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2.4 產品種類

本節包括GFRP筋彎曲問題及相應的GFRP箍筋,與GFRP錨桿配套的GFRP托盤、GFRP螺母,與GFRP錨索配套的端部錨固系統等問題。

2.4.1 GFRP箍筋

鋼筋在增強混凝土結構中得到廣泛的應用,由于鋼筋是彈塑性材料,具有屈服點且斷裂延伸率較高,具有較好的彎曲性能。近年來,GFRP筋憑借其軸向拉伸強度高而剪切強度低,切割無火花的特點,成功地取代了傳統鋼筋,在地鐵工程盾構斷頭圍護樁結構中得到了廣泛的應用。但由于GFRP筋產品本身的性能局限性,成型后不能和傳統鋼筋一樣,在實際應用時進行彎折、焊接等工序,導致在土木工程的異形結構(非直線型,如帶折的堵頭筋、圍護樁的方形筋、圓形筋等)中無法得到應用,大大限制了使用范圍。針對這一問題,通過改變GFRP筋的固化成型工藝,已成功開發出多種異形GFRP筋的產品(圖2-2),并能按照客戶的具體要求進行各種形狀、規格的異形GFRP筋定做,得到了客戶的一致好評,大大拓展了GFRP筋的產品線。

圖2-2 異形GFRP箍筋

FRP箍筋與直筋的成型略有不同,主要區別在于其不需經過烘道固化,纖維經過模頭初次成型,經刮膠、牽引后,用符合產品要求的模具預成型,然后直接進入烘箱進行固化定型。用模具進行預成型時,初次成型的桿體必須處于張緊狀態,否則會影響材料的力學性能;固化定型時的溫度一般為160℃±10℃,固化時間為15min,為保證均勻固化,旋轉裝置必須開啟;固化定型后不可驟然冷卻,以免導致熱應力集中,影響產品質量。

以玻璃纖維增強聚丙烯熱塑性復合材料預浸紗為原料,采用類似美國Marshall Industries Composites公司生產的GFRP筋(C-bar)的拉擠-模壓技術,并引入冷卻工藝,就能生產出連續玻璃纖維增強聚丙烯筋,其外表面類似鋼筋;而連續玻璃纖維增強熱塑性聚氨酯棒材的學性能高于熱固性GFRP筋性能指標;連續玻璃纖維增強熱塑性聚丙烯、聚氨酯筋的彎曲需要采用熱彎曲技術,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、彎矩,由此制備出的箍筋就會比傳統采用玻璃纖維浸漬熱固性樹脂,然后模壓方式生產得到的箍筋具備更好的性能,且成本更低。

雖然連續玻璃纖維增強熱塑性聚丙烯、聚氨酯筋是發展方向,但目前技術及相關產品性能還存在一定的問題,因而仍然采用玻璃纖維浸漬熱固性樹脂,然后模壓方式生產得到的箍筋,此箍筋的拉伸強度、拉伸模量與表1-10~表1-13中的相關指標差距甚遠。這是因為表1-10~表1-13中的FRP筋是采用拉擠(包括拉擠、拉擠-纏繞、拉擠-模壓)工藝制造的,拉擠時必須施加一定的拉力,因而纖維在此定向拉力作用下被拉直。而模壓時,就無法施加一定的拉力,纖維更容易彎曲變形,因而由此固化工藝制備的箍筋,比如拉伸模量難以達到20GPa,而環氧樹脂涂層鋼筋作為箍筋時,其拉伸模量>200GPa,其值是GFRP箍筋的10倍以上。

總之,GFRP箍筋是限制GFRP筋用于混凝土結構的一個關鍵問題,解決之后有可能帶來GFRP筋混凝土結構的大發展。但是目前GFRP箍筋尚存在較多問題,常見問題、原因及解決方法如下。

(1)箍筋桿體彎曲不均 可能原因:箍筋在預成型時未曾整理拉緊。解決方法:預成型箍筋在進入烘箱固化定型前進行整理并使其張緊。

(2)箍筋桿體表面有大量氣泡 可能原因:箍筋進入烘箱之前,桿體之間的間隙過小或固化定型的溫度過高。解決方法:箍筋進入烘箱之前,確保桿體之間存在5mm左右的間隙或適當調整烘箱的溫度。

(3)箍筋局部較軟,固化差 可能原因:旋轉裝置出現故障,導致固化定型時受熱不均。解決方法:修復旋轉裝置。

2.4.2 GFRP托盤、GFRP螺母

整套GFRP筋作為錨桿使用時,由桿體、桿體尾部連接部位、尾部螺紋及螺母、托盤組成,并對各自的性能提出要求,根據我國標準MT/T 1061—2008指標要求,這些部位的承載能力按表1-11采用,GFRP錨桿按表1-10采用,此外,還包括阻燃、抗靜電指標要求。對于巖土工程用錨桿及配套的裝置而言,需要錨桿更高的承載能力,相應的GFRP托盤、GFRP螺母承載能力提高。前文已說明GFRP錨桿的制造,下面說明GFRP托盤、GFRP螺母的制造。

GFRP托盤、GFRP螺母的制造,可以采用兩類方法:①玻璃纖維增強熱塑性樹脂(如尼龍等)注塑而成;②玻璃纖維增強熱固性樹脂(不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂和環氧樹脂)模壓而成。相對而言,由玻璃纖維增強熱固性樹脂模壓而成的制品,具有更大的承載能力、抗蠕變能力,但效率更低、成本更高。

玻璃纖維增強熱固性樹脂模壓通常采用SMC預浸料片狀材料(或BMC預浸料團狀材料)熱壓而成,由此可以直接制備出GFRP螺母。為了提高GFRP托盤的抗彎曲能力,有時將玻璃纖維方格布、玻璃纖維針刺氈浸漬樹脂成為預浸料作為托盤的底部,在其上面再采用SMC或BMC預浸料,熱壓而成GFRP托盤。

在巖土工程、煤礦支護用錨桿時,經常出現錨桿軸向與壁面不垂直的情況。錨桿軸向通常限制在壁面垂直方向的30°圓錐角內,此時對應GFRP托盤、GFRP螺母就需要采用球面接觸方式,即兩個制品接觸面中,GFRP托盤為凹面而GFRP螺母為凸面,此時接觸部位的GFRP螺母還需要做成圓臺以提高強度、剛度。球形端頭的螺母上端有六角形外緣,有內螺紋,可以用扳手或其他工具施加扭矩,通過螺紋產生軸向壓力。

此外,還包括錐形、柱形端頭螺母和相應配套的托盤。柱形端頭螺母,其端部直接壓在托盤端部平面上,螺母有六角形外緣,有內螺紋,可以用扳手或其他工具施加扭矩,通過螺紋產生軸向壓力。而錐形端頭螺母的上端有六角形外緣,有內螺紋,用扳手或其他工具施加扭矩,通過螺紋產生軸向壓力。它與托盤的配合,是由錐形的下端插入托盤的錐形杯內,起到更緊密的固定作用,其中帶有軸向鋸縫的錐形螺母,在壓緊托盤時,自身抱緊錨桿,對錨桿有較大的錨固力,其作用相當于錨具。

實踐證明,GFRP錨桿系統的破壞通常在錨固端,其端部承載能力只有桿體的70%以下,桿體強度越高且直徑越大,端部承載能力相對越低。產生此現象的原因是復雜的,其中錨桿制造時桿體的螺紋精度控制是關鍵之一。相對而言,螺母中的內螺紋精度控制很高,而錨桿體的外螺紋精度控制很低,因而螺母與錨桿表面螺紋旋合而共同受力時,難以保證全部甚至大部分螺紋同時受相同的力,部分受力更大的螺紋首先破壞,進而引發其他受力螺紋依次快速破壞。如何提高端部承載能力是提高錨桿系統整體承載能力的關鍵,除精確控制錨桿體的外螺紋外,螺母的結構設計等也是重要影響因素,而鋼套管端部錨固強化內容見第2.1.2小節“拉擠-纏繞成型”中的先拉擠-后纏繞法。

2.4.3 端部錨固系統

由于玻璃纖維-聚合物界面剪應力滯后和材料內部的缺陷與幾何尺寸成正相關,GFRP筋的拉伸強度、拉伸模量隨著幾何尺寸的增加而下降。通常而言,由于GFRP筋的拉伸強度、拉伸模量并不是特別高,因而在預應力領域不使用,GB 50608—2010對此有明確的說明。能夠用于預應力領域的是CFRP筋、AFRP筋,它們具有更高的拉伸強度、拉伸模量以滿足應用要求,但更高的價格限制這兩種筋的應用。如何降低成本并維持一定的拉伸性能,從而在預應力領域得到應用,是GFRP筋相關技術的發展方向之一。

選擇高強度S玻璃纖維和高模量M玻璃纖維,這兩類玻璃纖維價格是E玻璃纖維的2倍以上,最終GFRP筋的強度和模量相應提高,但就原材料成本的提高與最終產品力學性能的提高而言,基于應用目標的技術經濟性并沒有優勢,因而不是GFRP筋的首選材料。在要求強度、模量更高的GFRP錨索中可采用此玻璃纖維,以與CFRP、AFRP錨索形成競爭,并可能具有一定的性價比優勢,此方面應用屬于預應力范疇,要求復合材料的強度和模量需要達到一定的值,以滿足應用要求。

選擇高強度S玻璃纖維和高模量M玻璃纖維,環氧樹脂通常采用酸酐類固化劑,通過拉擠-纏繞、拉擠方式生產小直徑的GFRP錨索,此類錨索呈現出更高的強度和模量,且熱變形溫度更高,因而具備在預應力領域應用的可能性。

由于單根GFRP拉索的承載能力有限,需要更多根GFRP拉索組成錨索,以達到CFRP、AFRP錨索同樣的承載能力,并由于總體價格優勢,因而此技術有一定的發展空間。將多根GFRP拉索組成錨索,需要相應的端部錨固系統,此部分與2.4.2“GFRP托盤、GFRP螺母”小節有相似之處,但不同之處的關鍵在于一根錨桿與多根拉索組成錨索,及由此產生的差異。

端部錨固系統有下列部件:GFRP拉索、錨墊板、錨杯、夾片、波紋管。一套端部錨固系統包括一個錨墊板、一個錨杯、兩個夾片。它們與多根預應力GFRP拉索配合,而多根預應力GFRP拉索穿過波紋管。將多根預應力GFRP拉索黏結在一起的是摻有環氧樹脂(配套胺類固化劑)的水泥漿,并伴有石英砂以提高模量;此外,還有采用高強度混凝土作為黏結材料,GFRP拉索表面需要預涂環氧樹脂(配套胺類固化劑)以提高抗堿腐蝕能力。

對于腐蝕環境下使用的端部錨固系統而言,需要各部件都耐環境腐蝕,除GFRP拉索外,錨墊板、錨杯、波紋管可以采用GFRP材料制備,而夾片仍然需要采用鋁材料,但鋁本身耐腐蝕性能就比較好,且受到堿性黏結劑[環氧樹脂(配套胺類固化劑)的水泥漿、高強度混凝土]的保護而具有較長的壽命。其中錨墊板、錨杯受力很大,需要預先設計,通常錨杯采用雙向玻璃纖維布在環氧樹脂(酸酐固化劑)浸漬后纏繞在特定的內模具表面并壓模成型,固化后脫模而成。而錨墊板采用玻璃纖維方格布、玻璃纖維針刺氈浸漬環氧樹脂(酸酐固化劑)后模壓固化而成,由此制備的錨墊板、錨杯具有承載能力大且耐蠕變性能高的特點。而波紋管僅起保護GFRP拉索,使其與周圍環境隔離的作用,受力很小,可用玻璃纖維增強熱固性樹脂薄壁管或阻燃聚乙烯管(鋼絞線預應力拉索通常采用阻燃聚乙烯管隔離)。端部錨固系統施加預應力的方式見相關文獻,本書在此不做進一步說明。

2.4.4 不同表面形式的GFRP筋

利用鄭州大學教育部纖維復合建筑材料與結構工程研究中心的FRP拉擠-纏繞成型設備,制備不同表面形式GFRP筋,進行相關力學性能測試,探討不同表面形式對GFRP筋力學性能的影響,為筋材性能改進以及研究筋材與混凝土的黏結奠定基礎。本小節介紹不同表面形式GFRP筋的制備,其力學性能將在第3章中介紹。

鄭州大學FRP拉擠-纏繞成型設備如圖2-3所示,其基本組成為紗架、導紗板、樹脂浸漬槽、預成型模具、纏繞裝置、刮膠板、加熱固化裝置、牽引裝置和切割裝置,各部分作用見2.2.3小節。

圖2-3 鄭州大學FRP拉擠-纏繞成型設備

本試驗GFRP筋使用的基體樹脂為雙酚A型環氧乙烯基樹脂,是國際公認的高度耐腐蝕樹脂,該樹脂含酯鍵量少,使其耐堿性能得以提高,主鏈上含有較多的仲羥基,改善了樹脂對玻璃纖維的浸潤性能與黏結性能,有助于提高產品的力學性能。如圖2-4所示是其分子結構式,具體性能見表2-4。

圖2-4 標準雙酚A型環氧乙烯基樹脂分子結構式

表2-4 乙烯基樹脂的基本性能

本試驗采用的是邢臺金牛EC24-4800W(J107型)玻璃纖維,執行標準GB/T 18369—2008,基本性能見表2-5。玻璃纖維是一種性能優異的無機非金屬材料,具有抗拉強度高、伸長率小、耐腐蝕性好等優點,并且與碳纖維和玄武巖纖維相比,原料易得,價格便宜,生產工藝相對簡單成熟,便于工業推廣應用

表2-5 玻璃纖維的基本性能

注:UP代表不飽和聚酯樹脂;VE代表乙烯基樹脂;EP代表環氧樹脂。

本試驗采用過氧化苯甲酰(BPO)、過氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB)作為引發劑,基本性能見表2-6。其中TBPB屬于中高溫引發劑,BPO屬于低溫引發劑,由于生產GFRP筋材時,采用分段加熱固化的方式,所以采用雙引發劑,使得固化效果更好。

表2-6 引發劑的基本性能

本試驗采用拉擠-纏繞成型工藝制備GFRP筋,此工藝融合拉擠成型工藝與纏繞工藝,將纏繞工藝設置在拉擠工藝固化成型之前,實現對GFRP筋未固化之前表面加肋的處理。

生產GFRP筋材時,基體樹脂使用的是熱固性環氧乙烯基樹脂,由于樹脂基體對應力在筋材內部的傳導有較大影響。因此,成型溫度的控制是筋材生產中的一個重要方面。采用分段加熱固化方式,中間加熱管溫度設定高,兩端加熱管溫度設定低。在加熱固化裝置中,基體樹脂和纖維表面-基體樹脂之間發生化學反應,溫度過低時樹脂不能完全固化;溫度過高時樹脂反應速率過快,容易造成爆聚,使筋材內部出現空隙,兩者都會影響筋材的性能。經大量筋材生產試驗,最終成型溫度設定為初段加熱管165℃,中段加熱管200℃,末端加熱管175℃。

肋間距是通過調節牽引機的牽引速度和纏繞速度(電動機的轉數)來控制的,牽引速度為300mm/min,纏繞速度為14r/min,制得肋間距為18mm的GFRP筋。牽引速度為300mm/min,纏繞速度為9r/min,制得肋間距為27mm的GFRP筋。肋深、肋淺的控制主要通過纏繞盤上的校力軸來實現,通過改變校力軸的角度,制備淺肋(大約0.5mm)和深肋(1.5~2mm)兩種肋深的GFRP筋。制備的不同表面形式GFRP筋材類如圖2-5所示。

圖2-5 制備的不同表面形式GFRP筋材類

2.4.5 纏繞玻璃纖維帶GFRP筋

上面介紹采用尼龍繩作為纏繞材料制備GFRP筋內容,制備出的GFRP筋需要人工解除此纏繞用的尼龍繩,因而增加工序。如果能夠用玻璃纖維帶代替尼龍繩纏繞,在使用前不需要將玻璃纖維帶解掉,這不僅使玻璃纖維帶與GFRP筋協同工作,有助于增強筋材的抗拉、抗彎、抗壓、抗扭等力學性能,而且在制備完成后省掉了解尼龍繩的工序,節約大量的人力和時間,大大提高生產效率,纏玻璃纖維帶也為后續噴砂工藝的研究提供了前提條件。

本部分先介紹纏繞用玻璃纖維帶的制備和基本性能,然后介紹利用此玻璃纖維帶代替尼龍繩纏繞,制備GFRP筋的內容,相關GFRP筋的力學性能見第3章。

本研究采用實驗室自制的混醚化三聚氰胺甲醛樹脂和水性環氧乳液復配制成浸潤液用于浸潤玻璃纖維,經加熱反應后制得玻璃纖維帶,相關內容如下。

水性環氧樹脂是指環氧樹脂以微粒或液滴形式分散在以水為連續相的分散介質中而制得的穩定分散體系。水性環氧樹脂環保性好,適應能力強,對眾多底材有極高的附著力,固化成膜性能優異,方便施工操作。由于水性環氧乳液是線型結構的熱固性樹脂,如若沒有外加的固化劑,水性環氧乳液難以固化成膜。為了研究的方便,先在實驗室合成相關的環氧樹脂乳液,其性能見表2-7。

表2-7 水性環氧樹脂性能分析結果

三聚氰胺縮甲醛樹脂是氨基樹脂中綜合性能較為優異、應用范圍較廣的一種樹脂,其由三聚氰胺和甲醛經縮聚反應制得,但是由于其體系中羥甲基含量較高,使其極性較強,與水性環氧樹脂復配效果較差,所以用醇類對其進行醚化改性,制得醚化三聚氰胺甲醛樹脂。醚化三聚氰胺樹脂合成過程的主要反應如圖2-6所示,還可以采用部分甚至全部丁醇取代甲醇進行混醚化反應。根據相關文獻得知,將醚化三聚氰胺縮甲醛樹脂作為交聯劑與水性環氧乳液復配,不僅可以使涂膜溫度降低,而且固化成膜性能良好。為了研究的方便,先在實驗室合成相關的混醚化三聚氰胺甲醛樹脂,其性能見表2-8。

圖2-6 醚化三聚氰胺樹脂合成過程的主要反應

表2-8 混醚化三聚氰胺樹脂性能分析結果

浸潤液采用實驗室自制的甲醇和丁醇摩爾比為8∶2的混醚化三聚氰胺甲醛樹脂及水性環氧乳液復配制得。經研究,最佳涂膜固化條件為:混醚化三聚氰胺甲醛樹脂及水性環氧乳液質量比為1∶2,固化溫度為200℃,固化時間為10min,制得的涂膜性能優異,成膜均勻性良好。采用邢臺金牛玻璃纖維廠生產的EC24-4800W玻璃纖維,具體性能見表2-5。

利用現有FRP筋拉擠-纏繞成型設備,將一股玻璃纖維紗穿過加熱裝置,將水性環氧乳液和混醚化三聚氰胺甲醛樹脂按照不同的質量比復配,制成浸潤液,攪拌均勻后,倒入小型樹脂浸潤槽中,然后將玻璃纖維浸潤其中,調節加熱裝置,控制溫度在200℃,調節牽引機速度,使玻璃纖維在加熱管道中的停留時間保持在10min,制得玻璃纖維帶。

由于生產GFRP筋的溫度和時間與最佳固化涂膜條件下的溫度和時間相當,并且現有的拉擠-纏繞成型設備對溫度和時間的控制不是非常精確,所以暫且只討論水性環氧乳液和醚化三聚氰胺樹脂在不同質量比下,制得的玻璃纖維帶的力學性能。經研究,在200℃、反應時間為10min的條件下,水性環氧乳液和混醚化三聚氰胺樹脂質量比為2.5∶1、2∶1、1.5∶1、1∶1、1∶2時基本都可以完全固化。測試制得的玻璃纖維帶的力學性能,宏觀上探討玻璃纖維和基體樹脂的協同受力情況。單獨用水性環氧乳液浸潤玻璃纖維,由于環氧樹脂本身難以自交聯固化,制得的玻璃纖維帶非常柔軟并且表面粘手,力學性能較低,不適合作為纏繞用玻璃纖維帶。單獨用混醚化三聚氰胺樹脂浸潤玻璃纖維,因為其不是長鏈聚合物,加熱反應時,是分子間官能團的反應,對玻璃纖維附著力差,制得的玻璃纖維帶分叉較為嚴重,同樣不適合作為纏繞用玻璃纖維帶。

測試設備為電伺服50kN萬能試驗機并配以拉伸試驗機,如圖2-7所示。測試對象為純玻璃纖維束和5種不同配比下制得的玻璃纖維帶,試件標長為300mm,兩端粘有加強片,如圖2-8所示。分6組試驗,每組5個試件。經測試得表2-9試驗數據。

圖2-7 拉伸試驗機

圖2-8 帶子拉伸試件

表2-9 玻璃纖維帶和玻璃纖維束拉伸試驗數據

注:EP代表水性環氧乳液;MF代表醚化三聚氰胺樹脂。

玻璃纖維紗經樹脂浸潤后,不再分叉,進入第一個加熱管道后,管道兩端有水汽冒出,管道中有“砰砰”聲響,水分開始蒸發,環氧樹脂和醚化三聚氰胺樹脂開始接觸反應。經過第二個加熱管道,兩者繼續反應發出較為密集的“砰砰”聲響,經過第三個加熱管道聲響非常細微,反應將近結束。玻璃纖維帶經過最后一個加熱管道后,基本已完全固化,樹脂和纖維黏結在一起不分離。

通過表2-9中數據分析得圖2-9。由圖2-9可以看出,環氧乳液和醚化三聚氰胺樹脂質量比為2∶1時,玻璃纖維帶所承受的平均載荷最大。隨著交聯固化劑的比例增加,玻璃纖維帶的平均承載力逐漸下降,這主要是由于交聯劑的增多造成與環氧乳液復配成膜性能變差,對玻璃纖維的附著力降低,應力無法在纖維和樹脂之間有效傳遞,導致玻璃纖維帶承受的載荷降低。試驗所用的J107型玻璃纖維適用于的基體樹脂,包括不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂和乙烯基樹脂,所以其表面通常會用KH550型和KH570型偶聯劑進行浸潤處理。KH550型偶聯劑其有機相段含有氨基官能團,在一定條件下可以和環氧鍵發生開環加成反應,因此玻璃纖維表面會和水性環氧乳液發生化學鍵合作用,使其成帶后,協同受力效果更好。質量比為2.5∶1時,玻璃纖維帶承載力較質量比為2∶1時低,可能是由于環氧樹脂過量,有部分樹脂未能完全交聯固化,從而影響了其整體的力學性能。玻璃纖維束力學性能較小,并且數據相對比較離散,這是由于測試純玻璃纖維束拉伸性能時,玻璃纖維束中單絲松緊程度差別很大,隨著拉力增加,受力最大的單絲或是缺陷最嚴重的單絲開始陸續斷裂,不斷有松弛的單絲被拉緊而承載,彌補先前斷裂的單絲。

圖2-9 不同配比下玻璃纖維帶拉力

玻璃纖維帶的斷裂類似FRP筋拉伸斷裂,當達到極限載荷時,突然斷裂,沒有屈服階段,荷載位移曲線如圖2-10所示,斷裂形式如圖2-11所示。玻璃纖維束拉伸過程中,可以明顯聽到纖維受拉繃直的聲音,經過拉伸過后的玻璃纖維束表面起毛,變得粗糙,如圖2-12所示。

圖2-10 玻璃纖維帶的荷載位移曲線

圖2-11 玻璃纖維帶拉伸破壞

圖2-12 玻璃纖維束拉伸破壞

用作纏繞用的玻璃纖維帶,纏繞前必須具有一定的柔韌性,才可以纏繞在GFRP筋主體外。玻璃纖維帶的柔韌性,在一定程度上可以用玻璃纖維帶結圈,將玻璃纖維帶纏繞在不同直徑的FRP筋主體外,在尚未折斷時的直徑表示,如圖2-13所示。所以討論在不同反應溫度和時間下,水性環氧乳液和混醚化三聚氰胺質量比為2∶1時玻璃纖維帶的柔韌性,見表2-10。

圖2-13 柔性判斷

表2-10 不同溫度和時間下玻璃纖維帶柔性判斷

由表2-10數據可知,反應溫度相同時,隨著反應時間的增加,水性環氧乳液和混醚化三聚氰胺甲醛樹脂反應程度逐漸完全,玻璃纖維帶也從柔軟變得局部僵硬,到完全固化僵硬。反應時間相同時,隨著反應溫度的增高,反應速率加快,水性環氧乳液和混醚化三聚氰胺交聯程度變高,玻璃纖維帶也由柔軟變得僵硬。為了與筋材生產溫度保持一致以及兼顧生產效率,一般采用5min、190~200℃條件下生產玻璃纖維帶。

將制得的有一定柔韌性的玻璃纖維帶在200℃下再加熱一段時間使其完全固化,測試其力學性能,與上文在200℃加熱10min制得的一次固化成型玻璃纖維帶力學性能做對比,試驗數據見表2-11。由表中數據可知,兩種玻璃纖維帶承載力相當,說明分段固化對其力學性能影響不大,可以一次固化成型玻璃纖維帶的力學性能為研究依據。

表2-11 一次固化和分段固化玻璃纖維帶拉伸試驗數據

由于生產GFRP筋材時,需要相當長度的玻璃纖維帶作為纏繞材料,所以嘗試改變水性環氧乳液和醚化三聚氰胺樹脂的固含量制備浸潤液,以提高兩者的利用率。混醚化三聚氰胺甲醛樹脂固含量約為25%,水性環氧乳液固含量約為50%。用蒸餾水定量稀釋水性環氧乳液和混醚化三聚氰胺甲醛樹脂,然后復配作為浸潤液,研究玻璃纖維的成帶性,試驗結果見表2-12。

表2-12 不同固含量下玻璃纖維的成帶性

注:EP代表水性環氧乳液;MF代表混醚化三聚氰胺甲醛樹脂。

由表2-12可知,固含量越低,成帶性越差。因為固含量降低時,水性環氧乳液和混醚化三聚氰胺甲醛樹脂交聯程度變低,不能完全地附著在玻璃纖維表面,從而導致纖維束的分叉,不利于作為纏繞用玻璃纖維帶生產GFRP筋,如圖2-14所示。成帶性良好的可以作為纏繞用的玻璃纖維帶如圖2-15所示,所用樹脂不適合再稀釋改變其固含量來生產玻璃纖維帶。

圖2-14 成帶性差的玻璃纖維帶

圖2-15 成帶性良好的可以作為纏繞用的玻璃纖維帶

本試驗用制備好的玻璃纖維帶代替尼龍繩作為纏繞材料,利用拉擠-纏繞工藝,根據牽引機拉擠速度和纏繞機纏繞速度的關系,制備肋間距為27mm、表面纏繞玻璃纖維帶的GFRP筋。利用校力軸角度不同而對纏繞物施加力大小不同的原理制備深肋(1.5~2mm)的GFRP筋,如圖2-16所示。沒有生產淺肋GFRP筋是由于玻璃纖維帶較寬較厚,生產淺肋GFRP筋時,玻璃纖維帶容易被刮膠板刮亂,影響生產的連續性和穩定性。采用玻璃纖維帶作為纏繞材料之前,嘗試使用不浸膠的玻璃纖維束作為纏繞材料生產GFRP筋。由于生產中玻璃纖維束是無捻單獨的絲束,容易纏繞在一起,影響生產的連續性和穩定性,所以只生產了少量玻璃纖維束纏繞的GFRP筋,如圖2-17所示。

圖2-16 表纏纏繞纖維帶GFRP筋

圖2-17 表面纏玻璃纖維束GFRP筋

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