一种钢丝-frp复合筋的制备方法
阅读说明：本技术 一种钢丝-frp复合筋的制备方法 (Preparation method of steel wire-FRP (fiber reinforced plastic) composite bar ) 是由 肖建庄 张凯建 胡晓龙 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种钢丝-FRP复合筋,包括有钢丝单元,所述钢丝单元包括至少一根钢丝,所述钢丝外包裹有树脂层,所述树脂层外设有纤维层,所述纤维层中材料为纤维增强复合材料。本发明进一步提供一种钢丝-FRP复合筋的制备装置及其制备方法。本发明提供的一种钢丝-FRP复合筋的制备方法,能够制备具有良好的耐腐蚀性能和力学性能的钢丝-FRP复合筋。(The invention provides a steel wire-FRP (fiber reinforced plastic) composite bar which comprises a steel wire unit, wherein the steel wire unit comprises at least one steel wire, a resin layer is wrapped outside the steel wire, a fiber layer is arranged outside the resin layer, and the fiber layer is made of fiber reinforced composite materials. The invention further provides a preparation device and a preparation method of the steel wire-FRP composite rib. The preparation method of the steel wire-FRP composite rib provided by the invention can be used for preparing the steel wire-FRP composite rib with good corrosion resistance and mechanical property.)
技术领域
本发明属于建筑复合材料制备的技术领域，涉及一种钢丝-FRP复合筋的制备方法。
背景技术
钢筋在混凝土结构中，起到了十分重要的作用，但是随着服役时间的增长，混凝土中的钢筋会发生锈蚀，引起混凝土表面开裂，最终会导致混凝土结构失去承载能力，引起结构破坏。
纤维增强筋(Fiberreinforcedpolymer，FRP)具有很好的耐腐蚀作用，但是FRP筋存在弹性模量低、脆性大等缺点，因此折中方案应运而生：将钢材和纤维组合，共同工作受力，进而将两者的优点综合，得到抗腐蚀且力学性能优异的复合筋材。
但现在已有的纤维包裹钢筋的复合材料最大的问题是两种材料截面处的粘结力不足，受力工作时会使得两者无法协同受力。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种钢丝-FRP复合筋的制备方法，能够制备具有良好的耐腐蚀性能和力学性能的钢丝-FRP复合筋。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种钢丝-FRP复合筋，包括有钢丝单元，所述钢丝单元包括至少一根钢丝，所述钢丝外包裹有树脂层，所述树脂层外设有纤维层，所述纤维层中材料为纤维增强复合材料。
优选地，所述钢丝的种类为圆钢丝。
优选地，所述钢丝的尺寸选自细钢丝或中等钢丝中的一种。
更优选地，所述细钢丝的直径≥0.5mm且＜1.5mm。
更优选地，所述中等钢丝的直径＞1.5mm且≤5mm。
优选地，所述钢丝的强度≥785Mpa。
优选地，所述树脂层中采用的树脂材料选自环氧树脂、聚氨酯树脂或乙烯基树脂中的一种。更优选地，所述树脂层中采用的树脂材料为乙烯基树脂。
优选地，所述纤维增强复合材料选自碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维或芳纶纤维中的一种。
本发明第二方面提供一种钢丝-FRP复合筋的制备装置，沿钢丝行进方向依次设有牵引部分、约束部分、固化部分、编织部分；所述牵引部分沿钢丝行进方向依次设有第一牵引轮及第二牵引轮，所述第一牵引轮与第二牵引轮之间设有喷射方向正对钢丝的喷嘴；所述约束部分包括连接为一体的第三牵引轮及约束管；所述固化部分沿钢丝行进方向依次设有第一烘炉及第二烘炉；所述编织部分包括有编织机。
优选地，所述第一牵引轮的直径为9-11cm，优选为10cm。
优选地，所述第二牵引轮及第三牵引轮的直径均为4-6cm，且所述第二牵引轮的直径不小于第三牵引轮。
更优选地，所述第二牵引轮及第三牵引轮的直径均为5cm。
优选地，所述约束管的管材为聚氯乙烯。
优选地，所述约束管为由垂直方向转为水平方向的转向管。
优选地，所述第一烘炉及第二烘炉为通过式烘炉。
优选地，所述编织机为三维编织机。
优选地，所述编织部分之后设有第四牵引轮，所述编织部分与第四牵引轮之间设有牵引皮带。所述牵引皮带为橡胶皮带。
更优选地，所述第四牵引轮的直径为4-6cm，优选为5cm。
本发明第三方面提供一种钢丝-FRP复合筋的制备方法，如图1所示，采用上述制备装置，包括：将钢丝在双氧水溶液中浸泡后干燥，再在钢丝表面涂覆树脂后旋转成型、固化、编织，以提供所需的复合筋。
优选地，所述钢丝要进行冷镀锌后涂油。
更优选地，所述冷镀锌是在常温下通过电镀得到锌镀层。所述电镀通过外加电源，用电沉积的方式获得镀层。所述冷镀锌获得的镀层是由细密的纯锌晶粒所组成。而不采用热镀锌的原因是热镀锌力学性能比冷镀锌低不适合用作建筑筋材。
更优选地，所述冷镀锌时，粗糙度Rz大于40。即可保证涂层的附着力。
更优选地，所述涂油是在捻制时进行浸油处理。可以降低钢丝的锈蚀程度，在后续预处理时可以去除表面的油。
进一步优选地，所述涂油选用辊涂油。
优选地，所述双氧水溶液为质量分数为10～20％的双氧水的水溶液。所述双氧水溶液能够有效去除钢丝表面的油污，使得钢丝内核杂质减少，增大有效摩擦力。
优选地，所述浸泡温度为常温。所述常温为20-30℃。
优选地，所述浸泡时间为30～60min，以停止产生气泡为浸泡充分标志。
优选地，所述干燥为在室温自然干燥至表面没有水分。所述干燥能够保证表面没有水分，利于与树脂的结合，同时自然干燥又不会影响钢丝的力学性能。
更优选地，所述第一牵引轮及第二牵引轮起到确定钢丝内核形状的作用，需要固定两者的相对位置，因此第一牵引轮以及第二牵引轮需要固定。
优选地，所述在钢丝表面涂覆树脂是通过第一牵引轮及第二牵引轮牵引下，在第一牵引轮与第二牵引轮之间设置喷枪，用喷枪将液态树脂喷涂在钢丝表面涂覆树脂。
优选地，所述树脂的涂覆厚度c为1.9-2.1mm，优选为2mm。既能起到防护作用，成本也相对较低，也可以根据实际生产需要调整。
优选地，所述树脂的涂覆(喷涂)速度按公式(1)进行计算，
所述公式(1)为：v'＝πv(c2+2rc)，
式中，v'为涂覆(喷涂)速度，mm3/s；v为生产线行进速度，mm/s；c为树脂的涂覆厚度，mm；r为单根钢丝的半径，mm。
注意，此处是针对单根钢丝用量，多根钢丝需要多布置相应数量的喷枪。
优选地，所述旋转成型为钢丝在第三牵引轮旋转牵引下，旋转形成螺旋形。
更优选地，所述第三牵引轮的转速按公式(2)计算，所述公式(2)为：
式中，ω为第三牵引轮的角速度，rad/s；θ为钢丝内核中钢丝转角，在中取值；R为钢丝内核的半径，mm；v为钢丝行进速度，mm/s。
具体取值根据加热时间和烘炉尺寸共同确定，确保在生产的烘炉中能够满足加热时长要求。
优选地，所述固化是指，钢丝经第四牵引轮牵引下依次输送至第一烘炉、第二烘炉进行固化。所述钢丝置于模压模具中通过第一烘炉、第二烘炉进行固化。
优选地，所述固化条件为：第一烘炉的压力为5～10Mpa，第一烘炉加热区段长度为0.95-1.05m，第一烘炉的温度为100-120℃，第一烘炉的加热时间8min-10minmin；第二烘炉的压力为9-11Mpa，第二烘炉加热区段长度为0.095-0.105m，第二烘炉的温度为150-200℃，第二烘炉的加热时间50-90s。
优选地，所述固化时钢丝运行速度为2mm/s。
优选地，所述编织在第四牵引轮牵引下经牵引皮带输送至三维编织机内进行编织。可将涂覆树脂并固化后的钢丝表面的不均匀处用纤维填充满，使得最后的钢丝成品呈现表面平整的特点。
所述第四牵引轮的固定不旋转，与旋转的第三牵引轮合作，将钢丝绞合。
优选地，所述编织时，如图3所示，通过把多组纤维设置成不同直径，以形成造肋纤维束。使得成品复合筋成为带肋筋，进而增大复合筋使用时的机械咬合力。
上述第一牵引轮、第二牵引轮、第三牵引轮、第四牵引轮可以通过滑槽改变钢丝布置的数量及形式，进而改变复合筋的纤维钢丝比例或者复合筋的直径。
如上所述，本发明提供的一种钢丝-FRP复合筋的制备方法，具有以下有益效果：
(1)本发明采用钢丝作为受力核心的钢材，不仅可以满足结构对于筋材的力学要求，还可以增大材料界面的粘结力，使得两种材料能够更好地协同工作，同时采用了树脂浸渍，增加了化学粘结力，具有良好的整体性能。
(2)本发明先在钢丝浸渍树脂，而后固化树脂，再采用三维编织方法将纤维按照既定的形式包裹在钢丝外表面，钢丝与纤维借由树脂紧密结合，由于钢丝被纤维包裹，制备的钢丝-FRP复合筋具有刚度、强度高的力学性能优点，同时还具有良好的耐碱腐蚀性能，将两者的材料特性互补。
(3)本发明制备的钢丝-FRP复合筋中，钢丝内核通过旋转，使得原本不圆滑的截面整体形成近似圆形截面的钢丝内核，既减少了布置内核中钢丝的限制，又能使得在三维编织纤维的时候能够减少不规则截面。
(4)本发明制备的钢丝-FRP复合筋中，可以按需要制备不同形状、大小的复合筋，通过额外设置三维编织机上的造肋纤维束，使得成品复合筋成为带肋筋，能够增加复合筋和混凝土之间的机械咬合力，使得复合筋的强度得到提升。
(5)本发明制备的钢丝-FRP复合筋的制备装置中，竖直布置的树脂涂覆装置能够减少钢丝表面树脂由于重力引起的不均匀情况。
(6)本发明制备的钢丝-FRP复合筋中，使用多根钢丝外包裹纤维，增强钢材与树脂间的接触面积，从而增大材料截面的粘结力。
附图说明
图1显示为本发明中一种钢丝-FRP复合筋的生产流程图。
图2显示为本发明中一种钢丝-FRP复合筋的生产线示意图。
图3显示为本发明中三维编织机的纤维布置图。
图4显示为实施例1中复合筋的横截面示意图。
图5显示为实施例2中复合筋的横截面示意图。
附图标记
1 第一牵引轮
2 第二牵引轮
3 第三牵引轮
4 约束管
5 第一烘炉
6 第二烘炉
7 编织机
8 牵引皮带
9 第四牵引轮
10 喷嘴
a 钢丝
b 树脂层
c 纤维层
d 钢丝直径
D 钢丝单元直径
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明提供一种钢丝-FRP复合筋，如图4、5所示，包括有钢丝单元，所述钢丝单元包括至少一根钢丝，所述钢丝外包裹有树脂层，所述树脂层外设有纤维层，所述纤维层中材料为纤维增强复合材料。
在上述提供的一种钢丝-FRP复合筋中，如图4、5所示，所述钢丝的种类为圆钢丝。
在上述提供的一种钢丝-FRP复合筋中，所述钢丝的尺寸选自细钢丝或中等钢丝中的一种。具体来说，所述细钢丝的直径≥0.5mm且＜1.5mm。所述中等钢丝的直径＞1.5mm且≤5mm。
在上述提供的一种钢丝-FRP复合筋中，所述钢丝的强度≥785Mpa。
在上述提供的一种钢丝-FRP复合筋中，所述树脂层中采用的树脂材料选自聚氨酯树脂或乙烯基树脂中的一种，优选为乙烯基树脂。
上述聚氨酯树脂可用于高级车辆、家具、木和金属防护，水池水坝和建筑防渗漏材料，以及织物涂层等，其对金属、玻璃、陶瓷、皮革、纤维等都有良好的粘着力，具有高强度、抗撕裂、耐磨等特性。
上述乙烯基树脂在分子链两端的双键极其活泼，乙烯基树脂能迅速固化，很快得到使用强度，具有高度耐腐蚀性；其采用甲基丙烯酸合成，酯键边的甲基可起保护作用，耐水解性高；树脂含酯键量少，每摩尔比耐化学聚酯少35-50％，耐碱性能高；较多的仲羟基可以改善对玻璃纤维的湿润性与粘结性，提高了层合制品的力学强度。
在上述提供的一种钢丝-FRP复合筋中，所述纤维增强复合材料为常规使用的纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，或Fiber Reinforced Plastic，简称FRP)。具体来说，所述纤维增强复合材料选自碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维或芳纶纤维中的一种。
本发明提供一种钢丝-FRP复合筋的制备装置，如图2所示，沿钢丝行进方向依次设有牵引部分、约束部分、固化部分、编织部分；所述牵引部分沿钢丝行进方向依次设有第一牵引轮及第二牵引轮，所述第一牵引轮与第二牵引轮之间设有喷射方向正对钢丝的喷嘴；所述约束部分包括连接为一体的第三牵引轮及约束管；所述固化部分沿钢丝行进方向依次设有第一烘炉及第二烘炉；所述编织部分包括有编织机。
在上述提供的一种钢丝-FRP复合筋的制备装置中，所述第一牵引轮的直径为9-11cm，优选为10cm。
在上述提供的一种钢丝-FRP复合筋的制备装置中，所述第二牵引轮及第三牵引轮的直径均为4-6cm，且所述第二牵引轮的直径不小于第三牵引轮。
在一个优选的实施例中，所述第二牵引轮及第三牵引轮的直径均为5cm。
上述牵引轮的直径也可以根据复合筋的实际生产直径调整。但要保证第二牵引轮直径不小于第三牵引轮直径，以达到收束钢丝的效果。
在上述提供的一种钢丝-FRP复合筋的制备装置中，所述约束管的管材为聚氯乙烯。所述PVC抗压性好、耐腐蚀、耐酸碱、管壁摩擦力小。
在上述提供的一种钢丝-FRP复合筋的制备装置中，如图2所示，所述约束管为由垂直方向转为水平方向的转向管。直径可以根据生产需求适当调整。
在上述提供的一种钢丝-FRP复合筋的制备装置中，所述第一烘炉及第二烘炉为通过式烘炉。所述通过式烘炉为常规使用的通过式烘炉。加热区段长度分别为1.0m、0.1m。
在上述提供的一种钢丝-FRP复合筋的制备装置中，如图3所示，所述编织机为三维编织机。所述三维编织机为常规使用的三维编织机。所述编织机的复合筋表面的纤维要求是环绕复合筋，因此需要使用三维编织机，而不能选用二维编织机。
在上述提供的一种钢丝-FRP复合筋的制备装置中，如图2所示，所述编织部分之后设有第四牵引轮，所述编织部分与第四牵引轮之间设有牵引皮带。所述牵引皮带为橡胶皮带。所述牵引皮带是整个生产线的制动装置，因此选用耐磨不打滑的橡胶皮带，可以保证生产线同步运作。
在一个优选的实施例中，所述第四牵引轮的直径为4-6cm，优选为5cm。此时复合筋已经制备成型，第四牵引轮主要是起到引导作用，直径可以根据实际生产调整。所述第四牵引轮的固定不旋转，与旋转的第三牵引轮合作，将钢丝绞合。
实施例1
选取直径为5.0mm的冷镀锌浸油钢丝，钢丝强度为785Mpa。将未处理的钢丝浸泡在质量分数为15％的双氧水溶液里，温度控制在25℃左右，浸泡时缓慢搅拌，浸泡时间为45min，或者观测到溶液中不在有气泡冒出也可停止浸泡。将三根钢丝如图2所示，排布在第一牵引轮至第四牵引轮上。
通过第一牵引轮及第二牵引轮牵引下，钢丝在第一牵引轮与第二牵引轮之间经喷嘴在钢丝表面均匀涂覆乙烯基树脂。接着，钢丝在第三牵引轮牵引下，经约束管旋转形成螺旋形。钢丝经第四牵引轮牵引下依次输送至第一烘炉、第二烘炉进行固化。钢丝内核旋转角度以及复合筋肋的转角为45°，钢丝行进速度为2mm/s，钢丝内核直径为10.8mm，则第三牵引轮角速度为0.145rad/s，选用乙烯基树脂涂覆在钢丝上，树脂的涂覆厚度为2mm，单个喷枪喷涂树脂的速度为150mm3/s，并通过第一烘炉，第一烘炉加热长度为1.0m，升压至10Mpa，温度设置为120℃，加热时间10min；第二烘炉压强设置为10Mpa，第二烘炉加热长度为0.10m，温度设置为200℃，加热时间60s。
将得到的钢丝-树脂复合筋在第四牵引轮牵引下经牵引皮带输送至三维编织机内进行编织，获得如图4所示的钢丝-FRP复合筋样品1#。三维编织机纤维布置如图3，在三维编织机上编制时选用GFRP纤维，将浸渍过树脂并固化后的钢丝不均匀处用GFRP纤维填充满，使得最后的钢丝成品呈现表面平整的特点。经过剪切后得到的钢丝-FRP复合筋样品1#的相关性能如表1，各项指标均符合规定。
通过表1中数据可知，钢丝-FRP复合筋样品1#具有抗拉强度高、最大力总伸长率较高的优异力学性能，且各项数据均满足规定，而且由于涂覆了树脂、外包了纤维，复合筋的抗腐蚀性能得到了极大提升。
表1各项性能参数
实施例2
选取直径为5.0mm的冷镀锌浸油钢丝，钢丝强度为785Mpa。将未处理的钢丝浸泡在质量分数为15％的双氧水溶液里，温度控制在25℃左右，浸泡时缓慢搅拌，浸泡时间为45min，或者观测到溶液中不在有气泡冒出也可停止浸泡。将七根钢丝如图2所示，排布在第一牵引轮至第四牵引轮上。
通过第一牵引轮及第二牵引轮牵引下，钢丝在第一牵引轮与第二牵引轮之间经喷嘴在钢丝表面均匀涂覆乙烯基树脂。接着，钢丝在第三牵引轮牵引下，经约束管旋转形成螺旋形。钢丝经第四牵引轮牵引下依次输送至第一烘炉、第二烘炉进行固化。钢丝内核旋转角度以及复合筋肋的转角为45°，钢丝行进速度为4mm/s，钢丝内核直径为15.2mm，则第三牵引轮角速度为0.207rad/s，选用乙烯基树脂涂覆在钢丝上，树脂的涂覆厚度为2mm，单个喷枪喷涂树脂的速度为553mm3/s，并通过第一烘炉，第一烘炉加热长度为1.0m，升压至10Mpa，温度设置为100℃，加热时间10min；第二烘炉压强设置为10Mpa，第二烘炉加热长度为0.10m，温度设置为150℃，加热时间60s。
将得到的钢丝-树脂复合筋在第四牵引轮牵引下经牵引皮带输送至三维编织机内进行编织，获得如图5所示的钢丝-FRP复合筋样品2#。三维编织机纤维布置如图3，在三维编织机上编制时选用GFRP纤维，将浸渍过树脂并固化后的钢丝不均匀处用GFRP纤维填充满，使得最后的钢丝成品呈现表面平整的特点。经过剪切后得到的钢丝-FRP复合筋样品2#的相关性能如表2，各项指标均符合规定。
通过表2中数据可知，钢丝-FRP复合筋样品2#具有抗拉强度高、最大力总伸长率较高的优异力学性能，且各项数据均满足规定。但是由于生产线行进速度过快，导致钢丝-FRP复合筋样品2#表面出现明显的树脂涂覆不均匀的缺陷，会极大程度降低复合筋的耐久性，因此应当按照本发明的钢丝行进速度进行设置。
表2各项性能参数
实施例3
选取直径为5.0mm冷镀锌浸油钢丝，钢丝强度为785Mpa。将未处理的钢丝浸泡在质量分数为15％的双氧水溶液里，温度控制在25℃左右，浸泡时缓慢搅拌，浸泡时间为45min，或者观测到溶液中不在有气泡冒出也可停止浸泡。将七根钢丝如图2所示，排布在第一牵引轮至第四牵引轮上。
通过第一牵引轮及第二牵引轮牵引下，钢丝在第一牵引轮与第二牵引轮之间经喷嘴在钢丝表面均匀涂覆乙烯基树脂。接着，钢丝在第三牵引轮牵引下，经约束管旋转形成螺旋形。钢丝经第四牵引轮牵引下依次输送至第一烘炉、第二烘炉进行固化。钢丝内核旋转角度以及复合筋肋的转角为60°，钢丝行进速度为2mm/s，钢丝内核直径为15.2mm，则第三牵引轮角速度为0.138rad/s，选用乙烯基树脂涂覆在钢丝上，树脂的涂覆厚度为2mm，单个喷枪喷涂树脂的速度为553mm3/s，并通过第一烘炉，第一烘炉加热长度为1.0m，不升压，温度设置为70℃，加热时间5min；第二烘不加压，第二烘炉加热长度为0.10m，温度设置为100℃，加热时间30s。
将得到的钢丝-树脂复合筋在第四牵引轮牵引下经牵引皮带输送至三维编织机内进行编织，获得如图5所示的钢丝-FRP复合筋样品3#。三维编织机纤维布置如图3，在三维编织机上编制时选用GFRP纤维，将浸渍过树脂并固化后的钢丝不均匀处用GFRP纤维填充满，使得最后的钢丝成品呈现表面平整的特点。经过剪切后得到的钢丝-FRP复合筋样品3#的相关性能如表3，各项指标均符合规定。
表3各项性能参数
通过表3中数据可知，钢丝-FRP复合筋样品3#抗拉强度低、最大力总伸长率较低，力学性能数据不能满足规定。同时观察到，通过烘炉之后，树脂包裹效果不好，出现覆盖不均匀，复合筋局部裸露等现象，这是烘炉固化阶段压强、温度以及时间均没有达到要求导致，这会极大程度降低复合筋的耐久性，因此应当按照本发明的固化方式进行设置。
综上所述，本发明提供的一种钢丝-FRP复合筋的制备方法，能够制备具有良好的耐腐蚀性能和力学性能的钢丝-FRP复合筋，能够解决现在钢材的耐腐蚀性差，FRP材料弹性模量低、脆性大等问题，使得复合筋性能能够符合标准要求同时根据需求设计不同形状、大小的钢丝内核。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。