改善纤维束与水泥基体界面力学性能的织物增强水泥基复合材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种改善纤维束与水泥基体界面性能的织物增强水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤，首先将原始纤维纱线分成若干细纤维束，然后将一定长度的短纤维丝沿垂直于细纤维束方向与细纤维束固定连接，再将细纤维丝加捻形成表面带有毛刺的粗纤维束，最后将粗纤维束制备成纤维织物网，与水泥浆体混合制备成织物增强水泥基复合材料。本发明可有效提高纤维束与水泥基体间界面力学性能，从而显著提升织物增强水泥基复合材料的力学性能。

说明书

技术领域

本发明属于织物增强水泥基复合材料制备技术领域，具体涉及改善纤维束与水泥基体界面性能的制备方法。

背景技术

本发明所涉及的水泥、水泥基体、水泥浆液/砂浆等名词包含单纯由水泥粉体与水混合形成的水泥，以及包含不同尺寸的沙石、粉煤灰、矿渣等常见增强骨料形成的水泥混凝土。近年来，纤维织物增强水泥基复合材料以其优异的力学性能和便捷的施工方法，被广泛应用于结构建造、修复等工程，取得了显著的经济效益。然而，由于相容性和浸润性等原因，纤维束与水泥基体之间的界面力学性能较弱，显著影响了纤维束之间的应力传递效率，进一步低了纤维束之间的协同作用，最终影响织物增强水泥基复合材料整体力学性能。为提升纤维束间的协同作用效果，进而提升复合材料整体性能，目前主要存在以下两种技术方案：

(1)纤维束浸润树脂并表面粘砂后固化。该方法先将纤维束浸润到液态树脂中，然后在纤维束表面粘砂，最后固化形成织物网格。该方法通过提高纤维束表面粗糙度来提升纤维束与水泥基体界面性能，可较好地提升织物增强水泥基复合材料的力学性能。然而，该方法需使用大量树脂材料，并需额外专门设备进行固化操作，成本过高。另一方面，固化后形成的纤维织物网格具有较高的刚性，不适用与转角、曲面等较复杂的工程结构。

(2)纤维束加捻提高纤维束与水泥基体界面咬合力。该方法通过给纤维束加捻，提高纤维束表面粗糙度，进一步提高纤维束与水泥基体界面咬合力，最终实现提升复合材料力学性能的目的。然而，若纤维束捻度较小，则对纤维束界面咬合力提升不明显，若捻度较大，则纤维束界面咬合力有一定提升，但仍不显著，且较大的捻度导致纤维束内纤维丝与纤维束轴向夹角变大，反而会降低纤维束的力学性能。综合而言，该方法对纤维束与水泥基体界面改善效果有限。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对织物增强水泥基复合材料中纤维束与水泥基体界面力学性能较弱这一关键问题，以及现有技术方案存在的缺陷，提供一种改善纤维束与水泥基体界面性能的织物增强水泥基复合材料制备方法，从而有效提升织物增强水泥基复合材料的力学性能。

技术方案：本发明采用以下技术方案：

一种改善纤维束与水泥基体界面性能的织物增强水泥基复合材料制备方法，包括以下步骤：

步骤一：通过纤维分丝机将原始纤维纱线分成若干平行排布的细纤维束；

步骤二：将一定数量一定长度的短纤维丝沿垂直于细纤维束轴向的方向与细纤维束固定连接；

步骤三：通过加捻设备，将若干穿插有短纤维丝的细纤维束加捻形成表面带有毛刺的粗纤维束；

步骤四：将粗纤维束根据实际工程需要按不同角度制备成纤维织物网；

步骤五：将纤维织物网和水泥浆体逐层铺放在基底上，并进行捣振，使水泥浆体与纤维织物网充分融合，制备成织物增强水泥基复合材料结构件。

进一步的，步骤一中，原始纤维纱线分成细纤维束的数量可实际需求确定，当仅需较小程度提升纤维束与水泥基体界面性能时，细纤维束的数量可少一些，反之则要多一些。

进一步的，步骤二中，可采用不同方式实现短纤维丝与细纤维束固定连接。

进一步的，可通过高速喷射短纤维丝的方式，将短纤维丝插入细纤维束中，通过细纤维束内纤维丝之间的摩擦作用固定短纤维丝。

进一步的，可在细纤维束表面涂抹或浸润水泥或树脂等粘性材料，将短纤维丝喷洒在细纤维束表面，通过细纤维束表面的粘性材料固定短纤维丝。

进一步的，可按照以下步骤实现短纤维丝与细纤维束固定连接：

步骤(21)：调整纤维分丝机端口，使得细纤维束间间隔一定宽度，间隔宽度为纤维束毛刺长度的两倍左右；

步骤(22)：在由细纤维束形成的平面内，沿垂直于细纤维束轴向的方向，将连续纤维丝逐根穿插进各细纤维束中。连续纤维丝的穿插密度根据实际需要确定，若纤维束与基体界面性能需较大程度提升，则穿插密度要大一些，反之要小一些。

步骤(23)：将穿插好的连续纤维丝沿着细纤维束间隙中点剪断形成一系列短纤维丝，通过细纤维束内部纤维丝之间的摩擦和挤压作用固定剪断后形成的短纤维丝。

进一步的，步骤三中，可通过实验调整短纤维丝的分布密度及短纤维丝的长度至最优值，需保证在步骤五种将纤维织物网与水泥浆体混合时，短纤维丝形成的毛刺能够保持直立或接近直立状态。

进一步的，步骤三中，将细纤维束加捻形成粗纤维束过程中，可调整加捻力度使得粗纤维束中的细纤维束件存在一定间隙，以便后续制备过程中水泥浆体渗透浸润。

进一步的，步骤四中，纤维织物网中不同方向的粗纤维束直径可以根据实际需要设计成不同尺寸。

有益效果：本发明通过在细纤维束中穿插或粘接一定长度一定密度短纤维丝，然后将细纤维束加捻形成表面含有毛刺的粗纤维束，最终制备成织物增强水泥基复合材料。粗纤维束表面的毛刺可有效嵌入水泥基体中，显著提升纤维束与水泥基体间界面力学性能，从而提升复合材料整体性能。此外，该方法仅需增加一些常规制备步骤，无需额外增加高成本原材料，成本增加较少，且该方法适用于转角、曲面等复杂工程结构，适用范围较广。

附图说明

图1是本发明的纤维束界面性能改善的织物增强水泥基复合材料的制备方法示意图；

图2是本发明的高速喷射短纤维丝实现短纤维丝穿插细纤维束的结构示意图；

图3是本发明的喷洒短纤维丝实现短纤维丝粘附细纤维束的结构示意图；

图4是本发明的连续纤维丝穿插细纤维束后剪断实现短纤维丝穿插细纤维束的结构示意图。

其中，(1)为原始纤维纱线，(2)为纤维分丝机，(3)为平行排布的细纤维束，(4)为短纤维丝，(5)为纤维加捻设备，(6)表面带有毛刺的粗纤维束，(7)为纤维织物网，(8)为织物增强水泥基复合材料，(9)为连续纤维丝。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

一种改善纤维束与水泥基体界面性能的织物增强水泥基复合材料制备方法，包括以下步骤：

步骤一：通过纤维分丝机2将原始纤维纱线1分成若干平行排布的细纤维束3；

步骤二：将一定数量一定长度的短纤维丝4沿垂直于细纤维束3轴向的方向与细纤维束3固定连接；

步骤三：通过加捻设备5，将若干穿插有短纤维丝的细纤维束加捻形成表面带有毛刺的粗纤维束6；

步骤四：将粗纤维束6按照实际工程需要按不同角度制备成纤维织物网7；

步骤五：将纤维织物网和水泥浆体逐层铺放在基底上，并进行捣振，使水泥浆体与纤维织物网充分融合，制备成织物增强水泥基复合材料结构件8。

本实施例中，步骤一中，原始纤维纱线1分成细纤维束3的数量可实际需求确定，当仅需较小程度提升纤维束与水泥基体界面性能时，细纤维束的数量可少一些，反之则要多一些。

本实施例中，步骤三中，可通过实验调整短纤维丝的分布密度及短纤维丝的长度至最优值，需保证在步骤五种将纤维织物网与水泥浆体混合时，短纤维丝形成的毛刺5能够保持直立或接近直立状态。

本实施例中，步骤三中，将细纤维束加捻形成粗纤维束过程中，可调整加捻力度使得粗纤维束中的细纤维束件存在一定间隙，以便后续制备过程中水泥浆体渗透浸润。

本实施例中，步骤四中，纤维织物网中不同方向的粗纤维束直径可以根据实际需要设计成不同尺寸。

具体实施例1

本实施例中，在步骤三中，可通过高速喷射短纤维丝的方式，将短纤维丝4插入细纤维束3中，通过细纤维束3内纤维丝之间的摩擦作用固定短纤维丝4。

具体实施例2

本实施例中，在步骤三中，可在细纤维束表面涂抹或浸润水泥或树脂等粘性材料，将短纤维丝4喷洒在细纤维束3表面，通过细纤维束3表面的粘性材料固定短纤维丝4。

具体实施例3

本实施例中，在步骤三中，可按照以下步骤实现短纤维丝4与细纤维束3固定连接：

步骤(21)：调整纤维分丝机端口，使得细纤维束3间隔一定宽度，间隔宽度为纤维束毛刺长度的两倍左右；

步骤(22)：在由细纤维束形成的平面内，沿垂直于细纤维束轴向的方向，将连续纤维丝9逐根穿插进各细纤维束中。连续纤维丝的穿插密度根据实际需要确定，若纤维束与基体界面性能需较大程度提升，则穿插密度要大一些，反之要小一些。

步骤(23)：将穿插好的连续纤维丝9沿着细纤维束间隙中点剪断形成一系列短纤维丝，通过细纤维束内部纤维丝之间的摩擦和挤压作用固定剪断后形成的短纤维丝。

综上所示，本发明在步骤三中介绍了三种实现方式，具体的，第一种方法，即高速喷射方式，其优点为制备速度快，加工效率高，缺点为需要配备专门的高速喷射设备，成本相对较高；第二种方法，即喷洒粘附方式，其优点为制备简便，成本较低，缺点为短纤维丝随机分布，较难控制纤维束界面性能提升质量；第三种方法，即连续纤维穿插法，其优点为可有效控制短纤维方向及穿插密度，纤维束界面性能提升质量稳定可控，缺点为制备速度相对较慢。三种方式各有优劣，用户可根据需要选择。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。