CN109896792A - 仿生型纤维以及包含其的混凝土和建筑物 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种仿生型纤维，用于混凝土中，其包括一个主枝和至少一个与所述主枝连接的侧枝，所述主枝包括第一端部和第二端部，所述第一端部到连接部的部分与所述连接部所连接的侧枝的夹角为θ。本发明的仿生型纤维为仿鱼刺形状的纤维，增加了纤维在基体内的锚固点，增大了纤维脱粘或拔出时外力，同时也增大了桥接作用时的桥接点，该形状使纤维主枝和侧枝与基体的内摩擦力显著增大，因而增强了基体的韧性，同时也可以增大泄压通道，防止着火后混凝土爆裂破坏。对于同一种材质的纤维，在同样的纤维掺量下，本发明的仿生型纤维比普通纤维具有更好的增韧效果。本发明还提供了一种包含该仿生型纤维的混凝土和建筑物。

Description

仿生型纤维以及包含其的混凝土和建筑物

技术领域

本发明涉及一种纤维材料，特别是一种仿生型纤维以及包含其的混凝土和建筑物，该仿生型纤维用于增强水泥基材料或其它可以由流动态转变为固体的材料。

背景技术

水泥混凝土是建筑工程最重要的结构材料，但其自身尚存在一些缺陷，如易于塑性干缩开裂、抗拉强度低、韧性差等，从而限制了其在工程中的广泛使用。水泥混凝土是一种具有高抗压强度、低抗拉强度的脆性材料，抗拉强度和抗压强度的比值为1/15-1/20，极限延伸率很低(仅0.01％-0.02％)，变形和抗裂性能差，混凝土的变形和开裂控制一直是困扰工程界的难题，尤其在西部高原大风和大蒸发条件下，对混凝土的变形控制提出了更高的挑战。

纤维材料，如钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等是一种工程中常用的增强材料。加入纤维材料被认为是提高混凝土材料变形和抗裂性能的有效措施之一。现有的纤维形状主要有：直线型(镀铜微丝、无机纤维、绝大多数有机纤维)、端钩型、波浪型和熔抽型四种(见图1)。但在使用过程中发现，纤维的增强增韧效率不高，甚至存在加入纤维后混凝土抗压、抗折强度降低的现象。因此，如何设计一种提高混凝土材料变形和抗裂性能的纤维材料，便成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种仿生型纤维以及包含其的混凝土和建筑物，所要解决的技术问题是：提高纤维的增强增韧效率，使其增强混凝土韧性，提高混凝土的变形和抗裂性能，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种仿生型纤维，用于混凝土中，其包括一个主枝和至少一个与所述主枝连接的侧枝；所述主枝的两端分别为第一端部和第二端部，从所述第一端部到所述主枝的中部为所述主枝的第一部分，从所述第二端部到所述主枝的中部为所述主枝的第二部分，所述第一端部到连接部的部分与所述连接部所连接的侧枝的夹角为θ；

当所述连接部在所述第一部分时，0°<θ≤90°；

当所述连接部在所述第二部分时，90°≤θ<180°；

当所述连接部在所述主枝的中部时，0°<θ<180°；

所述主枝的抗拉强度不小于200MPa，并且弹性模量不小于0.2GPa；

所述侧枝的抗拉强度不小于200MPa，并且弹性模量不小于0.2GPa。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的仿生型纤维，其中所述主枝为金属材料、高分子材料或无机非金属材料；其中，

所述金属材料满足：抗拉强度200MPa-3000Mpa，弹性模量60GPa-400GPa；

所述高分子材料满足：抗拉强度200MPa-4000Mpa，弹性模量0.2GPa-10GPa，熔点100-600℃；

所述无机非金属材料满足：抗拉强度300MPa-5000MPa，弹性模量70GPa-260GPa。

优选的，前述的仿生型纤维，其中所述侧枝为金属材料、高分子材料或无机非金属材料；其中，

所述金属材料满足：抗拉强度200MPa-3000Mpa，弹性模量60GPa-400GPa；

所述高分子材料满足：抗拉强度200MPa-4000Mpa，弹性模量0.2GPa-10GPa，熔点100-600℃；

所述无机非金属材料满足：抗拉强度300MPa-5000MPa，弹性模量70GPa-260GPa。

优选的，前述的仿生型纤维，其中所述主枝的直径小于或等于5mm，所述侧枝的直径小于5mm。

优选的，前述的仿生型纤维，其中所述第一端部的直径和/或所述第二端部的直径大于所述主枝的其余部分的直径。

优选的，前述的仿生型纤维，其中所述侧枝的端部的直径大于所述侧枝的其余部分的直径。

优选的，前述的仿生型纤维，其中所述侧枝的数量不超过10个，不同侧枝与所述主枝的连接部在相同的位置或不同的位置。

优选的，前述的仿生型纤维，其中所述的仿生型纤维为仿鱼刺形状的纤维。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种混凝土，其包括前述的任一项所述的仿生型纤维。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种建筑物，其包括由权利要求9所述混凝土制成的构件。

借由上述技术方案，本发明一种仿生型纤维以及包含其的混凝土和建筑物至少具有下列优点：

1、本发明的仿生型纤维，包括一个主枝和至少一个与所述主枝连接的侧枝。本发明的仿生型纤维主要是应用于混凝土中，由于具有了侧枝，其添加至混凝土中，具有了比现有的纤维更多的锚固点，增大了纤维脱粘或拔出时外力，同时也增大了桥接作用时的桥接点，因此同样掺量下起到比普通纤维更大的增韧效果。

2、本发明的仿生型纤维中，从所述第一端部到所述主枝的中部为所述主枝的第一部分，从所述第二端部到所述主枝的中部为所述主枝的第二部分；当所述连接部在所述第一部分时，0°<θ≤90°；当所述连接部在所述第二部分时，90°≤θ<180°；当所述连接部在所述主枝的中部时，0°<θ<180°。连接部在主枝的位置不同，主枝与侧枝的夹角θ也有所不同，这种结构的目的在于：侧枝在拉应力时，主枝和侧枝会产生一个向内的作用力，紧紧“抱”住基体，使纤维主枝和侧枝与基体的内摩擦力显著增大，因而增强了基体的韧性，这也是现有直线型纤维所不具备的有益效果。

3、本发明的仿生型纤维为仿鱼刺形状的纤维，其直径是变化的，主枝和侧枝的端部的直径都大于其余部分的直径，因此，纤维拔出需要外力做功，变化的直径增加纤维的拔出功，也起到增韧作用。

4、对于同一种材质的纤维，在相同的纤维掺量下，仅通过增加侧枝，就可以取得降低成本的意外效果。或者为实现相同增韧效果，可减少纤维掺量。采用本发明仿生纤维增强的混凝土，其抗开裂和抗变形能力明显高于常见的端钩型、波浪形和直线型纤维增强的混凝土，提高了纤维的增强、增韧和抗变形效率，在提高混凝土性能的同时，降低工程造价。

5、本发明的仿生型纤维中增加侧枝可以增大泄压通道，防止着火后混凝土爆裂破坏。

6、本发明的仿生型纤维，增加侧枝后由于侧枝和主枝呈一定角度不容易被喷口捋直，可以增加3D打印混凝土的界面结合强度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明实施例中一种仿生型纤维的示意图；

图2是本发明实施例中一种仿生型纤维的受力分析图；

图3是本发明实施例中一种仿生型纤维的增韧示意图；

图4是现有直线型纤维的增韧示意图；

图5是本发明实施例1的仿生型纤维的示意图；

图6是本发明实施例1的仿生型纤维增强的混凝土和普通纤维混凝土的力学性能的示意图；

图7是本发明实施例2的仿生型纤维的示意图；

图8是本发明实施例2的仿生型纤维增强的混凝土和普通纤维混凝土的力学性能的示意图；

图9是本发明实施例3的仿生型纤维的示意图；

图10是本发明实施例3的仿生型纤维增强的混凝土和普通纤维混凝土的力学性能的示意图；

图11是本发明实施例4的仿生型纤维的示意图；

图12是本发明实施例4的仿生型纤维增强的混凝土和普通纤维混凝土的力学性能的示意图；

图13是本发明实施例5的仿生型纤维的示意图；

图14是本发明实施例5的仿生型纤维增强的混凝土和普通纤维混凝土的力学性能的示意图；

图15是本发明实施例6的仿生型纤维的示意图；

图16是本发明实施例6的仿生型纤维增强的混凝土和普通纤维混凝土的力学性能的示意图；

图17是本发明实施例7的仿生型纤维增强的混凝土和普通纤维混凝土的力学性能的示意图；

图18是本发明实施例8的仿生型纤维增强的混凝土和普通纤维混凝土的力学性能的示意图；

图19是本发明实施例10的3D打印后两组试件的界面拉伸强度测试结果。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种仿生型纤维以及包含其的混凝土和建筑物其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

如图1所示，本发明的一个实施例提出的一种仿生型纤维，用于混凝土中，其包括一个主枝1和至少一个与所述主枝1连接的侧枝2；所述主枝1的两端分别为第一端部A和第二端部B，从所述第一端部A到所述主枝1的中部O为所述主枝1的第一部分，从所述第二端部B到所述主枝1的中部O为所述主枝1的第二部分，所述第一端部A到连接部P的部分与所述连接部P所连接的侧枝2的夹角为θ；

当所述连接部P在所述第一部分时，0°<θ≤90°；

当所述连接部P在所述第二部分时，90°≤θ<180°；

当所述连接部P在所述主枝1的中部O时，0°<θ<180°；

所述主枝1的抗拉强度不小于200MPa，并且弹性模量不小于0.2GPa；

所述侧枝2的抗拉强度不小于200MPa，并且弹性模量不小于0.2GPa。

本发明实施例对侧枝的数量不作具体的限定；侧枝与主枝的角度在0°-180°的范围内任选，本发明所说的主枝和侧枝只是为了区分，并不作具体的限制，主枝和侧枝是可以相互调换的，原则上以纤维中较长和/或较粗的枝作为主枝，其余为侧枝，优选的，主枝的直径大于等于侧枝的直径；侧枝的一端与主枝连接，定义侧枝与主枝连接的位置为连接部，本发明实施例对侧枝与主枝的连接部的位置不作具体的限定，优选的，侧枝与主枝连接部的位置为除第一端部和第二端部外的任意位置。第一端部和第二端部分别是指主枝的两个端头部分，第一和第二只是为了区分两端，并不是对端部的具体限定。

本发明实施例对主枝和侧枝的抗拉强度和弹性模量作了限定，抗拉强度不小于200MPa，并且弹性模量不小于0.2GPa。这是为了保证仿生型纤维在使用时能够很好的保持设计的形状，使主枝和侧枝都不易变形，同时在实际使用时能保证对混凝土具有增韧作用，从而提高混凝土的变形和抗裂性能。

在本发明实施例中，主枝的中部是指主枝在长度方向上的中点位置，侧枝与主枝连接部的位置为除第一端部和第二端部外的任意位置；也就是说，主枝上除了第一端部和第二端部外都可以连接有侧枝，只是侧枝在主枝上的连接部不同，其角度θ会有不同的要求。以主枝的中部作为连接部的分界处的原因是：本发明实施例纤维结构能够提供三个稳定的锚固点，在受拉时，如果其中一个锚固点太短，那么这个短的锚固点就容易拔出，成为该纤维的短板，影响纤维总体的增韧效果。

进一步优选的，当所述连接部P在所述第一部分时，优选θ＝45°；当所述连接部P在所述第二部分时，θ＝135°。侧枝与主枝的夹角以45°为宜，太小或太大均减小了有效增韧能力。

作为优选实施例，所述主枝1为金属材料、高分子材料或无机非金属材料；所述金属材料满足：抗拉强度200MPa-3000Mpa，弹性模量60GPa-400GPa；所述高分子材料满足：抗拉强度200MPa-4000Mpa，弹性模量0.2GPa-10GPa，熔点100-600℃；所述无机非金属材料满足：抗拉强度300MPa-5000MPa，弹性模量70GPa-260GPa。

本发明实施例对主枝材料的抗拉强度和弹性模量具有具体的限定，使其满足不易变形和增韧作用。

进一步优选的，所述金属材料满足：抗拉强度500MPa-2000Mpa，弹性模量120GPa-200GPa；所述高分子材料满足：抗拉强度600MPa-3000Mpa，弹性模量2GPa-8GPa，熔点200-400℃；所述无机非金属材料满足：抗拉强度1000MPa-4000MPa，弹性模量100GPa-200GPa。

作为优选实施例，所述侧枝2为金属材料、高分子材料或无机非金属材料；所述金属材料满足：抗拉强度200MPa-3000Mpa，弹性模量60GPa-400GPa；所述高分子材料满足：抗拉强度200MPa-4000Mpa，弹性模量0.2GPa-10GPa，熔点100-600℃；所述无机非金属材料满足：抗拉强度300MPa-5000MPa，弹性模量70GPa-260GPa。

本发明实施例对侧枝材料的抗拉强度和弹性模量具有具体的限定，使其满足不易变形和增韧作用。

进一步优选的，所述金属材料满足：抗拉强度500MPa-2000Mpa，弹性模量120GPa-200GPa；所述高分子材料满足：抗拉强度600MPa-3000Mpa，弹性模量2GPa-8GPa，熔点200-400℃；所述无机非金属材料满足：抗拉强度1000MPa-4000MPa，弹性模量100GPa-200GPa。

根据实际需要，主枝和侧枝的材料可以相同也可以不同，更优选的，主枝和侧枝的材料相同，相同的材料在制造的时候可以一体成型。

作为优选实施例，所述主枝1的直径小于或等于5mm，所述侧枝2的直径小于5mm。

本发明实施例中，主枝的直径和侧枝的直径都可以根据实际的需要来选择，进一步优选，主枝的直径为0.2-3mm，侧枝的直径为0.1-2mm。

作为优选实施例，所述第一端部A的直径和/或所述第二端部B的直径大于所述主枝的其余部分的直径。

在本发明实施例中，所述主枝的其余部分指的是主枝中除了第一端部和第二端部以外的部分。

主枝的直径是变化的，且端部的直径大于主枝的其余部分的直径。主枝的其余部分的直径是除了主枝的两个端部以外的地方，从两端部到中部可以是逐渐变细，也可以是无规律的变细；其端部直径较大的原因是：纤维拔出需要外力做功，变化的直径增加纤维的拔出功，起到增韧作用。尤其当端部的直径较大时，增加纤维锚固点拔出功，增大拔出的难度，进而提升纤维的增韧效果。

作为优选实施例，所述侧枝2的端部C的直径大于所述侧枝2的其余部分的直径。

在本发明实施例中，所述侧枝的其余部分指的是侧枝中除了端部和连接部以外的部分。侧枝的直径是变化的，且端部的直径大于侧枝的其余部分的直径。侧枝的其余部分的直径是除了侧枝的端部和与主枝连接部以外的地方，从端部到连接部可以是逐渐变细，也可以是无规律的变细；其端部直径较大的原因是：纤维拔出需要外力做功，变化的直径增加纤维的拔出功，起到增韧作用。尤其当端部的直径较大时，增加纤维锚固点拔出功，增大拔出的难度，进而提升纤维的增韧效果。

作为优选实施例，所述侧枝的数量不超过10个，不同侧枝与所述主枝的连接部在相同的位置或不同的位置。

在本发明实施例中，并不是侧枝的数量越多越好，侧枝数量要根据实际需要选择，在一定的范围内，增加侧枝的数量确实能够提高纤维的增韧性能，但是当侧枝的数量达到一定的极限后，侧枝的数量太多反而会影响流动性和泵送性能。不同侧枝与所述主枝的连接部在相同的位置时的效果：可以增加一端的锚固点，提高纤维拔出时的外界做功。不同侧枝与所述主枝的连接部在不同的位置时的效果：当开裂部位不确定时，可以提高纤维的有效增韧几率。

在本发明实施例中，侧枝为多个时，每个侧枝都与主枝形成一个平面，这些侧枝与主枝形成的平面可在同一个平面内，也可以在不同的平面内，侧枝在同一平面内时，不做具体限制，多个侧枝可在主枝的相同侧面，也可的在主枝的不同侧面，可以在主枝的第一端部和/或第二端部；侧枝在不同的平面内时，不做具体限制，可以根据需要选择。

在本发明实施例中，侧面是指主枝延伸方向的两侧位置，侧枝在主枝的同一侧是指多个侧枝处在主枝的同一侧，在同一平面内，不做具体限制，可以在同侧的，也可在不同侧，也可以在主枝的第一端部和/或第二端部；侧枝在主枝的不同侧时，不做具体限制，可以根据需要选择。侧枝在异侧或不同平面对于开裂部位不确定时，能够增大增韧几率，等等对结果的影响；侧枝在同侧或同一平面对于受力方向确定时，在增大混凝土韧性的同时，可以减小对流动性的影响。

作为优选实施例，所述的仿生型纤维为仿鱼刺形状的纤维。

自然界中生物具有的功能比迄今任何人工制造的机械都优越得多，这是生物经过亿万年长期进化的结果。鱼类在水中能很好的解决下潜和上浮过程中外部水压对身体变形的影响，这主要是由于鱼类除了有肋骨保护胸腔外，在肋骨间还有大量的小鱼刺用于保护身体不至于在强大的水压下变形开裂。基于以上实践观察，本发明提供了一种仿鱼刺形状的仿生纤维，通过仿生型纤维实现纤维高效增强增韧可固化型材料，减小开裂和变形，尤其适用于纤维增强水泥基材料。

本发明仿生型纤维的生产方法根据所用材料的不同而不同。

当主枝和侧枝为冷轧薄钢板时，其生产方法包括以下步骤：用纵剪机将冷轧薄钢板剪成带钢卷，使其宽度与纤维主枝长度相同，将带钢卷连续送入旋转或普通冲床，切断成矩形截面的钢纤维；纤维的长度以带钢的宽度而定，钢纤维截面以切削时的进刀量与带钢卷的厚度而定，在矩形截面的钢纤维端头，按照侧枝长度纵切并扭转刀头后获得带有侧枝的钢纤维。

当主枝和侧枝为金属或无机非金属材料时，其生产方法包括以下步骤：金属或无机非金属材料融成液体，然后在熔融液体表面，以一个表面刻有主枝和侧枝槽子的高速旋转轮接近钢液，轮上按照所需要的纤维尺寸的要求，刻出许多槽子。当熔抽轮下降到熔融液面时，液体被槽刮出，以高速旋转的离心力抛出，以极快的速度冷却成形。熔抽轮内通水，以保持冷却速度。

当主枝和侧枝为高分子材料时，其生产方法包括以下步骤：将高分子材料融成液态，将液体高分子材料用空气挤入两个设计好的半模中，冷却后形成所需的纤维。

本发明的另一个实施例提出的一种混凝土，其包括前述的任一项所述的仿生型纤维。

本发明实的仿生型纤维可掺在混凝土中，增强混凝土的韧性，提高抗拉强度、抗折强度和抗劈拉强度。这里不对混凝土的组成做具体的限定，只要是使用本发明所述的仿生型纤维的混凝土都是本申请保护的对象。

本发明的混凝土中，仿生型纤维的掺量为0.01-10％，优选0.1-2％，本发明的仿生型纤维的掺量不超过混凝土的2％就可以达到很好的增韧效果。

如图2所示是本发明实施例中一种仿生型纤维的受力分析图；如图3所示是本发明实施例中一种仿生型纤维的增韧示意图；如图4所示是现有直线型纤维的增韧示意图；经分析和对比可以看出，本发明的仿生型纤维的增强增韧机理主要有：

(1)纤维的脱粘和纤维的拔出：当纤维脱粘和纤维拔出时，裂纹尖端应力松弛，减缓了裂纹的扩展，同时纤维脱粘或拔出外力需要做功，因此起到了增韧作用。

(2)纤维的桥接作用：纤维搭接在裂纹的两侧，类似在两岸搭起小桥，使裂纹产生一个压应力，以抵消外部拉应力，防止裂纹进一步扩展。

可见，本发明的仿生型纤维增加了纤维在基体内的锚固点，增大了纤维脱粘或拔出时外力的功，同时也增大了桥接作用时的桥接点，因此同样掺量下起到比普通纤维更大的增韧效果，这是普通纤维所不具备的。

本发明的仿生型纤维的侧枝在拉应力时，主枝和侧枝会产生一个向内的作用力，紧紧“抱”住基体，使纤维主枝和侧枝与基体的内摩擦力显著增大，因而增强了基体的韧性，这也是现有直线型纤维所不具备的有益效果。

另外，本发明的仿生型纤维的直径是变化的，纤维拔出需要外力做功，变化的直径增加纤维的拔出功，也起到增韧作用。

本发明的又一个实施例提出的一种建筑物，其包括由权利要求9所述混凝土制成的构件。

在本实施例中，建筑物包括但不限于，楼房、堤坝、路、杆等，具体的，只要包括使用上述混凝土制成的构件的建筑物都在本发明保护的范围内。

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

一种仿生型纤维包括一个主枝1和一个侧枝2，主枝1的直径为0.2mm，侧枝2的直径为0.1mm，主枝1与侧枝2的夹角为60°，侧枝2与主枝1的连接部位于主枝1的中部处，主枝1的长度为3.6cm，侧枝2的长度为1.4cm，如图5所示。

按照表1成型基准组混凝土X0和试验组混凝土X1，经过28d标准养护后，混凝土的抗折强度和抗劈拉强度，如图6所示，6a为28d抗折强度图，6b为28d抗劈拉强度图。

基准组X0中的钢纤维为铣削型波纹钢纤维，外形呈波浪形弯曲，整个波浪可大大增加钢纤维在混凝土中的接触面积，易与混凝土结合，提高钢纤维混凝土的有效性提高混凝土抗裂、抗拉、抗剪性。以下实施例2-6中的基准组X0的纤维类型都与本实施例1相同。

表1基准组和对比组的混凝土配合比

由表1及图6可知，在纤维体积掺量相同的情况下，掺有仿生纤维的X1组混凝土的抗折强度比基准组混凝土的抗折强度提高了10％，掺有仿生纤维的X1组混凝土的抗劈拉强度比基准组混凝土的抗劈拉强度提高了24.2％。因此，掺有仿生纤维的X1组的混凝土的抗折强度和抗劈拉强度均大于基准组的抗折强度和抗劈拉强度。

实施例2

一种仿生型纤维包括一个主枝1和两个侧枝21、22，主枝1的直径为0.2mm，两个侧枝21、22的直径都为0.1mm，主枝1与第一侧枝21的夹角为60°，第二侧枝21与主枝1的夹角为20°，第一侧枝21的连接部位于主枝1的中部处，第二侧枝22的连接部位于第一侧枝21与主枝1的夹角开口朝向反方向的主枝长度1/3处，两个侧枝在同一平面内，主枝1的长度为3cm，第一侧枝21的长度为1.2cm，第二侧枝22的长度为0.6cm，如图7所示。

按照表2成型基准组混凝土X0和试验组混凝土X2，经过28d标准养护后，混凝土的抗折强度和抗劈拉强度，如图8所示，8a为28d抗折强度图，8b为28d抗劈拉强度图。

表2基准组和对比组的混凝土配合比

由表2及图8可知，在纤维体积掺量相同的情况下，掺有仿生纤维的X2组混凝土的抗折强度比基准组混凝土的抗折强度提高了31.8％，掺有仿生纤维的X2组混凝土的抗劈拉强度比基准组混凝土的抗劈拉强度提高了36.3％。因此，掺有仿生纤维的X2组的混凝土的抗折强度和抗劈拉强度均大于基准组的抗折强度和抗劈拉强度。

实施例3

一种仿生型纤维包括一个主枝1和两个侧枝21、22，主枝1的直径为0.2mm，两个侧枝21、22的直径都为0.1mm，主枝1与第一侧枝21的夹角为60°，第二侧枝22与主枝1的夹角为20°，第一侧枝21的连接部位于主枝1的中部处，第二侧枝22的连接部位于第一侧枝21与主枝1的夹角开口朝向相同方向的主枝长度1/4处，两个侧枝在同一平面内，主枝1的长度为3cm，第一侧枝21的长度为1.2cm，第二侧枝22的长度为0.6cm，如图9所示。

按照表3成型基准组混凝土X0和试验组混凝土X3，经过28d标准养护后，混凝土的抗折强度和抗劈拉强度，如图10所示，10a为28d抗折强度图，10b为28d抗劈拉强度图。

表3基准组和对比组的混凝土配合比

由表3及图10可知，在纤维体积掺量相同的情况下，掺有仿生纤维的X3组混凝土的抗折强度比基准组混凝土的抗折强度提高了13.1％，掺有仿生纤维的X3组混凝土的抗劈拉强度比基准组混凝土的抗劈拉强度提高了32％。因此，掺有仿生纤维的X3组的混凝土的抗折强度和抗劈拉强度均大于基准组的抗折强度和抗劈拉强度。

实施例4

一种仿生型纤维包括一个主枝1和四个侧枝21、22、23、24，主枝1的直径为0.4mm，四个侧枝21、22、23、24的直径都为0.2mm，主枝1与第一侧枝21的夹角为45°，第二侧枝22与主枝1的夹角为30°，第三侧枝23与主枝1的夹角为25°，第四侧枝24与主枝1的夹角为15°，第一侧枝21、第二侧枝22、第三侧枝23和第四侧枝24与主枝1的连接部都位于主枝1/3点处，四个侧枝21、22、23、24在同一平面内，且朝向一致。主枝1的长度为3cm，第一侧枝21的长度为1cm，第二侧枝22的长度为1.1cm，第三侧23的枝长度为1cm，第四侧枝24的长度为0.8cm，如图11所示。

按照表4成型基准组混凝土X0和试验组混凝土X4，经过28d标准养护后，混凝土的抗折强度和抗劈拉强度，如图12所示，12a为28d抗折强度图，12b为28d抗劈拉强度图。

表4基准组和对比组的混凝土配合比

由表4及图12可知，在纤维体积掺量相同的情况下，掺有仿生纤维的X4组混凝土的抗折强度比基准组混凝土的抗折强度提高了11％，掺有仿生纤维的X4组混凝土的抗劈拉强度比基准组混凝土的抗劈拉强度提高了30.3％。因此，掺有仿生纤维的X4组的混凝土的抗折强度和抗劈拉强度均大于基准组的抗折强度和抗劈拉强度。

实施例5

一种仿生型纤维包括一个主枝1和两个侧枝21、22，主枝1的直径为0.2mm，两个侧枝21、22的直径都为0.1mm，主枝1与第一侧枝21的夹角为60°，第二侧枝22与主枝1的夹角为20°，第一侧枝21的连接部位于主枝1的中部处，第二侧枝22的连接部位于第一侧枝21与主枝1的夹角开口朝向相同方向的主枝长度1/4处，两个侧枝21、22分别与主枝1构成的平面互相垂直，主枝1的长度为3cm，第一侧枝21的长度为1.2cm，第二侧枝22的长度为0.6cm，如图13所示，13a为沿主枝俯视在平面上是投影，13b为沿主枝侧视在平面上的投影。

按照表5成型基准组混凝土X0和试验组混凝土X5，经过28d标准养护后，混凝土的抗折强度和抗劈拉强度，如图14所示，14a为28d抗折强度图，14b为28d抗劈拉强度图。

表5基准组和对比组的混凝土配合比

由表5及图14可知，在纤维体积掺量相同的情况下，掺有仿生纤维的X5组混凝土的抗折强度比基准组混凝土的抗折强度提高了16.5％，掺有仿生纤维的X5组混凝土的抗劈拉强度比基准组混凝土的抗劈拉强度提高了36.3％。因此，掺有仿生纤维的X5组的混凝土的抗折强度和抗劈拉强度均大于基准组的抗折强度和抗劈拉强度。

实施例6

一种仿生型纤维包括一个主枝1和四个侧枝21、22、23、24，主枝1的直径为0.4mm，四个侧枝21、22、23、24的直径都为0.2mm，主枝1与第一侧枝21的夹角为45°，第二侧枝22与主枝1的夹角为45°，第三侧枝23与主枝1的夹角为45°，第四侧枝24与主枝1的夹角为45°，第一侧枝21、第二侧枝22、第三侧枝23和第四侧枝24与主枝1的连接部都位于主枝1/3点处，四个侧枝21、22、23、24在主枝的同一端，但在不同平面内。主枝1的长度为3cm，第一侧枝21的长度为1cm，第二侧枝22的长度为1.1cm，第三侧枝23的长度为1cm，第四侧枝24的长度为0.8cm，如图15所示。

按照表6成型基准组混凝土X0和试验组混凝土X6，经过28d标准养护后，混凝土的抗折强度和抗劈拉强度，如图16所示，16a为28d抗折强度图，16b为28d抗劈拉强度图。

表6基准组和对比组的混凝土配合比

由表6及图16可知，在纤维体积掺量相同的情况下，掺有仿生纤维的X6组混凝土的抗折强度比基准组混凝土的抗折强度提高了13.1％，掺有仿生纤维的X6组混凝土的抗劈拉强度比基准组混凝土的抗劈拉强度提高了39.3％。因此，掺有仿生纤维的X6组的混凝土的抗折强度和抗劈拉强度均大于基准组的抗折强度和抗劈拉强度。

实施例7

一种仿生型纤维包括一个主枝1和一个侧枝2，主枝1的直径为0.2mm，侧枝2的直径为0.1mm，主枝1与侧枝2的夹角为60°，侧枝2与主枝1的连接部位于主枝1的中部处，主枝1的长度为3.6cm，侧枝2的长度为1.4cm，如图5所示。

按照表7成型基准组混凝土X01和试验组混凝土X7。两组混凝土经过28d标准养护后，混凝土的抗折强度和抗劈拉强度，如图17所示，17a为28d抗折强度图，17b为28d抗劈拉强度图。X01基准组纤维为市售聚丙烯腈高强束状纤维，断裂强度大于450MPa，熔点为235-245℃。

表7基准组和对比组的混凝土配合比

由表7及图17可知，在纤维体积掺量相同的情况下，掺有仿生纤维的X7组混凝土的抗折强度比基准组混凝土的抗折强度提高了15％，掺有仿生纤维的X7组混凝土的抗劈拉强度比基准组混凝土的抗劈拉强度提高了41％。因此，掺有仿生纤维的X7组的混凝土的抗折强度和抗劈拉强度均大于基准组的抗折强度和抗劈拉强度。

实施例8

一种仿生型纤维包括一个主枝1和一个侧枝2，主枝1的直径为0.2mm，侧枝2的直径为0.1mm，主枝1与侧枝2的夹角为60°，侧枝2与主枝1的连接部位于主枝1的中部处，主枝1的长度为3.6cm，侧枝2的长度为1.4cm，如图5所示。所述纤维材质为聚丙烯。

按照表8成型基准组混凝土X02和试验组混凝土X8。两组混凝土经过28d标准养护后，混凝土的抗折强度和抗劈拉强度，如图18所示，18a为28d抗折强度图，18b为28d抗劈拉强度图。X02基准组纤维为市售聚丙烯塑钢纤维，断裂强度450MPa-550MPa，熔点为167℃。

表8基准组和对比组的混凝土配合比

由表8及图18可知，在纤维体积掺量相同的情况下，掺有仿生纤维的X8组混凝土的抗折强度比基准组混凝土的抗折强度提高了18.5％，掺有仿生纤维的X8组混凝土的抗劈拉强度比基准组混凝土的抗劈拉强度提高了31.6％。因此，掺有仿生纤维的X8组的混凝土的抗折强度和抗劈拉强度均大于基准组的抗折强度和抗劈拉强度。

实施例9

一种仿生型纤维包括一个主枝1和四个侧枝21、22、23、24，主枝1的直径为0.4mm，四个侧枝21、22、23、24的直径都为0.2mm，主枝1与第一侧枝21的夹角为45°，第二侧枝22与主枝1的夹角为30°，第三侧枝23与主枝1的夹角为25°，第四侧枝24与主枝1的夹角为15°，第一侧枝21、第二侧枝22、第三侧枝23和第四侧枝24与主枝1的连接部都位于主枝1/3点处，四个侧枝21、22、23、24在同一平面内，且朝向一致。主枝1的长度为3cm，第一侧枝21的长度为1cm，第二侧枝22的长度为1.1cm，第三侧23的枝长度为1cm，第四侧枝24的长度为0.8cm，如图11所示。所用材质为聚丙烯，熔点为120℃。

按照表9成型尺寸为40mm×40mm×160mm的基准组F0和掺有仿生纤维的试验组F1两组混凝土，然后养护至28d。先将马弗炉升温到指定温度1000℃恒温30min后，再把室内(25℃)放置的40mm×40mm×160mm混凝土快速放入1000℃马弗炉中保持10min后立即取出放入室内，待混凝土温度降至100℃左右，放干燥器内冷却至常温，测试试件的质量减少率(加热前混凝土试件质量-加热后呈块状混凝土质量/加热前混凝土试件质量)和抗压强度残余率(加热后混凝土抗压强度/加热前混凝土抗压强度)，如表10所示。

表9基准组和试验组的混凝土配合比

表10高温后不同组的测试结果

测试项目	基准组F0	试验组F1
			质量减少率(％)	93.26	6.84
抗压强度残余率(％)	0	85.63

由表10可知，掺有普通钢纤维的混凝土经过1000℃高温后，混凝土已经分解，混凝土爆裂呈碎片，抗压强度残余率为0；掺有仿生型聚丙烯纤维1的F1组混凝土经过1000℃高温后，强度仍保留有85.63，质量仅减少了6.84％，由于纤维的侧枝多，在高温后可以融化，提供了泄压通道多。因此，仿生型聚丙烯纤维1可以抑制高温爆裂，而普通纤维不具有这种特点。

实施例10

一种仿生型纤维包括一个主枝1和一个侧枝2，主枝1的直径为0.1mm，侧枝2的直径为0.1mm，主枝1与侧枝2的夹角为60°，侧枝2与主枝1的连接部位于主枝1的中部处，主枝1的长度为3.6cm，侧枝2的长度为1.4cm，形状如图5所示。材质为冷拔钢丝并镀铜，抗拉强度≥2960MPa。

按照表11所示，采用3D打印机打印两组20mm×20mm×100mm的净浆块，净浆块呈十字形、上下垂直交叉而成，在完成上下两个净浆块的打印后，经24h将试件移入标准养护室养护至7d后测试试件的界面拉伸结合强度，如图19所示，从测试结果可以看出，采用仿生型钢纤维D1的打印制品界面拉伸强度比采用普通纤维的试件提高了38.5％。这是由于侧枝插入3D打印的层与层之间，提高了界面结合强度，而普通的纤维不具有侧枝，打印过程中纤维被喷口捋直，产生了定向排列，因此与空白组D相比，界面结合强度不但没有提高，反而比不掺加纤维的空白组还要低。因此增加侧枝后由于侧枝和主枝呈一定角度不容易被喷口捋直，因此增加了3D打印混凝土的界面结合强度。

表11 3D打印水泥基浆体的配合比

通过以上实施例可以得到以下结论：对于同一种或不同材质的纤维，在同样的纤维掺量下，本发明的仿生型纤维的增韧效果优于现有纤维的增韧效果，或者说，要达到相同的增韧效果，本发明的纤维的仿生型纤维所需的掺量要小的多，提高增韧效果，减少成本。

本发明的仿生型纤维中增加侧枝可以增大泄压通道，防止着火后混凝土爆裂破坏；本发明的仿生型纤维，增加侧枝后由于侧枝和主枝呈一定角度不容易被喷口捋直，因此增加3D打印混凝土的界面结合强度。此外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

可以理解的是，上述装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种仿生型纤维，用于混凝土中，其包括一个主枝和至少一个与所述主枝连接的侧枝；所述主枝的两端分别为第一端部和第二端部，从所述第一端部到所述主枝的中部为所述主枝的第一部分，从所述第二端部到所述主枝的中部为所述主枝的第二部分，所述第一端部到连接部的部分与所述连接部所连接的侧枝的夹角为θ；

当所述连接部在所述第一部分时，0°<θ≤90°；

当所述连接部在所述第二部分时，90°≤θ<180°；

当所述连接部在所述主枝的中部时，0°<θ<180°；

所述主枝的抗拉强度不小于200MPa，并且弹性模量不小于0.2GPa；

所述侧枝的抗拉强度不小于200MPa，并且弹性模量不小于0.2GPa。

2.根据权利要求1所述的仿生型纤维，其特征在于，

所述主枝为金属材料、高分子材料或无机非金属材料；其中，

所述金属材料满足：抗拉强度200MPa-3000Mpa，弹性模量60GPa-400GPa；

所述高分子材料满足：抗拉强度200MPa-4000Mpa，弹性模量0.2GPa-10GPa，熔点100-600℃；

所述无机非金属材料满足：抗拉强度300MPa-5000MPa，弹性模量70GPa-260GPa。

3.根据权利要求1所述的仿生型纤维，其特征在于，

所述侧枝为金属材料、高分子材料或无机非金属材料；其中，

所述金属材料满足：抗拉强度200MPa-3000Mpa，弹性模量为60GPa-400GPa；

所述高分子材料满足：抗拉强度200MPa-4000Mpa，弹性模量0.2GPa-10GPa，熔点100-600℃；

所述无机非金属材料满足：抗拉强度300MPa-5000MPa、弹性模量70GPa-260GPa。

4.根据权利要求1所述的仿生型纤维，其特征在于，

所述主枝的直径小于或等于5mm，所述侧枝的直径小于5mm。

5.根据权利要求1所述的仿生型纤维，其特征在于，

所述第一端部的直径和/或所述第二端部的直径大于所述主枝的其余部分的直径。

6.根据权利要求1所述的仿生型纤维，其特征在于，

所述侧枝的端部的直径大于所述侧枝的其余部分的直径。

7.根据权利要求1所述的仿生型纤维，其特征在于，

所述侧枝的数量不超过10个，不同侧枝与所述主枝的连接部在相同的位置或不同的位置。

8.根据权利要求1所述的仿生型纤维，其特征在于，

所述的仿生型纤维为仿鱼刺形状的纤维。

9.一种混凝土，其特征在于，其包括权利要求1-8中任一项所述的仿生型纤维。

10.一种建筑物，其特征在于，其包括由权利要求9所述混凝土制成的构件。