CN111483036A - 超高性能混凝土纤维定向装置及其浇筑方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超高性能混凝土纤维定向装置包括进料结构、竖向并列通道、缠绕有用于产生恒定磁场的线圈的斜向并列通道和固定框架；所述进料结构安装于所述竖向并列通道的上端口，所述竖向并列通道包括多个并列布置的竖向单通道，所述斜向并列通道包括多个并列布置的斜向单通道，各所述竖向单通道与对应的各所述斜向单通道连接处形成活动关节，所述斜向并列通道与所述固定框架之间设置有角度调节装置，以使该斜向并列通道能够相对所述竖向并列通道转动；所述固定框架上安装有用于使该固定框架振动的振动装置。本发明还公开一种超高性能混凝土纤维定向浇筑方法。本发明能够适应不同工作性的超高性能混凝土，使超高性能混凝土纤维定向的效果更理想。
Description
技术领域
本发明涉及超高性能混凝土纤维定向技术，具体地，涉及一种超高性能混凝土纤维定向装置。此外，还涉及一种超高性能混凝土纤维定向浇筑方法。
背景技术
混凝土是土木工程中应用最广泛，最成熟的基本材料之一。随着科技的发展，高效减水剂、矿物超细粉料及纤维材料的发明和应用，混凝土材料向以超高强度和超高耐久性能为主要特征的超高性能混凝土方向发展。以强度为标志，混凝土的发展经历了普通强度混凝土(NSC)，高强度混凝土(HSC)，超高强度混凝土(UHPC)的发展历程。超高性能混凝土强度达到150Mpa以上，拉伸强度大于5Mpa，弹性模量大于40GMPa，且具有良好延性和耐久性的混凝土。为保证超高性能混凝土具有良好的延性和耐久性，需要掺入纤维以加强混凝土的抗裂性能。掺入的纤维可以有效分担拉应力，防止裂缝过早发生。理论上只有当纤维的分布方向与混凝土受拉方向一致时，纤维在混凝土中的粘接性能才能最大程度上提升混凝土的抗拉性能，其他方向的纤维对改善混凝土中的抗弯拉强度和韧性的效果随着方向的偏离而下降，与拉应力方向垂直的纤维对改善混凝土抗裂性能几乎没有作用。
超高性能混凝土(UHPC)内纤维取向的受超高性能混凝土浆体的流动特性，浇筑过程中浆体的流动方向及过程影响。据此有学者(Boulekbache B,Hamrat M,Chemrouk M,etal.Flowability of fibre-reinforced concrete and its effect on the mechanicalproperties of the material[J].Construction and Building Materials,2010,24(9):1664-1671.)采用浆体流动的方法来实现纤维的定向浇筑，具体实施方法为将超高性能混凝土浆体倒入模具一侧，利用超高性能混凝土浆体的重力和自密实流动性让其自动流动通道另一边，试验结果表明纤维定向效果良好。这一试验还发现纤维定向的效果与浆体在通道流动的速度梯度相关，速度梯度受通道宽度和浆体平均流动速率的影响。对于工作性较差的超高性能混凝土，较低的流动性使得其在通道中的平均流动速率和速度梯度均偏低，因此影响了纤维定向的效果。因此该方法无法适用于工作性差的超高性能混凝土，例如纤维掺量较高的超高性能混凝土。并且该试验采用模具中直接流动浇筑的方式难以有效地控制浆体的流动过程，导致超高性能混凝土的整体纤维定向效果较差，试件的承载能力提升较小。
对于磁导性材质的纤维，例如钢纤维，可以利用其磁性来实现纤维定向。现有的采用磁场来实现超高性能能混凝土的纤维定向的装置，例如中国发明专利CN106378857B，其包括：(1)UHPC浆体需要通过的圆柱形和圆台形的封闭流通通道；(2)提供磁场作用的通道壁夹层内部的螺旋线圈以及相连的直流电源和控制开关；(3)为了推动UHPC浆体流动的推杆加活塞。如图1所示，该技术方案的主要技术原理是通过磁场控制UHPC浆体内部纤维向磁感线方向旋转，从而实现纤维定向。该装置的主要问题在于使用活塞挤压浆体使其流动的过程中会导致浆体的压力增大，从而导致钢纤维受磁场作用旋转时受到的阻力更大，实际纤维定向的效果较差。因此，该装置也不适用于工作性较差的超高性能混凝土。另外，该装置的出料口偏小，使得该装置难以实现大规模的超高性能混凝土纤维定向浇筑。
综上所述，实际浇筑时，上述两种纤维定向方法的超高性能混凝土内纤维定向的效果不够理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种超高性能混凝土纤维定向装置，该超高性能混凝土纤维定向装置能够适应不同工作性的超高性能混凝土，使超高性能混凝土纤维定向的效果更理想。
本发明进一步所要解决的技术问题是提供一种超高性能混凝土纤维定向浇筑方法，该超高性能混凝土纤维定向浇筑方法能够使超高性能混凝土纤维定向的效果更理想。
为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种超高性能混凝土纤维定向装置，包括进料结构、竖向并列通道、缠绕有用于产生恒定磁场的线圈的斜向并列通道和固定框架；所述进料结构安装于所述竖向并列通道的上端口，所述竖向并列通道包括多个并列布置的竖向单通道，所述斜向并列通道包括多个并列布置的斜向单通道，各所述竖向单通道与对应的各所述斜向单通道的连接处形成活动关节，所述斜向并列通道与所述固定框架之间设置有角度调节装置，以使该斜向并列通道能够相对所述竖向并列通道转动；所述固定框架上安装有用于使该固定框架振动的振动装置。
优选地，所述角度调节装置包括安装在所述固定框架上的转轴和升降装置，所述转轴与所述斜向并列通道上表面连接且与所述活动关节区域相对，所述升降装置设置于所述斜向并列通道下表面与所述固定框架之间。
优选地，所述振动装置包括安装在所述固定框架上的振动马达和设置于所述固定框架底部的弹性结构。
典型地，所述固定框架底部还设有移动底座，所述弹性结构位于所述固定框架底部与所述移动底座之间。
更优选地，所述竖向单通道的宽度和所述斜向单通道的宽度均为2.5-3倍纤维长度，且所述斜向单通道的横截面积大于所述竖向单通道的横截面积。
本发明第二方面提供一种超高性能混凝土纤维定向浇筑方法，包括如下步骤：S1使斜向并列通道的下端口置于浇筑模具底板上方；S2将掺有纤维的UHPC浆体倒入竖向并列通道，同时使所述竖向并列通道和斜向并列通道处于振动状态；S3使所述斜向并列通道处于恒定磁场中；S4使所述竖向并列通道和斜向并列通道一同相对所述浇筑模具移动；S5浇筑完一层UHPC浆体后，抬升所述斜向并列通道的下端口，使抬升高度等于一层UHPC浆体的厚度；S6重复上述步骤S4与S5，直至完全填满所述浇筑模具，完成超高性能混凝土纤维定向浇筑。
优选地，在步骤S1中，所述斜向并列通道的下端口的下边缘距离所述浇筑模具底板的初始高度为2-3倍纤维长度。
更优选地，在步骤S4中，所述竖向并列通道和斜向并列通道一同与所述浇筑模具之间的相对移动速率为UHPC浆体在所述斜向并列通道中的流速的2倍。
具体地，所述恒定磁场的磁感应强度为0～20×10-3T；所述斜向并列通道的斜向单通道的横截面积大于所述竖向并列通道的竖向单通道的横截面积。
典型地，当浇筑有配筋的UHPC构件时，需浇筑UHPC浆体至配筋高度后，置入配筋，再继续浇筑UHPC浆体。
通过上述技术方案，本发明的有益效果如下
在本发明基本技术方案中，相对于现有技术中采用推杆驱动混凝土浆体在通道内流动的方式，本发明采用竖向并列通道与斜向并列通道结合的方式，使UHPC浆体能够在自身重力下流动，且通过振动装置能够加速UHPC浆体的流速，振动装置还能够保证UHPC浆体在流动过程中流速的稳定性，使得浇筑模具中不同位置的纤维定向效果较为稳定，如此，在UHPC浆体流经斜向并列通道时，在恒定磁场作用下，能够减少来自UHPC浆体压力所产生的阻力，使纤维受恒定磁场作用旋转时收到的阻力更小；也就是说，UHPC浆体在通道内的流动效应和磁场作用下共同促使纤维定向，得到更理想的超高性能混凝土纤维定向效果；而且，竖向并列通道由多个并列布置的竖向单通道构成，斜向并列通道由多个并列布置的斜向单通道构成，竖向单通道的宽度和斜向单通道的宽度未远大于纤维的长度，针对单个纤维来说，使得实际包裹该纤维的UHPC浆体的速度差值较大，得到较好的纤维定向效果，提升试件的承载能力。
在浇筑过程中，竖向并列通道和斜向并列通道一同移动，且两者与浇筑模具之间的相对移动速率为UHPC浆体在斜向并列通道中的流速的2倍，以保证UHPC浆体在滞空状态下两端具有足够的速度差，并保证UHPC浆体在该点受拖拽产生足够的塑性变形。
有关本发明的其他优点以及优选实施方式的技术效果，将在下文的具体实施方式中进一步说明。
附图说明
图1是现有技术的钢纤维定向增强超高性能混凝土的成型装置的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式的超高性能混凝土纤维定向装置的结构示意图；
图3是本发明具体实施方式的竖向并列通道与斜向并列通道连接关系的结构示意图；
图4是图3中的竖向并列通道与斜向并列通道连接处形成的活动关节的局部放大图；
图5是本发明具体实施方式中的浇筑的试件进行抗折试验测试得到的荷载/应力-挠度曲线图之一；
图6是本发明具体实施方式中的浇筑的试件进行抗折试验测试得到的荷载/应力-挠度曲线图之二；
图7是本发明具体实施方式中的浇筑的试件进行抗折试验测试得到的荷载/应力-位移/应变曲线图之一；
图8是本发明具体实施方式中的浇筑的试件进行抗折试验测试得到的荷载/应力-位移/应变曲线图之二；
图9是本发明具体实施方式的超高性能混凝土纤维定向浇筑方法的流程框图；
图10是本发明具体实施方式的直拉试验中试件尺寸的正视图；
图11是本发明具体实施方式的直拉试验中试件尺寸的侧视图；
图12是本发明具体实施方式的直拉试验中荷载传递装置与位移测量装置的结构示意图。
附图标记说明
1进料结构 2竖向并列通道
3线圈 4斜向并列通道
41活动关节 5固定框架
61转轴 62升降装置
71振动马达 72弹性结构
8移动底座 91交流电源
92直流电源 1a活塞
2a推杆 3a圆柱形外筒
4a圆柱形内筒 5a第一线圈
6a圆台形外筒 7a圆台形内筒
8a第二线圈 T1万向球铰关节
T2试件夹具 T3电子引伸计
T4引伸计固定架
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量，因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或更多个所述特征。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要理解的是，为了便于描述本发明和简化描述，术语“上”、“下”、“底”是以超高性能混凝土纤维定向装置本身为基准，例如，进料结构1位于竖向并列通道2的上端口，斜向并列通道4位于竖向并列通道2的下端口，移动底座8位于固定框架5的底部；术语为基于附图所示的方位或位置关系，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
中国发明专利CN106378857B提供了一种钢纤维定向增强超高性能混凝土的成型装置，在其技术方案中，如图1所示，圆柱形外筒3a套设在圆柱形内筒4a上，第一线圈5a缠绕在两者之间，圆台形外筒6a套设在圆台形内筒7a上，第二线圈8a缠绕在两者之间，接通电源后，推杆2a通过活塞1a推动UHPC浆体从圆柱形内筒4a与圆台形内筒7a内依次流过，由于活塞1a挤压UHPC浆体导致UHPC浆体的压力增大，从而导致纤维受磁场作用旋转时受到的阻力更大，实际纤维定向的效果较差；而且，出料口偏小，使得该装置难以实现大规模的超高性能混凝土纤维定向浇筑。
此外，在学者(Boulekbache B,Hamrat M,Chemrouk M,et al.Flowability offibre-reinforced concrete and its effect on the mechanical properties of thematerial[J].Construction and Building Materials,2010,24(9):1664-1671.)所作试验中，该试验采用浇筑模具中直接流动浇筑的方式难以有效地控制UHPC浆体的流动过程，一方面因为通道的宽度远大于纤维的长度，使得实际包裹某一纤维的UHPC浆体的速度差值并不大，使得纤维定向的效果较差；另一方面UHPC浆体的流动速率难以控制，UHPC浆体在流动过程中速率会逐渐下降，因此，浇筑模具中不同位置处的纤维定向效果也会不同。
也就是说，上述两种纤维定向方法只采用的单一的纤维定向原理实现超高性能混凝的纤维定向浇筑，没能够将多种纤维定向原理结合起来，因此实际浇筑时纤维定向的效果不够理想。
为此，本发明结合上述纤维定向原理，通过多个并列布置的竖向单通道形成竖向并列通道2、多个并列布置的斜向单通道形成斜向并列通道4以及线圈3产生恒定磁场的方式，既使单通道的宽度不会超过纤维的长度太多，又降低了UHPC浆体的压力对纤维受磁场作用旋转时的阻力影响；而且，振动装置可以加速UHPC浆体的流速，保证浇筑模具中不同位置的纤维定向效果的稳定性。以下结合具体实施方式对本发明的技术构思作进一步说明。
如图2至图4所示，本发明基本实施方式的超高性能混凝土纤维定向装置，包括进料结构1、竖向并列通道2、缠绕有用于产生恒定磁场的线圈3的斜向并列通道4和固定框架5；所述进料结构1安装于所述竖向并列通道2的上端口，所述竖向并列通道2包括多个并列布置的竖向单通道，所述斜向并列通道4包括多个并列布置的斜向单通道，各所述竖向单通道与对应的各所述斜向单通道的连接处形成活动关节41，所述斜向并列通道4与所述固定框架5之间设置有角度调节装置，以使该斜向并列通道4能够相对所述竖向并列通道2转动；所述固定框架5上安装有用于使该固定框架5振动的振动装置。
在上述基本技术方案中，竖向并列通道2及斜向并列通道4均被分隔成较窄的单通道，缩小了相对于纤维长度的尺寸，振动装置可以加速UHPC浆体的流速，对UHPC浆体的流动过程进行有效控制，使得UHPC浆体在通道中流动时具有较高的速度梯度；而且，UHPC浆体可以在自身重力作用下流动，振动装置可以进一步促进UHPC浆体的流动，即UHPC浆体的流动不需要活塞推动，降低了UHPC浆体的压力对纤维受磁场作用旋转时的阻力影响；从而具有较为理想的纤维定向效果，提升了试件的承载能力；此外，虽然竖向并列通道2及斜向并列通道4均被分隔成较窄的单通道，但是不影响进行大规模的超高性能混凝土纤维定向浇筑；再者，竖向并列通道2与斜向并列通道4连接处形成活动关节41，配合角度调节装置，可以调整斜向并列通道4的下端口的位置，进行分层浇筑。
其中，竖向并列通道2的各竖向单通道的下端通道部分与斜向并列通道4的各斜向单通道的上端通道部分均为圆弧段且所有圆弧均为同心圆，竖向单通道的宽度和斜向单通道的宽度约为2.5-3倍纤维长度，竖向单通道的横截面积略小于斜向单通道的横截面积，各竖向单通道能够***对应的各斜向单通道内且无直接接触，从而各竖向单通道与对应的各斜向单通道的连接部分形成活动关节41，也就是说，活动关节41为非接触式嵌套结构。而且，线圈3连接有直流电源92，为线圈3产生恒定磁场提供能量。
作为一个具体实施例，如图1所示，角度调节装置由转轴61和升降装置62构成，转轴61安装在固定框架5上的，并且，转轴61与斜向并列通道4上表面连接，活动关节41位于斜向并列通道4下表面，即转轴61与活动关节41所在区域相对设置，且靠近斜向并列通道4的上端口，升降装置62一端与斜向并列通道4下表面连接，其另一端与固定框架5连接，且升降装置62远离活动关节41，优选地，升降装置62斜向并列通道4下表面的中间区域连接。其中，升降装置62为现有的能够起到升降伸缩功能的装置，如气动型升降杆、伸缩杆、油缸等。通过转轴61、升降装置62以及活动关节41配合，能够使斜向并列通道4相对竖向并列通道2转动一定角度，实现多层浇筑操作。
在具体示例中，振动装置包括振动马达71和弹性结构72，弹性结构72设置于固定框架5底部，振动马达71安装在固定框架5上，振动马达71与交流电源91连接；其中，弹性结构72可以为弹簧等弹性件。
在浇筑过程中，为了使本发明的超高性能混凝土纤维定向装置与浇筑模具相对移动，可以将超高性能混凝土纤维定向装置安装在指定位置固定，浇筑模具放置于移动平台上，使两者相对移动，并且使浇筑模具往复运动来分层浇筑；或者，也可以使本发明的超高性能混凝土纤维定向装置移动，浇筑模具固定不动，例如，在固定框架5底部设置移动底座8，弹性结构72设置于固定框架5底部与移动底座8之间，以使振动马达71工作时带动斜向并列通道4与竖向并列通道2振动。
如图2至图4所示，本发明优选实施方式的超高性能混凝土纤维定向装置，包括进料结构1、竖向并列通道2、斜向并列通道4和固定框架5，斜向并列通道4的外表面缠绕有线圈3，线圈3与直流电源92连接，能够产生恒定磁场，作用UHPC浆体内的纤维定向转动；进料结构1安装于竖向并列通道2的上端口，竖向并列通道2设置于固定框架5内，竖向并列通道2由多个并列布置的竖向单通道构成，斜向并列通道4由多个并列布置的斜向单通道构成，竖向单通道的宽度与斜向单通道的宽度约为3倍纤维长度，竖向单通道的下端部分与斜向单通道上端部分均为圆弧段，且所有圆弧均为同心圆，竖向单通道的下端口能够***对应的斜向单通道的上端口，竖向并列通道2与斜向并列通道4连接部分形成活动关节41，斜向并列通道4上表面与活动关节41对应的部分连接有转轴61，转轴61两端分别与固定框架5上对应的两条边框可以转动地连接，斜向并列通道4下表面与固定框架5之间安装有升降装置62，驱动升降装置62伸缩，配合活动关节41与转轴，能够使斜向并列通道4相对竖向并列通道2转动；此外，固定框架5的底板上还设置有振动马达71，固定框架5底部与移动底座8之间设有弹性结构72，通过振动马达71的振动作用，可以提升UHPC浆体在通道中的流动性能和流动速率。
为了更好地理解本发明的超高性能混凝土纤维定向装置，以下结合本发明的超高性能混凝土纤维定向装置进一步对本发明的超高性能混凝土纤维定向浇筑方法进行说明。
如图9所示，本发明基本实施方式的超高性能混凝土纤维定向浇筑方法，包括如下步骤：
S1使斜向并列通道4的下端口置于浇筑模具底板上方；
S2将掺有纤维的UHPC浆体倒入竖向并列通道2，同时使所述竖向并列通道2和斜向并列通道4处于振动状态；
S3使所述斜向并列通道4处于恒定磁场中；
S4使所述竖向并列通道2和斜向并列通道4一同相对所述浇筑模具移动；
S5浇筑完一层UHPC浆体后，抬升所述斜向并列通道4的下端口，使抬升高度等于一层UHPC浆体的厚度；
S6重复上述步骤S4与S5，直至完全填满所述浇筑模具，完成超高性能混凝土纤维定向浇筑。
由上述浇筑方法可以看出，竖向并列通道2和斜向并列通道4一个竖直设置、另一个斜向设置，使得UHPC浆体在重力作用下向斜向并列通道4流动；而且，竖向并列通道2和斜向并列通道4均由多个单通道并列布置，同时使竖向并列通道2和斜向并列通道4处于振动状态，加速UHPC浆体的流速，对通道宽度和UHPC浆体平均流动速率两个方面进行了改善，从而提升了UHPC浆体在通道流动的速度梯度，使超高性能混凝土中纤维定向的效果更加理想；此外，通过使斜向并列通道4中流动的UHPC浆体处于恒定磁场中，可以进一步强化纤维定向的效果。
由上可知，本发明的超高性能混凝土纤维定向装置及超高性能混凝土纤维定向浇筑方法能够适应不同工作性的超高性能混凝土的纤维定向；工作性是反映新拌混凝土性质的概念，是指混凝土拌合物从搅拌开始到抹平，整个施工过程中易于运输、浇注、振捣、不产生组分离析，容易抹平，并获得体积稳定、结构密实的混凝土的性质；这里，着重在于新拌混凝土的流动性能、不易离析、体积稳定等。
需要说明的是，本发明的超高性能混凝土纤维定向装置适用于具有磁导性的金属纤维，例如钢纤维、镀铜钢纤维，同样适用于不具有磁导性的纤维。当适用于不具有磁导性的纤维时，只需要关闭直流电源92，使线圈3不产生恒定磁场即可。同理，也适用于本发明的超高性能混凝土纤维定向浇筑方法。而且，在实际操作中，步骤S2与S3可以同时进行，也可以颠倒顺序，对浇筑过程不会产生不利影响。
参照图2所示，本发明具体的纤维定向浇筑过程如下：
提前拌制并准备好混合有纤维的UHPC浆体，打开交流电源91启动振动马达71，将本发明的超高性能混凝土纤维定向装置置于模具浇筑方向，并使斜向并列通道4的下端口置于浇筑模具底板上方；然后持续向进料结构1倒入UHPC浆体，使UHPC浆体在振动作用下通过竖向并列通道2到达活动关节41，UHPC浆体在此处流入斜向并列通道4，同时打开直流电源92让线圈3产生恒定磁场；UHPC浆体在振动作用与磁场作用下快速通过斜向并列通道3到达其下端口处，同时移动超高性能混凝土纤维定向装置或者移动浇筑模具，沿着模具浇筑方向快速单方向移动直到浇筑完一层，利用升降装置62调整斜向并列通道4的倾斜角度，使其下端口的上升高度等于一层UHPC浆体的厚度，然后反转超高性能混凝土纤维定向装置的移动方向或者浇筑模具的移动方向，以相同的相对移动速率完成第二层的浇筑；重复上述过程，浇筑多层UHPC浆体直到完全填满模具，完成纤维定向浇筑。最终，经过自然养护得到试件。
需要说明的是，在开始浇筑时，斜向并列通道4的下端口的下边缘的初始位置需要高于浇筑模具底板2倍纤维长度至3倍纤维长度之间，这样能够保证UHPC浆体具有足够的滞空时间，保证UHPC浆体在该点受拖拽产生足够的塑性变形。而且，超高性能混凝土纤维定向装置与浇筑模具之间的相对移动速率需要保证在UHPC浆体在斜向并列通道4中的流速的2倍左右，以保证UHPC浆体在滞空状态下两端具有足够的速度差，并保证UHPC浆体在该点受拖拽产生足够的塑性变形。
其中，每层UHPC浆体浇筑完成时，斜向并列通道3的下端口的提升高度需要等于每层UHPC浆体的厚度，是为了保证每层UHPC浆体能够获得相同的纤维定向效果。振动作用主要用于提升UHPC浆体在通道中的流动性能和流动速率，振动的具体强度可以通过测试UHPC浆体的流动度来进行调整。线圈3产生的磁场磁感应强度为0～20×10-3T，具体根据UHPC浆体的黏性及纤维的尺寸做出调整。
而且，为了防止UHPC浆体从活动关节41处溢出，需要保证斜向并列通道4的单通道横截面面积大于竖向并列通道2的单通道横截面面积，浇筑过程中保证斜向并列通道4中的UHPC浆体始终处于未满状态。
此外，本发明的超高性能混凝土纤维定向装置既适用于浇筑无配筋的UHPC构件，同时也适用于浇筑有配筋的UHPC构件。当浇筑有配筋的UHPC构件时，需要分阶段后置入配筋；例如，当UHPC浆体浇筑至配筋位置高度前不能置入配筋，待UHPC浆体浇筑至配筋高度时，置入配筋，然后再继续浇筑UHPC浆体，以保证配筋UHPC构件的纤维定向浇筑的可行性。
为了对本发明的超高性能混凝土纤维定向装置及超高性能混凝土纤维定向浇筑方法在提高UHPC沿纤维定向方向的纤维取向系数、抗折强度、抗拉强度以及延性等方面的技术效果能够具有较为直观地的了解，以下通过简单的试验对比进行说明。
纤维取向系数是表征纤维定向效果的主要参数，其计算公式如下，取值介于0～1之间，纤维完全定向时纤维取向系数取1。公式中n表示试件某横截面的纤维数量，Af指纤维的横截面面积，Vf指纤维的体积掺量，A指该试件截面的面积。
UHPC的抗拉强度指UHPC在受到直接拉伸作用下的极限荷载与横截面积的比值，UHPC的抗折强度指按照《混凝土物理力学性能试验方法标准(GBT 50081-2019)》中抗折试验的非标准试件测量并按照条例10.0.5计算得到，延性指UHPC受拉或者受弯时的变形能力或应变。
本试验浇筑用UHPC基体的原料为水泥、石英砂、石英粉、硅灰、粉煤灰、聚羧酸减水剂(HRWRA)以及水，具体的配合比见下表1。UHPC中钢纤维为2％体积掺量的13mm镀铜端钩钢纤维加1％体积掺量的8mm镀铜直钢纤维。UHPC按照普通浇筑方式以及采用本发明的超高性能混凝土纤维定向装置和超高性能混凝土纤维定向浇筑方法分别浇筑两组试件进行对比，分别是普通浇筑的R-UHPC以及纤维定向浇筑的A-UHPC；试件采用自然养护，养护龄期为28天。
表1 UHPC基体配合比
两组试件通过抗折试验以及直拉试验分别测量UHPC试件在受弯状态以及纯拉状态的强度差异以及延性差异。抗折试验的试验方案具体参照《混凝土物理力学性能试验方法标准(GBT 50081-2019)》，其中试件尺寸参照该标准条例10.0.2中的非标准试件，实际采用的加载设备为美斯特YAW4206微机控制电液伺服压力试验机(最大试验力2000kN)，加载过程实时纪录荷载数据，并同时采用千分表测量跨中挠度值。直拉试验的加载装置及试件尺寸(单位：mm)具体参照图10至图12，图中未示出加载装置，该加载装置为美斯特SHT4505微机控制电液伺服万能试验机，除此之外，荷载传递装置还包括万向球铰关节T1、试件夹具T2，位移测量装置包括了钢研纳克YYU-10/25电子引伸计T3、引伸计固定架T4；直拉试件加载时，控制上述电液伺服万能试验机在两端发生强制位移并将位移作为控制参数来实施加载，荷载通过荷载传递装置将拉力传递至试件，试件在加载过程中的位移数据通过位移测量装置实施测量，同时同步记录荷载数据。每组试验测试三个试件，根据试验直接测得的荷载、位移数据可以绘制出三条原始曲线，取三个试件的荷载均值即得到三个试件的均值曲线，抗折试验测试得到的荷载/应力-挠度曲线见图5(R-UHPC)、图6(A-UHPC)，直拉试验测试得到的荷载/应力-位移/应变曲线见图7(R-UHPC)、图8(A-UHPC)。参照上述关于纤维取向系数、UHPC的抗拉强度以及UHPC的抗折强度等的计算方法，两组试件的强度、延性以及纤维取向系数见下表2所示。根据表格中数据计算可得，采用发明的超高性能混凝土纤维定向装置及超高性能混凝土纤维定向浇筑方法浇筑的UHPC试件的纤维取向系数提升24％，在受弯状态下抗折强度提升71％、延性提升74％，在受拉状态下抗拉强度提升66％、延性提升309％。
表2纤维定向前后UHPC各项指标对比
由上述对比试验可见，本发明的超高性能混凝土纤维定向装置及超高性能混凝土纤维定向浇筑方法在提高UHPC试件沿纤维定向方向的纤维取向系数、抗折强度、抗拉强度以及延性等方面具有非常显著的技术效果。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超高性能混凝土纤维定向装置，其特征在于，包括进料结构(1)、竖向并列通道(2)、缠绕有用于产生恒定磁场的线圈(3)的斜向并列通道(4)和固定框架(5)；所述进料结构(1)安装于所述竖向并列通道(2)的上端口，所述竖向并列通道(2)包括多个并列布置的竖向单通道，所述斜向并列通道(4)包括多个并列布置的斜向单通道，各所述竖向单通道与对应的各所述斜向单通道的连接处形成活动关节(41)，所述斜向并列通道(4)与所述固定框架(5)之间设置有角度调节装置，以使该斜向并列通道(4)能够相对所述竖向并列通道(2)转动；所述固定框架(5)上安装有用于使该固定框架(5)振动的振动装置。
2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土纤维定向装置，其特征在于，所述角度调节装置包括安装在所述固定框架(5)上的转轴(61)和升降装置(62)，所述转轴(61)与所述斜向并列通道(4)上表面连接且与所述活动关节(41)区域相对，所述升降装置(62)设置于所述斜向并列通道(4)下表面与所述固定框架(5)之间。
3.根据权利要求1所述的超高性能混凝土纤维定向装置，其特征在于，所述振动装置包括安装在所述固定框架(5)上的振动马达(71)和设置于所述固定框架(5)底部的弹性结构(72)。
4.根据权利要求3所述的超高性能混凝土纤维定向装置，其特征在于，所述固定框架(5)底部还设有移动底座(8)，所述弹性结构(72)位于所述固定框架(5)底部与所述移动底座(8)之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的超高性能混凝土纤维定向装置，其特征在于，所述竖向单通道的宽度和所述斜向单通道的宽度均为2.5-3倍纤维长度，且所述斜向单通道的横截面积大于所述竖向单通道的横截面积。
6.一种超高性能混凝土纤维定向浇筑方法，其中，包括如下步骤：
S1使斜向并列通道(4)的下端口置于浇筑模具底板上方；
S2将掺有纤维的UHPC浆体倒入竖向并列通道(2)，同时使所述竖向并列通道(2)和斜向并列通道(4)处于振动状态；
S3使所述斜向并列通道(4)处于恒定磁场中；
S4使所述竖向并列通道(2)和斜向并列通道(4)一同相对所述浇筑模具移动；
S5浇筑完一层UHPC浆体后，抬升所述斜向并列通道(4)的下端口，使抬升高度等于一层UHPC浆体的厚度；
S6重复上述步骤S4与S5，直至完全填满所述浇筑模具，完成超高性能混凝土纤维定向浇筑。
7.根据权利要求6所述的超高性能混凝土纤维定向浇筑方法，其中，在步骤S1中，所述斜向并列通道(4)的下端口的下边缘距离所述浇筑模具底板的初始高度为2-3倍纤维长度。
8.根据权利要求6所述的超高性能混凝土纤维定向浇筑方法，其中，在步骤S4中，所述竖向并列通道(2)和斜向并列通道(4)一同与所述浇筑模具之间的相对移动速率为UHPC浆体在所述斜向并列通道(4)中的流速的2倍。
9.根据权利要求6所述的超高性能混凝土纤维定向浇筑方法，其中，所述恒定磁场的磁感应强度为0～20×10-3T；所述斜向并列通道(4)的斜向单通道的横截面积大于所述竖向并列通道(2)的竖向单通道的横截面积。
10.根据权利要求6所述的超高性能混凝土纤维定向浇筑方法，其中，当浇筑有配筋的UHPC构件时，需浇筑UHPC浆体至配筋高度后，置入配筋，再继续浇筑UHPC浆体。
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