CN117108330A

CN117108330A - 复合材料锚杆的杆体及其制造方法、复合材料锚杆

Info

Publication number: CN117108330A
Application number: CN202311210658.0A
Authority: CN
Inventors: 贺安民; 杨增福; 李果; 邹美帅; 张旭锋; 李晓东
Original assignee: Shendong Coal Branch of China Shenhua Energy Co Ltd; Guoneng Shendong Coal Group Co Ltd
Current assignee: Shendong Coal Branch of China Shenhua Energy Co Ltd; Guoneng Shendong Coal Group Co Ltd
Priority date: 2023-09-19
Filing date: 2023-09-19
Publication date: 2023-11-24

Abstract

本发明提供了一种复合材料锚杆的杆体及其制造方法、复合材料锚杆。该杆体包括：中心杆体，中心杆体包括树脂基材和分布于树脂基材并沿轴向取向排布的中心纤维，中心纤维包括玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、玄武岩纤维中的一种或多种；外部壳层，外部壳层包括一层或多层由外部纤维形成的缠绕层和/或者编织层，外部壳层包裹于中心杆体的外表面；其中，外部纤维包括玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、玄武岩纤维中的一种或多种；外部壳层的外表面具有螺纹凹痕。本发明可以解决现有技术中的复合材料锚杆杆体的抗拉强度与抗扭、及横向剪切性能不匹配的问题。

Description

复合材料锚杆的杆体及其制造方法、复合材料锚杆

技术领域

本发明涉及复合材料锚杆技术领域，具体而言，涉及一种复合材料锚杆的杆体及其制造方法、复合材料锚杆。

背景技术

锚杆支护是全球公认的煤巷经济、有效的支护方式，锚杆支护可显著提高巷道支护效果，大大简化采煤工作面端头支护和超前支护工艺，显著降低巷道维修的工作量，为采煤工作面快速推进、产量和效益的提高创造条件。

锚杆是煤巷支护主要的支护器材，我国煤矿巷道复杂困难条件分布广、类型多，尤其煤巷围岩松软破碎，又受采动影响，围岩变形大，对锚杆支护技术提出了更高、更严的要求。

由于金属锚杆易腐蚀的特性和煤矿井下使用存在安全隐患，推广复合材料锚杆的应用的需求越来越大。复合材料锚杆具有非金属化、耐久性好、重量轻、生产成本低等优点，具有替代钢制锚杆的潜在优势。据资料统计，目前普遍开发应用的是玻璃纤维增强的复合材料锚杆。现有的复合材料锚杆的杆体尾部链接部位及螺杆部分承载力低，导致整根锚杆强度降低，因此在二次采动巷道压力大、片帮严重区域存在近托盘处杆体崩断、打枪现象。并且，现有的复合材料锚杆杆体承受扭矩偏小，紧固过程中容易出现脱扣、扭断现象，同时由于不能施加较大的预紧力，明显影响锚杆支护效果。除此之外，目前的玻璃钢锚杆树脂基体普遍采用乙烯基树脂，杆体塑性变形能力差，在巷帮变形比较大的情况下容易破断。

鉴于此，有必要提供一种能够全面提升锚杆杆体的拉伸强度、抗剪切强度、扭距、杆体尾部链接部位及螺杆部分承载力等综合力学性能的新型复合材料锚杆。

发明内容

本发明的主要目的在于提供复合材料锚杆的杆体及其制造方法、复合材料锚杆，以解决现有技术中的复合材料锚杆杆体的抗拉强度与抗扭、及横向剪切性能不匹配的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种复合材料锚杆的杆体，其包括：中心杆体，中心杆体包括树脂基材和分布于树脂基材并沿轴向取向排布的中心纤维，中心纤维包括玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、玄武岩纤维中的一种或多种；外部壳层，外部壳层包括一层或多层由外部纤维形成的缠绕层和/或者编织层，外部壳层包裹于中心杆体的外表面；其中，外部纤维包括玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、玄武岩纤维中的一种或多种；外部壳层的外表面具有螺纹凹痕。

进一步地，外部壳层厚度与复合材料锚杆的杆体的半径的比为1：(6～13)；优选地，当外部壳层仅包括编织层时，外部壳层厚度与复合材料锚杆的杆体的半径的比为1：(8～12)；优选地，当外部壳层仅包括缠绕层时，外部壳层厚度与复合材料锚杆的杆体的半径的比为1：(6～8)。

进一步地，编织层中外部纤维的排布方向偏离中心杆体的轴向35～45°；优选地，编织层的编织密度为100～150g/m²优选地，编织层为菱形编织结构，其菱形夹角为60°；优选地，缠绕层为单向缠绕或者双向缠绕；优选地，当缠绕层为单向缠绕时，外部纤维的缠绕方向与中心杆体的周向呈10～15°；当缠绕层为双向缠绕时，其中一个缠绕方向与中心杆体的周向呈10～15°，另一个缠绕方向为垂直于中心杆体的周向；优选地，缠绕层的缠绕密度为20圈/10cm。

进一步地，中心杆体中，树脂基材与中心纤维的重量比为(20～25):(75～85)；更优选地，树脂基材为环氧树脂。

进一步地，螺纹凹痕的螺纹深度为1.25～1.5mm，螺距为10mm。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种上述的复合材料锚杆的杆体的制造方法，其包括以下步骤：S1，将杆体中心的材料进行树脂浸胶处理后穿过模具成型，得到杆体中心；S2，将外部纤维在杆体中心的表面进行一次或者多次的编织处理和/或者缠绕处理，形成外部结构，得到中间品；S3，沿着中间品的轴向环绕线材以形成螺纹凹痕，得到初制品；S4，将初制品进行固化处理，然后去除线材，得到复合材料锚杆的杆体。

进一步地，利用树脂组合物进行树脂浸胶处理，按重量份数计，树脂组合物包括：双酚A型环氧树脂30～50份、双酚F型环氧树脂50～70份、固化剂80～90份、阻燃剂10～15份、抗静电剂4～8份、增韧剂8～10份、促进剂2～5份；优选地，双酚A型环氧树脂的环氧当量为181～190；双酚F型环氧树脂的环氧当量为190～210；优选地，阻燃剂为含磷阻燃剂；优选为三氯乙基磷酸酯、磷酸三(2-氯丙基)酯中的一种或多种；优选地，抗静电剂为导电炭黑和碳纤维粉的组合物；优选地，导电炭黑和碳纤维粉的重量比为1：(2～5)；优选地，碳纤维粉的长度为100～250μm；优选地，固化剂为酸酐类固化剂；优选为甲基四氢邻苯二甲酸酐、甲基六氢邻苯二甲酸酐、甲基纳迪克酸酐、偏苯三酸酐、四氢邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐中的一种或多种；更优选为甲基六氢邻苯二甲酸酐和六氢邻苯二甲酸酐的组合；优选地，增韧剂为反应性增韧剂和/或者纳米橡胶增韧剂；优选地，促进剂为季铵盐、季磷盐、有机膦中的一种或多种；优选为三苯基乙基溴化膦、烷基二甲基苄基氯化铵、苄基三苯基氯化膦、四丁基碘化铵、苄基三乙基氯化铵中的一种或多种。

进一步地，编织的线轴转速为100～180r/min；优选地，缠绕轴转速为200～280r/min。

进一步地，固化处理包括以下步骤：将初制品在140～160℃下预热4～6min；然后在160～180℃下进行预固化处理3～5min；然后在190～210℃下进行固化处理2～4min。

根据本发明的另一方面，提供了一种复合材料锚杆，其包含上述的复合材料锚杆的杆体。

应用本发明的技术方案，得到了一种复合材料锚杆的杆体。本发明根据锚杆杆体在现场应用中承受的载荷类型及应力分布，通过数值模拟仿真分析，对复合材料杆体的结构及材料的组成进行了优化设计。具体地，本发明在单向纤维主体结构上增加了纤维编织层和/或者缠绕层，完成了对复合材料锚杆纤维的材料选用、纤维取向的设计，实现了高强韧纤维在锚杆关键受力部位的定向应用。在提高了锚杆的抗拉强度的同时，本发明兼顾了抗剪切、抗扭等综合性能的匹配优化。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书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示出了根据本发明的带有单向缠绕形成缠绕层的锚杆杆体示意图；以及

图2示出了根据本发明的带有双向缠绕形成缠绕层的锚杆杆体示意图；以及

图3示出了根据本发明的带有编织层的锚杆杆体示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了解决如前文所述的现有技术中的问题，根据本发明的一方面，提供了一种复合材料锚杆的杆体，其包括：中心杆体，中心杆体包括树脂基材和分布于树脂基材并沿轴向取向排布的中心纤维，中心纤维包括玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、玄武岩纤维中的一种或多种；外部壳层，外部壳层包括一层或多层由外部纤维形成的缠绕层和/或者编织层，外部壳层包裹于中心杆体的外表面；其中，外部纤维包括玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、玄武岩纤维中的一种或多种；外部壳层的外表面具有螺纹凹痕。

本发明根据锚杆杆体在现场应用中承受的载荷类型及应力分布，通过数值模拟仿真分析，对复合材料杆体的结构及材料的组成进行了优化设计。具体地，本发明在单向纤维主体结构上增加了纤维编织层和/或者缠绕层，完成了对复合材料锚杆纤维的材料选用、纤维取向的设计，实现了高强韧纤维在锚杆关键受力部位的定向应用。在提高了锚杆的抗拉强度的同时，本发明兼顾了抗剪切、抗扭等综合性能的匹配优化。

在本发明的锚杆杆体中，杆体中心主要与杆体拉伸强度相关；外部结构中，编织层主要与杆体抗剪切强度和螺纹强度相关，缠绕层主要地提升杆体扭矩。

一种典型的根据本发明的带有单向缠绕形成缠绕层的锚杆杆体示意图如图1所示。

一种典型的根据本发明的带有双向缠绕形成缠绕层的锚杆杆体示意图如图2所示。

一种典型的根据本发明的带有编织层的锚杆杆体示意图如图3所示。

在一种优选的实施方式中，外部壳层厚度与复合材料锚杆的杆体的半径的比为1：(6～13)优选地，当外部壳层仅包括编织层时，外部壳层厚度与复合材料锚杆的杆体的半径的比为1：(6～12)优选地，当外部壳层仅包括缠绕层时，外部壳层厚度与复合材料锚杆的杆体的半径的比为1：(6～8)分别将编织层和缠绕层优选为上述的各自的厚度与直径比例，有利于提升锚杆的扭矩、抗剪切性能，而不过多降低杆体抗拉强度。整体而言，外部结构的体积占比是较小的，杆体中心是锚杆的主要组成部分，保证了其能够提供较好的抗拉强度。

在一种优选的实施方式中，编织层中外部纤维的排布方向偏离中心杆体的轴向35～45°；优选地，编织层的编织密度为100～150g/m²；优选地，编织层为菱形编织结构，其菱形夹角为60°。优选上述的编织层，有利于更好地提供抗剪切性能和扭矩。排布方向不宜过大或过小；否则编织密度过小时，不能有效增加抗剪切强度；而编织密度过大时，所占的纤维体积份数增多，会大大降低抗拉强度。

在一种优选的实施方式中，缠绕层为单向缠绕或者双向缠绕；优选地，当缠绕层为单向缠绕时，外部纤维的缠绕方向与中心杆体的周向呈10～15°；当缠绕层为双向缠绕时，其中一个缠绕方向与中心杆体的周向呈10～15°，另一个缠绕方向为垂直于中心杆体的周向；优选地，缠绕层的缠绕密度为20圈/10cm。优选上述的条件，更有利于提高杆体螺纹扭矩。排布方向不宜过大或过小；缠绕密度过小时，扭矩增加不多；而编织密度过大时，所占的纤维体积份数增多，会降低抗拉强度。

在一种优选的实施方式中，外部壳层仅包括1～3的编织层；或者，外部壳层仅包括2～3层的缠绕层；或者，外部壳层具有2～4层，其中1～2层为缠绕层，其余为编织层；且，外部壳层远离中心杆体的最外层为编织层。经过模拟仿真计算，具有上述结构的锚杆杆体能够更好地均衡抗拉强度、抗剪切、抗扭性能。将编织层置于锚杆杆体的最外层，更加有利于提升锚杆的整体强度。

在一种优选的实施方式中，中心杆体中，树脂基材与中心纤维的重量比为(20～25):(75～85)；更优选地，树脂基材为环氧树脂。这些优选的材料更为适宜作为制造锚杆杆体的中心，也有利于锚杆的加工成型。

在本发明的一些实施方式中，当中心杆体中包括多种的中心纤维时，多种中心纤维可以在树脂基材中均匀地分散，也可以集中分布。

在一种优选的实施方式中，当外部纤维为碳纤维时，拉伸强度为4600～4900MPa，拉伸模量为230～250GPa；或者，当外部纤维为芳纶纤维时，拉伸强度为1200～1800MPa，拉伸模量为60～100GPa；或者，当外部纤维为玻璃纤维时，拉伸强度为900～1300MPa，拉伸模量为76～86GPa；或者，当外部纤维为玄武岩纤维时，拉伸强度为1000～1300MPa，拉伸模量为80～90GPa。对于不同的具体材料，选取的拉伸强度和拉伸模量也不同，宜根据锚杆杆体的受力特点和载荷分布，杆体中心，壳体缠绕层和编织层选用不同强度的材料。

为了进一步提升螺纹强度，在一种优选的实施方式中，螺纹凹痕的螺纹深度为1.25～1.5mm，螺距为10mm。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述的复合材料锚杆的杆体的制造方法，其包括以下步骤：S1，将杆体中心的材料进行树脂浸胶处理后穿过模具成型，得到杆体中心；S2，将外部纤维在杆体中心的表面进行一次或者多次的编织处理和/或者缠绕处理，形成外部结构，得到中间品；S3，沿着中间品的轴向环绕线材以形成螺纹凹痕，得到初制品；S4，将初制品进行固化处理，然后去除线材，得到复合材料锚杆的杆体。

上述的制造方法可以较为方便地实现连续加工成型制造。

在一种典型的实施方式中，具体的工艺过程可以为：

B1，将单向纤维按照预先设计排布，有序穿过纱架，经过导纱板排列，再穿过圆形纱孔。若选择利用多种纤维组成杆体中心，则这样的多种纤维可以集中分布，也可以分散分布。

B2，使排布好的单向纤维通过预浸树脂槽，浸透预先配置的树脂组合物，其次刮去多余的胶，以避免多余的树脂组合物影响后续的编织或者缠绕过程。将刮胶后的纤维通过管型冷模预成型成圆形纱束。冷模采用喇叭口的设计，进口处整体直径较大(约为19～29mm)，逐渐收缩，出口处仅为一个圆口，直径偏小(21～31mm)。这样的结构有利于纤维排布紧密，排除多余的胶液和气泡，同时也可以充分浸润纤维丝束。具体尺寸依据加工产品的直径确定。

B3，纤维成束后，增加杆体双向缠绕设备。在锚杆杆体单向主材料杆体上通过单向或双向缠绕增加环向纤维，得到中间品。

B4，将中间品通过圆孔型预成型模具初步成型。在初步成型的杆体上，经绕螺纹设备用预定直径高强度尼龙线按照设定的绕线速度均匀环绕在杆体上。尼龙线环绕时带有一定的张力并带有张力实时调节装置，以保证能够在外部结构上勒出螺纹凹痕。

B5，在模具烘箱内按照设定的温度程序加热固化。

B6，用解缠设备将已固化成型的锚杆上的高温线去下，得到锚杆成品，再经循环冷却水槽冷却和风机过道风干；最后经过履带式牵引设备牵引锚杆成品，牵引力为10～18kN，通过在线切割机进行定长切割，得到产品。

其中，步骤B3也可以替换为步骤B3'：增加杆体轴向编织设备。编织设备在杆体中心的径向顺时针增加四股纱线，在逆时针方向也增加四股纱线，纱线间彼此交错交叉，在杆体表面形成菱形网编织网。

或者，其中，在步骤B3和步骤B4之间，增加步骤B3'。

以上举例仅为一种典型的实施方式，在实际的生产过程中，模具可以选用本领域中常用的模具，模具的尺寸可以根据对于产品的性能需求而进行选择。

在一种优选的实施方式中，利用树脂组合物进行浸胶处理，按重量份数计，树脂组合物包括：双酚A型环氧树脂30～50份、双酚F型环氧树脂50～70份、固化剂80～90份、阻燃剂10～15份、抗静电剂4～8份、增韧剂8～10份、促进剂2～5份。将双酚A型环氧树脂和双酚F型环氧树脂复配使用，更有利于调节粘度。通过添加阻燃剂和抗静电剂，可以使产品具有相应的阻燃和抗静电效果；但是这两者的添加量不宜超过上述优选的范围，否则可能会对锚杆杆体的力学性能产生不利的影响。

在实际的操作中，上述的树脂组合物中各组分可以以任意的顺序添加、混合后搅拌均匀即可。

在一种优选的实施方式中，双酚A型环氧树脂的环氧当量为181～190，双酚F型环氧树脂的环氧当量为190～210。优选上述的环氧树脂更有利于加工成型。

在一种优选的实施方式中，阻燃剂为含磷阻燃剂；优选为三氯乙基磷酸酯、磷酸三(2-氯丙基)酯中的一种或多种。上述的阻燃剂更加有利于在不损害锚杆力学性能的前提下，提升其阻燃性能。

在一种优选的实施方式中，抗静电剂为导电炭黑和碳纤维粉的组合物；优选地，导电炭黑和碳纤维粉的重量比为1：(2-5)；优选地，碳纤维粉的长度为100～250μm。上述的抗静电剂更加有利于在不损害锚杆力学性能的前提下，提升其抗静电性能。

在现有的技术中，阻燃剂和抗静电剂的添加通常会损害锚杆的力学性能，这是因为阻燃剂和抗静电剂一般选用无机颗粒。而本发明中选用的上述优选的阻燃剂和抗静电剂避免了这样的问题，这是因为选用了有机反应性阻燃剂，和一维微观具有一定长径比的纤维的抗静电剂。

在一种优选的实施方式中，固化剂为酸酐类固化剂；优选为甲基四氢邻苯二甲酸酐、甲基六氢邻苯二甲酸酐、甲基纳迪克酸酐、偏苯三酸酐、四氢邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐中的一种或多种；更优选为甲基六氢邻苯二甲酸酐和六氢邻苯二甲酸酐的组合；优选地，增韧剂为反应性增韧剂和/或者纳米橡胶增韧剂；优选地，促进剂为季铵盐、季磷盐、有机膦中的一种或多种；优选为三苯基乙基溴化膦、烷基二甲基苄基氯化铵、苄基三苯基氯化膦、四丁基碘化铵、苄基三乙基氯化铵中的一种或多种。上述优选的各类添加剂能够较好地提供相应的效果，并且不会对锚杆的力学性能带来负面影响。在本发明中，阻燃剂为含磷阻燃剂，典型地包括：9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物。“纳米橡胶增韧剂”指环氧基团封端的聚氨酯增韧剂、核壳纳米增韧剂。

在本发明的一些实施方式中，当添加了反应性增韧剂后，粘度不会增加，固化后原位形成纳米增韧结构，增加了树脂的韧性。

为了更好地实现编织层，在一种优选的实施方式中，编织的线轴转速为100～180r/min。

为了更好地实现缠绕层，在一种优选的实施方式中，缠绕轴转速为200～280r/min。

为了使固化更加充分，在一种优选的实施方式中，固化处理包括以下步骤：将初制品在140～160℃下预热4～6min；然后在160～180℃下进行预固化处理3～5min；然后在190～210℃下进行固化处理2～4min

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

以下的实施例和对比例中，锚杆杆体的拉伸性能、抗剪切强度、抗扭强度根据标准MT/T1061-2008测定。

除非另有说明，以下所有的百分比和份数均为按重量计。

具体的实施例中双酚A型环氧树脂为E51环氧树脂，其环氧当量为181～190；

双酚F环氧树脂为170树脂，其环氧当量为190～210。

实施例1

(1)配置树脂组合物，其组成为：

双酚A型环氧树脂：40份

双酚F环氧树脂：60份

甲基四氢苯酐：86份

促进剂苄基三乙基氯化铵：5份

聚氨酯改性环氧反应性增韧剂：10份

阻燃剂三氯乙基磷酸酯：12份

抗静电剂导电炭黑：5份

(2)设计加工直径27mm的锚杆中心杆体，采用欧文斯康WS4000 4800Tex高强玻纤，杆体中心采用110桶纱，纤维束以轴向方向通过穿沙孔，经过第一道浸胶槽浸胶后穿过刮胶模，然后进入预先设计的管状冷模。

经过冷模后进行编织操作。编织设备上采用WS4000 2400Tex高强玻纤，缠绕前浸树脂。在径向顺时针增加两股纱线，在逆时针方向也增加两股纱线，在杆体表面形成一层菱形网编织网。编织层中，外部纤维的排布方向与杆体中心的轴向呈10～15°。编织层的厚度为1mm，与杆体半径的比值为1:13。编织中线轴转速为：150r/min，最终编织密度为120g/m²。

(3)形成编织层的杆体通过圆孔型预成形板初步成型。在初步成型的杆体上，经绕螺纹设备用高强度尼龙线按照设定绕线速度，均匀环绕在杆体上，尼龙线环绕时带一定的张力并带有张力实时调节装置，以保证能够在玻璃纤维圆形束上勒出螺纹凹痕。螺纹深度为1.3mm，螺距为10mm。

(4)完成螺纹缠绕后进入模具烘箱内加热固化。其中工艺参数为预热区：120℃，5min，预固化区：150℃，5min，固化区：170℃，4min。

(5)待锚杆牵引出烘箱，在解缠设备进行解缠，经冷切水槽冷却，风机风干。待牵引至在线切割处，按预先设计好的切割尺寸进行切割。

锚杆杆体拉伸强度850Mpa、抗剪切强度170Mpa、抗扭强度260N.M。

实施例2

与实施例1的区别在于，树脂组合物为：

双酚A型环氧树脂：40份

双酚F环氧树脂：60份

甲基六氢苯酐：89份

促进剂苄基三乙基氯化铵：5份

核壳结构增韧剂(MZ120)：8份

阻燃剂三氯乙基磷酸酯：15份

抗静电剂导电炭黑：5份。

并且，编织用纤维为24K大丝束碳纤维。编织层的厚度为1mm，与杆体半径的比值为1:13.5。编织中线轴转速为：150r/min，最终编织密度为100g/m²。

其余工艺条件与实施例1相同。

最终锚杆拉伸强度900Mpa、抗剪切强度190Mpa、抗扭强度310N.M。

实施例3

与实施例1的区别在于，树脂组合物为：

双酚A型环氧树脂：40份

双酚F环氧树脂：60份

甲基六氢苯酐：89份

促进剂苄基三乙基氯化铵：5份

核壳结构增韧剂(MZ120)：8份

阻燃剂三氯乙基磷酸酯：13份

抗静电剂导电炭黑：5份。

杆体主体中心部分采用欧文斯康WS4000 4800Tex高强玻纤，采用135桶纱。杆体外侧采用T700级24K大丝束碳纤维。

编织设备上采用T700级24K大丝束碳纤维。

编织层的厚度为1.2mm，与杆体半径的比值为1:11.25。编织中线轴转速为：150r/min，编织密度为100g/m²。

其余工艺条件与实施例1相同。

最终锚杆杆体拉伸强度1085Mpa、抗剪切强度210Mpa、抗扭强度320N.M。

实施例4

与实施例1的区别在于，阻燃剂的重量份数为18份，抗静电剂为10份。

其余工艺条件与实施例1相同。

最终锚杆杆体由于添加剂含量过多，树脂强度降低，与纤维界面强度低，杆体扭矩为170N.M。

实施例5

与实施例1的区别在于，采用双向缠绕，缠绕用纤维为24K大丝束碳纤维。缠绕层的厚度为1.5mm，与中心杆体的比值为1:9。

其余工艺条件与实施例1相同。

最终锚杆杆体拉伸强度925Mpa、抗剪切强度180Mpa、抗扭强度320N.M。

实施例6

与实施例5的区别在于，采用单向缠绕，缠绕用纤维为24K大丝束碳纤维。缠绕层的厚度为0.2mm。缠绕层外覆盖编织层，编织设备上采用WS4000 2400Tex高强玻纤，编织层的厚度为1mm。

其余工艺条件与实施例1相同。

最终锚杆杆体拉伸强度985Mpa、抗剪切强度190Mpa、抗扭强度340N.M。

实施例7

与实施例1的区别仅在于，编织设备上采用WS4000 2400Tex高强玻纤，编织层的厚度为2mm，与杆体半径的比值为1:6.5。编织中线轴转速为：150r/min。

其余工艺条件与实施例1相同。

最终锚杆杆体拉伸强度860Mpa、抗剪切强度170Mpa、抗扭强度320N.M。

实施例8

与实施例1的区别仅在于，树脂组合物中，不包含双酚A型环氧树脂。

其余工艺条件与实施例1相同。

最终锚杆杆体拉伸强度810Mpa、抗剪切强度135Mpa、抗扭强度150N.M。

对比例1

普通非金属锚杆杆体。

拉伸强度500～700Mpa、抗剪切强度90～120Mpa、抗扭强度80～135N.M。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明的锚杆杆体具有优良的拉伸强度、抗剪切强度和抗扭强度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种复合材料锚杆的杆体，其特征在于，包括：

中心杆体，所述中心杆体包括树脂基材和分布于所述树脂基材并沿轴向取向排布的中心纤维，所述中心纤维包括玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、玄武岩纤维中的一种或多种；

外部壳层，所述外部壳层包括一层或多层由外部纤维形成的缠绕层和/或者编织层，所述外部壳层包裹于所述中心杆体的外表面；其中，所述外部纤维包括玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、玄武岩纤维中的一种或多种；

所述外部壳层的外表面具有螺纹凹痕。

2.根据权利要求1所述的复合材料锚杆的杆体，其特征在于，所述外部壳层厚度与所述复合材料锚杆的杆体的半径的比为1：(6～13)；

优选地，当所述外部壳层仅包括所述编织层时，所述外部壳层厚度与所述复合材料锚杆的杆体的半径的比为1：(8～12)；

优选地，当所述外部壳层仅包括所述缠绕层时，所述外部壳层厚度与所述复合材料锚杆的杆体的半径的比为1：(6～8)。

3.根据权利要求1或2所述的复合材料锚杆的杆体，其特征在于，所述编织层中所述外部纤维的排布方向偏离所述中心杆体的轴向35～45°；优选地，所述编织层的编织密度为100～150g/m²优选地，所述编织层为菱形编织结构，其菱形夹角为60°；

优选地，所述缠绕层为单向缠绕或者双向缠绕；优选地，当所述缠绕层为单向缠绕时，所述外部纤维的缠绕方向与所述中心杆体的周向呈10～15°；当所述缠绕层为双向缠绕时，其中一个缠绕方向与所述中心杆体的周向呈10～15°，另一个缠绕方向为垂直于所述中心杆体的周向；优选地，所述缠绕层的缠绕密度为20圈/10cm。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的复合材料锚杆的杆体，其特征在于，所述中心杆体中，所述树脂基材与所述中心纤维的重量比为(20～25):(75～85)；更优选地，所述树脂基材为环氧树脂。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的复合材料锚杆的杆体，其特征在于，所述螺纹凹痕的螺纹深度为1.25～1.5mm，螺距为10mm。

6.一种权利要求1至5中任一项所述的复合材料锚杆的杆体的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将杆体中心的材料进行树脂浸胶处理后穿过模具成型，得到杆体中心；

S2，将外部纤维在杆体中心的表面进行一次或者多次的编织处理和/或者缠绕处理，形成外部结构，得到中间品；

S3，沿着所述中间品的轴向环绕线材以形成螺纹凹痕，得到初制品；

S4，将所述初制品进行固化处理，然后去除所述线材，得到所述复合材料锚杆的杆体。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，利用树脂组合物进行所述树脂浸胶处理，按重量份数计，所述树脂组合物包括：双酚A型环氧树脂30～50份、双酚F型环氧树脂50～70份、固化剂80～90份、阻燃剂10～15份、抗静电剂4～8份、增韧剂8～10份、促进剂2～5份；

优选地，所述双酚A型环氧树脂的环氧当量为181～190；所述双酚F型环氧树脂的环氧当量为190～210；

优选地，所述阻燃剂为含磷阻燃剂；优选为三氯乙基磷酸酯、磷酸三(2-氯丙基)酯中的一种或多种；

优选地，所述抗静电剂为导电炭黑和碳纤维粉的组合物；优选地，所述导电炭黑和所述碳纤维粉的重量比为1：(2～5)；优选地，所述碳纤维粉的长度为100～250μm；

优选地，所述固化剂为酸酐类固化剂；优选为甲基四氢邻苯二甲酸酐、甲基六氢邻苯二甲酸酐、甲基纳迪克酸酐、偏苯三酸酐、四氢邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐中的一种或多种；更优选为甲基六氢邻苯二甲酸酐和六氢邻苯二甲酸酐的组合；

优选地，所述增韧剂为反应性增韧剂和/或者纳米橡胶增韧剂；

优选地，所述促进剂为季铵盐、季磷盐、有机膦中的一种或多种；优选为三苯基乙基溴化膦、烷基二甲基苄基氯化铵、苄基三苯基氯化膦、四丁基碘化铵、苄基三乙基氯化铵中的一种或多种。

8.根据权利要求6或7所述的制造方法，其特征在于，所述编织的线轴转速为100～180r/min；

优选地，所述缠绕轴转速为200～280r/min。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述固化处理包括以下步骤：

将所述初制品在140～160℃下预热4～6min；然后在160～180℃下进行预固化处理3～5min；然后在190～210℃下进行固化处理2～4min。

10.一种复合材料锚杆，其特征在于，包含根据权利要求1至5中任一项所述的复合材料锚杆的杆体。