CN109249519A - 一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具及其使用方法，成型模具包括支撑架、托盘、试模以及亥姆霍兹线圈，所述试模放置在所述托盘上，所述托盘位于所述亥姆霍兹线圈两个线圈中间，所述试模的两个相对面上设有导电片，所述导电片产生的电场方向与所述亥姆霍兹线圈产生的磁场方向保持一致，所述支撑架、所述托盘以及所述试模本体采用非金属材料制成，在模具的磁场和电场耦合诱导下，磁性纤维会发生偏转，直至与磁场和电场方向一致，从而达到纤维的定向排布的效果，由此制备的试件劈裂抗拉强度可提升20%‑80%，或可节约磁性纤维10%‑50%。该模具制作方法简单、操作方便、成本低、效果好，易于推广和产业化，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具及其使用方法，属于纤维增强水泥基复合材料技术领域。
背景技术
纤维增强混凝土，它是以水泥净浆、砂浆或混凝土材料为基体，以金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维或天然有机纤维为增强材料组成的复合材料。在基体中掺入纤维可以显著提高混凝土基体的延性和抗裂性能，使纤维增强混凝土具有较高的抗拉、抗剪性能，改善了混凝土材料拉伸强度低、延性差等问题。
普通纤维混凝土中由于纤维的分布杂乱无章，仅有一小部分与拉应力方向相同的钢纤维充分发挥了增强作用，而大部分纤维则未起到应有的作用。理论研究表明，普通钢纤维混凝土的纤维方向效应系数为0.4，相当于纤维的增强效率仅发挥了40%。为了达到较好的增强效果，工程中不得不提高混凝土纤维整体掺量的方法，导致原材料成本大幅度增加。此外，还有研究甚显示，当纤维方向与荷载方向垂直时，纤维不仅失去增强作用，还因为纤维与基体间界面的粘结薄弱，使混凝土基体的自身强度有所下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于制备高强度以及节约纤维用量的纤维增强水泥基材料的成型模具及其使用方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具，包括支撑架、托盘、试模以及亥姆霍兹线圈，所述试模放置在所述托盘上，所述托盘位于所述亥姆霍兹线圈两个线圈中间，所述试模的两个相对面上设有导电片，所述支撑架、所述托盘以及所述试模本体采用非金属材料制成。
所述导电片产生的电场方向与所述亥姆霍兹线圈产生的磁场方向保持一致。
所述导电片面积略大于其对应的所述试模侧面。
所述亥姆霍兹线圈每个线圈的直径为160mm-300mm，匝数为500-2000匝。
所述支撑架、所述托盘以及所述试模采用聚乙烯、聚丙烯或有机玻璃制成。
一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具的使用方法，包括以下步骤：
（1）将配制有磁性金属纤维的混凝土拌合物填装到所述试模内；
（2）将所述亥姆霍兹线圈外接直流电源，所述导电片外接交流电源；
（3）启动振动台；
（4）依次关闭振动台及电源，取下试模，抹平表面，静置成型。
步骤（1）中所述拌合物采用分层填装方式，每层填装后，启动所述振动台。
步骤（2）中所述直流电源输出电压为5V-100V，所述交流电源输出电压为50V-500V，频率为60-500Hz。
本发明所达到的有益效果：本发明提供的磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基复合材料的成型模具，通过磁线圈和导电片分别产生均匀的磁场和电场，由磁场和电场共同来定向水泥基材料中纤维的取向，其中磁性金属纤维磁化后形成两端带不同电荷的小型磁体，受到磁场和电场耦合作用发生转动，方向逐渐趋于一致，不仅能够有效提升纤维增强水泥基材料的效果，还能在满足水泥基材料强度要求的同时，减少纤维的使用量，节约成本；与此同时，利用该模具成型的取向纤维水泥基复合材料具有显著的各向异性，用途广泛。该模具制作方法简单、操作方便、成本低、效果好，易于推广和产业化，应用前景广阔。
附图说明
图1是实施例主视图；
图2是实施例侧视图；
附图标记说明：1、支撑架；2、托盘；3、试模；4、亥姆霍兹线圈；5、导电片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1，图2所示，一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具，包括支撑架1、托盘2、试模3以及亥姆霍兹线圈4，试模3放置在托盘2上，两者为固定连接或分离式，托盘2位于亥姆霍兹线圈4两个线圈中间，试模3垂直于亥姆霍兹线圈4产生磁场的两个相对面上分别设有铝片5，铝片5面积略大于其对应的试模3侧面。支撑架1、托盘2以及试模3本体采用非金属材料制成，如聚乙烯、聚丙烯或有机玻璃。亥姆霍兹线圈4可以采用成品或自行绕制的一对半径和匝数一致的线圈，两个线圈同轴排列并使其间距等于半径，再与支撑架1固定串接构成，线圈的直径为160mm-300mm，匝数为500-2000匝。
具体使用方法如下：
实施例1：
按照质量比水﹕灰﹕砂=0.55﹕1﹕2，称取所用的水，水泥和砂子。砂子为中砂。再分别按水泥质量的0.8%和0.15%称取高效减水剂和消泡剂备用。分别按拌和砂浆的体积掺量为1.0%称取钢纤维的掺量。所用钢纤维为端勾型钢纤维，长度为20mm，长径比为50。现将称好的砂子和水泥倒入搅拌机中干搅，搅拌均匀后边搅边加入称好钢纤维，等到钢纤维加完，后加入称好的水和减水剂。让搅拌机慢90s后，加入消泡剂，再搅拌90s。
实验使用的线圈直径为160mm，匝数为500匝，把70.7mm×70.7mm×70.7mm的试模固定在托盘上，先加砂浆拌合物至试模体积的一半，然后开启电源，线圈输入直流电压为20V，电流为0.8A；铝片输入交流电压为50V,输出频率为60Hz。此时的磁场强度达到12.0×10-3T；要求磁场方向与试件测试或者工作状态时所受的拉应力保持一致，同时打开振动台。振动120s后关闭振动台，关闭直流电源。再往模具里加满掺有钢纤维的砂浆拌合物然后重复上述操作（也可以一次性填装完毕）。
将经过磁场和电场耦合诱导的钢纤维砂浆拌合物从托盘上取下后，平放在实验台上，轻轻的抹平钢纤维砂浆拌合物的表面，表面覆盖塑料薄膜，24小时后拆模，移入养护室，放入水中水养。保持养护温度在20±2℃，养护至规定的28d龄期时将试件从养护室取出，得到单向分布钢纤维增强砂浆，按照SL 352-2006 《水工混凝土试验规程》中水泥砂浆劈裂抗拉强度实验的要求，测得其劈裂抗拉强度比未施加过磁场的试块劈裂抗压强度高出23%。
实施例2：
按照质量比水﹕灰﹕砂=0.55﹕1﹕2，称取所用的水，水泥和砂子。砂子为中砂。在分别按水泥质量的0.8%和0.15%称取高效减水剂和消泡剂备用。分别按拌和砂浆的体积掺量为1.0%称取钢纤维的掺量。所用钢纤维为端勾型钢纤维，长度为20mm，长径比为50。现将称好的砂子和水泥倒入搅拌机中干搅，搅拌均匀后边搅边加入称好钢纤维，等到钢纤维加完，后加入称好的水和减水剂。让搅拌机慢搅90s后，加入消泡剂，再搅拌90s。
实验使用的线圈直径为160mm，匝数为500匝，把70.7mm×70.7mm×70.7mm的试模固定在托盘上，先加砂浆拌合物至试模体积的一半，然后开启电源，线圈输入直流电压为50V，电流为2.0A；铝片输入交流电压为150V,输出频率为110Hz。此时的磁场强度达到30.0×10-3T；要求磁场方向与试件测试或者工作状态时所受的拉应力保持一致，同时打开振动台。振动90s后关闭振动台，关闭直流电源。再往模具里加满掺有钢纤维的砂浆拌合物然后重复上述操作。
将经过磁场和电场耦合诱导的钢纤维砂浆拌合物从托盘上取下后，平放在实验台上，轻轻的抹平钢纤维砂浆拌合物的表面，表面覆盖塑料薄膜，24小时后拆模，移入养护室，放入水中水养。保持养护温度在20±2℃，养护至规定的28d龄期时将试件从养护室取出，得到单向分布钢纤维增强砂浆，按照SL 352-2006 《水工混凝土试验规程》中水泥砂浆劈裂抗拉强度实验的要求，测得其劈裂抗拉强度比未施加过磁场的试块劈裂抗压强度高出47%。
实施例3：
按照质量比水﹕灰﹕砂=0.45﹕1﹕2，称取所用的水，水泥和砂子。砂子选用中砂即可。在分别按水泥质量的0.1%和0.15%称取高效减水剂和消泡剂备用。分别按拌和砂浆的体积掺量为1.0%称取钢纤维的掺量。所用钢纤维为端勾型钢纤维，长度为20mm，长径比为50。现将称好的砂子和水泥倒入搅拌机中干搅，搅拌均匀后边搅边加入称好钢纤维，等到钢纤维加完，后加入称好的水和减水剂。让搅拌机慢搅90s后，加入消泡剂，再搅拌90s。
实验使用的线圈直径为300mm，匝数为2000匝，把70.7mm×70.7mm×70.7mm的试模固定在托盘上，先加砂浆拌合物至模具体积的一半，然后开启电源，线圈输入直流电压为80V，电流为3.2A；铝片输入交流电压为320V,输出频率为200Hz。此时的磁场强度达到42.5×10-3T；要求磁场方向与试件测试或者工作状态时所受的拉应力保持一致，同时打开振动台。振动120s后关闭振动台，关闭直流电源。再往模具里加满掺有钢纤维的砂浆拌合物然后重复上述操作。
将经过磁场和电场耦合诱导的钢纤维砂浆拌合物从托盘上取下后，平放在实验台上，轻轻的抹平钢纤维砂浆拌合物的表面，表面覆盖塑料薄膜，24小时后拆模，移入养护室，放入水中水养。保持养护温度在20±2℃，养护至规定的28d龄期时将试件从养护室取出，得到单向分布钢纤维增强砂浆，按照SL 352-2006 《水工混凝土试验规程》中水泥砂浆劈裂抗拉强度实验的要求，测得其劈裂抗拉强度比未施加过磁场的试块劈裂抗压强度高出52%。
实施例4：
按照水﹕灰﹕砂=0.45﹕1﹕2，称取所用的水，水泥和砂子。砂子选用中砂即可。在分别按水泥质量的0.1%和0.15%称取高效减水剂和消泡剂备用。分别按拌和砂浆的体积掺量为1.0%称取钢纤维的掺量。所用钢纤维为端勾型钢纤维，长度为20mm，长径比为50。现将称好的砂子和水泥倒入搅拌机中干搅，搅拌均匀后边搅边加入称好钢纤维，等到钢纤维加完，后加入称好的水和减水剂。让搅拌机慢搅90s后，加入消泡剂，再搅拌90s。
实验使用的线圈直径为300mm，匝数为2000匝，把70.7mm×70.7mm×70.7mm的试模固定在托盘上，先加砂浆拌合物至模具体积的一半，然后开启直流电源，输入电压为100V，电流为4.0A，铝片输入交流电压为500V,输出频率为500Hz此时的磁场强度达到59.5×10- 3T；要求磁场方向与试件测试或者工作状态时所受的拉应力保持一致，同时打开振动台。振动90s后关闭振动台，关闭直流电源。再往模具里加满掺有钢纤维的砂浆拌合物然后重复上述操作。
将经过磁场和电场耦合诱导的钢纤维砂浆拌合物从托盘上取下后，平放在实验台上，轻轻的抹平钢纤维砂浆拌合物的表面，表面覆盖塑料薄膜，24小时后拆模，移入养护室，放入水中水养。保持养护温度在20±2℃，养护至规定的28d龄期时将试件从养护室取出，得到单向分布钢纤维增强砂浆，按照SL 352-2006 《水工混凝土试验规程》中水泥砂浆劈裂抗拉强度实验的要求，测得其劈裂抗拉强度比未施加过磁场的试块劈裂抗压强度高出65%。
采用上述装置制备的试件劈裂抗拉强度可提升20%-80%，或可节约磁性纤维10%-50%。并且该模具制作方法简单、操作方便、成本低、效果好，易于推广和产业化，应用前景广阔。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具，其特征是，包括支撑架（1）、托盘（2）、试模（3）以及亥姆霍兹线圈（4），所述试模（3）放置在所述托盘（2）上，所述托盘（2）位于所述亥姆霍兹线圈（4）两个线圈中间，所述试模（1）的两个相对侧面上设有导电片（5），所述支撑架（1）、所述托盘（2）以及所述试模（3）本体采用非金属材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具，其特征是，所述导电片（5）产生的电场方向与所述亥姆霍兹线圈（4）产生的磁场方向一致。
3.根据权利要求1所述的一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具，其特征是，所述导电片（5）面积略大于其对应的所述试模（3）侧面。
4.根据权利要求1所述的一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具，其特征是，所述亥姆霍兹线圈（4）每个线圈的直径为160mm-300mm，匝数为500-2000匝。
5.根据权利要求1所述的一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具，其特征是，所述支撑架（1）、所述托盘（2）以及所述试模（3）采用聚乙烯、聚丙烯或有机玻璃制成。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具的使用方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）将配制有磁性金属纤维的混凝土拌合物填装到所述试模（3）内；
（2）将所述亥姆霍兹线圈（4）外接直流电源，所述导电片（5）外接交流电源；
（3）启动振动台；
（4）依次关闭振动台及电源，取下试模，抹平表面，静置成型。
7.根据权利要求6所述的一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具的使用方法，其特征是，步骤（1）中所述拌合物采用分层填装方式，每层填装后，启动所述振动台。
8.根据权利要求6所述的一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具的使用方法，其特征是，步骤（2）中所述直流电源输出电压为5V-100V，所述交流电源输出电压为50V-500V，频率为60-500Hz。
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