一种用于超高性能混凝土的钢纤维生产装置及生产方法与流程

本发明属于超高性能混凝土的钢纤维，具体而言，涉及一种用于超高性能混凝土的钢纤维生产装置及生产方法。

背景技术：

1、超高性能混凝土(uhpc)，于20世纪90年代中期首次被开发出来，由于其优异的机械强度、耐久性、抗疲劳性和韧性等性能，作为一种极好的建筑材料受到了全世界研究人员的广泛关注。然而，uhpc容易在制造阶段形成收缩裂纹，因为在早期养护过程中收缩应变会急剧增加。此外，由于多种环境条件(如外部载荷、体积变化形成的约束力、蠕变等)的影响，uhpc构件很有可能产生不可见的微裂纹。而uhpc中钢纤维通过纤维与基体的力学相互作用，形成强大的界面结合强度，为减缓或阻止裂缝的产生提供了有利条件。大多数学者通常采用改变钢纤维形状来增加钢纤维与基体的粘结强度，如使用端钩型钢纤维、波浪形钢纤维等。少数学者通过磷酸锌涂层、纳米二氧化硅涂层等化学处理方法在钢纤维表面覆盖涂层，但操作过程过于复杂，且界面过渡区域不牢固，粘结强度增加不明显。因此，改善纤维-基体粘结性能仍是需要攻克的难题。除上述方式外，部分学者还通过物理方式改善基体纤维摩擦性能来增加钢纤维表面与基体粘接性能，如使用砂纸或者砂轮等方式对钢纤维表面进行打磨，此操作方式机械化程度低，处理效果差，不能批量生产。

2、现有的用于超高性能混凝土的钢纤维生产装置和方法存在操作复杂，界面过渡区域不牢固，粘结强度增加不明显且机械化程度低，处理效果差，不能批量生产的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种用于超高性能混凝土的钢纤维生产装置及生产方法，能够解决现有的用于超高性能混凝土的钢纤维生产装置和方法存在操作复杂，界面过渡区域不牢固，粘结强度增加不明显且机械化程度低，处理效果差，不能批量生产的问题。

2、本发明是这样实现的：

3、本发明提供一种用于超高性能混凝土的钢纤维生产装置，其中，包括腐蚀组件、反应池、直流电源以及导线，所述腐蚀组件置于所述反应池内，所述导线连接在所述腐蚀组件以及所述直流电源之间，所述直流电源用于为电化学反应提供电能，所述反应池用于为钢纤维的表面提供腐蚀和镀铜的反应场所；所述反应池中还设置有镀铜组件，所述镀铜组件用于腐蚀后的所述钢纤维进行镀铜；

4、所述腐蚀组件包括铜罩、端部支撑、铜网以及强力磁铁，所述铜网覆盖在所述强力磁铁上，所述端部支撑设置在所述强力磁铁的两端，所述端部支撑用于将所述强力磁铁、所述铜网以及所述铜罩固定，所述铜罩固定在所述铜网的外表面，将所述铜网、所述强力磁铁进行全覆盖，所述铜罩、所述铜网以及所述强力磁铁通过两端的所述端部支撑形成一个整体。

5、在上述技术方案的基础上，本发明的一种用于超高性能混凝土的钢纤维生产装置还可以做如下改进:

6、其中，所述端部支撑包括圆环内表面、圆环外表面以及端部支撑外环面，所述端部支撑外环面为圆饼形，两个所述端部支撑外环面相对的一侧的中心位置设置有圆环，所述圆环包括所述圆环内表面以及所述端部支撑外环面；所述强力磁铁呈圆柱形，所述强力磁铁的两端固定在所述圆环内表面的内部，所述圆环内表面的内径与所述强力磁铁的外径相同；所述铜网为圆筒状，所述铜网的端部套设在所述圆环外表面上，所述铜网的内径与所述圆环外表面的外径相同；所述铜罩整体呈圆筒状，由两个半圆筒状的带孔铜罩组成，所述两个半圆筒状的铜罩一侧通过合页连接，另一侧通过卡扣连接，所述合页以及所述卡扣连接组成所述铜罩的两端套设在所述端部支撑外环面上，所述端部支撑外环面的外径与所述铜罩的内径相同。

7、进一步的，所述铜罩上设置有孔，所述孔用于使得电解反应中的离子穿过所述铜罩；

8、所述端部支撑由耐腐蚀、不导电的硬质材料制成。

9、进一步的，所述强力磁铁与所述铜网不直接接触，所述铜网与所述铜罩不直接接触，所述强力磁铁通过强磁力将所述钢纤维吸附在所述铜网的表面，用于使得所述钢纤维与所述铜网直接接触，所述钢纤维不与所述铜罩的内表面接触；

10、所述反应池中设置有隔板，所述隔板用于将各个腐蚀组件分隔到不同的介质中同时发生反应，所述隔板与所述反应池的内壁活动连接；

11、所述铜网通过所述导线与所述直流电源的正极连接，用于使得所述铜网表面吸附的所述钢纤维作为电化学反应的阳极，并使得所述钢纤维在所述铜网表面发生氧化反应；所述铜罩通过所述导线与所述直流电源的负极连接，用于使得所述铜罩作为电化学反应的阴极，并使得铜离子所述铜罩的表面发生还原反应。

12、进一步的，所述腐蚀组件反应的所述介质包括氯化钠溶液、掺入氯化钠溶液的石英砂、掺入氯化钠溶液的化纤，

13、所述氯化钠溶液的制备步骤为将氯化钠直接溶于水；

14、所述掺入氯化钠溶液的石英砂的制备步骤包括：

15、第一步，将所述腐蚀组件整体埋入所述石英砂中，使得相邻的所述钢纤维之间填充有所述石英砂，每根所述钢纤维的外表面与所述石英砂接触；

16、第二步，向所述石英砂中加入氯化钠溶液；

17、所述掺入氯化钠溶液的化纤的制备步骤包括：

18、第一步，将所述腐蚀组件整体埋入所述化纤中，使得相邻的所述钢纤维之间填充有所述化纤，每根所述钢纤维的外表面与所述化纤接触；

19、第二步，向所述化纤中加入氯化钠溶液。

20、所述钢纤维表面的附着物形状会影响其腐蚀坑的形状，使所述钢纤维表面附着不同形状物质的目的主要是使其表面形成不同形状的腐蚀特征，掺入氯化钠溶液是将其作为电解质溶液，使所述钢纤维发生电化学反应；

21、所述钢纤维直接在氯化钠溶液中发生电化学反应时，其表面的腐蚀坑特征相对均匀，表面整体粗糙度较小；在掺入氯化钠溶液的所述石英砂中发生电化学反应时，其表面会形成明显的类似沙粒的“圆形”腐蚀坑，使其表面整体粗糙度增大；在掺入氯化钠溶液的所述化纤中发生电化学反应时，其表面会形成类似纤维形状的“条形”或“螺旋形”腐蚀坑。

22、进一步的，所述镀铜组件通过所述强力磁铁、所述铜网、所述端部支撑以及铜棒组成，所述强力磁铁、所述铜网、所述端部支撑按照腐蚀组件中的安装方式组合成整体，所述铜棒放置在所述强力磁铁、所述铜网、所述端部支撑组合成的整体的旁边位置，所述铜棒与所述铜网不直接接触；所述强力磁铁与所述铜网的中间位置设置有空隙；所述强力磁铁通过强磁力将腐蚀后的所述钢纤维吸附在所述铜网的表面，使得腐蚀后的所述钢纤维与所述铜网直接接触，腐蚀后的所述钢纤维不与所述铜棒直接接触；

23、所述镀铜组件中的所述铜网通过所述导线与所述直流电源的负极连接，用于使得吸附在所述铜网上的所述钢纤维作为电化学反应的阴极；所述铜棒通过所述导线与所述直流电源的阳极连接，用于使得所述铜棒作为电化学反应的阳极；

24、所述镀铜组件中所述反应池内的电解质溶液为铜盐溶液，所述铜盐溶液将所述镀铜组件全部浸没。

25、在所述腐蚀组件中，所述钢纤维表面发生反应的化学方程式为：fe-2e-＝fe2+；

26、所述铜罩表面发生反应的化学方程式为：2h2o+2e-＝h2↑+2oh-；

27、总的化学方程式为：fe+2h2o＝fe(oh)2+h2↑；

28、具体电流大小和通电时间基于法拉第定律，根据目标腐蚀率综合确定。

29、进一步的，所述腐蚀组件和所述镀铜组件与所述反应池之间设置有底托，所述底托的底部为平面，上部有一半径略大于所述铜罩半径的底托内凹面，所述铜罩下端的所述底托内凹面的内径与所述铜罩的外径匹配，所述镀铜组件中的所述端部支撑下部的所述底托内凹面的内径与所述端部支撑的外径匹配；所述底托内凹面为半圆形，所述腐蚀组件中的所述铜罩以及所述镀铜组件中的所述端部支撑均放置在所述底托内凹面中；所述底托由耐腐蚀、不导电的硬质材料制成；

30、所述铜棒置于所述底托的上部，所述底托内凹面的内径与所述铜棒的外径相匹配。

31、镀铜组件中，所述铜网让电解质溶液中的cu2+在腐蚀后的所述钢纤维表面发生还原反应生成铜单质附着到所述钢纤维表面；让所述铜棒表面发生氧化反应生成cu2+补充到电解质溶液中，以保持电解质溶液中cu2+浓度的稳定；

32、在镀铜组件中，所述钢纤维的表面发生反应的化学方程式为：cu2++2e-＝cu；

33、所述铜棒的表面发生反应的化学反应式为：cu-2e-＝cu2+。

34、进一步的，所述铜网、所述铜罩、所述卡扣、所述合页以及所述铜棒均为纯铜材质；

35、所述强力磁铁的外表面包覆有一层耐腐蚀的保护薄膜，用于防止所述强力磁铁被腐蚀。

36、本发明提供一种用于超高性能混凝土的钢纤维生产方法，其中，包括以下步骤：

37、s01：除油：氢氧化钠溶液、丙酮清洗所述钢纤维，去除所述钢纤维表面的油脂和杂质；

38、s02：酸洗：将所述钢纤维浸泡在稀酸中，用于去除所述钢纤维表面的氧化层；

39、s03：清洗：用去离子水冲洗所述钢纤维若干次，直到最后冲洗水的ph值达到7，然后适当温度下干燥处理备用；

40、s04：装配所述腐蚀组件：将所述强力磁铁、所述铜网以及所述端部支撑组成整体；

41、s05：吸附所述钢纤维：慢慢将所述钢纤维撒到所述铜网的表面，借助所述强力磁铁的磁力使所述铜网的表面均匀吸附一层所述钢纤维；

42、s06：加入腐蚀介质：将所述腐蚀组件反应的所述介质以及电解质溶液加入所述反应池内，使得石英砂颗粒、纤维等包覆到钢纤维表面；

43、s07：腐蚀：利用所述导线将所述铜网以及所述铜罩分别连接到所述直流电源的正极和负极，通电开始腐蚀；

44、s08：酸洗、清洗：将腐蚀后的所述钢纤维在稀酸中进行酸洗，用清水漂洗后，用石灰水中和，再用清水冲洗干净，然后适当温度下干燥处理备用；

45、s09：装配所述镀铜组件：将所述强力磁铁、所述铜网以及所述端部支撑组成整体，然后将所述铜棒放到所述铜网旁边；

46、s10：吸附所述钢纤维：慢慢将所述钢纤维撒到所述铜网的表面，借助所述强力磁铁的磁力使所述铜网表面均匀吸附一层所述钢纤维；

47、s11：镀铜：在所述反应池中加入铜盐溶液，然后利用所述导线将所述铜网和所述铜棒分别连接到所述直流电源的负极和正极，通电开始镀铜；

48、s12：清洗：将镀铜后的所述钢纤维表面彻底清洗干净，去除残留的镀铜溶液和杂质，然后适当温度下干燥处理并保存；

49、s13：测试：对腐蚀、镀铜后的所述钢纤维进行抗拉性能测试；

50、钢纤维原始截面为圆形，腐蚀后钢纤维截面变为不规则的轮廓，镀铜后截面整体轮廓与未镀铜时大致相同。

51、在上述技术方案的基础上，本发明的一种用于超高性能混凝土的钢纤维生产方法还可以做如下改进:

52、进一步的，所述对腐蚀、镀铜后的所述钢纤维进行抗拉性能测试的具体步骤包括：

53、第一步，将腐蚀并镀铜后的单根钢纤维一半浇筑到超高性能混凝土的所述试件中，另一半漏出，到了养护龄期后，将所述试件置于拉伸试验机夹具上，所述试件卡入与之形状相匹配的特制夹具中，让所述拉伸试验机夹具夹住所述钢纤维的外漏部分进行拉拔，直至将钢纤维拔出；

54、第二步，将所述钢纤维按一定含量掺入超高性能混凝土中，将其浇筑成“狗骨”状的所述试件后，将所述试件的两端卡入与之形状相匹配的特制夹具中，然后置于所述拉伸试验机夹具上进行拉拔试验，用于测试掺入所述钢纤维后的超高性能混凝土的抗拉性能。

55、与现有技术相比较，本发明提供的一种用于超高性能混凝土的钢纤维生产装置及生产方法的有益效果是：通过在不同介质中对钢纤维表面进行腐蚀并镀铜，使其表面形成不同形状的腐蚀坑，腐蚀后的钢纤维可明显提升其在超高性能混凝土中的锚固性能，进而显著提升超高性能混凝土的抗拉性能。在腐蚀后的钢纤维表面生成一层镀铜层，在基本不改变钢纤维表面腐蚀坑形状的前提下增加了其耐腐蚀性。此外，钢纤维腐蚀装置和镀铜装置基本都是用的相同部件，只需将铜罩和铜棒进行替换，再将连接直流电源的正负极导线进行调换，即可实现腐蚀和镀铜的转换，部件利用率高，装置结构合理，操作简单方便；能够解决现有的用于超高性能混凝土的钢纤维生产装置和方法存在操作复杂，界面过渡区域不牢固，粘结强度增加不明显且机械化程度低，处理效果差，不能批量生产的问题。