[0001] 本实用新型涉及一种复合型纤维增强聚合物(FRP)筋及其制备工艺和制备装置，尤其是一种土木工程用FRP筋的制备工艺和制备装置。

[0002] 钢筋作为重要的建筑材料，在结构工程中得到了广泛的应用。但是，大量的工程实践表明，化冰盐的使用、恶劣的气候条件以及其他因素容易引起钢筋和钢绞线锈蚀，导致混凝土结构耐久性下降。纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)筋具有轻质高强、耐腐蚀、低松弛和抗疲劳性能好等优点，以FRP筋作为纵筋、腹筋或预应力筋用于混凝土结构中，能提高混凝土结构的耐久性，具有良好的经济和社会效益。

[0003] FRP筋由具有抗拉作用的纤维和具有粘结作用的聚合物基体两部分组成，属于各向异性材料，抗剪强度远小于其抗拉强度。虽然FRP筋具有轻质高强、耐腐蚀等优势，但在实际使用中仍出现了一些问题。例如，FRP筋中的碳纤维增强聚合物(CFRP)筋成本过高且延伸率低，难以大范围应用，而成本较低的玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋弹性模量小，使用GFRP筋的混凝土构件的刚度较低，易产生由于裂缝和变形过大而引起损坏；另外，FRP筋的抗剪强度较低，在高拉应力状态下，易发生脆性的剪切破坏。

[0004] 为改善FRP筋的缺陷，国内外已进行了相关研究，现有的观点是在FRP材料内部添加钢丝、钢筋能钢材，形成复合型的FRP筋，但是现有技术中无法根据弹性模量的设计要求进行产品混杂比设计，更缺乏工业化生产方法和装置。

[0005] 为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。实用新型内容

[0006] 本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供了一种复合型FRP筋，同时本实用新型还提供复合型FRP筋的制备工艺和用于制备复合型FRP筋的制备装置。

[0007] 为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：复合型FRP筋，包括FRP筋以及设于FRP筋中心的钢绞线，所述FRP筋中的纤维束与热固性树脂基体的体积比为2:1～3:1，所述钢绞线的体积率符合公式：Eh＝(1-αs)Ef+βαsEs，其中Eh为复合型FRP筋设定的弹性模量，Ef为FRP筋的弹性模量，β为协同工作系数且0.5＜β＜0.9，αs为钢绞线体积率，Es为钢绞线的弹性模量。

[0008] 优选的，所述钢绞线采用标准抗拉强度为1720Mpa且弹性模量为196GPa的镀锌钢绞线，所述纤维束采用E-玻璃纤维，所述热固性树脂基体采用乙烯基酯树脂，β＝0.6。

[0009] 优选的，所述钢绞线的体积率为14％～40％。

[0010] 本实用新型复合型FRP筋，在FRP筋中增加钢绞线，大大增强了筋材的弹性模量，钢绞线的体积率符合公式：Eh＝(1-αs)Ef+βαsEs，通过有限次的实验拟合确定β的值，在此基础上，不同弹性模量要求的复合型FRP筋，均可以根据上述公式确定钢绞线的体积率，从而得出确定混杂比的复合型FRP筋，与现有盲目加工相比，能够防止次品出现，大大提高工作效率，并且减少钢绞线的浪费。

[0011] 更进一步的，对于采用标准抗拉强度为1720Mpa且弹性模量为196GPa的镀锌钢绞线、E-玻璃纤维以及采用乙烯基酯树脂的热固性树脂基体，β＝0.6，实践表明，钢绞线的体积率为14％～40％即可符合通常的弹性模量的 使用要求。

[0012] 用于制备复合型FRP筋的制备装置，包括沿复合FRP筋传送方向依次设置的纱架、浸胶槽、穿纱板、成型模具、绕线轴、加热通道以及牵引机，所述纱架包括纤维束固定架以及钢绞线固定架。

[0013] 优选的，所述加热通道包括低温固化通道、高温固化通道和成型烘干通道。

[0014] 本实用新型的用于制备复合型FRP筋的制备装置，纱架包括纤维束固定架以及钢绞线固定架，目的是将钢绞线和纤维束分开，防止钢绞线磨损纤维束。

[0015] 进一步的，复合型FRP筋经绕线轴的缠绕成为带肋复合型FRP筋，先后进入低温固化通道、高温固化通道、成型烘干通道进行低温固化反应、高温固化反应和烘干成型，热固性树脂基体中混有低温交联反应引发剂和高温交联反应引发剂，由于在低温固化通道中固化缓慢，热固性树脂基体内外固化的差异比较小，经过一定程度固化的热固性基体进入高温固化通道中进行快速固化，然后在成型烘干通道中烘干；与现有的缠绕成为带肋后直接进行高温固化通道进行固化的方式相比，本方案的加热通道提高了固化的均匀程度，进一步提高了产品的性能。

[0019] 下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

[0020] 复合型FRP筋的实施例，如图1所示，包括FRP筋1以及设于FRP筋1中心的钢绞线2，FRP筋1的纤维束与热固性树脂基体的体积比为2.4:1，钢绞线的体积率符合公式：Eh＝(1-αs)Ef+βαsEs，其中Eh为复合型FRP筋设定的弹性模量(MPa)，Ef为FRP筋的弹性模量，β为协同工作系数且0.5＜β＜0.9，αs为钢绞线体积率，Es为钢绞线的弹性模量，本实施例中β＝0.6，钢绞线采用标准抗拉强度为1720Mpa且弹性模量为196GPa的镀锌钢绞线，纤维束采用4800TEX的E-玻璃纤维，热固性树脂基体采用乙烯基酯树脂，钢绞线的体积率为14.05％。

[0021] 需要说明的是，公式中引入β值的原因是是考虑“剪切滞后”效应的影响，钢绞线与FRP筋并不能完全的协同工作，在复合材料性能计算准则中需要引入系数反映钢绞线与FRP筋协同工作的程度；β值需要多次试验拟合确定，方法是在FRP筋中加入不同体积率的钢绞线，通过试验数据分别确定公式中其他各个量的数值，然后通过公式计算并拟合出β值。

[0022] 为了验证新型复合型FRP筋的力学性能、钢绞线体积率与弹性模量的关系，郑州大学新型建材与结构研究中心根据研发的生产设备及力学性能的要求，生产了一批直径为16mm的钢绞线-GFRP复合筋。其中，纤维束和热固性树脂基体的体积比为2.4：1；钢绞线体积率分别采用0％、14.05％、20.15％和27.30％，并置于筋材芯部。每种钢绞线体积率的筋材均制作了5根抗拉试件并进行了拉伸试验，通过上述公式计算其弹性模量，并与试验值对比，结果见表1。

[0023] 表1 钢绞线-GFRP筋抗拉试验结果

[0024]

[0025] 由表1可以看出，在普通的玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋中加入钢绞线后，钢绞线体积率为14.05％、20.15％和27.30％时，弹性模量分别提高了26.02％、34.54％和47.33％，但抗拉强度并无明显变化。采用上述公式，知道β值之后根据钢绞线的体积率能够较为准确的预测其弹性模量值，或者预设弹性模量值后可以得出钢绞线的体积率，便于复合型FRP筋的设计与生产。

[0026] 在复合型FRP筋的其他实施例中，与上述实施例不同的是纤维束与热固性树脂基体的体积比为2:1或3:1；在复合型FRP筋的其他实施例中，与上述实施例不同的是钢绞线的体积率还可以为14％、20.15％、27.30％或 40％；在复合型FRP筋的其他实施例中，与上述实施例不同的是，所述纤维束还可以采用碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维等。

[0027] 用于制备复合型FRP筋的制备装置的实施例，如图2所示，包括沿复合FRP筋传送方向依次设置的纱架3、浸胶槽5、穿纱板6、成型模具7、绕线轴8、加热通道9以及牵引机10，纱架3包括纤维束固定架301以及钢绞线固定架302。本实施例的用于制备复合型FRP筋的制备装置，纱架包括纤维束固定架以及钢绞线固定架，目的是将钢绞线和纤维束分开，防止钢绞线磨损纤维束。

[0028] 需要指出的是，该复合型FRP筋制备装置的加热通道9包括沿复合型FRP筋传送方向依次设置的低温固化通道901、高温固化通道902和成型烘干通道903。复合型FRP筋经绕线轴7的缠绕成为带肋复合型FRP筋，先后进入低温固化通道901、高温固化通道902、成型烘干通道903进行低温固化反应、高温固化反应和烘干成型，热固性树脂基体中混有低温交联反应引发剂和高温交联反应引发剂，由于在低温固化通道中固化缓慢，热固性树脂基体内外固化的差异比较小，经过一定程度固化的热固性基体进入高温固化通道中进行快速固化，然后在成型烘干通道中烘干；与现有的缠绕成为带肋后直接进行高温固化通道进行固化的方式相比，本方案的加热通道提高了固化的均匀程度，进一步提高了产品的性能。

[0029] 最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。