2.4 产品种类
本节包括GFRP筋弯曲问题及相应的GFRP箍筋,与GFRP锚杆配套的GFRP托盘、GFRP螺母,与GFRP锚索配套的端部锚固系统等问题。
2.4.1 GFRP箍筋
钢筋在增强混凝土结构中得到广泛的应用,由于钢筋是弹塑性材料,具有屈服点且断裂延伸率较高,具有较好的弯曲性能。近年来,GFRP筋凭借其轴向拉伸强度高而剪切强度低,切割无火花的特点,成功地取代了传统钢筋,在地铁工程盾构断头围护桩结构中得到了广泛的应用。但由于GFRP筋产品本身的性能局限性,成型后不能和传统钢筋一样,在实际应用时进行弯折、焊接等工序,导致在土木工程的异形结构(非直线型,如带折的堵头筋、围护桩的方形筋、圆形筋等)中无法得到应用,大大限制了使用范围。针对这一问题,通过改变GFRP筋的固化成型工艺,已成功开发出多种异形GFRP筋的产品(图2-2),并能按照客户的具体要求进行各种形状、规格的异形GFRP筋定做,得到了客户的一致好评,大大拓展了GFRP筋的产品线。
图2-2 异形GFRP箍筋
FRP箍筋与直筋的成型略有不同,主要区别在于其不需经过烘道固化,纤维经过模头初次成型,经刮胶、牵引后,用符合产品要求的模具预成型,然后直接进入烘箱进行固化定型。用模具进行预成型时,初次成型的杆体必须处于张紧状态,否则会影响材料的力学性能;固化定型时的温度一般为160℃±10℃,固化时间为15min,为保证均匀固化,旋转装置必须开启;固化定型后不可骤然冷却,以免导致热应力集中,影响产品质量。
以玻璃纤维增强聚丙烯热塑性复合材料预浸纱为原料,采用类似美国Marshall Industries Composites公司生产的GFRP筋(C-bar)的拉挤-模压技术,并引入冷却工艺,就能生产出连续玻璃纤维增强聚丙烯筋,其外表面类似钢筋;而连续玻璃纤维增强热塑性聚氨酯棒材的学性能高于热固性GFRP筋性能指标;连续玻璃纤维增强热塑性聚丙烯、聚氨酯筋的弯曲需要采用热弯曲技术,在需要弯曲的部位,进行现场二次加热、加压,然后弯曲成型,最后冷却到常温而定型,因而弯曲部位形状基本可以保持圆形或椭圆形,且弯曲部位能够承受一定的压力、弯矩,由此制备出的箍筋就会比传统采用玻璃纤维浸渍热固性树脂,然后模压方式生产得到的箍筋具备更好的性能,且成本更低。
虽然连续玻璃纤维增强热塑性聚丙烯、聚氨酯筋是发展方向,但目前技术及相关产品性能还存在一定的问题,因而仍然采用玻璃纤维浸渍热固性树脂,然后模压方式生产得到的箍筋,此箍筋的拉伸强度、拉伸模量与表1-10~表1-13中的相关指标差距甚远。这是因为表1-10~表1-13中的FRP筋是采用拉挤(包括拉挤、拉挤-缠绕、拉挤-模压)工艺制造的,拉挤时必须施加一定的拉力,因而纤维在此定向拉力作用下被拉直。而模压时,就无法施加一定的拉力,纤维更容易弯曲变形,因而由此固化工艺制备的箍筋,比如拉伸模量难以达到20GPa,而环氧树脂涂层钢筋作为箍筋时,其拉伸模量>200GPa,其值是GFRP箍筋的10倍以上。
总之,GFRP箍筋是限制GFRP筋用于混凝土结构的一个关键问题,解决之后有可能带来GFRP筋混凝土结构的大发展。但是目前GFRP箍筋尚存在较多问题,常见问题、原因及解决方法如下。
(1)箍筋杆体弯曲不均 可能原因:箍筋在预成型时未曾整理拉紧。解决方法:预成型箍筋在进入烘箱固化定型前进行整理并使其张紧。
(2)箍筋杆体表面有大量气泡 可能原因:箍筋进入烘箱之前,杆体之间的间隙过小或固化定型的温度过高。解决方法:箍筋进入烘箱之前,确保杆体之间存在5mm左右的间隙或适当调整烘箱的温度。
(3)箍筋局部较软,固化差 可能原因:旋转装置出现故障,导致固化定型时受热不均。解决方法:修复旋转装置。
2.4.2 GFRP托盘、GFRP螺母
整套GFRP筋作为锚杆使用时,由杆体、杆体尾部连接部位、尾部螺纹及螺母、托盘组成,并对各自的性能提出要求,根据我国标准MT/T 1061—2008指标要求,这些部位的承载能力按表1-11采用,GFRP锚杆按表1-10采用,此外,还包括阻燃、抗静电指标要求。对于岩土工程用锚杆及配套的装置而言,需要锚杆更高的承载能力,相应的GFRP托盘、GFRP螺母承载能力提高。前文已说明GFRP锚杆的制造,下面说明GFRP托盘、GFRP螺母的制造。
GFRP托盘、GFRP螺母的制造,可以采用两类方法:①玻璃纤维增强热塑性树脂(如尼龙等)注塑而成;②玻璃纤维增强热固性树脂(不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂和环氧树脂)模压而成。相对而言,由玻璃纤维增强热固性树脂模压而成的制品,具有更大的承载能力、抗蠕变能力,但效率更低、成本更高。
玻璃纤维增强热固性树脂模压通常采用SMC预浸料片状材料(或BMC预浸料团状材料)热压而成,由此可以直接制备出GFRP螺母。为了提高GFRP托盘的抗弯曲能力,有时将玻璃纤维方格布、玻璃纤维针刺毡浸渍树脂成为预浸料作为托盘的底部,在其上面再采用SMC或BMC预浸料,热压而成GFRP托盘。
在岩土工程、煤矿支护用锚杆时,经常出现锚杆轴向与壁面不垂直的情况。锚杆轴向通常限制在壁面垂直方向的30°圆锥角内,此时对应GFRP托盘、GFRP螺母就需要采用球面接触方式,即两个制品接触面中,GFRP托盘为凹面而GFRP螺母为凸面,此时接触部位的GFRP螺母还需要做成圆台以提高强度、刚度。球形端头的螺母上端有六角形外缘,有内螺纹,可以用扳手或其他工具施加扭矩,通过螺纹产生轴向压力。
此外,还包括锥形、柱形端头螺母和相应配套的托盘。柱形端头螺母,其端部直接压在托盘端部平面上,螺母有六角形外缘,有内螺纹,可以用扳手或其他工具施加扭矩,通过螺纹产生轴向压力。而锥形端头螺母的上端有六角形外缘,有内螺纹,用扳手或其他工具施加扭矩,通过螺纹产生轴向压力。它与托盘的配合,是由锥形的下端插入托盘的锥形杯内,起到更紧密的固定作用,其中带有轴向锯缝的锥形螺母,在压紧托盘时,自身抱紧锚杆,对锚杆有较大的锚固力,其作用相当于锚具。
实践证明,GFRP锚杆系统的破坏通常在锚固端,其端部承载能力只有杆体的70%以下,杆体强度越高且直径越大,端部承载能力相对越低。产生此现象的原因是复杂的,其中锚杆制造时杆体的螺纹精度控制是关键之一。相对而言,螺母中的内螺纹精度控制很高,而锚杆体的外螺纹精度控制很低,因而螺母与锚杆表面螺纹旋合而共同受力时,难以保证全部甚至大部分螺纹同时受相同的力,部分受力更大的螺纹首先破坏,进而引发其他受力螺纹依次快速破坏。如何提高端部承载能力是提高锚杆系统整体承载能力的关键,除精确控制锚杆体的外螺纹外,螺母的结构设计等也是重要影响因素,而钢套管端部锚固强化内容见第2.1.2小节“拉挤-缠绕成型”中的先拉挤-后缠绕法。
2.4.3 端部锚固系统
由于玻璃纤维-聚合物界面剪应力滞后和材料内部的缺陷与几何尺寸成正相关,GFRP筋的拉伸强度、拉伸模量随着几何尺寸的增加而下降。通常而言,由于GFRP筋的拉伸强度、拉伸模量并不是特别高,因而在预应力领域不使用,GB 50608—2010对此有明确的说明。能够用于预应力领域的是CFRP筋、AFRP筋,它们具有更高的拉伸强度、拉伸模量以满足应用要求,但更高的价格限制这两种筋的应用。如何降低成本并维持一定的拉伸性能,从而在预应力领域得到应用,是GFRP筋相关技术的发展方向之一。
选择高强度S玻璃纤维和高模量M玻璃纤维,这两类玻璃纤维价格是E玻璃纤维的2倍以上,最终GFRP筋的强度和模量相应提高,但就原材料成本的提高与最终产品力学性能的提高而言,基于应用目标的技术经济性并没有优势,因而不是GFRP筋的首选材料。在要求强度、模量更高的GFRP锚索中可采用此玻璃纤维,以与CFRP、AFRP锚索形成竞争,并可能具有一定的性价比优势,此方面应用属于预应力范畴,要求复合材料的强度和模量需要达到一定的值,以满足应用要求。
选择高强度S玻璃纤维和高模量M玻璃纤维,环氧树脂通常采用酸酐类固化剂,通过拉挤-缠绕、拉挤方式生产小直径的GFRP锚索,此类锚索呈现出更高的强度和模量,且热变形温度更高,因而具备在预应力领域应用的可能性。
由于单根GFRP拉索的承载能力有限,需要更多根GFRP拉索组成锚索,以达到CFRP、AFRP锚索同样的承载能力,并由于总体价格优势,因而此技术有一定的发展空间。将多根GFRP拉索组成锚索,需要相应的端部锚固系统,此部分与2.4.2“GFRP托盘、GFRP螺母”小节有相似之处,但不同之处的关键在于一根锚杆与多根拉索组成锚索,及由此产生的差异。
端部锚固系统有下列部件:GFRP拉索、锚垫板、锚杯、夹片、波纹管。一套端部锚固系统包括一个锚垫板、一个锚杯、两个夹片。它们与多根预应力GFRP拉索配合,而多根预应力GFRP拉索穿过波纹管。将多根预应力GFRP拉索黏结在一起的是掺有环氧树脂(配套胺类固化剂)的水泥浆,并伴有石英砂以提高模量;此外,还有采用高强度混凝土作为黏结材料,GFRP拉索表面需要预涂环氧树脂(配套胺类固化剂)以提高抗碱腐蚀能力。
对于腐蚀环境下使用的端部锚固系统而言,需要各部件都耐环境腐蚀,除GFRP拉索外,锚垫板、锚杯、波纹管可以采用GFRP材料制备,而夹片仍然需要采用铝材料,但铝本身耐腐蚀性能就比较好,且受到碱性黏结剂[环氧树脂(配套胺类固化剂)的水泥浆、高强度混凝土]的保护而具有较长的寿命。其中锚垫板、锚杯受力很大,需要预先设计,通常锚杯采用双向玻璃纤维布在环氧树脂(酸酐固化剂)浸渍后缠绕在特定的内模具表面并压模成型,固化后脱模而成。而锚垫板采用玻璃纤维方格布、玻璃纤维针刺毡浸渍环氧树脂(酸酐固化剂)后模压固化而成,由此制备的锚垫板、锚杯具有承载能力大且耐蠕变性能高的特点。而波纹管仅起保护GFRP拉索,使其与周围环境隔离的作用,受力很小,可用玻璃纤维增强热固性树脂薄壁管或阻燃聚乙烯管(钢绞线预应力拉索通常采用阻燃聚乙烯管隔离)。端部锚固系统施加预应力的方式见相关文献,本书在此不做进一步说明。
2.4.4 不同表面形式的GFRP筋
利用郑州大学教育部纤维复合建筑材料与结构工程研究中心的FRP拉挤-缠绕成型设备,制备不同表面形式GFRP筋,进行相关力学性能测试,探讨不同表面形式对GFRP筋力学性能的影响,为筋材性能改进以及研究筋材与混凝土的黏结奠定基础。本小节介绍不同表面形式GFRP筋的制备,其力学性能将在第3章中介绍。
郑州大学FRP拉挤-缠绕成型设备如图2-3所示,其基本组成为纱架、导纱板、树脂浸渍槽、预成型模具、缠绕装置、刮胶板、加热固化装置、牵引装置和切割装置,各部分作用见2.2.3小节。
图2-3 郑州大学FRP拉挤-缠绕成型设备
本试验GFRP筋使用的基体树脂为双酚A型环氧乙烯基树脂,是国际公认的高度耐腐蚀树脂,该树脂含酯键量少,使其耐碱性能得以提高,主链上含有较多的仲羟基,改善了树脂对玻璃纤维的浸润性能与黏结性能,有助于提高产品的力学性能。如图2-4所示是其分子结构式,具体性能见表2-4。
图2-4 标准双酚A型环氧乙烯基树脂分子结构式
表2-4 乙烯基树脂的基本性能
本试验采用的是邢台金牛EC24-4800W(J107型)玻璃纤维,执行标准GB/T 18369—2008,基本性能见表2-5。玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料,具有抗拉强度高、伸长率小、耐腐蚀性好等优点,并且与碳纤维和玄武岩纤维相比,原料易得,价格便宜,生产工艺相对简单成熟,便于工业推广应用
表2-5 玻璃纤维的基本性能
注:UP代表不饱和聚酯树脂;VE代表乙烯基树脂;EP代表环氧树脂。
本试验采用过氧化苯甲酰(BPO)、过氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB)作为引发剂,基本性能见表2-6。其中TBPB属于中高温引发剂,BPO属于低温引发剂,由于生产GFRP筋材时,采用分段加热固化的方式,所以采用双引发剂,使得固化效果更好。
表2-6 引发剂的基本性能
本试验采用拉挤-缠绕成型工艺制备GFRP筋,此工艺融合拉挤成型工艺与缠绕工艺,将缠绕工艺设置在拉挤工艺固化成型之前,实现对GFRP筋未固化之前表面加肋的处理。
生产GFRP筋材时,基体树脂使用的是热固性环氧乙烯基树脂,由于树脂基体对应力在筋材内部的传导有较大影响。因此,成型温度的控制是筋材生产中的一个重要方面。采用分段加热固化方式,中间加热管温度设定高,两端加热管温度设定低。在加热固化装置中,基体树脂和纤维表面-基体树脂之间发生化学反应,温度过低时树脂不能完全固化;温度过高时树脂反应速率过快,容易造成爆聚,使筋材内部出现空隙,两者都会影响筋材的性能。经大量筋材生产试验,最终成型温度设定为初段加热管165℃,中段加热管200℃,末端加热管175℃。
肋间距是通过调节牵引机的牵引速度和缠绕速度(电动机的转数)来控制的,牵引速度为300mm/min,缠绕速度为14r/min,制得肋间距为18mm的GFRP筋。牵引速度为300mm/min,缠绕速度为9r/min,制得肋间距为27mm的GFRP筋。肋深、肋浅的控制主要通过缠绕盘上的校力轴来实现,通过改变校力轴的角度,制备浅肋(大约0.5mm)和深肋(1.5~2mm)两种肋深的GFRP筋。制备的不同表面形式GFRP筋材类如图2-5所示。
图2-5 制备的不同表面形式GFRP筋材类
2.4.5 缠绕玻璃纤维带GFRP筋
上面介绍采用尼龙绳作为缠绕材料制备GFRP筋内容,制备出的GFRP筋需要人工解除此缠绕用的尼龙绳,因而增加工序。如果能够用玻璃纤维带代替尼龙绳缠绕,在使用前不需要将玻璃纤维带解掉,这不仅使玻璃纤维带与GFRP筋协同工作,有助于增强筋材的抗拉、抗弯、抗压、抗扭等力学性能,而且在制备完成后省掉了解尼龙绳的工序,节约大量的人力和时间,大大提高生产效率,缠玻璃纤维带也为后续喷砂工艺的研究提供了前提条件。
本部分先介绍缠绕用玻璃纤维带的制备和基本性能,然后介绍利用此玻璃纤维带代替尼龙绳缠绕,制备GFRP筋的内容,相关GFRP筋的力学性能见第3章。
本研究采用实验室自制的混醚化三聚氰胺甲醛树脂和水性环氧乳液复配制成浸润液用于浸润玻璃纤维,经加热反应后制得玻璃纤维带,相关内容如下。
水性环氧树脂是指环氧树脂以微粒或液滴形式分散在以水为连续相的分散介质中而制得的稳定分散体系。水性环氧树脂环保性好,适应能力强,对众多底材有极高的附着力,固化成膜性能优异,方便施工操作。由于水性环氧乳液是线型结构的热固性树脂,如若没有外加的固化剂,水性环氧乳液难以固化成膜。为了研究的方便,先在实验室合成相关的环氧树脂乳液,其性能见表2-7。
表2-7 水性环氧树脂性能分析结果
三聚氰胺缩甲醛树脂是氨基树脂中综合性能较为优异、应用范围较广的一种树脂,其由三聚氰胺和甲醛经缩聚反应制得,但是由于其体系中羟甲基含量较高,使其极性较强,与水性环氧树脂复配效果较差,所以用醇类对其进行醚化改性,制得醚化三聚氰胺甲醛树脂。醚化三聚氰胺树脂合成过程的主要反应如图2-6所示,还可以采用部分甚至全部丁醇取代甲醇进行混醚化反应。根据相关文献得知,将醚化三聚氰胺缩甲醛树脂作为交联剂与水性环氧乳液复配,不仅可以使涂膜温度降低,而且固化成膜性能良好。为了研究的方便,先在实验室合成相关的混醚化三聚氰胺甲醛树脂,其性能见表2-8。
图2-6 醚化三聚氰胺树脂合成过程的主要反应
表2-8 混醚化三聚氰胺树脂性能分析结果
浸润液采用实验室自制的甲醇和丁醇摩尔比为8∶2的混醚化三聚氰胺甲醛树脂及水性环氧乳液复配制得。经研究,最佳涂膜固化条件为:混醚化三聚氰胺甲醛树脂及水性环氧乳液质量比为1∶2,固化温度为200℃,固化时间为10min,制得的涂膜性能优异,成膜均匀性良好。采用邢台金牛玻璃纤维厂生产的EC24-4800W玻璃纤维,具体性能见表2-5。
利用现有FRP筋拉挤-缠绕成型设备,将一股玻璃纤维纱穿过加热装置,将水性环氧乳液和混醚化三聚氰胺甲醛树脂按照不同的质量比复配,制成浸润液,搅拌均匀后,倒入小型树脂浸润槽中,然后将玻璃纤维浸润其中,调节加热装置,控制温度在200℃,调节牵引机速度,使玻璃纤维在加热管道中的停留时间保持在10min,制得玻璃纤维带。
由于生产GFRP筋的温度和时间与最佳固化涂膜条件下的温度和时间相当,并且现有的拉挤-缠绕成型设备对温度和时间的控制不是非常精确,所以暂且只讨论水性环氧乳液和醚化三聚氰胺树脂在不同质量比下,制得的玻璃纤维带的力学性能。经研究,在200℃、反应时间为10min的条件下,水性环氧乳液和混醚化三聚氰胺树脂质量比为2.5∶1、2∶1、1.5∶1、1∶1、1∶2时基本都可以完全固化。测试制得的玻璃纤维带的力学性能,宏观上探讨玻璃纤维和基体树脂的协同受力情况。单独用水性环氧乳液浸润玻璃纤维,由于环氧树脂本身难以自交联固化,制得的玻璃纤维带非常柔软并且表面粘手,力学性能较低,不适合作为缠绕用玻璃纤维带。单独用混醚化三聚氰胺树脂浸润玻璃纤维,因为其不是长链聚合物,加热反应时,是分子间官能团的反应,对玻璃纤维附着力差,制得的玻璃纤维带分叉较为严重,同样不适合作为缠绕用玻璃纤维带。
测试设备为电伺服50kN万能试验机并配以拉伸试验机,如图2-7所示。测试对象为纯玻璃纤维束和5种不同配比下制得的玻璃纤维带,试件标长为300mm,两端粘有加强片,如图2-8所示。分6组试验,每组5个试件。经测试得表2-9试验数据。
图2-7 拉伸试验机
图2-8 带子拉伸试件
表2-9 玻璃纤维带和玻璃纤维束拉伸试验数据
注:EP代表水性环氧乳液;MF代表醚化三聚氰胺树脂。
玻璃纤维纱经树脂浸润后,不再分叉,进入第一个加热管道后,管道两端有水汽冒出,管道中有“砰砰”声响,水分开始蒸发,环氧树脂和醚化三聚氰胺树脂开始接触反应。经过第二个加热管道,两者继续反应发出较为密集的“砰砰”声响,经过第三个加热管道声响非常细微,反应将近结束。玻璃纤维带经过最后一个加热管道后,基本已完全固化,树脂和纤维黏结在一起不分离。
通过表2-9中数据分析得图2-9。由图2-9可以看出,环氧乳液和醚化三聚氰胺树脂质量比为2∶1时,玻璃纤维带所承受的平均载荷最大。随着交联固化剂的比例增加,玻璃纤维带的平均承载力逐渐下降,这主要是由于交联剂的增多造成与环氧乳液复配成膜性能变差,对玻璃纤维的附着力降低,应力无法在纤维和树脂之间有效传递,导致玻璃纤维带承受的载荷降低。试验所用的J107型玻璃纤维适用于的基体树脂,包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基树脂,所以其表面通常会用KH550型和KH570型偶联剂进行浸润处理。KH550型偶联剂其有机相段含有氨基官能团,在一定条件下可以和环氧键发生开环加成反应,因此玻璃纤维表面会和水性环氧乳液发生化学键合作用,使其成带后,协同受力效果更好。质量比为2.5∶1时,玻璃纤维带承载力较质量比为2∶1时低,可能是由于环氧树脂过量,有部分树脂未能完全交联固化,从而影响了其整体的力学性能。玻璃纤维束力学性能较小,并且数据相对比较离散,这是由于测试纯玻璃纤维束拉伸性能时,玻璃纤维束中单丝松紧程度差别很大,随着拉力增加,受力最大的单丝或是缺陷最严重的单丝开始陆续断裂,不断有松弛的单丝被拉紧而承载,弥补先前断裂的单丝。
图2-9 不同配比下玻璃纤维带拉力
玻璃纤维带的断裂类似FRP筋拉伸断裂,当达到极限载荷时,突然断裂,没有屈服阶段,荷载位移曲线如图2-10所示,断裂形式如图2-11所示。玻璃纤维束拉伸过程中,可以明显听到纤维受拉绷直的声音,经过拉伸过后的玻璃纤维束表面起毛,变得粗糙,如图2-12所示。
图2-10 玻璃纤维带的荷载位移曲线
图2-11 玻璃纤维带拉伸破坏
图2-12 玻璃纤维束拉伸破坏
用作缠绕用的玻璃纤维带,缠绕前必须具有一定的柔韧性,才可以缠绕在GFRP筋主体外。玻璃纤维带的柔韧性,在一定程度上可以用玻璃纤维带结圈,将玻璃纤维带缠绕在不同直径的FRP筋主体外,在尚未折断时的直径表示,如图2-13所示。所以讨论在不同反应温度和时间下,水性环氧乳液和混醚化三聚氰胺质量比为2∶1时玻璃纤维带的柔韧性,见表2-10。
图2-13 柔性判断
表2-10 不同温度和时间下玻璃纤维带柔性判断
由表2-10数据可知,反应温度相同时,随着反应时间的增加,水性环氧乳液和混醚化三聚氰胺甲醛树脂反应程度逐渐完全,玻璃纤维带也从柔软变得局部僵硬,到完全固化僵硬。反应时间相同时,随着反应温度的增高,反应速率加快,水性环氧乳液和混醚化三聚氰胺交联程度变高,玻璃纤维带也由柔软变得僵硬。为了与筋材生产温度保持一致以及兼顾生产效率,一般采用5min、190~200℃条件下生产玻璃纤维带。
将制得的有一定柔韧性的玻璃纤维带在200℃下再加热一段时间使其完全固化,测试其力学性能,与上文在200℃加热10min制得的一次固化成型玻璃纤维带力学性能做对比,试验数据见表2-11。由表中数据可知,两种玻璃纤维带承载力相当,说明分段固化对其力学性能影响不大,可以一次固化成型玻璃纤维带的力学性能为研究依据。
表2-11 一次固化和分段固化玻璃纤维带拉伸试验数据
由于生产GFRP筋材时,需要相当长度的玻璃纤维带作为缠绕材料,所以尝试改变水性环氧乳液和醚化三聚氰胺树脂的固含量制备浸润液,以提高两者的利用率。混醚化三聚氰胺甲醛树脂固含量约为25%,水性环氧乳液固含量约为50%。用蒸馏水定量稀释水性环氧乳液和混醚化三聚氰胺甲醛树脂,然后复配作为浸润液,研究玻璃纤维的成带性,试验结果见表2-12。
表2-12 不同固含量下玻璃纤维的成带性
注:EP代表水性环氧乳液;MF代表混醚化三聚氰胺甲醛树脂。
由表2-12可知,固含量越低,成带性越差。因为固含量降低时,水性环氧乳液和混醚化三聚氰胺甲醛树脂交联程度变低,不能完全地附着在玻璃纤维表面,从而导致纤维束的分叉,不利于作为缠绕用玻璃纤维带生产GFRP筋,如图2-14所示。成带性良好的可以作为缠绕用的玻璃纤维带如图2-15所示,所用树脂不适合再稀释改变其固含量来生产玻璃纤维带。
图2-14 成带性差的玻璃纤维带
图2-15 成带性良好的可以作为缠绕用的玻璃纤维带
本试验用制备好的玻璃纤维带代替尼龙绳作为缠绕材料,利用拉挤-缠绕工艺,根据牵引机拉挤速度和缠绕机缠绕速度的关系,制备肋间距为27mm、表面缠绕玻璃纤维带的GFRP筋。利用校力轴角度不同而对缠绕物施加力大小不同的原理制备深肋(1.5~2mm)的GFRP筋,如图2-16所示。没有生产浅肋GFRP筋是由于玻璃纤维带较宽较厚,生产浅肋GFRP筋时,玻璃纤维带容易被刮胶板刮乱,影响生产的连续性和稳定性。采用玻璃纤维带作为缠绕材料之前,尝试使用不浸胶的玻璃纤维束作为缠绕材料生产GFRP筋。由于生产中玻璃纤维束是无捻单独的丝束,容易缠绕在一起,影响生产的连续性和稳定性,所以只生产了少量玻璃纤维束缠绕的GFRP筋,如图2-17所示。
图2-16 表缠缠绕纤维带GFRP筋
图2-17 表面缠玻璃纤维束GFRP筋