一种梯度混杂定向纤维混凝土及其制备方法

1.本发明涉及一种梯度混杂定向纤维混凝土及其制备方法，属于纤维增强混凝土材料技术领域。


背景技术：

2.在混凝土中加入适量的高弹性模量和延展性好的纤维对增强混凝土的强度和改善混凝土的韧性、抗裂都起到积极作用，因而采用两种或者两种以上的纤维混杂可以增强混凝土的极限承载力、应变能力和应变硬化性能。在提高混凝土强度方面，通常以金属纤维为主，在提高混凝土韧性、延性和抗裂性能方面，通常以非金属纤维为主。然而在实际工程中，纤维加入混凝土中的方向和分布密度是较难控制的，无法像钢筋一样根据构件所受到的应力情况进行布置，使得大部分纤维没有充分发挥其作用，造成纤维的浪费。因此在混凝土力学性能和耐久性的增强，以及在纤维增强混凝土中施工中的具体实施方面，还需要不断地完善技术，做到对材料的合理、高效与精确的使用，达到更好的环境与经济效益。


技术实现要素：

3.本发明是一种梯度混杂定向纤维混凝土，利用非金属纤维增强混凝土的韧性，减少混凝土的收缩徐变开裂。同时，加入弹性模量高的金属纤维，同时使金属纤维呈现定向分布，如混凝土梁沿纵向受拉分布，同时纤维密度越靠近底部密度越大。梯度混杂定向混凝土具有纤维用量少、利用率高、成本造价低，混凝土构件边缘开裂少的优势。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案：一种梯度混杂定向纤维混凝土，包括水泥、粗骨料、细骨料、减水剂、水，所述梯度混杂定向纤维混凝土还包括可磁化纤维和非磁化纤维，梯度混杂定向纤维混凝土分为多层，每层中可磁化纤维与非磁化纤维以不同的梯度分布，所述可磁化纤维定向排列。
5.进一步的，所述可磁化纤维为含有铁元素的金属纤维，包括钢纤维、镀铜钢纤维。
6.进一步的，非磁化纤维包括聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈、尼龙、玄武岩制作的纤维中的一种或者多种。
7.进一步的，所述梯度混杂定向纤维混凝土呈圆筒状，沿所述圆筒轴向，所述梯度混杂定向纤维混凝土分为多层，，所述可磁化纤维方向沿圆柱环向分布，密度由外到内梯度分布。
8.一种梯度混杂定向纤维混凝土的制备方法，包括以下步骤：（1）在粗骨料内加入水泥、可磁化纤维拌合均匀后得到第一混合料，在第一混合料内加入细骨料、非磁化纤维拌合均匀后得到第二混合料，将水和减水剂混合得到混合液，在第二混合料内加混合液，得到混杂纤维混凝土；（2）重复执行步骤（1），并在每次执行中改变可磁化纤维及非磁化纤维的掺量，形成多种可磁化纤维及非磁化纤维掺量的混杂纤维混凝土；（3）按可磁化纤维及非磁化纤维梯度分布，将一种混杂纤维混凝土单层浇筑；
（4）在附着式振捣器与混凝土界面之间加入排列的磁铁，磁铁排列形成平板磁场，附着式振捣器连同排列的磁铁沿一个方向附着振捣混凝土，可磁化纤维受磁场作用转动，形成单层混杂定向纤维混凝土；（5）重复执行步骤（3）及步骤（4），进行分层浇筑，形成梯度混杂定向纤维混凝土。
9.进一步的，在步骤（1）中：（a）粗骨料采用5~20毫米的碎石，加入硅酸盐水泥p
•
o 42.5，碎石与水泥的质量比为1:2.04，再均匀撒入钢纤维，钢纤维体积率为0.4%，拌合均匀后得到第一混合料；（b）在第一混合料内加入细骨料，细骨料采用细度模数大于3的河砂，河砂与水泥的质量比为1:2.21，再均匀撒入体积率为0.75%的聚乙烯纤维，拌合均匀后得到第二混合料；（c）将水和聚羧酸型减水剂混合得到混合液，加入第二混合料内，水灰比为0.42，减水剂用量为水泥用量的0.3~0.4%，拌合均匀后，得到钢纤维体积率为0.4%，聚乙烯纤维体积率为0.75%的混杂纤维混凝土。
10.进一步的，在步骤（2）中，更改钢纤维体积率为0.8%、1.2%，聚乙烯纤维体积率为1%、1.25% 。
11.进一步的，在步骤（4）中，采用永磁铁排列形成平面排列磁铁层，平面排列磁铁层敷设在平面附着式振捣器底面，平面排列磁铁层形成平板磁场，平面附着式振捣器连同平面排列磁铁层沿振捣移动方向振捣混凝土，移动速度1.2米/分钟，可磁化纤维受磁场作用转动，形成单层混杂定向纤维混凝土。
12.进一步的，在步骤（3）-（5）中，提供一种浇筑装置，包括底板、转动轴、外侧模板、分层板、内侧模板，底板与转动轴相连，外侧模板、分层板及内侧模板布置在底板上，外侧模板、分层板及内侧模板呈圆筒状并同心设置，在步骤（3）中，混杂纤维混凝土浇筑于分层板及内侧模板之间、分层板及分层板之间或外侧模板及分层板之间，在步骤（4）中，在内侧模板内侧和外侧模板外面贴附曲面排列磁铁层，曲面排列磁铁层再外侧贴附曲面附着式振捣器，转动轴转动，曲面附着式振捣器对混凝土振捣，曲面排列磁铁层形成的磁场使钢纤维受磁场作用转动。
13.与现有的混杂纤维混凝土及制备方法相比，本发明具有以下优势：1)将可磁化纤维和非磁化聚合物纤维在一定比例下，通过分层浇筑、磁场定向，形成梯度混杂定向纤维混凝土。
14.2)可磁化纤维通常为含有铁元素的高弹性模量纤维，在混凝土中呈定向梯度分布，如沿梁纵向分布，同时梁底纤维含量高，梁顶纤维含量底，提高梁的强度，减小梁底受力开裂；再如沿圆柱的环向分布，外层纤维含量高，内层纤维含量底，提高柱的强度，减小外侧开裂。
15.3)可磁化纤维和非磁化纤维具有一定的协同作用，非磁化纤维具有一定的润滑能力和框架作用，利于可磁化纤维受磁场作用的转向和在混凝土中的均匀分布。
16.4)采用分层浇筑的方式，一方面利于设置可磁化纤维和非磁化纤维各自的梯度分布，另一方面分层后，混凝土每一层都比较薄，有利于磁铁形成的磁场对可磁化纤维转向。
17.5) 采用分层浇筑、附着式振捣的方式，分层后附着式振捣有利于混凝土振捣密实，同时附着式振捣器下敷平板磁场边振捣边使可磁化纤维转向，方便较大体积的构件制
作，避免了定向纤维混凝土整体振捣时需要设置形成较大磁场的难题。
附图说明
18.图1为本发明一种长方体型梯度混杂定向纤维混凝土及其制备方法示意图；图2为本发明四种梯度混杂定向纤维混凝土分布示意图；图3为本发明一种圆柱型梯度混杂定向纤维混凝土及其制备方法示意图。
19.图中有：模板11、分层浇筑线12、后浇筑的砼层13、定向后的砼层14、平面附着式振捣器15、平面排列磁铁层16、振捣移动方向17、定向前的砼层18；底板21、外侧模板22、分层板23、内侧模板24、旋转方向25、转动轴26、曲面附着式振捣器27、曲面排列磁铁层28。
具体实施方式
20.下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
21.本发明提供一种梯度混杂定向纤维混凝土。梯度混杂定向纤维混凝土包括的水泥、粗骨料、细骨料、减水剂、水等混凝土常用材料。梯度混杂定向纤维混凝土还包括可磁化纤维和非磁化纤维。
22.可磁化纤维为含有铁元素的金属纤维，如钢纤维、镀铜钢纤维。非磁化纤维包括聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈、尼龙、玄武岩制作的纤维中的一种或者多种。
23.以下实施例中，可磁化纤维采用钢纤维，非磁化纤维采用聚乙烯纤维。
24.所述可磁化纤维的方向相同。
25.可磁化纤维和非磁化纤维在混凝土中分别以不同的梯度分布。具体的，梯度混杂定向纤维混凝土沿一方向分为多层，每层中的可磁化纤维和非磁化纤维含量不同，呈不同的梯度分布，同时分层浇筑有利于混凝土的附着式振捣和钢纤维的定向。
26.所述的可磁化纤维和非磁化纤维在混凝土中的分布密度可以在各层中呈梯度变化，可以是同时增大，也可以一个增大一个减小，或者一个均匀分布一个梯度变化。
27.所述的钢纤维在混凝土制备过程中，需要磁场作用固定方向，对混凝土受力方向起增强强度的作用，同时减小混凝土的受力开裂。
28.本发明梯度混杂定向纤维混凝土的制备过程，包括以下步骤：（1）粗骨料采用5~20毫米的普通碎石，加入常用的普通硅酸盐水泥p
•
o 42.5，碎石与水泥的质量比为1:2.04，再均匀撒入钢纤维，钢纤维体积率为0.4%，拌合均匀后得到第一混合料；（2）在第一混合料内加入细骨料，细骨料采用细度模数大于3的河砂，河砂与水泥的质量比为1:2.21，再均匀撒入体积率为0.75%的聚乙烯纤维，拌合均匀后得到第二混合料；（3）将水和聚羧酸型减水剂混合得到混合液，加入第二混合料内，水灰比为0.42，减水剂用量为水泥用量的0.3~0.4%，拌合均匀后，得到钢纤维体积率为0.4%聚乙烯纤维体积率为0.75%的混杂纤维混凝土；
（4）更改钢纤维体积率为0.8%、1.2%，聚乙烯纤维体积率为1%、1.25%，重复（1）~（3），得到如下表的不同混杂纤维掺量的混凝土：下面结合附图，通过实施例进一步讲述本发明的形成方法：实施例1：如图1所示，本实施例为一种长方体型梯度混杂定向纤维混凝土及其制备方法示意图，混凝土在长方体型的模板11中分三层浇筑，首先浇筑a3b2层，采用永磁铁排列形成平面排列磁铁层16，平面排列磁铁层16敷设在平面附着式振捣器15底面，平面排列磁铁层16形成平板磁场，平面附着式振捣器15连同平面排列磁铁层16沿振捣移动方向17振捣混凝土，移动速度约1.2米/分钟，钢纤维受磁场作用转动，形成单层混杂定向纤维混凝土。混凝土振捣和钢纤维定向完成后，依次浇筑a2b2、a1b2层，最终形成具有三层钢纤维梯度的混杂定向混凝土，钢纤维梯度分布，聚乙烯纤维均匀分布。
29.采用实施例1同样的方法，更换混杂纤维混凝土编号，则可以得到四种梯度混杂定向纤维混凝土，分别为钢纤维梯度增大，聚乙烯纤维均匀分布；钢纤维均匀分布，聚乙烯纤维梯度增大；钢纤维梯度增大，聚乙烯纤维梯度增大；钢纤维梯度增大，聚乙烯纤维梯度减小；如图2所示。
30.实施例2：如图3所示，本实施例为一种圆柱型梯度混杂定向纤维混凝土及其制备方法示意图，底板21与转动轴26相连，圆筒形的外侧模板22、分层板23、内侧模板24布置在底板21上，它们都采用硬塑料材料制作，防止屏蔽磁场。内侧浇筑a1b2层、中间浇筑a2b2层、外侧浇筑a3b2层，并在内侧模板24和外侧模板22外面贴附曲面排列磁铁层28，曲面排列磁铁层28再外侧贴附曲面附着式振捣器27，转动轴26沿着旋转方向25转动，曲面附着式振捣器27对混凝土振捣，曲面排列磁铁层28形成的磁场使钢纤维受磁场作用转动，最终形成具有三层钢纤维梯度的混杂定向混凝土，钢纤维方向沿圆柱环向分布，钢纤维密度由外到内梯度分布，聚乙烯纤维均匀分布。
31.钢纤维也可换为镀铜钢纤维，聚乙烯纤维也可换为聚丙烯、聚丙烯腈、尼龙等制作的纤维。
32.以上所述仅是本发明的优选实方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
33.本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和
范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。