[发明专利]一种横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋及制备方法

说明书

一种横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋及制备方法，属于新型复合材料领域。微筋包括：短切单丝纤维、短切纤维束芯柱、粘结浸润剂、连续纤维和横向肋。其中，短切单丝纤维和连续纤维均为玄武岩纤维；短切纤维束芯柱由500‑1500根平行单丝纤维通过粘结浸润剂集束粘结、硬化、切断形成，横向肋由连续玄武岩纤维横向垂直缠绕纤维束芯柱形成。微筋具有高弹模，高抗拉强度，尤其是较高的截面刚度，可改善在混凝土搅拌过程中的结团现象，使微筋在基体中分布更加均匀；同时微筋表面的横向肋可提高微筋与混凝土基体的粘结强度与韧性；此外，微筋具有良好的耐腐蚀性，可改善混凝土的耐久性。

技术领域

本发明涉及一种横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋及制备方法，属于新型复合材料领域。

背景技术

在抵抗混凝土的裂缝时，玄武岩纤维与钢纤维具有不同的优势。

钢纤维具有较高的抗拉强度与弹模(强度1000N/mm²左右，弹模210GPa左右)；此外，波浪形或端部弯钩形的钢纤维与混凝土界面之间存在较好的粘结性能(图1)；但钢纤维存在锈蚀的问题，由于混凝土结构在正常使用阶段通常是带裂缝工作的，裂缝的出现加剧了钢纤维锈蚀引起的混凝土结构耐久性降低，尤其是沿海高温、高湿、高盐环境的共同作用将显著加剧混凝土裂缝处钢纤维的锈蚀与钢纤维混凝土结构耐久性的劣化。

玄武岩纤维具有高强(抗拉强度>3000N/mm²)、轻质(2.6-2.8g/cm³)、耐腐蚀等优点，但其作为短切单丝纤维(直径8-18μm)或短切集束纤维(由单丝集束粘结组成，长度30-50mm,宽度或直径0.2-0.4mm)在混凝土基体中使用时存在下列问题：

1)玄武岩短切单丝纤维，在混凝土基体中的主要作用是桥接并限制裂缝的扩展(见图1)，以提高混凝土开裂后的韧性；图2对比了目前常用的玄武岩纤维(单丝长度l＝30mm,直径d＝15μm，0.71亿根/kg,掺量5kg/m³)、结构型钢纤维(l＝35mm,d＝0.5mm，1.45万根/kg,掺量50kg/m³)，与素混凝土梁的荷载-裂缝扩展全曲线；不同纤维的掺量是基于新拌混凝土相似工作度的上限设定的；由图2可看出，由于传统玄武岩纤维较低的刚度(弹模80-100GPa)和每公斤极高的纤维根数(5千万-1亿根/kg)对新拌混凝土工作度的负面影响较大，搅拌时存在分散困难、易结团(图3a)，纤维掺量难以提高，对基体的增强增韧效果十分有限(图2)，主要作为非结构型纤维用以限制收缩裂缝，造成了材料性能的浪费。

2)玄武岩集束纤维与基体的粘结性能主要由纤维表面的摩擦力/剪应力τ提供(图4)；与玄武岩集束纤维相比，端部弯钩的钢纤维与混凝土基体的粘结性能除界面摩擦之外，主要取决于端部弯钩所受的斜向挤压力γ(图5)，脱粘后承载力继续上升；我们也曾模仿过钢纤维，对玄武岩集束纤维做端部弯起处理，但由于其较低的弹模及刚度，在受力过程中将很快被拉直。这也是玄武岩集束纤维对混凝土韧性影响远低于钢纤维的原因之一。

3)且作为玄武岩集束纤维使用时，粘结浸润剂主要聚集在纤维束外层，存在向内部纤维渗透不均且渗透深度较小的问题(图6a)，进而导致纤维受拉时，正截面拉应力分布不均匀(图7中虚线所示)。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可在力学性能上等效替代结构型钢纤维，但更耐腐蚀的横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋(见图6b、图8)，掺入混凝土基体中不易结团，且与基体间具有良好的粘结性能,可显著提高其在混凝土中的掺量，并改善混凝土的强度、韧性和耐久性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种横向肋增强玄武岩短切纤维束芯柱的微筋，包括短切单丝纤维1、短切纤维束芯柱2、粘结浸润剂3、连续纤维4和横向肋5。所述的短切纤维束芯柱2由短切单丝纤维1集束成型，其表面浸润粘结浸润剂3，由连续纤维4缠绕而成的横向肋5等间距设于短切纤维束芯柱2表面。