CN1405110B - 高分散性增强聚合纤维 - Google Patents

Abstract

合成聚合物增强纤维可以在基体材料中提供分散性和强度，该基体材料为例如混凝土、砂浆、喷浆混凝土和沥青。单个纤维体基本上没有应力断裂和基本上无原纤化，沿着其延长长度具有一般四边形横截面外形。优选的纤维和含有该纤维的基体材料证明除了具有分散性和韧性之外还具有极好的易修整性。

Description

高分散性增强聚合纤维

本发明是2001年4月25日提交的美国流水号为09/843427的待审批申请的部分继续申请(CIP)。

技术领域

本发明涉及增强基体材料的纤维，更具体来说涉及具有极好的分散性和增强性的多种合成聚合纤维，优选在水合的有粘结性的组合物中具有极好的易修整性。具有一般四边形横截面外形的单个纤维体可以被延长并具有高度的可弯曲性，由此纤维球减至最少，达到最大程度的纤维粘合。

背景技术

尽管本发明的纤维适用于增强各种基体材料，例如粘合剂、沥青、复合材料、塑料、橡胶等，和由上述材料制成的结构，但是本发明所述的纤维特别适合于增强水合的有粘结性的组合物，例如预拌混凝土、预制混凝土、圬工混凝土(砂浆)、喷浆混凝土、沥青混凝土、石膏组合物、石膏-和/或基于波特兰水泥的耐火组合物和其他物质。

本发明的纤维的主要用途是增强混凝土，例如预拌、喷浆混凝土等和由这些材料制成的结构。这种基体材料给增强纤维的设计者提出了许多挑战。

混凝土是用能水合的水泥粘合剂、细集料(如沙子)和粗集料(如小石头、砂砾)制成的。砂浆是用水泥粘合剂和细集料制成。所以，混凝土和砂浆是脆的材料。如果砂浆或混凝土材料遭受超过其最大抗张强度的应力，裂缝开始形成并在其中传播。可以理解，对于材料的“强度”和“断裂韧性”来说，有粘结性的结构具有抗裂缝形成和抗裂缝传播的能力。

“强度”是关于水泥或混凝土结构抗初始裂缝的能力。换句话说，强度与没有裂缝的结构的最大承载能力成比例，是最小荷载或在结构中开始形成裂缝所需要应力(例如“临界应力强度因子)的量度。

在另一方面，“断裂韧性”涉及水泥或混凝土结构的具体“断裂能”。该概念指结构抵抗在结构中存在的裂缝的传播或扩展的能力。该韧性性能与传播或扩展裂缝(或多个裂缝)所需要的能量成比例。该性能通过同时测量在一个开口裂缝处，使纤维增强的混凝土(FRC)梁变形或“弯曲”所需要的荷载以及弯曲的量或程度来衡量确定。因此，断裂韧性可以通过在荷载弯曲曲线(由绘制克服FRC样品弯曲的荷载的图产生)下的面积除以其横截面积来确定。

在水泥和混凝土工艺中，可以设计纤维以增加增强材料的强度和断裂韧性。许多纤维材料可以用来达到这个目的，例如钢、合成聚合物(例如聚烯烃)、碳、尼龙、芳香族聚酰胺和玻璃。由于金属固有的强度，使用钢纤维增强混凝土结构很普遍。但是，在钢纤维的生产设计中，有一点要考虑的是增加纤维的抗“拔出”性，因为该性能会增加纤维消除裂缝传播的能力。关于这一点，Marsden的美国专利3953953公开了具有“J”形状末端抵抗从混凝土中拔出的纤维。但是，具有物理缺陷的硬纤维会引起纠缠问题，该问题会使得纤维很难处理以及很难在湿的混凝土混合料中均匀分散。更为近期的设计，包括使用“有波纹的”或“象波浪的”聚合纤维，会具有相似的复杂问题，这取决于应用的纤维材料的硬度。

聚烯烃纤维，例如聚丙烯和聚乙烯，已经用于增强混凝土，由于相对较低的材料成本，会提供经济上的效益。但是，这种聚烯烃材料，本质上是疏水的，能抗湿混凝土的有水的环境。而且，在接近钢增强纤维混凝土的强度和韧性时，混凝土中需要的聚烯烃纤维的数量较多，经常导致纤维成块或“结球”并增加施工现场的混合时间。形成纤维球的趋势意味着没有达到所需纤维的用量。经常不能得到纤维的正确的浓度，这是因为，为获得光洁的混凝土表面，纤维球被工人除去(当在混凝土表面看到时)。有时侯的情况是，在有粘结性结构的位置完全缺乏增强纤维。结果得不到所需要的均匀的纤维分散。

在混凝土中促进纤维分散的方法是已知的。例如，Smith等人的美国专利4961790公开了为将大量纤维引入湿混合料中，使用水溶性的袋。Valle等人的美国专利5224774公开了使用非水溶性的包装，该包装在混合中可以机械地分解以避免成块并在混凝土混合料中获得纤维的均匀分散性。

增强纤维的分散性也可以通过包装较少的离散的纤维来获得。例如Sanders的美国专利5807458公开了使用环绕周边的包装捆扎纤维。依据该专利，在湿混凝土混合料中的搅动会破坏外围包装的连续性，从而使纤维释放出来并分散在混合料中。

另一方面，Leon的世界专利申请WO00/49211(公开于8/24/00)公开了“被包裹的”纤维，但是当在混凝土中混合时又分离开来。多根纤维分开地捆在一起，例如用带子粘住纤维的切口，由此形成“小包裹”。在湿的有粘结性的混合料中，包裹被破坏和/或溶解分离以允许在混合料中单个纤维的分离和分散。

增强纤维的分散性也可以通过改变混合时的纤维来获得。例如Trottier等人的美国专利5993537公开了当搅动湿混凝土混合料时，逐渐增多的能原纤化的纤维。该纤维呈现“低的初始表面面积”以促进在湿混合料中引入纤维，在搅拌和研磨混合料中的集料的作用下，经过“原纤化作用”，该作用可以使初始低表面面积的纤维材料分离成更小的单个的原纤维。因此，在较高的添加速率下，可以获得均匀的纤维分布。

在Rieder等人的美国专利6197423中教导了一种新的方法，公开了使用机械压平纤维的方法。为了在混凝土中改进结合，在相对的辊子之间压平纤维以获得可变的宽度和/或厚度尺寸和通过显微镜观察到的应力-断裂，例如在单个聚合纤维表面的不连续的、无规律和随机的位移。这种微观应力断裂可以改进水泥和纤维之间的粘结性，因为这种应力-断裂本质上是不连续的，纤维柔软到一定程度时纤维与纤维的纠缠(结果成为纤维球)减至最小或被避免。Rieder等人的机械压平纤维的方法不同于Vondran的美国专利5298071公开的方法，其中纤维是与埋入表面的水泥熟料和保留的水泥颗粒相互研磨。

在这一点，纤维表面的性质也是混凝土中纤维分散和粘结研究中常见的主题。例如，Hansen的美国专利5753368公开了一系列润湿剂如乳化剂、洗涤剂和使纤维表面更加亲水的表面活性剂，这样更易于在湿混凝土中混合。另一方面，Berke等人的美国专利5753368教导了使用特殊的乙二醇醚涂料代替传统的会在纤维/混凝土的交界面引入不想要的空气的润湿剂，可以增强混凝土与纤维之间的粘结性。

当然，如上面提到的美国专利5298071和美国专利6197423所述，纤维表面的物理变形也会改进纤维与混凝土之间的粘结性。Matsumoto的美国专利4297414，作为另一个实施例，教导了使用突出物和隆起物增强粘结强度。其它表面的处理，例如使用压花轮子加在纤维上的图案，这样也可以改善纤维-混凝土的粘结性。纤维设计者甚至弯曲纤维达到正弦波形状以增加纤维抵抗从混凝土中拔出的能力。但是，本发明者意识到在纤维结构中增加结构变形实际上会增强不需要的纤维球发生的几率。

与背景技术相反，本发明者看到需要一种新的聚合合成增强纤维，该纤维在混凝土中具有容易的分散性以避免纤维球的形成和获得预期的纤维用量比率，而且，同时在基体材料和特别脆的材料如混凝土、砂浆、喷浆混凝土、耐火石膏等类似材料中提供强度和断裂韧性。

发明内容

在克服现有技术缺点的基础上，本发明提供了高分散性增强聚合纤维，由该纤维增强的基体材料和其制造方法。当本发明实施例的纤维分散在基体材料，特别是脆的材料如混凝土、砂浆、石膏或基于波特兰水泥的耐火材料、喷浆混凝土等类似材料中时，该纤维具有很好的分散性和强度以及断裂韧性。

这些性质可以通过使用多种单个纤维体来达到，该纤维体具有限定在两个相对的末端之间的延长长度，而且沿着纤维体的延长长度具有一般四边形横截面形状。由此单个纤维体具有宽度、厚度和长度尺寸，其中平均宽度是1.0-5.0mm和更优选1.3-2.5mm，平均厚度是0.1-0.3mm和更优选0.15-0.25mm，平均长度是20-100mm和更优选30-60mm。在优选的实施方案中，平均纤维宽度应当超过平均纤维厚度至少4倍(即比率至少是4∶1)，但是优选平均宽度不能超过平均厚度的50倍(50∶1)。更优选，纤维的宽度对厚度的比率为5到20(5∶1到20∶1)。

虽然可以将本发明的单个纤维体任选以下列方式引入到并分散在基体材料中，如多个分开的片或可分开的片(即在有划痕的或能原纤化的片材中的纤维，或包在可溶解的或可分解的包扎、包裹、包装或涂覆中的纤维)，但是纤维可以直接引入能水合的有粘结性的组合物中，并且在其中相对容易地混合，获得均匀的分散性。但是，单个纤维体本身在基体组合物中受到机械搅动，以达到在其中获得纤维的基本均匀分散的所需程度以后，该纤维基本不能原纤化(即进一步减小到更小的纤维单元)。

本发明实例的纤维体也基本上没有内部或外部的应力断裂，这种断裂可能由水泥熟料的碾磨或机械压平产生的。本发明者的总的目的是保持单个纤维体的完整性，不仅是在纤维整体结构方面，而且是在整个表面面积的完整性和均匀性以及从一批到下一批的弯曲特性。

一般四边形横截面外形与含有相似材料并具有相应直径尺寸的圆形或椭圆形单纤维丝相比较，提供了较高的表面面积对体积的比率(S_a/V)。本发明者认为，与圆形或椭圆形横截面形状相比较，四边形横截面形状提供了较好的弯曲度对体积的比率，更为重要的是，这种改进的弯曲特性可以转化为更好的对“弯曲度”的控制。本发明的单个纤维体主要趋向弯曲成具有相对较小的扭曲和纤维与纤维的纠缠的弓形，由此促进分散。相反，在给定材料的弹性模量和横截面积时，现有技术的具有圆形或长轴/短轴的比率少于3的椭圆形横截面的纤维，具有较大的抗弯曲性，由此，当与一般四边形(如矩形)横截面的纤维相比较时，更容易形成纤维球。

本发明者进一步认为当与如圆形或椭圆形横截面的纤维相比较时，一般的四边形横截面会提供极好的纤维表面区域和控制特性。关于这一点，本发明优选具有“弯曲度”的范围是20(非常硬)到1300(极易弯曲)毫牛^-1*米^-2(mN^-1m^-2)，更优选范围是25到500毫牛^-1*米^-2。这里使用的术语“弯曲度”的意思是单个纤维体抵抗挠曲移动(即与纤维的纵向轴垂直的力)的力，可以通过施加在纤维一个末端的荷载来测定，测量其相对于对应的纤维末端的移动，该纤维末端已被固定，例如用机械夹子或台钳来防止其移动。如果需要较少的力就可以使纤维弯曲到一定程度，这样的纤维被称作具有较好弯曲性。纤维的弯曲度是其长度、形状、横截面大小和弹性模量的函数。因此，纤维的弯曲度用毫牛^-1*米^-2(mN^-1m^-2)来表示并用下面的公式计算：

$B=\frac{1}{3\·E\·I}$

其中“E”代表纤维的扬氏弹性模量(千兆帕斯卡)；“I”代表单个纤维体的转动惯量(mm4)。具有较低弯曲度“B”的纤维当然比具有较高弯曲度“B”的纤维可弯曲性小。转动惯量“I”表示在移动或旋转中抵抗任何变化的性质。对于具有一般四边形(或接近矩形)横截面的外形来说，转动惯量可以用下面的公式计算：

I_矩形＝1/12·w·t³

其中“w”代表矩形的平均宽度，“t”代表矩形的平均厚度。

在进一步实例的实施方案中，如果纤维的厚度和/或宽度沿着纤维的长度变化，例如与平均厚度或宽度值偏差2.5％到最大25％，纤维的“弯曲度”会进一步改善。纤维的厚度和/或宽度的微小改变会改善增强基体和纤维之间的粘结性。

本发明者意识到，考虑到上述公式中具有一般四边形横截面的纤维的“弯曲度”“B”，当纤维的弹性模量“E”增加时，会导致弯曲度相应减少，结果使纤维更难分散。然后发明者认识到要保持相同程度的弯曲，转动惯量“I”必须减少，例如当保持纤维的横截面积不变时，通过减少纤维的厚度达到此目的。

在本发明的更进一步的实施方案中，当沿着纤维体的轴在纵向测量时(端点至端点)，优选具有下述性质的单个纤维体：扬氏弹性模量为3-20千兆帕斯卡和更优选5-15千兆帕斯卡，抗张强度为350-1200兆帕斯卡和更优选400-900兆帕斯卡，和在拉伸模式为40-900牛顿，更优选100-300牛顿时的最小荷载承载能力。

制造纤维的具体优选方法是熔融-挤出聚合材料(例如作为连续片材的聚丙烯)；降低该被挤出片材的温度到室温以下(例如25℃以下)；切割或切开(在冷却之后)片材成单个的或可分离的具有一般四边形横截面的单个纤维体，以倍数至少为10-20和更优选在12-16之间的比率拉伸单个纤维体，由此得到平均宽度为1.0-5.0mm和更优选1.3-2.5mm，平均厚度是0.1-0.3mm和更优选0.15-0.25mm；切割纤维得到具有平均纤维长度是20-100mm和更优选在30-60mm之间的单个纤维体。下面进一步描述实施例的方法。

本发明也可直接用于基体材料，例如混凝土、砂浆、喷浆混凝土、沥青和其它含有上述纤维的材料，并提供将纤维加入到基体材料中改进基体材料的方法。

更进一步实例的纤维和在其中埋入这种纤维的基体材料(例如混凝土)特别适用于“易修整性”是重要的领域(例如用作地板材料)。术语“易修整性”指当混凝土表面弄平滑(即“修整”)以后，抵抗纤维从混凝土中“突出出来”的能力。发明者发现易修整性类似于分散性，是纤维弯曲度的作用，但是，除此之外易修整性也是纤维长度的作用。当在基体材料中进行机械搅动时，具有“易修整性”实例的纤维基本没有应力断裂和基本无原纤化，它们具有平均弯曲度100-2500和更优选150-2000毫牛^-1*米^-2。优选的具易修整性的纤维优选具有扬氏弹性模量范围是4-20千兆帕斯卡，抗张强度为400-1600兆帕斯卡，平均宽度是1.0-5.0mm，平均厚度是0.05-0.2mm，和平均长度是20-75mm，其中平均宽度超过平均厚度的倍数为5-50和更优选倍数为7-40。

在下文中进一步详细描述本发明的优点和特征。

附图说明

参考下面结合附图的优选实施例的描述可以更好的理解、正确评价本发明的优点和益处。

图1-3是现有技术的增强纤维的横截面的显微照片的放大图。

图4和图5是本发明实例的纤维的一般四边形横截面外形的显微照片的放大图。

图6是本发明实例的单个纤维体在与混凝土混合料(包含细的和粗的集料)混合以前，其表面的显微照片的放大图(以25X放大倍率)，图7表示纤维混合后的情况。

图8是本发明实例的单个纤维体在与混凝土混合料(包含细的和粗的集料)混合以前，其表面的显微照片的放大图(以200X放大倍率)，图9表示纤维混合后的情况。

图10是本发明实例的单个纤维体在与混凝土混合料(包含细的和粗的集料)混合以前，其表面的显微照片的放大图(以900X放大倍率)，图11表示纤维混合后的情况。

图12是按照美国专利6197423机械压平的方法制成的现有技术纤维显微照片的放大图(以900X放大倍率)。

图13是不同纤维的拉伸荷载对应变性能的图解表示。

图14是不同纤维的拉伸应力对应变性能的图解表示。

图15是测试加在含有增强聚合纤维的有粘结性的基体材料上的荷载的楔-开裂设备的照片。

图16是不同纤维的应力对裂缝开口位移的图解表示；和

图17是材料的典型的应力对应变曲线图，该图可以用来说明本发明的目的。

具体实施方式

本发明者认为本发明的增强聚合纤维可以应用在各种由该纤维制成的组合物、材料和结构上。所以，术语“基体材料”意味着包括很宽的材料范围，该材料可以用纤维来增强。这些包括：粘合剂、沥青、复合材料(例如树脂)、塑料、弹性体如橡胶等，和由上述材料制成的结构。

本发明优选的基体材料包括水合的有粘结性的组合物如预拌混凝土、预制混凝土、圬工砂浆和混凝土、喷浆混凝土、沥青混凝土、基于石膏的组合物(如用于墙板的组合物)、石膏-和域基于波特兰水泥的耐火组合物(用于板和喷涂)、防水膜和涂料，和在干或湿搅拌形态下，其它水合的有粘结性的组合物。

主要的重点是增强建筑混凝土(例如预拌混凝土、喷浆混凝土)。但是，一般来说，混凝土(不管是灌注、浇铸还是喷浆)是非常脆的材料，该材料在提供增强纤维方面面临挑战：(1)该纤维可以成功地引入和混合在这种基体材料中和(2)该纤维可以提供跨接裂缝的粘结强度，结果纤维可以增强混凝土结构。

在详细讨论上述提到的本发明的各种附图和进一步实例的实施方案之前，关于定义的详细讨论有助于促进对于本发明的优点和益处的深入理解。当设想本发明的纤维应用在能水合的湿“水泥”或“混凝土”(在本发明中该术语有时可以交替使用)的浆料部分时，预先定义“水泥”和“混凝土”，有助于讨论的进行。

术语“浆料”、“砂浆”和“混凝土”是技术术语：浆料是由水合的有粘结性的粘合剂(通常是，但不仅仅是：波特兰水泥、圬工水泥、或砂浆水泥，以及也可以包括石灰石、熟石灰、飘尘、高炉矿渣、火山灰和火成二氧化硅或通常包含在这类水泥中的其它材料)和水组成的混合物；砂浆是额外添加的包含细集料的浆料(例如沙)；混凝土是另外又加入含有粗集料的砂浆(例如砂砾、石头)。所以，本发明“有粘结性的”组合物涉及并包括上述所有的物质。例如，有粘结性组合物可以通过将所需量的某种材料，如能水合的有粘结性的粘合剂、水和细的和/或粗的集料，按照需要的情况，和本发明所述的纤维混合形成。

本发明的合成聚合纤维包含至少一种聚合物，该聚合物选自聚乙烯(包括高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和超高分子量的聚乙烯)、聚丙烯、聚甲醛、聚(偏1，1-二氟乙烯)、聚(甲基戊烯)、聚(乙烯-三氟氯乙烯)、聚(氟乙烯)、聚(环氧乙烷)、聚(对苯二甲酸乙二酯)、聚(对苯二甲酸丁二醇酯)、聚酰胺、聚丁烯和热致的液晶聚合物。优选的合成聚合物是聚丙烯。本发明实例的单个纤维体包括100％的聚丙烯，或在另一个实施例中，主要含有聚丙烯(例如，至少70-99％)和剩余物，该剩余物含有另一种聚合物(如高密度聚乙烯、低密度聚乙烯)或在传统的聚合纤维制造中会用到的任选择的填料、加工助剂和/或润湿剂。

应当选择聚合物的分子量以便熔融加工聚合物。以聚丙烯和聚乙烯为例，平均分子量为5000到499000，更优选在100,000到300,000之间。可以使用不同等级的聚乙烯，包括含有支链和共聚单体如丁烯、己烯和辛烯，和进一步包括所谓的“金属茂”聚乙烯材料。如果使用聚丙烯，优选不超过大约30％重量百分比的聚合共聚单体或混合树脂的存在，以保证平滑的加工操作，优选最大达到10％。最优选的是聚乙烯均聚物树脂，一般用途的树脂在名义上的熔化流动范围从约1到40克/10分钟(ASTM D2497 1995)。优选树脂也可以是重均分子量与数均分子量的比率为约2∶1到约7∶1。

图1是横截面视图，最初以大约100X的放大倍率记录下的现有技术中具有0.96mm宽和0.63mm厚的椭圆形横截面的聚丙烯纤维。宽度与厚度接近，纤维几乎可以在纵向轴附近的所有方向上同样扭曲。

图2是横截面视图，最初以大约100X的放大倍率记录下的现有技术中具有0.78mm宽和0.42mm厚的由聚乙酸乙烯酯制成的椭圆形(或卵形的)的纤维。

图3是是横截面视图，最初以大约100X的放大倍率记录下的现有技术中从商业上可以获得的商品名为GRACE结构的能原纤化的纤维。当在混凝土中混合时，这种纤维设计为可原纤化或解散为更小的原纤维。横截面外形类似三叶状花生。

图4是横截面视图，最初以大约100X的放大倍率记录的本发明实例的单个纤维体。一般四边形横截面外形很明显，因为可以清楚看到四条边，尽管右边有小部分不完全垂直。从本质上来说，四边形更确切的特征是梯形，因为一对较长的边(定义宽度)通常互相平行，两条较短的边之间以及与较长的边稍微成一定角度。本发明者认为当使用切削刀片将这种单个纤维体从较大的片材上切割下来时，刀片的角度或空间方位角可以限定较短的边是否具有例如梯形(其中两条较短的边具有不同的角度)、平行四边形(其中除了两条较长的边之外，两条较短的边互相平行)或矩形(相对的边平行，所有的角大约都是90度)中的角度。

在本发明中使用的术语“四边形”或“一般四边形”意思是指具有四条边的横截面外形，通常至少其中两条边互相平行并且限定出纤维的宽度尺寸。两条短边或面(由此定义纤维的厚度方面)可以不互相平行。如果纤维被挤出形成分散的个体而不是从片材上切割下来的，两条短边或面甚至可以不垂直但是可以呈现例如凹的或凸的形状。

图5是部分横截面视图，最初以大约200X的放大倍率记录的本发明实例的单个纤维体，具有0.19mm的测量厚度。在放大的显微照片中，短边通常与两条长边(相隔0.19mm)垂直，但是在角上有稍微的不完整性。尽管优选较尖锐的角，因为本发明者认为可以减少纤维与纤维之间的纠缠，但是由于制造加工过程，会出现一些圆形或不完整的。

图6是视图，最初以大约25X的放大倍率记录的本发明实例的单个纤维体的外表面。当混合并基本均匀分散在混凝土中时，实例的纤维基本上无原纤化。因此，尽管由于挤出加工和/或切割加工过程，在放大倍率的条件下，会看到表面条纹和不完整性，但是在相对平滑的聚合纤维表面基本上不会看到应力-断裂或不连续性。本发明者认为在混凝土中引入不是用机械压平的(达到在整个表面具有微小-应力-断裂的程度)和不能原纤化的(当在混凝土中遭受机械搅动时，可缩减成更小的纤维)单个纤维体会导致更好的均匀分散性和增强特性，这是因为均衡的纤维表面面积与纤维体积的比率和从纤维到纤维之间结构的完整性。而且，本发明纤维的表面，如果在含有集料的混凝土中遭受机械搅动，会获得所需要的表面粗糙度，当混凝土固化时，该粗糙度会促进混凝土基料中纤维的粘结性。

图7是图6的纤维以25rpm转速在双轴混合器中在混凝土中混合5分钟之后，以25X的放大倍率记录的视图(为本发明的图解而移动)。尽管纤维表面保持基本上没有微小-应力断裂(例如裂缝)，但由于在混凝土混合料中集料的影响，要经历变粗糙或增加不透明性。在200X的放大倍率下，如图8所示，纤维的表面，在引入混凝土中之前，基本上没有残缺，在该放大倍率的条件下能看到的仅有的特征是轻微的条纹和不完整，这是由于制造片材时使用的挤出方法，单个纤维从片材上切割下来。当纤维基本上均匀分散在混凝土混合料中以后，如图9所示的纤维在相同的200X的放大倍率下，不能证明有基本的应力-断裂或原纤化作用。但是，在该放大倍率的级别下，可辨别出所需要的粗糙表面。而且，由于本发明纤维的聚合材料将被高度取向，在很高的放大倍率下，通常可以明显看到一些小线从纤维表面伸出，但是这样有助于促进分子片断互相分离，或其他方面的不完整性或刮削，不能构成其中纤维体分裂成为更小的小纤维单元的基本的原纤化作用。

在大约900X的放大倍率下，拍照到图10-12的聚合纤维表面，本发明实例的纤维(图10，11)和现有技术中用机械压平的纤维(如图12)具有明显区别。图10和11分别显示了纤维的表面，这些纤维是使用双轴混合器(有反式旋转刀片)在与湿混凝土混合之前和之后得到的基本均匀分散在混凝土中的纤维。在图10中可以看到挤出的条纹，在如图11看到所需的表面粗糙，但是基本没有应力断裂或表面下的不连续。甚至在与混凝土混合(含有沙和粗集料如压碎的石头或砂砾)之后，本发明的纤维表面(图11)没有显影出在现有技术中用机械压平的纤维(图12)中所看到的微小应力断裂的形态(如肌体的不连续性)，但是该纤维可以提供一种所需的粗糙表面和全面的完整性，和提供可以使多根单个纤维体在混凝土基体中分散所需的弯曲特性。

在本段和上述段落中使用的术语“多根”“单个纤维体”是指这种情况，其中材料的内含物、物理尺寸和物理性能方面相同的多根纤维被引入到基体材料中。当在待增强的基体材料中进行机械搅动时，本发明实例的纤维体基本上没有表面应力断裂和基本上无原纤化，这些纤维沿着所说的延长长度具有一般四边形横截面外形，其中平均宽度1.0-5.0mm，更优选1.3-2.5mm，平均厚度0.1-0.3mm，更优选0.05-0.25mm，平均长度20-100mm。在优选的实施方案中，平均纤维宽度应该超过平均纤维厚度至少5∶1，但是不超过50∶1，更优选宽度与厚度的比率(具有平均长度为20-100mm的纤维)是5-20(5∶1到20∶1)。

在本发明的进一步的实施方案中，第一多根单个纤维体和第二多根单个纤维体(即与第一多根单个纤维体相比较含有不同的材料，具有不同的物理尺寸，和/或不同的物理性质)混合以便改进基体组合物。具有不同性能的另外的多根纤维的使用，是本领域中已知的。纤维的混合配料已经公开于，例如Rieder和Berke的美国专利6071613，这种混合配料也可以使用与本发明相关的纤维。例如本发明所教导的第一多根纤维可能包括具有几何形状、尺寸、最小荷载承载能力和弯曲度的聚合材料，然而第二多根纤维可能包括另一种材料例如钢、玻璃、碳或复合材料。如另一个实施例，第一多根纤维可能具有特定的弯曲特性和/或物理尺寸(在平均宽度、厚度或长度方面)，但是第二多根纤维可能含有同样的或相似的聚合材料并体现不同的弯曲特性和/或物理尺寸。

本发明可以提供如所预期的多根纤维的实施例，其以被包裹或被连接在一起的形式提供(例如使用袋、外围包裹、涂覆层、粘合剂或例如通过局部切割或划痕的聚合物前体片材等)。但是，如前面所述，本发明的“单个纤维体”定义为本身与其他纤维体相分离或当混合进入混凝土时，与其他纤维是分离的。所以，本发明实例的纤维包括多根单个纤维体，其中单个纤维体互相分离或其中单个纤维体互相连接或部分连接，但是当被引入或混合到基体组合物中以后能够分离。

本发明者认为，在某种程度上通过使用一般四边形横截面外形，单个聚合纤维的弯曲度可以更准确的控制。本发明者探索避免弯曲度过大，由于过度弯曲会使纤维被其他纤维包围(或围绕他们本身)以至于产生纤维球。他们也探索避免通常与强度有关的极端坚硬，因为这样也会导致所不期望有的纤维“球”。弯曲度很高(例如人类的湿头发)与坚硬一样是麻烦的(例如在儿童时代玩的“拾棍”游戏)，因为在任何一种情况下都会产生自我纠缠。纤维球和纠缠的程度很大，意味着在基体材料中不能达到基本均匀的分散；反过来，这意味着纤维的用量不充分而且纤维增强材料的材料性质会受到明显的改变。

本发明者认为，为获得最好的分散性，需要足够高的弯曲度才能使在其它纤维中的应力传递减至最小。为了达到该目的，发明者认为在纤维的形状和大小以及纤维的弹性模量方面的改变是值得考虑的。例如，如果纤维横截面的形状和大小保持不变，较低的弹性模量会增加纤维的弯曲度。在另一方面，发明者认为也需要考虑待增强的基体材料的弹性模量。对于聚丙烯纤维来说，弹性模量在2-10千兆帕斯卡范围内；对于基体材料如混凝土(当硬化时)的弹性模量在20-30千兆帕斯卡范围内，这取决于使用的混合料。本发明者认为为了改善基体材料的性质(硬化的混凝土)，特别是在有小的裂缝开口或变位的情况下，纤维的弹性模量应当优选至少达到基体材料(硬化的混凝土)的弹性模量的大小。如上所述，弹性模量的增加通常意味着弯曲度的减少，这会在多根纤维的分散性方面产生负面影响。所以，为保持高的弯曲度，本发明者选择改变单个纤维体的形状和横截面积。含有纤维的混凝土样品的断裂试验表明纤维在拉紧(不是最小拉伸应力)的情况下，具有最小的承载荷载能力，该纤维需要跨过混凝土的有裂缝的部分传递大量的应力。这样也有助于保持单位体积的混凝土中纤维的数量，对于改善增强混凝土的新纤维的可使用性来说，降低所需用量具有积极的作用。众所周知，为了控制塑性的收缩裂缝(而不是例如结构的增强)的微纤维(具有20-60微米的直径)不能大量加入到混凝土中，因为每单位重量(例如很高的表面面积)的纤维的数量极大。一般这种纤维的用量比率范围是从0.3kg/m3到1.8kg/m3(0.033vol.％到0.2vol.％)。以这种低用量的比率添加纤维对于混凝土的硬化性质不会产生明显影响。预计会对混凝土的硬化性质产生影响的纤维需大量加入，这是由于需要跨过有裂缝的混凝土部分传递大量的较高应力。

理想地，本发明者认为在有裂缝的混凝土中使用的纤维，会在锚固在混凝土中和从混凝土中拔出之间提供一种平衡。换句话说，在混凝土结构在裂缝处完全分开时，大约一半横跨穿过裂缝的纤维可被拔出混凝土，而另一半横跨裂缝的纤维完全裂开。所以，本发明实例的纤维设计为具有特殊的物理尺寸，为达到将来的目的，该尺寸可以使分散性和韧性相结合。

制造本发明的纤维实例的方法包括：熔化挤出合成的聚合材料(例如聚丙烯、聚丙烯-聚乙烯共混物)，通过模具形成片材；冷却被挤出的聚合物片材(如使用冷却卷取的辊，使片材通过冷却浴，和/或使用冷却风扇)；切割片材成单个的纤维(如通过牵引片材穿过刀片或旋转刀)，由此得到一般四边形横截面外形(优选具有如上详细论述的所需要的平均宽度和厚度)；在纤维的纵向方向拉伸聚合物，达到倍数为至少10到20和更优选倍数为12-16。在拉伸和切割之后，单个纤维可以切割成具有20-100mm长度的单个纤维体。所以，本发明实例的单个纤维体具有延长体，包括一种或更多种合成聚合物，在纤维体(纵向取向)长度的方向具有取向(拉伸比率)至少10-20，优选12-16。

制造具有一般四边形横截面纤维的进一步实例的方法包括：挤出聚合物或聚合材料穿过一个四角、星状模孔，拉伸被挤出的纤维达到倍数为10-20(更优选倍数为12-16)，切割被拉伸的纤维到20-100mm长度。在另一个实例的实施方案中，挤出具有圆形或椭圆形的纤维，和仍在高温下，该纤维被引入辊(可任选被加热)之间压平纤维形成一般四边形形状(尽管在这种情况下较少的纤维表面会有轻微的凹或凸的形状出现)。

除了上面提到的纤维体实施方案之外，仍能有进一步实例的纤维实施方案。例如，单个纤维体可以具有各种厚度和/或宽度，沿着单个纤维体长度具有至少2.5％的偏差(更优选至少5.0％偏差)，以及从平均值(厚度和/或宽度)来说优选不超过25％的偏差。例如，在切割聚合物片材的时候，刀片可以前后移动以使长度在20-100mm范围内的单个纤维体，具有可以改变的纤维宽度。

在另一个实施方案中，单个纤维体可包括至少两种合成聚合物，所述至少两种合成聚合物中的一种含有沉积在纤维外表面上的碱性可溶聚合物，由此当所述纤维体混合进入湿混凝土混合料的碱性环境时，该聚合物可以溶解。作为选择，单个纤维体可以涂上一层碱性可溶聚合物。当溶解在的湿混凝土混合物的碱性环境中时，纤维的外表面会增加，用于硬化时增强与混凝土的结合作用。应用在本发明中的碱性可溶(高PH)聚合材料包括，例如不饱和的羧酸聚合物。

本发明的实例的纤维也可以是被一种或更多种在混凝土技术领域知道的混合物包裹，实例的混合物包括超增塑剂(superplastizicers)、减水剂、空气夹带剂、空气卸载剂(detrainers)、腐蚀抑制剂、固化加速剂、固化延缓剂、降低收缩掺合物、飘尘、火成二氧化硅、颜料或其混合物。可以选择一种或更多种掺合物，例如Valle等人的美国专利5203692，在此引入作为参考。可以用在混凝土工业中熟知的润湿剂或其他涂料材料涂布纤维。

本发明实例的纤维、基体组合物和方法的进一步特征和优点将用以下的实施例来说明。

实施例1

(现有技术)

对于在混凝土混合物中的弯曲度和分散性而言，对现有技术中具有椭圆形横截面的纤维进行测试。该椭圆形纤维长50mm，宽1.14mm，厚0.44mm和具有扬氏弹性模量4千兆帕斯卡。应用上述讨论的“弯曲度”公式，其中弯曲度“B”的计算如B＝1/(3·E·I)，椭圆的转动惯量“I”的计算按照公式，I_椭圆形＝Pi/64·a·b³，其中“a”是椭圆纤维(椭圆的长轴，即穿过中心最宽的尺寸)宽的一半，“b”是椭圆纤维厚的一半(椭圆的短轴，即穿过椭圆中心最薄的尺寸)。弯曲变位“B”计算出为17.5mN^-1*m^-2.该纤维被认为是“硬”纤维。需要30分钟将100磅这种椭圆形纤维加入到8立方码的混凝土中。该混凝土存放于即混卡车的滚筒中，并以每分钟15转的速度旋转(rpm)。会观察到过多的纤维球产生。椭圆形纤维没有分散在混凝土中。

实施例2

与实施例1中的现有技术椭圆形纤维作比较，使用具有一般四边形横截面的纤维。这种四边形纤维具有以下平均尺寸：长50mm，宽1.35mm，厚0.2mm和具有扬氏弹性模量9千兆帕斯卡。按照公式B＝1/(3·E·I)计算这些纤维的弯曲度“B”，其中矩形横截面的转动惯量“I”的计算按照公式，I_矩形＝1/12·w·t³，其中“w”是平均宽度，“t”是矩形的平均厚度。运用该公式，计算出弯曲度“B”为41.2mN^-1*m^-2。该纤维被认为是可弯曲的。当将100磅这种纤维加入到8立方码体的混凝土中时，该混凝土置于即混卡车的滚筒中，并以与实施例1相同的速度旋转，在5分钟内得到均匀的纤维分布。观察不到纤维球的产生。

实施例3

如果纤维和脆的混凝土基体之间充分的结合，纤维的机械性能本身会对混凝土中纤维的行为产生巨大影响。如果纤维与基体的粘结不是很牢固(例如当纤维增强的混凝土被分开，观察到主要的纤维失效原理是由于纤维拔出)，纤维性能对于复合材料的行为影响小。如上面所提到的，由于本发明者对于纤维的几何形状和尺寸范围创造性的选择，在基体材料(硬的)和纤维之间可以获得足够的粘结，理想地，一半纤维失效(断裂)和一半纤维拔出。所以，纤维的性能如弹力的弹性模量、抗张强度和最小荷载承载能力的选择可以尽可能接近在纤维拔出失败和纤维失效之间的理想的平衡比例50∶50。纤维的最好的机械性能很大程度上取决于基体的强度：较高强度的基体需要纤维具有较高的弹性模量，较高的抗张强度和较高的最小荷载承载能力。

作用在纤维本身的所有的机械测试在直接拉力下进行(例如纵向方向)，当埋入硬化混凝土中时，也会有纤维失效的模式。(用市售的机器进行该测试，该机器可以从已知的来源获得，如Instron或Material测试系统)。对于这些机械测试，通常用特殊的纤维纱线在长度为100mm的纤维细丝的两端加紧固定，不让纤维滑动。预先轻微拉伸纤维(用少于2牛顿的荷载来测量)。当纤维在一定的比率下被拉伸，载荷元件测量拉伸的荷载。一般荷载的比率范围从25mm/分钟到60mm/分钟。使用伸长计测量应变，该伸长计夹在样品上。应变的定义为用长度变化量除以初始长度(也称作标准长度)乘以100和以百分数来记录。初始测量标准设定为50mm。

图13表示不同的荷载对应具有不同横截面的纤维的应变曲线。编码1的纤维比编码2的纤维细。字母“A”、“B”、“C”涉及纤维的宽度：“A”代表最小宽度的纤维，而“C”代表最大宽度的纤维。所以，具有最小横截面宽度的纤维是纤维“1A”，而具有最大横截面宽度的纤维是纤维“2C”。

该实施例的曲线表明小横截面的纤维与较大横截面的纤维相比，具有低得多的最小荷载承载能力。单个纤维体所应具有最小的荷载承载能力，能使多根纤维累积提供的整个荷载承载能力超过当混凝土的基体材料被破坏时的拉伸应力(即破坏混凝土基体的应力范围一般大约在2到5兆帕斯卡)。本发明者认为，为了有效地传递应力和缩减单个纤维的数量，纤维的最小荷载承载能力(在拉伸时)是必要的。通过缩减纤维的数量，可以保持新混凝土的可使用性。

实施例4

图14表示上述实施例描述的纤维的拉伸应力对应变的曲线。“应力”定义为荷载除以纤维的横截面积。上升曲线的初始部分的斜率直接与纤维材料的弹性模量成比例。如上述所说，纤维的弹性模量应当优选尽可能接近基体材料的弹性模量，以便在基体中刚开始形成裂缝时立即传递拉伸的荷载跨过裂缝。另一方面，较高的弹性模量会减少纤维的弯曲度(即增加硬度)；本发明者发现这会减少纤维在湿混凝土中的分散性。为将纤维的高弹性模量对于弯曲度的反作用减至最小，发明者选择一般四边形横截面外形并选择较薄和较宽的纤维。

如图14所示的应力-应变曲线表明不同纤维样品的弹性模量和抗张强度大约是相同的(最大达到大约7％的应变)。但是，如图16所示，使用不同的横截面尺寸，对于在混凝土中不同的纤维样品的性能来说具有很深的影响。

实施例5

不同的纤维几何形状和不同的最小荷载承载能力对纤维增强混凝土的机械性能的影响可以通过裂缝实验来测定。在给定材料上操作的裂缝实验的基本原理是使样品(在纤维增强混凝土的情况下)受到以可控制的方式开始破裂的荷载，同时测量所加荷载和样品变形和最终的裂缝开口的大小。适合混凝土的实验是楔开裂实验，该实验基于修正的压缩-拉伸样品几何学。实验的准备在澳大利亚专利AT390328B(1986)和澳大利亚专利AT396997B(1996)中描述。

图15描述了一般的单轴楔开裂实验设备，该设备可以用来测量在混凝土上的荷载。开口立方体形状的混凝土样品放置在具有荷载传送设备的线性支撑物(很象有裂口的钝刀片)上，该设备放置在垂直延伸到试验混凝土样本上部的矩形凹槽中。荷载传递设备包括一个细楔(a)和两个带有完整的针状轴承的荷载传送片(b)。通过两个位于裂缝对面的电子位移传感器(线性可变差动式传感器或“LVDT”量表)测量裂缝开口的位移(CMOD)。两个LVDT(d)以相对简单方法安装在用螺钉与样品相连的CMOD测量设备(c)上。

裂缝开始在启始开口的底部形成，以稳定的方式从混凝土样品上部的启始开口处向样品下面的线性支撑物扩散。为获得荷载对位移的曲线，两个裂缝开口位移传感器CMOD1和CMOD2，和施加的荷载(向下穿过楔)，被同时记录。

为保持大约恒定速率的裂缝开口，在恒定的十字头速率为0.5mm/分钟到1.0mm/分钟的条件下，该速率取决于楔的角度，在刚性的测试设备下实施该测试。施加的设备荷载，F_M，垂直位移，δ_V，和裂缝开口位移，CMOD，在至少每秒钟同时记录下来。断裂能，G_F，需要加宽裂缝的能量的量度，由荷载位移曲线通过下列公式来测定：

$G_F=\frac{1}{B\·W}\·\underset{0}{\overset{\mathrm{CMOD}}{\∫}}{\stackrel{\max }{F}}_H\left(\mathrm{CMOD}\right)\·d\left(\mathrm{CMOD}\right)$

和

$\mathrm{CMOD}=\frac{1}{2}(\mathrm{CMOD}1+\mathrm{CMOD}2)$

其中“B”是韧带高度，“W”是韧带宽度(B乘W是裂缝表面的面积)，和“F_H”是水平的开裂荷载，其可以使用下面的公式计算：

$F_H=\frac{F_M+m_W\·9.81}{2\·\tan (\mathrm{\α}/2)}$

其中“FM”是施加的机器荷载，“m_w”是开裂楔的质量，和“α”是楔角。

作为初始开裂能量的量度，临界能量释放速率“G_Ic”的计算(采用平面应力)：

$G_{\mathrm{IC}}=\frac{K_{\mathrm{IC}}^2}{E}$

其中

K_Ic＝K·F_H，max

其中“K_Ic”是临界应力强度因子，其与最大开裂荷载“F_H，max”成比例。常数K取决于样品的几何形状并可以通过有限元的程序计算。

应力因子“K_I”可以用下列公式定义：

K_I＝K·F_H

其中“F_H”是在样品断裂期间测量的水平荷载。应力因子与样品的大小无关，其可以用来比较不同样品和材料的行为。

当裂缝开始形成以后，可以看到纤维对于复合材料的机械性能的作用。图16显示不同的纤维几何形状和纤维材料的应力对裂缝开口的行为。当断裂分开时，曲线下的面积越大，复合材料吸收的能量越多。这种现象称作材料的“韧化”。具有一定纤维用量的(体积百分比)材料的“韧性”越高，材料抗裂缝传播的能力越强。如果与其他纤维相比，较低的用量的纤维会取得相似的韧性，这种纤维被认为是更有效的增强纤维。

图16显示本发明扁平的基本上无原纤化的纤维，比具有相似尺寸(当开始埋入混凝土中时)和相似用量的有原纤化的纤维的性能更有效。图16也表明在小裂缝开口处，关于抗传播方面，扁平的PVA纤维(以高出25％的用量比使用)的性能比其他纤维稍好。但是，在较大的裂缝开口处，本发明的实施例的扁平纤维在抗高度变形方面明显胜过扁平的PVA纤维。

本发明进一步的实例的实施方案提供合成纤维和包含这种纤维的基体材料，当在基体材料例如混凝土中埋入这种纤维时，该材料特别适合于保持平滑的表面光度。在这方面，发明者认为纤维的弯曲度是保持平滑度的重要关键。当混凝土表面已被修整以后，不能足够弯曲的纤维又会有突然出现的倾向。

发明者认为易修整性是纤维的弯曲度和长度的函数。为获得相同程度的易修整性(其中纤维不从平滑混凝土表面突出出来)，较长的纤维比较短的纤维需要更大的弯曲度(即他们必须具有更高的弯曲度)。

例如，长40mm，厚0.105mm和宽1.4mm(具有扬氏模量9.5GPa)的纤维可以看到具有好的分散性和良好的易修整的特性。长40mm，厚0.14mm和宽1.4mm(具有扬氏模量9.5GPa)的纤维显示出可以接受的分散性(例如如上面所述，当每辆卡车以相同的方式加入更多的可弯曲的纤维时，会有少量的纤维球)，但是它不如上面提到的纤维平滑。当具有50mm长的相似的纤维加入到即混的混凝土卡车上时，尽管具有相同的弯曲度但是较多的纤维会从表面突出出来。

本发明者发现如刚才描述的实例的纤维在不同的耐压强度下具有良好的韧性。例如，0.5％或4.6kg/m³的纤维，可以得到R_e，3值超过50％的具有混凝土耐压强度范围在10和35MPa之间，该耐压强度适用于地板材料(依据ASTMC1018(1997)或JCI-SF 4在150×150×500mm³梁)。相关地，R_e，3值代表纤维增强混凝土样品的延展性因子(例如梁)，可以用平衡挠曲强度(在第一次裂缝之后测量，变位3mm，其中纤维跨接裂缝)除以梁的初始弯曲强度(首次裂缝强度)除的比率来计算。参见ASTM C1018(1997)。对于给定用量的纤维来说，R_e，3值取决于混凝土基体的强度，特别是强度大的混凝土(例如大于35MPa的范围)。为了得到好的易修整性和分散性，要保持合适的弯曲度时，增加纤维的横截面来增加抗拉力。通过增加宽度和减少厚度发明者达到了此目的。纤维长度也被调整到最大的R_e，3值。

发明者还发现，在干混的喷浆混凝土中，弯曲度较好的纤维相对于弯曲度较差的纤维具有较低的回弹值。换句话说，喷射材料的作用没有从喷射表面体现出来(即弹回)。

而且，发明者认为纤维的长度和弯曲度极大地影响混凝土板的易修整性。具有相同弯曲指数的长纤维并不具有与短纤维相同的易修整性(即平滑以后，他们倾向于从混凝土表面突然出现)。纤维“突然出现”的量直接与在纤维中储存的弹性能量的大小有关，通过修整的工人在平滑表面的移动打磨，将纤维推入到混凝土表面的下面或里面。需要将纤维推挤到混凝土表面的能量越大，纤维越有可能再次出现。考虑到这种关系，发明者意识到储存的弹性能量部分取决于通过埋置于混凝土材料中的纤维的抑制弯曲度的水平，部分取决于从混凝土表面伸出的纤维暴露的长度，部分决定于纤维的弯曲度。

所以，发明者猜测，平均起来，长纤维倾向于其长度中有较多的部分埋置于混凝土块中，由此在接近弯曲时提供较多的抑制。在修整加工期间，这种较多的抑制会增加储存在纤维中的弹性能量；反过来，倾向于增加从修整表面突出纤维的机率。但是，在具有相同弯曲度的较短纤维的情况下，平均来说，埋入的长度有可能较短，因此，在接近弯曲时，会被施加较少的抑制。所以，储存在较短的纤维中的弹性能量越低，就使得他们在混凝土表面可能产生纤维突出的情况较少。换句话说，较短的纤维倾向于在已修整的混凝土表面较容易地拔出和随着抹子或其他修整表面的设备移动，这被认为是由于较短纤维的较低的抑制使具有储存在纤维中的较少弹性弯曲能量的纤维躺下。

所以，为获得相似的易修整性，较长的纤维需要具有较大的弯曲度来使储存在纤维中弹性能量减至最小，否则，会倾向于使纤维从修整的混凝土表面伸出。

弹性模量，也称作扬氏模量，是关于线性弹性材料的应力和应变的常数。实际上，弹性模量是材料硬度的量度。弹性模量越大，材料越硬。弹性模量用化学组成决定。弹性模量可以每平方英寸的磅数(1b/in²)来表达，也可以用兆帕斯卡(MPa)。一个(1)MPa等于一个(1)牛顿/米²。

如图17所示，一般的应力-应变曲线可以用来解释材料的物理性能。如图17所示的数字(1)表示相应于材料的弹性性质的应力-应变曲线的斜率，指弹性模量。通过定义，如图17中数字(2)表示的比例极限代表应力-应变曲线的弹性行为是非线性的第一个点。这个点也可以被认为是弹性的极限，超过这个点，在移开荷载之后，由于可塑的应变，样品开始发生永久形变。

转动惯量代表物质旋转时抵抗变化的性能。对于具体形状的面积来说(例如矩形、椭圆形或圆形)转动惯量I可以用适当的公式计算：

其中“w”代表长度，“t”代表宽度(矩形的)，“a”代表椭圆的长轴，“b”代表椭圆的短轴，和“D”代表圆形的直径。

当施加外部荷载时，纤维的弯曲度可以用纤维抵抗形变的阻力来定义。如果需要较小的力来弯曲纤维达到一定程度，纤维需要较大的弯曲度。纤维的弯曲度是形状、横截面大小和弹性模量的函数。纤维的弯曲度“B”可以用公式计算：

$B=\frac{1}{3\·E\·I}$

用上述公式计算，具有宽度为1.2mm和厚度为0.38mm的椭圆形横截面，弹性模量为4GPa的纤维的弯曲度B为26.2毫牛^-1*^-2。这种纤维被认为是硬纤维。当这种纤维加入到即混的卡车(在30分钟内，圆筒以15rpm的速度旋转时，将100磅纤维加入到8立方码大小的混凝土荷载中)的混凝土中时，会观察到过多的“纤维球”和非常差的易修整性：纤维没有分散在混凝土中，而是纤维成束结在一起。

另一个实施例涉及长度为50mm，宽度为1.4mm和厚度为0.2mm，具有弹性模量为9GPa的扁平纤维。使用上述公式计算弯曲度B为39.7毫牛^-1*米^-2。该纤维被认为是有较好的弯曲性。当该纤维以如上述实施例中相同的方法在仅仅5分钟内将这些纤维加入到混凝土中，会观察到少量的纤维球。由于纤维较好的弯曲特性，可以获得贯穿混凝土混合物的均匀纤维分布。与前面的例子相比，易修整性得到改进，但是仍不能满足所用的领域。

另一个实施例涉及长度为40mm，宽度为1.4mm和厚度为0.105mm，具有弹性模量为9.5Gpa的扁平长纤维。使用上述公式计算弯曲度B为259.8毫牛^-1*米^-2。该纤维被认为是有高度弯曲性的。当该纤维以如上述实施例中相同的方法在仅仅5分钟内将这些纤维加入到混凝土中，不会观察到纤维球的出现。由于纤维高度的弯曲特性，可以获得贯穿混凝土混合物的均匀纤维分布。可以获得该纤维一贯优良的易修整性。

当具有弯曲度39.7毫牛^-1*米^-2的纤维A的易修整性与当具有弯曲度259.8毫牛^-1*米^-2的纤维B作比较时，会观察到下面的结果。当混凝土被修整以后，当动力泥铲推平表面以后，纤维A从混凝土表面突出出来(混凝土出现“鹅状肿块”)。另一方面，当含有纤维B的混凝土被施加相同的修整时，纤维保留在混凝土表面之中。储存在纤维中的弹性能量太小以至于不能从表面突出出来。当动力泥铲修整以后，一天之后检查混凝土板时，在混凝土表面基本上看不到纤维。

对于具有最好分散性的纤维，弯曲度要足够大以将纤维之间的应力传递减至最小。为达到此目的可以改变纤维的形状、大小或弹性模量。如果横截面的形状和大小保持不变，较小的弹性模量会增加纤维的弯曲度。对于聚丙烯纤维来说，弹性模量在3到20GPa范围内(为作对照，混凝土具有取决于使用的混合物配料比的弹性模量为20到30GPa)。在纤维增强混凝土的韧性方面，特别是在有小裂缝开口方面(达到1mm)，为改善硬化的性质，纤维的弹性模量优选应当至少等于或大于基体(混凝土)的弹性模量。如上述讨论过的，较高的弹性模量会减少弯曲度，这样对纤维的分散性具有负面的影响。为保持高度的弯曲性，必须改变纤维的形状和横截面积。断裂测试表明，为了能跨过混凝土的裂缝部分传递大量的应力，需要纤维在拉伸(不是最小的拉伸应力)的状态下具有最小的荷载承载能力。这也有助于缩减单位体积百分比的纤维的数量，这样对于纤维增强混凝土的实用性具有积极的作用。众所周知，因为在混凝土中的塑性收缩，通常不能将主要用于减少最小裂缝微纤维(具有20-60微米的直径)大量加入到混凝土中，这是由于每单位重量比率的纤维的数量极大。一般这种纤维的用量比率范围是从0.3kg/m³到1.8kg/m³(0.03vol.％到0.2vol.％)，该用量使纤维对于硬化的混凝土的性质不会产生重要影响。通常在混凝土中大量加入纤维来传递跨越裂缝的应力时，会对硬化混凝土产生影响(即增强)。

本发明实例的纤维被认为可以给能水合的粘结性材料的表面提供优良的易修整性，包括：限定在两个相对末端具有延长长度和包括至少一种合成聚合物的多根单个纤维体，当在待增强的基体材料中进行机械搅动时，单个纤维体基本没有应力断裂和基本上无原纤化，其中，在所述的多根单个纤维体中，所述纤维体的平均弯曲度为100-2500毫牛^-1*米^-2。优选高易修整性纤维也具有的典型性质：扬氏弹性模量4-20千兆帕斯卡，抗张强度400-1600兆帕斯卡。优选，当在待增强的基体材料中进行机械搅动时，单个纤维体基本上没有应力断裂和基本无原纤化，纤维体沿着所述延长长度，具有一般四边形横截面外形，由此具有宽度、厚度和长度尺寸，其中平均宽度1.0-5.0mm，平均厚度0.05-0.2mm，平均长度20-75mm；其中平均宽度优选超过平均厚度的倍数为5到50。

本发明实例的高易修整性纤维包括至少一种合成聚合物，该聚合物选自聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、聚(偏1，1-二氟乙烯)、聚(甲基戊烯)、聚(乙烯-三氟氯乙烯)、聚(氟乙烯)、聚(环氧乙烷)、聚(对苯二甲酸乙二酯)、聚(对苯二甲酸丁二醇酯)、聚酰胺、聚丁烯和热致的液晶聚合物。

实例的高易修整性纤维是其中平均弯曲度为150-2000毫牛^-1*米^-2的单个纤维体。特别优选的高易修整性的纤维是：当在待增强的基体材料中进行机械搅动时，基本上没有应力断裂和基本上无原纤化，沿着所述延长长度，具有一般四边形横截面外形，由此具有宽度、厚度和长度尺寸，其中平均宽度1.0-3.0mm，平均厚度0.05-0.15mm，平均长度20-60mm；其中平均宽度优选超过平均厚度的倍数为7到40。

本发明进一步优选高易修整性纤维包括：限定在两个相对末端具有延长长度和包括至少一种合成聚合物的多根单个纤维体，当在待增强的基体材料中进行机械搅动时，上述单个纤维体基本上没有应力断裂和基本上无原纤化，纤维体沿着所述延长长度具有一般四边形横截面外形，由此具有宽度、厚度和长度尺寸，其中平均宽度不少于1.0-3.0mm，平均厚度0.075-0.15mm，平均长度20-60mm，平均纤维宽度对厚度的比例为7到30，扬氏弹性模量4到20千兆帕斯卡，抗张强度400-1600兆帕斯卡，在拉伸模式下，最小荷载承载能力为20到1000牛顿/每纤维体，也优选具有平均平方面积对体积比率为10.5到42mm^-1的纤维体；也优选具有平均弯曲度为150-2500毫牛^-1*米^-2。

本发明也提供包括上述纤维的基体组合物。实例的基体组合物包括粘合剂、沥青、复合材料、塑料、弹性体、能水合的有粘结性的材料或其混合物。优选基体组合物是能水合的有粘结性的组合物(例如混凝土、湿混和干混喷浆混凝土、干砂浆、砂浆、水泥浆料)，和优选的纤维包括聚丙烯、聚乙烯或其混合物。优选地，能水合的有粘结性的组合物中纤维的体积含量为0.05％到2.0％。

本发明提供高易修整性的纤维和含有该纤维的有粘结性材料。当纤维埋入混凝土中时，混凝土优选具有耐压强度的范围为30-60MPa，其中平均R_e，3值为20-60％，和混凝土具有易修整性，其中埋入的纤维基本上不从上述混凝土中伸出(当用肉眼检查混凝土表面，从视觉上确认)。纤维体的平均弯曲度优选100-2500毫牛^-1*米^-2；平均宽度优选1.0-3.0mm，平均厚度优选0.075-0.15mm，平均长度优选20-60mm；纤维具有扬氏弹性模量为4到20千兆帕斯卡，纤维具有抗张强度400-1600。

本发明也可直接用于混凝土地面，特别是楼面地板，含有上述埋入的纤维。该埋入纤维的有粘结性的或混凝土板优选耐压强度为15-40MPa，平均R_e，3值为20-60％，和平滑度(其中埋入的纤维基本上不从混凝土中伸出)，纤维也具有平均弯曲度为100-2500毫牛^-1*米^-2，平均宽度1.0-4.0mm，平均厚度为0.050到0.15mm，平均长度为20-60mm，扬氏弹性模量为4到20千兆帕斯卡，优选抗张强度400-1600兆帕斯卡。

进一步实例的纤维具有扭曲的形状，例如以绳或链的方式扭曲，结果被切割成分离的片。

本发明不局限于上述作解释目的的实施例和附图。

Claims (16)

1.用于增强基体材料的纤维，包括：

具有限定在两个相对末端之间的延长长度和含有至少一种合成聚合物的多根单个纤维体，

当在待增强的基体材料中进行机械搅动时，所述的单个纤维体没有应力断裂和无原纤化，

沿着所述延长长度，所述纤维体通过以12-16倍的比率拉伸具有一般四边形横截面外形的单个纤维体制得，由此具有宽度、厚度和长度尺寸，

其中平均宽度是1.0mm-5.0mm；

其中平均厚度是0.1mm-0.3mm；

其中平均长度是20mm-100mm。

2.如权利要求1的纤维，其中所述纤维体具有扬氏弹性模量4千兆帕斯卡至20千兆帕斯卡。

3.如权利要求1的纤维，其中所述纤维体具有抗张强度400兆帕斯卡至1600兆帕斯卡。

4.如权利要求1的纤维，其中所述纤维体在拉伸模式下具有最小荷载承载能力20牛顿/纤维体至1000牛顿/纤维体。

5.如权利要求1的纤维，其中所述纤维体具有平均平方面积对体积的比率10.5mm^-1至42mm^-1。

6.如权利要求1的纤维，其中所述纤维体具有平均弯曲度“B”100mN¹*m^-2至2500mN¹*m^-2。

7.如权利要求1的纤维，其中所述纤维的平均弯曲度“B”依据下式测定，B＝1/(3·E·I)，其中E代表以千兆帕斯卡表示的扬氏弹性模量，并且四边形横截面的转动惯量“I”按照公式计算，I＝1/12·w·t³其中“w”是四边形横截面的平均宽度和“t”是平均厚度。

8.如权利要求1所述的纤维，其中所述单个纤维体是互相分离的。

9.如权利要求1所述的纤维，其中所述单个纤维体是部分互相分离的，但是当在混凝土组合物中进行机械搅动时，单个纤维体是完全分离的。

10.如权利要求1所述的纤维，其中所述纤维体包括不少于75％重量的聚丙烯和所述纤维体包括最大量达到100％的聚丙烯。

11.如权利要求1所述的纤维，其中所述纤维体包括至少两种聚合物或含有至少上述聚合物中的两种的共聚体的混合配料。

12.如权利要求1所述的纤维，其中所述纤维体包括聚丙烯和聚乙烯。

13.如权利要求1所述的纤维，其中所述纤维是埋入混凝土中的，所述混凝土具有耐压强度的范围是15到40MPa，其中平均R_e，3值在20％到60％之间，所述混凝土具有易修整性，由此所述被埋入的纤维不从所述混凝土中突出出来。

14.如权利要求1所述的纤维，其具有扭曲形状。

15.如权利要求1所述的纤维，其中其平均厚度不少于0.075mm，并不大于0.15mm。

16.一种含有水合的有粘结性的粘合剂和如权利要求1所述的纤维的粘结性组合物。

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