2.2　成型設(shè)備

雖然都屬于拉擠-纏繞同步方法生產(chǎn)GFRP筋、錨桿，但各種成型設(shè)備之間還存在一定的差異。

2.2.1　成型設(shè)備分類

按照單方向、雙方向纏繞，可以分為單纏繞和雙纏繞設(shè)備。經(jīng)常使用的單纏繞設(shè)備是指設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)左、右纏繞，以生產(chǎn)出左旋螺紋、右旋螺紋錨桿，用于巖土、煤礦支護(hù)使用，旋向與錨桿安裝功能有關(guān)，對(duì)于混凝土使用而言，旋向沒有影響。雙纏繞設(shè)備是指設(shè)備有兩個(gè)獨(dú)立的纏繞裝置，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)左、右纏繞，由這種方式生產(chǎn)出的GFRP筋材，由于獨(dú)特的雙方向纏繞，導(dǎo)致筋材內(nèi)部的壓力較大，擠膠能力和效果較好，因而筋材纖維含量更高，故強(qiáng)度、模量更高，同時(shí)，筋材與混凝土之間的黏結(jié)能力更好，這與筋材表面特定的凹凸不平狀態(tài)有關(guān)。

按照最終GFRP筋、錨桿表面是否有纏繞材料，可以分為含纏繞纖維帶和不含纏繞纖維帶兩類產(chǎn)品。美國Hough brother公司生產(chǎn)的Aslan系列GFRP筋，采用表面噴砂和表面螺旋纏繞玻璃纖維束的生產(chǎn)工藝，因而最終GFRP筋含有纏繞纖維帶；加拿大Pultraul公司通過研究制造了Isorod GFRP筋，雖然制造過程中使用纏繞材料，但最終GFRP筋表面沒有纏繞纖維帶。是否含有纏繞纖維帶，對(duì)GFRP筋、錨桿的力學(xué)性能有影響，在2.5節(jié)中進(jìn)行說明。從單方向、雙方向纏繞纖維帶，并相應(yīng)利用各自對(duì)應(yīng)的設(shè)備生產(chǎn)得到對(duì)應(yīng)筋材角度看，含雙方向纏繞纖維帶的GFRP筋材、錨桿力學(xué)性能更優(yōu)，但生產(chǎn)難度更大。

按照纏繞材料是否能夠循環(huán)使用，可以分為循環(huán)纏繞絲和纏繞-解纏兩種。循環(huán)纏繞絲是指將特種鋼帶作為循環(huán)纏繞絲使用，由于此鋼帶受到熱疲勞、力疲勞雙重作用，并由于玻璃纖維的摩擦損傷等多種因素，此鋼帶的使用壽命很短，通常難以超過48h，并且此鋼帶斷裂屬于突發(fā)事件，事先沒有征兆，從而導(dǎo)致生產(chǎn)突然中斷、材料浪費(fèi)等損失。纏繞-解纏是指將纏繞帶纏繞在浸漬樹脂的玻璃纖維粗紗表面并使其預(yù)成型，然后通過熱固化成型，再將纏繞帶解纏，從而形成GFRP筋材、錨桿表面凹凸不平的狀態(tài)，加拿大Pultraul公司通過研究制造的Isorod GFRP筋，可能采用此方法。如果換成預(yù)先浸漬過樹脂的纖維束進(jìn)行纏繞，則熱固化成型后，則不能將纏繞用的纖維帶解纏，美國Hough brother公司生產(chǎn)的Aslan系列GFRP筋可能采用此方法。下面重點(diǎn)說明此方法與設(shè)備。

2.2.2　循環(huán)纏繞絲和纏繞-解纏兩種生產(chǎn)設(shè)備

兩者都屬于單方向纏繞，都可生產(chǎn)實(shí)心和空心桿體。循環(huán)纏繞絲比較適合于大直徑GFRP筋的生產(chǎn)，其最小直徑難以達(dá)到12mm，且肋比較深；而纏繞-解纏可以適應(yīng)各種直徑GFRP筋的生產(chǎn)，其最小直徑可以達(dá)到4mm，且肋深可以調(diào)節(jié)。這兩種方式都可以生產(chǎn)全螺紋錨桿，故可稱為全螺紋錨桿成型機(jī)。

采用纏繞-解纏法的全螺紋錨桿成型機(jī)由玻紗架、浸膠、纏繞、加熱成型、退繞、牽引、切割、下料堆放八部分組成，各部簡稱為供絲（玻璃纖維）系統(tǒng)、浸膠刮膠系統(tǒng)、纏繞、主體熱固化成型系統(tǒng)、退繞系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、下料堆放系統(tǒng)。全機(jī)采用自動(dòng)化生產(chǎn)控制過程，一次成型全螺紋錨桿，熱固化成型溫度可控，生產(chǎn)速度隨時(shí)可調(diào)，生產(chǎn)線可隨時(shí)停機(jī)，隨時(shí)開機(jī)，生產(chǎn)線可連續(xù)24h不停機(jī)連續(xù)運(yùn)行。工作環(huán)境溫度為5～35℃，相對(duì)濕度為20%～80%。加工的玻璃鋼錨桿規(guī)格：錨桿長度在800mm以上，錨桿直徑為16mm、18mm、20mm、22mm、24mm、25mm、27mm、28mm、30mm、32mm。全螺紋錨桿成型機(jī)設(shè)備清單見表2-2。

采用循環(huán)纏繞絲法的全螺紋錨桿成型機(jī)與采用纏繞-解纏法的全螺紋錨桿成型機(jī)有一定的異同點(diǎn)，兩者對(duì)比見表2-3。

采用循環(huán)纏繞絲法、纏繞-解纏法的全螺紋錨桿成型機(jī)不僅可以成型巖土、煤礦支護(hù)用GFRP錨桿，其直徑在16～32mm之間，還可用于成型同樣直徑的混凝土用GFRP筋，此兩者有一定的差異，表現(xiàn)在錨桿的螺紋精度要求更高，以便于錨桿與螺母的結(jié)合，并且煤礦支護(hù)需要阻燃、抗靜電，因而需要在樹脂中添加阻燃劑。對(duì)于采用循環(huán)纏繞絲法制造的GFRP錨桿，在其外表面另外涂覆抗靜電劑，相關(guān)內(nèi)容見第1章的1.4.4“GFRP錨桿表面涂覆抗靜電液”部分。對(duì)于采用纏繞-解纏法制造的GFRP錨桿，則表面纖維需要在添加有炭黑、阻燃劑的樹脂中浸漬，而內(nèi)部的纖維只需要在添加阻燃劑的樹脂中浸漬，這樣能夠減少由于添加炭黑而導(dǎo)致交聯(lián)反應(yīng)速率的下降程度，最終的產(chǎn)品不需要再次涂覆抗靜電劑成分等，從此方面看，采用纏繞-解纏法制造的GFRP錨桿更有優(yōu)勢(shì)。

采用循環(huán)纏繞絲法的一個(gè)特別突出的優(yōu)勢(shì)在于其樹脂用量最少，這會(huì)產(chǎn)生正反兩方面的效果，減少樹脂用量對(duì)降低生產(chǎn)成本是有利的，但部分外層的纖維沒有樹脂的浸漬，出現(xiàn)更多裂紋，會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能的下降。如果由此生產(chǎn)混凝土增強(qiáng)用GFRP筋，即使采用乙烯基酯樹脂，更多裂紋無法抵抗混凝土的強(qiáng)堿性腐蝕，耐混凝土堿性腐蝕的能力會(huì)低于采用纏繞-解纏法制造的GFRP筋材。

值得說明的是，錨桿的一個(gè)重要指標(biāo)是抗扭能力，此能力與直徑密切相關(guān)，根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)MT/T 1061—2008指標(biāo)要求，錨桿的最小直徑是16mm。表2-2描述的是直徑在16～32mm之間GFRP錨桿的生產(chǎn)設(shè)備組成和功能，以適應(yīng)較多的玻璃纖維粗紗、不同纖維在不同樹脂中的浸漬、相應(yīng)的生產(chǎn)速度等要求。對(duì)于更小直徑的GFRP筋材，如?12mm及以下的GFRP筋材，則擬采用更為簡潔、高速、靈活的生產(chǎn)設(shè)備，由表2-2和表2-3描述的錨桿生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)此類直徑更小的筋材，不僅效率低下，甚至不可以生產(chǎn)，下面說明?！?/p>

GFRP筋的幾何尺寸效應(yīng)明顯，即直徑越大，筋材強(qiáng)度、模量越小，因而從盡量利用GFRP筋拉伸力學(xué)性能角度來看，并且由于黏結(jié)強(qiáng)度與直徑呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性的原因，應(yīng)該多采用小直徑的GFRP筋，但表2-2和表2-3描述的錨桿生產(chǎn)設(shè)備只是單條生產(chǎn)線，其極限生產(chǎn)速度受到限制，如果能夠?qū)⑼瑯拥墓β视糜诙鄺l生產(chǎn)更小直徑的GFRP筋生產(chǎn)線，則總的生產(chǎn)速度提高且能量利用率增加，這就是小直徑GFRP筋更多采用多條生產(chǎn)線集中在一套設(shè)備的原因，但帶來自動(dòng)化解纏困難而需要人工解纏的問題。

2.2.3　纏繞-解纏方法生產(chǎn)小直徑GFRP筋設(shè)備

小直徑GFRP筋設(shè)備基本組成為紗架、導(dǎo)紗板、樹脂浸漬槽、預(yù)成型模具、纏繞裝置、刮膠板、加熱固化裝置、冷卻段、牽引裝置和切割裝置等，如圖2-1所示。

（1）紗架　放置生產(chǎn)過程中所需要的纖維增強(qiáng)材料的裝置，玻璃纖維紗盤按照要求擺放整齊，紗架壁上開有導(dǎo)紗孔，避免導(dǎo)紗過程中玻璃纖維束的纏繞打結(jié)；當(dāng)多條生產(chǎn)線并排排放時(shí)，紗架相應(yīng)并排排放，避免玻璃纖維束纏繞打結(jié)是重點(diǎn)。

（2）導(dǎo)紗板　一方面是將玻璃纖維按束分離，避免玻璃纖維束之間的纏繞打結(jié)；另一方面使玻璃纖維束進(jìn)入浸漬槽時(shí)有一定的張力，便于樹脂充分浸潤。

（3）樹脂浸漬槽　保證基體樹脂能夠更加充分地浸潤纖維，其上方裝有可拆卸的輥軸，輥軸可以使纖維完全浸沒在基體樹脂之中，纖維浸膠效果的好壞對(duì)筋材的性能影響很大。

（4）預(yù)成型模具　將需要生產(chǎn)的筋材直徑對(duì)應(yīng)的預(yù)成型模具安裝在預(yù)成型裝置中，根據(jù)所需要生產(chǎn)筋材的直徑確定合適的纖維紗線密度和對(duì)應(yīng)的股數(shù)，充分浸漬樹脂的連續(xù)玻璃纖維紗由松散狀態(tài)進(jìn)入到此預(yù)成型模具中變成張緊狀態(tài)，多余的樹脂被擠出流回到樹脂槽中；對(duì)應(yīng)小直徑的GFRP筋材，可以在一條生產(chǎn)線上同時(shí)裝配多個(gè)預(yù)成型模具，如通常兩個(gè)、四個(gè)、六個(gè)、八個(gè)甚至更多，它們之間可以一排、兩排甚至三排排列以節(jié)約空間，每條生產(chǎn)線同時(shí)生產(chǎn)多根GFRP筋材。

（5）纏繞裝置　主要由三相異步電動(dòng)機(jī)，擺線針輪減速機(jī)和繞線盤組成，繞線盤上裝有校力軸和線圈，線圈上有纏繞材料，纏繞材料通過校力軸施加預(yù)拉力，從而控制浸漬樹脂后的連續(xù)玻璃纖維粗紗束表面的螺紋深度和幾何尺寸，纏繞裝置中的三相異步電動(dòng)機(jī)由變頻器控制，從而控制纏繞速度，以得到不同螺距的GFRP筋材（需要與牽引速度配合）；纏繞裝置與預(yù)成型模具數(shù)量相對(duì)應(yīng)，即每個(gè)預(yù)成型模具必須匹配一個(gè)纏繞裝置，以滿足每條生產(chǎn)線同時(shí)生產(chǎn)多根GFRP筋材的要求。

（6）刮膠板　刮膠板設(shè)置在浸漬樹脂后的連續(xù)玻璃纖維粗紗進(jìn)入加熱裝置入口前、加熱裝置中間和加熱裝置后，其主要作用是將筋材表面多余的樹脂刮掉，因?yàn)楸砻鏄渲^多可能在筋材底部形成很多聚集的突起，這些突起的樹脂顆粒本身強(qiáng)度很低，如果不處理將嚴(yán)重影響GFRP筋與混凝土的黏結(jié)；另外多余的樹脂也會(huì)掉落到加熱裝置的底部造成積膠現(xiàn)象，不能保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性；刮膠板與預(yù)成型模具數(shù)量相對(duì)應(yīng)，即每個(gè)預(yù)成型模具必須匹配一組刮膠板。一般而言，筋材直徑越小，則每組刮膠板對(duì)應(yīng)的數(shù)量越少，通常采用硅橡膠板作為刮膠板材料，這樣可以不傷害到玻璃纖維增強(qiáng)材料而能有效刮除樹脂。

（7）加熱固化裝置　加熱固化裝置有多種型式，其傳熱方式也不同，有紅外線燈管直接加熱空氣方式，還有電熱加熱片加熱管道、管道再加熱空氣的方式等，熱的空氣加熱浸漬樹脂后的連續(xù)玻璃纖維粗紗，使得樹脂交聯(lián)固化，從而形成GFRP筋材。如采用一個(gè)整體箱式加熱，可以同時(shí)對(duì)多根小直徑的浸漬樹脂后的連續(xù)玻璃纖維粗紗進(jìn)行固化，從而形成相應(yīng)的GFRP筋材，這樣可以提高生產(chǎn)速度，每根GFRP筋材只需要配備一個(gè)刮膠板；而采用多段管式加熱，則每次只能生產(chǎn)一根直徑較大的GFRP筋材，且需要配備多個(gè)刮膠板。此外，還有其他加熱方式，如采用微波加熱固化方式，該方式最大的特點(diǎn)是可從樹脂內(nèi)部加熱，而不是由外到內(nèi)的傳統(tǒng)加熱，因而對(duì)大直徑GFRP筋固化更有利，但存在微波對(duì)人體的危害。相對(duì)而言，微波加熱屬于“冷加熱”，微波只加熱樹脂和玻璃纖維，其能量利用率最高，只要能夠防止微波對(duì)操作人員的傷害，此種加熱方式具有更大的前途。

（8）冷卻段　由加熱固化裝置出來的GFRP筋基本固化，此時(shí)GFRP筋中心的溫度通常高于200℃，遠(yuǎn)高于樹脂的熱變形溫度（對(duì)不飽和聚酯樹脂和乙烯基酯樹脂而言，通常為60～80℃；對(duì)環(huán)氧樹脂而言，采用酸酐固化后，通常為100～120℃），因而必須采用冷卻方式降低GFRP筋的溫度。對(duì)于小直徑的GFRP筋而言，采用強(qiáng)制空氣冷卻，在連續(xù)運(yùn)行的過程中，筋材溫度逐漸下降，從加熱固化裝置到牽引機(jī)入口，10m的距離可以保證。當(dāng)直徑增大時(shí)，可以采用噴射冷水的方式進(jìn)行強(qiáng)制降溫，并輔助采用強(qiáng)制空氣冷卻。但過高的冷卻速率，將導(dǎo)致GFRP筋內(nèi)外表面溫度梯度過大而產(chǎn)生附件內(nèi)應(yīng)力，并由此產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致力學(xué)性能衰減，GFRP筋力學(xué)性能離散性偏大與冷卻過程有關(guān)。

（9）牽引裝置　一方面是提供動(dòng)力的裝置，將固化后的GFRP筋從加熱固化裝置拉出；另一方面可以通過調(diào)節(jié)牽引機(jī)的速度控制筋材在加熱固化裝置的停留時(shí)間，并與纏繞裝置配合，可以生產(chǎn)出不同螺距的GFRP筋材。從生產(chǎn)連續(xù)性方面看，有連續(xù)性的履帶式牽引機(jī)、間歇性的夾持式牽引機(jī)兩種，前者對(duì)GFRP筋的壓力較大，故容易導(dǎo)致筋材變形，但牽引力大以克服沿途阻力，比較適合大直徑的GFRP筋；后者對(duì)GFRP筋的壓力、牽引力都較小，適合小直徑筋材。對(duì)于一臺(tái)牽引機(jī)同時(shí)牽引出多根GFRP筋材的情況，宜采用履帶式牽引機(jī)。GFRP筋在進(jìn)入履帶式牽引機(jī)前，必須經(jīng)過充分的冷卻，最好使得GFRP筋中心的溫度低于熱變形溫度，這樣就可以保證GFRP筋不會(huì)被牽引機(jī)壓變形。

（10）切割裝置　有自動(dòng)定長切割與手動(dòng)人工切割兩種，由于GFRP筋材是連續(xù)由牽引機(jī)引出，所以切割需要在連續(xù)運(yùn)行的條件下進(jìn)行。切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定量的粉塵和氣味，此粉塵中含有碎玻璃纖維、碎樹脂等物質(zhì)，這些物質(zhì)對(duì)人體和環(huán)境有危害，一般由粉塵收集裝置或粉塵收集系統(tǒng)收集，并輔助噴水系統(tǒng)以降低生產(chǎn)車間的粉塵量。氣味主要是未反應(yīng)完全的苯乙烯單體產(chǎn)生的（對(duì)于不飽和聚酯樹脂和乙烯基酯樹脂而言），此物質(zhì)有危害，在第1章中的1.1節(jié)中有專門的說明。當(dāng)生產(chǎn)車間有多條生產(chǎn)線同時(shí)運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的粉塵和氣味是非常嚴(yán)重的，因而相關(guān)的裝置、個(gè)人的防護(hù)與保護(hù)是必不可少的，由此產(chǎn)生的職業(yè)病是潛在的危害。