[发明专利]一种高抗压强度和延性的FRP筋及其制备方法

说明书

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。

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。