專利名稱：具有改進(jìn)了韌性和延展性的纖維加強(qiáng)粘結(jié)材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于粘結(jié)材料的纖維加強(qiáng)系統(tǒng)，更具體的說是涉及一種改進(jìn)了韌性和延展性的混合纖維加強(qiáng)系統(tǒng)和纖維加強(qiáng)混凝土。
背景技術(shù)：
由水硬水泥粘接劑和粗細(xì)集料制得的混凝土，被公認(rèn)為是一種相當(dāng)脆的材料。如果超過其最大拉伸強(qiáng)度，就會開裂并擴(kuò)展。對于理解混凝土的開裂來說，“彎曲強(qiáng)度”和“斷裂韌性”的概念是很有用的。
彎曲強(qiáng)度涉及臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，例如，結(jié)構(gòu)抵抗裂紋發(fā)生的能力。由于其與最大承受載荷成正比，所以彎曲強(qiáng)度在彎曲承載條件下被測量作為開始產(chǎn)生裂紋所需最小載荷或者應(yīng)力。
斷裂韌性另外一方面與一種混凝土的具體“斷裂能”，例如，抵抗開裂擴(kuò)展或加寬的能力有關(guān)。這種韌性性能與裂縫擴(kuò)展或加寬所需要的能量成正比。這種性能能夠通過同時測量在一個開口裂縫處使包含纖維的混凝土(FRC)變形或“彎曲”所需要的載荷以及彎曲的量來衡量確定。因此，韌性也可以通過在一個載荷彎曲曲線下的面積除以其橫截面面積來確定，所述的載荷彎曲曲線是由繪制克服試樣彎曲的載荷產(chǎn)生的。
一種材料的“延展性”與特性長度lch緊密相關(guān)，該特性長度與斷裂能GF和在最大載荷時存儲的彈性能的比值成正比，GIC(lch∞GF/GIC)。
無筋混凝土的斷裂韌性或者斷裂能非常低，大致在50-200N/m范圍內(nèi)。這種低的斷裂韌性是混凝土在拉伸和壓縮時高脆性的主要原因。一旦達(dá)到無筋混凝土(在拉伸情況下)的斷裂點(diǎn)，混凝土就會開裂和失效(崩碎)。然而，已知道，在混凝土中采用強(qiáng)化纖維來增大使混凝土達(dá)到其斷裂表面完全分離的狀態(tài)所需的能量值。建議使用由鋼，聚烯烴，碳，尼龍，芳族聚酰胺，玻璃制得的各種纖維。
在一篇標(biāo)題為“Flexural Characteristics of Steel Fibre and Polyethylene FiberHybrid-Reinforced Concrete(鋼纖維和聚乙烯纖維混合強(qiáng)化的混凝土的彎曲特性)”的文章中，Kobayashi和Cho描述了一種纖維強(qiáng)化混凝土，這種混凝土通過以隨機(jī)的排列狀態(tài)將非連續(xù)鋼纖維和聚乙烯纖維分散在混凝土中而賦予混凝土強(qiáng)度和韌性。摘自K.Kobayashi和R.Cho，復(fù)合材料，第13卷(Butterworth& Co.Ltd.1982),164-168頁。
Kobayashi和Cho采用了體積上占1％的鋼纖維，該纖維有剪切冷軋鋼制得，尺寸為0.35mm×0.7mm×30mm，還采用了體積上占1-3％的聚乙烯纖維，該纖維長度為40mm，(圓形)直徑為0.9mm。鋼纖維通過抵抗裂縫產(chǎn)生而確保了彎曲強(qiáng)度，而聚乙烯纖維通過提供抗拉拔性能和粘彈性能而提供斷裂韌性。這種混合鋼/聚烯烴系統(tǒng)克服了單一鋼纖維或者聚烯烴纖維的不足。換句話說，鋼纖維增加了在僅僅使用聚乙烯纖維時不能獲得的第一抗裂強(qiáng)度；聚乙烯纖維增加了在裂縫形成之后的強(qiáng)度，這種強(qiáng)度的增加在僅僅使用鋼纖維時是不能獲得的。但是，Kobayashi和Cho提到他們的鋼纖維應(yīng)當(dāng)被使用在體積上占1％，超過該數(shù)字在混凝土中將會有很大的流動性下降。
在世界專利申請WO98/27022中，J.Seewald公開了一種高強(qiáng)度的混凝土，該混凝土具有增強(qiáng)的延展性，其使用了30-200kg/m3的無機(jī)(例如鋼)纖維(大約為體積百分比0.4-2.6％)以及較少量的具有低彈性模量的無機(jī)纖維。雖然Seewald教導(dǎo)優(yōu)選使用的鋼纖維是聚乙烯纖維的7倍，但是還不清楚他是如何解決了流動性能問題，這種問題在上文中是Kobayashi和Cho一定要考慮的問題。
本發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的混合纖維系統(tǒng)，用于提高混凝土抗小裂紋變寬的性能以及抵抗大變形的性能，從而不論是在小裂縫開口還是在大裂縫開口都增強(qiáng)了混凝土的韌性和延展性，同時避免了使用大量體積(1％)的鋼纖維以及它們的維護(hù)開銷并避免了流動性的損失等缺點(diǎn)。
本發(fā)明的混合系統(tǒng)考慮使用兩種不同的纖維組份，其中首要考慮的是在一種纖維組份中獲得大的纖維表面積與纖維體積比和較高彈性模量，這比考慮用某種特定材料制成的纖維更加重要。確實(shí)，本發(fā)明可使用全鋼纖維，或沒有鋼纖維，同時提高整個延展性。因?yàn)楸景l(fā)明人意識到通過考慮在小裂縫和大裂縫開口時纖維增強(qiáng)混凝土(FRC)的性能能更有效地提高韌性，因此，利用遠(yuǎn)小于現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的纖維量便能提高延展性。
本發(fā)明的一個示例纖維系統(tǒng)包含(A)第一組份，該組份包括楊氏模量至少為30京帕，寬度與厚度比10-200，平均長度為5-50mm(優(yōu)選為5-25mm)的纖維；(B)第二組份，該組份包括長度與直徑比25-125(直徑可以是等效直徑，參看ACI544.1R-5)，平均長度10-100mm的纖維；組份A與組份B的體積比至少為1∶2，更優(yōu)選為至少1∶3。
本發(fā)明也提供了一種包含上述纖維系統(tǒng)的粘結(jié)復(fù)合材料，以及一種通過結(jié)合纖維系統(tǒng)而提高粘結(jié)復(fù)合材料韌性的方法。本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特性將在下文進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
附圖簡要描述通過下述附圖，有助于理解本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)說明，其中

圖1是四種不同混凝土試樣的載荷彎曲曲線的比較圖表，這四種混凝土是普通(無筋)混凝土，僅有組份A纖維的混凝土，僅有組份B纖維的混凝土，和本發(fā)明的一種包含A和B組份的混合纖維加強(qiáng)混凝土試樣。
本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述如前文提到的那樣，術(shù)語“混凝土”是指一種復(fù)合材料，它包含一種水泥粘接劑，通常具有緊密排列的微粒。但是在此之后，該術(shù)語是指任何粘結(jié)材料，諸如，水泥，砂漿水泥，和砌筑體，在其中將會加入纖維用于加強(qiáng)這些材料。
本發(fā)明涉及用于加強(qiáng)混凝土(例如任何粘結(jié)材料)的改進(jìn)的混合纖維系統(tǒng)和方法，本發(fā)明也涉及具備改進(jìn)的韌性和延展性的混凝土或者粘結(jié)復(fù)合材料。
第一種纖維組份A最好具有的楊氏模量(由ASTM C469(1994)確定)至少等于混凝土的楊氏模量，從而有效地增加混凝土在小裂縫開口(例如開始時的微裂縫和裂縫)處抵抗彎曲的能力。其特征在于較高的寬度與厚度比率，該比率能轉(zhuǎn)換成一個高的纖維表面積與纖維體積的比率。該高纖維表面積與纖維體積比率特性意味著采用較小的用量比(按體積為0.1-0.4％)便能提高混凝土的彎曲強(qiáng)度以及韌性和延展性(與無筋混凝土相比)。在最佳實(shí)施例中，纖維組份A具有一種“扁平面條”或者“扁平”形狀。纖維組份A優(yōu)選包含鋼(更優(yōu)選是非晶態(tài)鋼)，碳，或其它具有所需模量即至少30京帕(更優(yōu)選為至少35Gpa，最優(yōu)選為至少40GPa)的材料。
第二種纖維組份B用于有效增強(qiáng)FRC材料在較大變形(如較寬的裂縫開口)時的韌性，從而有效增加使裂縫的FRC材料完全失效(如完全破碎或者斷裂)所需的斷裂能。這些纖維具有的縱橫比(長度/等效直徑)為25-125(優(yōu)選為30-80)，以及長度為10-100mm，更優(yōu)選為20-55mm，以便在FRC材料中彌補(bǔ)較大的裂縫開口并將應(yīng)力傳遞通過斷裂表面，從而通過纖維嵌入在混凝土中來增加抵抗斷裂的力以及它們吸收斷裂能的能力。纖維組份A與組份B的體積比應(yīng)當(dāng)至少為1∶2和優(yōu)選為至少1∶3。
優(yōu)選地，當(dāng)用于本發(fā)明中時，鋼和聚烯烴纖維具有異形形狀，諸如一種具有鉤狀端部，卷曲，雙錐形的，或其它非直線形來改進(jìn)與水泥漿的結(jié)合。
因此，本發(fā)明中纖維的形狀和纖維相對(體積)百分比(未提及材料的變化性)與背景技術(shù)中現(xiàn)有的混合纖維系統(tǒng)完全不同。
如上文提到的那樣，本發(fā)明并不局限于字眼上的纖維材料。本發(fā)明例子中的組份A纖維可以由鋼制得，如，寬度與厚度比范圍在10-200，長度在5-50mm更優(yōu)選在5-25mm的非晶態(tài)鋼(例如非結(jié)晶態(tài))纖維。具有較高彈性模量的碳纖維也能用作該纖維系統(tǒng)的組份A。組份A中這些纖維的主要目的是提高基體的強(qiáng)度，以及提高在小裂縫開口處的抗開裂能力。也能采用其它具有必要的最小楊氏模量(至少30GPa)的材料。
本發(fā)明例子中的組份B纖維應(yīng)當(dāng)為能夠有效將應(yīng)力傳遞過斷裂表面(傳遞過斷裂開口)的纖維。這些纖維必須增加抵抗裂縫擴(kuò)展的能力，這會在較大裂縫開口處提供韌性。這被認(rèn)為是一種“跨隙效應(yīng)(crack bridging effect)”。組份B的這些纖維能夠由鋼(優(yōu)選為端部帶鉤的鋼纖維，其具有增強(qiáng)的抵抗拉拔性能)制得，或者由聚烯烴纖維(優(yōu)選為形成原纖維的)，諸如聚乙烯，聚丙烯等。這些纖維的用量比為體積0.5-5.0％，更優(yōu)選為體積上0.75-2％。它們的長度為10-100mm，更優(yōu)選為20-55mm，優(yōu)選具有的長度與等效直徑比為30-80。在混凝土中，組份B纖維的優(yōu)選體積量為組份A纖維的至少兩倍。
當(dāng)加入組份A和B纖維時，混凝土系統(tǒng)的韌性和延展性在下述的說明性例子中被測量。
例1彎曲韌性的測量采用了四個不同的混凝土試樣，這些試樣被模制成100mm×100mm×300mm的梁形。第一試樣為普通(無筋)混凝土；第二試樣只包含組份A纖維(鋼)；第三試樣只包含組份B纖維(聚烯烴)；第四試樣包含組份A纖維和組份B纖維的混合物。
圖1利用日本Yoke彎曲測試系統(tǒng)測試描述了四種不同測試試樣的載荷位移曲線。普通混凝土梁的斷裂性能是非常脆的，這種特性是由達(dá)到最大載荷之后載荷迅速減小顯示的。裂縫擴(kuò)展的抗裂性非常小，因此，與載荷形變曲線下的面積成正比的斷裂韌性也非常小。
當(dāng)將纖維的寬度和厚度比為70的體積百分比為0.25％、30mm長的非晶態(tài)鋼纖維加至混凝土?xí)r，彎曲強(qiáng)度以及彎曲韌性與沒有強(qiáng)化纖維的對照混凝土梁相比有所提高，組份A承載能力隨著梁彎曲的增加而下降。
當(dāng)將體積百分比為1％，長度為51mm的聚烯烴纖維加至混凝土中，彎曲強(qiáng)度沒有增加，但是韌性卻在載荷降到其最大載荷50％之后隨著彎曲的增加而增大。這清楚地表明組份B在非常小的裂縫開口處未提高延展性，但僅在較大的裂縫開口時提高了延展性。
當(dāng)將組份A和B都加至混凝土?xí)r，彎曲韌性在較小彎曲和較大彎曲時都有所提高。雖然這確保了不同纖維組份的結(jié)合比單單使用每種纖維組份性能更好，但是其更大大地支持了本發(fā)明人的觀點(diǎn)，即，在考慮到小裂縫開口和大裂縫開口時，使用相對較小的整個纖維量的混合系統(tǒng)仍能提高延展性。
例如，端部帶鉤的鋼纖維提供了很大的纖維抗拉拔性能以致于纖維強(qiáng)化混凝土梁即使在大裂縫開口處也能承受大量載荷。
通過討論脆性和延展性能更好地理解本發(fā)明的特征和其它的優(yōu)點(diǎn)。存在幾種推導(dǎo)脆性和延展性的表達(dá)式的方法。最初，脆性值b被定義為正比于存儲彈性能與達(dá)到完全失效所需的斷裂能GF的比值。b=σmax2·LGF·E----(1)]]>此處σMAX為彈性強(qiáng)度，E為楊氏模量，L為試樣長度。顯然，一個較低的強(qiáng)度和一個較高的斷裂能會增加材料的延展性。脆性值b與特征長度lch成反比，其用于在不考慮試樣形狀的情況下表示材料性能的影響lch=DF·Eσmax2----(2)]]>特征長度lch為用于材料“延展性”的性能系數(shù)。lch與由Hasselman定義作為抗熱沖擊性能的性能系數(shù)的參數(shù)R″″緊密相關(guān)，R″″=2·GF·Eσmax2---(3)]]>參數(shù)R””與裂縫擴(kuò)展的斷裂能GF和裂縫開始的斷裂能GIc的比值成正比R″″∝GFGK----(4)]]>作為裂縫起始能的測量，根據(jù)Irwin，臨界能量釋放率GIc由在裂縫開始時臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIc算出(假設(shè)在最大載荷下，可應(yīng)用線性彈性斷裂力學(xué)理論的假設(shè)) 其中k為試樣幾何結(jié)構(gòu)形狀的相關(guān)參數(shù)，Pmax是最大載荷。不言而喻，混凝土的lch僅能通過增加斷裂能而被增大。由于降低抗拉強(qiáng)度或裂縫發(fā)生的能量也會降低抗壓強(qiáng)度的負(fù)面影響，因此，降低抗拉強(qiáng)度或裂縫發(fā)生的能量是不希望的。公式4和5基本上給出了如果強(qiáng)度變化，斷裂能GF必須改變的量，假設(shè)延展性保持恒定。
而且，考慮到在小裂縫變形和大裂縫變形處斷裂能特性，本發(fā)明人已經(jīng)考慮了為在小裂縫開口處增大延展性而考慮楊氏模量特性的必要性，以及具有較大纖維表面積與纖維體積的比值和在混合纖維系統(tǒng)中采用不同的相應(yīng)長度(以便跨接較大的裂縫變形)的必要性，以便在不依賴鋼纖維的大(1％)體積且沒有在FRC中伴隨這種大體積所產(chǎn)生的缺點(diǎn)的情況下，在纖維強(qiáng)化混凝土(FRC)中獲得全面增強(qiáng)的韌性和延展性。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，本發(fā)明人已考慮加入另一種組份，該組份包含一種裂縫控制劑(有時稱為收縮控制劑)，腐蝕控制劑，或者它們的混合物。這種添加劑在粘結(jié)和混凝土工業(yè)中通常是已知的。例如，可以往混凝土中加入亞硝酸鈣(和/或?qū)⑵渫糠笾晾w維上)來提高強(qiáng)度，特別是可使用導(dǎo)電纖維(A或B)(例如鋼，碳)以在具有埋入鋼筋條的混凝土中使用時能抵抗陰極效應(yīng)。亞硝酸鈣也顯現(xiàn)出能增加FRC的強(qiáng)度，韌性和延展性(但是在普通混凝土中僅增加強(qiáng)度)。因此，纖維強(qiáng)化系統(tǒng)的一個優(yōu)選實(shí)施例包含上述纖維組份A和B，其中纖維組份中的至少一個包含鋼，和優(yōu)選1-2％(在混凝土中的s/s水泥)的亞硝酸鈣，以便抑制導(dǎo)電纖維的陰極效應(yīng)(且抑制鋼纖維的腐蝕)。在另外的實(shí)施例中，可加入裂縫控制混合物(和/或涂敷在纖維上)。例如在US5,556,460；US5,413,634；US5,618,344；US5,779,778；US5,326,397；US5,326,396；US5,389,143；US5,626,663；US5,604,273；US5,622,558；US5,603,760；US5,571,319；US5,679,150中教導(dǎo)的裂縫控制添加劑，所有文獻(xiàn)均可在本申請中參考使用。在授予N.Berke等人的US5753368中提出了一種用于增強(qiáng)混凝土粘結(jié)強(qiáng)度和提高抗拉拔性能的纖維涂層，該文獻(xiàn)也可在本申請中參考使用。因此，在本申請中描述的示范性混合纖維系統(tǒng)的其它實(shí)施例中可引入已知的腐蝕控制添加劑，纖維涂層，裂縫控制混合物。
上述的例子僅僅是舉例說明且不應(yīng)構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種用于強(qiáng)化混凝土的混合纖維系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(a)第一組份A，該組份包括楊氏模量至少為30京帕，寬度與厚度比10-200，平均長度為5-50mm的纖維；(b)第二組份B，該組份包括長度與厚度比為25-125，平均長度10-100mm的纖維；組份A與組份B的體積比至少為1∶2。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一組份A的纖維包含從金屬和碳中選出的材料。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第二組份B的纖維包含從金屬和聚烯烴中選出的材料。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一組份A的纖維包含非晶態(tài)鋼，所述第二組份B的纖維包含異形鋼，聚烯烴或者它們的混合。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述第二組份B的纖維包含一種聚烯烴，該聚烯烴為聚乙烯、聚丙烯或者它們的混合。
6.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述第二組份B的纖維包含端部帶鉤的鋼纖維。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一組份A的纖維為非晶態(tài)鋼，具有10-35mm的長度。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第二組份B的纖維為聚烯烴，具有20-55mm的長度。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一組份的纖維包括非晶態(tài)鋼，所述第二組份B的纖維包含一種聚烯烴，組份B與A的體積比為至少3∶1。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包括一種腐蝕抑制劑，該腐蝕抑制劑涂在所述的纖維上或被加入待強(qiáng)化的混凝土中。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包括一種裂縫控制劑，該裂縫控制劑涂在所述纖維上或者被加入待強(qiáng)化的混凝土。
12.一種包含一種粘接劑和一纖維系統(tǒng)的粘結(jié)復(fù)合材料，其包括(a)第一組份A，該組份包括楊氏模量至少為30京帕，寬度與厚度比為10-200，平均長度為5-50mm的纖維；(b)第二組份B，該組份包括長度與厚度比為25-125，平均長度10-100mm的纖維；組份A與組份B的體積比至少為1∶2。
13.如權(quán)利要求12所述的復(fù)合材料，其還包括一種添加組份，該組份包含裂縫控制劑，腐蝕抑制劑或者它們的混合物。
14.一種增強(qiáng)混凝土延展性的方法，包括加入(a)第一組份A，該組份包括楊氏模量至少為30京帕，寬度與厚度比為10-200，平均長度為5-50mm的纖維；(b)第二組份B，該組份包括長度與厚度比25-125，平均長度10-100mm的纖維；組份A與組份B的體積比至少為1∶2。
全文摘要
一種混合纖維強(qiáng)化系統(tǒng),通過考慮楊氏模量,采用大表面積與體積的比值來提高粘結(jié),并使用不同的效應(yīng)長度,能增強(qiáng)混凝土在小裂縫開口和大裂縫開口處的延展性,同時避免使用較大體積(例如1%)含量的鋼纖維。
文檔編號C04B16/06GK1325465SQ99812766
公開日2001年12月5日 申請日期1999年10月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月3日
發(fā)明者K·A·里德爾, N·S·貝爾克 申請人:格雷斯公司