用于强化混凝土或砂浆强化的且具有带有至少三个直部分的锚固端的钢纤维

摘要

本发明涉及一种用于强化混凝土或砂浆的钢纤维。所述钢纤维包括中间部分和位于所述中间部分的一个端部或两个端部处的锚固端。所述中间部分具有主轴线。所述锚固端至少包括第一直部分、第一弯曲部分、第二直部分、第二弯曲部分和第三直部分。第一直部分和第三直部分沿着相同的方向弯曲离开中间部分的主轴线。第二直部分与所述中间部分的主轴线基本上平行。本发明还涉及用根据本发明的钢纤维强化的混凝土结构，以及这些钢纤维在混凝土承载结构中的用途。

说明书

技术领域

本发明涉及设有锚固端的用于强化混凝土或砂浆的钢纤维，从而 在嵌入在混凝土或砂浆中时能够获得良好的锚固。钢纤维具有带有至 少两个弯曲部的锚固端。根据本发明的钢纤维在嵌入在混凝土或砂浆 中时在使用极限状态(SLS)以及最大极限状态(ULS)显示出良好的性 能。

本发明还涉及包括这种钢纤维的混凝土或砂浆结构。

背景技术

混凝土为拉伸强度较低并且应变能力较低的脆性材料。为了改善 混凝土的性能例如拉伸强度和应变能力，已经开发出纤维强化混凝土 并且更具体地说金属纤维强化混凝土。

在本领域中已知的是，纤维的性能例如纤维密集度、纤维几何形 状和纤维纵横比影响了强化混凝土的性能。

对于纤维几何形状而言，已知的是，其形状不是直形状的纤维使 得纤维更好的锚固在混凝土或砂浆中。

还已知的是，在加入到混凝土或砂浆中或者与之混合时没有显示 出形成球的趋势的纤维是优选的。在本领域已知有许多不同纤维几何 形状的示例。例如，有在整个长度或其部分长度上设有起伏部的纤维。 在WO84/02732中描述了在其整个长度上起伏的钢纤维的示例。具有 钩形端部的纤维在本领域也是已知的。例如在US3,942,955中描述了 这些纤维。

同样，还有其横截面形状在长度上变化的纤维，例如设有加厚部 和/或压平部的纤维。

设有加厚部的钢纤维的示例为如在US4,883,713中所述的在每个 末端处具有以钉头形式的加厚部的钢纤维。

日本专利6-294017描述了将钢纤维在其整个长度上压平。德国实 用新型G9207598描述了只是将具有钩形端部的钢纤维的中部压平。 US4,233,364描述了设有压平的的端部并且在与压平端部基本上垂直 的平面中具有凸缘的直钢纤维。

从EP851957和EP1282751中描述了具有压平钩形端部的钢纤维。

用于混凝土强化的当前已知的现有技术纤维在已知应用领域例如 工业地板、喷射混凝土、铺砌层…中非常有用。

但是，当前已知的现有技术纤维的缺点在于在使用低或中度剂量 的纤维时在最大极限状态(ULS)下的性能相对较低。对于要求更高的 结构用途例如梁和高架混凝土路面而言，采用高剂量例如 0.5vol%(40kg/m³)以上并且不超过1.5vol%(120kg/m³)来在ULS下提 供必要的性能。这些高剂量不便于钢纤维强化混凝土的混合和设置。

一些现有技术纤维在ULS下不起作用，因为它们在低于ULS所 需的裂缝口张开位移下断裂。其他纤维例如具有钩形端部的纤维在 ULS下不能很好起作用，因为它们设计为被拉出。

发明内容

本发明的目的在于提供用于混凝土或砂浆强化的钢纤维，从而避 免了现有技术的缺陷。

另一个目的在于提供能够在根据欧洲标准EN 14651(2005年6月) 进行三点弯曲试验期间能够桥接大于0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、 2.5mm或甚至大于3mm的裂缝口张开位移的钢纤维。

本发明的另一个目的在于提供在混凝土或砂浆中显示出良好的锚 固的钢纤维。

另一个目的在于提供在混合在混凝土或砂浆中时没有显示出形成 球的趋势的钢纤维。

另外，本发明的目的在于提供优选用于结构用途的钢纤维，由此 钢纤维以较低或中度剂量通常为1vol%的钢纤维或0.5vol%的钢纤维 使用。

另外，另一个目的在于提供能够降低或避免用这些纤维强化的带 裂缝混凝土在拉伸区域中出现蠕变行为的钢纤维。

根据本发明的第一方面，提供了用于强化混凝土或砂浆的钢纤维。

该钢纤维包括中间部分和位于中间部分的一个端部或两个端部处 的锚固端。所述中间部分具有主轴线。所述锚固端至少包括第一、第 二和第三直部分。每个直部分具有分别具有主轴线，即第一直部分的 主轴线、第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线。

第一直部分通过第一弯曲部分与中间部分连接，第二直部分通过 第二弯曲部分与第一直部分连接，第三直部分通过第三弯曲部分与第 二直部分连接。

这意味着，第一直部分通过第一弯曲部分弯曲离开中间部分，第 二直部分通过第二弯曲部分弯曲离开第一直部分，并且第三直部分通 过第三弯曲部分弯曲离开第二直部分。

第一直部分弯曲离开中间部分的主轴线，由此限定了在中间部分 的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角。

第二直部分与中间部分的主轴线基本上平行。

第三直部分沿着与第一直部分弯曲离开中间部分的主轴线的方向 相同的方向弯曲离开中间部分的主轴线，从而限定了在第二直部分的 主轴线和所述第三直部分的主轴线之间的夹角。

在中间部分的主轴线和所述第一直部分的主轴线之间的夹角优选 为100至160度。在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间 的夹角优选为100至160度。

如上所述，第二直部分与中间部分的主轴线基本上平行。“基本上 平行”指的是，与平行位置会有一些偏差。但是，如果有偏差，则该偏 差较小或是意外的。小偏差指的是，与平行位置的偏差小于15度，更 优选小于10度。

具有共同顶点的两个直部分限定了两个角度。这两个角度的总和 等于360度。对于本发明而言，由具有共同顶点的两个直部分限定的 这两个角度中的最小一个被称为“夹角”。

这意味着，在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹 角限定为由中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线形成的角度。同 样，在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角由第二 直部分的主轴线和第三直部分的主轴线形成。

如上所述，在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹 角优选为100至160度。这意味着，与在中间部分的主轴线和第一直 部分的主轴线之间的夹角互补的角度为20至80度。

如果在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角大于 160度(或者该夹角的补角低于20度)，则在混凝土或砂浆中的锚固性 有限，并且在SLS和ULS中的性能较差。这种纤维显示出被拉出的 趋势。如果在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角低 于100度(或者该夹角的补角大于80度)，则这些纤维凝结，并且不会 在混凝土或砂浆中均匀混合。

更优选的是，在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的 夹角为110至160度(因此补角为20至70度)，例如为120至160度(因 此补角为20至60度)，例如为150度(因此补角为30度)或140度(因 此补角为40度)。

同样，在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角 优选为100至160度。这意味着，与在第二直部分和第一直部分的主 轴线之间的夹角互补的角度为20至80度。如果在第二直部分的主轴 线和第三直部分的主轴线之间的夹角大于160度(或者该夹角的补角 低于20度)，则在混凝土或砂浆中的锚固性有限，并且在SLS和ULS 中的性能较差。这种纤维显示出被拉出的趋势。

如果在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角低 于100度(或者该夹角的补角大于80度)，则这些纤维凝结，并且不会 在混凝土或砂浆中均匀混合。

更优选的是，在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间 的夹角为110至160度(因此补角为20至70度)，例如为120至160 度(因此补角为20至60度)，例如为150度(因此补角为30度)或140 度(因此补角为40度)。

在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角和在第二 直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角可以相等或不同。

在具体实施方案中，在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线 之间的夹角和在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹 角相等或基本上相等。在该具体实施方案中，第一直部分的主轴线和 第三部分的主轴线平行或基本上平行。

在本发明的优选实施方案中，锚固端还包括第四直部分。该第四 直部分通过第四弯曲部分与第三直部分连接。这意味着，第四直部分 通过第四弯曲部分弯曲离开第三直部分。

优选的是，但不是必要的是，第四直部分与中间部分的主轴线和 第二直部分的主轴线平行。

具有四个直部分并且其中第二和第四直部分与中间部分的主轴线 平行的钢纤维在埋入在混凝土或砂浆中时在SLS和ULS中表现出非 常好的性能。

在可选实施方案中，第二直部分具有与钢纤维的中间部分的主轴 线基本上平行的主轴线，并且第四直部分与钢纤维的中间部分的主轴 线不平行。在该情况下，在第四直部分和中间部分的主轴线之间的角 度为-60至+60度之间，例如在-45至+45度之间，或者在-30至+30度 之间。

根据本发明的钢纤维的锚固端具有至少三个直部分。

原则上对于锚固端的直部分数量没有任何限制。但是，最优选的 实施方案包括具有三个直部分、四个直部分、五个直部分或六个直部 分的锚固端。在这些实施方案中的每一个中，在每两个连续的直部分 之间设有弯曲部分。令人惊讶的是，已经发现，具有三个直部分和四 个直部分的锚固端在埋入在混凝土或砂浆中时在拉出试验和三点弯曲 试验中都表现出最佳的性能。

直部分例如第一、第二、第三和/或第四直部分优选其长度为 0.1mm至8mm，更优选为0.1mm至5mm，例如为0.5mm或2mm。

不同直部分的长度可以相互独立的选择。这意味着，不同直部分 可以具有相同的长度或不同的长度。

在优选实施方案中，不同直部分的长度是相等的。

实施例包括具有第一、第二、第三和第四直部分的钢纤维，所有 直部分的长度为2mm。

可选实施例包括长度为0.5mm的第一直部分、长度为2mm的第 二直部分、长度为0.5mm的第三直部分和长度为2mm的第四直部分。

第一弯曲部分具有第一曲率半径，第二弯曲部分具有第二曲率半 径，第三弯曲部分具有第三曲率半径，第四弯曲部分(如果有的话)具 有第四曲率半径。

这些弯曲部分的曲率半径优选为0.1mm至5mm，例如为0.5mm 至3mm，例如为1mm、1.2mm或2mm。

钢纤维的不同弯曲部分的曲率半径可以相互独立的选择。这意味 着，第一弯曲部分、第二弯曲部分、第三弯曲部分和第四弯曲部分(如 果有的话)的曲率半径可以相同或可以不同。

根据本发明的钢纤维可以在中间部分的一个端部处设有一个锚固 端。优选的是，钢纤维在钢纤维的两个端部处设有锚固端。在钢纤维 在中间部分的两端处设有锚固端的情况下，这两个锚固端可以是相同 的或者可以是不同的。

对于在中间部分的两端处具有锚固端的钢纤维而言，两个锚固端 沿着相同的方向弯曲离开(偏离)钢纤维的中间部分的主轴线(对称钢纤 维)。

可选的是，一个锚固端可以沿着一个方向弯曲离开(偏离)所述钢 纤维的中间部分的主轴线，而所述另一个锚固端沿着相反的方向弯曲 离开(偏离)所述钢纤维的中间部分的主轴线(不对称钢纤维)。

对于根据本发明的钢纤维而言，所述中间部分和所述锚固端优选 位于一个平面中或者基本上位于一个平面中。

如有的话，所述另一个锚固端可以位于相同的平面中或者位于另 一个平面中。

根据本发明的钢纤维的优点在于，它们在与混凝土或砂浆混合时 不会混凝。这导致钢纤维在混凝土或砂浆上均匀的分布。

当以中度或较低剂量即以小于1vol%或小于0.5vol%例如 0.25vol%的剂量使用时，根据本发明的钢纤维在混凝土或砂浆结构的 使用极限状态(SLS)下以及在最大极限状态(ULS)下都特别有用。

在本领域已知的是，提高在混凝土中的纤维量对纤维强化混凝土 的性能有积极影响。本发明的巨大优点在于，在钢纤维的剂量中度或 较低的情况下在SLS和ULS下获得良好的性能。

对于本发明而言，用于评估在钢纤维强化混凝土的ULS和SLS 中的性能的材料性能为残余弯曲拉伸强度f_R,i。从在预定的裂缝口张开 位移(CMOD)或跨距中点弯曲(δ_R)处的负载中推导出残余弯曲拉伸强 度。

通过根据欧洲标准EN 14651(在本申请中进一步描述的)进行的三 点弯曲试验来确定残余弯曲拉伸强度。

在CMOD₁=0.5mm(δ_R,1=0.46mm)下确定出残余弯曲拉伸强度f_R,1， 在CMOD₂=1.5mm（δ_R,2=1.32mm）下确定出残余弯曲拉伸强度f_R,2， 在CMOD₃=2.5mm（δ_R,3=2.17mm）确定出残余弯曲拉伸强度f_R,3，并 且在CMOD₄=3.5mm（δ_R,4=3.02mm）确定出残余弯曲拉伸强度f_R,4。

残余弯曲拉伸强度f_R,1为SLS设计的关键要求。

残余弯曲拉伸强度f_R,3为ULS设计的关键要求。

对于根据本发明的钢纤维而言，与现有技术的钢纤维相反，即使 在采用较低或中度剂量的钢纤维例如低于1vol%的剂量或低于 0.5vol%的剂量例如0.25vol%的剂量时，在残余弯曲拉伸强度f_R,3和残 余弯曲拉伸强度f_R,1之间的比值(f_R,3/f_R,1)也较高。

对于根据本发明的纤维而言，在采用低于1vol%或低于0.5vol% 例如0.25vol%的剂量时，f_R,3/f_R,1优选大于1，并且更优选大于1.05或 大于1.15，例如为1.2或1.3。

对于用剂量为0.5vol%的根据本发明的钢纤维强化的混凝土而 言，采用C35/45混凝土的残余弯曲拉伸强度f_R,3大于3.5MPa，优选 大于5MPa，更优选大于6MPa，例如为7MPa。

现有技术的纤维例如由低碳钢制成的具有锥形端部(钉头)的钢纤 维很好的将宽度或增长限制于大于0.5mm(SLS)。但是，这些纤维在 ULS下性能较低。这种钢纤维在低于ULS所要求的裂缝口张开位移 下断裂。

比值f_R,3/f_R,1对于在正常强度混凝土例如C35/45混凝土中的中剂 量而言低于1。

本领域已知的其他纤维为具有钩形端部例如从EP851957中所知 的设计成拉出的钩形端部的纤维。

对于这种纤维而言，比值f_R,3/f_R,1对于在正常强度混凝土中的适中 剂量而言低于1。

最大负载能力F_m-拉伸强度R_m

根据本发明的钢纤维即根据本发明的钢纤维的中间部分具有较高 的最大负载能力F_m。最大负载能力F_m为钢纤维在拉伸试验期间所承 受的最大负载。

中间部分的最大负载能力F_m与中间部分的拉伸强度R_m直接相 关，因为拉伸强度R_m为最大负载能力F_m除以钢纤维的初始横截面积。

对于根据本发明的钢纤维而言，钢纤维的中间部分的拉伸强度优 选大于1000MPa，并且更优选大于1400MPa，例如大于1500MPa， 例如大于1750MPa，例如大于2000MPa，例如大于2500MPa。

根据本发明的钢纤维的高拉伸强度使得钢纤维能够承受高负载。

更高的拉伸强度因此直接导致纤维的剂量更低。但是采用高拉伸 强度的钢纤维只有在钢纤维在混凝土中表现出好的锚固性的情况下才 有意义。

在最大负载下的延伸率

根据优选实施方案，根据本发明的钢纤维，更具体地说根据本发 明的钢纤维的中间部分具有至少为2.5%的最大负载下的延伸率A_g+e。

根据本发明的具体实施方案，钢纤维的中间部分在最大负载下的 延伸率A_g+e大于2.75%，大于3.0%，大于3.25%，大于3.5%，大于 3.75%，大于4.0%，大于4.25%，大于4.5%，大于4.75%，大于5.0%， 大于5.25%，大于5.5%，大于5.75%，或者甚至大于6.0%。

在本发明的上下文中，在最大负载下的延伸率A_g+e而不是在断裂 下的延伸率A_t用来表征钢纤维，更具体地说钢纤维的中间部分的延伸 率。

这样的原因在于，一旦已经达到最大负载，则钢纤维的可用表面 收缩开始，并且不会承受更高的负载。

在最大负载下的延伸率A_g+e为在最大负载下的塑性延伸率A_g和 弹性延伸率的总和。

在最大负载下的延伸率不包括由于钢纤维中间部分的波形特征 (如果有的话)而导致的结构延伸率A_s。在波形钢纤维的情况下，在测 量A_g+e之前首先将钢纤维拉直。

在最大负载下的这个高度延伸率A_g+e可以通过向制作这些钢纤维 的钢丝施加特定的应力消除处理例如热处理来获得。在该情况下，至 少钢纤维的中间部分处于应力消除状态中。

在最大负载下具有高延展性或高延伸率的钢纤维是优选的，这些 纤维在根据EN 14651进行的三点弯曲试验中在大于0.5mm、大于 1.5mm、大于2.5mm或大于3.5mm的CMOD’s处将不会断裂。

锚固力

优选的是，根据本发明的钢纤维在混凝土或砂浆中具有高锚固度。

通过根据本发明为钢纤维的中间部分设置锚固端，从而明显改善 了钢纤维在混凝土或砂浆中的锚固度。

高度锚固性将避免纤维拉出。

与在最大强度下的高延伸率结合的高度锚固性将避免纤维拉出， 避免纤维失效，并且将避免混凝土在拉伸中脆裂失效。

与高拉伸强度结合的高锚固度使得在出现裂纹之后拉伸强度得到 更好的使用。

根据本发明的钢纤维例如具有至少1000MPa以上的拉伸强度R_m以及至少1.5%的在最大负载下的延伸率A_g+e，至少1000MPa的拉伸 强度R_m以及至少2.5%的在最大负载下的延伸率A_g+e，至少1000MPa 的拉伸强度R_m以及至少4%的在最大负载下的延伸率A_g+e。

在优选实施方案中，钢纤维具有至少1500MPa的拉伸强度R_m以 及至少1.5%的在最大负载下的延伸率A_g+e，至少1500MPa的拉伸强 度R_m以及至少2.5%的在最大负载下的延伸率A_g+e，至少1500MPa 的拉伸强度R_m以及至少4%的在最大负载下的延伸率A_g+e。

在其他优选实施方案中，钢纤维具有至少2000MPa的拉伸强度 R_m以及至少1.5%的在最大负载下的延伸率A_g+e，至少2000MPa的拉 伸强度R_m以及至少2.5%的在最大负载下的延伸率A_g+e，至少 2000MPa的拉伸强度R_m以及至少4%的在最大负载下的延伸率A_g+e。

具有高拉伸强度Rm的纤维可以承受高负载。其特征在于在最大 负载下的延伸率A_g+e较高的纤维在根据EN 14651进行的三点弯曲试 验中在大于0.5mm、大于1.5mm、大于2.5mm或大于3mm的CMOD’s 处将不会断裂。

钢纤维的中间部分可以是直的或直线的，或者可以为波形的或波 状的。优选的是，钢纤维的中间部分是直的或直线的。在中间部分为 波形或波状的情况下，中间部分的主轴线限定为按照这样一种方式横 穿波形或波状中间部分的直线，从而在该直线上方的波形部分或波状 部分的总面积与在该直线下方的波形部分或波状部分的总面积相同。

钢纤维更具体地说中间部分可以具有任意横截面例如圆形横截 面、基本上为圆形的横截面、矩形横截面、基本上为矩形的横截面、 椭圆形横截面、基本上为椭圆形的横截面…。

钢纤维更具体地说钢纤维的中间部分通常其直径D为0.10mm至 1.20mm，例如0.5mm至1mm，更具体地说为0.7mm或0.9mm。在 钢纤维更具体地说钢纤维的中间部分的横截面不是圆形的情况下，该 直径等于具有与钢纤维的中间部分的横截面相同的表面积的圆圈的直 径。

钢纤维更具体地说钢纤维的中间部分通常其长度与直径比L/D为 40至100。

钢纤维的长度例如为50mm、55mm、60mm或65mm。

钢纤维的长度指的是钢纤维的总长度即中间部分的长度和锚固端 的长度的总和。

中间部分优选其长度大于25mm，例如大于30mm，大于40mm 或大于45mm。

钢纤维或钢纤维的一部分可以压平或可以设有一个或多个压平部 分。例如中间部分即中间部分的一部分、锚固端或锚固端的一部分可 以压平或可以设有一个或多个压平部分。还可以考虑它们的组合。如 果中间部分设有一个或多个压平部分，则这些压平部分优选靠近但不 是紧挨着锚固端设置。

根据第二方面，提供了包括用根据本发明的钢纤维强化的混凝土 结构的强化混凝土结构。强化混凝土结构可以用或可以不用除了根据 本发明的钢纤维之外的传统强化件强化(例如预应力或拉伸后强化 件)。

对于用根据本发明的钢纤维强化的强化混凝土结构而言，残余弯 曲拉伸强度f_R,3/残余弯曲拉伸强度f_R,1(f_R.3/f_R,1)的比值优选大于1，但 是更优选大于1.05，大于1.15，或者大于1.2，例如为1.3。在采用低 剂量钢纤维例如低于1vol%的剂量或低于0.5vol%的剂量或甚至为 0.25vol%的剂量时，到达该比值。

采用根据本发明的钢纤维的强化混凝土结构的残余弯曲拉伸强度 f_R,3优选大于3.5MPa，更优选残余弯曲拉伸强度f_R,3大于4.5MPa，大 于5MPa或者甚至大于6MPa。

用根据本发明的纤维强化的混凝土结构在ULS下的平均后断裂 残余强度超过3MPa，例如大于4MPa，例如大于5MPa、6MPa、7MPa、 7.5MPa。通过采用根据本发明的钢纤维，优选强化混凝土结构采用 C35/45混凝土并且采用小于1vol%或甚至小于0.5vol%的剂量在ULS 下的平均后断裂残余强度超过3MPa或超过4MPa。

根据本发明的钢纤维，优选强化混凝土结构采用C35/45混凝土并 且采用小于1vol%或甚至小于0.5vol%的剂量在ULS下的平均后断裂 残余强度超过5MPa。

重要的是要注意，在ULS下的平均后断裂残余强度超过3MPa 或超过5MPa的强化混凝土结构是现有的。但是，现有技术已知的这 些强化混凝土结构在正常强度混凝土或高强度混凝土中采用了高剂量 （大于0.5vol%或大于1vol%）钢纤维，或者在高强度混凝土中采用 了中剂量的高强度纤维。

根据第三方面，提供了根据本发明的钢纤维在混凝土承载结构中 的用途。

附图说明

现在将参照附图对本发明进行更详细的说明。

图1显示出钢纤维的拉伸试验(负载-应变试验)。

图2显示出三点弯曲试验(负载裂缝口张开位移曲线或负载-弯曲 曲线)。

图3显示出负载-裂缝口张开位移曲线。

图4a、图4b、图4c、图4d和图4e显示出根据本发明的钢纤维 以及一些现有技术钢纤维的多个不同的实施方案。

具体实施方式

下面将参照具体实施方案以及一些附图对本发明进行说明，但是 本发明不限于此，而只是由权利要求限定。所给出的附图只是示意性 的并且是非限定性的。在这些附图中，一些元件的尺寸可以放大并且 不是按比例绘制以便例举说明。这些尺寸和相对尺寸不是对应于本发 明实施的实际缩小。

下面的术语只是用于帮助本发明的理解。

最大负载能力(F_m)：在拉伸试验期间钢纤维承受的最大负载。

最大负载延伸率(%)：在最大受力下钢纤维的计量长度的增大， 表示为初始计量长度的百分比。

在断裂下的延伸率(%)：在断裂时计量长度的增大，表示为初始 计量长度的百分比。

拉伸强度(Rm)：与最大负载(Fm)对应的应力。

应力：力除以钢纤维的初始横截面积。

剂量：加入到混凝土体积中的纤维量(用kg/m³或vol%表示(1vol% 对应于78.5kg/m³，0.5vol%对应于40kg/m³))。

正常强度混凝土：其强度小于或等于在EN206中所规定的C50/60 强度级别的混凝土强度的混凝土。

高强度混凝土：其强度大于在EN206中所规定的C50/60强度级 别的混凝土的强度的混凝土。

为了说明本发明，对多种不同的钢纤维即现有技术钢纤维和根据 本发明的钢纤维进行两种不同的试验：

拉伸试验(负载-应变试验)；以及

三点弯曲试验(负载裂缝口张开位移曲线或负载-弯曲曲线)。

在钢纤维上更具体地说在钢纤维的中间部分上施加拉伸试验。可 选的是，在用于制造钢纤维的钢丝上施加拉伸试验。

拉伸试验用来确定钢纤维的最大负载能力F_m，并且用来确定在最 大负载下的延伸率A_g+e。

如在EN 14651中所规定的一样在带槽强化梁上施加三点弯曲试 验。

该试验用来确定残余弯曲拉伸强度。

在图1和图2中分别显示出这些试验。

图1显示出钢纤维的拉伸试验(负载-应变试验)的试验装置60。借 助于试验装置60，测试钢纤维的最大负载能力F_m(断裂负载)、拉伸强 度R_m和在最大负载下的总延伸率A_g+e。

首先切下所要试验的钢纤维的锚固端(例如放大或钩形端部)。将 钢纤维的剩下的中间部分14固定在两对夹具62、63之间。通过夹具 62、63，在钢纤维的中间部分14上施加逐渐增大的拉伸力F。通过测 量出伸长计的夹子64、65的位移来测量出由于这个逐渐增大的拉伸力 F而导致的位移或拉伸。L₁为钢纤维的中间部分的长度，例如为50mm、 60mm或70mm。L₂为在夹具之间的位移，并且例如为20mm或25mm。 L₃为伸长计的计量长度，并且最小为10mm，例如为12mm例如15mm。 为了更好的将伸长计夹在钢纤维的中间部分14上，可以将钢纤维的中 间部分涂上涂层，或者可以用薄带覆盖以避免伸长计在钢纤维上滑动。 通过这个试验，记录下负载-延伸率曲线。通过下面的公式计算出在最 大负载下的百分比总延伸率。

借助图1的装置60，测试多种不同钢丝的最大负载能力F_m(断裂 负载)、拉伸强度R_m和在最大负载下的总延伸率A_g+e。

每个试样完成五个试验。表1给出了所测试的钢丝的概览。

表1

钢丝类型 碳含量 直径(mm) F_m(N) R_m(MPa) A_g+e(%) 1 低 1.0 911 1160 1.86 2 低 0.9 751 1181 2.16 3 高 0.89 1442 2318 5.06 4 中 0.75 533 1206 2.20 5 中 0.90 944 1423 1.84

低碳钢定义为最大碳含量为0.15%例如0.12%的钢，中碳钢定义 为碳含量为0.15%至0.44%例如为0.18%的钢，并且高碳钢定义为碳 含量大于0.44%例如为0.5%或0.6%的钢。

图2显示出三点弯曲试验的试验装置200。采用150×150×600mm 棱形试样210根据欧洲标准EN 14651进行三点弯曲试验28天。在试 样210的跨距中点中，用金刚石锯切出深度为25mm的单个沟槽512 以便定位裂缝。该装置包括两个支撑辊214、216和一个加载辊218。 该装置能够按照受控的方式操作，即产生出恒定的位移速度(CMOD 或弯曲)。以在EN 14651中所规定的位移速度来进行这些试验。记录 下负载-裂缝口张开位移曲线或负载-弯曲曲线。

在图3中给出了负载-裂缝口张开位移曲线的示例302。

根据EN 14651评价残余弯曲强度f_R,i(i=1,2,3或4)，并且可以通 过下面的公式计算出：

$f_{R,i}=\frac{3F_{R,i}L}{2b{h}_{\mathrm{sp}}^2}{(N/\mathrm{mm})}^2$

其中：

F_R,i=对应于CMOD=CMOD_i或者δ=δ_R,i(i=1,2,3,4)的负载，

b=试样的宽度(mm)

h_sp=在沟槽的顶端和试样的顶部之间的距离(mm)；

L=试样的跨距长度(mm)

借助图2的装置200，测试多种不同的钢纤维(FIB1至FIB5)在混凝 土中的性能。对于该试验而言，将钢纤维埋入在C35/45混凝土中。固 化时间为28天。

在表2中给出了所测试的钢纤维的概览。在表3中给出了现有技术 钢纤维(FIB1和FIB5)的试验结果。在表4中给出了根据本发明的钢纤维 (FIB2、FIB3和FIB4)的试验结果。

钢纤维的长度、用来制造钢纤维的钢丝类型、钢纤维的直径(更具 体地说钢纤维的中间部分的直径)、锚固端的直部分的数量、在中间部 分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角、第二直部分朝着中间 部分的取向、在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹 角、第四直部分朝着中间部分的取向、在第四直部分的主轴线和第五 直部分的主轴线之间的夹角来规定这些钢纤维。

在图4a至图4e中显示出不同纤维的几何形状。所有要试验的纤维 1000在中间部分404的两个端部处具有锚固端402。

FIB1和FIB5为现有技术纤维。FIB1为包括具有两个直部分的低碳 钢纤维(图4a)。FIB5为在两个端部处具有钉头作为锚固端的钢纤维。 钢纤维FIB2、FIB3和FIB4为根据本发明的纤维。钢纤维FIB2、FIB3 和FIB4包括具有3个弯曲部分(图4b)、4个直部分(图4c)和5个直部分(图 4d)的锚固端。

在图4a中所示的钢纤维400包括中间部分404和位于中间部分404 的两个端部处的锚固端402。中间部分404具有主轴线403。每个锚固端 402包括第一弯曲部分405、第一直部分406、第二弯曲部分407和第二 直部分408。在中间部分404的主轴线403和第一直部分406的主轴线之 间的夹角由α表示。

第二直部分408与中间部分404的主轴线403平行或基本上平行。

在图4b中所示的钢纤维1000包括中间部分404和位于中间部分404 的两个端部处的锚固端402。中间部分具有主轴线403。每个锚固端402 包括第一弯曲部分405、第一直部分406、第二弯曲部分407、第二直部 分408、第三弯曲部分409和第三直部分410。在中间部分404的主轴线 403和第一直部分406的主轴线之间的夹角由α表示。在第二直部分408 的主轴线和第三直部分410的主轴线之间的夹角由β表示。

第二直部分408与中间部分404的主轴线403平行或基本上平行。

在图4c中所示的钢纤维400包括中间部分404和位于中间部分404 的两个端部处的锚固端402。中间部分404具有主轴线403。每个锚固端 402包括第一弯曲部分405、第一直部分406、第二弯曲部分407、第二 直部分408。在中间部分404的主轴线403和第一直部分406的主轴线之 间的夹角由α表示。第二直部分408与中间部分404的主轴线403平行或 者基本平行。

在图4d中所示的钢纤维400包括中间部分404和位于中间部分404 的两个端部处的锚固端402。中间部分404具有主轴线403。每个锚固端 402包括第一弯曲部分405、第一直部分406、第二弯曲部分407、第二 直部分408、第三弯曲部分409、第三直部分410。在中间部分404的主 轴线403和第一直部分406的主轴线之间的夹角由α表示。在第二直部分 408的主轴线和第三直部分410的主轴线之间的夹角由β表示。第二直部 分408与中间部分404的主轴线403平行或基本上平行。

在图4c中所示的钢纤维400包括中间部分404和位于中间部分404 的两个端部处的锚固端402。中间部分具有主轴线403。每个锚固端402 包括第一弯曲部分405、第一直部分406、第二弯曲部分407、第二直部 分408、第三弯曲部分409、第三直部分410、第四弯曲部分411和第四 直部分412。在中间部分404的主轴线403和第一直部分406的主轴线之 间的夹角由α表示。在第二直部分408的主轴线和第三直部分410的主轴 线之间的夹角由β表示。第二直部分408和第四直部分412与中间部分 404的主轴线403平行或基本上平行。

在图4d中所示的钢纤维400包括中间部分404和位于中间部分404 的两个端部处的锚固端402。中间部分具有主轴线403。每个锚固端402 包括第一弯曲部分405、第一直部分406、第二弯曲部分407、第二直部 分408、第三弯曲部分409、第三直部分410、第四弯曲部分411和第四 直部分412、第五弯曲部分413和第五直部分414。在中间部分404的主 轴线403和第一直部分406的主轴线之间的夹角由α表示。在第二直部分 408的主轴线和第三直部分410的主轴线之间的夹角由β表示。在第四直 部分412的主轴线和第五直部分414的主轴线之间的夹角由γ表示。第 二直部分408和第四直部分412与中间部分404的主轴线403平行或基本 上平行。

在图4e中所示的钢纤维包括在中间部分404的两个端部处设有锚 固端402的中间部分404。锚固端402包括钉头。

表2

α在中间部分的主轴线和第一直部分的主轴线之间的夹角

β在第二直部分的主轴线和第三直部分的主轴线之间的夹角

γ在第四直部分的主轴线和第五直部分的主轴线之间的夹角

表3

纤维类型 剂量(kg/m³) f_Lf_R,1f_R,2f_R,3f_R,3/f_R,1FIB1 40 5.48 3.75 3.85 3.68 0.98 FIB5 40 5.80 4.11 4.31 2.83 0.69

表4

纤维类型 剂量(kg/m³) f_Lf_R,1f_R,2f_R,3f_R,3/f_R,1FIB1 40 5.81 5.0 6.01 5.89 1.17 FIB3 40 5.79 5.76 7.40 7.46 1.30 FIB3 20 5.56 3.06 3.51 3.54 1.16 FIB4 40 5.89 5.23 6.65 6.75 1.29

从表3和表4中可以总结出，现有技术纤维(FIB1和FIB5)的f_R,3/f_R,1低于1，而根据本发明的钢纤维(FIB2、FIB3和FIB4)的f_R,3/f_R,1大于1。

现有技术钢纤维(FIB1和FIB5)的残余弯曲拉伸强度f_R,1、f_R,2和f_R,3较低，明显低于根据本发明的钢纤维(FIB2,FIB3和FIB4)的残余弯曲拉 伸强度f_R,1、f_R,2和f_R,3。

将采用了40kg/m³的剂量的根据本发明的钢纤维(FIB2,FIB3和 FIB4)与采用了40kg/m³的剂量的现有技术钢丝(FIB1和FIB5)进行比 较，根据本发明的钢纤维的残余弯曲拉伸强度f_R,1、f_R,2和f_R,3明显大于 现有技术的钢纤维。

以两种不同的剂量即20kg/m³和40kg/m³对钢纤维FIB3进行试验。 这表示，这些钢纤维的性能与传统强化钢丝类似(基于应力-应变，代 替基于应力-裂缝张口)。

比较钢纤维FIB2、FIB3和FIB4，可以总结出，残余弯曲拉伸强度 f_R,1、f_R,2和f_R,3随着直部分的数量从3增加到4而增大。

比值f_R,3/f_R,1也随着直部分的数量从3增大到4而增大。

通过将直部分的数量从4增大到5，残余弯曲拉伸强度f_R,1、f_R,2和f_R,3以及比值f_R,3/f_R,1不再增大。

令人惊讶的是，包括具有四个直部分的锚固端的钢纤维表现出最 佳的性能。

在对表2的钢纤维进行拉出试验以确定锚固力时，钢纤维FIB3(具 有四个直部分)在混凝土中具有最佳的锚固性。

作为示例，可以如下制作根据本发明的钢纤维。

初始材料为盘条，其直径例如为5.5mm或6.5mm，并且其钢组分 具有重量百分比(wt%)为0.50例如等于或大于0.60wt%的最低碳含量、 0.20wt%至0.80%wt%的镁含量、0.10wt%至0.40wt%的硅含量。硫 含量最大为0.04wt%，并且磷含量最大为0.04wt%。

通常的钢组分包括0.725%的碳、0.550%的镁、0.250%的硅、 0.015%的硫和0.015%的磷。可选的钢组分包括0.825%的碳、0.520% 的镁、0.230%的硅、0.008%的硫和0.010%的磷。在多个工序中对盘 条进行冷拉拔直到其最终直径为0.20mm至1.20mm。

为了给予钢纤维在断裂时并且在最大负载下延伸率较高，可以对 这样拉拔出的钢丝进行应力消除处理，例如通过让钢丝通过其长度适 用于通过钢丝的速度的高频或中频加热线圈。已经观察到，在大约 300℃的温度下进行一定时间的热处理导致拉伸强度降低大约10%，且 不会提高在断裂时的延伸率和在最大负载下的延伸率。但是，通过将 温度稍微提高至大于400℃，观察到拉伸强度进一步降低，同时在断裂 时的延伸率增大并且在最大负载下的延伸率增大。

这些钢丝可以或不可以涂覆耐腐蚀涂层例如锌或锌合金涂层，更 具体地说锌铝涂层或锌铝镁涂层。在拉拔之前或在拉拔期间，也可以 将这些钢丝涂覆铜或铜合金涂层以便于拉拔操作。

然后将经过应力消除的钢丝切割至适当长度的钢纤维，并且给予 钢纤维的端部适当的锚固或加厚。切割和钩形成型也可以通过适当的 辊子在一个相同的操作步骤中完成。

根据US-A-4284667可以将这样获得的钢纤维胶粘在一起。

另外或可选的是，可以将所获得的钢纤维放在包装中，例如链式 包装或带状包装中。例如在EP-B1-1383634中披露了链式包装，在申 请人的欧洲专利申请No.09150267.4中披露了带状包装。