1.2　基體樹脂、固化劑與GFRP筋原材料選擇

按高分子材料性能分類，可分為樹脂（塑料）、橡膠和纖維三大類。樹脂（塑料）又分為熱塑性樹脂（塑料）和熱固性樹脂（塑料），熱塑性樹脂（塑料）由線型高聚物組成，能夠溶解和熔融，可以反復多次成型加工。熱固性樹脂（塑料）由反應性低分子量預聚體或帶反應性官能團的高分子合成材料通過加熱固化而成，在成型過程中，通過反應性官能團發生交聯反應，形成體型網狀結構，固化后的熱固性高分子材料不溶不熔。樹脂和塑料，在學術規范方面是不同的，但約定俗成后，兩者代表一個含義。

GFRP筋中，樹脂作用：一是將分散的增強纖維粘接在一起，使其成為整體，使纖維定向定位；二是起著傳遞作用，將外力有效地傳遞到增強纖維上。GFRP筋的各項主要性能如電性能、耐溫性、防腐性，主要是由樹脂決定的。GFRP筋中，熱塑性樹脂和熱固性樹脂應用方面差異很大，下面分別說明。

1.2.1　熱固性樹脂、固化劑

應用于GFRP筋的熱固性樹脂主要是環氧樹脂、乙烯基酯樹脂和不飽和聚酯樹脂，此三類樹脂需要對應的固化劑使其固化，下面分別說明。

環氧樹脂是指含有兩個或兩個以上環氧基，并在適當固化劑的作用下能夠交聯成網絡結構的一類聚合物。根據環氧樹脂的組成不同，可以分為雙酚A型、雙酚F型、雙酚S型、氫化雙酚A型、線型酚醛型、多官能基縮水甘油胺樹脂、鹵化型（溴化、氟化）。環氧樹脂固化劑種類很多，固化反應各異，如按固化劑的化學結構不同，可分為胺類、酸酐類以及其他樹脂固化劑等；如按固化劑的固化溫度不同，又可分為低溫、中溫和高溫固化劑，以及潛伏性固化劑等；如果按固化反應的類型不同，則大體上可分為催化劑型和交聯劑型兩大類。由于GFRP筋、錨索成型的特點，環氧樹脂通常采用酸酐類固化劑，在相同玻璃纖維體積率的前提下，GFRP筋、GFRP錨索呈現出更高的強度和模量，且熱變形溫度更高，但采用酸酐類固化劑交聯的環氧樹脂，不能耐受混凝土的強堿性。對于GFRP、CFRP、AFRP片材加固混凝土結構，為提高結構的承載能力，需要使用胺類固化劑，此類固化劑可以在常溫下固化環氧樹脂，使得GFRP、CFRP、AFRP片材與混凝土之間具有較高的界面黏結能力；同時，浸漬GFRP、CFRP、AFRP單向、雙向布使其固化成為片材也使用胺類固化劑；環氧樹脂、胺類固化劑多品種，可以滿足多種應用需要且耐受混凝土的強堿性，但熱變形溫度不高是其應用潛在的隱患。典型酸酐175℃固化后的環氧樹脂基體力學性能見表1-2。

乙烯基酯樹脂是20世紀60年代發展起來的一類新型高度耐腐蝕的樹脂。它通常是環氧樹脂和含烯鍵的不飽和一元羧酸的加成聚合物，簡稱VE。在樹脂分子中，只在分子鏈的兩個端部有不飽和雙鍵和酯鍵，酯鍵的密度遠小于不飽和聚酯樹脂，且由于存在交聯后苯乙烯長鏈的保護性，因而耐堿腐蝕能力遠高于不飽和聚酯樹脂。VE的工藝性能與不飽和聚酯樹脂相似，黏結性和力學性能上又與環氧樹脂相近。這類樹脂既具有環氧樹脂優良的黏結性和力學性能，又具有不飽和聚酯樹脂良好的工藝性能，因而可稱為結合不飽和聚酯樹脂和環氧樹脂的長處而產生的一類新型樹脂。其主要特點如下：①可以通過引發劑的引發而實現迅速固化，其固化工藝和不飽和聚酯樹脂相同；②對增強纖維具有優良的滲透和黏結能力，這種性能和環氧樹脂相同；③通過控制交聯結構，可以獲得中等或較高的熱變形溫度，同時獲得較大的延伸性；④具有優良的耐化學腐蝕性能。對于混凝土結構長期使用的GFRP筋而言，耐受堿腐蝕的能力很關鍵，乙烯基酯樹脂是首選，其中甲基丙烯酸與環氧樹脂的加成物耐堿腐蝕能力更強于丙烯酸與環氧樹脂的加成物，應優先選擇。由于環氧樹脂品種很多，導致乙烯基酯樹脂品種很多，性能差異性很大。典型固化后的乙烯基酯樹脂的力學性能見表1-3。

不飽和聚酯樹脂是熱固性樹脂中最常用的一種。它是由飽和二元酸、不飽和二元酸（或酸酐）和二元醇縮聚而成的線型聚合物，經過交聯單體或活性溶劑稀釋形成具有一定黏度的樹脂溶液，簡稱UP。在樹脂分子中同時含有重復的不飽和雙鍵和酯鍵，使用時再加入固化劑苯乙烯單體，使苯乙烯單體和不飽和聚酯分子中的雙鍵發生自由基共聚反應，最終交聯成為體型結構的樹脂。不飽和聚酯具有100%的反應能力，即液態組成物能夠全部轉變成固態聚合物，而不分離出副產品，同時具有良好的力學、介電、耐酸、耐腐蝕性能。不飽和聚酯樹脂與單體共聚物的性質與如下因素有關：①酯和單體的化學組成；②反應組分的配比；③聚酯合成時的工藝條件（溫度、操作、步驟）；④引發劑和促進劑的類型及用量。樹脂種類包括：鄰苯型、間苯型、對苯型、雙酚A型、鹵化物型。對于混凝土結構短期使用的GFRP筋而言，由于不飽和聚酯樹脂性能范圍寬泛且價格較低，因而得到應用。多種固化后的不飽和聚酯樹脂的力學性能見表1-4。

通常用于乙烯基酯樹脂、不飽和聚酯樹脂的交聯劑是苯乙烯，其基本物性見表1-5。

苯乙烯用量變化對樹脂的硬度和強度影響最重要。如采用苯乙烯與聚酯鏈中不飽和雙鍵比為1∶1（摩爾比，配料）時，苯乙烯占樹脂質量分數的15%～20%，樹脂脆而硬，強度很低。將苯乙烯用量增加到30%～35%（質量分數），可獲得最高強度。將苯乙烯用量（質量分數）增加到40%、50%、60%時，又使得樹脂強度下降，此時樹脂中出現更多的聚苯乙烯鏈，影響性能。由表1-5可知，苯乙烯屬于乙類爆炸性液體，同時爆炸下限很低，因而具有一定的危險性，且苯乙烯對人體、生物體、環境會造成傷害，醫學上將其列入致癌性物質，已經成為不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂的公害，但由于此單體價格便宜且固化后樹脂的各項指標良好，目前仍然是應用的首選。雖然商品化的不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂已包含一定量的苯乙烯，但由于需要在這些樹脂中添加一定量的添加劑以改善性能，導致樹脂混合物的黏度增加，影響到纖維的浸漬，通過再補充一定量的苯乙烯單體以降低黏度，滿足浸漬要求，導致苯乙烯總量增加而影響樹脂性能。

苯乙烯單體和不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂需要在自由基的作用下進行交聯固化反應，一方面苯乙烯與此兩類樹脂中的不飽和雙鍵發生交聯；另一方面苯乙烯發生自身聚合形成長鏈。自由基來自引發劑的分解，導致引發劑分解的外界因素是加熱或化學反應，前者使得引發劑發生熱分解，后者使得引發劑通過氧化還原反應而分解，這種還原劑被稱為促進劑。此外，為了保證樹脂具有常溫下足夠長的穩定期，需要添加阻聚劑，它能夠吸收自由基。引發劑、促進劑、阻聚劑是不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂進行交聯固化反應的重要物質，它們之間具有制衡作用，其品種很多，以適應不同的產品和相應的工藝。由于篇幅所限，在此不作進一步說明，將在后續有關部分介紹。

1.2.2　熱塑性樹脂

鋼筋在增強混凝土結構中得到廣泛的應用，其中鋼筋易彎曲性能是關鍵。在腐蝕性環境下可以使用環氧樹脂涂層鋼筋，我國建筑行業標準JG 3042—1997規定，彎曲時，環氧樹脂涂層不得從鋼筋表面脫離、斷裂，否則需要修補達到要求；鋼筋能夠彎曲的關鍵是彈塑性材料具有屈服點且斷裂延伸率較高。

FRP筋材料是彈性材料，沒有屈服點且斷裂延伸率很小，這些特性表明FRP筋不可能像鋼筋一樣進行現場彎曲以適應混凝土結構要求，只能采用工廠預先制備的方法成型，從而帶來很多不便。GFRP筋作為箍筋時，需要預先將玻璃纖維在樹脂中浸漬，然后模壓成為最終的GFRP箍筋，此箍筋的拉伸強度、拉伸模量與熱固性FRP筋材的相關指標差距甚遠，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，其拉伸模量可達到200GPa，其值是GFRP箍筋的10倍以上。

目前就國內外初步研發的可彎曲GFRP筋來看，普遍采用聚丙烯作為基體樹脂，連續玻璃纖維為增強纖維，制備出直線狀態的GFRP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、彎矩。聚丙烯的基本性能見表1-6，作為混凝土增強用的纖維之一，聚丙烯纖維耐堿腐蝕性能是前提，一定的力學性能是關鍵。

聚丙烯經過玻璃纖維增強后，其力學性能、熱變形溫度變化很大，見表1-7。

丙烯和少量的乙烯共聚，形成的共聚聚丙烯仍然具有一定的結晶能力，拉伸強度、模量以及彎曲模量有一定程度的下降，但缺口抗沖擊強度增加明顯。采用短玻璃纖維增強后，表1-7中的各項力學性能指標增加明顯，尤其是熱變形溫度提高近一倍。隨著玻璃纖維長度的增加，玻璃纖維聚丙烯復合材料性能增加明顯，見表1-8。

長、短玻璃纖維增強聚丙烯粒料，主要用于注塑成為最終的產品，產品中的玻璃纖維長度不同，進而影響到產品的力學性能，表1-7和表1-8反映了這種差異性。

當玻璃纖維的長度再增加達到連續玻璃纖維時，連續玻璃纖維增強聚丙烯復合材料力學性能較表1-7和表1-8增加更加明顯。法國圣哥班公司生產一種纖維束狀的玻璃纖維增強聚丙烯熱塑性復合材料預浸紗，該產品適合于纏繞和拉擠成型工藝，也可用于纖維織物加工，主要用于汽車部件等一般工業結構件的制造。預浸紗有不同規格產品，增強玻璃纖維質量含量分別為35%、60%和75%，對應的線密度分別為1500tex、1870tex和2100tex等，使用時將復合紗加熱到聚丙烯熔點以上，并在一定壓力下固結。由此復合紗制備的材料的力學性能和工藝參數見表1-9。

與表1-1中的熱固性GFRP筋性能對比，表1-9中玻璃纖維含量（質量分數）60%、75%對應的復合材料的拉伸強度滿足要求，玻璃纖維含量（質量分數）75%對應的復合材料拉伸模量接近40GPa，而拉擠速度可高達67m/min，此速度幾乎是熱固性GFRP筋的50～100倍，顯然從大規模、高效率生產GFRP筋角度來看，采用纖維束狀的玻璃纖維增強聚丙烯熱塑性復合材料預浸紗生產GFRP筋更具備優勢。