CN117183425A - 一种热塑性frp筋笼及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热塑性FRP筋笼及其制备方法。本发明热塑性FRP筋笼的制备方法通过采用两次熔融的方式以及选用热塑性LCP纤维复材带，使热塑性FRP纵筋、热塑性FRP箍筋和热塑性LCP纤维复材带在节点处通过熔融的方式互相渗透、充分融合，提高了节点处的结构整体性，也提高了节点处的力学性能，有利于提高热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋连接的节点处强度。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，更具体地，涉及一种热塑性FRP筋笼及其制备方法。
背景技术
纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer，简称FRP)作为新兴材料具有质量轻、强度高以及耐久性好等优良特性，将其制成FRP筋用于混凝土结构可以从根本上解决传统钢筋混凝土结构的耐久性问题。按FRP成型过程中所采用树脂的差异，FRP可分为热固性FRP和热塑性FRP，热固性FRP是目前桥梁工程中最常使用的材料，但其存在断裂韧性低、固化周期长、环境适应性差及难回收利用等缺点，此外，热固性FRP一旦固化成型后，相应的制品形状便无法改变，这就使得热固性FRP箍筋的成型较为困难，降低了FRP筋在实际工程中的使用便捷性以及效率性。而热塑性FRP不仅具备热固性FRP所拥有的力学特性优点，还具备韧性好、环境适应性强、容易回收、抗冲击性能优异以及可二次成型的特点，将其制成热塑性FRP筋装配成热塑性FRP筋笼用于混凝土墩柱或混凝土梁等构件时，不仅能提升实际工程的效率性，同时也改善了混凝土结构的耐久性。
但是，将利用热塑性FRP制成的热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋制备热塑性FRP筋笼用于混凝土墩柱或混凝土梁等构件时，发现热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋连接的节点处强度弱，使热塑性FRP筋笼容易在节点处出现破损，降低热塑性FRP筋笼的使用寿命。
因此，开发一种能够提高热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋连接的节点处强度的热塑性FRP筋笼的制备方法，是具有重要意义的。
发明内容
本发明的首要目的是克服现有技术中热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋连接的节点处强度差的问题，提供一种热塑性FRP筋笼的制备方法。
本发明的另一目的是提供一种热塑性FRP筋笼。
本发明上述技术目的通过以下技术方案实现：
一种热塑性FRP筋笼的制备方法，包括如下步骤：
S1.将热塑性FRP纵筋置于热塑性FRP箍筋的内侧使热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋接触连接；
S2.在热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋的接触连接处进行熔融处理，使热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋融合在一起，形成节点；
S3.采用热塑性LCP(Liquid Crystal Polyester，液晶高分子聚合物)纤维复材带绑扎所述节点；
S4.对热塑性LCP纤维复材带进行熔融处理，使其与所述节点结合，得到所述热塑性FRP筋笼；
其中，所述热塑性LCP纤维复材带由含液晶聚芳酯纤维的纤维层通过层合结构构成，且层与层之间通过树脂进行黏结；所述热塑性LCP纤维复材带的宽度为2～5cm。
本发明通过采用两次熔融的方式以及选用热塑性LCP纤维复材带，使热塑性FRP纵筋、热塑性FRP箍筋和热塑性LCP纤维复材带在节点处通过熔融的方式互相渗透、充分融合，提高了节点处的结构整体性，也提高了节点处的力学性能，有利于提高热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋连接的节点处强度。
当热塑性LCP纤维复材带的宽度在2～5cm范围内时，可以增大其与热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋的接触面积，从而更好地发挥热塑性LCP纤维复材带通过绑扎带来的约束性能，有利于提高节点处的结构整体性，同时也有利于提高节点处的力学性能，因此能够更好地提高热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋连接的节点处强度。
但是当热塑性LCP纤维复材带的宽度过宽时，会使热塑性LCP纤维复材带在绑扎过程中出现扭结褶皱，反而不利于约束性能的发挥，影响节点处的结构整体性，会降低节点处的力学性能，不能够更好地提高热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋连接的节点处强度。
具体地，所述热塑性LCP纤维复材带的宽度为4～5cm。
具体地，所述含液晶聚芳酯纤维的纤维层由液晶聚芳酯纤维通过编织制得，或者由液晶聚芳酯纤维和辅助纤维通过编织制得。
进一步地，所述辅助纤维为碳纤维、玄武岩纤维或玻璃纤维中的一种或多种。
在本发明中，所述编织的可以是二维编织的方式，也可以是三维编织的方式，其中二维编织的结构为平纹、斜纹或缎纹中的一种，三维编织的结构为三维四向、三维五向、三维六向或三维七向中的一种。
本领域所用树脂均可用于本发明，比如环氧树脂、酚醛树脂和聚酯树脂等等。
本领域所用液晶聚芳酯纤维均可用于本发明，比如聚嘉的系列、金发科技的VicrystTM系列、沃特的/>系列、普利特的PRET系列、日本三菱化学的系列等等。
具体地，所述热塑性LCP纤维复材带中纤维层的层数为2～8层。
进一步地，所述热塑性LCP纤维复材带中纤维层的层数为6～8层。
具体地，所述热塑性FRP纵筋和/或热塑性FRP箍筋为热塑性碳纤维增强复合材料(CFRTP)筋、热塑性玄武岩纤维增强复合材料(BFRTP)筋、热塑性玻璃纤维增强复合材料(GFRTP)筋或热塑性芳纶纤维增强复合材料(AFRTP)筋中的一种或多种。
在本发明中，热塑性碳纤维增强复合材料(CFRTP)筋是以碳纤维为增强体、热塑性树脂为基体制备的一种复合材料；热塑性玄武岩纤维增强复合材料(BFRTP)筋是以玄武岩纤维为增强体、热塑性树脂为基体制备的一种复合材料；热塑性玻璃纤维增强复合材料(GFRTP)筋是以玻璃纤维为增强体、热塑性树脂为基体制备的一种复合材料；热塑性芳纶纤维增强复合材料(AFRTP)筋是以芳纶纤维为增强体、热塑性树脂为基体制备的一种复合材料；使用的热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯或聚酰胺中的一种或多种。
进一步地，所述热塑性FRP纵筋和/或热塑性FRP箍筋为CFRTP筋、BFRTP筋或AFRTP筋中的一种或多种。
热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋的节点处强度随热塑性FRP纵筋与热塑性FRP箍筋种类的不同而有所差距。与GFRTP筋相比，当使用CFRTP筋、BFRTP筋或AFRTP筋时，节点处强度会较高，这可能是因为CFRTP筋、BFRTP筋或AFRTP筋与热塑性LCP纤维复材带之间的互相渗透和融合的程度强于GFRTP筋与热塑性LCP纤维复材带之间的互相渗透和融合的程度。
具体地，所述热塑性FRP箍筋的形状为圆形、螺旋形或矩形中的一种。
具体地，所述热塑性FRP纵筋和/或热塑性FRP箍筋的直径为1～2cm。
具体地，所述绑扎是指交叉往复缠绕。
具体地，所述绑扎的圈数为3～6圈。
一种热塑性FRP筋笼，由上述制备方法制备得到。
本发明的热塑性FRP筋笼可用于混凝土构件中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过采用两次熔融的方式以及选用热塑性LCP纤维复材带，使热塑性FRP纵筋、热塑性FRP箍筋和热塑性LCP纤维复材带在节点处通过熔融的方式互相渗透、充分融合，提高了节点处的结构整体性，也提高了节点处的力学性能，有利于提高热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋连接的节点处强度。
附图说明
图1为实施例1热塑性FRP筋笼的制备方法流程图；
图2为实施例1热塑性FRP筋笼的结构示意图；
图3为实施例11热塑性FRP筋笼的结构示意图；
图4为实施例12热塑性FRP筋笼的结构示意图；
图1～4中，1-热塑性FRP纵筋，2-热塑性FRP箍筋，3-热塑性LCP纤维复材带，4-电加热设备。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下例实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规条件或按照制造厂商建议的条件；所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为可从常规市场等商业途径得到的原料和试剂。本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
在本发明各实施例和对比例中，所述CFRTP筋、BFRTP筋、AFRTP筋和GFRTP筋中使用的热塑性树脂均为聚丙烯；所述液晶聚芳酯纤维为宁波聚嘉新材料科技有限公司的系列中的JA280，且其成型温度为285℃。
实施例1
本实施例提供一种热塑性FRP筋笼，其制备方法包括如下步骤，如图1所示：
S1.将热塑性FRP纵筋1置于热塑性FRP箍筋2的内侧使热塑性FRP纵筋1和热塑性FRP箍筋2接触连接；
S2.采用电加热设备4在热塑性FRP纵筋1和热塑性FRP箍筋2的接触连接处进行熔融处理，使热塑性FRP纵筋1和热塑性FRP箍筋2融合在一起，形成节点；
S3.采用热塑性LCP(Liquid Crystal Polyester，液晶高分子聚合物)纤维复材带3通过交叉往复缠绕绑扎所述节点，并勒紧，使热塑性LCP纤维复材带3的内表面紧贴在热塑性FRP纵筋1和热塑性FRP箍筋2的外表面上；
S4.采用电加热设备4对热塑性LCP纤维复材3带进行熔融处理，使其与所述节点结合，得到所述热塑性FRP筋笼，如图2所示；
其中：
所述热塑性LCP纤维复材带由含液晶聚芳酯纤维的纤维层通过层合结构构成，且层与层之间通过环氧树脂进行黏结，且纤维层的层数为4层；
所述含液晶聚芳酯纤维的纤维层由液晶聚芳酯纤维通过编织制得，编织采用的是二维编织的方式，结构为斜纹；
所述绑扎的圈数为4圈；所述热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋均为热塑性碳纤维增强复合材料(CFRTP)筋；所述热塑性FRP箍筋的形状为圆形；所述热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋的直径均为2cm；所述热塑性LCP纤维复材带的宽度为3cm。
实施例2～4和对比例1～2
实施例2～4和对比例1～2提供不同的热塑性FRP筋笼，其制备方法与实施例1的差别仅在于热塑性LCP纤维复材带的宽度是不同的，其余均与实施例1一致，具体如下表所示：
表1实施例1～4和对比例1～2热塑性LCP纤维复材带的宽度
| 热塑性LCP纤维复材带的宽度/cm | |
| 实施例1 | 3 |
| 实施例2 | 2 |
| 实施例3 | 4 |
| 实施例4 | 5 |
| 对比例1 | 8 |
| 对比例2 | 1 |
实施例5～7
实施例5～7提供不同的热塑性FRP筋笼，其制备方法与实施例1的差别仅在于热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋的种类是不同的，其余均与实施例1一致，具体如下表所示：
表2实施例1和5～7热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋的种类
| 热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋的种类 | |
| 实施例1 | CFRTP筋 |
| 实施例5 | BFRTP筋 |
| 实施例6 | AFRTP筋 |
| 实施例7 | GFRTP筋 |
实施例8～10
实施例8～10提供不同的热塑性FRP筋笼，其制备方法与实施例1的差别仅在于热塑性LCP纤维复材带中纤维层的层数是不同的，其余均与实施例1一致，具体如下表所示：
表3实施例1和8～10纤维层的层数
| 纤维层的层数/层 | |
| 实施例1 | 4 |
| 实施例8 | 2 |
| 实施例9 | 6 |
| 实施例10 | 8 |
实施例11
本实施例提供一种热塑性FRP筋笼，其制备方法与实施例1的差别仅在于热塑性FRP箍筋的形状为螺旋形，得到的热塑性FRP筋笼如图3所示，其余均与实施例1一致。
实施例12
本实施例提供一种热塑性FRP筋笼，其制备方法与实施例1的差别仅在于热塑性FRP箍筋的形状为矩形，得到的热塑性FRP筋笼如图4所示，其余均与实施例1一致。
对比例3
本对比例提供一种热塑性FRP筋笼，其制备方法与实施例1的差别仅在于不进行步骤S2，其余均与实施例1一致。
对比例4
本对比例提供一种热塑性FRP筋笼，其制备方法与实施例1的差别仅在于不使用热塑性LCP纤维复材带，即：
S1.将热塑性FRP纵筋1置于热塑性FRP箍筋2的内侧使热塑性FRP纵筋1和热塑性FRP箍筋2接触连接，连接处为节点；
S2.采用电加热设备4对节点加热至450℃进行熔融处理，冷却固化，得到热塑性FRP筋笼；
其余均与实施例1一致。
对比例5
本对比例提供一种热塑性FRP筋笼，其制备方法与实施例1的差别仅在于用热塑性碳纤维增强复合材料(CFRTP)带代替热塑性LCP纤维复材带，而且热塑性碳纤维增强复合材料(CFRTP)带跟CFRTP筋的差别仅在于材料的形状不同，CFRTP带是宽度为3cm的带状物，其余均与实施例1一致。
对比例6
本对比例提供一种热塑性FRP筋笼，其制备方法与实施例1的差别仅在于用单层的含液晶聚芳酯纤维的纤维层代替热塑性LCP纤维复材带，其余均与实施例1一致。
性能测试
对各实施例和各对比例的热塑性筋笼进行节点处强度测试，具体测试过程为：用MTS1000万能试验机对各实施例和各对比例的热塑性筋笼的节点施加拉力，当箍筋和纵筋完全分离时实验停止，从而测得不同热塑性筋笼节点的强度。
测试结果如下所示：
表4实施例1～4和对比例1～2的节点强度测试结果
| 热塑性LCP纤维复材带的宽度/cm | 节点强度/MPa | |
| 实施例1 | 3 | 45 |
| 实施例2 | 2 | 35 |
| 实施例3 | 4 | 52 |
| 实施例4 | 5 | 56 |
| 对比例1 | 8 | 26 |
| 对比例2 | 1 | 19 |
从表4可知，当热塑性LCP纤维复材带的宽度在2～5cm范围内时，能够提高热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋连接的节点处强度。
当热塑性LCP纤维复材带的宽度在2～5cm范围内时，可以更好地增大其与热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋的接触面积，从而更好地发挥热塑性LCP纤维复材带通过绑扎带来的约束性能，有利于提高节点处的结构整体性，同时也有利于提高节点处的力学性能，因此能够更好地提高热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋连接的节点处强度。
而对比例1可能因为热塑性LCP纤维复材带的宽度过宽使热塑性LCP纤维复材带在绑扎过程中出现扭结褶皱，反而不利于约束性能的发挥，影响节点处的结构整体性，会降低节点处的力学性能，不能够更好地提高热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋连接的节点处强度。
表5实施例1和5～7的节点强度测试结果
| 热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋的种类 | 节点强度/MPa | |
| 实施例1 | CFRTP筋 | 45 |
| 实施例5 | BFRTP筋 | 48 |
| 实施例6 | AFRTP筋 | 40 |
| 实施例7 | GFRTP筋 | 35 |
从表5可知，与GFRTP筋相比，当使用CFRTP筋、BFRTP筋或AFRTP筋时，节点处强度会较高，这可能是因为CFRTP筋、BFRTP筋或AFRTP筋与热塑性LCP纤维复材带之间的互相渗透和融合的程度强于GFRTP筋与热塑性LCP纤维复材带之间的互相渗透和融合的程度。
表6实施例1和8～10纤维层的层数
| 纤维层的层数/层 | 节点强度/MPa | |
| 实施例1 | 4 | 45 |
| 实施例8 | 2 | 37 |
| 实施例9 | 6 | 52 |
| 实施例10 | 8 | 55 |
从表6可知，当热塑性LCP纤维复材带中纤维层的层数在2～8层范围内时，特别是在6～8层范围内时，能够更好地提高热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋连接的节点处强度。
表7实施例1和对比例3～6的节点强度测试结果
从表7可知，缺少步骤S2或热塑性LCP纤维复材带，以及用CFRTP带或单层的含液晶聚芳酯纤维的纤维层代替热塑性LCP纤维复材带，均会大幅度降低热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋连接的节点处强度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种热塑性FRP筋笼的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将热塑性FRP纵筋置于热塑性FRP箍筋的内侧使热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋接触连接；
S2.在热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋的接触连接处进行熔融处理，使热塑性FRP纵筋和热塑性FRP箍筋融合在一起，形成节点；
S3.采用热塑性LCP纤维复材带绑扎所述节点；
S4.对热塑性LCP纤维复材带进行熔融处理，使其与所述节点结合，得到所述热塑性FRP筋笼；
其中，所述热塑性LCP纤维复材带由含液晶聚芳酯纤维的纤维层通过层合结构构成，且层与层之间通过树脂进行黏结；所述热塑性LCP纤维复材带的宽度为2～5cm。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述热塑性LCP纤维复材带的宽度为4～5cm。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述热塑性FRP纵筋和/或热塑性FRP箍筋为CFRTP筋、BFRTP筋、GFRTP筋或AFRTP筋中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述热塑性FRP纵筋和/或热塑性FRP箍筋为CFRTP筋、BFRTP筋或AFRTP筋中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述热塑性FRP箍筋的形状为圆形、螺旋形或矩形中的一种。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述含液晶聚芳酯纤维的纤维层由液晶聚芳酯纤维通过编织制得，或者由液晶聚芳酯纤维和辅助纤维通过编织制得。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述热塑性LCP纤维复材带中纤维层的层数为2～8层。
8.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述热塑性LCP纤维复材带中纤维层的层数为6～8层。
9.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述热塑性FRP纵筋和/或热塑性FRP箍筋的直径为1～2cm。
10.一种热塑性FRP筋笼，由权利要求1～9任一所述制备方法制备得到。
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