線纏繞形成纖維束，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
本發(fā)明還提供通過(guò)將多根聚烯烴單絲絞線纏繞成纖維束用于混入到膠結(jié)體內(nèi)的膠結(jié)材料用增強(qiáng)材料，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
在另一種實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種用作膠結(jié)材料增強(qiáng)物的合成纖維混合物，其包括第一纖維組分和第二纖維組分。第一纖維組分被原纖維化，并由均聚物材料形成。第二合成纖維組分為與第一纖維組分分離(discrete)的共聚物，并為纏繞形成非互連束的多根單絲，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
在又一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種用作膠結(jié)材料增強(qiáng)物的合成纖維混合物，其包括第一纖維組分和第二纖維組分。第一纖維組分由聚丙烯的均聚物形成，并由處于原纖維化形式的纖維組成。與第一纖維組分分離的第二纖維組分由聚丙烯和高密度聚乙烯的共聚物形成，并由被纏繞的單絲的束組成，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
本發(fā)明還提供用作膠結(jié)材料增強(qiáng)物的合成纖維混合物，其包括第一纖維組分和第二纖維組分。第一纖維組分為原纖維化的，并由均聚物聚丙烯纖維形成。第二纖維組分與第一纖維組分分離，并為聚丙烯和高密度聚乙烯形成的共聚物。第二纖維組分為纏繞形成非互連束的多根單絲，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供用作膠結(jié)材料增強(qiáng)物的合成纖維混合物，其包括第一纖維組分和第二纖維組分。第一纖維組分為原纖維化的，并由均聚物聚丙烯纖維形成。第二纖維組分與第一纖維組分分離，為主要量的聚丙烯和次要量的高密度聚乙烯形成的共聚物，并包括纏繞形成非互連束的多根單絲，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。合成纖維混合物中第一纖維組分的存在量為總重量的約5wt％至約50wt％，而合成纖維混合物中第二纖維組分的存在量為總重量的約50wt％至約95wt％。
在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供增強(qiáng)的膠結(jié)材料，其包括分布在膠結(jié)材料基材內(nèi)的合成纖維混合物，合成纖維混合物包括第一纖維組分和第二纖維組分。第一纖維組分由均聚物聚丙烯纖維形成。第二纖維組分與第一纖維組分分離，為聚丙烯和高密度聚乙烯形成的共聚物，并包括纏繞形成非互連束的多根單絲，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
本發(fā)明還提供形成膠結(jié)材料用增強(qiáng)物的方法。該方法包括將每個(gè)單絲為約350至約6000但尼爾的多根聚烯烴單絲絞線纏繞成纖維束用于混入到膠結(jié)體內(nèi)形成膠結(jié)材料，纏繞進(jìn)行至大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)的程度。
在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供形成增強(qiáng)的膠結(jié)材料的方法。該方法包括向膠結(jié)體中加入纏繞形成纖維束的每個(gè)單絲為約350至約6000但尼爾的多根聚烯烴單絲絞線，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
本發(fā)明還提供形成合成纖維混合物的方法。該方法包括混合第一纖維組分和第二纖維組分。第一纖維組分為原纖維化的，并由均聚物聚丙烯纖維形成。第二纖維組分與第一纖維組分分離，為聚丙烯和高密度聚乙烯形成的共聚物，并被纏繞形成纖維束，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
在又一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供增強(qiáng)材料的方法，包括混合合成纖維混合物和膠結(jié)材料。合成纖維混合物包括第一纖維組分和第二纖維組分。第一纖維組分為原纖維化的，并由均聚物聚丙烯纖維形成。第二纖維組分與第一纖維組分分離，為主要量的聚丙烯和次要量的高密度聚乙烯形成的共聚物，并被纏繞形成纖維束，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
附圖簡(jiǎn)述
通過(guò)參考附圖可更好地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，其中相同的引用數(shù)字代表相同的要素，其中


圖1圖示了以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)包含不同量的本發(fā)明的合成纖維混合物的板中裂縫面積之間的比較；
圖2圖示了以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)包含不同量的本發(fā)明的合成纖維混合物的板中裂縫長(zhǎng)寬比之間的比較；
圖3圖示了以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)包含不同量的本發(fā)明的合成纖維混合物的板中初裂出現(xiàn)時(shí)間之間的比較；
圖4圖示了對(duì)照板和以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)包含不同量的本發(fā)明的合成纖維混合物的板之間裂縫面積的比較；
圖5圖示了以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)包含不同量的本發(fā)明的合成纖維混合物的板中裂縫面積作為對(duì)照物百分?jǐn)?shù)之間的比較；
圖6圖示了以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)包含不同量的本發(fā)明的合成纖維混合物的板中裂縫面積減少的比較；
圖7圖示了以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)包含不同量的本發(fā)明的合成纖維混合物的板中初裂強(qiáng)度(first crack strength)之間的比較；
圖8圖示了以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)包含不同量的本發(fā)明的合成纖維混合物的板中斷裂模量之間的比較；
圖9圖示了以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)包含不同量的本發(fā)明的合成纖維混合物的板中初裂韌度之間的比較；
圖10圖示了以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)具有不同量的本發(fā)明的合成纖維混合物的混凝土板中的韌度指數(shù)對(duì)纖維含量；
圖11圖示了以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)具有不同量的本發(fā)明的合成纖維混合物的混凝土板中的日本韌度指數(shù)對(duì)纖維含量；
圖12圖示了以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)具有不同量的本發(fā)明的合成纖維混合物的混凝土板中的日本抗彎強(qiáng)度對(duì)纖維含量；
圖13圖示了以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)具有不同量的本發(fā)明的合成纖維混合物的混凝土板中的平均殘余強(qiáng)度對(duì)纖維含量；
圖14圖示了以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)具有不同量的本發(fā)明的合成纖維混合物的混凝土板中至初裂和斷裂的沖擊次數(shù)對(duì)纖維含量；
圖15圖示了比較1.0體積％時(shí)的彎曲應(yīng)力對(duì)撓度的平均應(yīng)力-撓度圖16圖示了比較本發(fā)明的合成纖維混合物為1體積％時(shí)的彎曲應(yīng)力對(duì)撓度的應(yīng)力-撓度圖17圖示了比較本發(fā)明的合成纖維混合物為1體積％時(shí)的彎曲應(yīng)力對(duì)撓度的應(yīng)力-撓度圖18圖示了比較本發(fā)明的合成纖維混合物為1體積％時(shí)的彎曲應(yīng)力對(duì)撓度的應(yīng)力-撓度圖19圖示了比較本發(fā)明的合成纖維混合物為1.5體積％時(shí)的彎曲應(yīng)力對(duì)撓度的應(yīng)力-撓度圖20圖示了比較本發(fā)明的合成纖維混合物為1.5體積％時(shí)的彎曲應(yīng)力對(duì)撓度的應(yīng)力-撓度圖21圖示了比較本發(fā)明的合成纖維混合物為1.5體積％時(shí)的彎曲應(yīng)力對(duì)撓度的應(yīng)力-撓度圖22圖示了比較本發(fā)明的合成纖維混合物為1.5體積％時(shí)的彎曲應(yīng)力對(duì)撓度的應(yīng)力-撓度圖23圖示了比較本發(fā)明的合成纖維混合物為1.9體積％時(shí)的彎曲應(yīng)力對(duì)撓度的應(yīng)力-撓度圖24圖示了比較本發(fā)明的合成纖維混合物為1.9體積％時(shí)的彎曲應(yīng)力對(duì)撓度的應(yīng)力-撓度圖25圖示了比較本發(fā)明的合成纖維混合物為1.9體積％時(shí)的彎曲應(yīng)力對(duì)撓度的應(yīng)力-撓度圖26圖示了比較本發(fā)明的合成纖維混合物為1.9體積％時(shí)的彎曲應(yīng)力對(duì)撓度的應(yīng)力-撓度圖27圖示了比較噴漿混凝土板中本發(fā)明的合成纖維混合物為1.0體積％時(shí)負(fù)荷對(duì)中心撓度的負(fù)荷撓度曲線；
圖28圖示了比較噴漿混凝土板中本發(fā)明的合成纖維混合物為1.5體積％時(shí)負(fù)荷對(duì)中心撓度的負(fù)荷撓度曲線；
圖29圖示了比較噴漿混凝土板中本發(fā)明的合成纖維混合物為1.9體積％時(shí)負(fù)荷對(duì)中心撓度的負(fù)荷撓度曲線；
圖30圖示了第二纖維組分以確定為X的特定纏繞程度被纏繞的本發(fā)明實(shí)施方案；和
圖31圖示了現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，其中單絲的獨(dú)立絞線具有一定的分裂(splitting)和“漆刷(paint brush)”效果。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述
應(yīng)認(rèn)識(shí)到，為了清楚地理解本發(fā)明，本發(fā)明的圖形和說(shuō)明已被簡(jiǎn)化來(lái)圖示相關(guān)的要素。本領(lǐng)域的那些普通技術(shù)人員能認(rèn)識(shí)到，在實(shí)施本發(fā)明中可使用相關(guān)要素和其它項(xiàng)目。但是，因?yàn)樵S多這種相關(guān)要素和項(xiàng)目在本領(lǐng)域中是眾所周知的，因此本文不再討論它們。
在本發(fā)明的目前詳細(xì)描述中，將以用于摻入到膠結(jié)材料中的合成纖維增強(qiáng)材料的形式說(shuō)明本發(fā)明。但是，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明不限制于這種形式的實(shí)施方案，并可與任何建筑材料和與其相關(guān)的使用纖維材料的組合物一起使用來(lái)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或完整性。這類材料和組合物包括但不限于水泥、混凝土、噴漿混凝土、砂漿、水泥漿(grout)、瀝青等。因此，盡管本發(fā)明能以多種不同的形式實(shí)現(xiàn)，但為了描述容易，這種詳細(xì)描述和附圖只公開(kāi)作為發(fā)明實(shí)例的具體形式。相關(guān)領(lǐng)域的那些普通技術(shù)人員能根據(jù)本描述使發(fā)明適合于不是本文具體提供的其它形式的應(yīng)用。
相對(duì)于金屬絲網(wǎng)，本發(fā)明的合成纖維增強(qiáng)材料提供了更有效和節(jié)約成本的增強(qiáng)方式。這是因?yàn)榧词馆^少量的纖維被加入到膠結(jié)混合物中時(shí)，也能分布在整個(gè)混合物中顯著增強(qiáng)全部基材材料、降低滲透性、提高疲勞強(qiáng)度和增加韌性。另外，應(yīng)用金屬絲網(wǎng)增強(qiáng)由于與其相關(guān)的放置要求而較耗時(shí)和費(fèi)人力。
例如，本發(fā)明的合成纖維可被摻入到各種膠結(jié)建筑材料和產(chǎn)品中，用于建筑或建造如結(jié)構(gòu)路面、機(jī)場(chǎng)跑道和停機(jī)坪、橋面覆層(bridge deckoverlays)和防滲層、結(jié)構(gòu)樓板、預(yù)制混凝土產(chǎn)品如管和槽、向上傾斜的墻板、用于填石穩(wěn)定化的噴漿混凝土、隧道襯砌和穹隆構(gòu)造。本發(fā)明的合成纖維混合物也可用于修補(bǔ)、復(fù)原、翻新和改造已有的產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)，如例如在機(jī)場(chǎng)路面和橋面的覆層、白色頂層(whitetopping)和修補(bǔ)物中。但是，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，本文只提供了有限數(shù)量的應(yīng)用，本發(fā)明可在所有使用增強(qiáng)纖維材料的材料的建筑物方面使用。
除了結(jié)構(gòu)增強(qiáng)外，在例如澆注膠結(jié)材料中摻入本發(fā)明的合成纖維混合物能改變開(kāi)裂機(jī)制，并減少由混凝土收縮引起的微開(kāi)裂的擴(kuò)展。因此，相對(duì)于非增強(qiáng)的水泥，本發(fā)明的纖維增強(qiáng)混凝土的所得裂縫在寬度上較小，材料的滲透性被降低，并且增強(qiáng)了最終的開(kāi)裂應(yīng)變。此外，本發(fā)明的混合纖維能承受沿裂縫的負(fù)荷。另外，如下面所述，本發(fā)明的纖維增強(qiáng)混凝土的試驗(yàn)表明，混凝土材料具有提高的韌性或在初裂后承受殘余負(fù)荷能力，并可具有大大提高的耐沖擊性。
本發(fā)明涉及高性能合成纖維的混雜混合物，更尤其涉及降低塑性收縮效應(yīng)和提高硬化混凝土性能的合成纖維的混合物。這將在下面更詳細(xì)地討論，已發(fā)現(xiàn)形成本發(fā)明的混雜纖維混合物的第一組分纖維和第二組分纖維的組合能獲得令人驚奇的增強(qiáng)性能和各種強(qiáng)于每種纖維組分單獨(dú)能獲得的性能益處。尤其是本發(fā)明的纖維改善了塑性和沉降收縮開(kāi)裂的控制，同時(shí)提高了沖擊強(qiáng)度、混凝土韌性和其它結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)期耐久性能。
第一纖維組分為均聚物聚丙烯纖維增強(qiáng)材料。第一纖維組分為有序的(collated)原纖維化(網(wǎng)絡(luò))纖維，每個(gè)單絲為大約100至約20000但尼爾。例如，在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，第一纖維組分為每個(gè)單絲大約10000但尼爾，并包括以下物理性質(zhì)
第一纖維組分可但不必需由100％的純聚丙烯形成，并可為基本無(wú)腐蝕、無(wú)磁性和耐堿的混色和完全取向纖維。當(dāng)單獨(dú)用作纖維增強(qiáng)添加劑(即不作為與本文公開(kāi)的下述第二纖維組分聯(lián)合的混雜混合物)，第一組分一般在配料其它組分過(guò)程中或過(guò)程后以1.5磅/立方碼(0.9千克/立方米)膠結(jié)材料的進(jìn)料速度直接加入到混合體系中，并以混合器生產(chǎn)商建議的時(shí)間和速度混合(一般為4至5分鐘)。第一纖維組分表現(xiàn)出良好的混合及均勻分布性能。得到的纖維增強(qiáng)材料能提供較好的長(zhǎng)期耐久性和對(duì)于溫度/收縮開(kāi)裂的二次/溫度控制。
在本發(fā)明中使用時(shí)，第一纖維組分加入到混雜混合物中的量可為總重量的約5wt％至約50wt％。例如，在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，第一纖維組分的加入量可為總重量的約6.7wt％。另外，第一纖維組分可與但不必需與第二纖維組分長(zhǎng)度相同。在本發(fā)明中使用時(shí)，可向混雜混合物中加入長(zhǎng)度為約19至約60mm的第一纖維組分。例如，在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，可加入長(zhǎng)度為約54mm的第一纖維組分。
第二纖維組分為高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)共聚物，如但不限于由壓花單絲形成的那種。第二纖維組分優(yōu)選為由主要量的優(yōu)選約75-80wt％的聚丙烯、優(yōu)選低熔點(diǎn)聚丙烯(2-熔點(diǎn)均聚物)和次要量的優(yōu)選約20-25wt％的高密度聚乙烯形成的共聚物。第二纖維不原纖維化，即它們不會(huì)拉開(kāi)而在膠結(jié)材料中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
第二纖維組分為具有高耐性和優(yōu)異柔性的高韌度聚烯烴絲。當(dāng)摻入到本發(fā)明的混雜混合物中時(shí)，第二纖維組分包括每個(gè)單絲為大約350至約6000但尼爾的單絲。第二纖維組分的優(yōu)選實(shí)施方案為優(yōu)選被纏繞形成多根未原纖維化單絲的絞線的非互連束。在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，第二纖維組分表現(xiàn)出以下性質(zhì)
例如，在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，第二組分為每個(gè)單絲大約750但尼爾。當(dāng)單獨(dú)使用(不作為與本文公開(kāi)的上述第一組分聯(lián)合的混雜混合物)時(shí)，第二組分一般在配料其它組分過(guò)程中或過(guò)程后以約4-約30磅/立方碼(1.8-13.6千克/立方米)膠結(jié)材料的進(jìn)料速度直接加入到混合體系中，并分布在其中。得到的纖維增強(qiáng)材料表現(xiàn)出長(zhǎng)期耐久性。但是，應(yīng)注意到，第二纖維組分本身在未纏繞時(shí)，在混合操作過(guò)程中在建筑材料中的表現(xiàn)達(dá)不到最佳分布性能。但是，當(dāng)?shù)诙w維組分的單絲被纏繞形成非互連束時(shí)，如在本發(fā)明的合成纖維混合物的優(yōu)選實(shí)施方案中所用，合成纖維混合物更易于混合，并均勻分布在整個(gè)膠結(jié)材料中。
已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)诙w維組分被纏繞時(shí)，束的纏繞程度與第二纖維組分在加入它的建筑材料中的分布性能有關(guān)。如圖30所示，單匝標(biāo)記為“x”，在本文中使用時(shí)定義為沿纖維束直線長(zhǎng)度(linear length)的全旋轉(zhuǎn)(360°)。每直英尺的匝數(shù)(每直英寸的匝數(shù)或每直厘米的匝數(shù))在本文中分別標(biāo)記為匝/英尺、匝/英寸或匝/cm，提供了第二纖維組分與建筑材料混合或在整個(gè)建筑材料中更均勻分布的能力的顯著差異。這種分布差異又被認(rèn)為是本發(fā)明的合成纖維混合物所表現(xiàn)出的提高增強(qiáng)性能的至少部分原因。
形成本發(fā)明的合成纖維束的早期努力利用纏繞單絲的多個(gè)絞線至約9匝/英尺(約0.75匝/英寸或約0.3匝/cm)。發(fā)現(xiàn)這種纏繞程度能在整個(gè)膠結(jié)材料中產(chǎn)生良好的混合和分布性能，如本文所述。附加試驗(yàn)表明，當(dāng)纏繞程度提高到高達(dá)約11匝/英尺(約0.9匝/英寸或約0.36匝/cm)時(shí)能得到類似的結(jié)果。因此，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于沒(méi)有利用本發(fā)明未纏繞纖維組分的實(shí)施方案的建筑材料，在約0.75匝/英寸(約0.3匝/cm)至約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)的范圍內(nèi)纏繞纖維組分能在加入第二纖維組分的整個(gè)建筑材料內(nèi)提供提高的混合和分布性能。但是，注意到當(dāng)在約0.75匝/英寸(約0.3匝/cm)至約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)的范圍內(nèi)纏繞單獨(dú)單絲絞線時(shí)在單獨(dú)單絲絞線內(nèi)可看到一定程度的分裂和“漆刷”效應(yīng)。圖31中示出了這種常見(jiàn)的效應(yīng)10，它會(huì)反面影響單絲在整個(gè)膠結(jié)材料中分散的能力。另外，發(fā)現(xiàn)纏繞程度低于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)時(shí)，存在單絲與纖維束的不完全分離。在使用單絲絞線的本發(fā)明一些實(shí)施方案中這是尤其明顯的，每個(gè)絞線包括兩個(gè)或多根連接單絲，這些連接單絲被設(shè)計(jì)成由于將纖維絞線纏繞成纏繞束的作用而分裂成獨(dú)立單絲。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)诙M分形成有超過(guò)約11匝/英尺(約0.9匝/英寸或約0.36匝/cm)的更緊纏繞時(shí)，得到混合和分布的顯著改善。這些改善的結(jié)果在纏繞程度小于約2.2匝/英寸(約0.87匝/cm)時(shí)觀察到，2.2匝/英寸大致為未加熱纖維束可被纏繞而沒(méi)有明顯“回彈”效應(yīng)(即纖維束從其纏繞形式解開(kāi)和可能由于聚合物的彈性而不成束的效應(yīng))的最高纏繞程度。典型地，在大于約11匝/英尺(約0.9匝/英寸或約0.36匝/cm)下測(cè)量到由于纖維束纏繞程度而提高的混合和分布性能，并典型地在大于約11匝/英尺(約0.9匝/英寸或約0.36匝/cm)和約13匝/英尺(約1.1匝/英寸或約0.43匝/cm)之間的范圍內(nèi)出現(xiàn)，并可在約13匝/英尺(約1.1匝/英寸或約0.43匝/cm)的纏繞程度處出現(xiàn)。此外，發(fā)現(xiàn)隨著纏繞程度提高至大于約1匝/英寸(約0.39匝/cm)，在單絲中觀察到很少或沒(méi)有分裂或“漆刷”效應(yīng)，幾乎所有形成纖維束的獨(dú)立單絲完全與束分離，并分配在加入它的整個(gè)建筑材料內(nèi)。在使用單絲絞線的本發(fā)明一些實(shí)施方案中這是尤其明顯的，每個(gè)絞線包括兩個(gè)或多根連接單絲，這些連接單絲被設(shè)計(jì)成由于將纖維絞線纏繞成纏繞束的作用而分裂成獨(dú)立單絲，最終形成單絲的纏繞束。
考慮到當(dāng)?shù)诙w維組分的纏繞纖維束構(gòu)造被加熱至低于它的熔點(diǎn)并纏繞時(shí)，這可允許纖維束被纏繞至大于約2.2匝/英寸(約0.87匝/cm)的纏繞程度，可在第二纖維組分的混合和分布中得到一些附加的優(yōu)點(diǎn)。在這種實(shí)施方案中，第二纖維組分的獨(dú)立單絲可在形成纏繞束之前或之后被加熱至例如高達(dá)約325°F，從而可提供纏繞程度大于約2.2匝/英寸(約0.87匝/cm)的纖維束，并可大大減少或消除回彈效應(yīng)。
當(dāng)在本發(fā)明的合成纖維混合物中使用時(shí)，可向混雜混合物中加入量為總重量的約50-約95％的第二纖維組分。例如，在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，第二纖維組分的加入量為總重量的約93.3％。另外，第二纖維組分可與但不必需與第一纖維組分長(zhǎng)度相同。當(dāng)在本發(fā)明中使用時(shí)，可向混雜混合物中加入長(zhǎng)度為約19-60mm的第二纖維組分。例如，在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，可加入長(zhǎng)度為約54mm的第二纖維組分。
可混合上述量的第一纖維組分和第二纖維組分形成本發(fā)明的混雜纖維混合物。可通過(guò)本領(lǐng)域中任何已知方式混合第一纖維組分和第二纖維組分，如例如使兩種纖維組分在切割過(guò)程中混合?？稍诨旌系谝焕w維組分和第二纖維組分前或后將混雜纖維切割成可用的條。當(dāng)在混合第一纖維組分和第二纖維組分后將本發(fā)明的混雜纖維切割成可用的條時(shí)，混雜纖維條可被切至可分散和可抽吸的任何長(zhǎng)度，而且可被切至約19-60mm的長(zhǎng)度，如例如約54mm的長(zhǎng)度?？紤]可根據(jù)規(guī)格調(diào)整纖維長(zhǎng)度。在本發(fā)明的一種形式中，得到的混雜纖維具有以下物理性質(zhì)
當(dāng)被摻入到建筑材料如混凝土中時(shí)，可向混合物中加入以混凝土體積計(jì)量為約0.1％-約2.0％的本發(fā)明的混雜纖維混合物，并且以混凝土體積計(jì)，該量一般為約0.5％-約2.0％，以為混凝土提供提高的增強(qiáng)性能。可在配料其它成分過(guò)程中或過(guò)程后將混雜纖維混合物直接加入到混合體系中，并以混合器生產(chǎn)商建議的時(shí)間和速度混合(一般4至5分鐘)。
可使用本發(fā)明的混雜纖維混合物降低塑性和硬化混凝土收縮和導(dǎo)致開(kāi)裂的初凝前的沉降收縮。此外，混雜纖維混合物提高了沖擊強(qiáng)度，并增加了抗疲勞性和混凝土韌度作為交替的二次/溫度/結(jié)構(gòu)增強(qiáng)。另外，除了第二纖維組分的纏繞外，還發(fā)現(xiàn)第一纖維組分和第二纖維組分的組合大大增加了第二纖維組分被更均勻地分布在整個(gè)混合物中的能力。認(rèn)為第二纖維組分提高的分布性能部分導(dǎo)致由本發(fā)明的合成纖維混合物表現(xiàn)出的改進(jìn)增強(qiáng)性能的增加。另外，本發(fā)明的纖維是無(wú)腐蝕的、無(wú)磁性的，并基本抵抗常規(guī)建筑材料如例如波特蘭水泥混凝土的堿性的影響。
如下面的實(shí)施例所示，本發(fā)明提供在成本、操作和結(jié)構(gòu)增強(qiáng)方面超過(guò)已知增強(qiáng)組分的優(yōu)點(diǎn)。與金屬絲網(wǎng)或常規(guī)鋼纖維相比，本發(fā)明的纖維組分組合沒(méi)有腐蝕性，易于與建筑材料混合，減少了塑性收縮開(kāi)裂，并為得到的成形材料提供成本效率和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。合成纖維取代鋼纖維用于膠結(jié)材料的增強(qiáng)，消除了由鋼纖維引起的對(duì)設(shè)備的損害。當(dāng)與其它合成纖維相比時(shí)，本發(fā)明的纖維為加入它們的建筑材料提供了更有效的混合操作和增加的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。
為了使本領(lǐng)域那些技術(shù)人員更好地理解如何實(shí)施本發(fā)明，用對(duì)本發(fā)明舉例而非限制的方式給出下面的實(shí)施例，本發(fā)明由權(quán)利要求限定。在觀察下面的試驗(yàn)結(jié)果時(shí)明顯看出，與常規(guī)纖維增強(qiáng)材料相比，本發(fā)明的合成混雜纖維混合物大大并令人難忘地提高了加入它們的建筑材料的增強(qiáng)特性。進(jìn)行一系列的試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)各種量的本發(fā)明合成纖維混合物。結(jié)果提供在下文中。
實(shí)施例
實(shí)施例1
使用被認(rèn)為具有高的收縮開(kāi)裂可能性的富水泥混合物試驗(yàn)本發(fā)明的混雜合成纖維，以測(cè)定混凝土的塑性收縮減少量。使用的纖維量為混凝土體積的0.5％、1.0％和2.0％。制備三種不同批料的混凝土，試驗(yàn)總共15個(gè)板。使用3英尺(91.4cm)長(zhǎng)和2英尺(61cm)寬的2.0英寸(5.08cm)厚板進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)使用可產(chǎn)生14mph(22.5km/hr)風(fēng)速的風(fēng)扇加快裂縫發(fā)展。使用沒(méi)有纖維的對(duì)照板和纖維增強(qiáng)板的裂縫面積比較這些纖維的性能。
如下面所述，試驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明的纖維在所用量下顯著降低了混凝土中的塑性收縮。裂縫面積減少量從素混凝土的100％變化到92％。當(dāng)使用混凝土體積2.0％的纖維量時(shí)沒(méi)有觀察到裂縫。當(dāng)纖維量分別為混凝土體積的1.0％和0.5％時(shí)，有98％和92％的塑性收縮開(kāi)裂減少量。
試驗(yàn)方法
使用3英尺(91.4cm)長(zhǎng)和2英尺(61cm)寬的2.0英寸(5.08cm)厚板進(jìn)行試驗(yàn)。環(huán)繞周長(zhǎng)使用金屬絲網(wǎng)約束板。澆注后，將板放在平面上，并經(jīng)受使用高速風(fēng)扇的14mph(22.5km/hr)風(fēng)速。
在澆注后2-3和1個(gè)半小時(shí)內(nèi)觀察到裂縫發(fā)展。但典型地，開(kāi)裂在約6-8小時(shí)內(nèi)完成，24小時(shí)后測(cè)量裂縫寬度和長(zhǎng)度。選擇更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間以確保全部裂縫發(fā)展和穩(wěn)定。在沿裂縫長(zhǎng)度上的多個(gè)位置處測(cè)量裂縫寬度。測(cè)量每個(gè)裂縫的裂縫長(zhǎng)度并乘以平均寬度。這樣計(jì)算給定板的總裂縫面積。
對(duì)照板(沒(méi)有纖維)裂縫值設(shè)定為100％。其它板的裂縫面積表示為對(duì)照物的百分比，并得到由于加入纖維產(chǎn)生的裂縫面積減少率。
材料
材料由ASTMI型水泥、混凝土砂和粗骨料組成。粗骨料具有0.75in的最大尺寸。細(xì)和粗骨料都滿足ASTM骨料要求。使用的混雜合成纖維的化學(xué)和物理性質(zhì)為本文所描述的那些。
混合比例
因?yàn)樵撛囼?yàn)的目的是研究纖維添加對(duì)塑性收縮的影響，因此必需制造收縮開(kāi)裂可能性非常高的混凝土。對(duì)每批料，試驗(yàn)條件如環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)速14mph(22.5km/hr)都保持不變。制備具有相同水含量、水泥含量和粗骨料最大尺寸的三種不同批料的混凝土。使用較高的水泥含量以增加開(kāi)裂可能性。使用的基本混合物比例如下
水泥(1bs) 855(388kg)
水(1bs) 427(194kg)
水/水泥比 0.5
混凝土砂(1bs) 1062(482kg)
粗骨料(1bs) 1062(482kg)
骨料最大尺寸(英寸)0.75(1.91cm)
混合過(guò)程和澆注試樣
在9立方英尺容量的混合器中進(jìn)行全部混合。稱量纖維并存儲(chǔ)在單獨(dú)的容器中。首先制備緩沖混合物。然后，將粗骨料引入到混合器中。然后加入砂和三分之二的水并混合1分鐘。然后與剩余的三分之一水一起加入水泥。然后，加入本發(fā)明的纖維，并混合成分3分鐘。混合后，使混合物經(jīng)過(guò)3分鐘放置期，接著是用于適當(dāng)纖維分布的最后2分鐘混合階段。
由于纖維增強(qiáng)的膠結(jié)混合物具有流動(dòng)連貫性(flowing consistency)，所以混合和放入都沒(méi)有任何問(wèn)題地進(jìn)行。在任何混合物中都沒(méi)有觀察到纖維的分開(kāi)或成球。為了保持放入、固結(jié)和最后加工板的連貫性，對(duì)于所有板，富有經(jīng)驗(yàn)的混凝土承包人和精修工完成放入、固結(jié)和最后加工。
在三個(gè)分開(kāi)的日子內(nèi)制備三批料。制備每批增強(qiáng)膠結(jié)材料后，徹底清洗混合罐。在制備下一混合物前制備緩沖混合物。所有混合物都在相同條件下制備。
試驗(yàn)結(jié)果和討論
按照ASTM過(guò)程，為有和沒(méi)有纖維的六種混合物中的每一種準(zhǔn)備三個(gè)圓柱體。熟化14天后測(cè)試圓筒。結(jié)果提供在下面的表1中。如表1所示，所有混合物中的圓柱體強(qiáng)度都始終接近。全部18個(gè)試樣的14天壓縮強(qiáng)度結(jié)果大致相同。
對(duì)于批料A、B和C，測(cè)量的對(duì)照板和纖維增強(qiáng)板的裂縫長(zhǎng)度、寬度和面積分別提供在表A1-A3、B1和B2以及C1-C2中。每個(gè)表比較在特定日子內(nèi)制備的混合物。不同纖維量對(duì)塑性收縮開(kāi)裂的影響示于圖1-6中。試驗(yàn)結(jié)果和塑性收縮開(kāi)裂減少率的匯總提供在表2中。不同纖維含量的各種參數(shù)的比較示于表3。
對(duì)三種纖維含量的每一個(gè)都測(cè)試三個(gè)試樣，計(jì)算平均裂縫面積。這些計(jì)算的結(jié)果提供在表2中。表2包括沒(méi)有纖維的兩個(gè)對(duì)照板的平均裂縫面積，和FRC的裂縫面積，其表示為對(duì)照板裂縫面積的百分比，和由于加入三種纖維量產(chǎn)生的塑性收縮開(kāi)裂減少率。
圖1-4圖形化地說(shuō)明了不同纖維含量的裂縫面積(圖1)、不同纖維含量的裂縫長(zhǎng)度(圖2)、觀察到的基于纖維含量的裂縫形成時(shí)間(圖3)和對(duì)照板和增強(qiáng)纖維板之間的裂縫面積(圖4)。三種纖維含量的塑性收縮開(kāi)裂減少可能性的全面比較示于圖5和6。
在用2.0體積％的本發(fā)明合成纖維混合物增強(qiáng)的三個(gè)板中的任一個(gè)中都沒(méi)有觀察到裂縫。結(jié)果表明，全部三種纖維含量都能有效減少混凝土中的塑性收縮開(kāi)裂。但是，對(duì)于不同的纖維量，開(kāi)裂減少的量是不同的。對(duì)于這些纖維含量，開(kāi)裂減少可能性從約92％變化到100％。
結(jié)論
對(duì)照板和纖維增強(qiáng)板上的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，本發(fā)明的纖維能非常有效地減少混凝土中的塑性收縮開(kāi)裂。試驗(yàn)顯示，即使在非常低的添加水平下，本發(fā)明的合成混雜纖維也能提供極其高的開(kāi)裂減少率。在0.5體積％的纖維量時(shí)，獲得92％的開(kāi)裂減少率。在1.0體積％的纖維量時(shí)，獲得98％的開(kāi)裂減少率。另外，當(dāng)使用2.0體積％的纖維時(shí)，沒(méi)有觀察到塑性收縮開(kāi)裂。
表1
收縮試樣的14-天壓縮強(qiáng)度
表2
由于加入混雜纖維混合物引起的塑性收縮減少率
表3
對(duì)于不同纖維含量的各種參數(shù)比較
注1.具有纖維的板的裂縫面積、裂縫長(zhǎng)度和裂縫寬度下的值為三個(gè)板的值的平均
2.對(duì)照板的裂縫面積、裂縫長(zhǎng)度和裂縫寬度下的值為二個(gè)板的值的平均
3.批料B中的全部三個(gè)板都沒(méi)有破裂。
表A1.裂縫長(zhǎng)度、寬度&面積的細(xì)節(jié)；批料A；對(duì)照板1
表A2.裂縫長(zhǎng)度、寬度&面積的細(xì)節(jié)；批料A；對(duì)照板2
表A3.裂縫長(zhǎng)度、寬度&面積的細(xì)節(jié)；批料A；用混雜纖維混合物(1％)增強(qiáng)的板
表B1.裂縫長(zhǎng)度、寬度&面積的細(xì)節(jié)；批料B；對(duì)照板1
表B2.裂縫長(zhǎng)度、寬度&面積的細(xì)節(jié)；批料B；對(duì)照板2
表C1.裂縫長(zhǎng)度、寬度&面積的細(xì)節(jié)；批料C；對(duì)照板1
表C2.裂縫長(zhǎng)度、寬度&面積的細(xì)節(jié)；批料C；對(duì)照板2
表C3.裂縫長(zhǎng)度、寬度&面積的細(xì)節(jié)；批料C；用混雜纖維混合物(0.5％)增強(qiáng)的板
實(shí)施例2
進(jìn)行研究以在濕攪拌(wet-mix)噴漿混凝土中的三種添加比例下評(píng)價(jià)本發(fā)明的再配制的實(shí)驗(yàn)合成混雜纖維。分離纖維大約60mm長(zhǎng)，0.3mm厚，0.3mm寬。原纖維化纖維是有序的。纖維具有910kg/m3的比堆積密度(specificbulk density)。
為了評(píng)價(jià)，生產(chǎn)具有名義1.0、1.5和2.0體積％的纖維添加比例的三種噴漿混凝土混合物。在全部混合物中，有序的原纖維化纖維對(duì)應(yīng)于0.1體積％的添加比例，其余為分離的60mm長(zhǎng)纖維。測(cè)試三種混合物的新澆噴漿混凝土性能，測(cè)定回彈數(shù)據(jù)，對(duì)每一種混合物，都制造一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)ACI噴漿混凝土試驗(yàn)板、一個(gè)Australian Round Panel和一個(gè)South African Panel。
用金剛石鋸從每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)ACI噴漿混凝土試驗(yàn)板切割用于ASTM C1018梁(beam)測(cè)試的三個(gè)梁。還從這些試驗(yàn)板中抽出芯用于壓縮強(qiáng)度測(cè)定。在金剛石鋸切割的梁末端上測(cè)定滲透性數(shù)據(jù)。利用在水床試驗(yàn)裝置上的均勻分布負(fù)荷測(cè)試South African Panel，而在定制試驗(yàn)機(jī)上三個(gè)點(diǎn)處具有定向支撐(determinate support)的中間點(diǎn)負(fù)荷中測(cè)試Australian Round Panel，試驗(yàn)機(jī)由AGRA Earth & Environemntal Limited，Bumaby，B.C.，Canada制造。
噴漿混凝土混合物設(shè)計(jì)和配料
使用的基礎(chǔ)濕攪拌噴漿混凝土混合物設(shè)計(jì)示于下面技術(shù)報(bào)告No.1中的表中。這種混合物設(shè)計(jì)類似于一般用于北美的隧道和礦井、斜坡穩(wěn)定和基礎(chǔ)設(shè)施改建工程中永久噴漿混凝土襯里的混合物。在膠結(jié)材料的三元混合物(波特蘭水泥、飛灰和硅灰)中，硅灰增強(qiáng)混合物的粘合力和內(nèi)聚力，并降低回彈；飛灰增加能提高可泵送性和可噴注性的漿料體積。
為了保持對(duì)混合物比例的嚴(yán)格控制，干法配料基礎(chǔ)噴漿混凝土混合物。使用絕對(duì)干燥(bone dry)材料，所有成分在監(jiān)控下按質(zhì)量精密配料。在放料到30kg紙袋中前，在具有反轉(zhuǎn)槳的旋轉(zhuǎn)盤(pán)式混合機(jī)中預(yù)混合材料。噴漿混凝土被供應(yīng)到臺(tái)車上，用熱縮塑料包(shrink-wrap)保護(hù)，并在使用前用油布蓋住防潮。
在改進(jìn)的Allentown Powercrete Pro混合機(jī)裝置中配料噴漿混凝土，混合機(jī)裝置連接到75mm搖擺閥式泵上。典型地，一次配料14個(gè)30kg袋。加入水以保持所有混合物之間的恒定水/水泥比。在混合循環(huán)中向混合機(jī)裝置中直接加入纖維，并混合大約5分鐘，以在噴漿混凝土卸料前提供均勻的纖維分布。
制造下面的混合物1)混合物F10(名義上1.0體積％的纖維含量)；2)混合物F15(名義上1.5體積％的纖維含量)；和3)混合物F20(名義上2.0體積％的纖維含量，增加的漿料體積)。
按照需要調(diào)整超塑化劑用量以提供噴注所需的坍落度?；旌衔颋20接受補(bǔ)充量的飛灰和水來(lái)增加漿料體積，以便盡管纖維加入比例高但仍保持良好的泵送性能。三種混合物的實(shí)際混合量示于下面的技術(shù)報(bào)告No.1a-1c。
噴漿混凝土塑性性能
1.坍落度和含氣量
關(guān)于主要環(huán)境條件(溫度、風(fēng)速、沉淀)的細(xì)節(jié)和塑性噴漿混凝土性能提供在下面的技術(shù)報(bào)告No.2中的表中。產(chǎn)生所需坍落度和配料態(tài)(as batched)時(shí)含氣量需要的混合物用量也示于該表中。報(bào)告No.2中的表還詳細(xì)列出了配料態(tài)和噴注態(tài)新澆噴漿混凝土的性能，和作為泵送容易性度量的噴漿混凝土泵的操作水壓。
不同混合物的坍落度從30到50mm。已放入到噴漿混凝土泵的混合物的配料態(tài)含氣量在8和9％之間變化。為了測(cè)定噴注態(tài)(as shot)含氣量，將噴漿混凝土噴注到ASTM C231氣壓儀表底座(base)。噴注態(tài)含氣量為2-3％范圍。這比含氣量的通常損失高，表明纖維有助于俘獲當(dāng)放置噴漿混凝土?xí)r受到?jīng)_擊下釋放的空氣。
2.可泵送性和可噴注性
將配料態(tài)的噴漿混凝土裝入到Polycrete Restorations Ltd提供的泵的泵料斗內(nèi)。泵具有75mm直徑的平旋閥，當(dāng)噴注混合物F10和F15時(shí)，平旋閥卸料到50mm內(nèi)徑、15m長(zhǎng)的軟管中，并通過(guò)金屬縮徑部分到38mm內(nèi)徑、30m長(zhǎng)的軟管中。當(dāng)噴注混合物F20時(shí)，各自的軟管長(zhǎng)度為大約8m(50mm直徑)加20m(38mm直徑)。
技術(shù)報(bào)告No.2中的表顯示混合物為了被噴注需要11-13MPa的泵液壓操作壓力，其被視為可接受的壓力。在該試驗(yàn)程序中使用的噴漿混凝土泵具有大約16MPa的最大操作壓力。具有名義上2.0體積％纖維的混合物類型F20在加入上述飛灰和水后通常能令人滿意地被泵送。但是，對(duì)于現(xiàn)有設(shè)備和改進(jìn)的基礎(chǔ)混合物，混合物F20達(dá)到了可泵送性的極限。對(duì)于混合物F20，噴漿混凝土軟管會(huì)由于在50mm到38mm變徑片附近的壓力誘導(dǎo)漿料不足而出現(xiàn)幾處阻塞。
所有纖維都很好地分散在噴漿混凝土中。沒(méi)有觀察到成球。噴漿混凝土混合物良好地粘著到施加它們的基底上，沒(méi)有脫落。
3.回彈試驗(yàn)
在2.5立方米(m cube)木框架箱中對(duì)所有混合物進(jìn)行回彈試驗(yàn)，箱襯有成形層(form-ply)，在一個(gè)垂直面上有開(kāi)口。將噴漿混凝土施加到箱背面處的垂直面上，至約600×600見(jiàn)方的面積×100mm深，四個(gè)噴注釘劃分噴注區(qū)域。回收落到回彈室底板上的材料并作為回彈物稱重。然后移去原地的(in-place)材料并稱重。在整個(gè)回彈樣品上和在從原地材料中取得的具有同樣質(zhì)量的代表性樣品上進(jìn)行纖維沖洗試驗(yàn)。計(jì)算下面的參數(shù)1)以kg/m3、體積％和質(zhì)量％表示的配料態(tài)纖維含量；2)以kg/m3、體積％和質(zhì)量％表示的原地纖維含量；3)以kg/m3、體積％和質(zhì)量％表示的回彈物中的纖維；4)纖維回彈(＝所有回彈纖維的質(zhì)量/所有配料纖維的質(zhì)量×100％)；5)纖維保留率(＝原地纖維含量/配料態(tài)纖維含量×100％)。
結(jié)果提供在下面所附的技術(shù)報(bào)告No.3中。噴漿混凝土材料的總回彈從12質(zhì)量％變化到19質(zhì)量％，對(duì)于具有高含量合成纖維的噴漿混凝土，這是典型的。觀察到回彈隨著纖維加入比例增加而增加的趨勢(shì)。纖維保留率從纖維加入比例為名義上1.0體積％的混合物的94％變化到其余兩種混合物的大約80％。這是較有利的纖維保留率，并與別處1試驗(yàn)的其它高體積合成纖維噴漿混凝土的回彈行為一致。
1Morgan，D.R.，Heere，R.，McAskill，N.，Chan，C.Comparative Evaluationof System Ductility of Mesh and Fiber Reinforced Shotcrete，發(fā)表在Engineering Foundation，Shotcrete fbr Underground Support VIII Conference，Campos do
Brazil，11-15，1999年4月
噴漿混凝土生產(chǎn)
1.ACI試驗(yàn)板
以偏離垂直方向稍微傾斜的角度噴注每種混合物的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)600×600×125mm試驗(yàn)板。板具有45°傾斜邊，以有助于回彈物的離開(kāi)和板從模殼上的剝離。在塑料薄膜下于現(xiàn)場(chǎng)濕固化板2天。在當(dāng)時(shí)，通過(guò)從這些板中用金剛石取芯獲得用于壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)和ASTM C642沸騰吸收和可滲透空隙體積試驗(yàn)的芯試樣。另外，從這些板中用金剛石鋸切割用于按ASTMC1018進(jìn)行韌度試驗(yàn)的一組三個(gè)100×100×350mm的梁。將試樣在陳化4天時(shí)移動(dòng)到實(shí)驗(yàn)室中的霧室中，它們?cè)谀抢镌?3+/-2℃下濕固化直到試驗(yàn)時(shí)間。
2.Australian Round Panel試驗(yàn)
噴注每種混合物的一個(gè)Australian Round Panel。板具有800mm的直徑和大約80mm厚。噴注后，用木制2×4(two by four)整平板表面，并用鋼泥刀精整至光滑的表面光潔度。在現(xiàn)場(chǎng)在塑料薄膜下濕固化板4天，然后移到霧室中，在23+/-2℃和100％相對(duì)濕度下貯存直到試驗(yàn)時(shí)間。
3.南非水床試驗(yàn)
嘖注每種混合物的尺寸為1600×1600×80mm厚的一個(gè)試驗(yàn)板?？障冻尚卧O(shè)備(void former)放在相距1000mm處，即在錨固螺栓能透過(guò)以限制板在水床位置上的試驗(yàn)過(guò)程中自由垂直移動(dòng)的位置處。在垂直方向上噴注板，并最后加工至等同于澆注混凝土表面光潔度，使用2×4整平，使用鋼泥刀精整。初凝后，用塑料薄膜蓋住噴漿混凝土板，并保持水分保護(hù)7天。在陳化21天時(shí)從模殼上剝離板，并在陳化28天時(shí)的試驗(yàn)前使其再現(xiàn)場(chǎng)固化8天。
硬化噴漿混凝土性能
1.ASTM標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)
a.壓縮強(qiáng)度
從每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)ASTM試驗(yàn)板中取六個(gè)直徑75mm、長(zhǎng)約110mm的芯，按CSA A23.2-14C(等效于ASTM C42)測(cè)試壓縮強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果提供在下面的技術(shù)報(bào)告No.4中。所有這三種噴漿混凝土混合物在7天時(shí)都獲得大約48MPa的壓縮強(qiáng)度。下面的表顯示了獲得的壓縮強(qiáng)度對(duì)預(yù)測(cè)(根據(jù)混合物比例和噴注態(tài)含氣量)的壓縮強(qiáng)度的比，以說(shuō)明纖維加入比例對(duì)混合物壓縮強(qiáng)度的任何影響。
顯然，纖維加入比例對(duì)壓縮強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響。
b.沸騰吸收(boiled absorption)和可滲透空隙體積
在10天時(shí)在三個(gè)梁末端被鋸下部分上進(jìn)行的試驗(yàn)的結(jié)果提供在下面的附加技術(shù)報(bào)告No.5中。沸騰吸收的值從4.4％到4.9％，可滲透空隙的體積從9.5％到10.6％。與為結(jié)構(gòu)品質(zhì)噴漿混凝土通常規(guī)定的最大限即沸騰吸收為8.0％和可滲透空隙體積為17.0％相比，這些結(jié)果是非常低的。這些結(jié)果為具有低滲透性的致密耐用噴漿混凝土的指示。
c.抗彎強(qiáng)度和韌度
在7天時(shí)對(duì)所有混合物在三個(gè)公稱100×100×350mm的梁裝置上按ASTM C10182進(jìn)行抗彎強(qiáng)度和韌度測(cè)試，在300mm負(fù)荷跨距上利用第三點(diǎn)負(fù)荷測(cè)試。測(cè)試結(jié)果提供在圖15-26中，并列在下面的技術(shù)報(bào)告No.6a-6f中。結(jié)果顯示了初裂和最終抗彎強(qiáng)度和ASTM C1018韌度指數(shù)和由這些指數(shù)計(jì)算的殘余強(qiáng)度因子。還顯示了日本韌度參數(shù)和韌度性能水平3。
2開(kāi)路控制加載方式除外
3Morgan，D.R.，Chen，L.，和Beaupré，D.，Toughness of Fiber reinforcedShotcrete，AS CE
結(jié)果顯示，在高達(dá)約0.5mm的變形時(shí)，在負(fù)荷對(duì)撓度響應(yīng)中存在一定的不穩(wěn)定性。這主要?dú)w因于試驗(yàn)機(jī)在開(kāi)路模式下的操作。下面的表匯總了三種被測(cè)試混合物的抗彎強(qiáng)度和韌度性能。
*利用增加的飛灰含量產(chǎn)生這種混合物
**先前產(chǎn)生混合物F2，并在AGAR測(cè)試，見(jiàn)我們的報(bào)告VA04526
混合物的抗彎強(qiáng)度超過(guò)通常為西加拿大噴漿混凝土建筑工程指定的最小值4MPa。噴漿混凝土的日本韌度因子和韌度性能水平顯示出纖維用量和延性之間的良好相關(guān)性。纖維在較高水平下表現(xiàn)并與水泥基材形成良好的粘結(jié)。纖維還形成它們載荷能力的大部分，如斷裂面中的大量斷裂纖維所示。
2.Australian板試驗(yàn)
7天時(shí)，在圓板試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試Australian圓板。板被靜止地明確支撐在三個(gè)對(duì)徑向移動(dòng)(在水平面中)最小約束的轉(zhuǎn)動(dòng)支架上。用桿固定的LVDT測(cè)量板的中心撓度，同時(shí)用80kN測(cè)力計(jì)測(cè)定負(fù)荷。計(jì)算機(jī)連續(xù)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法的更詳細(xì)描述，參見(jiàn)文獻(xiàn)1。圖27-29提供了負(fù)荷撓度曲線圖，下面的技術(shù)報(bào)告No.7提供了試驗(yàn)結(jié)果。
下面的表匯總了重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將它們與用市售合成纖維增強(qiáng)的噴漿混凝土的公布數(shù)據(jù)(文獻(xiàn)1)作比較。
斜體字腳注1文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)期＞28天
試驗(yàn)結(jié)果表明，提高本發(fā)明纖維的加入比例降低了噴漿混凝土的最終負(fù)荷能力。配料態(tài)時(shí)本發(fā)明纖維體積加入比例從1.0體積％增加到1.5體積％和1.9體積％，分別增加試樣的最大斷裂后負(fù)荷(maximum post-crackload)20％和50％，并分別增加40mm中心撓度總體吸收能22％和43％。
Shotcrete for Underground Support VII，Telfs，Austria，1995，66-87頁(yè)
試驗(yàn)結(jié)果還表明，當(dāng)與Synthetic Industries S-152HPP纖維比較時(shí)，本發(fā)明的混雜合成纖維在1.0體積％加入比例下提供了優(yōu)良的性能。
3.南非水床試驗(yàn)
在從Kirsten4發(fā)展的南非水床試驗(yàn)改進(jìn)的AGRA水床反應(yīng)框架上測(cè)試1600×1600×76mm板。試驗(yàn)裝置包括具有鋼約束的增強(qiáng)橡膠水床的增強(qiáng)混凝土底座、高抗拉強(qiáng)度反應(yīng)螺栓和100×100×10mm的錨固螺栓板。反應(yīng)螺栓，其類似于錨固螺栓，定位在1000mm方格子上。通過(guò)用成對(duì)液壓千斤頂定位四個(gè)方形中空型鋼側(cè)面來(lái)支撐板的四個(gè)懸臂邊以抵抗向下運(yùn)動(dòng)。
通過(guò)安裝在鋁橋并連接到板中心環(huán)氧樹(shù)脂膠合溝上的收縮伸長(zhǎng)計(jì)測(cè)量板的中心點(diǎn)撓度。壓力傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)水床中的水壓，其與施加到噴漿混凝土試驗(yàn)板上的負(fù)荷相關(guān)。計(jì)算機(jī)連續(xù)記錄負(fù)荷和撓度信號(hào)。然后分析數(shù)據(jù)，并使用數(shù)據(jù)繪制負(fù)荷對(duì)撓度的曲線。通過(guò)撓度(卷尺)和水壓(模擬壓力計(jì))的機(jī)械測(cè)量校驗(yàn)電子監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。施加負(fù)荷至總變形為150mm需要總計(jì)約40分鐘。
4Kirsten，H.A.D.，System Ductility of Long Fiber Reinforced Shotcrete，Report prepared for Shotcrete Working Group，South Africa，1997年27頁(yè)，和附錄
除了連續(xù)監(jiān)測(cè)負(fù)荷對(duì)板的中心撓度響應(yīng)外，還記錄裂縫形成的順序。還記錄到裂縫寬度隨撓度增加而發(fā)展。
結(jié)論
上面列出的試驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明的混雜纖維令人驚奇地表現(xiàn)出超過(guò)已知增強(qiáng)纖維的良好物理性能。可利用使用38mm內(nèi)徑噴嘴的標(biāo)準(zhǔn)噴漿混凝土設(shè)備和配料態(tài)纖維加入比例為1.0-1.9體積％配料、泵送和噴注本發(fā)明的混雜纖維(60mm長(zhǎng))。與素噴漿混凝土混合物相比，該研究中使用的纖維用量似乎未明顯影響噴漿混凝土的壓縮強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和沸騰吸收值和可滲透空隙體積。但是，隨著纖維加入比例增加，確實(shí)顯露出圓噴漿混凝土板預(yù)開(kāi)裂載荷能力降低的趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維可在高質(zhì)量噴漿混凝土中顯現(xiàn)它們充分的韌性(抗拉強(qiáng)度能力)。另外，纖維和噴漿混凝土基材之間的粘結(jié)顯示足以防止纖維從大多數(shù)纖維中拔出生成裂縫。此外，用1.0-1.9體積％的混雜纖維增強(qiáng)的噴漿混凝土的總體延性顯示比得上其它市售高性能單絲合成纖維。此外，試驗(yàn)結(jié)果表明，具有1.0體積％混雜纖維的噴漿混凝土能提供需要中等耐開(kāi)裂后負(fù)荷的噴漿混凝土建筑工程可接受的韌度和系統(tǒng)延性，如在一些地層支護(hù)和斜坡穩(wěn)定工程中，和在構(gòu)造小港、河堤和壩的侵蝕控制中。具有1.5體積％混雜纖維的噴漿混凝土能提供顯示出等效于一些高質(zhì)量鋼纖維或焊接鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)的噴漿混凝土的韌度和系統(tǒng)延性，尤其在較大裂縫寬度時(shí)。另外，具有1.9體積％混雜纖維的噴漿混凝土能提供表現(xiàn)等效于或好于一些高質(zhì)量鋼纖維和焊接鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)的噴漿混凝土的韌度和系統(tǒng)延性，尤其在較大裂縫寬度時(shí)。
技術(shù)報(bào)告No.1
主題基礎(chǔ)濕攪拌噴漿混凝土混合物比例，SSD條件
規(guī)定28天強(qiáng)度＝40MPa
W/(C+SiF+FA)比＝0.38
坍落度(加入超塑化劑和纖維后)＝70±20mm
技術(shù)報(bào)告No.1a
主題配料態(tài)噴漿混凝土混合物比例
批料標(biāo)識(shí)F10計(jì)算的纖維含量[vol％]1.01％
批料大小(袋)14水/膠結(jié)材料比0.33
技術(shù)報(bào)告No.1b
主題配料態(tài)噴漿混凝土混合物比例
批料標(biāo)識(shí)F15計(jì)算的纖維含量[vol％]1.51％
批料大小(袋)14水/膠結(jié)材料比0.33
技術(shù)報(bào)告No.1c
主題配料態(tài)噴漿混凝土混合物比例
批料標(biāo)識(shí)F20計(jì)算的纖維含量[vol％]1.90％
批料大小(袋)14水/膠結(jié)材料比0.34
技術(shù)報(bào)告No.2
主題現(xiàn)場(chǎng)條件和新澆噴漿混凝土性能
n.a.＝不可得
*混合物還包含用于增強(qiáng)泵送性的飛灰和水
**基于配料態(tài)含氣量的估計(jì)值
技術(shù)報(bào)告No.3
主題噴漿混凝土和纖維回彈
技術(shù)報(bào)告No.4a
混雜纖維噴漿混凝土評(píng)價(jià)
主題有芯(cored)噴漿混凝土試樣按CSA A23.2-14C的壓縮強(qiáng)度
芯直徑[mm]＝75
技術(shù)報(bào)告No.5
主題ASTM C642沸騰吸收和可滲透空隙體積
技術(shù)報(bào)告No.6a
主題ASTM C1018韌度參數(shù)和殘余強(qiáng)度因子
纖維類型混雜合成纖維
纖維添加比例1.0體積％
N.A.＝由于初裂后大的初始變形而不能得到
技術(shù)報(bào)告No.6b
主題日本韌度參數(shù)和韌度性能水平
纖維類型混雜合成纖維
纖維添加比例1.0體積％
技術(shù)報(bào)告No.6c
主題ASTM C1018韌度參數(shù)和殘余強(qiáng)度因子
纖維類型混雜合成纖維
纖維添加比例1.5體積％
N.A.＝由于初裂后大的初始變形而不能得到
技術(shù)報(bào)告No.6d
主題日本韌度參數(shù)和韌度性能水平
纖維類型混雜合成纖維
纖維添加比例1.5體積％
技術(shù)報(bào)告No.6e
主題ASTM C1018韌度參數(shù)和殘余強(qiáng)度因子
纖維類型混雜合成纖維
纖維添加比例1.9體積％
N.A.＝由于初裂后大的初始變形而不能得到
技術(shù)報(bào)告No.6f
主題日本韌度參數(shù)和韌度性能水平
纖維類型混雜合成纖維
纖維添加比例1.9體積％
技術(shù)報(bào)告No.7
主題Australian圓板試驗(yàn)結(jié)果
Australian圓板試驗(yàn)
實(shí)施例3
分析用本發(fā)明的纖維增強(qiáng)的混凝土混合物的性能特征、強(qiáng)度和韌度。澆注了使用四種纖維用量(0.5，1.0，1.5，2.0，以體積％計(jì))的大量三維增強(qiáng)混凝土試樣(梁和柱)，并測(cè)試評(píng)價(jià)強(qiáng)度和韌度特征。強(qiáng)度試驗(yàn)包括壓縮強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度(斷裂模量)、初裂強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度。評(píng)價(jià)的韌度性能為彈性模量。韌度指數(shù)I5、I10、I20、I30和殘余強(qiáng)度按照ASTM C1018試驗(yàn)過(guò)程計(jì)算，彎曲韌度因子(flexural toughness factor)(JCI)和等效抗彎強(qiáng)度按照J(rèn)apaneseSociety of Civil Engineers標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范計(jì)算。還使用新的試驗(yàn)方法(ASTMC1399-98)測(cè)定用四種不同量的本發(fā)明纖維增強(qiáng)的混凝土混合物的平均殘余強(qiáng)度。
制造總共四種混合物，每種纖維含量一種。基礎(chǔ)混合物比例對(duì)全部四種混凝土混合物相同，除了兩種混合物具有1.5體積％和2.0體積％的纖維，通過(guò)增加水灰比提高加工性?；旌侠w維增強(qiáng)的混凝土混合物，靜置，搗實(shí)(consolidation)，精加工，并在相同條件下熟化。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于全部四種混合物，沒(méi)有因加入建議量的纖維引起的成球或離析。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)纖維含量從0.5體積％增加到2.0體積％時(shí)，抗彎強(qiáng)度有顯著增加，初裂強(qiáng)度有些微增加。當(dāng)纖維含量增加時(shí)，ASTM韌度指數(shù)和日本韌度因子和等效的抗彎強(qiáng)度也顯著增加。對(duì)于纖維含量的增加，沖擊強(qiáng)度也有顯著增加。試驗(yàn)結(jié)果還表明，當(dāng)纖維含量增加時(shí)，得到非常高的平均殘余強(qiáng)度(ARS)(ASTM C1399)，ARS值增加。對(duì)于0.5體積％、1.0體積％、1.5體積％、2.0體積％的纖維含量，ARS值分別為234psi(16.45kg/cm2)、451psi(31.71kg/cm2)、454psi(31.92kg/cm2)和654psi(45.98kg/cm2)?？傊酝戎亓炕虺杀净A(chǔ)比較，摻有本發(fā)明纖維的增強(qiáng)混凝土的性能類似于和/或好于用市場(chǎng)上可得到的最好鋼纖維增強(qiáng)的混凝土。進(jìn)行下面的性能相關(guān)試驗(yàn)以測(cè)定本發(fā)明纖維的物理特性1)具有不同纖維用量的新澆混凝土的性能；2)硬化混凝土的性能如壓縮強(qiáng)度、靜態(tài)模量、靜態(tài)抗彎強(qiáng)度和容重；3)借助負(fù)荷撓度曲線通過(guò)ASTM方法的韌度指數(shù)；4)四種纖維增強(qiáng)混凝土的負(fù)荷撓度曲線的比較；5)按照J(rèn)apanese Society of Civil Engineers規(guī)范計(jì)算的韌度因子和等效抗彎強(qiáng)度的比較；和6)按照ASTM C1399試驗(yàn)過(guò)程評(píng)價(jià)由全部四種混合物制備的試樣的平均殘余強(qiáng)度(ARS)。
材料
在該實(shí)驗(yàn)中使用并測(cè)試本文描述的混雜纖維。使用滿足ASTM C150要求的I/II型普通波特蘭水泥。水泥由Dakotah Cement，South Dakota提供。使用的粗骨料為粉碎的石灰石，從Rapid City，South Dakota的本地源得到。所用骨料的最大尺寸為19mm(3/4”)，吸收率為0.45％。使用的細(xì)骨料為天然砂，水吸收系數(shù)為1.6％。粗骨料和細(xì)骨料都符合ASTM C33的分級(jí)要求。使用的水為Rapid City Municipal供水系統(tǒng)的自來(lái)水。
混合物
制備總共四種混合物。加入到混凝土的纖維用量為混凝土的0.5體積％、1.0體積％、1.5體積％和2.0體積％。對(duì)于具有0.5體積％和1.0體積％纖維的兩種混合物，水灰比保持恒定在0.5，對(duì)于具有更高纖維用量(1.5體積％和2.0體積％)的混凝土，水灰比增加到0.55?；旌衔锉壤兔Q提供在下面的表4中。
混合過(guò)程
在9立方英尺容量的混合機(jī)中進(jìn)行全部混合。精確稱量纖維并存放在單獨(dú)的塑料容器中。首先制備緩沖混合物。接著，將粗骨料加入到混合機(jī)內(nèi)。然后，加入砂和三分之二的水，并混合1分鐘。然后與其余的三分之一水一起加入水泥。加入本發(fā)明的纖維，混合成分3分鐘。3分鐘靜置期后，混合物經(jīng)歷2分鐘的最后混合階段以完全分布纖維。
測(cè)試試樣
由每種混合物澆注下面的試樣1)用于ASTM韌度試驗(yàn)的四個(gè)101×101×356mm(4英寸×4英寸×14英寸)梁；2)用于ARS試驗(yàn)(ASTM C1399)的四個(gè)101×101×356mm(4英寸×4英寸×14英寸)梁；3)用于壓縮強(qiáng)度和靜態(tài)模量的三個(gè)152×304mm(6英寸×12英寸)柱；4)用于沖擊試驗(yàn)的10個(gè)152×63mm(6英寸×2.5英寸)柱。按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)澆注試樣，并在室溫下用塑料薄膜蓋24小時(shí)。然后將試樣放在石灰飽和的保持在22.22℃(72°F)的水槽中，并保持在水中直到測(cè)試它們的14天強(qiáng)度。
新澆混凝土測(cè)試
測(cè)試新混合混凝土的坍落度(ASTM C143)、含氣量(ASTM C231)、新澆混凝土容重(ASTM C138)和混凝土溫度。沒(méi)有觀察到由于加入纖維引起的成球或離析。
硬化混凝土測(cè)試
1.靜態(tài)模量和壓縮強(qiáng)度
測(cè)試柱在28天時(shí)的靜態(tài)模量(ASTM C649)和壓縮強(qiáng)度(ASTM C39)。
2.靜態(tài)彎曲試驗(yàn)
在28天時(shí)測(cè)試梁的靜態(tài)抗彎強(qiáng)度(ASTM C1018)?？缍染嚯x為12英寸(30.5cm)。這個(gè)試驗(yàn)為撓度控制的試驗(yàn)。按照ASTM C1018，撓曲速率保持在0.002-0.004英寸/分鐘(0.005-0.010厘米/分鐘)的范圍內(nèi)。記錄每個(gè)梁的初裂處負(fù)荷和達(dá)到的最大負(fù)荷。由得到的負(fù)荷和撓度，繪制負(fù)荷-撓度曲線，通過(guò)ASTM方法從其計(jì)算韌度指數(shù)和殘余強(qiáng)度因子。
使用符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)裝置進(jìn)行撓度測(cè)量。使用專門設(shè)計(jì)的框架安裝千分表。這個(gè)框架只在四個(gè)點(diǎn)處被支撐，并在支撐物上方的中性軸上。固定千分表使得它能接觸底面的中心點(diǎn)。這種布置允許測(cè)量排除任何由混凝土在支撐和負(fù)荷點(diǎn)處粉碎引起的額外變形和試驗(yàn)框架中引起的任何變形和應(yīng)變的真實(shí)撓度。由于撓度是在中點(diǎn)處測(cè)量，因此梁的任何輕微翹曲或扭曲都不影響測(cè)量的真實(shí)撓度。因而測(cè)量的撓度是梁的真實(shí)撓度。
3.負(fù)荷撓度行為
曲線下的面積代表梁吸收的能量。對(duì)于初裂前和初裂后的數(shù)據(jù)都繪制負(fù)荷撓度曲線。通過(guò)使用這些曲線計(jì)算韌度指數(shù)和殘余強(qiáng)度指數(shù)。
4.彎曲韌度(能量吸收)
通過(guò)加入纖維可相當(dāng)大地提高混凝土的韌度或能量吸收。韌度指數(shù)為在斷裂模量試驗(yàn)中撓曲100mm(4英寸)梁所需能量量的度量。控制纖維增強(qiáng)混凝土韌度指數(shù)的最重要變量為纖維效率。影響韌度指數(shù)的其它參數(shù)為裂縫位置、纖維類型、纖維的縱橫比、體積分?jǐn)?shù)和分布。利用纖維抽出基材的阻力控制纖維效率，阻力是由于纖維基材界面處的粘結(jié)強(qiáng)度形成的。與可能發(fā)生的較快速和突變失效(如果纖維是脆性的并具有很小或沒(méi)有伸長(zhǎng)率地在受拉時(shí)失效的話)相比，纖維的抽出型失效的優(yōu)點(diǎn)在于它是漸進(jìn)的和延性的。纖維抽出或斷裂取決于纖維的屈服強(qiáng)度、基材和纖維之間的粘結(jié)和固定。
韌度指數(shù)(ASTM C1018)為無(wú)因次參數(shù)，其定義或指紋圖示出負(fù)荷撓度曲線的形狀。根據(jù)三種使用壽命定義指數(shù)，并確定為初裂撓度的倍數(shù)。通過(guò)除負(fù)荷撓度曲線下直到初裂撓度的總面積計(jì)算指數(shù)。在初裂撓度的三倍處計(jì)算韌度指數(shù)I5。同樣，I10、I20和I30分別為直到初裂撓度5.5、10.5和15.5倍處的指數(shù)。
5.平均殘余強(qiáng)度試驗(yàn)
在對(duì)試樣加載前，設(shè)定壓板或十字頭移動(dòng)的速度為0.65+/-0.15mm/min(0.025+/-0.005in/min)，必要時(shí)使用機(jī)械千分表。使樣品梁向相對(duì)于它的成型位置側(cè)轉(zhuǎn)，并放在鋼板的上面用試樣加負(fù)荷。板和梁被放在支撐裝置上，從而鋼板在下面的承重塊中心上，混凝土梁集中在鋼板上。根據(jù)選擇的裝置調(diào)整位移傳感器以得到凈撓度。在試驗(yàn)中使用Mega-Dac數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(注不銹鋼板的目的是在初始負(fù)荷循環(huán)中支撐試驗(yàn)梁并幫助控制開(kāi)裂時(shí)預(yù)料的試樣高撓曲速度。在鋼板中設(shè)置中心孔以容納放置直接靠著試樣底部的位移傳感器探針。)
激活數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，它響應(yīng)全部負(fù)荷和位移傳感器的信號(hào)。然后，以設(shè)定速度為試樣和鋼板組合加負(fù)荷，并持續(xù)負(fù)荷直到試樣開(kāi)裂或達(dá)到0.50mm(0.02in)的撓度，無(wú)論哪個(gè)首先發(fā)生。如果在這個(gè)階段沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂，則試驗(yàn)被視為無(wú)效。按照試驗(yàn)方法C78，不使用最大負(fù)荷計(jì)算斷裂模量，因?yàn)檫@種負(fù)荷包括鋼板以及混凝土試樣帶來(lái)的負(fù)荷。
預(yù)想到只為開(kāi)裂的梁試樣重新加負(fù)荷，移去鋼板，開(kāi)裂的梁放到下面的承重塊中心上，承重塊保持與在初始加載試驗(yàn)循環(huán)期間相同的方向。按照得到凈撓度的選定方法調(diào)整位移傳感器輕微接觸梁樣品，從而當(dāng)梁再負(fù)荷時(shí)立即得到讀數(shù)。使撓度記錄裝置再次回到零，并在規(guī)定速度下再加負(fù)荷。在從再負(fù)荷開(kāi)始測(cè)量的撓度為1.25mm(0.50in)時(shí)終止試驗(yàn)。
使用Excel包繪制圖形，通過(guò)下面給出的式計(jì)算殘余強(qiáng)度。
試驗(yàn)儀器和設(shè)置
試驗(yàn)儀器滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)。使用專門設(shè)計(jì)的框架安裝具有0.0025-mm(0.0001-in)分辨度的千分表。該框架只支撐在四個(gè)點(diǎn)上，并位于支撐的中性軸上。固定千分表使得它正接觸底面的中心點(diǎn)。這種布置使真實(shí)撓度的測(cè)量成為可能，排除了任何由于混凝土在支撐和負(fù)荷點(diǎn)的粉碎引起的額外變形和任何在試驗(yàn)框架中誘導(dǎo)的變形和應(yīng)變。由于撓度是在中心點(diǎn)處測(cè)得，因此梁的任何輕微翹曲或扭曲都不會(huì)影響測(cè)量的真實(shí)撓度。除了千分表外，還安裝LVDT，并通過(guò)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)記錄撓度。這些讀數(shù)用于校驗(yàn)千分表讀數(shù)。
計(jì)算
使用下式計(jì)算再負(fù)荷撓度為0.50、0.75、1.00和1.25mm(0.02、0.03、0.04和0.05in)時(shí)負(fù)荷的平均殘余強(qiáng)度
ARS＝((PA+PB+PC+PD)/4)×K
其中K＝1/bd2，mm-2(in-2)
和ABS＝平均殘余強(qiáng)度，Mpa(psi)
PA+PB+PC+PD＝指定撓度時(shí)的記錄負(fù)荷，N(1bt)
1＝跨度長(zhǎng)度，mm(in)
b＝試樣平均寬度，mm(in)和
d＝試樣平均深度，mm(in)
沖擊試驗(yàn)
通過(guò)落錘試驗(yàn)方法(ACI Committee 544)測(cè)試試樣在陳化14天時(shí)的沖擊強(qiáng)度。在這種方法中，設(shè)備由標(biāo)準(zhǔn)手動(dòng)操作的具有457mm(18in)落差(drop)的4.54kg(101bs)重物(壓實(shí)工具)、63.5mm(2-1/2in)直徑的硬化鋼球、具有定位支架和四個(gè)定位突緣的扁鋼底座組成。將試樣放在底座上，它的粗糙表面向上。將硬化鋼球放在試樣上面并在四個(gè)定位支架內(nèi)。放置壓實(shí)工具，其底在鋼球上。在平的剛性表面上進(jìn)行試驗(yàn)以最小化能量損失。使錘連續(xù)降落，記錄在試樣上導(dǎo)致第一個(gè)可見(jiàn)裂縫需要的擊打次數(shù)。還用使裂縫充分?jǐn)嚅_(kāi)從而試樣片接觸底座上四個(gè)定位突緣中至少三個(gè)所需要的擊打次數(shù)來(lái)記錄試樣至最終斷裂的沖擊阻力。
試驗(yàn)結(jié)果
1.新澆混凝土性能
記錄室內(nèi)溫度、濕度和混凝土溫度，確保所有混合在相似條件下進(jìn)行。室內(nèi)溫度和濕度分別在65°F-85°F和35％-45％的范圍內(nèi)變化?；炷翜囟葟?5變化到73°F(18.3-22.8℃)。較高量纖維混凝土的容重稍微低于具有較低纖維量的混凝土。新澆混凝土性能提供在表5中。
2.可加工性
試驗(yàn)結(jié)果表明，即使加入纖維，也能保持令人滿意的可加工性?；炷猎诩s40-45分鐘內(nèi)開(kāi)始硬化。纖維混合良好并均勻地分布在整個(gè)混凝土中。總之，沒(méi)有橋連、泛漿或離析。即使坍落度值隨著纖維的加入表現(xiàn)出降低趨勢(shì)，在使用臺(tái)式振動(dòng)器放置并搗實(shí)混凝土中也沒(méi)有遇到困難。
3.含氣量
含氣量從1.4到1.8％。沒(méi)有使用加氣劑。因此測(cè)得的空氣被認(rèn)為是殘存空氣。
硬化混凝土性能
1.壓縮強(qiáng)度&靜態(tài)模量試驗(yàn)
壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果列在表6中，并顯示存在壓縮強(qiáng)度變化。壓縮強(qiáng)度取決于水灰比和含氣量。如果水灰比較低，則壓縮強(qiáng)度將較高。同樣，如果含氣量較高，則壓縮強(qiáng)度將較低。具有0.50w/c比的混合物E1和E2的平均壓縮強(qiáng)度分別為4960psi(349kg/cm2)和4760psi(335kg/cm2)。這種輕微變化在混凝土試驗(yàn)預(yù)料的正常變化內(nèi)。具有0.55w/c比的混合物E3和E4的平均壓縮強(qiáng)度分別為3570psi(251kg/cm2)和3860psi(271kg/cm2)。
由于混凝土壓縮強(qiáng)度變化，為了比較在相等壓縮強(qiáng)度基礎(chǔ)上的所有混凝土混合物的抗彎強(qiáng)度、初裂強(qiáng)度和初裂韌度，使用歸一化過(guò)程。在混合物E1的壓縮強(qiáng)度上進(jìn)行比較，E1為4960psi(349kg/cm2)。在文獻(xiàn)和代碼中已很好地確立混凝土的抗彎強(qiáng)度與混凝土壓縮強(qiáng)度的平方根成比例地變化(ACI代碼318)。因此，為了計(jì)算歸一化抗彎強(qiáng)度，使用下面的方程。
其中fra為實(shí)際測(cè)量的抗彎強(qiáng)度，f’c為這種具體混凝土的壓縮強(qiáng)度。表7-9中給出的值為歸一化值。與素混凝土的脆性斷裂相比，在測(cè)試壓縮強(qiáng)度的同時(shí)觀察到韌性斷裂模式。纖維增強(qiáng)的混凝土柱繼續(xù)支撐負(fù)荷并經(jīng)歷變形而沒(méi)有完全斷成塊。斷裂模式從脆性斷裂到韌性斷裂的變化主要?dú)w功于纖維的加入。
靜態(tài)模量試驗(yàn)主要作為質(zhì)量控制的手段。結(jié)果表明，混合物相當(dāng)一致，纖維的加入對(duì)靜態(tài)模量沒(méi)有影響。靜態(tài)模量值提供在表6中。
2.靜態(tài)抗彎強(qiáng)度(斷裂模量)
靜態(tài)抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果、初裂負(fù)荷、最終負(fù)荷和彎曲應(yīng)力提供在表7中。當(dāng)纖維混凝土梁在彎曲下被施加負(fù)荷時(shí)，行為大致為線性，直到初裂，然后曲線為顯著非線性的，并在極限強(qiáng)度處或在最大持續(xù)負(fù)荷處達(dá)到它的峰值。相反，對(duì)照(素)混凝土梁將在初裂出現(xiàn)時(shí)立即斷裂，因此初裂強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度(斷裂模量)對(duì)于對(duì)照混凝土是一樣的。顯著影響抗彎強(qiáng)度和韌度的因素是纖維類型和纖維體積。初裂強(qiáng)度變化對(duì)纖維含量示于圖7中。如圖所示，當(dāng)纖維含量從0.5％增加到2.0％時(shí)，初裂強(qiáng)度增加。斷裂模量(靜態(tài)抗彎強(qiáng)度)對(duì)纖維含量示于圖8。如圖所示，對(duì)于1.5％和2.0％的纖維含量，抗彎強(qiáng)度顯著增加?；旌衔顴1和E2的平均抗彎強(qiáng)度分別為643psi(45kg/cm2)和658psi(46kg/cm2)，而對(duì)于混合物E3和E4，強(qiáng)度分別為720psi(51kg/cm2)和731psi(51kg/cm2)，有13.7％的增加。
3.ASTM韌度指數(shù)和殘余強(qiáng)度
計(jì)算的ASTM韌度指數(shù)和殘余強(qiáng)度提供在表8中。初裂韌度對(duì)纖維含量示于圖9，ASTM韌度指數(shù)I5、I10、I20和I30示于圖10。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)向混凝土中加入本發(fā)明的纖維時(shí)，混凝土的韌度和延性提高。此外，試驗(yàn)結(jié)果表明，較高的纖維含量產(chǎn)生較高的韌度和延性。
4.計(jì)算彎曲韌度因子和等效抗彎強(qiáng)度的日本標(biāo)準(zhǔn)方法
除了ASTM C-1018韌度指數(shù)外，還計(jì)算所有試樣的由Japanese SocietyofCivil Engineers(JSCE)指定的等效抗彎強(qiáng)度和彎曲韌度，并提供在表9中。日本韌度和等效彎曲強(qiáng)度隨纖維含量從0.5體積％增加到2.0體積％的變化分別示于圖11和12。結(jié)果表明，存在韌度和等效抗彎強(qiáng)度隨纖維含量增加而增加的非常清楚的指示，并且這種增加與纖維含量的增加大致成線性。當(dāng)纖維含量從0.5％增加到2.0％時(shí)，韌度從108in-1bs(1.24kg-m)增加到304in-1bs(3.5kg-m)。纖維含量從0.5％增加到2.0％時(shí)，等效抗彎強(qiáng)度從244psi(17.2kg/cm2)增加到679psi(47.7kg/cm2)。
5.沖擊強(qiáng)度
落錘(ACI Committee 544)沖擊試驗(yàn)結(jié)果提供在表10中。初裂和最終斷裂的沖擊次數(shù)對(duì)纖維含量示于圖14。通過(guò)較簡(jiǎn)單的試驗(yàn)，如果測(cè)試較多的10個(gè)試樣，則平均值定性地代表材料耐沖擊性的良好指標(biāo)。試驗(yàn)每種混凝土的試樣，平均值繪制在圖14中。耐沖擊性隨纖維含量的增加而相當(dāng)大地增加。從前面的試驗(yàn)已明確得知，素混凝土耐沖擊性將是具有0.25-2.0體積％的纖維混凝土耐沖擊性的1/6至1/15。
6.平均殘余強(qiáng)度
試驗(yàn)四個(gè)梁的纖維含量。梁的平均寬度和深度、在撓度為0.50、0.75、1.0和1.25mm(0.020、0.030、0.040、0.050英寸)時(shí)再負(fù)荷得到的負(fù)荷和平均殘余強(qiáng)度(ARS)提供在表11中。通過(guò)再負(fù)荷和再試驗(yàn)預(yù)開(kāi)裂梁(沒(méi)有鋼板)得到的負(fù)荷-撓度曲線提供在圖15-26中。全部四種纖維增強(qiáng)混凝土的計(jì)算ARS值示于圖7中。試驗(yàn)結(jié)果表明，平均殘余強(qiáng)度隨纖維含量增加而相當(dāng)大地增加。對(duì)于0.5、1.0、1.5和2.0體積％的纖維含量，ARS值分別為234psi(16.5kg/cm2)、451psi(31.7kg/cm2)、454psi(31.9kg/cm2)和654psi(46.0kg/cm2)。當(dāng)纖維含量從0.5體積％增加到2.0體積％時(shí)，可看到獲得180％的ARS增加。
由于ARS值只歸因于纖維的影響，與混凝土的壓縮強(qiáng)度無(wú)關(guān)，因此ARS值未被歸一化?；旌衔顴1(具有0.5％的纖維)和E2(具有1.0％的纖維)分別具有4960psi和4760psi的壓縮強(qiáng)度，而混合物E3(具有1.5％的纖維)和E4(具有2.0％的纖維)具有較低的壓縮強(qiáng)度，分別為3570psi(251kg/cm2)和3860psi(271kg/cm2)。盡管這些壓縮強(qiáng)度較低，觀察到了ARS的顯著增加。
結(jié)論
上面討論的試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)致下面的結(jié)論和觀察。首先，可在混凝土中摻入本發(fā)明的混雜纖維高達(dá)2.0體積％，而不會(huì)導(dǎo)致任何成球、堵塞和離析。另外，利用加入用量為0.5、1.0、1.5和2.0體積％的四種纖維含量，保持了令人滿意的可加工性。與素混凝土相比，初裂強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和ASTM韌度與日本韌度值都有相當(dāng)大的增加。初裂強(qiáng)度隨較高的纖維含量增加。此外，與素混凝土相比，當(dāng)本發(fā)明的纖維摻入到混凝土中時(shí)，耐沖擊性大大提高。耐沖擊性隨纖維含量增加而提高。重要地是，通過(guò)使用本發(fā)明的纖維獲得的耐沖擊性與具有體積百分比纖維含量的最好鋼纖維增強(qiáng)混凝土相同或高于它。另外，對(duì)于使用本發(fā)明纖維的全部纖維增強(qiáng)混凝土混合物，當(dāng)被壓縮或彎曲時(shí)，斷裂模式從脆性斷裂變?yōu)轫g性斷裂。這種韌性隨纖維含量增加而增加。此外，摻有本發(fā)明纖維的混凝土按ASTM C1399試驗(yàn)過(guò)程計(jì)算的平均殘余強(qiáng)度(ARS)非常高，這表明纖維在支撐開(kāi)裂后負(fù)荷上非常有效。ARS值隨纖維含量增加而增加。當(dāng)纖維含量從0.5體積％增加到2.0體積％時(shí)，ARS值增加180％。盡管壓縮強(qiáng)度從4960psi(349kg/cm2)降低到3860psi(271kg/cm2)，但仍發(fā)生這種增加。因此，在相等重量或成本基礎(chǔ)上比較，本發(fā)明的纖維增強(qiáng)混凝土混合物的性能類似于或超過(guò)用市場(chǎng)上可得到的最好鋼纖維增強(qiáng)的混凝土。
表4
混合物比例
表5
新澆混凝土性能
SI單位轉(zhuǎn)換
1in＝2.54cm
°F＝5/9(°F-32)℃
ft3＝0.02832m3
lb/ft3＝16.02kg/m3
表6
圓柱體壓縮強(qiáng)度和靜態(tài)模量
SI單位轉(zhuǎn)換
1inch＝2.54cm1lb＝0.4536kg
1psi＝703kg/m2 lb/ft3＝16.02kg/m3
表7
初裂強(qiáng)度和最大抗彎強(qiáng)度-14天
SI單位轉(zhuǎn)換
1inch＝25.4mm1lb＝0.4536kg1psi＝703kg/m2
表8
ASTM-韌度指數(shù)-14天
轉(zhuǎn)換因子1in-lb＝0.113Nm
表9
日本標(biāo)準(zhǔn)-韌度&等效抗彎強(qiáng)度-14天
*作為非正常值刪除
轉(zhuǎn)換因子
1psi＝703kg/m2
1in-lb＝0.113Nm
表10
沖擊試驗(yàn)結(jié)果-14天
表11
平均殘余強(qiáng)度(ARS)
SI單位轉(zhuǎn)換因子
1inch＝25.4mm1lb＝0.4536kg1psi＝703kg/m2
如上所述，期待本發(fā)明的纖維組合物的實(shí)施方案能為各種膠結(jié)材料包括瀝青基材料提供改進(jìn)的性能。例如，在瀝青路面試驗(yàn)片中使用量為約2.0至約3.3磅/噸的本發(fā)明實(shí)施方案連同油乳劑和骨料(3/8”(1cm)石灰石碎片)，并監(jiān)測(cè)由典型環(huán)境磨損和使用引起的表面損傷和破壞。試驗(yàn)片為全寬度(路面邊緣到路面邊緣)。沒(méi)有使用本發(fā)明纖維組合物的冷拌混合料瀝青路面出現(xiàn)了表面損傷，如在斜坡、轉(zhuǎn)彎和新鋪設(shè)道路的陰暗區(qū)上散開(kāi)。表面損傷是由歸因于重型車軸負(fù)荷如卡車和農(nóng)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)輸?shù)目v向和橫向分離引起的。道路養(yǎng)護(hù)車輛如掃雪機(jī)和它們的除雪方法加重了表面損傷。試驗(yàn)結(jié)果表明，確實(shí)使用了本發(fā)明纖維組合物的瀝青路面區(qū)域相對(duì)于沒(méi)有使用用本發(fā)明纖維組合物增強(qiáng)的瀝青材料的路面區(qū)域，表現(xiàn)出小的或沒(méi)有縱橫或橫向分離。在冷拌混合料瀝青中，認(rèn)為本發(fā)明的實(shí)施方案可提高路面使用期限從兩年到三年到高達(dá)十年。
上述實(shí)施例說(shuō)明，本發(fā)明的混雜纖維當(dāng)用于建筑材料如膠結(jié)材料時(shí)，能與大多數(shù)或全部現(xiàn)有技術(shù)的增強(qiáng)纖維包括鋼增強(qiáng)纖維表現(xiàn)一樣好或更好。此外，上述試驗(yàn)說(shuō)明，較少含量的纖維就能提供大大改善的結(jié)果。這些觀察是令人驚奇和未曾預(yù)料的。
本發(fā)明的合成纖維增強(qiáng)材料和形成它的方法可用于形成由例如膠結(jié)材料形成的建筑材料，這種建筑材料表現(xiàn)出降低的滲透性、提高的疲勞強(qiáng)度、提高的韌度和減少的塑性收縮。
盡管上述描述已必要地提供了有限量的發(fā)明實(shí)施方案，但相關(guān)領(lǐng)域中的那些普通技術(shù)人員能認(rèn)識(shí)到，本領(lǐng)域技術(shù)人員可對(duì)為說(shuō)明本發(fā)明特征而在本文中描述和圖示的構(gòu)造、組成、細(xì)節(jié)、材料和元件布置進(jìn)行各種變化，所有這種變化都保持在本文附加權(quán)利要求中所表達(dá)的發(fā)明原理和范圍內(nèi)。另外，盡管上述詳細(xì)描述涉及到增強(qiáng)纖維摻入到膠結(jié)材料如混凝土和瀝青中的實(shí)施方案，但應(yīng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明具有更寬泛的應(yīng)用，例如可與能摻入合適增強(qiáng)纖維的全部建筑材料結(jié)合使用。本發(fā)明的所有這種另外應(yīng)用也都在附加權(quán)利要求所體現(xiàn)的發(fā)明原理和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用作膠結(jié)材料用增強(qiáng)物的合成纖維混合物，包括
被原纖維化并由均聚物材料形成的第一纖維組分；和
第二合成纖維組分，第二合成纖維組分為與第一纖維組分分離的共聚物，并為纏繞形成非互連束的多根單絲，其中纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
2.權(quán)利要求1的合成混合物，其中向合成混合物中加入量為約5wt％至約50wt％的第一纖維組分，和向合成混合物中加入量為約95wt％的第二纖維組分。
3.權(quán)利要求1的合成混合物，其中第二纖維組分在沒(méi)有潤(rùn)濕劑時(shí)被纏繞形成非互連束。
4.權(quán)利要求1的合成混合物，其中在沒(méi)有潤(rùn)濕劑時(shí)混合第一纖維組分和第二纖維組分。
5.權(quán)利要求1的合成混合物，其中第二纖維組分的纏繞程度小于約2.2匝/英寸(約0.87匝/cm)。
6.權(quán)利要求1的合成混合物，其中第二纖維組分的纏繞程度從大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)到約1.1匝/英寸(約0.43匝/cm)。
7.權(quán)利要求1的合成混合物，其中第二纖維組分的纏繞程度為約1.1匝/英寸(約0.43匝/cm)。
8.一種用作膠結(jié)材料用增強(qiáng)物的合成纖維混合物，包括
由聚丙烯均聚物形成并由原纖維化形式的纖維組成的第一纖維組分；和
第二纖維組分，其與第一纖維組分分離，由聚丙烯和高密度聚乙烯的共聚物形成，并由已被纏繞的單絲的束組成，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
9.權(quán)利要求8的合成混合物，其中第二纖維組分的纏繞程度小于約2.2匝/英寸(約0.87匝/cm)。
10.權(quán)利要求8的合成混合物，其中第二纖維組分的纏繞程度從大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)到約1.1匝/英寸(約0.43匝/cm)。
11.權(quán)利要求8的合成混合物，其中第二纖維組分的纏繞程度為約1.1匝/英寸(約0.43匝/cm)。
12.一種用作膠結(jié)材料用增強(qiáng)物的合成纖維混合物，包括
由均聚物聚丙烯纖維形成的第一原纖維化纖維組分；和
與第一纖維組分分離的第二纖維組分，第二纖維組分為由聚丙烯和高密度聚乙烯形成的共聚物，第二纖維組分為纏繞形成非互連束的多根單絲，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
13.權(quán)利要求12的合成混合物，其中第二纖維組分的纏繞程度小于約2.2匝/英寸(約0.87匝/cm)。
14.權(quán)利要求12的合成混合物，其中第二纖維組分的纏繞程度從大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)到約1.1匝/英寸(約0.43匝/cm)。
15.權(quán)利要求12的合成混合物，其中第二纖維組分的纏繞程度為約1.1匝/英寸(約0.43匝/cm)。
16.權(quán)利要求12的合成纖維混合物，其中在合成纖維混合物中存在量為總重量的約5％至約50％的第一纖維組分。
17.權(quán)利要求12的合成纖維混合物，其中第一纖維組分為約100至約20000但尼爾/單絲。
18.權(quán)利要求12的合成纖維混合物，其中在合成纖維混合物中存在量為總重量的約50％至約95％的第二纖維組分。
19.權(quán)利要求12的合成纖維混合物，其中第二纖維組分由為約350至約6000但尼爾/單絲的一種或多種非原纖維化單絲制成。
20.權(quán)利要求12的合成纖維混合物，其中第一纖維組分具有約19至約60mm的纖維長(zhǎng)度，第二纖維組分具有約19至約60mm的纖維長(zhǎng)度。
21.權(quán)利要求20的合成纖維混合物，其中第一纖維組分和第二纖維組分具有大約相同的纖維長(zhǎng)度。
22.權(quán)利要求12的合成混合物，其中第二纖維組分的單絲在沒(méi)有潤(rùn)濕劑時(shí)被纏繞。
23.權(quán)利要求12的合成混合物，其中第一纖維組分和第二纖維組分在沒(méi)有潤(rùn)濕劑時(shí)被混合。
24.一種用作膠結(jié)材料用增強(qiáng)物的合成纖維混合物，包括
由均聚物聚丙烯纖維形成的第一原纖維化纖維組分；和
與第一纖維組分分離的第二纖維組分，第二纖維組分為由主要量的聚丙烯和次要量的高密度聚乙烯形成的共聚物，第二纖維組分為被纏繞形成非互連束的多根單絲，其中纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)；
在合成纖維混合物中存在量為總重量的約5％至約50％的第一纖維組分，和在合成纖維混合物中存在量為總重量的約50％至約95％的第二纖維組分。
25.權(quán)利要求24的合成纖維混合物，其中第二纖維組分的纏繞程度小于約2.2匝/英寸(約0.87匝/cm)。
26.權(quán)利要求24的合成纖維混合物，其中第二纖維組分的纏繞程度從大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)到約1.1匝/英寸(約0.43匝/cm)。
27.權(quán)利要求24的合成纖維混合物，其中第二纖維組分的纏繞程度為約1.1匝/英寸(約0.43匝/cm)。
28.權(quán)利要求24的合成纖維混合物，其中第一纖維組分為約100至約20000但尼爾/單絲，第二纖維組分為約350至約6000但尼爾/單絲。
29.權(quán)利要求24的合成纖維混合物，其中第一纖維組分為纖維長(zhǎng)度為約19至約60mm的原纖維化纖維，第二纖維組分為纖維長(zhǎng)度為約19至約60mm的非原纖維化單絲形式。
30.權(quán)利要求24的合成纖維混合物，其中合成混合物中存在總重量的約6.7％的第一纖維組分，合成纖維混合物中存在總重量的約93.3％的第二纖維組分。
31.權(quán)利要求24的合成纖維混合物，其中第二纖維由約70至80wt％聚丙烯和約20至約30wt％的高密度聚乙烯形成。
32.權(quán)利要求24的合成纖維混合物，其中第二纖維組分的單絲在沒(méi)有潤(rùn)濕劑時(shí)被纏繞。
33.一種增強(qiáng)膠結(jié)材料，包括
分布在整個(gè)膠結(jié)材料基材中的合成纖維混合物，該合成纖維混合物包括
由均聚物聚丙烯纖維形成的第一纖維組分；和
與第一纖維組分分離的第二纖維組分，第二纖維組分為由聚丙烯和高密度聚乙烯形成的共聚物，第二纖維組分為纏繞形成非互連束的多根單絲，其中纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
34.權(quán)利要求33的增強(qiáng)膠結(jié)材料，其中纏繞程度小于約2.2匝/英寸(約0.87匝/cm)。
35.權(quán)利要求33的增強(qiáng)膠結(jié)材料，其中纏繞程度從大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)到約1.1匝/英寸(約0.43匝/cm)。
36.權(quán)利要求33的增強(qiáng)膠結(jié)材料，其中纏繞程度為約1.1匝/英寸(約0.43匝/cm)。
37.權(quán)利要求33的增強(qiáng)膠結(jié)材料，其中第一纖維組分為被原纖維化的，在合成纖維混合物中的存在量為總重量的約5％至約50％，第二纖維組分由一種或多種纏繞的非原纖維化單絲組成，在合成纖維混合物中的存在量為總重量的約50％至約95％。
38.權(quán)利要求33的增強(qiáng)膠結(jié)材料，其中合成混合物中存在總重量的約6.7％的第一纖維組分，合成纖維混合物中存在總重量的約93.3％的第二纖維組分。
39.權(quán)利要求33的增強(qiáng)膠結(jié)材料，其中膠結(jié)材料中合成纖維混合物的存在量為約0.1體積％至約2.0體積％。
40.權(quán)利要求33的增強(qiáng)膠結(jié)材料，其中膠結(jié)材料中合成纖維混合物的存在量為約0.5體積％至約2.0體積％。
41.權(quán)利要求33的增強(qiáng)膠結(jié)材料，其中膠結(jié)材料中合成纖維混合物的存在量為約0.3體積％至約2.0體積％。
42.權(quán)利要求33的增強(qiáng)膠結(jié)材料，其中膠結(jié)材料為增強(qiáng)混凝土。
43.權(quán)利要求33的增強(qiáng)膠結(jié)材料，其中膠結(jié)材料為增強(qiáng)瀝青。
44.一種形成合成纖維混合物的方法，包括
混合第一纖維組分和第二纖維組分，第一纖維組分為原纖維化的并由均聚物聚丙烯纖維形成，第二纖維組分與第一纖維組分分離，并為聚丙烯和高密度聚乙烯的共聚物，第二纖維組分被纏繞形成纖維束，纏繞程度大于約0.9匝/英寸。
45.權(quán)利要求44的方法，其中纏繞程度小于約2.2匝/英寸(約0.87匝/cm)。
46.權(quán)利要求44的方法，其中纏繞程度從大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)到約1.1匝/英寸(約0.43匝/cm)。
47.權(quán)利要求44的方法，其中纏繞程度為約1.1匝/英寸(約0.43匝/cm)。
48.權(quán)利要求44的方法，其中第一纖維組分在合成纖維混合物中的存在量為總重量的約5％至約50％，第二纖維組分在合成纖維混合物中的存在量為總重量的約50％至約95％。
49.權(quán)利要求44的方法，其中合成混合物中存在總重量的約6.7％的第一纖維組分，合成纖維混合物中存在總重量的約93.3％的第二纖維組分。
50.權(quán)利要求44的方法，其中第一纖維組分是被原纖維化的，第二纖維組分由非原纖維化單絲的多個(gè)絞線的纏繞束組成，所述第一和第二纖維組分長(zhǎng)度基本相同，其中各自具有約19至60mm的長(zhǎng)度。
51.一種增強(qiáng)材料的方法，包括
混合合成纖維混合物和膠結(jié)材料，合成纖維混合物包括第一纖維組分和第二纖維組分，第一纖維組分為原纖維化的并由均聚物聚丙烯纖維形成，第二纖維組分與第一纖維組分分離，并為由主要量的聚丙烯和次要量的高密度聚乙烯形成的共聚物，第二纖維組分被纏繞形成纖維束，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。
52.權(quán)利要求51的方法，其中纏繞程度小于約2.2匝/英寸(約0.87匝/cm)。
53.權(quán)利要求51的方法，其中纏繞程度從大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)到約1.1匝/英寸(約0.43匝/cm)。
54.權(quán)利要求51的方法，其中纏繞程度為約1.1匝/英寸(約0.43匝/cm)。
55.權(quán)利要求51的方法，其中第一纖維組分在合成纖維混合物中的存在量為總重量的約5％至約50％，第二纖維組分在合成纖維混合物中的存在量為總重量的約50％至約95％。
56.權(quán)利要求51的方法，其中合成混合物中存在總重量的約6.7％的第一纖維組分，合成纖維混合物中存在總重量的約93.3％的第二纖維組分。
57.權(quán)利要求51的方法，其中膠結(jié)材料為混凝土。
58.權(quán)利要求51的方法，其中膠結(jié)材料為瀝青。
59.權(quán)利要求51的方法，其中向膠結(jié)材料中加入足量的合成纖維以增加材料的沖擊強(qiáng)度。
60.權(quán)利要求59的方法，其中以總體積計(jì)向膠結(jié)材料中加入量為約0.1％至約2.0％的合成纖維。
61.權(quán)利要求60的方法，其中以總體積計(jì)向膠結(jié)材料中加入量為約0.5％至約2.0％的合成纖維。
62.權(quán)利要求51的方法，其中向材料中加入量為總體積的約0.5％至約2.0％的合成纖維提供了比素混凝土沖擊強(qiáng)度提高至少6倍的沖擊強(qiáng)度。
63.權(quán)利要求51的方法，其中第一纖維組分為原纖維化纖維，第二纖維組分由非原纖維化單絲的多個(gè)絞線的纏繞束組成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種合成纖維和它的使用和形成方法。本發(fā)明可包括作為由非原纖維化單絲的多個(gè)絞線組成的纏繞束的纖維組分，纏繞程度大于約0.9匝/英寸(約0.36匝/cm)。本發(fā)明還可包括與纏繞纖維組分分離的原纖維化的另一纖維組分。
文檔編號(hào)D02G3/00GK1802254SQ200380110398
公開(kāi)日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2003年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月1日
發(fā)明者杰弗里·B·洛維特, 丹尼爾·T·比德?tīng)? 小查爾斯·H·皮茨 申請(qǐng)人:福塔股份有限公司