CN103261543A - 用于增强混凝土或砂浆的具有扁平段的钢纤维 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于增强混凝土或者砂浆的钢纤维。钢纤维包括具有长度L的中间部分、位于中间部分的一端处的第一锚固端和位于中间部分的另一端处的第二锚固端。中间部分包括第一扁平段、第二扁平段和中央段。中央段位于第一与第二扁平段之间。第一扁平段靠近但不紧邻所述第一锚固端，并且第二扁平段靠近但不紧邻所述第二锚固端。中间部分具有至少1000MPa的拉伸强度R_m和至少2.5%的最大载荷伸长率A_g+e。本发明还涉及包括根据本发明的钢纤维的混凝土结构以及钢纤维用于混凝土承载结构的用途。

Description

用于增强混凝土或砂浆的具有扁平段的钢纤维

技术领域

本发明涉及用于增强混凝土或者砂浆的钢纤维，所述钢纤维具有中间部分和至少一个锚固端，其中，中间部分具有至少一个扁平段。根据本发明的钢纤维当被嵌入混凝土或者砂浆中时在正常使用极限状态（SLS）和承载能力极限状态（ULS）下显示出良好性能。本发明还涉及包括所述钢纤维的混凝土或者砂浆结构。

背景技术

混凝土是具有低拉伸强度和低应变能力的脆性材料。为了提高混凝土的诸如拉伸强度和应变能力之类的性能，已经开发出了纤维增强混凝土且更特别是金属纤维增强混凝土。现有技术已知的是，诸如纤维浓度、纤维几何形状和纤维纵横比之类的纤维特性极大地影响增强混凝土的性能。

关于纤维的几何形状，众所周知的是，具有不同于直线形状的形状的纤维在混凝土或者砂浆中提供了更好的纤维锚固性。此外已知，优选的是当添加到混凝土或砂浆中或者与其混合时不易于形成球的纤维。现有技术中已知多种不同纤维几何形状的实例。例如，有在整个长度上或者在长度的一部分上具有波浪形的纤维。WO84/02732中描述了在整个长度上成波浪形的钢纤维的实例。此外，现有技术中已知具有钩状端部的纤维。例如，在US 3,942,955中描述了这种纤维。类似地，有横截面轮廓在长度上变化的纤维，例如，具有增厚段和/或扁平段的纤维。如US 4,883,713中描述的，具有增厚段的钢纤维的实例是在每个末端具有钉头形增厚段的钢纤维。日本专利JP6-294017描述了在整个长度上扁平的钢纤维。德国实用新型G9207598描述了具有钩状端部的钢纤维的仅仅中间部分扁平。US 4,233,364描述了直线形钢纤维，其具有扁平端部和在基本上垂直于扁平端部的平面中的凸缘。从EP 851957和EP 1282751已知具有扁平钩状端部的钢纤维。

现有技术已知的用于混凝土增强的纤维在已知应用领域中表现很好，如工业化做地板、喷射混凝土、铺路面…。然而，现有技术已知纤维的缺点是当使用低或者中等纤维掺量时在承载能力极限状态（ULS）下性能比较低。对于更高要求的结构应用，如梁和升起式板坯，使用高的掺量来提供在ULS下所需的性能，一般为0.5vol%（40kg/m³）以上，且高达1.5vol%（120kg/m³）也不稀奇。高的掺量不利于钢纤维增强混凝土的混合和浇注。某些现有技术的纤维不能在ULS下适用，因为它们在低于ULS所要求的裂纹张开位移（CMODs）下断裂。其它纤维如带钩状端部的纤维在ULS下表现不好，因为它们设计成能被拔出。

发明内容

本发明的目的是提供用于增强混凝土或者砂浆的钢纤维，避免了现有技术的缺陷。

另一目的是提供这样的钢纤维，其能够在根据欧洲标准EN 14651（2005年6月）的三点弯曲试验期间桥接大于0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或者甚至大于3mm的裂纹张开位移。

本发明的另一目的是提供在混凝土或者砂浆中显示出良好锚固性的钢纤维。

另一目的是提供当混入到混凝土或者砂浆中时不易于形成球的钢纤维。

此外，本发明的目的是提供这样的钢纤维，其可以被有利地用于结构应用，其中，以钢纤维的低或者中等掺量（一般为1vol%钢纤维或者0.5vol%钢纤维）使用所述钢纤维。

另外，另一目的是提供这样的钢纤维，其允许减少或者避免用钢纤维增强的开裂混凝土在张力区域中的蠕变行为。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于增强混凝土或者砂浆的钢纤维。所述钢纤维包括中间部分、位于中间部分的一端处的第一锚固端和位于中间部分的另一端处的第二锚固端。中间部分具有长度L。中间部分包括第一扁平段、第二扁平段和中央段。第一扁平段具有长度l_fl1。第二扁平段具有长度l_fl2。中间部分的中央段具有长度l’。中央段位于第一扁平段和第二扁平段之间。第一扁平段靠近但不紧邻第一锚固端，并且第二扁平段靠近但不紧邻第二锚固端。中央段具有至少1000MPa的拉伸强度R_m和至少2.5%的最大载荷伸长率A_g+e。

优选是，中间部分的中央段，即中间部分的在第一扁平段和第二扁平段之间的段，构成中间部分的主要部分。优选是，中央段的长度（l’）除以中间部分的长度（L）的比值（=比值l’/L）大于0.50。更优选是，比值l’/L大于0.55、大于0.60、大于0.65、大于0.70或者甚至大于0.75。长度l’优选介于10到40mm的范围，更优选介于25到40mm的范围。

“靠近但不紧邻锚固端”意味着，锚固端和扁平段之间的距离很小但不为零。优选是，第一锚固端与第一扁平段之间的距离和/或第二锚固端与第二扁平段之间的距离介于0.5到20mm的范围，例如介于1到5mm的范围，例如为2或3mm。

因为第一扁平段靠近但不紧邻第一锚固端，所以中间部分具有位于第一锚固端与第一扁平段之间的段。类似地，因为第二扁平段靠近但不紧邻第二锚固端，所以中间部分具有位于第二扁平段与第二锚固端之间的段。

根据本发明的钢纤维的中间部分因此依次包括：

-第一锚固端与第一扁平段之间的段；

-第一扁平段；

-中央段；

-第二扁平段；

-第二扁平段与第二锚固端之间的段。

中间部分优选是直的或者直线型的。对于直的中间部分，第一锚固端与第一扁平段之间的段、第一扁平段、中央段、第二扁平段以及第二扁平段与第二锚固端之间的段全都在一条直线上。

中间部分的中央段为直的或者直线型的。

中间部分的长度L定义为中间部分的总长度，并且因此相当于第一锚固端与第一扁平段之间的段的长度、第一扁平段的长度l_fl1、中央段的长度l’、第二扁平段的长度l_fl2以及第二扁平段与第二锚固端之间的段的长度的总和。

对本发明来说必不可少的是，根据本发明的钢纤维的中间部分具有两个有限长度的扁平段，在两个扁平段之间具有大长度l’的中央段（优选是非扁平段）。中央段具有至少1000MPa的拉伸强度R_m，并且最大载荷伸长率A_g+e至少为2.5%。根据本发明的钢纤维在混凝土或者砂浆结构的正常使用极限状态（SLS）或者承载能力极限状态（ULS）显示出良好的性能。

现有技术已知的是，使钢纤维具有扁平段改善了钢纤维在混凝土或者砂浆中的锚固性。在现有技术中描述了使钢纤维具有扁平段的不同方式：

-日本专利JP 6-294017描述了在整个长度上使钢纤维扁平；

-德国实用模型9207598描述了仅使具有钩状端部的钢纤维的中间部分扁平；

-US 4,233,364描述了具有扁平端部和在基本上垂直于扁平端部的平面中具有凸缘的直钢纤维；

-德国实用模型9202767描述了一种钢纤维，其中间部分具有多个扁平段；

-EP 851957和EP 1282751描述了具有扁平的钩状端部的钢纤维。

根据本发明的钢纤维不同于现有技术的纤维，因为根据本发明的钢纤维的中间部分在靠近锚固端处具有两个有限长度的扁平段。令人惊奇地发现，在靠近但不紧邻锚固端部处具有两个有限长度的扁平段的钢纤维在混凝土或者砂浆中显示出增强的锚固性。

当以中等或者低掺量使用时，即以小于1vol%或者小于0.5vol%例如0.25vol%的掺量使用时，根据本发明的钢纤维在混凝土或者砂浆结构的正常使用极限状态（SLS）和在承载能力极限状态（ULS）两者下表现得特别好。现有技术中已知的是，增加混凝土中的纤维量正面地影响纤维增强混凝土的性能。本发明的一大优点是，利用钢纤维的中等或者低掺量而获得了在SLS和ULS时的良好性能。对于本发明，用于评估在钢纤维增强混凝土的ULS和SLS下性能的材料特性是剩余的弯曲拉伸强度f_R,i。剩余弯曲拉伸强度得自于中跨挠度（δ_R）的预定裂纹张开位移（CMOD）时的载荷。剩余弯曲拉伸强度借助于根据欧洲标准EN 14651（在本申请中进一步描述）的三点弯曲试验来确定。在CMOD₁=0.5mm（δ_R,1=0.46mm）时确定剩余弯曲拉伸强度f_R,1，在CMOD₂=1.5mm（δ_R,2=1.32mm）时确定剩余弯曲拉伸强度f_R,2，在CMOD₃=2.5mm（δ_R,3=2.17mm）时确定剩余弯曲拉伸强度f_R,3，并且在CMOD₄=3.5mm（δ_R,4=3.02mm）时确定剩余弯曲拉伸强度f_R,4。剩余弯曲拉伸强度f_R,1是SLS设计的关键技术要求。剩余弯曲拉伸强度f_R,3是ULS设计的关键技术要求。

对于根据本发明的钢纤维—与现有技术已知的钢纤维相反—剩余弯曲强度f_R,3与剩余弯曲强度f_R,1之间的比值（f_R,3/f_R,1）很高，即使是当使用钢纤维的低或者中等掺量时，例如，低于1vol%的掺量或者低于0.5vol%的掺量，例如0.25vol%。对于根据本发明的纤维，当使用低于1vol%的掺量或者低于0.5vol%的掺量例如0.25vol%时，比值f_R,3/f_R,1优选大于1，更优选大于1.15，例如，1.2或者1.3。

对于根据本发明的具有0.5vol%掺量的钢纤维增强的混凝土，使用C35/45混凝土的剩余弯曲拉伸强度f_R,3高于3.5MPa，优选高于5MPa，更优选高于6MPa，例如7MPa。

现有技术已知的纤维，例如具有圆锥形端部（钉头形）的由低碳钢丝制成的钢纤维能够良好地限制达大约0.5mm的宽度或者增长（SLS）。然而，这些纤维在ULS时具有低性能。该类钢纤维在小于ULS所要求的裂纹张开位移时断裂。对于在普通强度混凝土例如C35/45混凝土中的中等掺量，比值f_R,3/f_R,1小于1。现有技术中已知的其它纤维是具有钩状端部的纤维，例如从EP 851957中已知的纤维被设计成能拔出。此外，对于该类纤维，对于普通强度混凝土中的中等掺量，比值f_R,3/f_R,1小于1。

第一扁平段具有长度l_fl1；第二扁平段具有长度l_fl2。第一扁平段的长度l_fl1和第二扁平段的长度l_fl2优选介于0.5mm到10mm的范围，更优选介于1mm到3mm的范围，例如为2mm或者2.5mm。第一扁平段的长度l_fl1和第二扁平段的长度l_fl2可以是相同的或者可以是不同的。优选是，第一扁平段的长度l_fl1和第二扁平段的长度l_fl2是相同的。

与中间部分的长度L相比，第一扁平段的长度l_fl1和第二扁平段的长度较小。比值l_fl1/L和比值l_fl2/L优选小于0.15。更优选是，比值l_fl1/L和比值l_fl2/L小于0.10或者小于0.07。

此外，第一和第二扁平段的总长度比中间部分的长度L小。第一和第二扁平段的总长度相当于第一扁平段的长度l_fl1和第二扁平段的长度l_fl2的和。比值（l_fl1+l_fl2）/L优选小于0.30。更优选是，比值（l_fl1+l_fl2）/L小于0.20或者小于0.14。

第一扁平段和第二扁平段优选具有矩形或者大致矩形的横截面。在可选实施例中，第一和第二扁平段具有椭圆形或者大致椭圆形的横截面。

虽然优选圆形横截面，但是中央段可以具有任何种类的横截面。优选的是，中央段在中央段的整个长度l’上具有相同的横截面。对于某些实施例，必要的是中央段在中央段的整个长度l’上具有相同的横截面。中央段可以是扁平的，例如矩形、大致矩形、椭圆形或者大致椭圆形。然而，如果中间部分的除扁平段外的部分（例如，中央段）是扁平的，则使其扁平程度到比扁平段低。

类似地，虽然优选圆形截面，但是第一锚固端与第一扁平段之间的段和第二锚固端与第二扁平段之间的段可以具有任何种类的横截面。优选是，第一锚固端与第一扁平段之间的段和第二锚固端与第二扁平段之间的段在这些段的整个长度上具有相同的横截面。对于某些实施例，必要的是第一锚固端与第一扁平段之间的段和第二锚固端与第二扁平段之间的段在这些段的整个长度上具有相同的横截面。第一锚固端与第一扁平段之间的段和第二锚固端与第二扁平段之间的段可以是扁平的，例如矩形、大致矩形、椭圆形或者大致椭圆形。然而，如果这些段是扁平的，则使其扁平程度比扁平段低。优选是，第一锚固端与第一扁平段之间的段和第二锚固端与第二扁平段之间的段具有与中间部分的中央段相同的横截面。

与中央段的厚度相比，第一扁平段和第二扁平段的厚度优选减小10%到40%，例如15%到30%之间，例如20%或者25%。厚度的更大减小对钢纤维在混凝土或者砂浆中的锚固力和钢纤维在混凝土或者砂浆中的性能具有正面影响。然而，厚度的减小大于40%是不希望的，因为厚度的这种减小使中间部分的强度削弱很大程度。

在本发明的某些实施例中，钢纤维的扁平段具有一个扁平侧面。在发明的其它实施例中，钢纤维的扁平段具有两个扁平侧面。

在一优选实施例中，扁平段包括在基本上平行于钢纤维平面的平面中的扁平段。在一可选实施例中，扁平段包括在基本上垂直于钢纤维平面的平面中的扁平段。

最大载荷能力F_m-拉伸强度R_m

根据本发明的钢纤维，更特别是根据本发明的钢纤维的中间部分的中央段，优选具有高的最大载荷能力F_m。最大载荷能力F_m是钢纤维在拉伸试验期间能承受的最大载荷。中央段的最大载荷能力F_m直接与中央段的拉伸强度R_m相关，因为拉伸强度R_m是最大载荷能力F_m除以钢纤维的初始横截面积。对于根据本发明的钢纤维，钢纤维的中央段的拉伸强度优选高于1000MPa且更特别是高于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容许钢纤维承受高载荷。因此，如果所使用的钢纤维提供良好的锚固性，则更高的拉伸强度直接反映在纤维的低掺量上。

最大载荷伸长率

根据本发明的钢纤维的一优选实施例，更特别是根据本发明的钢纤维的中间部分的中央段，具有至少2.5%的最大载荷伸长率A_g+e。根据本发明的具体实施例，钢纤维的中间部分的中央段具有大于2.75%、大于3.0%、大于3.25%、大于3.5%、大于3.75%、大于4.0%、大于4.25%、大于4.5%、大于4.75%、大于5.0%、大于5.25%、大于5.5%、大于5.75%或者甚至大于6.0%的最大载荷伸长率A_g+e。

在本发明的上下文中，使用最大载荷伸长率A_g+e而非断裂伸长率A_t来表示钢纤维的伸长率，更特别是钢纤维的中间部分的中央段的伸长率。原因是，一旦已经达到最大载荷，则钢纤维的有效表面开始收缩并且不再接受更高载荷。最大载荷伸长率A_g+e是最大载荷时的塑性伸长率A_g和弹性伸长率的和。

可以通过对制造钢纤维的钢丝进行例如热处理之类的特殊消除应力处理来获得高的最大载荷伸长率A_g+e。在这种情况下，至少钢纤维的中间部分的中央段处于消除应力状态。

优选的是具有高延展性或者高的最大载荷伸长率A_g+e的钢纤维，这些纤维在根据EN 14651的三点弯曲试验中当CMOD超过1.5mm、超过2.5mm或者超过3.5mm时不会断裂。

锚固力

优选是，根据本发明的钢纤维在混凝土或者砂浆中具有很高的锚固程度。根据本发明，通过使钢纤维的中间部分具有扁平段，显著地增强了钢纤维在混凝土或者砂浆中的锚固性。现有技术中已知，锚固端的类型直接影响钢纤维在混凝土或者砂浆中的锚固性。锚固端可包括加厚或扩大的锚固端、钉头、扁平锚固端、钩状锚固端、弯曲或者波浪形锚固端或者它们的任意组合。根据本发明，令人惊奇地发现，对于大多数种类的锚固端，通过使钢纤维的中间部分具有靠近但不紧邻锚固端的扁平段，增强了钢纤维在混凝土或者砂浆中的锚固性。高的锚固程度避免了纤维的拔出。高的锚固程度与高的最大强度伸长率的结合避免了纤维的拔出，避免了纤维失效，并且避免了混凝土承受张力时的脆性失效。高的锚固程度与高拉伸强度的结合允许在出现裂纹之后更好地利用拉伸强度。

根据本发明的钢纤维，更特别是钢纤维中间部分的中央段，例如具有高于1000MPa的拉伸强度R_m和至少2.5%的最大载荷伸长率A_g+e、至少1000MPa的拉伸强度R_m和至少4%的最大载荷伸长率A_g+e。在优选实施例中，钢纤维，更特别是钢纤维中间部分的中央段，具有至少1500MPa的拉伸强度R_m和至少2.5%的最大载荷伸长率A_g+e、至少1500MPa的拉伸强度R_m和至少4%的最大载荷伸长率A_g+e。在其它优选实施例中，钢纤维，更特别是钢纤维中间部分的中央段，具有至少2000MPa的拉伸强度R_m和至少2.5%的最大载荷伸长率A_g+e、至少2000MPa的拉伸强度R_m和至少4%的最大载荷伸长率A_g+e。具有高拉伸强度R_m的纤维可以经得起高载荷。以高的最大载荷伸长率A_g+e为特征的纤维在根据EN 14651的三点弯曲试验中的CMOD超过0.5mm、超过1.5mm、超过2.5mm或超过3mm时不会断裂。

钢纤维，特别是钢纤维中间部分的中央段，一般具有介于0.10mm到1.20mm范围的直径D，例如介于0.5mm到1mm，更特别是为0.7mm或者0.9mm。在钢纤维且更特别是钢纤维中间部分的中央段的横截面不是圆的情况中，直径等于具有与钢纤维中间部分的中央段的横截面相同表面积的圆的直径。一般，钢纤维的用钢纤维的长度除以钢纤维的直径的比值（=钢纤维的长度/D的比值）介于40到100的范围。钢纤维的长度例如为60mm、65mm或者70mm。钢纤维的长度是指钢纤维的总长度，即，中间部分的长度和锚固端的长度的和。

根据本发明的钢纤维可以具有任何种类的锚固端，例如加厚或扩大的锚固端、钉头、扁平锚固端、钩状锚固端、弯曲或者波浪形锚固端或者其任意组合。

一种特殊类型的锚固端包括偏离钢纤维中间部分主轴线的锚固端。“偏离”是指偏转离开一直线，即偏转离开钢纤维中间部分的主轴线。具有偏离锚固端的钢纤维的第一实例包括中间部分和位于中间部分的一端或者两端的锚固端。中间部分具有主轴线。锚固端在第一弯曲段处偏离主轴线。第一弯曲段具有第一曲率半径。可选地，锚固端还包括其它弯曲段，例如具有第二曲率半径的第二弯曲段和具有第三曲率半径的第三弯曲段。两个连续的弯曲段可相互直接相连。可选地，两个弯曲段通过一直段相连。“连续的弯曲段”是指前后相继的弯曲段。优选是，当处于水平表面上稳定位置处的该钢纤维垂直地投影到该水平表面上时，至少两个连续的弯曲段在该水平表面中的垂直投影位于中间部分主轴线的该水平表面中垂直投影的一侧。“稳定位置”是指当放到水平表面上时钢纤维保持的位置。

具有锚固端的钢纤维的另一实例包括具有中间部分和位于中间部分的一端或者两端处的锚固端的钢纤维。中间部分具有主轴线。锚固端至少包括第一、第二和第三直段。第一、第二和第三直段中的每个具有一主轴线。第一直段通过第一弯曲段连接至中间部分；第二直段通过第二弯曲段连接至第一直段；第三直段通过第三弯曲段连接至第二直段。第一、第二和第三直段中的每个具有一主轴线，即，第一直段的主轴线、第二直段的主轴线和第三直段的主轴线。中间部分的主轴线与第一直段的主轴线之间的夹角介于100到160度的范围。第二直段具有与中间部分的主轴线基本上平行的主轴线。

根据本发明的钢纤维可具有一个在中间部分一端处的锚固端。优选是，根据本发明的钢纤维在钢纤维的两端处具有锚固端。在钢纤维在中间部分的两端处具有锚固端的情况中，这两个锚固端可以是相同的或者可以是不同的。

对于在中间部分两端处具有锚固端的钢纤维，两锚固端都可沿相同方向从钢纤维中间部分的主轴线弯曲离开（对称纤维）。可选地，一个锚固端可沿一个方向从钢纤维中间部分的主轴线弯曲离开，而另一个锚固端可沿相反方向从钢纤维中间部分的主轴线弯曲离开（非对称纤维）。

根据第二方面，一种增强混凝土结构包括用根据本发明的钢纤维来增强的混凝土结构。所述增强混凝土结构可以用或者可以不用除根据本发明的钢纤维以外的传统增强方式（例如，预应力增强或者后张拉增强）来增强。

对于用根据本发明的钢纤维增强的增强混凝土结构，剩余弯曲拉伸强度f_R,3除以剩余弯曲拉伸强度f_R,1的比值（比值：f_R,3/f_R,1）优选大于1且更优选大于1.15或者大于1.2，例如为1.3。当使用低的钢纤维掺量时，例如小于1vol%的掺量或者小于0.5vol%的掺量或者甚至为0.25vol%的掺量，达到该比值。

使用根据本发明钢纤维的增强混凝土结构的剩余弯曲拉伸强度f_R,3优选大于3.5MPa，更优选是剩余弯曲强度f_R,3大于5MPa或者甚至大于6MPa。

用根据本发明的纤维增强的混凝土结构在ULS时具有超过3MPa（例如大于4MPa，例如大于5MPa、6MPa、7MPa、7.5MPa）的平均开裂后剩余强度。通过使用根据本发明的钢纤维，在使用C35/45混凝土并且使用小于1vol%或者甚至小于0.5vol%的掺量的情况下，可达到在ULS时具有超过3MPa的平均开裂后剩余强度的混凝土结构。根据本发明，优选的增强混凝土结构在使用C35/45混凝土和小于1vol%或者甚至小于0.5vol%的掺量时的ULS下具有超过5MPA的平均开裂后剩余强度。

重要的是注意，存在在ULS下具有超过3MPa或者5MPa的平均开裂后剩余强度的增强混凝土结构。然而，现有技术中已知的增强混凝土结构在普通强度混凝土或者高强度混凝土中使用高的钢纤维掺量（超过0.5vol%或者超过1vol%），或者在高强度混凝土中使用中等掺量的高强度纤维。

根据第三方面，提供了根据本发明的钢纤维用于混凝土承载结构的用途。

附图说明

现在参照附图来更详细地描述本发明，其中，

图1示出了钢纤维的拉伸试验（载荷-应变试验）；

图2示出了三点弯曲试验（载荷-裂纹张开位移曲线或者载荷-挠度曲线）；

图3示出了载荷-裂纹张开位移曲线；

图4和图5显示了不能满足本发明要求的钢纤维的实施例；

图6和图7显示了根据本发明的钢纤维的实施例。

具体实施方式

将针对具体实施例并参考一些附图来描述本发明，但是本发明不限于此而是仅由权利要求限制。所描述的附图仅是示意性的且是非限制性的。在附图中，为了说明性目的，一些元件的尺寸被放大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸并不对应于本发明的实际付诸实施。

以下术语仅提供用来帮助理解本发明。

-最大载荷能力（F_m）：钢纤维在拉伸试验期间经受得起的最大载荷；

-最大载荷伸长率（%）：在最大作用力下钢纤维标距长度的增大，用原始标距长度的百分比来表示；

-断裂伸长率（%）：断裂瞬间时标距长度的增大，用原始标距长度的百分比来表示；

-拉伸强度（R_m）：与最大载荷相应的应力（F_m）；

-应力：作用力除以钢纤维的原始横截面积；

-掺量：在一定体积的混凝土中添加的纤维量（用kg/m³表示，或者用vol%来表示（1vol%相当于78,50kg/m³））；

-普通强度混凝土：混凝土的强度小于或等于如EN206中所定义的C50/60强度级的混凝土强度；

-高强度混凝土：混凝土的强度高于如EN206中所定义的C50/60强度级的混凝土强度。

为了说明本发明，对多个不同的钢纤维（既有现有技术的钢纤维，也有根据本发明的钢纤维）进行两种不同的试验：

-拉伸试验（载荷-应变试验）；和

-三点弯曲试验（载荷-裂纹张开位移曲线或者载荷-挠度曲线）。

对钢纤维更特别是对钢纤维的中间部分或者中央段进行拉伸试验。可选地，对用于制造钢纤维的钢丝进行拉伸试验。使用拉伸试验来确定钢纤维的最大载荷能力F_m并且确定最大载荷伸长率A_g+e。按EN14651的规定，对缺口增强梁进行三点弯曲试验。使用所述试验确定剩余拉伸强度。在图1和图2中分别图解了所述试验。

图1显示了钢纤维的拉伸试验（载荷-应变试验）的试验装置60。借助于试验装置60来测试钢纤维的最大载荷能力F_m（断裂载荷）、拉伸强度R_m和总的最大载荷伸长率A_g+e。首先，切断待测试钢纤维的锚固端（例如，扩大端或者钩状端）。将钢纤维剩余的中间部分14（或者剩余的中央段）固定在两对夹具62、63之间。经由夹具62、63，对钢纤维的中间部分14施加递增的拉力F。通过测量引伸计的夹爪64、65的位移来测量由于该递增拉力F导致的位移或者伸长量。L₁是中间部分14（或者剩余的中央段）的长度并且例如为50mm、60mm或者70mm。L₂是所述夹具之间的距离并且例如为20mm或者25mm。L₃是引伸计的标距长度并且最少为10mm，例如为12mm，例如为15mm。为了增强引伸计对钢纤维的中间部分14的夹紧，钢纤维的中间部分（或者中央段）可涂覆或者包覆以薄型带，以防止引伸计在钢纤维上打滑。通过该试验，记录载荷-伸长曲线。

通过以下公式计算总的最大载荷伸长率的百分数：

引伸计标距长度L₃

借助于图1的装置60，测试多个不同钢丝的最大载荷能力F_m（断裂载荷）、拉伸强度R_m和总的最大载荷伸长率A_g+e。对每个样品进行五次试验。表1给出了被测试的钢丝的概述。

表1

钢丝类型	碳含量	直径（mm）	Fm(N)	Rm(MPa)	Ag+e(%)
						1	低	1.0	911	1160	1.86
2	低	0.9	751	1181	2.16
						3	高	0.89	1442	2318	5.06
4	中	0.75	533	1206	2.20
						5	中	0.90	944	1423	1.84

低碳钢定义为最大碳含量为0.15%，例如0.12%的钢；中碳钢定义为碳含量介于0.15%到0.44%范围，例如0.18%的钢；并且高碳钢定义为碳含量高于0.44%，例如0.5%或者0.6%的钢。

图2显示了三点弯曲试验的试验装置200。根据欧洲标准EN14651，使用150×150×600mm的棱状形样品210在28天时进行三点弯曲试验。在样品210的中跨处，利用金刚石刀片锯出深度25mm的单个缺口212以使裂纹集中。所述试验装置包括两个支撑辊214、216和一个加载辊218。所述试验装置能够按受控方式操作，即，产生恒速的位移（CMOD或者挠曲）。以EN 14651中规定的位移速度来进行测试。记录下载荷-裂纹张开位移曲线或者载荷-挠度曲线。图3中给出了载荷-裂纹张开位移曲线302的一实例。

根据EN 14651来评定剩余弯曲强度f_R,i（i=1、2、3、4）。剩余弯曲拉伸强度f_R,1、f_R,3分别定义为以下裂纹张开位移（CMOD_i）或者中跨挠度（σ_R,i）。

CMOD₁=0.5mm     σ_R,1=0.46mm

CMOD₃=2.5mm     σ_R,3=2.17mm

剩余弯曲拉伸强度f_R,i（i=1、2、3或4）根据EN 14651来评定并且可以通过以下表达式来计算出：

$f_{R,i}=\frac{{3F}_{R,i}L}{{2\mathrm{bh}}_{\mathrm{sp}}^2}$ (N/mm²)

其中:

F_i=对应于CMOD=CMOD_i或者的载荷(i=1,2,3,4);

b=样品的宽度（mm）；

h_sp=缺口尖端与样品顶部之间的距离（mm）；

L=样品的跨距长度（mm）。

借助于图2的装置200，测试多个不同钢纤维的性能以便确定锚固力和失效机理。为了所述试验，将钢纤维嵌入到C35/45混凝土中。固化时间为14天或者28天。表2给出了被测试的钢纤维的概述。表3给出了试验结果。通过钢纤维的长度、用于制造钢纤维的钢丝类型、钢纤维的直径（更特别是，钢纤维的中间部分或者中央段的直径）和锚固端的细节来限定钢纤维。表2中所描述的所有钢纤维具有两个锚固端，第一锚固端位于一端并且第二锚固端位于另一端。在钢纤维的中间部分具有扁平段的情况中，中间部分具有相对于每个锚固端的扁平段：第一扁平段靠近但不紧邻第一锚固端，第二扁平段靠近但不紧邻第二锚固端。FIB2（图5）是在两端具有钉头形锚固端的纤维。FIB1、FIB3和FIB4的锚固端具有第一直段、第二直段和可选的第三直段。在中间部分与锚固端的第一直段之间存在第一弯曲段；在锚固端的第二直段与锚固端的第一直段之间存在第二弯曲段，在锚固端的第三直段与锚固端的第二直段之间存在第三弯曲段。表3列出了锚固端的细节，例如，锚固端的直段的数量、中间部分的主轴线与第一直段的主轴线之间的夹角、第二直段朝向中间部分的定向、第二直段的主轴线与第三直段的主轴线之间的夹角、第四直段朝向中间部分的定向。图4、图5、图6和图7中示出了不同纤维的几何形状。FIB1（图4）和FIB2（图5）是现有技术的纤维。FIB1（图4）是锚固端具有两个直段的低碳纤维。FIB3（图6）和FIB4（图7）是根据本发明的纤维。

具有一共同顶点的两个直段限定出两个角度。所述两个角度的和等于360度。为了说明本发明的目的，由具有公共顶点的两个直段所限定出的两个角度中最小的角度被称为“夹角”。这意味着，中间部分的主轴线与第一直段的主轴线之间的夹角是由中间部分的主轴线和第一直段的主轴线所限定出的最小角度。类似地，第二直段的主轴线与第三直段的主轴线之间的夹角是由第二直段的主轴线和第三直段的主轴线所限定出的最小角度。

图4中示出了现有技术的钢纤维FIB1。钢纤维400包括中间部分404和位于中间部分404两端的锚固端402。中间部分404具有一主轴线403。每个锚固端包括第一弯曲段405、第一直段406、第二弯曲段407和第二直段408。中间部分404的主轴线403与第一直段406的主轴线之间的夹角用α来表示。第二直段408平行或者基本上平行于中间部分403的主轴线。

图5中示出了现有技术的钢纤维FIB2。钢纤维500包括中间部分504，在中间部分504的两端具有锚固端502。所述锚固端包括钉头。

图6中所示的钢纤维600（FIB3）是根据本发明的钢纤维。图6a是钢纤维的平面图；图6b是顶视图。钢纤维600具有中间部分604，在其两端具有锚固端602。中间部分604具有主轴线603。钢纤维600的中间部分604具有两个扁平段601：第一扁平段靠近但不紧邻第一锚固端，第二扁平段靠近但不紧邻第二锚固端。第一扁平段601具有长度l_fl1；第二扁平段601具有长度l_fl2。第一扁平段和第一锚固端之间的距离例如为2mm或者3mm。类似地，第二扁平段和第二锚固端之间的距离例如为2mm或者3mm。中间部分604具有位于第一扁平段与第二扁平段之间的中央段610。中央段610具有长度l’。中间部分的总长度用L来表示，并且相当于第一锚固端与第一扁平段之间段的长度、第一扁平段的长度l_fl1、中央段的长度l’、第二扁平段的长度l_fl2以及第二扁平段与第二锚固端之间段的长度之和。

每个锚固端602包括第一弯曲段605、第一直段606、第二弯曲段607和第二直段608。两个锚固端沿相同方向离开中间部分604的主轴线603弯曲。中间部分604的主轴线603与第一直段606的主轴线之间的夹角用α来表示。第二直段608平行或者基本上平行于中间部分604的主轴线603。

图7显示了根据本发明的钢纤维700的另一实施例（FIB4）。图7a是钢纤维的平面图；图7b是顶视图。钢纤维700具有中间部分704，在其两端具有锚固端702。中间部分704具有主轴线703。钢纤维700的中间部分704具有两个扁平段701：第一扁平段靠近但不紧邻第一锚固端，第二扁平段靠近但不紧邻第二锚固端。第一扁平段701具有长度l_fl1；第二扁平段701具有长度l_fl2。第一扁平段和第一锚固端之间的距离例如为2mm或者3mm。类似地，第二扁平段和第二锚固端之间的距离例如为2mm或者3mm。中间部分704具有位于第一扁平段与第二扁平段之间的中央段710。中央段710具有长度l’。中间部分的总长度用L来表示，并且相当于第一锚固端与第一扁平段之间段的长度、第一扁平段的长度l_fl1、中央段的长度l’、第二扁平段的长度l_fl2以及第二扁平段与第二锚固端之间段的长度之和。

每个锚固端702包括第一弯曲段705、第一直段706、第二弯曲段707和第二直段708、第三弯曲段709和第三直段712。两个锚固端沿相反方向离开中间部分704的主轴线703弯曲。中间部分704的主轴线703与第一直段706的主轴线之间的夹角用α来表示。第二直段706的主轴线与第三直段708的主轴线之间的夹角用β来表示。第二直段708平行或者基本上平行于中间部分704的主轴线703。

表2

α中间部分的主轴线与第一直段的主轴线之间的夹角

β第二直段的主轴线与第三直段的主轴线之间的夹角

表3

从表3中可知，现有技术的纤维（FIB1和FIB2）的比值f_R,3/f_R,1小于1。此外，现有技术的纤维（FIB1和FIB2）的剩余弯曲拉伸强度f_R,1、f_R,2和f_R,3较低，即，显著地低于FIB3的剩余弯曲拉伸强度f_R,1、f_R,2和f_R,3。钢纤维FIB1、FIB2和FIB3的剩余弯曲拉伸强度f_R,1、f_R,2和f_R,3不能直接与FIB4的剩余弯曲拉伸强度f_R,1、f_R,2和f_R,3进行比较，因为钢纤维FIB1、FIB2和FIB3的固化时间为28天，而钢纤维FIB4的固化时间仅为14天。对于根据本发明的钢纤维（FIB3和FIB4），比值f_R,3/f_R,1超过1。

按两种不同掺量来测试钢纤维FIB3：20kg/m³和40kg/m³。即使当使用20kg/m³的纤维掺量时，比值f_R,3/f_R,1也超过1。这表明，所述钢纤维具有类似传统钢筋的特性（基于应力-应变，而不是基于应力-裂纹张开）。

当对表2的钢纤维进行拔出试验以确定锚固力时，钢纤维FIB3和FIB4在混凝土中的锚固力大于钢纤维FIB1和FIB2的锚固力。

当将具有扁平段的钢纤维FIB3和FIB4与几何形状及钢成分与钢纤维FIB3和FIB4相同但没有扁平段的钢纤维进行比较时，具有扁平段的钢纤维FIB3和FIB4在混凝土中的锚固力比没有扁平段的钢纤维大。

作为一实例，可以如下来制造根据本发明的钢纤维。原材料是盘条，直径例如为5.5mm或6.5mm，且钢成分为：最小碳含量例如为0.50重量百分比（wt%）（例如等于或大于0.60wt%）、锰含量介于0.20wt%到0.80wt%的范围、硅含量介于0.10wt%到0.40wt%范围。硫含量最大为0.04wt%且磷含量最大为0.04wt%。典型的钢成分包括0.725%的碳、0.550%的锰、0.250%的硅、0.015%的硫和0.015%的磷。可选的钢成分包括0.825%的碳、0.520%的锰、0.230%的硅、0.008%的硫和0.010%的磷。用多个拉拔步骤来冷拔盘条，直到其最终直径介于0.20mm到1.20mm的范围。如果要求高的断裂伸长率和/或最大载荷伸长率，则优选对拉拔钢丝进行消除应力处理，例如，通过使钢丝穿过高频或者中频感应线圈，线圈长度适应于穿过钢丝的速度。已经发现，在大约300°C的温度以一定时间段进行热处理导致拉伸强度减小大约10%，而不增大断裂伸长率和最大载荷伸长率。然而，通过稍微升高温度到400°C以上，则发现拉伸强度进一步减小，并且同时断裂伸长率增大了且最大载荷伸长率增大了。

钢丝可以或者可以不镀有防腐蚀镀层，例如锌或者锌合金镀层，更特别是锌铝镀层或者锌铝镁镀层。在拉拔之前或者在拉拔期间，也可以给钢丝镀上铜或者铜合金镀层以便于拉拔操作。

然后，将消除应力的钢丝切成合适长度的钢纤维，并且使钢纤维端部形成合适的锚固形状或者加厚。也可以通过合适的辊在同一操作步骤中进行切割和形成钩状。

根据US-A-4284667可以或者可以不将所获得的钢纤维粘合到一起。

附加地或者替代地，可以将所获得的钢纤维放入到根据EP-B1-1383634的链式包装，或者例如本申请人的申请号为09150267.4的欧洲专利申请所公开的带式包装中。

Claims (15)

1.一种用于增强混凝土或者砂浆的钢纤维，所述钢纤维包括具有长度L的中间部分、位于所述中间部分的一端处的第一锚固端和位于所述中间部分的另一端处的第二锚固端，所述中间部分包括第一扁平段、第二扁平段和中央段，所述中央段位于所述第一扁平段与所述第二扁平段之间，所述第一扁平段靠近但不紧邻所述第一锚固端，并且所述第二扁平段靠近但不紧邻所述第二锚固端，所述中央段具有长度l’，所述中央段具有至少1000MPa的拉伸强度R_m和至少2.5%的最大载荷伸长率A_g+e。

2.根据权利要求2所述的钢纤维，其中，所述中央段的长度l’除以所述中间部分的长度L的比值（比值l’/L）大于0.50。

3.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1500MPa的拉伸强度R_m。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的钢纤维，其中，所述钢的所述中间部分具有至少4%的最大载荷伸长率A_g+e。

5.根据前述权利要求中任一项所述的钢纤维，其中，第一锚固端与第一扁平段之间的距离和/或第二锚固端与第二扁平段之间的距离介于0.5到20mm的范围。

6.根据前述权利要求中任一项所述的钢纤维，其中，所述第一扁平段具有长度l_f1，并且所述第二扁平段具有长度l_f2，所述长度l_f1和所述长度l_f2介于0.5到10mm的范围。

7.根据前述权利要求中任一项所述的钢纤维，其中，所述第一扁平段和第二扁平段在基本上平行于钢纤维平面的平面中是扁平的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的钢纤维，其中，所述第一扁平段和第二扁平段在基本上垂直于钢纤维平面的平面中是扁平的。

9.根据前述权利要求中任一项所述的钢纤维，其中，所述钢纤维具有介于0.1mm到1.20mm范围的直径D。

10.根据前述权利要求中任一项所述的钢纤维，其中，钢纤维的长度除以钢纤维的直径的所述比值（=钢纤维长度/D的比值）介于40到100的范围。

11.根据前述权利要求中任一项所述的钢纤维，其中，所述钢纤维处于消除应力的状态。

12.一种利用根据权利要求1到11中一项或多项所述钢纤维增强的混凝土结构。

13.根据权利要求12所述的混凝土结构，其中，对于所述钢纤维的掺量为小于1vol%的情况，剩余弯曲拉伸强度f_R,3除以剩余弯曲拉伸强度f_R,1的比值（比值=f_R,3/f_R,3）大于1。

14.根据权利要求12或13所述的混凝土结构，其中，对于所述钢纤维的掺量小于1vol%的情况，剩余弯曲拉伸强度f_R,3高于5MPa。

15.如权利要求1到11中任一项所限定的钢纤维用于混凝土承载结构的用途。

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