CN108453868A - 纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法及装置，方法包括：配置纤维增强超高性能混凝土并充分搅拌；将纤维增强超高性能混凝土拌合物浇入试模；开启两高压电极板电源，两高压电极板中间区域形成电场，打开振动台电源让振动台开始振动，让纤维增强超高性能混凝土拌合物内的纤维按照电场线的方向重新排列，打开透视检测仪，透视检测仪实时检测纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息；关闭电场、振动和停止透视检测；通过透视检测仪的显示装置实时获取纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息，达到要求后，关闭电场、振动和停止透视检测仪工作；拆模及养护。本发明能够有效地提高超高性能混凝土的抗拉性能和韧性。

Description

纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法及装置
技术领域
本发明涉及超高性能混凝土的制备技术领域，尤其涉及一种纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法及装置。
背景技术
混凝土是土木工程中应用最广泛，最成熟的基本材料之一。随着科技的发展，高效减水剂、矿物超细粉料及纤维材料的发明和应用，混凝土材料向以超高强度和超高耐久性能为主要特征的超高性能混凝土方向发展。以强度为标志，混凝土的发展经历了普通强度混凝土(NSC)，高强度混凝土(HSC)，超高强度混凝土(UHPC)的发展历程。超高性能混凝土强度达到150Mpa以上，拉伸强度大于5Mpa，弹性模量大于40GMPa，且具有良好延性和耐久性的混凝土。为保证超高性能混凝土具有良好的延性和耐久性，需要掺入纤维以加强混凝土的抗裂性能。掺入的纤维可以有效分担拉应力，防止裂缝过早发生。在实际运用中，纤维在混凝土的拌制过程中方向位置无法准确控制，因此纤维在混凝土中为乱向型随机分布。理论上只有当纤维的分布方向与混凝土受拉方向一致时，纤维在混凝土中的粘接性能才能最大程度上提升混凝土的抗拉性能，其他方向的纤维对改善混凝土中的抗弯拉强度和韧性的效果随着方向的偏离而下降，与拉应力方向垂直的纤维对改善混凝土抗裂性能几乎没有作用。这样导致的结果必然不能充分发挥纤维的抗拉性能和增强增韧效果，很大部分的纤维不能发挥应有的作用。要增强纤维的作用只能增加纤维用量，但同时纤维增强超高性能混凝土的原材料成本也会大幅度增加，而且，过高的纤维掺量会导致纤维在搅拌过程中容易发生变形打结现象，影响混凝土成型及力学性能。
目前有关混凝土纤维定向分布的专利(CN101913188A，CN104612147A)均是基于通过在装有钢纤维混凝土的非金属模具周围施加磁场(通电螺线管)使钢纤维单向分布排列。使钢纤维发生旋转的力来自磁场，钢纤维需要提前被磁化，工艺要求高，对磁感应强度要求也高(即线圈电流须大)，工艺耗能高。且该方法只适用于铁等能被磁化的纤维材料，对于铜纤维或者其他有机纤维则无效果。因此，现有技术存在以下两个不足之处：
1、在超高性能混凝土以及钢纤维加强混凝土实际运用中，纤维在混凝土的拌制过程中方向位置无法控制，不能充分发挥纤维的抗拉性能和增强增韧效果。
2、目前磁力定向的混凝土纤维定向方法耗能大，效果差，只针对钢纤维，纤维类型单一。
因此，亟需一种纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法及装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法及装置。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：提供一种纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
配置纤维增强超高性能混凝土并充分搅拌：
按照纤维增强超高性能混凝土所确定的组成成分的配合比，称取所需量的水泥、砂石、高效减水剂、塑化剂、纤维和水，将所称取的材料投入搅拌机中进行充分的搅拌，得到具有一定流动性的纤维增强超高性能混凝土拌合物；
将纤维增强超高性能混凝土拌合物浇入试模：
将第一步所得纤维增强超高性能混凝土拌合物浇入试模中，将试模放置于振动台上，位于两高压电极板之间；
开启电场、振动和启动透视检测：
开启两高压电极板电源，两高压电极板分正负两个带电板，两高压电极板中间区域形成电场，打开振动台电源让振动台开始振动，让纤维增强超高性能混凝土拌合物内的纤维按照电场线的方向重新排列，打开透视检测仪，透视检测仪实时检测纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息；
关闭电场、振动和停止透视检测：
通过透视检测仪的显示装置实时获取纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息，达到要求后，关闭电场、振动和停止透视检测仪工作；
拆模及养护：
将经过振动台振动的纤维增强超高性能混凝土试模表面抹平，静置，拆模，经养护后得到纤维定向分布的纤维增强超高性能混凝土。
还包括控制器，控制器可用于开启或关闭电场、开启或关闭振动和开启或关闭透视检测，透视检测仪的显示装置集成有图像识别模块，且透视检测仪与控制器连接，当图像识别模块判定纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息达到要求后，控制器关闭电场、振动和停止透视检测。
开启电场、振动和启动透视检测步骤中，振动台下方设置有偏心振动电机，通过开启偏心振动电机以使振动台振动。为加快纤维增强超高性能混凝土拌合物中纤维的转向，本发明采用施加外力振动较少纤维转动过程所受的粘滞力。
透视检测仪是超声探伤仪或者透视雷达电磁检测仪。
还包括控制台，电场的电场强度可通过控制台中的控制旋钮调节。增大电场可加快纤维转向电场方向。
透视检测仪的显示装置设置在控制台上，偏心振动电机的开关设置在控制台上。
为了实现上述目的，本发明还提供一种技术方案：提供一种纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备装置，包括：振动台、两高压电极板、试模及透视检测仪，两高压电极板设置于所述振动台两侧，试模放置于振动台上并位于两高压电极板之间，试模盛装有一定流动性的纤维增强超高性能混凝土拌合物，两高压电极板中间区域形成电场且同时振动台振动，让纤维增强超高性能混凝土拌合物内的纤维按照电场线的方向重新排列，透视检测仪实时检测纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息，当纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列达到要求后，关闭电场、振动和停止透视检测仪工作。
还包括控制器，控制器可用于开启或关闭电场、开启或关闭振动和开启或关闭透视检测，通过透视检测仪的显示装置实时获取纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息，透视检测仪的显示装置集成有图像识别模块，且透视检测仪与控制器连接，当图像识别模块判定纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息达到要求后，控制器关闭电场、振动和停止透视检测。
振动台下方设置有偏心振动电机，通过开启偏心振动电机以使振动台振动，此外还包括控制台，控制台上集成有用于控制电场的电场强度的控制旋钮、偏心电机振动开关及透视检测仪的显示装置。
透视检测仪是超声探伤仪或者透视雷达电磁检测仪。
与现有技术相比，由于在本发明纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法及装置中，(1)提出的纤维定向分布理念是为了提高纤维利用率，减小材料的成本；(2)提出纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法及装置的纤维不止包括钢纤维，还包括铜纤维，碳纤维，碳纳米管，或其他有机纤维(如PE)，此外还包括上述各种纤维的任意组合；(3)提出的纤维定向方法原理基于电场对置于其中的导体感应起电的作用，对置于其中的介电材料有极化作用，产生感应起电或极化作用的纤维可看成电偶极子，电偶极子在电场中受到一个垂直于电场线的力偶作用，其力偶作用效果是使得带电纤维或极化纤维的排列与电场线方向相同或相近；(4)为减少超高性能混凝土浆体对纤维旋转运动的粘滞效果并使纤维在电场内分布均匀，本制备方法在超高性能混凝土成型过程使用振动台。(5)外加电场强度和方向可人为调整，模板使用不屏蔽电场线的木质模板，电场线通过模板或者包裹混凝土的外部构件，从而控制纤维的转向和排列。(6)外加电场只用于使纤维产生旋转运动，两电极板之间无实质电流，耗能非常小。(7)提出的制备方法可实时监控纤维分布方向，当图像识别模块判定纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息达到要求后，控制器关闭电场、振动和停止透视检测，成品率高，且不会造成电能的浪费。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1所示为纤维乱向型随机分布的示意图。
图2所示为纤维定向型均匀分布的示意图。
图3所示为本发明纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法的流程图。
图4所示为本发明纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备装置的示意图。
图5所示为纤维为导体材料时在电场中的示意图。
图6所示为纤维为介电材料时在电场中的示意图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
为克服以上技术的缺点，提升纤维在混凝土里面定向分布的质量，实现纤维定向分布，增强纤维对超高性能混凝土抗弯拉强度和韧性的改善效果，有效提高超高性能混凝土的密实性、韧性、抗冲击能力。本发明提出一种纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法。
如图1所示为纤维乱向型随机分布的示意图，如图1所示常规的纤维增强超高性能混凝土内的纤维是呈乱向型随机分布，图2所示为纤维定向型均匀分布的示意图，图2所示为加入本发明纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法处理后，纤维增强超高性能混凝土内的纤维定向型均匀分布。理论上只有当纤维的分布方向与混凝土受拉方向一致时，纤维在混凝土中的粘接性能才能最大程度上提升混凝土的抗拉性能，其他方向的纤维对改善混凝土中的抗弯拉强度和韧性的效果随着方向的偏离而下降，与拉应力方向垂直的纤维对改善混凝土抗裂性能几乎没有作用。这样导致的结果必然不能充分发挥纤维的抗拉性能和增强增韧效果，很大部分的纤维不能发挥应有的作用。
如图3所示，提供一种纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
配置纤维增强超高性能混凝土并充分搅拌：
按照纤维增强超高性能混凝土所确定的组成成分的配合比，称取所需量的水泥、砂石、高效减水剂、塑化剂、纤维和水，将所称取的材料投入搅拌机中进行充分的搅拌，得到具有一定流动性的纤维增强超高性能混凝土拌合物；需要说明的是，纤维增强超高性能混凝土拌合物所需要的材料配比为本领域技术人员所熟知的技术方案，再此不再赘述。
将纤维增强超高性能混凝土拌合物浇入试模：
将第一步所得纤维增强超高性能混凝土拌合物浇入试模中，将试模放置于振动台上，位于两高压电极板之间：
开启电场、振动和启动透视检测：
开启两高压电极板电源，两高压电极板分正负两个带电板，两高压电极板中间区域形成电场，打开振动台电源让振动台开始振动，让纤维增强超高性能混凝土拌合物内的纤维按照电场线的方向重新排列，打开透视检测仪，透视检测仪实时检测纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息；
关闭电场、振动和停止透视检测：
通过透视检测仪的显示装置实时获取纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息，达到要求后，关闭电场、振动和停止透视检测仪工作；
拆模及养护：
将经过振动台振动的纤维增强超高性能混凝土试模表面抹平，静置，拆模，经养护后得到纤维定向分布的纤维增强超高性能混凝土。
如图5所示，说明强电场对置于其中的纤维的作用机理：
当纤维为导体材料时(钢纤维，铜纤维等)，在强电场作用下，导体纤维将发生电荷重分布(感应起电)，由于纤维为长细材料，必然是一端聚集正电荷，另一端聚集负电荷，此时可将纤维看成电偶极子；电偶极子在电场中的受力分析如图5所示，电偶极子在电场中所受力在宏观上表现为只受一个力偶作用，所受力偶大小为：
M＝qElsinθ＝Flsinθ
该力偶的作用效果为使电偶极子转向电场方向，由此可使纤维在纤维增强超高性能混凝土中实现定向分布。为使纤维旋转弯矩较大，本发明实施例的导体纤维表面需进行绝缘处理，如进行过塑处理，在导体纤维表面形成一层塑料保护膜。一方面防止钢纤维的感应电荷脱离纤维进入混凝土中发生电解反应，减少点偶极子电量的流失，另一方面可减轻钢纤维在混凝土中的锈蚀作用。
需要说明的是，如图6所示，当纤维为介电材料时(有机纤维PE，碳纳米管)，在强电场作用下，介质纤维将发生极化作用，出现不能自由移动的极化电荷(束缚电荷)，效果如图6所示，极化电荷表现为许多异种电荷且电荷量相等的电偶极子，分布在纤维长度方向上。电偶极子在电场中所受力在宏观上表现为收到宏观偶极矩的作用，纤维所受力偶大小为：
M＝neElsinθ(n为点偶极子个数)
为增强纤维在强电场中的计划作用，本发明提出的电介质纤维需在纤维表面涂强极性电介质，如聚氯乙烯，环氧树脂等。
需要说明的是，本发明实施例中，纤维可以是导体纤维也可以是绝缘纤维，也可以是导体纤维和绝缘纤维的组合。
需要说明的是，在所述试模中，对所述混凝土拌合物任一段区间内插入两片高压电极板，并对该两片高压电极板施加电场，以使得所述混凝土混合物局部区域的纤维排列情况进行改善。
需要说明的是，让纤维增强超高性能混凝土拌合物内的纤维按照电场线的方向重新排列，电场可以是匀强电场或者非匀强电场，在此过程中，部分纤维会由于电场线的作用下，实现首尾搭接的现象，搭接长度超过1/2纤维长度。
一个实施例中，还包括控制器(图上未示)，控制器可用于开启或关闭电场、开启或关闭振动和开启或关闭透视检测，如图4所示，透视检测仪2的显示装置1.2集成有图像识别模块(图上未示)，且透视检测仪2与控制器连接，当图像识别模块判定纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息达到要求后，控制器关闭电场、振动和停止透视检测。需要说明的是，需要预先对控制器关于纤维排列信息是否达到要求的判断机制进行设定，比如规定纤维的倾斜角度不能超过20度设为排列信息达到要求。
一个实施例中，开启电场、振动和启动透视检测步骤中，如图4所示，振动台6下方设置有偏心振动电机7，通过开启偏心振动电机7以使振动台6振动。为加快纤维增强超高性能混凝土拌合物中纤维的转向，本发明采用施加偏心振动电机7振动以减少纤维转动过程所受的粘滞力，偏心振动电机7的振动幅度可以调节。
一个实施例中，透视检测仪2是超声探伤仪或者透视雷达电磁检测仪。
一个实施例中，如图4所示，还包括控制台1，电场的电场强度可通过控制台1中的控制旋钮1.3调节。增大电场可加快纤维转向电场方向，增大电场能够增大纤维两端的力偶大小。
一个实施例中，如图4所示，透视检测仪2的显示装置1.2设置在控制台1上，偏心振动电机7的开关1.1设置在控制台1上。
为了实现上述目的，如图4所示，本发明还提供一种技术方案：提供一种纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备装置，包括：振动台6、两高压电极板4、试模5及透视检测仪2，两高压电极板4设置于所述振动台6两侧，试模5放置于振动台6上并位于两高压电极板4之间，试模5盛装有一定流动性的纤维增强超高性能混凝土拌合物，两高压电极板4中间区域形成电场且同时振动台6振动，让纤维增强超高性能混凝土拌合物内的纤维按照电场线的方向重新排列，透视检测仪2实时检测纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息，当纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列达到要求后，关闭电场、振动和停止透视检测仪工作。
一个实施例中，还包括控制器(图上未示)，控制器可用于开启或关闭电场、开启或关闭振动和开启或关闭透视检测，如图4所示，透视检测仪2的显示装置1.2集成有图像识别模块(图上未示)，且透视检测仪2与控制器连接，当图像识别模块判定纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息达到要求后，控制器关闭电场、振动和停止透视检测。需要说明的是，需要预先对控制器关于纤维排列信息是否达到要求的判断机制进行设定，比如规定纤维的倾斜角度不能超过20度设为排列信息达到要求。
一个实施例中，如图4所示，振动台6下方设置有偏心振动电机7，通过开启偏心振动电机7以使振动台6振动，此外还包括控制台1，控制台1上集成有用于控制电场的电场强度的控制旋钮1.3、偏心电机振动开关1.1及透视检测仪的显示装置1.2。
一个实施例中，透视检测仪2是超声探伤仪或者透视雷达电磁检测仪。
一个实施例中，透视检测仪2装设在检测仪托架上，还包括减震器8、承接台9，振动台6的下方连接有减震器8，减震器8安装于承接台9上，承接台9为水平板结构。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
配置纤维增强超高性能混凝土并充分搅拌：
按照纤维增强超高性能混凝土所确定的组成成分的配合比，称取所需量的水泥、砂石、高效减水剂、塑化剂、纤维和水，将所称取的材料投入搅拌机中进行充分的搅拌，得到具有一定流动性的纤维增强超高性能混凝土拌合物；
将纤维增强超高性能混凝土拌合物浇入试模：
将第一步所得纤维增强超高性能混凝土拌合物浇入试模中，将试模放置于振动台上，位于两高压电极板之间；
开启电场、振动和启动透视检测：
开启两高压电极板电源，两高压电极板分正负两个带电板，两高压电极板中间区域形成电场，打开振动台电源让振动台开始振动，让纤维增强超高性能混凝土拌合物内的纤维按照电场线的方向重新排列，打开透视检测仪，透视检测仪实时检测纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息；
关闭电场、振动和停止透视检测：
通过透视检测仪的显示装置实时获取纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息，达到要求后，关闭电场、振动和停止透视检测仪工作；
拆模及养护：
将经过振动台振动的纤维增强超高性能混凝土试模表面抹平，静置，拆模，经养护后得到纤维定向分布的纤维增强超高性能混凝土。
2.如权利要求1所述的纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，还包括控制器，控制器可用于开启或关闭电场、开启或关闭振动和开启或关闭透视检测，透视检测仪的显示装置集成有图像识别模块，且透视检测仪与控制器连接，当图像识别模块判定纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息达到要求后，控制器关闭电场、振动和停止透视检测。
3.如权利要求1所述的纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，开启电场、振动和启动透视检测步骤中，振动台下方设置有偏心振动电机，通过开启偏心振动电机以使振动台振动。
4.如权利要求1所述的纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，透视检测仪是超声探伤仪或者透视雷达电磁检测仪。
5.如权利要求1所述的纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，还包括控制台，电场的电场强度可通过控制台中的控制旋钮调节。
6.如权利要求5所述的纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，透视检测仪的显示装置设置在控制台上，偏心振动电机的开关设置在控制台上。
7.一种纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备装置，其特征在于，包括：振动台、两高压电极板、试模及透视检测仪，两高压电极板设置于所述振动台两侧，试模放置于振动台上并位于两高压电极板之间，试模盛装有一定流动性的纤维增强超高性能混凝土拌合物，两高压电极板中间区域形成电场且同时振动台振动，让纤维增强超高性能混凝土拌合物内的纤维按照电场线的方向重新排列，透视检测仪实时检测纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息，当纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列达到要求后，关闭电场、振动和停止透视检测仪工作。
8.如权利要求7所述的纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备装置，其特征在于，还包括控制器，控制器可用于开启或关闭电场、开启或关闭振动和开启或关闭透视检测，通过透视检测仪的显示装置实时获取纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息，透视检测仪的显示装置集成有图像识别模块，且透视检测仪与控制器连接，当图像识别模块判定纤维增强超高性能混凝土中的纤维排列信息达到要求后，控制器关闭电场、振动和停止透视检测。
9.如权利要求8所述的纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备装置，其特征在于，振动台下方设置有偏心振动电机，通过开启偏心振动电机以使振动台振动，此外还包括控制台，控制台上集成有用于控制电场的电场强度的控制旋钮、偏心电机振动开关及透视检测仪的显示装置。
10.如权利要求7所述的纤维定向分布纤维增强超高性能混凝土的制备装置，其特征在于，透视检测仪是超声探伤仪或者透视雷达电磁检测仪。
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