增强条及其制造方法

专利名称：增强条及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于与待浇筑的结构，例如混凝土结构有关的增强元件。更具体地，本发明涉及用于混凝土结构的增强条和制造这种条的方法。这种条包含嵌入已固化的基体中的多根连续的稍微拉伸以便共同工作的平行的优选由玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维或类似材料组成的纤维，该条优选具有20 200mm的平均长度和0.3 3mm的平均直径，每个条由包含多根具有圆柱形或椭圆形横切面的平行的优选直纤维的至少一个纤维束组成，而且所述条提供有用于粘合性质的表面形状和/或纹理。
背景技术：
素混凝土在压缩中很强，但是在拉伸中非常弱，这导致了低的拉伸应变破坏。因此，在混合混凝土成分的同时添加长度短的纤维到混凝土中是惯例。混合期间，混凝土混合的纤维将以随意的方式分散到各个方向并在已固化、硬化的混凝土之内的所有方向提供增强效应。添加纤维将改变破裂模式从宏观破裂到微观破裂。通过修改破裂机制，宏观裂缝变成微观裂缝。裂缝宽度降低，而混凝土的最终拉伸破裂应变提高。嵌入的纤维和粘合剂基体之间的机械粘合提供了应力的再分布。此外，修改破裂模式的能力产生了可量化的益处，减少导致降低的渗透性和提高的表面耐磨性、耐冲击性和疲劳强度的微观破裂。此类型的混凝土以纤维增强混凝土而著称。抗腐蚀性纤维增强聚合物(FRP)增强体的应用之前也已提议用于运输结构，尤其那些暴露于防冻盐和/或位于高腐蚀性环 境的运输结构。玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维通常使用在用于这种混凝土应用的增强条的制造中。纤维生产技术的最近发展允许由玄武岩岩石组成的玄武岩纤维制造的玄武岩纤维增强聚合物条(BFRP)的制造。玄武岩纤维具有良好的热性能范围、高拉伸强度、抗酸性、良好的电磁性能、惰性本质、以及对腐蚀、照射和紫外线、振动和冲击荷载的抗性。BFRP产品可以获得各种形式，诸如直棒、环、二维网眼和螺旋形。用于增强结构的纤维应用的其他领域是混凝土层或待用于隧道墙壁的衬里，以防止岩石坠落或作为防火单元。这样的混凝土被喷射到该表面，并通常表示为喷浆或喷射混凝土以及预浇制混凝土板或预制混凝土元件。为了在固化阶段期间防止蠕变的间接影响(即，在固化阶段期间防止微小的或较大的裂缝形成)，已经使用纤维。所用的一种类型的纤维是具有2 5cm的长度且约Imm的直径的钢纤维。为了提供与混凝土的足够粘合，这种纤维的端部被制成平整的，从而提供了延伸的头部。所述钢纤维增强体的目的是在生混凝土的固化阶段期间防止破裂。除了钢纤维，之前也已经提出使用由嵌入基体且已固化的多根平行的玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维组成的纤维增强体，或用其代替钢纤维。GB2175364A涉及了一种在其表面具有至少一个突起的长的直连续伸长的增强棒或条形式的增强构件，该突起通过在纤维增强的合成芯的圆周表面上包裹带状材料而形成。带状材料通过以节距为每十厘米三匝至每十厘米十五匝的方式扭曲连续的纤维束而形成。纤维束包含玻璃纤维、碳纤维、金属纤维或天然或合成纤维。US5182064描述了通过用未固化的液体树脂浸溃具有连续的长纤维束的增强材料来生产在其表面上具有肋的伸长的纤维增强的长塑料棒的方法。肋形成构件通过用未固化的液体树脂浸溃纤维束增强材料而单独制备。纤维增强的塑料棒通过螺旋形应用肋形成构件并将两个构件一起固化成整体而形成。JP4224154描述了通过在包含增强纤维和热固性树脂的芯材料周围缠绕粗线和细线并以热固化形成凹凸不平的涂层时硬化和固化而具有高的抑制粘附强度和拉伸强度的用于混凝土的增强构件。JP描述了如何通过在嵌入非常粘的材料中的伸长的纤维束上形成向外突出的环形突起或弄平的端部，并将它们切割成一个方向布置且嵌入树脂基体的短纤维束来提高水泥的增强强度。JP1207552描述了用在一个方向取向的增强纤维束来增强热塑性树脂并对其应用弯曲工艺的解决方案。在弯曲工艺要应用的地方，将由与上述提到的增强纤维相同的纤维组成的纱线缠绕，并将由碳化硅、三氧化二铝、不锈钢等组成的具有对混凝土易粘附性能的粉末粘在棒的外围，以便提高增强构件对混凝土的粘附强度。CN2740607公开了用于混凝土的增强纤维结构。该纤维是具有粗糙表面的高聚物纤维。增强纤维结构的 横截面形状可以是六叶形状或五叶形状。轮廓形状可以是波浪形状或锯齿形状。该纤维的直径为0.5 1.0mm。该纤维的长度为40 75mm。该纤维结构具有高拉伸强度、低弹性模量、对强抗酸性和碱性以及轻比重。该纤维用于在固化阶段控制混凝土中的裂缝。CN2012376420公开了可以用于建筑中代替增强钢条的肋材料。该纤维复合肋材料是通过胶合或混合多根玄武岩纤维芯束和包覆玄武岩纤维芯束的树脂基质而形成的可弯曲的圆柱形截面的条。该条是与传统钢增强条相似的尺寸的长部件。EP2087987公开了使用安装在或接近混凝土喷嘴的装置在混凝土中引入较长的钢纤维的方法和装置，其中将该纤维切割并通过管道喷射到直接进入混凝土混合机中的混凝土流中。JP2007070204和JP200837680描述了两条或更多条碳纤维束的成束纱线形式的碳纤维束。该碳纤维束以每米50 120匝扭曲并具有约5 50mm的长度。该碳纤维束表面具有3 25mm的皱纹间隔。将具有宽度/厚度比为20或更高的平整碳纤维束扭曲并处理。线的横截面为0.15 3mm。W098/10159描述了连续的或不连续的纤维和具有用于水泥增强的横截面为多边形的最优化几何形状的条。设计该几何形状以增加可用于纤维和基体之间粘合的表面积与纤维的横截面积的比例。US2001/0051266和US2004/0018358描述了微观机械变形的纤维，以便该纤维被弄平并具有与基体材料接触改进的表面变形，该基体材料尤其可以是混凝土。该纤维优选具有5 IOOmm的长度而且0.5 8mm的平均宽度。该纤维由一种或多种合成聚合物或诸如钢的金属组成。W002/06607描述了待用于混凝土混合物中的纤维，该纤维是平整的或被弄平，并具有被扭曲出段且限定中间的伸长的螺旋形纤维体之间处的第一和第二相反的平整或弄平的端部。该纤维具有5 IOOmm的平均长度、0.25 8.0的平均宽度和0.00 3.0mm的
平均厚度。该纤维由聚丙烯或聚乙烯组成的。 还参照属于本申请人的W020093/025305。该公开内容关于制造方法以及关于伸长的复合增强条的配置和组合通过引用而被包括。需要以简单的方式适用于修复传统钢增强体增强的常规破裂的混凝土结构的改进类型的增强体，以便暴露的钢增强体可以被封闭并且另外恢复，并可提供附加的该破裂混凝土结构的结构完整性。进一步需要提供混凝土结构的增强体，该增强体避免复杂的或传统的原位放置的增强体的需要，在生混凝土之内基于增强体大体随意放置，减少传统的增强体的要求或至少部分传统的增强体的要求。进一步地，需要生产短纤维条的有效且改进的方法，并提高周围混凝土和短条之间的粘合作用。还需要在混凝土的完全固化之后的阶段也有助于混凝土强度的短条增强体。应该理解，在对条增强体的安装或过程中应用限制接入时，在自动化机械限制使用直的条增强体或预制的或原位放置的增强骨架的机会时，需要可靠的不需维修的增强体，该增强骨架包括诸如板、管、排水暗渠、路面、海锚等结构。在上面提到的大部分文件中，所用的塑料纤维选自具有有助于纤维的总比重(即纤维和基体)的比重的组，其中该比重小于1，从而在浇筑过程中，对短条给予上浮到上表面的趋势。进一步地，现有技术的塑料纤维也具有吸收水的趋势，从而在浇筑阶段引起脱水，需要过量的水以实现合适的混凝土固化。浇筑混凝土时，现有技术的塑料纤维在离开斜槽时具有朝向表面上浮的趋势。进一步地，在混合和浇筑期间，传统的钢纤维具有滚成球的趋势，从而引起堵塞，并且由于水吸收趋势也难以混合，从而对浇筑的混凝土的脱水和固化过程具有负面影响。这些负面影响降低了钢的体积分数的范围，且塑料纤维可横跨这一范围使用。根据本发明的玄武岩MiniBars 的优势是允许在高达10%体积分数(VF)的范围内混合的密度和无水吸收，这在使用常规纤维是不可能的。

发明内容
本发明的关键目标是增加纤维增强混凝土的拉伸强度至使用ASTM测试方法的15MPa的挠曲拉伸强度以及残余拉伸强度，以转化压缩破坏模式成塑性对抗脆性(plasticversus brittle),降低体积破裂至优选低于10,从而确立非常有效的增强体。本发明的目标还是提供具有良好的挠曲韧性和在裂缝之后的能量吸收能力的MiniBar 增强混凝土。MiniBar 的定义包括由多根平行的或基本上平行的嵌入合适的基体中的纤维形成的短的玄武岩纤维、碳纤维或玻璃纤维增强条，并且包括缠绕被嵌入的纤维周围的螺旋线，从而形成沿着条以连续方式环绕地延伸的螺旋形布置的凹陷，该条具有20 200mm的长度和0.3 3mm的直径以及可能具有如下面进一步提到的粗糙表面,在下文中称为MiniBar 。本发明的另 一个目标是提供在作为固有裂缝控制的固化阶段期间和在混凝土结构的寿命期间有效的增强体。该增强体在完全固化后也具有负荷承载性质和负荷分散性质，从而提高这种混凝土结构的结构完整性。本发明的另一个目标是提供减少受损混凝土结构的准备工作的程度以便修复这种结构上的损坏的增强元件。本发明的另一个目标是提供生产在用于混凝土时具有增强的粘合品质和性能的此类增强条的方法。本发明的另一个目标是提供在改进的混凝土拉伸强度将消除轻型钢或中型钢或其他类型的增强体的需要时也可以用于诸如海堤的混凝土结构的增强系统。本发明的另一个目标是提供由短条组成的FRP增强体，该短条不以负面的方式来影响混凝土的固化过程，同时增强与周围混凝土的粘合作用和粘合机制。应该理解，钢纤维由于其缺少耐腐蚀性而将逐渐失去其增强强度。因此，本发明的另一个目标是提供耐碱性的增强纤维。更进一步的目标是提供MiniBar 增强体，MiniBar 增强体允许在混合物中随意放置并且不受使用振动生混凝土的振动器的影响。本发明的进一步目标是提供适于诸如挖掘中的深层地基、地基桩柱和隔水墙的增强结构的增强体，否则该增强结构难以实现。本发明的另一个目标是提供MiniBar 增强体，其中，在由于密度而振动生混凝土时，MiniBar 增强体的位置不受影响。

本发明的另一个目标是提供增强系统，其中，纤维的增强作用和增强条或环的形式的传统增强体在混凝土结构的整个横截面区域内共同工作，并且在完全固化后还阻止混凝土的裂缝形成和/或混凝土的表面剥落。在这种情况下，纤维增强体和条、环的形式的增强体或预应力的增强体作为整体的增强体运行。本发明的另一个目标是提供减少所需劳工成本并保持生混凝土的可加工性的可行水平的增强系统。本发明又一个目标是提供以下方式配置的增强元件:当用根据本发明的增强元件增强的混凝土结构承受负荷和力的时候，破坏应该通过增强元件之间的粘合的损失而不是通过破坏MiniBar 来使混凝土而不是MiniBar 自身破坏或裂缝,从而给予混凝土结构与良好的粘合强度有关的破裂后强度。本发明的又一个目标是提供改进的短条，在与生混凝土混合期间，该改进的短条不阻塞，并且在混合和浇筑期间，在分批混合的生混凝土中不下沉或上浮。该目标通过使用如所独立权利要求所定义的短的MiniBar 增强体而实现。可能的实施方式由从属权利要求限定。本发明的又一个目标是提供MiniBar 增强体，其中，直径和粘合强度(它们是获得强度的重要量纲)以所需的挠曲拉伸强度和残余拉伸强度超过15MPa的方式结合。根据本发明，MiniBars 还用于在诸如剪切增强的一些应用中消除钢或玄武岩纤维增强聚合物的需求。上述目标通过如独立权利要求中所进一步定义的增强条和使用和生产这种条的方法而实现。本发明可选的实施方式由从属权利限定。根据本发明，用于混凝土结构的增强条包含嵌入已固化的基体中的多根连续的平行的优选由玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维或类似材料组成的纤维。该条优选具有20 200mm的平均长度和0.3 3mm的平均直径,每个条可以由至少一个包含多根具有圆柱形横截面的平行的优选直纤维的纤维束组成，该横截面优选大体是圆形的或椭圆形的。在该基体的固化阶段之前或期间，每个条表面的至少一部分可以通过以下方式变形，从而提供粗糙表面:a)在纤维嵌入的基体固化之前，有弹性的或无弹性但拉伸的材料的一根或多根绳螺旋形缠绕在平行的直纤维的所述至少一个束周围，在固化期间保持纤维为平行状态，并在增强条的基体化的纤维束的表面上提供在纵向上具有纵向布置的螺旋形凹陷的粗糙外表面；和/或b)所述条提供有有助于与混凝土良好粘合的表面形状和/或纹理。根据本发明的一个实施方式，所述两根或更多根绳可以在纤维束嵌入的基体周围以相对方向螺旋形缠绕。此外,微型条(mini bar)可以优选由玄武岩纤维、碳、玻璃或类似材料组成。应该理解,螺旋线的节距长度(pitch length)为10 22mm,且优选为约17mm以与混凝土等级和骨料粒度相匹 配，而螺旋线相对于微型纤维的中心线的角度可优选为4 8度，而平行纤维相对于所述微型碳纤维的中心线的角度应为2 5度。本发明还包含一种制造增强条的方法。每个条可以包含嵌入已固化的基体中的多根连续的平行的优选由玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维或类似材料组成的纤维，该条优选具有20 200mm的长度和0.3 3mm的直径。该条由至少一个纤维束组成，在固化过程之前或期间，该条具有有助于与混凝土良好粘合的表面纹理，所述表面纹理通过在所述平行的直纤维的至少一个束周围螺旋形缠绕一根或多根弹性材料的绳而获得。根据一个实施方式，在基体的固化之前，将所述至少一根绳螺旋形缠绕，从而保持所述纤维为平行状态并在所述增强条的纵向上提供粗糙外表面。可使用两根或更多根这种绳，例如在相对的方向上螺旋形缠绕。螺旋形缠绕可相对于伸长的微型棒的中心线以4 8度的角度进行缠绕。可以将这种纤维与生混凝土随意地混合并用于破裂混凝土的修复工作，也可以用于在已固化的混凝土结构中提供平均残余强度和挠曲强度，从而恢复并改进混凝土结构的结构完整性。根据本发明的一个实施方式，该增强条包含嵌入已固化的基体中的多根连续的平行的优选由玄武岩组成的纤维，该条优选具有20 200mm的平均长度和0.3 3mm的平均直径。每个条可以由至少一个纤维束组成，该纤维束包含多根平行的优选直的纤维，该纤维具有大体圆柱形或椭圆形的横截面并且提供有有助于与混凝土良好粘合的表面形状和/或纹理。在基体的固化阶段之前或期间，每个条的表面的至少一部分通过以下方式变形，从而生产粗糙表面和/或这种变形可以是任何防止或至少基本上限制拉出的变形或凹陷或形状:a)在纤维嵌入的基体的固化之前，绳材料的一根或多根绳螺旋形缠绕在平行的直纤维的所述至少一个束周围，从而在固化期间保持纤维为平行状态，并在增强条的纵向上提供粗糙外表面，和/或b)每个增强条的至少一个变形区域和/或可能的每个增强条的至少一个端部。
还应该理解，用作围绕主玄武岩纤维条的螺旋线的较薄的玄武岩纤维将提高MiniBar 的强度。根据本发明的进一步实施方式，以相对的方向螺旋形缠绕一根、两根或更多根绳，所述一根或多根绳形成了根据本发明所需的凹陷。根据本发明，所述螺旋形布置的凹陷通过在浸溃的大体未固化的纤维的束周围螺旋形扭曲线或纤维单元，并在所述线中施加比在束中更高的张力而提供，从而提供了沿着束和/或可能用到的情况时的短的切断条的整个长度延伸的在束中的扭曲和/或螺旋形布置的凹陷。可替代地或此外，条的外表面可以具有至少一个扩大的或弄平的部分或具有不同的直径，在固化阶段之前提供这种表面，从而提供与混凝土更好的粘合。每个条可以还具有增加条的接触面积的变形的中间段或端部。在制造如上述所定义的增强条的优选方法中，所述表面纹理通过在所述平行的纤维的至少一个束周围螺旋形缠绕有弹性的或无弹性的材料的一根或多根绳而获得，该纤维也是直的。在基体的固化之前，至少一根螺旋形的绳可以优选缠绕在纤维和基体周围，从而在固化期间保持该纤维为平行状态，并在增强条的纵向上以螺旋形延伸的凹陷形式提供粗糙外表面。可替代地，两根或更多根绳可以在相对的方向上螺旋形缠绕在纤维和基体周围，在此绳中的张力要比用于沿着朝向固化和硬化阶段的产品线牵引该束的张力更高。

该条的外表面可以进一步提供有至少一个扩大或弄平的部分或具有不同的直径，或替代为提供有至少一个扩大或弄平的部分或具有不同的直径，在固化阶段之前形成这种扩大或弄平的部分，从而提供与混凝土更好的粘合。根据本发明的条可以与生混凝土混合并用于修复破裂的混凝土的修复工作，也用于在已固化的混凝土结构中提供平均残余强度和提高的挠曲强度，从而恢复或提高该混凝土结构的结构完整性。其他可能的应用领域是由于玄武岩MiniBars 的增强效应而可被制成更薄更轻的预制或就地浇筑的建筑混凝土地板、混凝土铺路石等等。另一个应用的领域是用于生产沿着海床上保持海底管线的夹具或重物。根据本发明的MiniBars 的其他类型应用可以(例如但不排除地)非常适于暴露于液体且尤其是具有Ph低于7的水或含有盐的水的结构上的应用。这种结构可以例如是海岸防堤的结构以及暴露于水面线或在水面线下面的防波堤/码头岸壁、桥墩、混凝土趸船或类似的结构。该增强体也可以用在难以实现安装的常规增强体的地基结构。这种应用可以例如是发掘或隔水墙、桩等结构中深基。应该注意到，混合期间，玄武岩MiniBar 增强体可以被添加到通过卡车递送的混合中的生混凝土。可替代地，MiniBar 增强体可以被递送到路面石头和排水涵洞等的干混凝土中。用于建立条的螺旋形模式的材料可以例如是有弹性的或无弹性的线。作为一个替代方案，也可以被使用玄武岩纤维线，由于该螺旋线也可以有助于MiniBars 的强度与刚度。此外，还应该理解，MiniBars 还可以被一层随意布置的诸如沙子、玻璃或相似类型的硬材料的颗粒材料涂覆。
根据本发明的MiniBars 被均勻地混合到随意取向的生混凝土中。MiniBars 具有与混凝土相似的密度，虽然不完全相同。因此，MiniBars 在生混凝土中不上浮或下沉而不会受到混凝土振动的影响，即在混凝土振动时，既不向上移到生混凝土的顶部又不向下移动到生混凝土的底部。混凝土中的MiniBars 的行为被认为是取决于混凝土性质和混凝土中MiniBars 的分布。混凝土性质可能是重要的，因为条与其直径相比是短的，所以没有在混凝土中发展完整的锚固。因此，在条中可以被移动的力完全取决于混凝土强度以及混凝土与条之间生成的所得的粘合应力。混凝土中MiniBars 的分布是重要的，是因为在混凝土中使用了与传统的纤维相比相对少量的条。此相对少量的条意味着通过混合物在分布上的微小变化可具有对强度显著的影响。此外，混凝土混合物中所用的骨料粒度可以对已固化的混凝土结构的强度具有影响。与根据本发明的MiniBars 混合的较小的骨料粒度已经影响条分布的质量并因此提高混凝土的强度。根据本发明，直纤维束周围的螺旋线会是有利的。根据本发明的大体随意放置的MiniBars 将表现得像混凝土中的剪切链接(shear link),以便桥接并提高混凝土的剪切强度。根据本发明的MiniBars 也可以是传统的补充增强体(传统的纵向弯曲钢或玄武岩或碳纤维增强条或组架)，MiniBars 至少起剪切增强体的作用，例如通过增强固定器来减少所需的固定时间。通过根据本发明的MiniBars 的使用而获得的独特的优势如下:基于ASTM C1609测验(如钢纤维增强的混凝土的ACI318-08所规定的)的试验已经证明了对于使用根据本发明MiniBars 作为在增强的混凝土板和梁中的剪切增强体的相关的残余强度要求。这种类型的纤维是具有抗腐蚀、抗碱性的结构纤维类型。根据本发明的玄武岩纤维增强条具有以下粘合机制:
在宏观方面，玄武岩纤维和螺旋线的可控节距在10 22mm的范围内扭曲。粘合将是在混凝土的骨料之间，其中，此骨料具有不规则的形状。不规则的形状将与微型条表面中的凹陷以及与混凝土中其他环绕骨料钩住或产生摩擦和/或机械粘合，以确保适当的粘合作用。此外，存在于较大的骨料之间的细沙颗粒和水泥颗粒也将有助于此粘合作用。如果根据本发明的微型条的节距长度(即，一匝细螺旋形绳的距离或长度)太大和/或太直(即非常大的节距)，那么MiniBars 将被拉出；而如果所述距离或长度太小，那么根据本发明的微型棒将断裂和/或碾碎邻接水泥环绕的细小颗粒。由于单位条长度的凹陷体积减少，这种颗粒可主要是细小颗粒。在微观方面上，由于在该束中的平行纤维之间形成的微小的纵向凹陷，离散的玄武岩纤维的表面将被粗糙化，以形成混凝土中细小颗粒之间的粘合作用，从而在混凝土和MiniBar 中的小骨料和细粒之间提供强的互锁的微粘合作用。RFT过程的一个特征是能够匹配螺旋线节距长度(参见图3)以适合最大骨料粒度，以便MiniBar 和骨料可以以最有效的方式互锁，即较小的节距长度以匹配较小的骨料混合物。混凝土与基体的薄层以及最外股的玄武岩纤维之间的化学结合也有助于纤维和周围的混凝土之间的粘合作用。
上述粘合直接与具有由基体包住并接合的小扭曲的直玄武岩纤维相关。粘合不依靠已示出切断乙烯酯涂覆的条的沙子颗粒的添加。进一步地，粘合不依靠如现有技术中所提出的外部添加并在二级材料的环上“胶合”的粘合。MiniBar 的粘合在纤维的方向上，而且纤维和由螺旋形扭曲的细线组成的凹陷允许在MiniBar 的整个长度内的增强条和周围的混凝土之间良好的机械连接。应该理解，为了提供根据本发明的MiniBar 的粗糙表面，纤维的重量系数相对于基体的重量系数应该优选为65 85，更优选为约70 77，而且最优选大约75。如果所用的基体的重量系数太高，MiniBar 的表面上的纤维之间的细小凹陷将被充满基体，从而减少骨料/细粒对微观粘合的贡献并且引起基体易于作为“长袜”而拉出。如果基体的体积太小，那么通过表面上的纤维和混凝土中的骨料和/或细粒之间的粘合而提供的剪切贡献将降低。进一步地，螺旋线与根据本发明的MiniBar 的中心线的最优选的α角应该优选为4 8度,而平行纤维与MiniBar 的所述中心线的x角应该优选为约2 5度。MiniBar 可以优选根据US7396496的内容而被生产，据此其内容通过参考文献而并入。试验已经证明，根据本发明的纤维混合良好并随意保持在混合物中，而与混凝土混合运输卡车的转筒的旋转速度无关。进一步地，在浇筑期间，纤维也在整个混合的体积中保持随意地分布并保持均匀分布。应该理解，直径和粘合强度对于确保微型纤维增强体的所需强度至关重要。而现有技术方案依靠与用作基体的环氧树脂的剪切强度，根据本发明的纤维棒一方面依靠混凝土中的沙子和骨料之间的剪切强度，而另一方面依靠所得的与微型条表面的粘合。直径的范围由于在混凝土中的收缩而重要，并且也起到夹紧机制的作用，该夹紧机制在较大的直径中强于在较小的 直径中。试验已经示出，由于直径变小，在挠曲拉伸试验中的粘合中所测量的夹紧效率增加，而以平均残余强度测量的粘合降低。含义是，对于在混凝土结构的工程期间所需的不同强度水平，可以规定不同直径以提高所期待或所需的强度水平。与MiniBar 的维度相比，骨料可以具有任何通常用于混凝土的普通尺寸。


参照附图，现将进一步详细描述本发明的实施方式，其中:图1示意性示出了根据本发明的MiniBar 的第一实施方式的视图，表明了紧密缠绕；图2示意性示出了根据本发明的MiniBar 的第二实施方式的视图，示出了具有较长节距长度的缠绕；图3以放大比例示意性示出了根据本发明的MiniBar 的一个实施方式的一部分，表明了各种重要的角；图4以放大比例示意性示出了根据本发明的MiniBar 的实施方式的轴向的垂直截面，表明多根基本上平行的纤维的方向，并一方面表明了混凝土的骨料和细粒之间的相互作用，而另一方面表明了 MiniBar 纤维表面的表面和凹陷；
图5以放大比例示意性示出了根据本发明的MiniBar 的横截面，也表明该凹陷和粗糙表面。图6示出了显示以MPa为单位的各种体积％的纤维用量的干拌混凝土的挠曲拉伸强度的曲线图；图7示出了以MPa为单位的各种体积％的纤维用量的干的混合物的平均残余强度；以及图8示出了以MPa为单位的不同体积％的纤维用量的最大骨料粒度为20mm的普通混凝土的挠曲拉伸强度；图9示出了不同体积％的纤维用量的最大骨料粒度为20mm的高强混凝土的挠曲拉伸强度；图10示出了最大骨料粒度为20mm的平均残余强度的混凝土 ；以及公开了表1、表2和表3所示试验结果的一页纸，其中，表I公开了第一代和第二代干拌混凝土的试验结果；表2示出了用量％变化的最大骨料粒度为20_的普通混凝土的试验结果；以及表3示出了三种不同的纤维用量％的最大骨料粒度为20mm的高强混凝土的试
验结果。
具体实施例方式图1示意性示出了根据本发明的MiniBar 10的第一实施方式的视图。MiniBar 10包含嵌入已固化的抗碱性腐蚀的常规类型的基体的多根平行的玄武岩、玻璃纤维或碳的纤维11。这种基体可以是例如热塑性塑料、乙烯酯(VE)或环氧树脂。有弹性的或无弹性的绳12被连续地缠绕在伸长的嵌入的纤维周围，施加给绳12 —定张力以使条10的圆周表面部分变形，产生伸长的螺旋形布置的凹陷14。此缠绕操作优选与伸长的纤维11的嵌入基体中的过程同时或在其稍后进行，但在最后的固化步骤之前进行，从而确保条10的圆周表面的所需变形。进一步地，MiniBar 10可以连续过程制成伸长的绳或条，于是所述连续的条被切割成优选20 200mm的长度，而条的直径或厚度可以优选是0.3 3mm。螺旋线可以由有弹性的或无弹性的(例如玄武岩)绳组成，当以可控的方式拉伸时，该螺旋线可以凹陷形式形成可重复的所需的表面变形。进一步地，MiniBar 的外表面可以优选具有毛发状纹理，该毛发状纹理包含多根以任意方向从MiniBar 伸出的细的毛发或纤维端部。这可以通过在所述细螺旋线周围扭曲多根嵌入已固化的基体中的平行的玄武岩纤维，优选作为单独的束而实现，从而将直的细线变成纤维束周围的螺旋线。在确立螺旋线的过程期间，以玄武岩纤维束中的张力来控制更细的螺旋线中的张力。图1中所示的实施方式是用于增强与周围的混凝土粘合的主要手段，是通过拉伸的螺旋线12而形成的MiniBar 的不平滑形状。在条中保持张力差异，直到基体充分固化和变硬。次要手段是在微观水平上粘合混凝土，具有由从基体中突出的纤维产生的粗糙表面。图2示意性示出了根据本发明的MiniBar 10的第二个实施方式的视图。根据本发明的此实施方式，MiniBar 10提供有如图1中所示的螺旋线12。此外，使两个端部13变形/弄平，以便增加端部接触面积，从而增强MiniBar 10与周围混凝土的粘合性能和抗剪能力。虽然螺旋线12 已示出，但是应该理解，MiniBar 10可以没有这种螺旋线12，已变形的或弄平的端部确保所需的粘合和抗剪能力。参考示意性示出了根据本发明的MiniBar 10的第三个实施方式的视图的图3，其在每个端部变形的而没有螺旋线12。图3以放大比例示意性示出了根据本发明的MiniBar 的一个实施方式的一部分，表明各种重要的角。如图所示，条10包含多根嵌入合适基体中的基本平行的纤维17，条10提供有拉伸的螺旋形缠绕的绳12，以便螺旋形的绳12沿着条10的长度形成伸长的螺旋形延伸的凹陷14。如在图中所表明的，α角用于定义条10的中心线CL与螺旋线12在纸平面上的投影角之间的角。这种α角应该优选为4 8度。进一步地，该图还示出了棒的中心线CL与纤维17的纵向之间的β角。如在上面所规定的，β角应该为2 5度。最佳的是两条纤维之间的张力和与两条纤维的中心线的共有角度为4 5度的平衡。应该理解，图3是被扩大并被扭曲，以便表明源自拉伸的螺旋线的各种形式。应该理解，螺旋线之间的表面是轻微地给出的螺旋形布置的凸外表面。条的轴向上的两个连续的凹陷点之间的长度定义了螺旋线的节距长度。图4以放大比例示意性示出了根据本发明的MiniBar 10的实施方式的轴向的垂直截面，表明了多根基本平行的纤维17的方向与路径，还一方面表明了骨料15和混凝土的细粒15之间相互作用，以及另一方面MiniBar 纤维表面的表面和凹陷14。应该理解，从清晰的视图观点来看，仅示出周围混凝土 15的一部分，纤维10被随意布置在混凝土中。图5以放大比例示意性示出了根据本发明的MiniBar 10的横截面，也表明条10的凹陷14、螺旋 线12和粗糙表面。应该理解，粗糙表面通过平行的纤维17和相邻的纤维17之间的伸长的小凹陷而确立。通常地，添加裂缝控制产品的范围为小于2%。而根据本发明，MiniBars 的添加量的范围为0.5 10%。测试已表明，在上述所确定的添加MiniBars 的范围内使用MiniBars 增强的混凝土被证明在混凝土混合中没有困难。在混凝土中没有溢出、成球或分离，证明了在混凝土中混合MiniBars 是可行的，没有任何困难。试验已经证明，将这种混凝土处理、放置、固化和完成通常而没有额外的预防措施，从而证明了由于MiniBars 的密度而可以获得良好的可加工性。已进行试验以确认并验证混凝土的改进。测试示出了根据ASTM C39ASTM C39用根据本发明的MiniBar 增强混凝土增强的圆筒的压缩强度证明了圆筒的延性破坏在破坏之后仍然完整，而普通的无增强的圆筒由于脆性破坏而将损坏。图6示出了显示以MPa为单位的各种体积％的纤维用量的干拌混凝土的挠曲拉伸强度的曲线图。曲线图示出了在干拌混合物中两代纤维的测试。两代纤维之间的主要差异是纤维直径和螺旋线的节距长度。在第一代中，纤维的体积用量是常数，即1.89%体积；而在第二代中，纤维用量分别为0.75和1.5。如图所示，尽管由于材料的有效利用和玄武岩的拉伸强度而减少纤维用量，但两种第二代的残余强度都高于第一代的相应的结果。图7示出了以MPa为单位的使用各种体积％的纤维用量的干拌混凝土的平均残余强度。低的平均残余强度是较少的MiniBars 穿过给定的裂隙面的结果。图8示出了以MPa为单位的不同体积％ (2 10体积％)的纤维用量的最大骨料粒度为20mm的普通混凝土的挠曲拉伸强度，对于增加的体积百分数，挠曲拉伸强度大体线性增长。图9示出了不同体积％ (0.5 10.0体积％ )的纤维用量的最大骨料粒度为20mm的高强混凝土的挠曲拉伸强度；使用10体积％的用量时，最大骨料粒度为20mm的高强混凝土获得17.04MPa的挠曲强度。相应地，图10示出了使用10.0体积％的纤维用量时，最大骨料粒度为20mm的平均残余强度的混凝土获得15.24的平均残余强度。该图还包括公开了表1、表2和表3所示试验结果的一页纸。表I公开了第一代和第二代干拌混凝土的试验结果；表2示出了用量％变化的最大骨料粒度为20_的普通混凝土的试验结果；以及表3示出了三种不同的纤维用量％的最大骨料粒度为20mm的高强混凝土的试验结果。按照ASTM C78-07对体积百分数为0.75 10%的根据本发明的MiniBars 进行挠曲拉伸强度(断裂模量)的测试，结果是挠曲拉伸强度从6MPa增长到17.05MPa,该增长取决于5.2MPa的零MiniBar 的结果所用的体积分数。从普通未增强混凝土的零增长到5.8 15.24MPa(474 1355psi)的平均残余强度，取决于所用的MiniBars 的体积分数。这些值远大于相似压缩强度的素混凝土所期待的那些值。下面的挠曲拉伸强度％)、以体积(Vf)表示的MiniBar 用量和(f'。)之间的相互关系是通过使用标准圆筒试验所测量的混凝土的压缩强度:
权利要求
1.一种用于混凝土结构的增强条，包含嵌入已固化的基体中的多根连续的平行的轻微拉伸的优选由玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维或类似材料组成的纤维，所述条优选具有20mm 200mm的平均长度和0.3mm 3mm的平均直径，每个条由至少一个包含多根具有圆柱形横截面的平行的优选直的纤维的纤维束组成，所述横截面优选大体为圆形或椭圆形，其特征在于，在所述基体的固化阶段之前或期间，每个条的表面的至少一部分通过以下方式变形，从而提供了粗糙表面: a)在所述纤维嵌入的所述基体固化之前，有弹性的或无弹性的但拉伸的材料的一根或多根绳螺旋形缠绕在平行的直纤维的所述至少一个束的周围，在固化期间保持所述纤维为平行状态，并在所述增强条的基体化的纤维束的表面上提供在纵向上具有纵向布置的螺旋形凹陷的不平滑的外表面；和/或 b)所述条提供有有助于与混凝土良好粘合的表面形状和/或纹理。
2.根据权利要求1所述的增强条，其中，所述两根或更多根绳以相对的方向螺旋形缠绕在纤维束嵌入的基体周围。
3.根据权利要求1或2所述的增强条，其中，所述微型条由玄武岩纤维、碳、玻璃或类似材料组成。
4.根据权利要求1 3中任意一项所述的增强条，其中，螺旋线的节距长度为IOmm 22mm，优选为约17mm以与混凝土等级和骨料粒度相匹配。
5.根据权利要求1 4中任意一项所述的增强条，其中，所述螺旋线与微型纤维的中心线的α角可为4度 8度，而平行的纤维与所述微型纤维的中心线的β角应为约2度 5度。
6.一种制造由权利要求1 5进一步限定的增强条的方法，其中，每个条包含嵌入已固化的基体中多根连续的平行的优选由玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维或类似材料组成的纤维，所述条优选具有20mm 200mm的平均长度和0.3mm 3mm的平均直径,其特征在于，所述条由至少一个纤维束组成，在固化过程之前或期间，所述条提供有有助于与混凝土良好粘合的表面纹理，所述表面纹理通过在平行的纤维的所述至少一个束的周围螺旋形缠绕有弹性的材料的一根或多根绳而获得，所述纤维也是直的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述基体的固化之前，将所述至少一根绳螺旋形缠绕，以在固化期间保持所述纤维为平行状态，并在所述增强条的纵向上提供不平滑的外表面。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，两根或更多根绳以相对的方向螺旋形缠绕。
9.根据权利要求7或8中之一所述的方法，其中，螺旋形缠绕以与伸长的微型条的中心线呈4度 8度的α角进行缠绕。
10.如上述权利要求1 9中之一所限定的短纤维的应用，其中，将所述纤维随意地与生混凝土混合，并用于破裂的混凝土的修复工作，且还用于在已固化的混凝土结构中提供平均残余强度的和挠曲强度，从而恢复或提高所述混凝土结构的结构完整性。
全文摘要
本发明涉及了混凝土结构的增强条，包含嵌入已固化的基体中的多根连续的平行的优选由玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维或类似材料组成的纤维，该条优选具有20～200mm的平均长度和2～10mm的平均直径，每个条由至少一个包含多根具有圆柱形横截面的平行的优选直的纤维的纤维束组成，而且所述条具有有助于与混凝土良好粘合的表面形状和/或纹理。在该基体的固化阶段之前或期间，每个条的表面的至少一部分通过以下方式变形，从而提供了粗糙表面a)在该纤维嵌入的基体固化之前，有弹性的或无弹性的但拉伸的材料的一根或多根绳螺旋形缠绕在平行的直纤维的所述至少一个束的周围，在固化期间保持所述纤维为平行状态，并在该增强条的纵向上提供粗糙外表面；和/或b)每个增强条的至少一个变形区域和/或至少一个端部。本发明还涉及了一种用于制造增强条和用于这种短纤维的应用的方法。
文档编号C04B14/38GK103180258SQ201180050729
公开日2013年6月26日 申请日期2011年10月21日 优先权日2010年10月21日
发明者P·卡托·斯坦达, 伦纳德·W·米勒 申请人:瑞福斯科技有限公司