CN100548912C - 一种混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于混凝土结构的混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋，其主要成分包括碳纤维、芳纶纤维、乙烯基树脂、固化剂和促进剂，其中碳纤维的体积含量为5%至35%，芳纶纤维为5%至35%，乙烯基树脂为20%至30%。另外还有填料、低收缩剂、脱模剂、阻燃剂等辅助成分。本树脂筋以碳纤维束为内核，将芳纶纤维丝束三维编织在其外围，再浸渍在添加了固化剂的乙烯基树脂中，然后加热固化，拉挤成型。本材料具有良好的延展性和屈服性能，广泛应用在混凝土结构工程领域，可以作为钢筋的替代品。

Description

一种混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋

技术领域

本发明涉及一种用于混凝土结构的增强材料，尤其是一种纤维增强树脂筋。

背景技术

在混凝土建筑工程中，钢筋混凝土结构被广泛应用。这种结构充分利用了混凝土的抗压性能和钢筋的抗拉性能，已经在建筑工程领域被长期广泛应用。但是随着时间的推移，该结构的缺点也日渐明显。由于种种原因，钢筋混凝土常常产生裂缝，当裂缝扩及到钢筋时，导致钢筋腐蚀。尤其在北方严寒地区、大量使用融冰盐的环境中以及滨海地区，这种现象更加明显。钢筋腐蚀生锈影响了钢筋混凝土结构的耐久性，导致结构的提前破坏。

在2002年7月出版的《第二届全国土木工程用纤维增强复合材料应用技术学术交流会论文集》中的第18至22页、第51至61页中的论文都提出用FRP筋(FiberReinforced Polymer Rebar，纤维增强树脂筋)来取代钢筋，应用在工程领域。FRP材料不仅防腐蚀性好，而且抗拉强度高、抗疲劳性能优良且质量轻，已经在建筑工程领域逐渐得到应用。

但是FRP是线弹性材料，从受拉开始到破坏，其本构关系一直为直线，这个特点与钢筋的屈服特点完全不同，而且其延性低、结构脆性易断裂，这些制约了FRP筋混凝土在工程中的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于改善FRP材料的延展性和屈服性能，从而促进FRP筋混凝土在工程上的应用。

为解决上述技术问题，本发明提供一种混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋，其主要成分包括碳纤维、芳纶纤维、乙烯基树脂、固化剂和促进剂，它们的体积百分比分别为：碳纤维5％至35％，芳纶纤维5％至35％，乙烯基树脂20％至30％，固化剂0.5％至2％。另外还有促进剂、填料、低收缩剂、脱模剂、阻燃剂、颜料等辅助成分，其体积百分比分别为：促进剂1％至2％，填料3％至5％，其余部分所占比例一共为5％至8％。其中，固化剂主要作用是使树脂固化，其成分可以为过氧化物，如叔丁基过氧化氢、异丙苯过氧化氢、过氧化甲乙酮、过氧化环己酮、过氧化二苯甲酰、过苯甲酸叔丁酯等；促进剂主要用于降低反应的活化能，使反应在适宜温度下进行，其成分可以为二甲基苯胺、二甲基对甲苯胺、环烷酸钴、萘酸钴等；填料用于改善树脂的工艺性及成品的性能，同时降低成本，其成分可以为碳酸钙、石英粉、滑石粉；低收缩剂主要用于控制乙烯基树脂的固化收缩率，其成分可以为热塑性聚合物，如聚苯乙烯、聚醋酸乙烯；脱膜剂主要是使本产品在成型过程中脱模更容易，其成分可以为金属皂类、脂肪酸、脂肪酸酯及烯烃类腊，常用硬脂酸锌和杜邦公司的Zeleeux；阻燃剂主要用于抑制材料的燃烧，防止火灾时本材料产生助燃效果，其成分可以为三氧化二锑、水合氧化铝、氢氧化镁、硼酸盐及有机卤化物阻燃剂和有机磷化物阻燃剂，如氯化石蜡、氢氧化铝。

本混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋以碳纤维束为内核，以芳纶纤维为外围丝束，将芳纶纤维丝束三维编织在碳纤维丝束外围，再浸渍添加了固化剂的乙烯基树脂，然后加热固化，最后拉挤成型。

经过上述工艺成型的混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋，其弹性模量接近200Gpa，极限应变达到2％至3％，是CFRP筋(Carbon Fiber Reinforced PolymerRebar，碳纤维增强树脂筋)的1.5倍左右。与普通FRP筋相比，本混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋具有明显的屈服性能，层间剪切强度高、粘接性能好。

本发明所述的混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋可以广泛应用在建筑工程领域及矿井、隧道、边坡、井坑等锚固领域，比钢筋和普通FRP筋更有优势。

附图说明

图1是混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋的制备流程示意图；

图2是混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋的横断面结构示意图；

图中，1为碳纤维束内核，2为编织装置，3为芳纶纤维丝束，4为浸胶装置，5为加热模具，6为后固化装置，7为拉挤装置，8为裁切装置，9为乙烯基树脂。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式：

一、按下表所列原料及其体积百分比制备直径为15mm的混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋：

原料	体积含量
		碳纤维	35.0％
芳纶纤维	25.0％
		乙烯基树脂(双酚A丙烯酸型乙烯基酯树脂)	26.5％
固化剂(过氧化甲乙酮)	0.8％
		促进剂(环烷酸钴)	0.5％
填料(轻质碳酸钙)	4.0％
		其他成分(低收缩剂、脱模剂、阻燃剂)	8.2％

二、制备流程

如图1所示，芳纶纤维丝束3通过编织装置2三维编织在碳纤维束内核1的外表面，初步形成树脂筋主体。然后通过浸胶装置4使初步成型的树脂筋浸渍在添加了固化剂的乙烯基树脂中，使纤维丝束之间充满了添加了固化剂的乙烯基树脂。再经过加热模具5加热，使纤维丝束初步固化。再通过后固化装置6使之进一步固化。再经过拉挤装置7使之最终成型，最后在裁切装置8上切割成合适的长度。

三、材料结构

图2所示为本发明所述材料的横断面结构。中心部分1为碳纤维内核，芳纶纤维丝束3三维编织在碳纤维束内核1上。分布在碳纤维束内核1和芳纶纤维丝束3之间的是乙烯基树脂2。外缘的突出部分为编织所形成的肋，它在材料表面形成了凹凸不平的结构，增加了本材料与混凝土的接触表面积，有利于提高本材料与混凝土的粘接性能。

四、性能测试

将通过上述配方和制备方法制得的混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋放在万能试验机下测试，得到其本构关系曲线，该曲线表明，在树脂筋受力后，表现出一定的线性，之后出现一个明显的屈服阶段，直至破坏。曲线上可以明显看到屈服强度、屈服应变、极限强度和极限应变，这与钢筋的屈服特性有许多相似之处。多组实验结果表明，本树脂筋的屈服强度达到1000MPa，极限应变达到2.2％，极限强度是屈服强度的1.25倍左右。经过计算，其弹性模量达到190Gpa左右。

五、有益效果

与普通FRP筋相比，本混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋具有以下优点：

1.以三维结构编织而成，增强了筋材的层间剪切强度，克服了普通拉挤筋材容易产生分层的缺点。

2.三维编织形成的表面肋结构增强了本树脂筋与混凝土的粘接能力。

3.充分利用碳纤维的高模量和芳纶纤维的高极限延伸率(与碳纤维相比)的特点，使得本树脂筋的弹性模量接近钢筋，极限延伸率接近3％。

受力时有屈服阶段，有明显的屈服强度、屈服应变以及极限强度、极限应变，弥补了普通FRP筋的弱点，可以直接利用现行的钢筋混凝土规范。

Claims (5)

1.一种混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋，其特征在于：它主要由碳纤维、芳纶纤维、乙烯基树脂、固化剂、促进剂组成，其中，以碳纤维为内核，芳纶纤维三维编织在碳纤维外围。

2.根据权利要求1所述的混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋，其特征在于：它还含有填料、低收缩剂、脱模剂、阻燃剂。

3.根据权利要求2所述的混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋，其特征在于：各成分的体积含量分别为：碳纤维5％至35％，芳纶纤维5％至35％，乙烯基树脂20％至30％，固化剂0.5％至2％，促进剂1％至2％，填料3％至5％，低收缩剂、脱模剂、阻燃剂三者总含量控制在5％至8％。

4.根据权利要求2所述的混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋，其特征在于：固化剂的成分为叔丁基过氧化氢、异丙苯过氧化氢、过氧化甲乙酮、过氧化环己酮、过氧化二苯甲酰、过苯甲酸叔丁酯或它们中间任意两种或两种以上物质的混合物；促进剂的成分是以苯乙烯为溶剂，与二甲基苯胺、二甲基对甲苯胺、环烷酸钴、萘酸钴中任意一种物质组成的溶液；填料的成分为碳酸钙、石英粉、滑石粉或它们中间任意两种或三种的混合物；低收缩剂的成分为热塑性聚合物；脱模剂的成分为金属皂类、脂肪酸、脂肪酸酯，烯烃类腊或它们中间任意两种或两种以上物质的混合物；阻燃剂的成分为三氧化二锑、水合氧化铝、氢氧化镁、硼酸盐、有机卤化物阻燃剂、有机磷化物阻燃剂或它们中间任意两种或两种以上物质的混合物。

5.根据权利要求4所述的混杂碳纤维芳纶纤维增强树脂筋，其特征在于：所述的热塑性聚合物为聚苯乙烯、聚醋酸乙烯或它们的混合物。

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