2.1　成型方法

本節主要介紹GFRP直線狀態筋材成型方法。由于GFRP產品以直線狀態為主，與此對應成型方法有：拉擠成型、拉擠-纏繞成型、拉擠-模壓成型三類，下面說明其特點及在GFRP筋、板材成型中的應用。

2.1.1　拉擠成型

用于連續纖維增強復合材料棒材、型材、條板及管材等，在縱向具有極高的強度與剛度，纖維含量一般為60%～70%（體積分數）。所用增強材料主要是連續玻璃纖維無捻紗，輔助以粗格子布、短切氈等。

拉擠成型有兩種工藝：一種是將纖維材料浸過含有引發劑的樹脂后，被拉擠通過模具，把多余樹脂擠出，然后通過模具的加熱段使得樹脂固化定型后，最后被拉擠出來；另一種是在恒定的拉擠速度下將纖維材料引進加熱的模具內，同時將已引發的樹脂注射入模具，使纖維充分浸漬，并凝膠固化成型。前一種方法需用適用期較長的樹脂體系，后一種方法需用適用期較短的樹脂體系，且樹脂注射壓力為0.1～0.5MPa，為加速固化，也可將纖維預熱到100℃左右，再通過模具。

拉擠成型的兩種工藝用于不同的GFRP材料，第一種工藝用于通常的GFRP材料，所對應的樹脂體系主要是熱固性樹脂（如環氧樹脂、乙烯基酯樹脂和不飽和聚酯樹脂）；第二種工藝用于需要二次加工的GFRP材料，所對應的樹脂體系主要是熱塑性樹脂（如聚氨酯樹脂），此兩類應用差異很大。由于第一種工藝在第1章以及本章的2.2～2.5節有較詳細的說明，下面重點說明第二種工藝及應用。

玻璃纖維增強熱塑性聚氨酯拉擠成型技術是一項很有發展前途的技術，國內外都有研究。其中Fulcrum熱塑性復合材料技術公司報道，該公司擁有自己專有的熱塑性拉擠技術及系列產品，該系列產品以工程塑料聚氨酯為基體，以連續玻璃纖維為增強材料，采用快速連續成型的熱塑性拉擠工藝加工成型。拉擠產品有空心管、實心棒、各種型材等多種類型，其中空心管的內徑為3.0～40.0mm，外徑為4.6～43.0mm，實心棒的直徑范圍為4.6～12.7mm。其典型性能見表2-1。

由于采用熱塑性聚氨酯為基體材料，因而可以通過二次熱成型將拉擠產品加工成最終使用的復合材料制品，下面以GFRP箍筋為例進行說明。

對于土木工程用增強混凝土的GFRP箍筋而言，采用玻璃纖維增強熱塑性聚氨酯拉擠技術制備出的GFRP直筋，在需要彎曲的部位，進行現場二次加熱、加壓，然后彎曲成型，最后冷卻到常溫而定型，因而彎曲部位形狀基本可以保持圓形或橢圓形，且彎曲部位能夠承受一定的壓力和彎矩，由此制備出的箍筋，會比傳統采用玻璃纖維浸漬熱固性樹脂，然后用模壓方式生產得到的箍筋，具備更好的性能且成本更低。

將表2-1與表1-9對比，玻璃纖維含量（體積分數）為59%的玻璃纖維增強熱塑性聚氨酯材料的拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量高于玻璃纖維含量（體積分數）為75%的玻璃纖維增強熱塑性聚丙烯材料對應的性能，并且高于GB 50608—2010標準要求的熱固性GFRP筋最低性能指標。

對比聚丙烯和聚氨酯，聚丙烯能夠耐受混凝土的堿性，而聚氨酯則容易被混凝土的強堿性降解，因而玻璃纖維增強熱塑性聚氨酯制備出的直筋和箍筋，都需要在其表面再次涂覆耐混凝土堿性的抗腐蝕層，但表2-1中，此復合材料的熱變形溫度、玻璃化溫度較低，對抗腐蝕層材料及涂裝工藝限制很多。此外，玻璃纖維增強熱塑性聚氨酯材料的拉擠速度與玻璃纖維增強熱固性樹脂接近，只有表1-9對應速度的1/100～1/50，這是由熱塑性聚氨酯通過反應達到的分子鏈、分子量增長速度決定的，此方面反應與熱固性樹脂交聯類似，因而速度受到限制。而聚丙烯自身就是高分子物質，玻璃纖維增強熱塑性聚丙烯材料成型只是加熱熔融樹脂、纖維浸漬、樹脂冷卻定型過程，因而速度提升空間較大；同時，玻璃纖維增強熱塑性聚丙烯材料具有比玻璃纖維增強熱塑性聚氨酯材料更高的熱變形溫度。

總之，在混凝土增強用筋材方面，玻璃纖維增強熱塑性聚氨酯材料具有潛在的優勢，但存在問題不少，如果這些問題得到克服，則會有一定應用前景。

與上述第二種工藝形成對比，第一種工藝更加成熟，下面說明。

對于巖土工程錨固用GFRP錨索而言，需要錨索具有更高的強度和模量，此類錨索是由數根小直徑的拉索組成，采用熱固性樹脂體系（為了制造順利，通常在樹脂體系中加入脫模劑）制備出的拉索，在制造錨固系統時，采用局部打磨的方法以除去拉索表面的脫模劑成分以增加黏結能力，可用環氧樹脂、石英砂等將數根拉索錨固在錨頭中，通過施加預應力而實現錨固，更詳細的內容見2.4.3“端部錨固系統”。

為了實現型材中樹脂的良好固化，主要方法是使模具加熱，對于斷面較小或較薄而均勻的型材，可用加熱板直接接觸模具進行加熱。對于斷面較大或圓形、方形棒料，或斷面厚薄不均勻時，需要采用高頻加熱使得型材中的樹脂迅速均勻固化，或在模具以后再另外連接一個隧道固化爐進行后固化。除濕法浸漬外，還可用預浸料進行干法拉擠。預浸料在加熱模具中通過時，樹脂熔化，被壓縮成規則斷面而固化。此外，拉擠法還可用于夾芯板材的生產，即兩側是纖維增強聚合物片材保護層、中間是夾芯材料的強度高而重量輕的型材。由這些方法可以生產GFRP片材、夾芯板材，用環氧樹脂、胺類固化劑將這些材料黏結在混凝土結構外側，以提高結構承載能力。

2.1.2　拉擠-纏繞成型

根據生產的過程可分為：先拉擠-后纏繞、拉擠-纏繞同步兩種方法，下面依次說明各自的特點和應用。

2.1.2.1　先拉擠-后纏繞方法

由拉擠成型方法可知，此類產品表面光滑且橫截面尺寸在全長范圍保持不變，因而產品縱向具有極高的強度與剛度，纖維含量（體積分數）一般為60%～70%，但對于混凝土結構、巖土工程、煤礦支護而言，需要桿體與混凝土、巖土、煤層具有一定的錨固能力，因而采用拉擠法生產出的產品難以滿足使用要求，需要在產品表面再纏繞纖維增強聚合物粗紗以形成長度方向表面凹凸不平狀態，生產分為兩個階段且優缺點與此密切有關。

在巖土工程、煤礦支護中，錨桿的尾部錨固系統很重要，由于尾部錨固系統受力復雜且承載能力很大，因而需要比其他部位更好的強度和剛度，甚至最好得到強化，采用先拉擠-后纏繞方法生產出的錨桿可滿足此要求。

采用熱固性樹脂（通常為不飽和聚酯樹脂及引發劑等，如果是煤礦使用，還需要添加阻燃劑、抗靜電劑等成分），以連續玻璃纖維為增強材料，先采用定長拉擠工藝制造出一定長度、直徑的桿體，并使尾部不固化。在尾部套上一定長度、厚度的鋼管，在一定壓力下令鋼管變形，使鋼管-GFRP預成型體形成相互之間的物理嵌套，然后在鋼管表面加工形成一定規格的螺紋，將GFRP桿體在砂輪機上連續打磨使其表面不平，同時部分去除桿體表面的脫模劑。根據需要，將一股連續玻璃纖維粗紗纏繞在拉擠GFRP產品表面，使表面凹凸不平。然后將此半成品在熱固性樹脂中浸漬，使樹脂充分滲透進入連續玻璃纖維粗紗內部。最后將此半成品放入烘烤箱固化定型，從而形成尾部是螺紋鋼管的GFRP錨桿，與對應的鋼螺母和鋼托盤配套使用。此方法最大的優點是錨桿的尾部得到加強并能夠承受更大的應力，最大的缺點是生產效率太低而成本較高。此系統中鋼管、鋼螺母、鋼托盤如果是不銹鋼材料，則具有良好的耐腐蝕性能，且比全部由不銹鋼材料制備的錨桿具有成本優勢。此復合錨桿中，采用拉擠技術形成的桿體具有很高的強度和模量，纏繞技術形成的環向纖維增強聚合物使得桿體具有很高的抗扭能力并增加桿體與錨固劑之間的黏結能力，尾部螺紋鋼管提高錨桿的抗剪切能力和承受更大、更復雜的應力，螺紋鋼管-GFRP之間的物理嵌套以及固化后樹脂的黏結能力保證足夠的界面強度以傳遞應力。

2.1.2.2　拉擠-纏繞同步方法

將纏繞技術引入到拉擠成型工藝中，組成拉擠-纏繞復合成型技術是拉擠技術的新發展，其工藝過程是在拉擠工藝的固化成型之前的適當環節中引入纏繞工藝，構成一個以拉擠工藝為主、纏繞工藝為輔的復合材料成型系統。與先拉擠-后纏繞方法相比，拉擠-纏繞同步方法屬于連續生產，效率高、成本低，更能體現復合材料成型的產品的可設計性特點，即通過改變纏繞鋪層、纏繞角及纏繞速度來改變性能；集合了纏繞成型和拉擠成型的優點，彌補了由拉擠成型和纏繞成型加工產生的缺陷；制品綜合性能好；但此技術復合程度高，對成型設備、制造過程、控制系統、輔助裝置和材料等要求很高。

對于混凝土結構、巖土工程、煤礦支護應用而言，需要桿體自身拉伸強度高、模量大，同時還需要桿體與混凝土、巖土、煤層具有一定的錨固能力，采用拉擠-纏繞同步方法可以一次成型此類桿體，并且性能具有可設計性，基于應用為目標的技術經濟性角度看，拉擠-纏繞同步方法優于先拉擠-后纏繞方法。在國內外眾多的GFRP筋生產企業中，拉擠-纏繞同步方法應用最為普遍，如美國的Hough Brother公司生產的Aslan系列GFRP筋，加拿大的Pultraul公司通過研究制造的Isorod GFRP筋等。在本章的2.2節、2.3節、2.5節較詳細地說明了各種不同的拉擠-纏繞同步方法，以及部分研究結果。

2.1.3　拉擠-模壓成型

將模壓技術引入到拉擠成型工藝中，組成拉擠-模壓復合成型技術是拉擠技術的新發展，其過程是在拉擠工藝中，拉擠采用的牽引機夾頭是由模具的兩個部分組成，即兩個循環往復的牽引機履帶是由對應的兩個連續模具組成的，在牽引過程中，完成對纖維浸漬樹脂預成型體的成型、加熱、固化等工藝。相比拉擠-纏繞同步方法，拉擠-模壓成型難度更高，如美國Marshall Industries Composites公司生產的GFRP筋（C-bar）采用此工藝，其外表面與通常使用的鋼筋相似，即有橫肋、縱肋，因而其與混凝土之間的黏結性能與鋼筋相似，而采用拉擠-纏繞同步方法生產的GFRP筋，由于沒有縱肋，其與混凝土之間的黏結強度只有鋼筋的70%左右，且GFRP筋（C-bar）的強度和模量達到相應標準規范要求。

由于拉擠-模壓成型的特點，由此生產出的GFRP筋（C-bar）規格較少，通常以4mm，甚至部分以6mm為間隔形成系列產品供用戶選擇，而拉擠-纏繞同步方法通常以2mm為間隔形成系列產品供用戶選擇。從耐混凝土的堿性腐蝕角度看，GFRP筋（C-bar）表面覆蓋更厚而均勻的樹脂和填料層，而拉擠-纏繞同步方法生產的GFRP筋表面難以覆蓋均勻且有一定厚度的樹脂和填料層。由于拉擠-模壓成型難度較高且受到專利保護，相關文獻很少，有興趣的讀者可以查閱Marshall Industries Composites公司網址和GFRP筋（C-bar）產品說明，下面重點介紹采用拉擠-纏繞同步方法生產的GFRP筋。