一种用于超高强度混凝土的钢纤维结构及混凝土结构
技术领域
本发明涉及一种钢纤维结构，尤其是涉及一种用于超高强度混凝土的钢纤维结构及混凝土结构。
背景技术
超高性能混凝土，简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete)，也称作活性粉末混凝土(RPC，Reactive Powder Concrete)，是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，实现工程材料性能的大跨越。
UHPC与普通混凝土或高性能混凝土不同的方面包括：不使用粗骨料，必须使用硅灰和纤维(钢纤维或复合有机纤维)，水泥用量较大，水胶比很低。UHPC堪称耐久性最好的工程材料，适当配筋的UHPC力学性能接近钢结构，同时UHPC具有优良的耐磨、抗爆性能。因此，UHPC特别适合用于大跨径桥梁、抗爆结构(军事工程、银行金库等)和薄壁结构，以及用在高磨蚀、高腐蚀环境。目前，UHPC已经在一些实际工程中应用，如大跨径人行天桥、公路铁路桥梁、薄壁筒仓、核废料罐、钢索锚固加强板、ATM机保护壳，等等。可以预计，还会有越来越多的应用。
UHPC钢纤维的抗拉强度目前可以达到1200-2000MPa，然而研究表明，目前UHPC钢纤维，当UHPC断裂失效时，钢纤维收到了负载只有400MPa左右，这导致使用量不得不达到4％wt才能满足要求，使得UHPC的成本远高于常规混凝土材料。而不能完全发辉钢纤维强度的主要原因在于水泥与钢纤维的结合强度较弱导致的纤维脱开。
CN2460635Y公开了一种扁头弓形混凝土钢钎维，其中间段平直，两头有弯钩，端部是扁头，构成弓形结构，本实用新型的弯钩变形抗力与扁头挤压混凝土的滑动阻力叠加在一起大大提高了“扁头弓形”钢钎维在混凝土中的锚固性，在强化混凝土的抗拉强度、弯拉强度(弯曲韧性)、抗冲击性等方面与现有产品相比具有显著的优点，从而可实现钢钎维混凝土应用的低掺量、高性能。扁头弓形混凝土钢钎维端部虽然构成与水泥的咬合结构，但其锚固性能不足，使其容易单端咬合失效，单端咬合失效后会使得扁头弓形混凝土钢钎维与水泥间产生相对的滑动，使得整体结构失效。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于超高强度混凝土的钢纤维结构及混凝土结构，其中扁头单元在钢纤维主体径向上超出的部分与超高强度混凝土(UHPC)中的水泥产生较强的咬合力，避免了在钢纤维结构在水泥中脱开分离，使得钢纤维结构能够发挥出其完全的抗拉强度。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明中用于超高强度混凝土的钢纤维结构，包括钢纤维主体，所述的钢纤维主体上分布有多处扁头单元，所述的扁头单元的铺开长度AA大于钢纤维主体的直径D，通过扁头单元在超高强度混凝土中的咬合力提升超高强度混凝土的断裂强度。
进一步地，所述的扁头单元由钢纤维主体冲压制备而成。即在生成扁头单元的目标位置进行冲压，使得钢纤维主体在该位置上被压扁，得到扁头单元。
进一步地，所述的扁头单元的厚度AZ＝10％D～60％D。经过软件模拟计算，处于该厚度范围内可实现充分的侧向伸展咬合，并实现提升超高强度混凝土的断裂强度的效果。厚度小于10％D会影响到得扁头单元的力学性能，使得钢纤维结构抗拉强度性能达不到1200-2000MPa，同时也会影响到超高强度混凝土的强度；若厚度大于60％D会使得侧向伸展咬合不充分，会使得纤维脱开的几率显著增加。
进一步地，所述的钢纤维主体与扁头单元之间设有圆弧过渡带。
进一步地，所述的圆弧过渡带的过渡圆弧半径R＝10％D～50％(D-AZ)。处于该范围内可以保证过渡区域的力学性能，实现平稳的过渡连接，不影响钢纤维结构整体的抗拉强度性能。
进一步地，所述的钢纤维主体为直线型结构。
进一步地，所述的钢纤维主体为折线型结构，包括多个直线段和折弯段，所述的折弯段的长度不大于单个直线段长度的30％。
进一步地，所述的直线段和折弯段之间所呈的锐角为40-80°。
进一步地，每个直线段上设有扁头单元。
本发明利用上述钢纤维结构获得超高强度混凝土结构，包括水泥主体和钢纤维结构。钢纤维结构，掺杂于水泥主体中，包括钢纤维主体，所述的钢纤维主体上分布有多处扁头单元，所述的扁头单元的铺开长度AA大于钢纤维主体的直径D，通过扁头单元在超高强度混凝土中的咬合力提升超高强度混凝土的断裂强度，所述的钢纤维主体为直线型结构或折线型结构。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明中扁头单元在钢纤维主体径向上超出的部分与超高强度混凝土(UHPC)中的水泥产生较强的咬合力，避免了在钢纤维结构在水泥中脱开分离，使得钢纤维结构能够发挥出其完全的抗拉强度，即由现有钢纤维可负载的400MPa增加至1200-2000MPa，使得钢纤维结构的性能可达到满载状态，显著地提升了超高强度混凝土的断裂强度，节省了钢纤维的用量。
2)本发明中对扁头单元的具体参数进行了优化计算，确定了扁头单元厚度AZ＝10％D～60％D，过渡圆弧半径R＝10％D～50％(D-AZ)，经过软件模拟计算，处于该厚度范围内可实现充分的侧向伸展咬合，并实现提升超高强度混凝土的断裂强度的效果；同时过渡圆弧半径的设计可以保证过渡区域的力学性能，实现平稳的过渡连接，不影响钢纤维结构整体的抗拉强度性能。
3)本发明设计了折线型结构的钢纤维主体，折线型结构的钢纤维主体在扁头单元于水泥咬合的基础上，额外的增加了钢纤维主体与水泥的咬合，构成了空间咬合结构，显著的提升了超高强度混凝土的断裂强度。
附图说明
图1为本发明中用于超高强度混凝土的钢纤维结构的示意图；
图2为对图1或图2中A附近结构的放大示意图；
图3为对图1或图2中A附近结构的剖面放大图；
图4为本发明中用于超高强度混凝土的钢纤维结构的另一种示意图。
图中：1、钢纤维主体，2、扁头单元，11、直线段，12、折弯段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例中用于超高强度混凝土的钢纤维结构，包括钢纤维主体1，钢纤维主体1上分布有多处扁头单元2，扁头单元2的铺开长度AA大于钢纤维主体1的直径D，通过扁头单元2在超高强度混凝土中的咬合力提升超高强度混凝土的断裂强度。
扁头单元2由钢纤维主体1冲压制备而成，即在生成扁头单元2的目标位置进行冲压，使得钢纤维主体1在该位置上被压扁，得到扁头单元2。扁头单元2的厚度AZ＝10％D～60％D。经过软件模拟计算，处于该厚度范围内可实现充分的侧向伸展咬合，并实现提升超高强度混凝土的断裂强度的效果。厚度小于10％D会影响到得扁头单元2的力学性能，使得钢纤维结构抗拉强度性能达不到1200-2000MPa，同时也会影响到超高强度混凝土的强度；若厚度大于60％D会使得侧向伸展咬合不充分，会使得纤维脱开的几率显著增加。
本实施例中的钢纤维主体1为直线型结构。丝径D＝0.2mm，长度16mm，设有5个扁头单元2，扁头单元2宽度AW＝1.5mm，扁头单元2厚度AZ＝0.1mm，过渡圆弧R＝0.05mm。扁头单元2宽度AW＝0.5～3mm，可根据扁头单元2数量、纤维长度和冲压工艺而定；扁头单元2铺开长度AA根据冲压变形的程度自然确定不作限定。钢纤维主体1与扁头单元2之间设有圆弧过渡带。圆弧过渡带的过渡圆弧半径R＝10％D～50％(D-AZ)。处于该范围内可以保证过渡区域的力学性能，实现平稳的过渡连接，不影响钢纤维结构整体的抗拉强度性能。
实施例2
本实施例中的钢纤维主体1为折线型结构。钢纤维主体1与扁头单元2之间设有圆弧过渡带。圆弧过渡带的过渡圆弧半径R＝10％D～50％(D-AZ)。处于该范围内可以保证过渡区域的力学性能，实现平稳的过渡连接，不影响钢纤维结构整体的抗拉强度性能。
本实施例中钢纤维主体1的包括多个直线段11和折弯段12，参见图4，折弯段12的长度不大于单个直线段11长度的30％。直线段11和折弯段12之间所呈的锐角为40～80°。钢纤维主体1直线方向长度10～20mm，该设计中在每个直线段11可设有2～4个扁头单元2，而折弯段12可设置0～2个扁头单元2，扁头单元2宽度AW＝0.5-3mm，可根据扁头单元2数量、纤维长度和冲压工艺而定。扁头单元2铺开长度AA根据冲压变形的程度自然确定不作限定。局部放大和剖面放大图分别如图2和图3所示。图2中，扁头宽度AW＝0.5-3mm，可根据扁头数量、纤维长度和冲压工艺而定；扁头铺开长度AA根据冲压变形的程度自然确定不作限定。折线型结构的钢纤维主体1在扁头单元2于水泥咬合的基础上，额外的增加了钢纤维主体1与水泥的咬合，构成了空间咬合结构，显著的提升了超高强度混凝土的断裂强度。
实施例3
将实施例1、实施例2中的直线型钢纤维结构和实施例中的折线型钢纤维结构获得超高强度混凝土结构，包括水泥主体和钢纤维结构。钢纤维结构掺杂于水泥主体中，包括钢纤维主体1，钢纤维主体1上分布有多处扁头单元2，所述的扁头单元2的铺开长度AA大于钢纤维主体1的直径D，通过扁头单元2在超高强度混凝土中的咬合力提升超高强度混凝土的断裂强度。
具体模拟实验时，直线型钢纤维结构压缩失效时，UHPC钢纤维最大承力达到了650MPa，因而可减少用量20-40％。折线型纤维结构压缩失效时，UHPC钢纤维最大承力达到了900MPa，因而可减少用量35-55％。可见折线型纤维结构与水泥的咬合力更强，增强效果更加显著。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
