CN102803629A - 高伸展率纤维 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于加强混凝土或砂浆的钢纤维。所述钢纤维具有中间部分和两个端部。所述钢纤维的所述中间部分具有至少1000MPa的拉伸强度和至少2.5％的最大载荷下的伸展率Ag+e。本发明还涉及包括这样的钢纤维的混凝土结构。

Description

高伸展率纤维
技术领域
本发明涉及一种适合于加强砂浆或混凝土并且特别适合于加强常规混凝土的新型钢纤维。所述钢纤维的特征在于高伸展率。本发明也涉及用该类型的钢纤维加强的常规混凝土的结构。此外，本发明涉及该类型的钢纤维用于加强常规混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土或后张混凝土的用途。
背景技术
众所周知，用钢纤维加强混凝土或砂浆以改善混凝土或砂浆的质量。钢纤维例如用于加强常规混凝土。
术语“常规混凝土”指的是具有低于75MPa(1MPa＝1兆帕斯卡＝1牛顿/平方毫米)、例如低于70MPa并且优选地低于60MPa的抗压强度的混凝土。
EP-B1-851957(NV Bekaert SA)教导了一种具有扁平钩状端部的钢纤维，由此大幅改善了借助于这样的纤维加强的混凝土的开裂后抗弯强度。
US-A-4883713(Eurosteel)教导了一种具有圆柱形钢主体的钢纤维，所述钢主体具有圆锥形端部以用于改善钢纤维进入钢纤维加强混凝土中的锚固特征。
这两个引用文献以及其他文献已经教导了常规钢纤维混凝土的性质可以由于钢纤维进入混凝土中的改善锚固特征而大幅改善。
目前用于混凝土加强的已知现有技术的钢纤维很好地用于改善混凝土结构的使用性能极限状态(SLS)，即，在典型的三点弯曲测试期间(该测试参见欧洲标准EN 14651，该测试是一种用于金属纤维混凝土的、测量弯拉强度的测试方法)，它们很好地桥接小于或等于0.5mm裂纹或裂纹张口位移(CMOD)、例如范围在0.1mm至0.3mm之间的CMOD’s。换句话说，已知的钢纤维(例如具有扁平钩状端部的钢纤维和具有圆锥形端部的纤维)很好地用于限制高达0.5mm(SLS)的裂纹的宽度或扩大。如今这些纤维的缺点在于在极限状态(ULS)下它们的性能较低。尤其是，极限状态(ULS)和使用性能极限状态(SLS)开裂后强度之间的比率较低。该比率由载荷值FR，1(CMOD＝0.5mm)和FR，4(CMOD＝3.5mm)确定。
一些现有技术的纤维不在ULS下执行，原因是它们在低于ULS要求的CMOD下断裂。其他纤维(例如具有钩状端部的纤维)被设计成将被拔出，由于拔出，那些纤维显示已经用于小位移的位移软化行为。
尽管在ULS下的该低性能，但是目前已知的钢纤维也可以用于所谓的结构应用中，以便改善极限状态(ULS)。在这里期望已知的钢纤维作为典型加强(例如钢筋、网、预应力和后张)的替代或补充而支承或承载载荷。然而为了在这样的载荷承载功能中有效，这些当前的钢纤维不得不以显著超过20kg/m3至40kg/m3的正常用量的大用量被使用。大用量可以导致可使用性问题，例如混合和布置问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的钢纤维，一旦嵌入混凝土或砂浆中并且特别地嵌入常规混凝土中所述钢纤维能够实现新功能。
本发明的目的是提供一种新型的钢纤维，在根据欧洲标准EN14651(2005年6月)的三点弯曲测试期间所述钢纤维能够永久地桥接裂纹张口位移。
本发明的另一个目的是提供一种新型的钢纤维，所述钢纤维在结构应用中承载载荷而不需要高用量。
根据本发明的第一方面提供了一种适合于加强混凝土或砂浆并且特别地适合于加强常规混凝土的钢纤维。所述钢纤维具有中间部分和两个端部，即，在所述中间部分的一侧的第一端部和在所述中间部分的另一端的第二端部。
所述中间部分具有至少1000MPa的拉伸强度Rm(以MPa计)。
此外，根据本发明的钢纤维并且更特别地根据本发明的钢纤维的中间部分具有至少2.5％的最大载荷下的伸展率Ag+e。
最大载荷下的伸展率
在本发明的背景下，最大载荷下的伸展率Ag+e而不是断裂时的伸展率At用于表征钢纤维、更特别地钢纤维的中间部分的伸展率。
原因在于一旦达到最大载荷，钢纤维的可用表面的收缩开始，并且不承受更高的载荷。
最大载荷下的伸展率Ag+e是最大载荷下的塑性伸展率Ag和弹性伸展率的总和。
最大载荷下的伸展率不包括可能由于钢纤维的中间部分的波状特征(如果有的话)引起的结构伸展率As。在波状钢纤维的情况下，在测量Ag+e之前首先拉直钢纤维。
根据本发明的钢纤维的中间部分的最大载荷下的伸展率Ag+e为至少2.5％。
根据本发明的特定实施例，钢纤维的中间部分具有高于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％或甚至高于6.0％的最大载荷下的伸展率Ag+e。
可以通过对制造钢纤维将使用的钢丝线施加特定的应力释放处理(例如热处理)而获得最大载荷下的伸展率Ag+e的高程度。
常规钢纤维由具有较小的最大载荷下的伸展率Ag+e(最大2％的最大载荷下的伸展率Ag+e)的丝线制造。因此常规混凝土中的常规钢纤维被设计成拔出基体(具有钩状端部的纤维)。本领域中已知的其他钢纤维不在ULS下执行，原因是它们在低于ULS的要求的CMOD下断裂。这样的钢纤维的例子是具有圆锥形端部的钢纤维。
根据本发明的纤维由于钢丝线具有高最大载荷下的伸展率Ag+e而伸展。它们伸展并且在达到ULS之前不断裂。此外由于根据本发明的纤维具有高拉伸强度，因此用该类型的钢纤维加强的高拉伸强度混凝土可以耐受高载荷。
最大载荷下丝线的高伸展率值必须允许桥接大于0.5mm的裂纹张口位移并且必须以正常用量水平替代传统加强或作为传统加强的补充而允许承受载荷。因此该新型钢纤维改善了混凝土结构的极限状态(ULS)。该新纤维不仅改善耐用性，而且改善承载或载荷能力。
拉伸强度Rm
根据本发明的钢纤维(即，根据本发明的钢纤维的中间部分)优选地具有高拉伸强度Rm。拉伸强度Rm是在拉伸测试期间钢纤维耐受的最大应力。
钢纤维的中间部分的拉伸强度Rm(即，最大载荷能力Fm除以钢纤维的初始横截面面积)优选地高于1000MPa并且更优选地高于1400MPa，例如高于1500MPa、例如高于1750MPa、例如高于2000MPa、例如高于2500MPa。
根据本发明的钢纤维的高拉伸强度允许钢纤维耐受高载荷。
更高的拉伸强度因此直接反映在常规混凝土中所必需的纤维的更低用量中。
由于根据本发明的钢纤维的高延展性或高伸展率，因此纤维将在根据EN 14651的三点弯曲测试中在高于1.5mm、高于2.5mm或高于3.5mm的CMOD’s下不断裂。
钢纤维的高延展性或伸展率允许具有更宽开口的裂纹可以被桥接并且发生裂纹后的混凝土的开裂后强度将随着裂纹宽度增加而增加。或者一旦混凝土开裂，纤维加强混凝土显示弯曲硬化行为。
在优选实施例中钢纤维包括中间部分和用于将钢纤维锚固在混凝土或砂浆中的锚固端部。在这样的优选实施例中混凝土或砂浆中的钢纤维的锚固力优选地高于钢纤维的中间部分的最大载荷能力Fm的50％。锚固力由在拔出测试期间达到的最大载荷确定。对于该拔出测试，钢纤维用一个端部嵌入混凝土或砂浆中。该测试将进一步更详细地进行描述。
根据本发明的优选实施例，钢纤维具有更高的锚固力，例如高于最大载荷能力Fm的60％、高于70％或高于80％的锚固力。
更优选地混凝土或砂浆中的钢纤维的锚固力甚至高于90％，例如高于92％、95％、98％或甚至高于99％。
混凝土或砂浆中的钢纤维的锚固程度越高，混凝土或砂浆的残余强度越高。防止钢纤维滑出混凝土越好，使用钢纤维的中间部分的全强度越好。例如在混凝土或砂浆中的钢纤维的锚固力为90％的情况下，可以使用钢纤维的中间部分的全强度的90％。
混凝土中的高锚固程度可以以不同方式获得，例如通过加厚或扩大端部、通过冷锻、通过扁平钢纤维、通过在钢纤维的端部形成明显弯钩、通过使端部形成波浪式或通过这些的组合。锚固端部例如是加厚锚固端部、扩大锚固端部、冷锻(cool heated)锚固端部、扁平锚固端部、弯曲锚固端部、波浪式锚固端部或它们的任何组合。
未完全理解为何一些端部比其他端部提供更好的锚固的机制并且不能例如通过数学建模预测锚固的程度。所以，根据本发明提出通过将设有一个端部的钢纤维嵌入混凝土或砂浆中并且通过使钢纤维受到拔出测试(载荷位移测试)确定钢纤维的锚固力。
钢纤维(更特别地钢纤维的中间部分)典型地具有在0.10mm至1.20mm的范围内的直径D。在钢纤维并且更特别地钢纤维的中间部分的横截面不是圆形的情况下，直径等于具有与钢纤维的中间部分的横截面相同的表面积的圆的直径。
钢纤维(更特别地钢纤维的中间部分)典型地具有在40至100的范围内的长度-直径比率L/D。
钢纤维的中间部分可以是直的或线性的，或者可以是波状的或波浪式的。
根据本发明的第二方面，提供了一种混凝土结构，所述混凝土结构包括根据本发明的钢纤维。混凝土结构例如包括常规混凝土。
混凝土结构具有超过3MPa、例如4MPa以上、例如5MPa、6MPa、7MPa、7.5MPa以上的ULS下的平均开裂后残余强度。
混凝土结构中的钢纤维的用量优选地、但非必要地小于80kg/m3，优选地小于60kg/m3。混凝土中的钢纤维的用量的范围典型地可以为20kg/m3至50kg/m3，例如为30kg/m3至40kg/m3。
根据本发明的第三方面，提供了如上所述的钢纤维用于混凝土的载荷承载结构的用途。特别地本发明涉及新型钢纤维在常规混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土或后张混凝土的结构中的用途。
附图说明
将在以下描述中借助于附图进一步解释本发明，其中：
图1示出了钢纤维的拉伸测试(载荷-应变测试)；
图2示出了嵌入混凝土或砂浆中的钢纤维的拔出测试(载荷-位移测试)；
图3显示了现有技术的钢纤维和根据本发明的钢纤维的载荷-应变曲线；
图4a、图4b和图4c是根据本发明的钢纤维的图示。
具体实施方式
本发明将关于特定实施例并且参考某些附图进行描述，但是本发明不限于此，而是仅仅由权利要求限定。所述的附图仅仅是示意性的并且是非限定性的。在附图中，为了图解的目的一些元件的尺寸可以被放大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于本发明的实际付诸实施。
提供以下术语仅仅是为了帮助理解本发明。
最大载荷能力(Fm)：钢纤维在拉伸测试期间耐受的最大载荷；
最大载荷下的伸展率(％)：在最大力下的钢纤维的标距长度的增加，表现为初始标距长度的百分比；
断裂时的伸展率(％)：在断裂时的标距长度的增加，表现为初始标距长度的百分比；
拉伸强度(Rm)：对应于最大载荷(Fm)的应力；
应力：力除以钢纤维的初始横截面面积；
用量：加入混凝土体积的纤维的量(以kg/m3表达)。
为了说明本发明，许多不同的钢纤维、现有技术的钢纤维和根据本发明的钢纤维经受了许多不同的测试：
拉伸测试(载荷-应变测试)；以及
拔出测试(载荷-位移测试)。
拉伸测试应用于钢纤维，更特别地应用于钢纤维的中间部分。或者，拉伸测试应用于制造钢纤维所使用的丝线。
拉伸测试用于确定钢纤维的最大载荷能力Fm并且确定最大载荷下的伸展率Ag+e。
拔出测试应用于用一个端部嵌入混凝土或砂浆中的钢纤维。拔出测试用于测量混凝土或砂浆中的钢纤维的锚固力并且还可以用于确定嵌入混凝土或砂浆中的钢纤维的绝对位移。
分别在图1和2中示出了测试。
图1显示了用于测量适合于混凝土加强的钢纤维的伸展率的测试装置60。首先切断待测试的钢纤维的锚固端部(例如扩大的或钩状的端部)。将钢纤维的剩余中间部分14固定在两对夹钳62、63之间。通过夹钳62、63将渐增的拉伸力F施加于钢纤维的中间部分14。通过测量伸长计的夹子64、65的位移来测量由于该渐增拉伸力F产生的位移或伸长。L1是钢纤维的中间部分的长度并且例如为50mm、60mm或70mm。L2是夹钳之间的距离并且例如为20mm或25mm。L3是伸长计标距长度并且最小为10mm，例如12mm，例如15mm。为了改善伸长计在钢纤维的中间部分14上的夹持，钢纤维的中间部分14可以有涂层或者可以覆盖有薄带以避免伸长计在钢纤维上的滑动。通过该测试记录载荷伸展曲线。最大载荷下的总伸长的百分比由以下公式计算：
Figure BDA0000118527370000071
借助于测试装置60，本发明的钢纤维与许多市场上可得到的现有技术的钢纤维在断裂载荷Fm、拉伸强度Rm和最大载荷下的总伸长百分比Ag+e方面进行比较。执行了五个测试样品。表1汇总结果。
表1
  纤维类型   直径(mm)   Fm(N)   Rm(MPa)   Ag+e(％)
  现有技术1   0.90   879±8   1382±12   1.37±0.07
  现有技术2   1.0   911±14   1160±18   1.86±0.24
  现有技术3   1.0   1509±12   1922±15   2.36±0.19
  现有技术4   1.0   873±10   1111±13   1.95±0.21
  现有技术5   1.0   1548±15   1972±19   1.99±0.27
  现有技术6   1.0   1548±45   1971±58   2.33±0.29
  现有技术7   0.75   533±19   1206±43   2.20±0.24
  现有技术8   0.9   751±29   1181±46   2.16±0.13
  现有技术9   0.77   1051±20   2562±44   1.88±0.15
  本发明的纤维   0.89   1442±3   2318±4   5.06±0.32
仅仅本发明的纤维具有超过2.5％的最大载荷下的伸长百分比。
图2示出了用于测量混凝土中的钢纤维的锚固的测试装置。钢纤维12在它的一个端部锚固在混凝土方块20中。方块20由常规混凝土制成。混凝土方块20位于具有中心孔24的平台22上，钢纤维12延伸通过所述中心孔。平台22由多个杆26保持，所述杆构成围绕方块20的笼。钢纤维12的另一个端部被切断并且固定在夹钳28中。由夹钳28在钢纤维12上施加位移直到钢纤维12断裂或者被拔出方块20。记录力位移或载荷位移图。
图3a显示了现有技术的钢纤维32和根据本发明的钢纤维36的载荷-应变曲线。
通过使钢纤维受到如图1中所述的测试获得载荷-应变曲线。
现有技术的钢纤维具有略高于800牛顿的最大载荷Fm。该最大载荷Fm相当于大约1200MPa的拉伸强度Rm。现有技术的钢纤维的最大载荷下的伸展率Ag+e较低，特别地低于2.0％。
当根据本发明的钢纤维的载荷-应变曲线36与现有技术的钢纤维的载荷-应变曲线32比较时将注意到两个区别：
首先，最大载荷Fm大于1400牛顿，即，远远大于曲线32的现有技术的纤维的最大载荷Fm。
其次，最大载荷下的伸展率Ag+e也远远大于曲线32的现有技术的纤维的最大载荷下的伸展率Ag+e。根据本发明的钢纤维的最大载荷下的伸展率Ag+e大于2.5％，或者甚至大于3.0％或4.0％。
图4a、图4b和图4c显示了根据本发明的钢纤维的实施例。
图4a显示了具有中间部分404和两个锚固端部402的钢纤维400。锚固端部402是扩大端部。两个锚固端部402之间的中间部分404例如是直的或线性的。中间部分404的横截面例如是大致圆形的或圆的。中间部分404的直径或厚度优选地在0.4至1.2mm的范围内。中间部分404的长度-直径比率由于操作性和经济考虑通常处于40至100之间。
锚固端部402是扩大端部，其形成大致圆锥形以用于改善钢纤维400锚固到待加强的混凝土的基体材料中。
图4b显示了具有中间部分414和两个端部412的另一个钢纤维410。中间部分414是直的。中间部分414的横截面可以是圆的或略扁平的。两个锚固端部412是扩大端部，更特别地是根据引用的EP-B1-851957的钩状的并且可能也s是扁平的扩大端部。
图4c显示了根据本发明的钢纤维420的另一个实施例，该钢纤维具有中间部分424和两个锚固端部422。中间部分424为波浪式的。锚固端部422也为波浪式的。中间部分424和锚固端部422的波浪式可以是相同或不同的。
钢纤维400、410和420优选地具有在1000至3000MPa之间、更优选地在1400MPa至3000MPa之间、例如在1600MPa至3000MPa之间的拉伸强度。
可以如下地制造根据本发明的钢纤维。开始材料是具有例如5.5mm或6.5mm的直径，并且钢成分具有最少0.50重量百分比(wt％)、例如等于或大于0.60wt％的碳含量、在0.20wt％至0.80wt％的范围内的锰含量、在0.10wt％至0.40wt％的范围内的硅含量的线材。硫含量为最大0.04wt％并且磷含量为最大0.04wt％。
典型的钢成分包括0.725％碳、0.550％锰、0.250％硅、0.015％硫和0.015％磷。替代的钢成分包括0.825％碳、0.520％锰、0.230％硅、0.008％硫和0.010％磷。线材在多个拉拔步骤中被冷拉直到它的最终直径在0.20mm至1.20mm的范围内。
为了赋予钢纤维在断裂时和在最大载荷下的高伸展率，因此拉制丝线可以受到应力释放处理，例如通过使丝线穿过适于丝线的穿过速度的一定长度的高频或中频电感线圈。已观察到在大约300℃的温度下持续一定时间的热处理导致大约10％的拉伸强度的减小，而不增加断裂时的伸展率和最大载荷下的伸展率。然而通过将温度略微增加到大于400℃，观察到拉伸强度的进一步减小，并且同时观察到断裂时的伸展率的增加和最大载荷下的伸展率的增加。
丝线可以涂覆或不涂覆有耐腐蚀涂层，例如锌或锌合金涂层，更特别地，锌铝涂层或锌铝镁涂层。在拉拔之前或在拉拔期间，丝线也可以涂覆铜或铜合金涂层以便于拉拔操作。
然后可以将经应力释放的丝线切成合适长度的钢纤维，并且给予钢纤维的端部合适的锚固。切割和钩状成形也可以在同一个步骤中借助于合适的轧辊完成。
因此获得的钢纤维可以根据US-A-4284667胶粘或不胶粘在一起。
附加地或备选地，获得的钢纤维可以置于根据EP-B1-1383634的链状包装中或例如在申请号为09150267.4的欧洲专利申请中公开的带状包装中。

Claims (14)

1.一种用于加强混凝土或砂浆的钢纤维，所述钢纤维具有中间部分和两个端部，所述钢纤维的所述中间部分具有至少1000MPa的拉伸强度Rm以及至少2.5％的最大载荷下的伸展率Ag+e。
2.根据权利要求1所述的钢纤维，其中所述钢纤维的所述中间部分具有至少1400MPa的拉伸强度Rm。
3.根据权利要求1或2所述的钢纤维，其中所述钢纤维的所述中间部分具有至少2000MPa的拉伸强度Rm。
4.根据上述权利要求中的任一项所述的钢纤维，其中所述钢纤维的所述中间部分具有至少4％的最大载荷下的伸展率Ag+e。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的钢纤维，其中所述钢纤维的所述中间部分具有至少6％的最大载荷下的伸展率Ag+e。
6.根据权利要求2所述的钢纤维，其中所述钢纤维的所述中间部分具有至少1400MPa的拉伸强度Rm以及至少4％的最大载荷下的伸展率Ag+e。
7.根据上述权利要求中的任一项所述的钢纤维，其中所述端部是用于将所述钢纤维锚固在所述混凝土或砂浆中的锚固端部。
8.根据权利要求7所述的钢纤维，其中所述锚固端部是加厚锚固端部、扩大锚固端部、冷锻锚固端部、扁平锚固端部、弯曲锚固端部、波浪式锚固端部或它们的组合。
9.根据上述权利要求中的任一项所述的钢纤维，其中所述钢纤维处于应力释放状态。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的钢纤维，其中所述钢纤维的所述中间部分的直径在0.1mm至1.20mm的范围内。
11.根据上述权利要求中的任一项所述的钢纤维，其中所述钢纤维的所述中间部分的长度-直径比L/D在40至100的范围内。
12.一种混凝土结构，其包括根据权利要求1至11中的一项或多项所述的钢纤维。
13.根据权利要求12所述的混凝土结构，其中在所述钢纤维的用量小于40kg/m3的情况下，所述混凝土结构具有超过4MPa的极限状态下的平均开裂后残余强度。
14.根据权利要求1至11中的一项或多项所述的钢纤维在常规混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土或后张混凝土中的用途。
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