[发明专利]一种螺旋形玄武岩微筋及制备方法

说明书

本发明提供一种螺旋形玄武岩微筋及制备方法，属于新型复合材料领域。该微筋包括玄武岩单丝纤维和耐碱浸润剂；将500～1500根平行的玄武岩单丝纤维通过耐碱浸润剂集束粘结后，依次经挤压成形、螺旋扭转、二次浸润、烘干硬化、切断后得到螺旋形玄武岩微筋。该微筋的制作工艺简单，截面刚度高，掺入混凝土中不易结团与脆断，可显著提高微筋在新拌混凝土中的掺量上限；微筋的螺旋形结构可改善其与混凝土之间的粘结性能，能够更加有效地桥接裂缝和限制裂缝扩展，从而显著改善混凝土的力学性能与耐久性；此外，微筋具有良好的耐碱、耐氯盐腐蚀性能，有利于提高混凝土的耐久性。

技术领域

本发明涉及一种螺旋形玄武岩微筋及制备方法，属于新型复合材料领域。

背景技术

玄武岩纤维具有抗拉强度高(3000MPa)、耐腐蚀性好、热稳定性好等优点。相比于玻璃纤维，玄武岩纤维更加绿色、环保；生产每千克玄武岩纤维所需的总能耗(13MJ)比玻璃纤维(24MJ)降低46％，且玄武岩纤维的耐碱性能较高，与耐碱玻璃纤维(14.5wt％ZrO₂)相当，更适合应用于混凝土基体的强碱性环境(pH12.5)中。相比于钢纤维，玄武岩纤维的抗氯离子侵蚀性能更为出色，作为增强材料应用于混凝土时，可避免类似钢纤维的锈蚀问题，保证玄武岩纤维在混凝土裂缝处具有良好的耐腐蚀性能，从而改善混凝土的耐久性与适用性。目前，短切玄武岩纤维主要有以下三种：单丝纤维、平直形微筋及带肋微筋；其中，平直形微筋与带肋微筋尚未投入工程应用。以上三种短切玄武岩纤维应用于混凝土时存在以下问题：

1)单丝纤维是目前应用于工程中的主要产品，其直径一般小于20μm，其较小的截面刚度及单位质量极高的纤维根数(表1)对新拌混凝土工作度的负面影响很大，极易引起纤维在混凝土中的结团现象(图1a)及混凝土含气量的明显上升，导致纤维掺量难以提高。因此，单丝纤维对混凝土的增韧效果甚微，主要以较低的掺量在混凝土中限制收缩裂缝。

表1玄武岩单丝纤维与螺旋形玄武岩微筋的物理及几何特征参数

2)平直形微筋与混凝土在脱粘前，二者的粘结性能主要取决于微筋与混凝土的化学和物理粘结力；在脱粘后，平直形微筋在混凝土中发生滑移，拔出荷载快速减小，粘结性能主要取决于摩擦力。平直形微筋的粘结-滑移曲线包围的面积较小(图2)，微筋的滑移耗能能力较弱，对混凝土的增韧效果较差。

3)带肋微筋的制作工艺较复杂；此外，横向肋在受力过程中可能与短切纤维束芯柱发生剥离，导致带肋微筋对混凝土的增韧效果下降。

发明内容

针对上述短切玄武岩纤维应用于混凝土中的不足，本发明旨在提供一种具有螺旋形结构的玄武岩微筋，如图4所示。该微筋的截面刚度较单丝纤维提高了近8.76×10⁵倍(表1)，掺入混凝土中不易结团与脆断，可显著提高微筋在混凝土中的掺量上限；与平直形微筋相比，该微筋与混凝土之间具有更好的粘结性能，如图2所示。因此，该微筋能够显著改善混凝土的力学性能与耐久性。此外，与带肋微筋相比，该微筋的制作工艺更为简单且成本较低。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种螺旋形玄武岩微筋，其横截面如图3所示，包括单丝纤维1和耐碱浸润剂5。所述的单丝纤维1为玄武岩单丝纤维；所述的耐碱浸润剂5采用改性耐碱环氧树脂、改性聚丙烯酸酯、改性聚醋酸乙烯酯等。将500～1500根平行的单丝纤维1通过耐碱浸润剂5集束粘结后，依次经挤压成形、螺旋扭转、二次浸润、烘干硬化、切断后得到螺旋形玄武岩微筋，其截面为矩形，长度为30～60mm、螺距为15～25mm；所述矩形的长宽比2～5、等效直径0.5～0.8mm。

一种螺旋形玄武岩微筋的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将500～1500根平行的单丝纤维1通过耐碱浸润剂5集束粘结，然后采用专用模具将纤维束挤压成矩形。