CN111042443A - 一种高抗压强度和延性的frp筋及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高抗压强度和延性的FRP筋及其制备方法，FRP筋由FRP芯棒，紧密包裹芯棒的FRP约束层以及螺旋缠绕于约束层上的FRP肋组成。综合运用拉挤成型和缠绕成型工艺进行生产制造，所述FRP芯棒通过拉挤成型工艺制得，所述FRP约束层由纤维浸润树脂之后在所述FRP芯棒上通过缠绕成型工艺形成，所述FRP肋由纤维束浸润树脂之后在所述FRP约束层上螺旋缠绕形成。FRP约束层为FRP芯棒提供很好的环向约束作用，有效防止FRP芯棒在受压时过早出现基体压溃和纤维扭结的问题，极大地提高FRP筋的极限抗压强度和极限抗压应变。本发明提出的FRP筋具有抗压强度高，抗压延性好，与混凝土黏结性能好等优点。

Description

一种高抗压强度和延性的FRP筋及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纤维增强复合材料的生产加工方法，特别是一种应用于土木工程、机械工程领域的高抗压强度和延性的FRP筋及其制备方法。

背景技术

传统的钢筋混凝土结构，尤其是在海洋或强腐蚀性环境中，钢筋会受到严重的锈蚀，降低结构的耐久性，进而产生安全隐患。纤维增强复合材料(Fiber ReinforcedPolymer，简称FRP)具有轻质、高强、耐腐蚀等优点，以FRP筋作为混凝土结构的纵筋、箍筋和预应力筋，可以从根本上解决筋材锈蚀的问题，显著提高混凝土结构的耐久性能。

FRP筋是由多股连续长纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，并且掺入适量的引发剂，经过特制的模具挤压、拉挤成型和表面处理形成的一种复合材料构件。纤维主要起承载作用，对FRP筋的力学性能起决定性作用，常用的纤维种类有碳纤维(Carbon fiber)、玻璃纤维(Glass fiber)、芳纶纤维(Aramid fiber)和玄武岩纤维(Basalt fiber)等；基体材料起保护、黏结、传递剪力的作用，常用的聚合物基体有环氧树脂、乙烯基酯和聚酯等。目前工程结构中常用的FRP筋主要有玻璃纤维增强聚合物筋(GFRP筋)、碳纤维增强聚合物筋(CFRP筋)、玄武岩纤维增强聚合物筋(BFRP筋)和芳纶纤维增强聚合物筋(AFRP筋)。

FRP筋抗拉强度较高，可以作为纵筋在受拉混凝土结构或混凝土构件受拉区中代替钢筋，有效提高混凝土结构的承载力。但在受压混凝土构件或混凝土构件受压区中，纵筋主要起着改善受压混凝土破坏形态以及防止混凝土发生受弯破坏的作用，而传统的FRP筋抗压强度及延性均较低，不适合在受压构件或受压区中作为纵筋，使得FRP筋的应用范围受到了限制。而抗压强度高、延性好的FRP筋，不仅可以用于立柱、桥墩、桥塔等受压构件，还可以用于混凝土构件的受压区，如混凝土梁的受压区，有效提高混凝土结构的承载能力和耐久性，具有显著的优势。

FRP筋与混凝土协同受力的前提是具有良好的黏结性能，从而确保混凝土结构具有足够的整体性。FRP筋与混凝土之间的黏结是通过FRP筋与混凝土表面的化学黏结、机械啮合及摩擦实现的，其中，化学黏结所起作用较小，主要依靠机械啮合及摩擦。为了提高FRP筋与混凝土的黏结性能，土木工程领域通常采用以下几种措施对FRP筋表面进行处理：(1)在FRP筋成形硬化前在筋上螺旋缠绕纤维束以形成纵肋；(2)采用机械法直接对FRP箍筋表面进行加工；(3)用机械法直接进行加工或用牵引链在表面压制波纹，使筋的表面呈螺纹或压痕状；(4)在FRP筋成型阶段通过具有凹凸内表面的模具，进而形成凹凸纹理；(5)在FRP筋上用纤维编织带子，形成凹凸；(6)在FRP表面进行粘砂或粘附短纤维进行处理。其中，方法(1)至(4)仅适用于直线型FRP筋，方法(5)和(6)不受FRP筋线形的限制，但是表面黏结能力差，容易从混凝土中拔出，不能有效发挥FRP筋的优势。

发明内容

本发明的目的是为了解决钢筋混凝土结构中钢筋易锈蚀和现有FRP筋抗压强度和延性较低不宜用于受压混凝土构件或混凝土构件受压区的问题，进而提出了一种高抗压强度和延性的FRP筋，并且可以和混凝土保持较好的黏结性能。

由于拉挤成型法纤维走向单一，主要承受制备时的牵引力和使用过程中沿轴向的应力，因此最终生产的材料抗扭能力差且在受压时易发生开裂。缠绕成型法具有抗内压能力强，不易开裂，工艺较灵活的特点，但生产连续性较差。

为了取长补短，本发明综合运用拉挤成型法及缠绕成型法进行生产加工。首先利用拉挤成型法制备FRP筋芯部光圆棒材，然后运用缠绕成型法形成棒材外部的FRP约束层，最后在约束层外部缠绕纤维束形成螺旋状加劲肋。本高抗压强度高延性FRP筋芯部FRP棒材的纤维走向沿着圆柱体的轴线方向，紧密缠绕包裹在棒材表面的FRP约束层中的纤维走向与圆柱体轴线方向呈α角，α角可取60～85°。此外，为了增强本FRP筋与混凝土界面的黏结性，在FRP约束层的外表面还用浸润树脂的纤维束进行螺旋缠绕，形成螺旋形的FRP肋，缠绕角β可取60°～80°。FRP约束层的纤维走向趋近于环向，在FRP芯部受压膨胀时受拉，可以很好地承受FRP芯部纤维及基体受压所产生的膨胀压力，对芯部产生强大的约束作用，因此可以大幅提高FRP筋的抗压强度和延性。

本发明的目的可以通过以下的技术方案实现：

一种高抗压强度和延性的FRP筋，由位于筋材芯部的FRP芯棒、紧密包裹芯棒的环形FRP约束层及螺旋缠绕于其上的FRP肋组成，筋材芯部的FRP棒材、紧密缠绕包裹FRP棒材的FRP约束层以及缠绕于约束层上的FRP肋均是由浸润了树脂基体的纤维束在一定温度和围压作用下固化成型的。所述FRP，可以是GFRP、CFRP、BFRP或AFRP中的任何一种或几种的组合。

本发明的有益效果在于：

FRP约束层对FRP芯棒具有良好的环向约束作用，使得制备的FRP抗压筋具有远高于普通FRP筋的抗压强度与延性。通过控制FRP约束层的缠绕层数以及缠绕角度，还可以不同程度地增强或降低FRP抗压筋的抗压强度；通过控制FRP肋的肋间距、肋宽和肋高亦可不同程度地增强或降低FRP抗压筋与混凝土的黏结性能。

附图说明

图1为一种高抗压强度和延性的FRP筋等轴侧图

图2为图1所示FRP筋正视图及侧视图

图3为图1所示FRP筋综合运用拉挤及缠绕成型工艺生产过程示意图

图4为图1所示FRP筋FRP约束层纤维缠绕方向示意图

图5为图1所示FRP筋FRP肋缠绕方向示意图

图6为图1所示FRP筋荷载-位移关系示意图

图中：1—FRP芯棒；2—FRP约束层；3—FRP肋；4—纤维纱筒；5—纱架；6—穿纱板；7—导向棒；8—浸脂槽；9—集束器；10—前部缠绕机；11—预成型装置；12—后部缠绕机；13—加热加压成型装置；14—切割装置；

具体实施方式

下面结合附图3对本发明做进一步的详细说明，本实施案例以本发明技术方案为案例进行实施。

本发明提供一种高抗压强度和延性的FRP筋及其制备方法。本发明结果可以在提高FRP筋抗压强度与延性的基础上有效提高FRP筋与混凝土的黏结性能。

本发明的目的可以通过以下的技术方案实施：

步骤一，如图3所示，首先将纤维纱线从堆放于纱架(5)上的纤维纱筒(4)表面引出，然后经过穿纱板(6)上的穿纱孔被分股牵引，在牵引力的作用下，纤维纱线进入浸脂槽(8)浸胶，胶液为环氧树脂或乙烯基酯树脂；

步骤二，浸胶后的纤维纱线通过集束器(9)被集束成纤维束整体，同时在集束器(9)内围压的作用下挤出纤维纱线上多余的树脂胶液；接着，红外加热设备开始工作，此时温度低于树脂固化温度，加热片刻初步形成FRP芯棒(1)；

步骤三，FRP芯棒(1)随后被牵引至前部缠绕机(10)正中央，此时，螺旋缠绕机(10)开始工作；调整缠绕方向对FRP芯棒(1)进行单线缠绕或双线缠绕；通过调整前部缠绕机(10)的旋转圈数，使芯棒(1)外表面包裹有设定层数的FRP约束层(2)；在预成型装置(11)的挤压模具的作用下，纤维束和树脂混合物在FRP芯棒(1)外表面编织并初步成型为FRP约束层(2)，其纤维走向与芯棒(1)轴线方向所成缠绕角α取60～85°；

步骤四，包裹有FRP约束层(2)的芯棒经过预成型装置(11)进行定型，后部螺旋缠绕机(12)随后开始启动，将纤维束缠绕在FRP约束层(2)的外表面；在纵向拉动及径向缠绕的共同作用下，最终定型为表面带有连续螺纹肋状(3)的FRP筋；FRP肋(3)中纤维走向与芯棒(1)轴向所成缠绕角β约为60～80°；

步骤五，经过上述步骤的FRP筋在牵引力作用下，传送至加热加压固化装置(13)；在这一过程中加热加压功率应与牵引速率相匹配，即要保证能达到FRP筋中树脂固化所需要的温度，固化温度为80～150℃，牵引速率为300～500mm/min；

步骤六，固化完成后将FRP筋在室温下自然冷却，然后使用切割装置(14)将FRP筋切割成设计使用长度。

下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步的阐述和说明，所述具体实施例是用于本发明，而不是限制本发明。

实施例1:

一种高抗压强度和延性的FRP筋，是由体积分数70％的连续纤维和体积分数30％树脂基体材料胶合而成。所述FRP筋由FRP芯棒、FRP约束层及FRP肋组成，且FRP约束层缠绕2层。

与未缠绕FRP约束层的FRP筋进行对照试验，按照《纤维增强塑料压缩性能试验方法》(GB/T 1448-2005)测定极限承载力和极限位移。结果表明：缠绕2层FRP约束层的FRP筋的抗压极限承载力提高了37.75％，极限压应变提高了169.02％。

实施例2:

与实施例1不同之处在于，一种高抗压强度和延性的FRP筋的FRP约束层缠绕4层。将缠绕4层FRP约束层的FRP筋与未缠绕FRP约束层的FRP筋进行对照试验，结果表明：缠绕4层FRP约束层的FRP筋的抗压极限承载力提高了128.60％，极限压应变提高了299.36％。

实施例3:

与实施例1不同之处在于，一种高抗压强度和延性的FRP筋的FRP约束层缠绕6层。将缠绕6层FRP约束层的FRP筋与未缠绕FRP约束层的FRP筋进行对照试验，结果表明：缠绕6层FRP约束层的FRP筋的抗压极限承载力提高了236.12％，极限压应变提高了336.67％。

Claims (4)

1.一种高抗压强度和延性的FRP筋，其特征在于：FRP筋包括FRP约束层(2)，该FRP约束层(2)通过缠绕成型工艺形成，紧密缠绕包裹在FRP芯棒(1)外部，FRP约束层(2)的缠绕层数根据实际需求进行设定。

2.根据权利要求1所述的一种高抗压强度和延性的FRP筋，其特征在于：所述FRP筋还包括FRP芯棒(1)和FRP肋(3)，FRP芯棒(1)通过拉挤成型工艺制得，FRP肋(3)通过缠绕成型工艺形成，FRP肋(3)以一定螺距螺旋缠绕在FRP约束层(2)外表面，FRP肋的螺距根据实际需求进行设定。

3.根据权利要求1和2所述的一种高抗压强度和延性的FRP筋，其特征在于：所述FRP是GFRP、CFRP、BFRP或AFRP中的任何一种或几种的组合。

4.根据权利要求1或2所述一种高抗压强度和延性的FRP筋的制备方法，其特征在于，所述制备方法的具体实施过程如下：

步骤一，首先将纤维纱线从堆放于纱架(5)上的纤维纱筒(4)表面引出，然后经过穿纱板(6)上的穿纱孔被分股牵引，在牵引力的作用下，纤维纱线进入浸脂槽(8)浸胶，胶液为环氧树脂或乙烯基酯树脂；

步骤二，浸胶后的纤维纱线通过集束器(9)被集束成纤维束整体，同时在集束器(9)内围压的作用下挤出纤维纱线上多余的树脂胶液；接着，红外加热设备开始工作，此时温度低于树脂固化温度，加热片刻初步形成FRP芯棒(1)；

步骤三，FRP芯棒(1)随后被牵引至前部缠绕机(10)正中央，此时，螺旋缠绕机(10)开始工作；调整缠绕方向对FRP芯棒(1)进行单线缠绕或双线缠绕；通过调整前部缠绕机(10)的旋转圈数，使芯棒(1)外表面包裹有设定层数的FRP约束层(2)；在预成型装置(11)的挤压模具的作用下，纤维束和树脂混合物在FRP芯棒(1)外表面编织并初步成型为FRP约束层(2)，其纤维走向与芯棒(1)轴线方向所成缠绕角α取60～85°；

步骤四，包裹有FRP约束层(2)的芯棒经过预成型装置(11)进行定型，后部螺旋缠绕机(12)随后开始启动，将纤维束缠绕在FRP约束层(2)的外表面；在纵向拉动及径向缠绕的共同作用下，最终定型为表面带有连续螺纹肋状(3)的FRP筋；FRP肋(3)中纤维走向与芯棒(1)轴向所成缠绕角β约为60～80°；

步骤五，经过上述步骤的FRP筋在牵引力作用下，传送至加热加压固化装置(13)；在这一过程中加热加压功率应与牵引速率相匹配，即要保证能达到FRP筋中树脂固化所需要的温度，固化温度为80～150℃，牵引速率为300～500mm/min；

步骤六，固化完成后将FRP筋在室温下自然冷却，然后使用切割装置(14)将FRP筋切割成设计使用长度。

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