專利名稱：具有良好錨固性的高伸長率纖維的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于強化混凝土或砂漿的新型鋼纖維。該鋼纖維具有高的伸長率，并設置有錨固端部，從而在嵌入混凝土或砂漿內時可以獲得良好的錨固性。本發(fā)明還涉及具有這種鋼纖維的混凝土或砂漿結構。
背景技術：
眾所周知，用鋼纖維來強化混凝土或砂漿以便提高混凝土材料的質量。EP-B1-851957(NV Bekaert SA)公開了一種帶有扁平的鉤形端部的鋼纖維，通過采用這種纖維進行強化，從而很大地提高了混凝土的裂后彎曲強度。US-A-4883713 (Eurosteel)公開了一種鋼纖維，該鋼纖維包括圓柱形鋼主體，該鋼主體具有圓錐形端部，用于提高鋼纖維在鋼纖維強化混凝土內的錨固性能。引用的這兩篇文獻以及其他一些文獻公開了，由于提高了鋼纖維在鋼纖維混凝土內的錨固性，可以極大地改善常規(guī)鋼纖維混凝土的性能。目前，已知的用于混凝土強化的現有技術鋼纖維能夠很好地改善混凝土結構的正常使用極限狀態(tài)(SLS)，也就是說，在典型的三點彎曲試驗中，對于該試驗參見歐洲標準 EN14651 (金屬纖維混凝土試驗方法，測量彎拉強度)，這種鋼纖維很好地橋接了高達一般所需0. 5mm的裂縫或裂縫嘴張開位移(CMOD)，例如CMOD的范圍是0. Imm至0. 3mm。換言之，公知的鋼纖維，例如帶有鉤狀端部的鋼纖維和帶有圓錐形端部的鋼纖維， 能夠很好地限制高達約0. 5mm的裂縫寬度或生長(SLS)。目前，這些纖維的缺點是在承載能力極限狀態(tài)(ULS)下的性能較低。特別是，承載能力極限狀態(tài)(ULS)與正常使用極限狀態(tài)(SLS)下裂后強度的比值較低。該比值由載荷值 FEj1(CM0D = 0. 5mm)及 FK,4(CM0D = 3. 5mm)來確定。一些現有技術的纖維在ULS下不能執(zhí)行功能，因為它們在低于ULS所需的CMOD時斷裂。其他纖維，例如具有鉤狀端部的纖維，設計成被拔出。由于拔出的緣故，這些纖維也已表現出在小位移情況下的位移軟化行為。盡管在ULS下的低性能，但是目前已知的纖維還是可以用在所謂的結構性應用中，以便改善承載能力極限狀態(tài)(ULS)。這里，代替常規(guī)的強化手段或者除了常規(guī)的強化手段以外(常規(guī)的強化手段例如有鋼筋、絲網、預應力以及后拉伸)，希望已知的鋼纖維承受或承載載荷。但是，為了有效發(fā)揮載荷承載作用，這些現有的鋼纖維不得不以顯著超過 20kg/m3至40kg/m3常規(guī)劑量的大劑量使用。這種大劑量會導致施工性能問題，例如混合和布料問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種新型的鋼纖維，一旦被嵌入混凝土或砂漿中就能夠滿足新的功能。本發(fā)明的另一個目的是提供鋼纖維，在根據歐洲標準EN 14651 (2005年6月)的三點彎曲試驗中，這些鋼纖維能夠永久橋接大于0. 5mm的裂縫嘴張開位移。本發(fā)明的一個目的是提供能夠有利地以常規(guī)劑量用于結構應用中的鋼纖維。本發(fā)明的另一個目的是提供鋼纖維，這些鋼纖維允許減少或者避免在張力區(qū)采用這些鋼纖維強化的混凝土結構的蠕變行為。本發(fā)明的另一個目的是提供鋼纖維，這些鋼纖維允許不僅在SLS而且在ULS下計算纖維內應變(或者CM0D)引起的應力。常規(guī)鋼纖維基本表現出兩種工作機理。第一種機理是纖維拔出而纖維不會有任何斷裂，例如對于EP-B1-851957中已知的帶有鉤狀端部的鋼纖維，以及對于一些波形纖維。在此情況下，CMOD和纖維內應變之間不存在直接關系。第二種機理是纖維失效。在此情況下，纖維被很好地錨固，以便僅僅會發(fā)生有限的纖維拔出，但是由于制造纖維的絲的低應變能力，這些纖維將會在低于ULS所需的CMOD下失效。尤其地，ULS和SLS裂后強度之比值較低。當發(fā)生纖維失效時，在CMOD和纖維內應變之間不存在直接關系。根據本發(fā)明的纖維完全或者幾乎完全錨固在混凝土或砂漿內，但是因為這些纖維由失效應變高的鋼絲制成，因此在達到ULS之前它們不會斷裂。對于一根纖維，比值ULS/ SLS等于或者大于1。對于根據本發(fā)明的纖維，纖維應變(從CMOD推出)幾乎等于制成這些纖維的絲的應變，以便一根纖維內的應力可以從應變計算得出，不像常規(guī)纖維那樣。根據本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于強化混凝土或砂漿的鋼纖維。該鋼纖維具有中部和位于中部一端或兩端的錨固端部。鋼纖維的中部長度為L，最大載荷能力為 Fm(N)，最大載荷伸長率為Ag+e。根據本發(fā)明的鋼纖維，更具體而言是根據本發(fā)明的鋼纖維的中部，最大載荷伸長率至少為2. 5%。根據本發(fā)明的鋼纖維在混凝土或砂漿內的錨固力至少為最大載荷能力Fm的90%。錨固力是通過拔出試驗期間達到的最大載荷來確定。對于該拔出試驗，將鋼纖維的一端嵌入混凝土或砂漿內。后面將對該試驗做進一步的更詳細描述。最大載荷伸長率在本發(fā)明的上下文中，使用最大載荷伸長率Ag+e而不是使用斷裂伸長率At，來表征鋼纖維的伸長率，更具體而言是鋼纖維中部的伸長率。原因是一旦達到最大載荷，鋼纖維的有效表面就開始收縮，且不能夠吸收更高的載荷。最大載荷伸長率Ag+e是最大載荷塑性伸長率Ag和彈性伸長率之和。最大載荷伸長率不包括結構伸長率As，該結構伸長率As可能由于鋼纖維中部的波形特征(如果有的話)引起。在波形鋼纖維的情況下，在測得Ag+e之前首先要拉直鋼纖維。根據本發(fā)明的鋼纖維中部的最大載荷伸長率Ag+e至少為2.5%。根據本發(fā)明的具體實施例，鋼纖維中部的最大載荷伸長率Ag+e高于2. 75%，高于
3.0%，高于3. 25%，高于3. 5%，高于3. 75%，高于4. 0%，高于4. 25%，高于4. 5%，高于
4.75%，高于5. 0%，高于5. 25%，高于5. 5%，高于5. 75%，或者甚至高于6. 0%。通過對制造鋼纖維的鋼絲進行特定的應力消除處理例如熱處理，可以獲得高的最大載荷伸長率Ag+e。
最大載荷能力Fm-拉伸強度Rm根據本發(fā)明的鋼纖維，即根據本發(fā)明的鋼纖維的中部，優(yōu)選具有高的最大載荷能力Fm。最大載荷能力Fm是在拉伸試驗中鋼纖維承受的最大載荷。中部的最大載荷能力Fm與中部的拉伸強度Rm直接相關，因為拉伸強度Rm是最大載荷能力Fm除以鋼纖維的原始橫截面積。對于根據本發(fā)明的鋼纖維，鋼纖維中部的拉伸強度優(yōu)選大于lOOOMPa，更具體而言大于1400MPa，例如大于1500MPa，例如大于1750MPa，例如大于2000MPa，例如大于2500MPa。根據本發(fā)明的鋼纖維的高拉伸強度允許鋼纖維承受高載荷。因此，較高的拉伸強度直接反映在纖維的低劑量上。錨固力具有嵌入混凝土或砂漿內的錨固端部的鋼纖維的錨固力通過拔出試驗來確定。更具體而言，該錨固力與拔出試驗期間達到的最大載荷相對應。后面將進一步更詳細解釋該拔出試驗。本發(fā)明的鋼纖維在混凝土或砂漿內提供了非常好(幾乎完美)的錨固性。根據本發(fā)明，鋼纖維在混凝土或砂漿內的錨固力至少為鋼纖維中部最大載荷能力Fm的90%。
在一些實施例中，該錨固力高于鋼纖維中部最大載荷能力Fm的92 %，95 %，98 %， 或者甚至高于99%。由于可以使用鋼絲全部強度的90%或以上，因此在混凝土中的高程度錨固將給強化混凝土結構帶來更大的剩余強度。實際上，這將防止鋼纖維從混凝土中脫出。可以通過不同的方式獲得在混凝土中的高程度錨固，例如通過加厚或者加大端部、通過冷鍛、通過壓平鋼纖維、通過在鋼纖維端部形成突出的鉤、通過使端部呈波形或者上述的組合。錨固端部例如是加厚錨固端部、加大錨固端部、冷鍛錨固端部、壓平錨固端部、 彎曲錨固端部、波形錨固端部或者上述的任意組合。尚未完全清楚為何一些錨固端部比另一些錨固端部表現更好的機理，并且例如通過數學建模還不能預測錨固程度。因此，根據本發(fā)明，提出了通過在混凝土或砂漿中嵌入具有錨固端部的鋼纖維并對該鋼纖維進行拔出試驗(載荷位移試驗)來確定鋼纖維的錨固力。如果錨固力為最大載荷能力Fm的至少90%，那么鋼纖維就滿足本發(fā)明對于錨固的要求。拔出試驗包括下面的步驟-將本發(fā)明鋼纖維的一個錨固端部嵌入所述混凝土或者砂漿中，優(yōu)選嵌入混凝土或砂漿的塊中。因此，鋼纖維中部的一部分被嵌入混凝土或砂漿中(=鋼纖維中部的嵌入部分)，并且鋼纖維中部的一部分伸出混凝土或砂漿(=鋼纖維中部的伸出部分)。-將夾具固定在所述鋼纖維中部的伸出部分上；-在所述夾具上施加位移。通過該試驗，記錄載荷-伸長率曲線。在拔出試驗中，鋼纖維的一個錨固端部完全嵌入混凝土或砂漿內。鋼纖維中部嵌入部分的長度為Lsa^sp或者Lmp b。中部伸出部分至夾具的長度為I^swa5ijl或Lmpp^a。長度Lmp emb和和定義為中部至夾具的長度L
中部夾具$ Lmp夾具。優(yōu)選地，鋼纖維嵌入50x50x50mm，60x60x50mm或80x80x60mm的混凝土或砂漿塊內。L嵌人中部優(yōu)選為至少15讓。在拔出試驗中能夠獲得的最大載荷下，本發(fā)明的鋼纖維允許在該拔出試驗中的絕對位移為χ * 1^部夾具/100，其中，1至少為2.5。優(yōu)選地，χ至少等于最大載荷伸長率Ag+e。在一個優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的鋼纖維允許在拔出試驗中最大載荷下的絕對位移至少為4 * L^部夾具/100，至少為5 * L^部夾具/100，或者至少為6 * L^部夾具/100。由于本發(fā)明鋼纖維的高延展性或高伸長率，這些鋼纖維在依據EW4651進行的三點彎曲試驗中在CMOD大于1. 5mm、大于2. 5mm或大于3. 5mm時都不會斷裂。除了高的最大載荷伸長率Ag+e以外，本發(fā)明鋼纖維的特征還在于高錨固程度。如上所述，高錨固程度將避免鋼纖維被拔出。高錨固程度結合高的最大強度伸長率將能夠避免鋼纖維被拔出，并將能夠避免鋼纖維失效。本發(fā)明鋼纖維的高拉伸強度Rm允許鋼纖維承受高載荷。高錨固程度結合高拉伸強度允許在出現裂縫之后更好地利用拉伸強度。因此，較高的拉伸強度直接反映在常規(guī)混凝土所需的較低劑量纖維上。由于鋼纖維低的最大應變能力導致的鋼纖維拔出或者失效是時間依賴性的現象， 并決定了拉伸狀態(tài)下結構的蠕變行為。用本發(fā)明鋼纖維強化的混凝土預期具有較低的蠕變行為，因為本發(fā)明的鋼纖維不會被拔出并且不會過早斷裂。鋼纖維，更具體而言是鋼纖維的中部，直徑D —般為0. IOmm至1. 20mm。如果鋼纖維的橫截面并且更具體而言鋼纖維中部的橫截面不是圓形的，那么其直徑將等于與鋼纖維中部橫截面具有相同表面積的圓的直徑。該鋼纖維，更具體而言是鋼纖維中部的長度與直徑之比L/D —般為40至100。鋼纖維中部可以是直的或直線形的，或者可以是波形的或波浪式的。根據本發(fā)明的第二方面，提供了一種包括本發(fā)明鋼纖維的混凝土結構。該混凝土結構在ULS下的平均裂后剩余強度超過3MPa，例如大于4MPa，例如大于 5MPa，6MPa，7MPa，7. 5MPa。在該混凝土結構中鋼纖維的劑量優(yōu)選但不是必須小于80kg/m3，優(yōu)選小于60kg/ m3?；炷林袖摾w維的劑量一般可以為20kg/m3至50kg/m3，例如30kg/m3至40kg/m3。優(yōu)選的混凝土結構的鋼纖維劑量小于40kg/m3，在ULS下的平均裂后剩余強度超過 5MPA。根據本發(fā)明的第三方面，將上述鋼纖維用于混凝土的承載結構。


現在將參考附圖更詳細地描述本發(fā)明，其中圖1表示鋼纖維的拉伸試驗(載荷-應變試驗)；圖2表示嵌入混凝土或砂漿內的鋼纖維的拔出試驗(載荷-位移試驗)；圖3a和圖如表示兩根現有技術鋼纖維和一根本發(fā)明鋼纖維的載荷-應變曲線；圖北和圖4b表示兩根現有技術鋼纖維和一根本發(fā)明鋼纖維的載荷-位移曲線；圖5a，圖恥和圖5c表示本發(fā)明的帶有錨固端部的鋼纖維。
具體實施例方式現在將針對具體實施例并參照某些附圖描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此，而是僅由權利要求書限定。附圖僅用于示意地描述，并非用于限制。在附圖中，為了說明的目的， 一些元件的尺寸被夸大了，并未按比例畫出。尺寸和相對尺寸并不對應于為了實施本發(fā)明時的實際縮減。下面的術語僅用于幫助理解本發(fā)明。-最大載荷能力(Fm)在拉伸試驗期間鋼纖維承受的最大載荷；-最大載荷伸長率(％):在最大力時鋼纖維標距長度的增加量，表示為原始標距長度的百分比；-斷裂伸長率(％)在斷裂瞬間標距長度的增加量，表示為原始標距長度的百分比；-拉伸強度(Rm)對應于最大載荷(Fm)的應力；-應力力除以鋼纖維原始橫截面積；-劑量加入一定體積混凝土內的纖維的量(用kg/m3表示)。為了解釋本發(fā)明，對多個不同鋼纖維，包括現有技術的鋼纖維和本發(fā)明的鋼纖維， 進行了多個不同的試驗-拉伸試驗(載荷-應變試驗)；以及-拔出試驗(載荷-位移試驗)。對鋼纖維，更具體而言是對鋼纖維中部進行拉伸試驗?？蛇x地，對用于制造鋼纖維的絲進行拉伸試驗。該拉伸試驗用于確定鋼纖維的最大載荷能力Fm以及確定最大載荷伸長率Ag+e。對以一個錨固端部嵌入混凝土或砂漿內的鋼纖維進行拔出試驗。該拔出試驗用于測量鋼纖維在混凝土和砂漿內的錨固力，以及確定嵌入混凝土或砂漿內的鋼纖維的絕對位移。這些試驗分別表示在圖1和圖2中。圖1表示試驗裝置60，用于測量適合混凝土強化的鋼纖維的伸長率。首先切斷待試驗鋼纖維的錨固端部(例如放大端或鉤形端)。鋼纖維余下的中部14被固定在兩對夾具 62和63之間。通過夾具62和63，逐漸增大的拉伸力F被施加在鋼纖維的中部14上。通過測量伸長儀的夾爪64和65的位移，測量由于該逐漸增加的拉伸力F而引起的位移或伸長率。L1是鋼纖維中部的長度，例如為50mm，60mm或70mm。L2是夾具之間的距離，例如為 20mm或25mm。L3是伸長儀標距長度，最小為10mm，例如為12mm，例如為15mm。為了改善伸長儀對鋼纖維中部14的夾持，鋼纖維中部可以涂覆或者覆蓋薄膠帶，以避免伸長儀在鋼纖維上打滑。通過該試驗，記錄載荷-伸長率曲線?？偟淖畲筝d荷伸長率百分數通過下面的公式計算Ag+e =(最大載荷伸長量/伸長儀標距長度L3) XlOO借助試驗裝置60，對多個不同絲進行試驗，從而獲得最大載荷能力Fm(斷裂載荷)、拉伸強度Rm以及總的最大載荷伸長率Ag+e0總共對十根絲進行了試驗9根現有技術的絲以及一根本發(fā)明的絲。對每個試樣進行五次試驗。表1概述了所獲得的結果。表 權利要求
1.一種用于強化混凝土或砂漿的鋼纖維，所述鋼纖維具有中部和位于所述中部一端或者兩端的錨固端部，所述中部具有最大載荷能力Fm和最大載荷伸長率Ag+e，所述最大載荷伸長率Ag+e至少為2. 5%，所述鋼纖維在所述混凝土或砂漿內的錨固力是所述最大載荷能力Fm 的至少90%，所述錨固力是在一個所述錨固端部嵌入所述混凝土或砂漿內的鋼纖維的拔出試驗期間獲得的最大載荷。
2.如權利要求1的鋼纖維，其中，所述鋼纖維的所述中部的拉伸強度Rm至少為 IOOOMPa0
3.如權利要求1或2的鋼纖維，其中，所述中部的拉伸強度Rm至少為1400MPa。
4.如前述權利要求之任一的鋼纖維，其中，所述鋼纖維的所述中部的最大載荷伸長率 Ag+e至少為4%。
5.如前述權利要求之任一的鋼纖維，其中，所述鋼纖維的所述中部的最大載荷伸長率 Ag+e至少為6%。
6.如權利要求4的鋼纖維，其中，所述中部的拉伸強度Rm至少為1400MPa，最大載荷伸長率Ag+e至少為4%。
7.如前述權利要求之任一的鋼纖維，其中，所述錨固端部是加厚錨固端部、放大錨固端部、冷鍛錨固端部、壓平錨固端部、彎曲錨固端部、波形錨固端部或它們的組合。
8.如前述權利要求之任一的鋼纖維，其中，所述鋼纖維處于應力消除狀態(tài)。
9.如前述權利要求之任一的鋼纖維，其中，所述鋼纖維的所述中部的直徑為0.Imm至 1. 20mmo
10.如前述權利要求之任一的鋼纖維，其中，所述鋼纖維的所述中部的長度與直徑之比 L/D 為 40 至 100。
11.一種混凝土結構，包括如權利要求1-10中一項或多項所述的鋼纖維。
12.如權利要求11的混凝土結構，其中，所述混凝土結構在所述鋼纖維劑量小于40kg/ m3時在ULS下的平均裂后殘余強度超過5MPa。
13.如權利要求1-10之任一限定的鋼纖維用于混凝土承載結構的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于強化混凝土或砂漿的鋼纖維。該纖維具有中部和錨固端部。中部具有最大載荷能力Fm和最大載荷伸長率Ag+e。該最大載荷伸長率Ag+e至少為2.5％。該鋼纖維在混凝土或砂漿內的錨固力是最大載荷能力Fm的至少90％。錨固力是在一個錨固端部嵌入混凝土或砂漿內的鋼纖維的拔出試驗期間獲得的最大載荷。該鋼纖維的優(yōu)點是能以常規(guī)劑量用在混凝土的承載結構中。
文檔編號E04C5/01GK102459776SQ201080025790
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月14日 優(yōu)先權日2009年6月12日
發(fā)明者A·蘭布雷希茨 申請人:貝卡爾特公司