一种钢纤维水泥基复合材料梯度优化和定向增强方法

本发明涉及水泥基复合材料领域，特别涉及一种钢纤维水泥基复合材料梯度优化和定向增强方法。

背景技术：

1、在钢纤维水泥基复合材料性能优化研究领域，常见的方法包括梯度优化和定向优化。梯度优化主要是通过在材料内部形成不同成分或性质的渐变，以实现材料性能的逐渐变化。而定向优化则是通过控制材料内部的结构或取向，使材料在特定方向上具有更优异的性能。

2、梯度优化是一种调整材料内部结构或成分分布的方法，随着高度的变化而使纤维含量发生变化。在钢纤维水泥基复合材料中，梯度优化可以通过调整纤维含量的空间分布来实现。通过在不同位置形成纤维含量的梯度分布，可以改变材料的内部力学性能，从而实现对材料整体性能的优化和提升。这种优化策略可以在材料的强度、韧性、耐久性等方面产生显著的影响，为钢纤维水泥基复合材料的性能改进提供了一种有效的途径。目前，国内有不少学者对梯度分布钢纤维水泥基复合材料进行了一系列的研究，取得了大量的成果。

3、周明凯、赵布青等进行了关于梯度分布钢纤维混凝土的研究，着重探究了不同钢纤维体积掺量、钢纤维长径比和基体强度对其力学性能的影响。研究结果显示，随着钢纤维体积掺量的增加，复合材料的抗折强度逐渐提高。同时，钢纤维的长径比越大，其抗折强度的提高越显著。此外，基体强度的增加也会显著提升复合材料的抗折强度，且提升幅度随着基体强度的增加而增大。

4、范小春、袁海庆等研究人员通过研究梯度分布钢纤维混凝土对橡胶混凝土的力学性能影响，对比了梯度分布钢纤维橡胶混凝土与其他混凝土立方体的抗压强度、抗弯强度及冲击强度等力学性能。研究结果显示，梯度分布钢纤维橡胶混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度对橡胶混凝土的影响不显著，略低于梯度分布钢纤维混凝土的抗压强度。但梯度分布钢纤维橡胶混凝土的抗弯强度比普通混凝土和橡胶混凝土分别提高了4.1％和13.8％，而抗冲击性能明显提高。为了更好地表征梯度钢纤维混凝土的韧性，研究团队采用有限元软件abaqus对梯度分布钢纤维混凝土梁在三点弯曲情况下的荷载-挠度关系进行了数值模拟。研究结果显示，梯度分布钢纤维对混凝土梁初裂前的受力影响不显著，荷载-挠度曲线呈现线弹性变化，但峰值荷载显著增大，极限承载力明显提高。梯度分布钢纤维混凝土梁的弯曲破坏方式与素混凝土梁有明显区别，表现出明显的韧性和延性破坏特点。

5、李琳、张亚芳等研究人员对素混凝土、均匀分布钢纤维混凝土、梯度分布钢纤维混凝土以及梯度分布混杂纤维混凝土进行了对比研究，利用rfpa建立了数学模型。研究结果显示，梯度分布混合纤维混凝土的抗弯试验试件呈现出延性破坏形态，抗弯强度和抗弯韧性显著提升，特别是在钢纤维体积掺量较少的情况下，实现了性能的改良。而梯度分布钢纤维-丙纶纤维混凝土表现出优异的性能，混合后降低了纤维成本，具有较好的经济效益和应用前景。通过数值模型的仿真，对各种混凝土试件的裂纹产生和扩大到破坏的全过程进行了模拟，与试验结果相符。

6、针对钢纤维水泥基复合材料进行定向优化是通过控制钢纤维在混凝土中的方向分布来实现的。其目的是为了提高复合材料的强度、韧性和其他力学性能指标。定向优化的方法包括但不限于纤维的布置方式、纤维的取向角度以及纤维的密度等方面的调整。

7、近年来，国内外研究人员致力于探索控制短纤维方向的方法，并通过改变纤维取向来提高纤维增强水泥基复合材料的性能。据目前已有的研究显示，短纤维的方向可以通过多种方法进行控制，包括磁场诱导、电场诱导、超声波对准、打印路径控制以及流动剪切对齐等技术。这些方法能够有效地调控纤维的方向，进而影响材料的力学性能和微观结构。通过这些手段，可以实现针对特定工程需求的定向优化，为纤维增强水泥基复合材料的应用提供更多可能性。

8、20世纪80年代，a.g.bayer提出了一种利用电磁原理使钢纤维定向排列的方法，这是最早提出通过电磁感应控制金属纤维方向的方法，也是目前实验室最常用的控制钢纤维方向的方法。1983年，山本忠、笠原信年等分析了混凝土浇筑时流动方向与钢纤维分散方向之间的关系，通过固定入模流向实现了具有一定方向性的钢纤维混凝土。1984年，沈荣熹教授在钢纤维混凝土小梁试件的振捣过程中，通过磁场诱导，对受拉区钢纤维实施了单向定向。2012年，t nakamoto等将sla立体平版印刷技术与磁场结合，制备出了单向定向的短纤维增强微部件。2015年，慕儒等研制出一种外部均匀磁场设备，可使水泥基体中的钢纤维严格按照单一方向定向排列。陈驹等通过施加外部均匀磁场，利用钢渣和铁砂代替细骨料，制备了定向钢纤维磁性骨料混凝土。2019年，慕儒等利用外部环形磁场制备出环向定向的钢纤维增强水泥基复合材料管，钢纤维沿管周环向分布，提高了管的外压、内压性能和变形能力。

9、传统钢纤维水泥基复合材料在三维方向上是乱向分布的，其钢纤维方向与主应力方向不一致，减弱了钢纤维对力学性能的增强效果。为了充分利用钢纤维的增强和增韧效果，慕儒等制备了单向分布的钢纤维混凝土。研究发现，在相同纤维掺量下，与随机分布的钢纤维相比，单向分布的钢纤维可以显著提高混凝土的抗折强度和劈拉强度，并且可以通过控制钢纤维的方向来降低成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种钢纤维水泥基复合材料梯度优化和定向增强方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种钢纤维水泥基复合材料梯度优化和定向增强方法，包括以下步骤：

4、步骤1、将水泥、硅灰、粉煤灰、水、砂子、减水剂和钢纤维进行混合，得到水泥砂浆，其中，钢纤维的体积分数为1-2％；

5、步骤2、将水泥砂浆浇筑后得到混凝土胚件，利用混凝土振捣台对混凝土胚件进行振捣，振捣时间为1-6分钟，在振捣结束前一分钟打开电磁感应装置对混凝土胚件进行定向处理，振捣结束时同时结束定向处理，得到梯度优化和定向增强的钢纤维水泥基复合材料。

6、进一步的，所述钢纤维的体积分数为2％。

7、进一步的，所述电磁感应装置中电圈的匝数为80匝，电流设置为10a。

8、进一步的，所述水泥为p.0 42.5水泥，钢纤维为微丝镀铜钢纤维，圆形截面，直径0.2mm，纤维长度13mm，长径比为65，屈服强度大于1000mpa。

9、进一步的，水泥砂浆的水灰比为0.4，粘度为160毫帕秒。

10、进一步的，减水剂为聚羧酸高效减水剂。

11、本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：

12、本发明将梯度优化和定向优化结合起来，即在材料内部实现梯度分布的同时，控制材料在特定方向上的取向，可以为材料性能的优化提供更多可能性和灵活性，弥补了单一优化方法的局限性。这种综合优化方法有以下几个优点：它可以在多个方向上提升材料的性能，使其在各个方面都表现出优越的特性；具有更强的适应性，可以根据不同的工程需求和应用场景进行调整和优化；整体性能得到提升，使材料更加均衡和统一；并且有望为材料研究和工程应用带来新的突破和进展。

13、本发明后续实验中采用梯度指数计算方法定量表征不同钢纤维掺量、不同纤维取向和不同振捣时间条件下的水泥砂浆基体内纤维分布情况。振捣时间和梯度分布程度具有很强的正相关性，随着振捣时间的延长，水泥砂浆梯度指数普遍增大，梯度分布程度增高。随着纤维掺量的增加，其分层效应也更加明显，1.5％纤维掺量下梯度指数可达到2.4，远高于0.25％纤维掺量下的梯度指数。并且定向状态下的梯度分布程度普遍高于随机取向状态。

14、并通过实验发现试件抗压强度与钢纤维掺量具有很明显的正相关性。未掺钢纤维水泥基体的抗压强度为81.37mpa，随着钢纤维掺量的提升，钢纤维掺量为0.25％、0.5％、1％、1.5％、2％时，其抗压强度分别提升了1.97％、3.08％、18.05％、21.29％、28.14％；

15、并发现纤维掺量、纤维取向和纤维梯度分布程度都对水泥基材料的弯曲性能有着影响，随着振捣时间的延长、纤维在基体底部浓度增加，弯曲强度提升较大，以0.5％纤维掺量为例，弯曲强度增长率最低可达到7.32％，最高可达到35.71％。试件弯曲强度与纤维掺量呈正比，其中v2％试件的弯曲强度增长率达到87.6％。从弯曲韧性和裂后性能来看，振捣时间较长和高纤维掺量试件弯曲韧性指数有着很大的提升，载荷挠度曲线也相对饱满，力学性能表现更为优异，并且定向试件也在一定程度上加强试件的弯曲裂后性能。

16、而且在以振捣时间控制纤维梯度分布的研究中发现，振捣过程中的定向时间起点和长度设置至关重要，本发明通过综合考虑得到了适宜的定向时间起点和振捣时间长度。

17、下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。