CN117047974A - 一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置与锚固方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置与锚固方法，属于土木工程领域。解决热塑性复合材料板材在加固中混凝土结构中存在韧性差、且易发生树脂水解、塑化与纤维界面脱粘等破坏以及热固性树脂固化后无法再次融化并循环使用的问题。一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置，包括：成型模具，包括上下布置且可拆卸连接的成型上模具和成型下模具；锚固模具，包括上下布置的锚固上模具和锚固下模具，锚固上模具上端面沿复合材料板材长度方向间隔布置用于向锚固腔内注入环氧树脂胶的注胶孔和用于排出锚固腔内多余环氧树脂胶的出气孔，锚固模具前后两侧对称布置定位环。它主要作为建筑构件使用。
Description
技术领域
本发明属于土木工程领域，特别是涉及一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置与锚固方法。
背景技术
建筑物往往面临着较为复杂的服役环境，如受到环境中温度、湿度、风力、震动等多种因素交替循环作用，以及自身材料老化，施工不当和使用功能变更等自然或人为因素共同作用，使得结构产生破坏，对工程造成不利影响，严重影响正常使用及安全。尤其是混凝土结构在如海洋环境等特殊环境中易受腐蚀，耐久性差的问题更是工程建造中的一大难题。为延长构件使用寿命，每年需要巨大费用用于加固维修。
工程结构加固和修复过去常用方法主要有如对裂缝进行封闭、压浆处理的非结构性加固和如采用体外预应力的结构性加固。然而，这些方法使加固和修复后的结构自重大大增加、有效承载能力贡献不大、施工费时费力、结构外观效果受到影响，无法经济、合理和有效地延续被加固结构的服役寿命。
近年来，国外内开始采用纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)取代钢板，使加固技术发生了根本性变化。FRP具有轻质高强、易于施工及良好耐久性等优点受到了各国土木工程界的普遍关注。目前现有的混凝土结构加固技术主要为FRP板材外粘贴技术，根据其受力特点可分为普通外粘加固技术和预应力外粘加固技术。普通外粘加固技术属于被动加固方式，存在材料利用率低、加固效率低等问题。与普通外粘加固技术相比，预应力外粘加固技术则具有充分利用FRP板材的拉伸性能，通过抑制或延迟裂纹形成而显著提升被加固结构的强度和刚度。一方面，预应力FRP板材外粘加固混凝土结构需解决关键技术是FRP板材的可靠锚固，现有锚固体系存在受力不合理，易在锚固模具端部发生剪切破坏、锚固模具体积过大、施工难度高等问题。另一方面，目前采用的FRP板材主要以热固性环氧树脂为主，其三维网状交联结构导致其断裂韧性差，且易发生树脂水解、塑化与纤维界面脱粘等破坏。热固性树脂固化后无法再次融化并循环使用，其废物也不可回收再利用，既污染环境又造成资源浪费。与之相比，热塑性树脂具有韧性大，耐湿热，耐疲劳性好，可回收并循环利用，绿色环保，经济效益高等显著优势，将其应用于混凝土结构加固中有望可显著提高材料与结构的服役寿命，具有一定的经济效益。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置与锚固方法,以解决热塑性复合材料板材在加固中混凝土结构中存在韧性差、且易发生树脂水解、塑化与纤维界面脱粘等破坏以及热固性树脂固化后无法再次融化并循环使用的问题。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置，包括：
成型模具，包括上下布置且可拆卸连接的成型上模具和成型下模具，所述成型上模具和成型下模具围合而成正弦曲线形成型模腔，复合材料板材成型时设置在成型模腔内；
锚固模具，包括上下布置且可拆卸连接的锚固上模具和锚固下模具，所述锚固上模具和锚固下模具围合而成锚固腔，复合材料板材锚固时锚端设置在锚固模腔内，所述锚固上模具上端面沿复合材料板材长度方向间隔布置用于向锚固腔内注入环氧树脂胶的注胶孔和用于排出锚固腔内多余环氧树脂胶的出气孔，所述锚固模具前后两侧对称布置定位环。
更进一步的，所述成型模具以复合材料板材为中线两侧对称布置两组第一安装孔，每组第一安装孔内设置多个沿复合材料板材长度方向间隔布置的第一螺栓孔。
更进一步的，所述锚固模具以复合材料板材为中线两侧对称布置两组第二安装孔，每组第二安装孔内设置多个沿复合材料板材长度方向间隔布置的第二螺栓孔。
更进一步的，所述复合材料板材为截面形状为矩形。
更进一步的，所述锚固模腔为楔槽形状。
根据本发明的另一个方面，提供一种锚固方法，包括以下步骤：
S1、准备工作，将成型模具内部、锚固模具内部和锚固板材杂质清理干净，在成型模具成型腔内喷涂脱模剂并置于60℃烘箱内10分钟后取出；
S2、锚固板材预制，将锚固板材两锚端预先制作成波浪形，将锚固板材加热软化至可塑状态；
S3、正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材制备，将可塑状态的锚固板材置于从烘箱内取出的成型模具内固定后与成型模具一同置于加热炉中加热至树脂熔点并维持一定时间后自然冷却到室温，得到正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材；
S4、将正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材的两个锚固端分别通过定位环定位安装在对应的锚固下模具上，将锚固下模具部分的锚固腔内注入环氧树脂胶，然后将锚固上模具安装在锚固下模具上后通过注胶孔注入环氧树脂胶，当出气孔和定位环位置有环氧树脂胶溢出后停止注入环氧树脂胶并自然凝固一定时间后置于烘箱内保温一定时间，完成固化。
更进一步的，所述步骤S1中的清洁方式为利用酒精进行擦拭。
更进一步的，所述步骤S4中自然凝固的时间为24小时。
更进一步的，所述步骤S4中烘箱温度为60℃，保温时间为24小时。
更进一步的，所述步骤S4中的注胶孔注入环氧树脂的方式为通过高压注射器分次注射并缓慢振捣锚固模具。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过利用热塑性树脂加热熔化、冷却成型原理，将材料加热至树脂熔点以上，冷却成型过程通过施加成型模具约束作用，制备尺寸稳定、性能优异、贴合锚固模具的正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材，在桥梁拉索及混凝土结构加固中具有重要的应用前景；
2、成型模具内设置的正弦曲线形成型模腔通过封闭的方式能够有效限制锚固板材两端的热压延展变形，保证了锚固板材纤维锚端始终为顺纤维方向受拉，内部缺陷少，结构尺寸稳定；
3、锚固模具通过控制板材曲率增大材料的锚固面积，锚固模腔为楔槽形状使得锚固效果效率提升；
4、通过在锚固模具的锚固腔内灌注环氧树脂胶，环氧树脂胶凝固成型后与板材牢固的胶结为一个整体，拉伸过程中能够分散锚固模具产生的作用力于环氧树脂胶，降低应力集中，板材与环氧树脂胶结为整体，在实际工程环境中能够有效避免腐蚀性介质侵入锚固模具，延长使用寿命；
5、锚固模腔为楔槽形状的错位布置方式，使得能够有效利用锚固模具的物理挤压作用，节省材料，提升锚固性能。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置的方法的流程图；
图2为本发明所述的成型模具的侧视图；
图3为本发明所述的成型模具的俯视图；
图4为本发明所述的锚固模具的侧视图；
图5为本发明所述的锚固模具的俯视图。
第一螺栓孔1；复合材料板材2；成型上模具3；成型下模具4；注胶孔5；出气孔6；第二螺栓孔7；定位环8；环氧树脂胶9；锚固上模具10；锚固下模具11。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
具体实施方式一：
参见附图说明本实施方式，一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置，包括：
成型模具，包括上下布置且可拆卸连接的成型上模具3和成型下模具4，所述成型上模具3和成型下模具4围合而成正弦曲线形成型模腔，复合材料板材2成型时设置在成型模腔内；正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材在桥梁拉索及混凝土结构加固中具有重要的应用前景。
锚固模具，包括上下布置且可拆卸连接的锚固上模具10和锚固下模具11，所述锚固上模具10和锚固下模具11围合而成锚固腔，复合材料板材2锚固时锚端设置在锚固模腔内，所述锚固上模具10上端面沿复合材料板材2长度方向间隔布置用于向锚固腔内注入环氧树脂胶9的注胶孔5和用于排出锚固腔内多余环氧树脂胶9的出气孔6，所述锚固模具前后两侧对称布置定位环8。通过定位环8来安装正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材能够提高对位的精准度，便于提高锚固精度。
在本实施例中，所述成型模具以复合材料板材2为中线两侧对称布置两组第一安装孔，每组第一安装孔内设置多个沿复合材料板材2长度方向间隔布置的第一螺栓孔1。通过两侧对称分布的第一螺栓孔1，能够施加等效力矩，从而帮助成型模具固定稳定，能够保证成型精度。
优选地，每组第一安装孔内设置三个第一螺栓孔1，与M8螺栓配合使用。
在本实施例中，所述锚固模具以复合材料板材2为中线两侧对称布置两组第二安装孔，每组第二安装孔内设置多个沿复合材料板材2长度方向间隔布置的第二螺栓孔7。
优选地，每组第二安装孔内设置3个第二螺栓孔7，与M16穿孔螺栓配合使用。可拆卸的连接方式能够提高操作的便利性，且两侧对称布置的方式能够使模具两侧等效受力，提高锚固精度。
在本实施例中，所述复合材料板材2为截面形状为矩形。
在本实施例中，所述锚固模腔为楔槽形状。楔槽形状的设置能够使得能够有效利用锚固模具的物理挤压作用，节省材料，提升锚固性能。
根据本发明的另一个方面，提供一种使用上述一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置的锚固方法，包括以下步骤：
S1、准备工作，将成型模具内部、锚固模具内部和锚固板材杂质用酒精擦拭清理干净，在成型模具成型腔内喷涂脱模剂并置于60℃烘箱内10分钟后取出；
S2、锚固板材预制，将锚固板材两锚端预先制作成波浪形，将锚固板材加热软化至可塑状态；
S3、正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材制备，将可塑状态的锚固板材置于从烘箱内取出的成型模具内固定后与成型模具一同置于加热炉中加热至树脂熔点并维持一定时间后自然冷却到室温，得到正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材；确保加热炉加热温度高于热塑性树脂的熔融温度，但需要避免温度过高导致树脂产生较大流动现象；加热时间应确保板材充分软化并具有一定的变形能力；成型后正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材需在表面进行处理以增加表面粗糙度，如采用打磨、喷砂等方式进行处理，以此来提高正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材与锚具填充料之间的界面粘结性能；
S4、将正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材的两个锚固端分别通过定位环8定位安装在对应的锚固下模具11上，将锚固下模具11部分的锚固腔内注入环氧树脂胶9，然后将锚固上模具10安装在锚固下模具11上后通过注胶孔5注入环氧树脂胶9，当出气孔6和定位环8位置有环氧树脂胶9溢出后停止注入环氧树脂胶9并自然凝固24小时后置于60℃的烘箱内保温24小时，完成固化。
在本实施例中，所述步骤S4中的注胶孔5注入环氧树脂的方式为通过高压注射器分次注射并缓慢振捣锚固模具。
复合材料板材2的切割方向应确保沿纤维方向，切割误差应满足精度要求±1mm以内，切割长度和宽度根据成型模具内部成型腔尺寸来进行确定。
锚固填料除了采用环氧树脂胶外，可在环氧树脂胶内增加其他功能性粒子，如纳米TiO2、纳米SiO2、多尺度粒径的钢珠等用以提高锚固填料的刚度及其与正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材界面的粘结性能。此外，锚具四周应采用密封处理，以确保锚固填料不受外部服役环境的影响，延长锚固模具的服役寿命与可靠性。
具体实施方式二：
首先用酒精将成型模具的内部杂质清理干净，清理完毕后向成型模具内部喷涂脱模剂，然后放入60℃恒温箱中保持10分钟，取出后将玻璃纤维增强聚丙烯板材置于成型模具成型下模具4上，用热烘枪将板材加热至变软，扣紧成型上模具3，旋紧M8螺栓，置于热烘箱内加热至160℃，保持五分钟后取出。冷却后即可得到所需板材。将制得的板材穿过定位环8，放在锚固下模具11上，然后盖上锚固上模具10，旋紧M16螺栓。将TC-A环氧树脂与TC-B环氧树脂以1：0.23的质量比配比，搅拌均匀后沿注胶孔5注入锚固模具内部，待出气孔6处有胶溢出时停止注胶。在室温下静置24小时，随后用加热带包裹住锚固模具，调整温度至60℃持续24小时。将加热带取下后即可得完整的玻璃纤维增强聚丙烯板材锚固装置。
具体实施方式三：
首先用酒精将成型模具的内部杂质清理干净，清理完毕后向成型模具内部喷涂脱模剂，然后放入60℃恒温箱中保持10分钟，取出后将碳纤维增强尼龙树脂板材置于成型下模具4上，用热烘枪将板材加热至变软，扣紧成型上模具3，旋紧M8螺栓，置于热烘箱内加热至160℃，保持五分钟后取出，冷却后即可得到所需板材。将制得的板材穿过定位环8，放在锚固下模具11上，然后盖上锚固上模具10，旋紧M16螺栓。将TC-A环氧树脂与TC-B环氧树脂以1：0.23的质量比配比，搅拌均匀后沿注胶孔5注入锚固模具内部，待出气孔6处有胶溢出时停止注胶。在室温下静置24小时，随后用加热带包裹住锚固模具，调整温度至60℃持续24小时。将加热带取下后即可得完整的碳纤维增强尼龙树脂板材锚固装置。
具体实施方式四：
首先用酒精将成型模具的内部杂质清理干净，清理完毕后向成型模具内部喷涂脱模剂，然后放入60℃恒温箱中保持10分钟，取出后将玄武岩纤维增强聚丙烯板材置于成型下模具4上，用热烘枪将板材加热至变软，扣紧成型上模具3，旋紧M8螺栓，置于热烘箱内加热至160℃，保持五分钟后取出，冷却后即可得到所需板材。将制得的板材穿过定位环8，放在锚固下模具11上，然后盖上锚固上模具10，旋紧M16螺栓。将TC-A环氧树脂与TC-B环氧树脂以1：0.23的质量比配比，向混合树脂填料内添加纳米粒子，搅拌均匀后沿注胶孔注入锚固模具内部，待出气孔6处有胶溢出时停止注胶。在室温下静置24小时，随后用加热带包裹住锚固模具，调整温度至60℃持续24小时。将加热带取下后即可得完整的玄武岩纤维增强聚丙烯板材锚固装置。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (10)
1.一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置，其特征在于，包括：
成型模具，包括上下布置且可拆卸连接的成型上模具(3)和成型下模具(4)，所述成型上模具(3)和成型下模具(4)围合而成正弦曲线形成型模腔，复合材料板材(2)成型时设置在成型模腔内；
锚固模具，包括上下布置且可拆卸连接的锚固上模具(10)和锚固下模具(11)，所述锚固上模具(10)和锚固下模具(11)围合而成锚固腔，复合材料板材(2)锚固时锚端设置在锚固模腔内，所述锚固上模具(10)上端面沿复合材料板材(2)长度方向间隔布置用于向锚固腔内注入环氧树脂胶(9)的注胶孔(5)和用于排出锚固腔内多余环氧树脂胶(9)的出气孔(6)，所述锚固模具前后两侧对称布置定位环(8)。
2.根据权利要求1所述的一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置，其特征在于：所述成型模具以复合材料板材(2)为中线两侧对称布置两组第一安装孔，每组第一安装孔内设置多个沿复合材料板材(2)长度方向间隔布置的第一螺栓孔(1)。
3.根据权利要求1所述的一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置，其特征在于：所述锚固模具以复合材料板材(2)为中线两侧对称布置两组第二安装孔，每组第二安装孔内设置多个沿复合材料板材(2)长度方向间隔布置的第二螺栓孔(7)。
4.根据权利要求1所述的一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置，其特征在于：所述复合材料板材(2)为截面形状为矩形。
5.根据权利要求1所述的一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置，其特征在于：所述锚固模腔为楔槽形状。
6.一种使用如权利要求1-5中任一项所述的一种用于纤维增强热塑性树脂复合材料板材的锚固装置的锚固方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备工作，将成型模具内部、锚固模具内部和锚固板材杂质清理干净，在成型模具成型腔内喷涂脱模剂并置于60℃烘箱内10分钟后取出；
S2、锚固板材预制，将锚固板材两锚端预先制作成波浪形，将锚固板材加热软化至可塑状态；
S3、正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材制备，将可塑状态的锚固板材置于从烘箱内取出的成型模具内固定后与成型模具一同置于加热炉中加热至树脂熔点并维持一定时间后自然冷却到室温，得到正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材；
S4、将正弦曲线型纤维增强树脂复合材料板材的两个锚固端分别通过定位环(8)定位安装在对应的锚固下模具(11)上，将锚固下模具(11)部分的锚固腔内注入环氧树脂胶(9)，然后将锚固上模具(10)安装在锚固下模具(11)上后通过注胶孔(5)注入环氧树脂胶(9)，当出气孔(6)和定位环(8)位置有环氧树脂胶(9)溢出后停止注入环氧树脂胶(9)并自然凝固一定时间后置于烘箱内保温一定时间，完成固化。
7.根据权利要求6所述的一种锚固方法，其特征在于：所述步骤S1中的清洁方式为利用酒精进行擦拭。
8.根据权利要求6所述的一种锚固方法，其特征在于：所述步骤S4中自然凝固的时间为24小时。
9.根据权利要求6所述的一种锚固方法，其特征在于：所述步骤S4中烘箱温度为60℃，保温时间为24小时。
10.根据权利要求6所述的一种锚固方法，其特征在于：所述步骤S4中的注胶孔(5)注入环氧树脂的方式为通过高压注射器分次注射并缓慢振捣锚固模具。
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