本發(fā)明涉及一種纖維材料，特別涉及一種螺旋纖維。

背景技術(shù)：

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(guò)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(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，從而提升結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期使用性能。纖維的這種性能可以用來(lái)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(chǎng)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)要素：

本發(fā)明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(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(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(wú)量綱常數(shù)，2πc等于螺旋相鄰兩圈對(duì)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)G_I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；

WD_eq.為單線直徑，WD_eq.的范圍為0.1～1.2mm；

L_f為纖維長(zhǎng)度，L_f的范圍為4～60mm；

G_I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，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

采用本發(fā)明的技術(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(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)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為本發(fā)明一種螺旋纖維的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中萬(wàn)能測(cè)試機(jī)中夾持裝置的投影結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中萬(wàn)能測(cè)試機(jī)中夾持裝置的實(shí)體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中螺旋纖維的拉拔性能曲線圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中彎曲實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中采用螺旋纖維與市場(chǎng)現(xiàn)有纖維的混凝土塊的抗彎性能對(duì)比圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中臨界撓度測(cè)試裝置的示意圖；

圖8(a)、8(b)為本發(fā)明實(shí)施例中橫梁的臨界剪切力性能曲線圖；

圖9為本發(fā)明實(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(cè)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(duì)上述方案做進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例是用于說(shuō)明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。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。

本發(fā)明提供一種螺旋纖維，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(wú)量綱常數(shù)，2πc等于螺旋相鄰兩圈對(duì)應(yīng)點(diǎn)在中徑上的軸向距離。

參見(jiàn)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，WD_eq.為單線直徑，L_f為纖維長(zhǎng)度。

對(duì)于圓柱形和棱柱形的線材，WD_eq可通過(guò)式(3)來(lái)計(jì)算：

其中，A_wire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(lái)計(jì)算：

OD＝D+WDeq. (5)

纖維的幾何指數(shù)參數(shù)G_I為：

其中，N為纖維圓周的數(shù)量，OD為纖維外徑，WD_eq.為等效單線直徑，L_f為纖維長(zhǎng)度；優(yōu)選的N的范圍為0～40，OD的范圍為0.2～10mm，WD_eq.的范圍為0.1～1.2mm，L_f的范圍為4～60mm，G_I的范圍為0～20。

為了測(cè)試螺旋纖維的拉拔性能，利用萬(wàn)能測(cè)試機(jī)在纖維的兩端進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)，參見(jiàn)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(cè)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(guò)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(f_ck)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(cè)試?？箟涸囼?yàn)程序遵守BS EN 12390-3(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(jiàn)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(guò)“SD-N-OD-WD_eq-L_f”進(jìn)行標(biāo)識(shí)，說(shuō)明纖維的結(jié)構(gòu)為螺旋、圓周數(shù)量N、外徑OD、單線直徑WD_eq和長(zhǎng)度L_f，從圖4可見(jiàn)，螺旋纖維具有滑移硬化特性。

為了測(cè)試摻雜螺旋纖維的混凝土塊的抗彎性能，根據(jù)ASTM C1609/C1609M-12(2012)進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，使用閉環(huán)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)通過(guò)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(jiàn)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(zhǎng)度方向的兩側(cè)分別設(shè)置線性位移傳感器9以測(cè)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(guò)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)G_I＝0.82，鋼制f_u＝1500MPa，纖維體積含量(V_f)包括0.2％、0.35％、0.5％，和0.65％，以便檢驗(yàn)螺旋纖維對(duì)混凝土抗彎性能的影響。每種纖維體積含量澆鑄三個(gè)樣本進(jìn)行測(cè)試，并取平均值作為鋼纖維混凝土的抗彎性能值?；炷恋膱A柱體抗壓強(qiáng)度為35±2.8MPa，坍落26±3.5毫米。圖6表示了具有不同含量新纖維的SFRC試樣的平均載荷-撓度曲線(混凝土的平均設(shè)計(jì)圓柱體強(qiáng)度為35MPa)。纖維混凝土的彎曲特性在表2中提供。為了做比較，圖中還包括了具有0.5％體積含量的端鉤型鋼纖維和卷曲型鋼纖維的纖維混凝土試樣的結(jié)果。

纖維性混凝土塊的彎曲性能見(jiàn)表2，表2中¹斷裂模量；²彈性極限荷載；³開裂后荷載峰值；⁴凈撓度為10毫米時(shí)的殘余強(qiáng)度；⁵韌性(0-10毫米負(fù)載撓度曲線下面積)。

表2不同纖維含量的混凝土塊的彎曲性能

實(shí)施中，澆鑄兩組鋼筋混凝土橫梁，測(cè)試混凝土橫梁的臨界剪切力和臨界撓度，以測(cè)試螺旋纖維對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件整體性能的影響，采用四點(diǎn)載荷進(jìn)行測(cè)試，橫梁的尺寸為130毫米×165毫米x1200毫米，跨度距離為1100毫米，所有樣本截面的有效高度為140毫米。臨界剪切力實(shí)驗(yàn)中橫梁的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為纖維體積含量(V_f)、混凝土強(qiáng)度(fc_k)、縱向鋼筋配筋率(ρ)和剪跨和有效高度比(a/d)。在臨界撓度試驗(yàn)中橫梁采用不同的混凝土強(qiáng)度(f_ck)和縱向鋼筋配筋率(ρ)，其中提供充足的抗剪鋼筋，確保彎曲破壞模式。

臨界撓度橫梁樣本的試驗(yàn)設(shè)置和配筋方式如圖7所示，測(cè)試裝置包括滾動(dòng)底座11和加載輥12，橫梁13設(shè)置在滾動(dòng)底座11和加載輥12之間，在橫梁13的下方設(shè)置線性位移傳感器14，橫梁13內(nèi)設(shè)有錨筋15和抗拉鋼筋16。

在圖8(a)、8(b)和圖9中表示了來(lái)自每個(gè)類別(剪切破壞和彎曲破壞)的兩個(gè)梁的荷載-撓度關(guān)系，其中f_ck＝35±3.1MPa，V_f＝0.5％，圖8(a)、8(b)中剪切跨度與有效深度比分別為1.5和3。圖中還列出了使用市場(chǎng)上現(xiàn)有鋼纖維產(chǎn)品(端鉤型的和卷曲型的)的混凝土梁的荷載-撓度表現(xiàn)。沒(méi)有添加纖維的普通混凝土梁也列出作為參考。剪切破壞和撓曲破壞模式被標(biāo)記在梁的圖例中。例如，“BS-0.55-0.5-N-3”表示梁是剪切破壞的，配筋率為0.55％，含有體積含量0.5％的鋼纖維，其剪切跨度與有效深度比為3。標(biāo)簽的第四部分表示纖維類型，即N，H和C分別代表新的，端鉤型的和卷曲型的纖維。此外，“BF-0.31-0”表示梁是彎曲破壞的，配筋率為0.31％，其不含纖維(V_f＝0％)，可見(jiàn)，本發(fā)明中的螺旋纖維比現(xiàn)有技術(shù)的鋼纖維具有更好的臨界剪切性能和臨界撓度性能。

上述實(shí)例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人是能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。