一种横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋制造技术

一种横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋，属于新型复合材料领域。微筋包括：短切单丝纤维、短切纤维束芯柱、粘结浸润剂、连续纤维和横向肋。其中，短切单丝纤维和连续纤维均为玄武岩纤维；短切纤维束芯柱由500‑1500根平行单丝纤维通过粘结浸润剂集束粘结、硬化、切断形成，横向肋由连续玄武岩纤维横向垂直缠绕纤维束芯柱形成。微筋具有高弹模，高抗拉强度，尤其是较高的截面刚度，可改善在混凝土搅拌过程中的结团现象，使微筋在基体中分布更加均匀；同时微筋表面的横向肋可提高微筋与混凝土基体的粘结强度与韧性；此外，微筋具有良好的耐腐蚀性，可改善混凝土的耐久性。

【技术实现步骤摘要】
一种横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋
本技术涉及一种横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋，属于新型复合材料领域。
技术介绍
在抵抗混凝土的裂缝时，玄武岩纤维与钢纤维具有不同的优势。钢纤维具有较高的抗拉强度与弹模(强度1000N/mm2左右，弹模210GPa左右)；此外，波浪形或端部弯钩形的钢纤维与混凝土界面之间存在较好的粘结性能(图1)；但钢纤维存在锈蚀的问题，由于混凝土结构在正常使用阶段通常是带裂缝工作的，裂缝的出现加剧了钢纤维锈蚀引起的混凝土结构耐久性降低，尤其是沿海高温、高湿、高盐环境的共同作用将显著加剧混凝土裂缝处钢纤维的锈蚀与钢纤维混凝土结构耐久性的劣化。玄武岩纤维具有高强(抗拉强度>3000N/mm2)、轻质(2.6-2.8g/cm3)、耐腐蚀等优点，但其作为短切单丝纤维(直径8-18μm)或短切集束纤维(由单丝集束粘结组成，长度30-50mm,宽度或直径0.2-0.4mm)在混凝土基体中使用时存在下列问题：1)玄武岩短切单丝纤维，在混凝土基体中的主要作用是桥接并限制裂缝的扩展(见图1)，以提高混凝土开裂后的韧性；图2对比了目前常用的玄武岩纤维(单丝长度l＝30mm,直径d＝15μm，0.71亿根/kg,掺量5kg/m3)、结构型钢纤维(l＝35mm,d＝0.5mm，1.45万根/kg,掺量50kg/m3)，与素混凝土梁的荷载-裂缝扩展全曲线；不同纤维的掺量是基于新拌混凝土相似工作度的上限设定的；由图2可看出，由于传统玄武岩纤维较低的刚度(弹模80-100GPa)和每公斤极高的纤维根数(5千万-1亿根/kg)对新拌混凝土工作度的负面影响较大，搅拌时存在分散困难、易结团(图3a)，纤维掺量难以提高，对基体的增强增韧效果十分有限(图2)，主要作为非结构型纤维用以限制收缩裂缝，造成了材料性能的浪费。2)玄武岩集束纤维与基体的粘结性能主要由纤维表面的摩擦力/剪应力τ提供(图4)；与玄武岩集束纤维相比，端部弯钩的钢纤维与混凝土基体的粘结性能除界面摩擦之外，主要取决于端部弯钩所受的斜向挤压力γ(图5)，脱粘后承载力继续上升；我们也曾模仿过钢纤维，对玄武岩集束纤维做端部弯起处理，但由于其较低的弹模及刚度，在受力过程中将很快被拉直。这也是玄武岩集束纤维对混凝土韧性影响远低于钢纤维的原因之一。3)且作为玄武岩集束纤维使用时，粘结浸润剂主要聚集在纤维束外层，存在向内部纤维渗透不均且渗透深度较小的问题(图6a)，进而导致纤维受拉时，正截面拉应力分布不均匀(图7中虚线所示)。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本技术提供一种可在力学性能上等效替代结构型钢纤维，但更耐腐蚀的横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋(见图6b、图8)，掺入混凝土基体中不易结团，且与基体间具有良好的粘结性能,可显著提高其在混凝土中的掺量，并改善混凝土的强度、韧性和耐久性。为达到上述目的，本技术采用的技术方案如下：一种横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋，包括短切单丝纤维1、短切纤维束芯柱2、粘结浸润剂3、连续纤维4和横向肋5。所述的短切纤维束芯柱2由短切单丝纤维1集束成型，其表面浸润粘结浸润剂3，由连续纤维4缠绕而成的横向肋5等间距设于短切纤维束芯柱2表面。所述的短切纤维束芯柱2由500-1500根平行的单丝纤维通过表面粘结浸润剂3集束粘结，硬化、切断后得到，其长度30-60mm，直径0.5-1mm，长径比不小于50。所述的横向肋5由连续纤维4在纤维束芯柱表面横向垂直缠绕而成，肋距20-30mm，肋高0.3-1mm。所述的短切单丝纤维1为玄武岩纤维；所述的连续纤维4为玄武岩纤维；所述的粘结浸润剂3为树脂。一种横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋的制备方法，包括以下步骤：第一步，将500-1500根平行单丝纤维通过粘结浸润剂3集束粘结，采用专用模具挤压形成纤维束芯柱。第二步，粘结浸润剂3硬化前，在形成的纤维束芯柱的表面每隔20-30mm垂直缠绕连续纤维4形成横向肋5，控制肋高为0.3-1mm。第三步，再次将带有横向肋5的纤维束芯柱在粘结浸润剂3中浸润。第四步，烘干硬化后，将其切断为30-60mm的短切纤维束芯柱2，得到一种横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋。本技术的效果和益处：1)本技术涉及的微筋结构简单，与目前传统的玄武岩纤维相比，该微筋具有很高的刚度，可减少在混凝土搅拌过程中的结团现象，显著提高微筋的掺量，并使微筋在基体中分布地更加均匀。2)通过横向缠绕的肋，微筋与混凝土基体的粘结除了界面之间的摩擦之外，主要取决于横向肋与混凝土基体之间的挤压应力γ(图8)，这可显著提高微筋与混凝土基体的粘结性能。3)采用横向垂直缠绕，可减小构成芯柱的单丝纤维之间的间距(如图6所示，纤维间距从dl降低至ds)，从而保证微筋正截面的拉应力分布更加均匀(图7中实线所示)。附图说明图1为纤维限制混凝土裂缝示意图；图2为不同纤维对混凝土荷载-裂缝扩展全曲线对比图；图3为混凝土搅拌时纤维刚度与结团示意图：(a)玄武岩纤维；(b)玄武岩微筋；图4为玄武岩纤维的粘结-滑移曲线；图5为端部弯钩形钢纤维的粘结-滑移曲线；图6为横截面示意图：(a)玄武岩短切纤维束；(b)微筋；图7为横向肋对微筋横截面拉应力分布的影响；图8为微筋在混凝土基体中的受力示意图。图中：1短切单丝纤维、2短切纤维束芯柱、3粘结浸润剂、4连续纤维、5横向肋。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本技术做进一步说明。一种横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋，包括短切单丝纤维1、短切纤维束芯柱2、粘结浸润剂3、连续纤维4和横向肋5。所述的短切纤维束芯柱2由多根平行的单丝纤维通过表面粘结浸润剂3集束粘结，硬化、切断后得到短切纤维束芯柱2，短切纤维束芯柱2的长度1＝40mm、直径d＝0.8mm，短切纤维束芯柱2中含有多根平行的短切单丝纤维1。所述的横向肋5由连续纤维4在短切纤维束芯柱2表面横向垂直缠绕而成的，肋距30mm，肋高h＝0.5mm。由于微筋刚度显著提高，在混凝土搅拌时易分散、不易发生结团，对新拌混凝土工作度的负面影响甚微(图3b)，同时微筋掺量得以显著提高，对混凝土的增强增韧效果十分明显，40kg/m3掺量的微筋对混凝土强度及韧性的影响已接近掺量为50kg/m3的钢纤维(见图2)图6a、b分别是纤维束和微筋的横截面示意图。由图中可以看出，相对于纤维束，横向肋的约束使得微筋横截面同一位置处的单丝纤维之间的间距大幅减小(dl>ds)。图7为横向肋对微筋横截面拉应力分布的影响。从图中可以看出，无横向肋的纤维束横截面的拉应力分布如图中虚线所示，分布极不均匀。而微筋由于横向肋的约束作用，且单丝纤维之间的间距减小、界面摩擦力得到提高，横截面拉应力分布更加均匀，见图中实线。以上所述实施例仅表达本技术的实施方式，但并不能因此而理解为对本技术专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋，其特征在于，所述的微筋包括短切单丝纤维(1)、短切纤维束芯柱(2)、粘结浸润剂(3)、连续纤维(4)和横向肋(5)；多根平行的单丝纤维通过表面粘结浸润剂(3)集束粘结，硬化、切断后得到短切纤维束芯柱(2)，短切纤维束芯柱(2)的长度30‑60mm、直径0.5‑1mm、长径比不小于50，短切纤维束芯柱(2)中含有多根平行的短切单丝纤维(1)；横向肋(5)由连续纤维(4)在短切纤维束芯柱(2)表面横向垂直缠绕而成，肋距20‑30mm，肋高0.3‑1mm。

【技术特征摘要】
1.一种横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋，其特征在于，所述的微筋包括短切单丝纤维(1)、短切纤维束芯柱(2)、粘结浸润剂(3)、连续纤维(4)和横向肋(5)；多根平行的单丝纤维通过表面粘结浸润剂(3)集束粘结，硬化、切断后得到短切纤维束芯柱(2)，短切纤维束芯柱(2)的长度30-60mm、直径0.5-1mm、长径比不小于50，短切纤维束芯柱(2)中含有多根平行的短切单丝纤维(1)；横向肋(5)由连续纤维(4)在短切纤维束芯柱(2)表面横向垂直缠绕而成，肋距20-30m...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁一宁，王庆轩，柳根金，曾伟，朱昊，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：新型
国别省市：辽宁,21