CN108002726B - 一种具有自锚固功能的双y型钢纤维及其制备方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有自锚固功能的双Y型钢纤维及其制备方法、应用，方法是采用具有凸凹齿状的切刀，将一块薄钢板沿着水平方向冲切，冲切口与冲切口之间有一定间隔距离，每行与行之间的冲切有一定的间隔距离，行与行之间冲切口相互错位一定的距离，边冲切边张拉，冲切透的切缝被拉开，形成了六边形网格，由钢纤维直段和位于该直段两端的锚固段组成一体化双Y型钢纤维。本发明双Y型锚固钢纤维强化了混凝土的增强作用，发挥钢纤维的极限作用；双Y型锚固钢纤维具有锚固端，拔不出来，不滑脱；采用常温冲切方式实现钢纤维制作，在切割过程中，钢纤维产生较大的塑性变形，钢纤维截面呈现变形的四边形，使得钢纤维强度高于母材强度，提高幅度达到20‑40％，获得了塑性强化效果。

Description

一种具有自锚固功能的双Y型钢纤维及其制备方法、应用

技术领域

本发明属于钢纤维混凝土技术，特别是一种具有自锚固功能的“双Y型”钢纤维及其制备方法、应用。

背景技术

钢纤维混凝土是一种性能优越的复合材料，应用在土管、路板、井盖、建筑墙体等地，钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，因此对于其抗拉强度和主要由主拉应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度等有明显的改善作用。当纤维掺量(体积率)在1％--3％范围内，抗拉强度提高25％---50％，抗弯强度提高40％-80％，用直接双面剪试验所测定的抗剪强度提高50-100％。但是抗压强度提高幅度较小，一般在0-25％之间。

根据纤维增强机理的各种理论，诸如纤维间距理论、复合材料理论和微观断裂力学理论以及大量试验数据的分析，纤维的增强效果主要取决于基体强度、纤维的长径比(l_f/d_f)、纤维的体积率、纤维与基体间的粘结强度(τ)以及纤维在基体中的分布和取向的影响。

当钢纤维混凝土破坏时，大都是纤维被拔出而不是被拉断，因此改善纤维与基体间的粘结强度，增加钢纤维与基体之间的锚固性能是改善纤维增强效果的主要控制因素之一。通常采用的改善方法有：

(1)增加纤维的粘结长度(即增加长径比(l_f/d_f))，但纤维太长易于成团，会形响拌合物的和易性和施工质量，导致强度降低，所以钢纤维长度一般为20--40mm，最长不超过60mm，长径比一般在40--120之间。

(2)改善基体对钢纤维的粘结性能，通过加入超塑化剂使水灰比降低，通过掺入10％硅灰可使钢纤维的粘结强度提高20％，钢纤维混凝土抗折强度提高40％。

(3)改善纤维的形状，增加纤维与基体间的摩阻力和咬合力。纤维品种不同，粘结强度可相差数倍以上。

目前异形钢纤维种类繁多，有压棱形、波纹形、弯钩形、大头形等，见表1。异形钢纤维对混凝土加固效果有一定改善，但是这些钢纤维在混凝土中可以拔出来，容易滑脱。

表1常见的几种异型钢纤维

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有自锚固功能的双Y型钢纤维及其制备方法，能够增强钢纤维与水泥砂浆基体之间的摩擦力与锚固力。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有自锚固功能的双Y型钢纤维及其制备方法，其制备步骤如下：

采用厚度为D₃的钢板经过冲切口、张拉、切割而成，即由钢纤维直段和位于该直段两端的锚固段组成一体化双Y型钢纤维，锚固段为第一锚固段、第二锚固段、第三锚固段、第四锚固段构成，其中第一锚固段与第二锚固段，第三锚固段与第四锚固段分别形成Y形段，之间的锚固张开角为2θ，具体制备步骤如下：

(1)选取钢板厚度为D₃，确定直段的长度为L₁，各锚固段的长度为L₂，锚固段的宽度尺寸为D₂，L₁大于L₂；采用具有凸凹齿状的切刀，凸起部位的长度为L₀，凹下去的长度为L₁，凸凹呈周期分布；

(2)设置沿钢板水平方向为x轴方向，沿着x轴方向冲切，冲切长度为L₀，冲切口与冲切口之间的间隔距离为L₁，冲切口呈周期分布，完成x轴方向的切口加工；

(3)设置沿钢板垂直方向为y轴方向，调整冲切刀的冲切初始位置，将冲切刀沿y轴方向平移动D₂距离，再沿x轴方向移动L₁+2L₂的距离，然后按照冲切长度为L₀，间隔为L₁，成周期冲切，两行的切口之间相距D₂，冲切口水平方向错位的距离为L₁+2L₂，完成y轴方向的切口加工；

(4)每行的冲切按照步骤(2)、(3)重复，直到整块钢板被切成布满直线切口；

(5)对布满直线切口的钢板沿y轴方向进行张拉，钢板上分布的L₀长度切口随着拉伸张开，形成不等边六边形状的网格，控制拉伸速度与拉伸位移控制2θ的大小；

(6)在不等边六边形短边处沿y轴方向等分画直线，直线等分2L₂，长度为L₂，各直线之间间隔尺寸为L₄，L₄＝L₁+2L₃，沿着直线切开，获得了长度为L₄的双Y型锚固钢纤维；

其中，L₀＝L₁+4L₂，L₄＝L₁+2L₃，L₃＝L₂cosθ，D₂＝1/2D₁，L₄为双Y型钢纤维总长度；D₁为直段的宽度尺寸，L₃是Y形段在直段L₁延长线上的投影长度。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)双Y型锚固钢纤维强化了混凝土的增强作用，发挥钢纤维的极限作用。(2)双Y型锚固钢纤维具有锚固端，拔不出来，不滑脱。(3)采用常温冲切方式实现钢纤维制作，在切割过程中，钢纤维产生较大的塑性变形，钢纤维截面呈现变形的四边形，使得钢纤维强度高于母材强度，提高幅度达到20-40％，获得了塑性强化效果。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明双Y型钢纤维结构示意图。

图2是本发明双Y型钢纤维在混凝土中受力图。

图3是本发明双Y型钢纤维受力分析图。

图4是本发明双Y型钢纤维锚固段受力分析图。

图5是本发明双Y型钢纤维锚固段制作的冲切刀钢板切口示意图。

图6是本发明双Y型钢纤维锚固段张拉形成六边形网格原理图。

具体实施方式

结合图1、图5和图6，本发明具有自锚固功能的双Y型钢纤维，其制备方法如下：采用厚度为D₃的钢板经过冲切口、张拉、切割而成，即由钢纤维直段和位于该直段两端的锚固段组成一体化双Y型钢纤维，锚固段为第一锚固段1、第二锚固段2、第三锚固段3、第四锚固段4构成，其中第一锚固段1与第二锚固段2，第三锚固段3与第四锚固段4分别形成Y形段，第一锚固段1与第二锚固段2、第三锚固段3与第四锚固段4之间的锚固张开角为2θ，具体制备步骤如下：

(1)选取钢板厚度为D₃，确定直段的长度为L₁，各锚固段的长度为L₂，锚固段的宽度尺寸为D₂，L₁大于L₂；采用具有凸凹齿状的切刀，凸起部位的长度为L₀，凹下去的长度为L₁，凸凹呈周期分布。

如可以取宽0.5-2.4米，长度大于1米，厚度D₃的钢板一块(也可以是钢板卷材)，D₃取值0.1—1.5mm，D₂取值0.1—2mm(D1＝2D2)；L₁取值5—40mm、L₂取值1—5mm，2θ取值5°-90°，L₀取值10—50mm。根据L₁、L₂和2θ取值可以计算出L₀、L₃，也可以根据L₁、L₀取值计算L₂。

通常设计双Y型钢纤维尺寸和形状步骤是：选取钢板厚度D₃；确定钢纤维直段的长度L₁；然后考虑锚固段的长度L₂；确定切刀移动距离D₂；取值锚固角度2θ，L₁大于L₂。

(2)设置沿钢板水平方向为x轴方向，沿着x轴方向冲切，冲切长度为L₀，冲切口与冲切口之间的间隔距离为L₁，冲切口呈周期分布，完成x轴方向的切口加工。

在沿x方向在钢板上进行冲切一定长度的切口，刀口冲切长度L₀取值可以为10—50mm，间隔L₁取值5—40mm。根据钢板的宽度可以将冲切刀设计与钢板宽度相近的整体切刀，宽度取值大于钢板宽度(0.5-2.4米)1％即可，刀刃设计成冲切长度L₀与间隔L₁成周期分布。

(3)设置沿钢板垂直方向为y轴方向，调整冲切刀的冲切初始位置，将冲切刀沿y轴方向平移动D₂距离，再沿x轴方向移动L₁+2L₂的距离，然后按照冲切长度为L₀，间隔为L₁，成周期冲切，两行的切口之间相距D₂，冲切口水平方向错位的距离为L₁+2L₂，完成y轴方向的切口加工，见图5所示。

首先调整冲切刀的冲切初始位置，将冲切刀沿y方向进D₂距离(D₂取值0.1—2mm)，然后沿x方向(水平)移动L₁+2L₁的距离。第二次冲切与第一次冲切的位置向前移动D₂距离，水平移动L₁+2L₁的距离，然后进行冲切。

(4)每行的冲切按照步骤(2)、(3)重复，直到整块钢板被切成布满直线切口，完成冲切。

(5)对布满直线切口的钢板沿y轴方向进行张拉，钢板上分布的L₀长度切口随着拉伸张开，形成不等边六边形状的网格，控制拉伸速度与拉伸位移控制2θ的大小。

(6)在不等边六边形短边处沿y轴方向等分画直线，直线等分2L₂，长度为L₂，各直线分别为AA`、BB`、CC`、CC`、EE`等，各直线之间间隔尺寸为L<sub>4</sub>，L<sub>4</sub>＝L<sub>1</sub>+2L<sub>3</sub>，沿着直线AA`、BB`、CC`、CC`、EE`切开，获得了长度为L₄的双Y型锚固钢纤维。

所述的L₀＝L₁+4L₂，L₄＝L₁+2L₃，L₃＝L₂cosθ，D₂＝1/2D₁，L₄为双Y型钢纤维总长度；D₁为直段的宽度尺寸，L₃是Y形段在直段L₁延长线上的投影长度。形成的双Y型锚固钢纤维结构及尺寸见图1。图1中，ab、a₁b₁、cd、c₁d₁为锚固段，长度L₂；bc、b₁c₁段为钢纤维直段部位，长度L₁；L₄钢纤维总长度；2θ锚固张开角；D₁为钢纤维直段的宽度尺寸；D₂为Y形锚固段的宽度尺寸；D₃钢纤维厚度尺寸。

本发明的具有自锚固功能的双Y型钢纤维在制备时，边冲切边张拉，冲切透的切缝(L₀)被拉开，形成了六边形网格，如图6所示，六边形网格由2个边长L₁和4个边长为2L₂的网线围成，长度为L₁边宽度为2D₂或D₁，边长为2L₂的宽度为D₂。张拉速度与张拉位移可以调整六边形网格张开的大小，冲切口与冲切口之间的间隔距离可以调节六边形的边长，行与行之间的距离可以调节六边形网格的线的宽度。

将上述的具有自锚固功能的双Y型钢纤维设置在混凝土中形成具有增强、增韧的钢纤维混凝土。双Y型钢纤维在混凝土中的受力状态见图2，取一个含有双Y型钢纤维的单元体，作用在单元体端部拉应力为F，双Y型钢纤维的Y形侧面有较大的σ水平方向的锚固力，直段表面存在摩擦力τ。为了进一步说明双Y型钢纤维的受力状况，将钢纤维与水泥砂浆基体取出来，分析其受力状态。

双Y型钢纤维的受力状况分析见图3，从图中可见本发明具有很好的锚固效果：(1)基体及纤维在外力作用下均发生弹性形变，界面未脱粘和滑移；(2)拉应力全部由钢纤维承受，基体只承受剪应力；(3)剪应力沿界面在钢纤维轴向变化，但不随纤维中心横断面的各面向而变化；(4)Y形部分承受σ(y)水平压应力，应力大小随y轴变化，属于锚固应力；(5)不考虑纤维端面上所受的拉应力与剪应力。取出Y型钢纤维一半作为单元体，在纤维直段断口受拉应力F，直段表面受到阻碍钢纤维滑动的剪切应力τ(x)，锚固段(Y形短)受到阻碍钢纤维拔出的应力σ(y)。根据力平衡原理，构建力平衡等式：

F·D₁·D₃＝∫τ(x)ds+2∫σ(y)ds

公式∫τ(x)ds代表沿着钢纤维直段部分的剪切粘滞力，公式2∫σ(y)ds代表着双Y型端部阻碍钢纤维拔出的正压力。

对固段受到阻碍钢纤维拔出的应力σ(y)进一步分解，见图4。将σ(y)分解为垂直Y形端的正压力σ₁和平行Y形段的粘滞剪应力τ。Y形段受力与直段相比多出了垂直于钢纤维正压力σ₁，双Y型钢纤维比普通钢纤维增加了尾翼部分的正压力锚固力。因此，受力分析可以看得出来，双Y型钢纤维比直段钢纤维具有显著的锚固效果。

下面以实施例进行说明本发明双Y型钢纤维的制备。

实施例1

1、取宽1.2米，长度大于1米，厚度D3＝0.5mm的钢板一块；

2、L1取值10mm、L2取值2mm，2θ取值60°，D2取值0.25mm，钢纤维直线段宽度D1为0.5mm；

3、计算得出：L0为18mm，L3为1.7mm，L4为13.5mm，根据上述数据可以绘出双Y型钢纤维的结构尺寸，见图1。

加工过程，按照上述方法步骤进行，各加工参数为：冲切长度18mm，切口间隔10mm，y方向移动距离(D2)0.25mm，x方向水平移动距离(L1+2L2)14mm。

实施例2

1、取宽1米，长度大于1米，厚度D₃＝1mm的钢板一块；

2、L₁取值20mm、L₂取值4mm，2θ取值90°，D₂取值0.4mm，钢纤维直线段宽度D₁为0.8mm；

3、计算得出：L₀为36mm，L₃为2.83mm，L₄为25.7mm，根据上述数据可以绘出双Y型钢纤维的结构尺寸，见图1。

加工过程，按照上述方法步骤进行，各加工参数为：冲切长度36mm，切口间隔20mm，y方向移动距离(D₂)0.4mm，x方向水平移动距离(L₁+2L₂)28mm。

实施例3

1、取宽2.4米，长度大于1米，厚度D₃＝0.1mm的钢板一块；

2、L₁取值30mm、L₂取值5mm，2θ取值70°，D₂取值1mm，钢纤维直线段宽度D₁为2mm；

3、计算得出：L₀为50mm，L₃为4.1mm，L₄为38.2mm，根据上述数据可以绘出双Y型钢纤维的结构尺寸，见图1。

加工过程，按照上述方法步骤进行，各加工参数为：冲切长度36mm，切口间隔30mm，y方向移动距离(D₂)1mm，x方向水平移动距离(L₁+2L₂)40mm。

实施例4

1、取宽0.5米，长度大于1米，厚度D₃＝0.3mm的钢板一块；

2、L₁取值40mm、L₂取值2.5mm，2θ取值80°，D₂取值1.5mm，钢纤维直线段宽度D₁为3mm；

3、计算得出：L₀为50mm，L₃为1.92mm，L₄为43.84mm，根据上述数据可以绘出双Y型钢纤维的结构尺寸，见图1。

加工过程，按照上述方法步骤进行，各加工参数为：冲切长度50mm，切口间隔40mm，y方向移动距离(D₂)1.5mm，x方向水平移动距离(L₁+2L₂)45mm。

Claims (3)

1.一种具有自锚固功能的双Y型钢纤维的制备方法，其特征在于采用厚度为D₃的钢板经过冲切口、张拉、切割而成，即由钢纤维直段和位于该直段两端的锚固段组成一体化双Y型钢纤维，锚固段为第一锚固段、第二锚固段、第三锚固段、第四锚固段构成，其中第一锚固段与第二锚固段，第三锚固段与第四锚固段分别形成Y形段，第一锚固段与第二锚固段之间的锚固张开角为2θ，第三锚固段与第四锚固段之间的锚固张开角为2θ，具体制备步骤如下：

(1)选取钢板厚度为D₃，确定直段的长度为L₁，各锚固段的长度为L₂，锚固段的宽度尺寸为D₂，L₁大于L₂；采用具有凸凹齿状的切刀，凸起部位的长度为L₀，凹下去的长度为L₁，凸凹呈周期分布；

(2)设置沿钢板水平方向为x轴方向，沿着x轴方向冲切，冲切长度为L₀，冲切口与冲切口之间的间隔距离为L₁，冲切口呈周期分布，完成x轴方向的切口加工；

(3)设置沿钢板垂直方向为y轴方向，调整冲切刀的冲切初始位置，将冲切刀沿y轴方向平移动D₂距离，再沿x轴方向移动L₁+2L₂的距离，然后按照冲切长度为L₀，间隔为L₁，成周期冲切，两行的切口之间相距D₂，冲切口水平方向错位的距离为L₁+2L₂，完成y轴方向的切口加工；

(4)每行的冲切按照步骤(2)、(3)重复，直到整块钢板被切成布满直线切口；

(5)对布满直线切口的钢板沿y轴方向进行张拉，钢板上分布的L₀长度切口随着拉伸张开，形成不等边六边形状的网格，控制拉伸速度与拉伸位移控制2θ的大小；

(6)在不等边六边形短边处沿y轴方向等分画直线，直线等分2L₂，长度为L₂，各直线之间间隔尺寸为L₄，L₄＝L₁+2L₃，沿着直线切开，获得了长度为L₄的双Y型锚固钢纤维；

所述的L₀＝L₁+4L₂，L₄＝L₁+2L₃，L₃＝L₂cosθ，D₂＝1/2D₁，L₄为双Y型钢纤维总长度；D₁为直段的宽度尺寸，L₃是Y形段在直段L₁延长线上的投影长度。

2.一种具有自锚固功能的双Y型钢纤维，其特征在于由以下步骤制备而得：

采用厚度为D₃的钢板经过冲切口、张拉、切割而成，即由钢纤维直段和位于该直段两端的锚固段组成一体化双Y型钢纤维，锚固段为第一锚固段、第二锚固段、第三锚固段、第四锚固段构成，其中第一锚固段与第二锚固段，第三锚固段与第四锚固段分别形成Y形段，第一锚固段与第二锚固段之间的锚固张开角为2θ，第三锚固段与第四锚固段之间的锚固张开角为2θ，具体制备步骤如下：

(1)选取钢板厚度为D₃，确定直段的长度为L₁，各锚固段的长度为L₂，锚固段的宽度尺寸为D₂，L₁大于L₂；采用具有凸凹齿状的切刀，凸起部位的长度为L₀，凹下去的长度为L₁，凸凹呈周期分布；

(2)设置沿钢板水平方向为x轴方向，沿着x轴方向冲切，冲切长度为L₀，冲切口与冲切口之间的间隔距离为L₁，冲切口呈周期分布，完成x轴方向的切口加工；

(3)设置沿钢板垂直方向为y轴方向，调整冲切刀的冲切初始位置，将冲切刀沿y轴方向平移动D₂距离，再沿x轴方向移动L₁+2L₂的距离，然后按照冲切长度为L₀，间隔为L₁，成周期冲切，两行的切口之间相距D₂，冲切口水平方向错位的距离为L₁+2L₂，完成y轴方向的切口加工；

(4)每行的冲切按照步骤(2)、(3)重复，直到整块钢板被切成布满直线切口；

(5)对布满直线切口的钢板沿y轴方向进行张拉，钢板上分布的L₀长度切口随着拉伸张开，形成不等边六边形状的网格，控制拉伸速度与拉伸位移控制2θ的大小；

(6)在不等边六边形短边处沿y轴方向等分画直线，直线等分2L₂，长度为L₂，各直线之间间隔尺寸为L₄，L₄＝L₁+2L₃，沿着直线切开，获得了长度为L₄的双Y型锚固钢纤维；

其中，L₀＝L₁+4L₂，L₄＝L₁+2L₃，L₃＝L₂cosθ，D₂＝1/2D₁，L₄为双Y型钢纤维总长度；D₁为直段的宽度尺寸，L₃是Y形段在直段L₁延长线上的投影长度。

3.一种具有自锚固功能的双Y型钢纤维的应用，其特征在于将权利要求1所述的双Y型锚固钢纤维设置在混凝土中形成具有增强、增韧的钢纤维混凝土。

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