一种砼用聚合物合成纤维及其制备方法.pdf

一种砼用聚合物合成纤维及其制备方法，本发明的特点是以网状纤维和单丝纤维复合而成，二者混合的重量比分别为6－12％和88－94％。本发明中网状纤维和单丝纤维组成一种互补的复合加强筋纤维。网状纤维由于其直径细、截面呈矩形，在混凝土加强筋系统中，主要解决抗龟裂、抗渗、抗磨损；单丝纤维由于其直径粗、形状呈螺旋体，具有较强的握裹力，主要用于增强混凝土的抗压强度、抗冲击、抗折能力。网状纤维和单丝纤维在混凝土中的有机配合，形成了混凝土纤维加强系统。从而保证所制成的混凝土制品成为具有高品质、高性能、高技术的三高混凝土建筑工程。

1、  一种砼用聚合物合成纤维，其特征在于，是以网状纤维和单丝纤维复合而成，二者混合的重量比分别为6-12％和88-94％。

2、  根据权利要求1所述的纤维，其特征在于，所述的网状纤维是在长40-64mm、宽5mm-35mm的片状聚合材料上沿纤维纵向平行地切有若干切缝，使片状体成为有若干平行排列单纤维的集合体，片状体厚为0.05mm-0.1mm；所述的单丝纤维呈多根螺旋状集束，其单根截面直径为0.3mm-0.8mm、长度40-60mm。

3、  根据权利要求2所述的纤维，其特征在于，所述网状纤维的片状体上完整切缝长为9-15mm，横向间隔为0.6-1.0mm；所述单丝纤维螺旋状集束的直径为3mm-8mm，每束的螺旋度为320°-540°，每束的单丝纤维数量为30-50根。

4、  根据权利要求1-3所述的任一种纤维，其特征在于，所述的复合纤维采用可降解纸袋包装。

5、  根据权利要求4所述的纤维，其特征在于，所述的复合纤维使用时在混凝土中的掺量为1.8-4.5公斤/立方米。

6、  根据权利要求1所述砼用复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的复合纤维是以网状纤维与单丝纤维分别按6-12％和88-94％的重量比混合，再以可降解纸包装。

7、  根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的网状纤维的制备工艺包括有：挤塑、纤伸、纤化、定形、收丝、切割的步骤顺序。

8、  根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述单丝纤维的制备工艺包括有：挤塑成形、纤伸、定形、螺旋收丝、切割的步骤顺序。

9、  根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述网状纤维纤伸的纤伸比为5-10倍；切割采用盘式缠绕推压切割的方法。

10、  根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述单丝纤维纤伸的纤伸比为5-10倍；切割采用盘式旋转刀切割的方法。

一种砼用聚合物合成纤维及其制备方法
领域技术
本发明属于混凝土中加入加强筋的结构及制备方法的改进，涉及塑料制品技术领域。
技术背景
人们经过大量的研究证明，在混凝土中适量加入单丝纤维有助于抑制混凝土收缩龟裂，提高混凝土的坚韧性和延展性及抗渗性，加强混凝土的抗冲击和耐磨能力，防止混凝土钢筋的腐蚀，延长混凝土的使用寿命。最早使用的是钢丝纤维，后来又采用聚合物合成纤维。钢纤维作为混凝土加强筋，具有高强度、高弯曲弹性、高取向性等路用性能，但钢纤维与混凝土的粘附性能较差、握裹力较低，更重要的是耐腐蚀性差，加上金属的磨损系数小于混凝土，从而在路面磨损后使大量的钢丝纤维裸露(即凸尖现象)，对车轮的磨损非常有害；另外钢丝纤维的材料成本和运输成本比较昂贵，使其在混凝土中的应用受阻。聚合物合成纤维的出现，使纤维在混凝土的应用得到了极大地发展。网状纤维丝结构(中国专利：99256121.3)解决了聚合物纤维在混凝土搅拌时无法均匀分布的问题。单丝纤维丝结构(中国专利：01246987.4)克服了钢纤维锈蚀、粘附性差、搅拌工艺复杂等缺陷；已得到了广泛地应用。然而，聚合物合成纤维还不能完全替代钢纤维，如：混凝土的抗压强度、抗冲击力等一些钢性指标，仍然无法突破钢纤维的领导地位。所以，如何研发一种新型聚合物合成纤维既能全面拥有钢纤维的优点又具备聚合物纤维的优点，即取钢纤维之长、补钢纤维之短的砼用聚合物纤维是人们研究的焦点。
发明内容
本发明的目的是设计一种砼用的聚合物合成纤维，使其能够替代钢丝纤维用于砼，又具有聚合物纤维的优点。
本发明是按以下技术方案实现。一种砼用的聚合物合成纤维，本发明的特点是以网状纤维和单丝纤维复合而成，二者混合的重量比分别为6-12％和88-94％。本发明的特点还在于，所述的网状纤维是在长40-64mm、宽5mm-35mm的片状聚合材料上沿纤维纵向平行地切有若干切缝，使片状体成为有若干平行排列单 纤维的集合体，片状体厚为0.05mm-0.1mm；所述的单丝纤维呈多根螺旋状集束，其单根截面直径为0.3mm-0.8mm、长度40-60mm。本发明的特点还有，所述网状纤维的片状体上完整切缝长为9-15mm，横向间隔为0.6-1.0mm；所述单丝纤维螺旋状集束的直径为3mm-8mm，每束的螺旋度为320°-540°，每束的单丝纤维数量为30-50根。其中优化的螺旋度为360°-520°。
本发明所述的复合纤维在形成产品时，为网状纤维片状体与单丝纤维螺旋状集束按比例混合的整袋包装。这有利于在混合搅拌时，两种纤维能够被均匀分散再逐步分离，从而减少或阻止缠绕现象的发生。所述的复合纤维在商品形成时，采用可降解纸袋包装。这不仅利于运输和定量投料，更有利于避免缠绕现象发生，投放时无需打开包装袋，包装袋在搅拌时，将被撕拉成纤维丝。
本发明所述的复合纤维作为混凝土纤维加强筋的体积掺量，推荐值为1.8～4.5公斤/立方米。其掺量也是本申请的特征之一，因为掺量太小，起不到足够的加强作用，掺量太大，除成本过高外，其加强作用也不够明显。
按照本发明所述的复合纤维，当被投入混凝土搅拌机后，随着混凝土的搅拌，网状纤维的片状体和单丝纤维的螺旋状集束很容易被均匀分布，称为第一次分布；随着搅拌的进程，两种纤维受到水泥、砂石料的不断冲击，网状纤维被横向拉开，张开的网状纤维会被砂浆包裹，之后被撕拉成独立的纤维丝，均匀分布于混凝土中，单丝纤维螺旋状集束在搅拌中会被砂石浆打散成独立的单丝螺旋纤维，并以三维方式均匀分布于混凝土中，称为第二次分布。因此本发明的结构使其在制砼时具有两次分布的作用。
本发明设计的砼用复合纤维具有以下优点。
①网状纤维和单丝纤维组成一种互补的复合加强筋纤维。网状纤维由于其直径细、截面呈矩形，在混凝土加强筋系统中，主要解决抗龟裂、抗渗、抗磨损；单丝纤维由于其直径粗、形状呈螺旋体，具有较强的握裹力，主要用于增强混凝土的抗压强度、抗冲击、抗折能力。网状纤维和单丝纤维在混凝土中的有机配合，形成了混凝土纤维加强系统。从而保证所制成的混凝土制品成为具有高品质、高性能、高技术的三高混凝土建筑工程。
②网状纤维的矩形截面和非光滑表面，使其在混凝土中具有非常高的握裹力，在砼加强筋系统中，主要承担混凝土的微观加强，也称为次要加强。(如：混凝土收缩形成的裂缝等)。单丝纤维的粗直径、螺旋状，在砼加强筋系统中承担混凝土的宏观加强，即是加强筋地加强主体(如：混凝土受外力的冲击，重车轴压、重物撞击等)。
③在复合纤维加强筋中，网状纤维的纤维丝结构采用0.05-0.1mm厚的片状聚合物材料制作，完整切缝呈有规律地交错分布。而单丝纤维的结构是精心设计而成，除了在直径、长度有很大改进外，并以30～50根单丝拧成直径为3-8mm的束状体；分散后，独立单丝呈螺旋状结构；束状体主要解决纤维在混凝土中搅拌时的第一次均匀分布；螺旋状结构在混凝土中具有立体多维承受能力，比已有技术的单方向承受能力具有更优设计，而且完全拥有钢纤维的优点。因此它既能像钢纤维一样抵御强外力冲击，又具有聚合物纤维那样较高的弹性模量。
④所述的复合纤维在混凝土中的掺入，大大提高了混凝土的抗压强度、抗弯强度、抗冲击性，并降低了混凝土的剩余强度。在同等纤维体积掺量下，加入所述的复合纤维比加入钢纤维，混凝土的抗压强度提高11％，抗弯强度提高5％，抗冲击性提高50％，剩余强度降低了25％。因此可得出结论：采用本申请所设计的复合纤维加强筋，不仅可完全替代钢纤维，且在各项参数指标上还有较大提高。而且聚合物纤维具有体积轻、运输方便、使用非常简单、无需改变原混凝土混合料的设计，无需添加任何附属设备。是一种提高混凝土强度和结构增强的辅助措施，可防止先于混凝土初凝产生的塑性和沉降收缩裂缝，减少已硬化混凝土的收缩开缝，大大改善混凝土的抗冲击强度，提高抗弯、抗疲劳、抗渗性能，并能提高抗磨损能力及其韧性和耐久性。
本发明的另一目的就是改进复合纤维的制备方法，使所制备的砼用复合纤维更符合使用要求，并提高生产效率。
本发明所述的复合纤维材料可选用聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯晴等聚合物塑料来制作，适当添加防静电辅料，从而提高材料的易散指数和非静电产生，使纤维丝产品自身无静电吸附，这些在现有产品中已被采用。而对材料的要求只要满足规定的纤伸比和抗拉强度均可使用。本发明所述的复合纤维制备方法中各环节在塑料制品行业均为成熟技术，本发明的工作是将各生产环节的工艺加以组合，以提高生产效率，同时给出各环节工艺的要求，使制备的产品达到使用要求。有关砼用聚合物纤维的制备方法尚未见有报道。
本发明所述复合纤维制备方法的特征在于，所述的复合纤维是以网状纤维与单丝纤维分别按6-12％和88-94％的重量比混合，再以可降解纸包装。
本发明所述的网状纤维的制备工艺包括有：挤塑、纤伸、纤化、定形、收丝、切割的步骤顺序。其中挤塑是通过挤塑机将材料成形为带状(塑料布)；纤伸是将带状材料进行超薄拉拔的过程，本发明的纤伸比为5-10倍。由于聚合材料(塑料)经适当拉拔后，其分子结构重新排列，具有抗拉强度增加的特性；所以，本发明5-10倍的纤伸是保证纤维丝抗拉强度达到500-600MP的关键。本发明所述的纤化是在纤伸后的带状材料上，按本发明前述的规格要求切缝(切缝后的效果可参见附图1)；本发明的纤化装置是采用针排辊完成；在纤伸过的带状材料向前运动的过程中，针排辊按一定转速和深度旋转完成纤化的切缝过程；针排辊上的针排是差位排放，其相对宽度是纤化丝的平行宽度，针排辊的线性速度和深度与带状材料运行速度的差即可调整切缝长度。所述的定形是将纤化后的带状材料通过热恒温处理，使产品材料平展、不收缩、不变形，本发明采用恒温板完成定形。所述的收丝是将定形后的带状材料缠绕在丝锭上。所述的切割即是将丝锭上的带状材料放丝后，按本发明前述的规格要求切割成片段(片状体)；由于纤伸和纤化后的带状材料有较强的硬度，机械切割比较关键。切割速度慢则影响生产效率；切割速度太快，要么不能彻底切断、要么刀口发热使产品的切丝口粘结，在使用时不容易将纤维丝拉开。本发明推荐采用盘式缠绕推压切割的方法，即将放丝的带状材料缠绕于旋转的圆盘刀上，缠绕材料在受到外界的向心推压力时，则缠绕于内侧的材料被切断，圆盘刀上不断地缠绕，圆盘内侧不断地被切断，使切割连续化。
本发明所述单丝纤维的制备工艺包括有：挤塑成形、纤伸、定形、螺旋收丝、切割的步骤顺序。其中挤塑成形是通过挤塑机将材料成形为波纹带状，成形采用连接排孔模板(塑料制品行业亦称8字丝针孔模板)完成，由模板上针孔孔径和数量确定单丝纤维初始直径和总根数，且因模板上并行排列的若干针孔相互连接，所以挤塑成形的若干单丝纤维呈平行排列又相互连接的波纹带状，这种带状结构对后序工艺的连续完成非常有利。所述的纤维亦是将带状材料进行拉拔，其纤伸比为5-10倍。所述的定形是将纤伸后的带状材料通过热恒温处理，使产品材料性能稳定、不收缩、不变形，可以采用恒温板完成；但按照单丝纤维的几何形状特点及后序工艺的方便，采用筒状恒温定形更适宜。所述的螺旋收丝是将带状材料旋拧成绳状再缠绕于丝锭上；在带状材料旋拧时，各单丝纤维相互间的连接断开而成为独立单丝被旋拧成直径5-8mm的绳状。所述的切割即是将丝锭上的绳状材料放丝后，按本发明前述规格要求切割成绳头(多根单丝纤维呈螺旋状集束)。由于弹丝纤维呈多根螺旋状集束与网状纤维的片状体从几何形状和尺寸都不相同，且切割时具有同样的工艺要求，所以绳状材料的切割采用盘式旋转刀切割工艺较为适宜。
由上述可以看出，本发明的制备方法是一个连续的自动生产过程，生产效率高、产品规范、质量统一稳定，能满足使用的要求。
附图及其说明
附图1为本发明的网状纤维所呈片状体的结构示意图，附图2为图1中片状体被横向拉开形成网状结构的示意图，图中1为(聚合材料)片状体，2为切缝，3为(片状体被切割后形成的)网状纤维。
附图3为本发明的单丝纤维所呈螺旋状集束照片，附图4为图3中螺旋状集束被拆散后成独立的单丝纤维照片。
具体实施方式
由于本申请在前述中对技术方案的叙述较为详尽，故以下结合附图对技术方案的实施加以补充说明。
本发明所要求网状纤维与单丝纤维的复合比例，应在所述的范围内根据施工对象进行调整，一般来说，制备含有大骨料(石头)砂石浆铺设较厚的混凝土时，其中单丝纤维比例应大些；而制备含有小骨料砂浆铺设较薄的混凝土时，其中的网状纤维比例应大些。而网状纤维和单丝纤维的长度尺寸调整亦与此相同，混凝土厚时应长些，薄时则短些。
单丝纤维的形状是本申请的专有设计。图4示出了独立单丝纤维的形状。其螺旋度设计为，在规格长度内旋转320°～540°。旋转度的要求是保证成品在具有较强的抗压、抗折、抗冲击能力的同时具有很好的弹性模量。旋转度不够，丝的弹性模量度差；旋转度过大，丝的抗压、抗折、抗冲击性能减弱，同时纤维丝在混凝土搅拌时易缠绕结团，且产生打不开的现象。图3示出了单丝纤维的螺旋状集束。它的松紧度设计为60～80％，从而保证丝在混凝土搅拌时，既能完成(绳头的)第一次分布，同时又能很容易地被拆散，实现纤维丝的第二次分布。