CN113939489A - 用于强化水泥基体的带涂层的钢纤维 - Google Patents

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Abstract

一种用于强化水泥基体的钢纤维,所述钢纤维带有锌铝合金涂层。锌铝合金涂层中铝含量为0.05wt%至0.5wt%,其余为锌和不可避免的杂质。少量的铝延缓了合金层的生长,也延缓了表面棕色锈斑的出现。

Description

用于强化水泥基体的带涂层的钢纤维
技术领域
本发明涉及用于强化水泥基体的带涂层的钢纤维。
背景技术
已知钢纤维可用于强化水泥基体,例如混凝土或砂浆。
由于混凝土和砂浆的碱性本质,在很多情况下没有必要对这些钢纤维进行腐蚀保护。然而,在一些其他情况下,钢纤维靠近被强化的水泥基体的表面,或者钢纤维在被混入水泥基体前暴露在自然条件下,这时可能会出现腐蚀问题。
WO-A1-2006/067095公开了带锌涂层的金属元件,例如用于强化水泥基体的带锌涂层的钢纤维。为了防止生成氢气,在带锌涂层的金属元件和水泥基体的介面处设置了混合物,所述混合物选自咪唑类、三唑类和四唑类。
尽管钢纤维上有锌涂层,但在一些带锌涂层的钢纤维的表面上仍然会出现生锈的情况。生锈是锌涂层的劣化的表现。锌涂层变脆且开始剥落,这对于在钢纤维端部处设置冷作锚固件来说是不利的。此外,变脆的锌涂层的使用寿命变短,防腐蚀能力下降。
发明内容
本发明的总体目的是克服现有技术的缺点。
本发明的具体目的是避免带涂层的钢纤维表面生锈。
本发明的另外目的是提供与水泥基体有优良兼容性的带涂层的钢纤维。
本发明的另外目的是提供具有可接受的附着性和可接受的中心度(acceptablecentricity)的带涂层的钢纤维。
根据本发明,提供了一种用于强化水泥基体的钢纤维。所述钢纤维设有锌铝合金涂层,涂层中的铝含量为0.05wt%至0.5wt%,例如0.10wt%至0.50wt。涂层中的其余部分是锌和无法避免的杂质。
优选地,带涂层的钢纤维是最后拉制的,这意味着涂层被施加在具有较粗中间直径的钢丝上。然后,带涂层的钢丝被拉制至最终直径。
最优选地,钢纤维具有钢芯、锌铝合金涂层、以及位于钢芯和锌铝合金涂层之间的具有Fe2Al5的金属间层。金属间层的厚度小于1微米,例如小于0.5微米,例如小于0.25微米。
对于标准锌涂层(只有锌和不可避免的杂质)来说,当钢丝或钢纤维被加热时,铁会扩散至涂层中。这种加热可能发生在整个钢丝上,或者仅在有限个位置处局部地发生。加热可能是由于拉制操作期间冷却不充分,或者对带锌涂层的钢丝或钢纤维进行热处理而导致的。
对于铝含量为0.05wt%至0.50wt%的锌铝合金涂层来说,会形成非常薄的金属间层Fe2Al5,这能延缓铁的扩散。铁扩散到锌中的温度从420℃增加到了600℃。
铝含量小于0.05wt%就无法获得本发明的全部优势,所形成的涂层更相当于标准锌涂层。铝含量大于0.5wt%可能导致可拉制性降低,因为铝是比锌更硬的元素,并且铝含量大于0.5wt%可能会增加水泥基体中形成氢气的风险。
对于带有铝含量为0.05wt%至0.5wt%的锌铝涂层的钢丝来说,其可拉制性得到改善,从而可以获得更快的拉制速度、减少钢丝断裂的发生或者降低模具的磨损,或者以上各方面的组合。铝是比锌更硬的元素,但是在其含量小于0.5wt%的时候,铝对于可拉制性的负面影响是最小的。
在一些情况下,对于带有铝含量为0.05wt%至0.5wt%的锌铝合金涂层的钢丝来说,甚至能出现其可拉制性强于带有纯锌涂层的钢丝的可拉制性。对于涂层重量低的情况尤其如此。当涂层重量低且涂层中心度差时,在纯锌涂层的情况下,较厚的锌钢合金层更有可能出现在表面处。这是一种非常脆的合金层,其出现在表面处会增加钢丝断裂的风险。对于铝含量为0.05wt%至0.5wt%的锌铝合金涂层来说,合金层非常薄,并且即使涂层的中心度差,其出现在表面处的可能性也要小很多。
钢纤维上的锌铝合金涂层量最好大于25g/m2,例如大于30g/m2。如果涂层质量小于25g/m2,那么其耐腐蚀性可能不够。
钢纤维的长度和直径之比L/D最好为40至100。如果L/D小于40,那么钢纤维的强化效果不够。如果钢纤维的L/D大于100,那么在将钢纤维混合进混凝土时出现问题的风险会很大。通常纤维直径为0.40mm至1.20mm,例如0.50mm至1.10mm。通常纤维长度为25mm至100mm,例如30mm至80mm。
钢纤维可以具有低碳钢成分,或者最好具有高碳钢成分。
在具有高碳钢成分的情况下,钢纤维的抗拉强度最好高于1000MPa,例如高于1350MPa,例如高于1400MPa,例如高于1600MPa。
钢纤维最好具有通过冷变形制成的锚固件。锚固件的实例包括:波状部、弯曲部、通常说的横截面变化部、特别是钉头部。
在本发明的一个特别优选的实施例中,钢纤维具有位于锚固件之间的中间部分,中间部分的最大载荷伸长率Ag+e大于4%,例如大于5%。该最大载荷伸长率Ag+e可由标准载荷伸长率试验测得。
为了使钢纤维具有高的断裂伸长率和最大载荷伸长率,可对拉制的钢丝进行去应力处理,例如通过使钢丝通过高频或中频感应线圈来进行去应力处理,感应线圈的长度应适合于钢丝的通过速度。已经观察到,在约300℃温度下进行一段时间的热处理后,抗拉强度减少约10%,但断裂伸长率和最大载荷伸长率不增加。然而,如果温度稍微增加至高于400℃,那么可以观察到抗拉强度进一步下降,并且同时断裂伸长率和最大载荷伸长率增加。
为了提高与水泥基体的混合度和避免成团,钢纤维可以采用钢纤维束的形式,其中钢纤维通过含有咪唑类、三唑类和/或四唑类的水溶性胶粘在一起。
根据本发明的钢纤维适于强化所有种类的水泥基体,例如水泥、砂浆、或高性能混凝土。
根据本发明的钢纤维尤其适用于强化普通强度混凝土,例如,强度小于或等于在EN206中定义的C100/115强度等级的混凝土强度的混凝土。高性能混凝土的强度高于C100/115强度等级的混凝土强度。
根据本发明的钢纤维尤其适用于强化预制混凝土件。
用于强化普通强度混凝土的典型用量为20kg/m3至40kg/m3。用于强化高性能混凝土的典型用量为75kg/m3至300kg/m3及以上。
具体实施方式
根据本发明的钢纤维可按照以下方法制造。
起始产品是直径5.5mm或6.5mm的钢盘条,其钢成分为:碳含量至少0.35wt%,锰含量0.40wt%至0.70wt%,硅含量0.15wt%至0.30wt%,硫含量至多0.05wt%,磷含量至多0.05wt%。可以有至多0.20wt%的少量铬、镍或铜。
将钢盘条干法拉制成中间直径在1.5mm至3.5mm之间的半成品钢丝。
向拉制后的钢丝施加锌铝合金的金属涂层,该涂层中铝含量为0.2wt%。该施加涂层操作最好以热浸工艺完成,其中钢丝经过熔融锌铝合金浴。半成品钢丝上的涂层重量为70g/m2至200g/m2
然后,将带涂层的半成品钢丝干法拉制成直径小于1.0mm的钢丝。最终钢丝上的涂层重量高于20g/m2,最好高于30g/m2。拉制的钢丝的抗拉强度可达1200MPa至2700MPa,这主要取决于钢丝的最终压缩直径和钢成分中的碳含量。钢丝的表面不会出现任何生锈或偏离锌合金涂层正常外观的色变。
光学显微镜分析表明,存在非常薄的Fe2Al5金属间层,其厚度为50nm(纳米)至150nm。
对钢丝进行的经典缠绕试验表明,锌合金涂层没有剥落,这意味着尽管金属间层很薄,但附着性良好。
涂层中心度的测量值为5%至30%,虽然数值较低但是仍在可接受范围内。这些较低数值在意料之中,因为众所周知的是,没有金属间层或金属间层非常薄都会对中心度有负面影响,对于约30kg/m2的低涂层重量的情况来说尤其如此。
在420℃至450℃范围内的温度下,对钢丝进行几秒钟的去应力处理,以将其最大载荷伸长率Ag+e增加到大于4%,例如大于5%。该去应力处理的温度高于纯锌涂层(仅400℃-410℃)情况的温度。尽管温度较高,但当暴露在腐蚀性环境中时,在带有Zn0.2Al涂层的钢丝表面上没有发现棕色锈斑。
这与带有纯锌涂层的钢丝形成明显的对比。在纯锌涂层的情况下,在去应力处理期间铁锌合金层快速生长,甚至生长到涂层的表面。因此,在锌涂层的顶层中存在铁。在短暂地暴露于腐蚀环境中后,虽然存在大量的锌和阴极保护,但仍然出现了棕色锈斑。
接下来,切割并弯曲带有涂层并被去应力的钢丝,以制作在末端处具有弯曲部的若干钢纤维。在US-A-3,900,667、EP-B1-0 851 957、EP-B1-2 652 221和EP-B1-2 652 222中公开了弯曲部形式的锚固件的实例。
根据US-A-4,284,667,在切割和弯曲之前,可以用水溶胶把钢纤维粘连成条。根据WO-A1-2006/067095的教导,在胶中添加苯并咪唑以避免产生氢气。
三点弯曲试验
为了检验根据本发明的带新涂层的钢纤维与混凝土的兼容性,根据标准EN14651进行了标准三点弯曲试验。用C35/45混凝土制成的尺寸为150mm×150mm×600mm的梁用钢纤维进行强化,其中钢纤维带有锌0.2wt%铝涂层,并且设有根据EP-B1-2 652 222的弯曲部。对三种不同用量的钢纤维进行了试验。
计算了以下参数:
比例极限fL=3/2×FL×l/(bxh2)
其中FL=0至0.05mm挠度之间的最大载荷
残余弯曲强度fR,1
CMOD=0.5mm
挠度=0.47mm
残余弯曲强度fR,2
CMOD=1.5mm
挠度=1.32mm
残余弯曲强度fR,3
CMOD=2.5mm
挠度=2.17mm
残余弯曲强度fR,4
CMOD=3.5mm
挠度=3.02mm
fR,i=3/2×FR,i×l/(bxh2)
其中FR,i=在对应CMOD或挠度的载荷
以下表格总结了结果。所提及的数值是五至六次试验的平均值。
表格
Figure BDA0003402188930000061
将以上结果与由具有相同几何形状和组分但是带有标准的100%锌涂层的钢纤维所获得的结果进行了比较。虽然注意到有些许差异,但是这些差异在可接受的标准范围内。
钝化试验
制成具有以下标准混凝土成分的薄试验板:
-400kg/m3的CEM I 45.5R HES;
-1200kg/m3的河沙0/4;
-200kg/m3的石灰岩碎石4/7。
制成具有不同涂层厚度的三个试验板:28g/m2,33g/m2和40g/m2
先在每个模具底部放置一些本发明的钢纤维,再向模具里灌入混凝土。将样本震动30秒并在潮湿环境中固化,之后再脱模。固化时间结束后,检查每个样本的底部。
没有任何试验板上形成氢气。

Claims (8)

1.一种用于强化水泥基体的钢纤维,所述钢纤维带有锌铝合金涂层,在所述锌铝合金涂层中,铝含量为0.05wt%至0.5wt%,其余为锌和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的钢纤维,
其中带有涂层的所述钢纤维是最后拉制的。
3.根据权利要求1或2所述的钢纤维,
其中所述钢纤维具有钢芯、锌铝合金涂层、以及位于所述钢芯和所述锌铝合金涂层之间的具有Fe2Al5的金属间层,所述金属间层的厚度小于1微米。
4.根据前述权利要求中任一项所述的钢纤维,
其中所述锌铝合金涂层的量大于25g/m2
5.根据前述权利要求中任一项所述的钢纤维,
其中所述钢纤维的长度和直径的比值L/D为40至100。
6.根据前述权利要求中任一项所述的钢纤维,
其中所述钢纤维设有通过冷变形制成的锚固件,所述锚固件例如波状部、弯曲部、钉头部。
7.根据权利要求6所述的钢纤维,其中
所述钢纤维具有位于所述锚固件之间的中间部分,
所述中间部分的最大载荷伸长率Ag+e大于4%。
8.由根据前述权利要求中任一项所述的钢纤维形成的钢纤维束,
所述钢纤维束用水溶性胶粘在一起,所述水溶性胶中含有咪唑类、三唑类或四唑类。
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