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CN112384665A - Frp筋及其制造方法 - Google Patents

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CN112384665A CN201980027440.7A CN201980027440A CN112384665A CN 112384665 A CN112384665 A CN 112384665A CN 201980027440 A CN201980027440 A CN 201980027440A CN 112384665 A CN112384665 A CN 112384665A
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Abstract

公开了用于增强混凝土的纤维增强的塑料(FRP)筋，以及制造该FRP筋的系统与方法。

Description

FRP筋及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年4月23日提交的美国专利临时申请号62/661455的优先权和任何权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明的总体构思涉及纤维增强的材料，和更特别地，涉及用于增强混凝土的纤维增强的塑料(FRP)筋和制造FRP筋的方法。
背景技术
钢筋尤其常用于增强混凝土结构如道路、桥梁、隧道、机场跑道、堤(levies)和停车甲板。在这样的结构中，钢筋嵌入到混凝土内，并且钢筋的外表面往往带肋，以便机械地将其粘结到混凝土上。混凝土提供抗压强度(粗略地说，抗压性)，和钢筋提供抗拉强度(抗拉性)。混凝土是当今使用最广泛的人造建筑材料。
由纤维和树脂的复合材料制造的筋产品是本领域中已知的，例如举例来说，公开于美国专利号9624667和8511038中，每一篇的全部公开内容以其整体通过引用并入本文。如‘667专利中所述，这样的复合筋产品相对于由钢制造的那些提供若干优点。首先并且最重要的是，复合材料筋不经历钢在某些混凝土环境中所经历的腐蚀和降解。随着钢筋腐蚀，其失去强度，从而在承受拉伸、压缩、弯曲或剪切荷载时变得不太有效。进一步地，随着钢筋腐蚀，其显著膨胀并“爆裂”周围的混凝土块，从而使混凝土在承受压缩荷载时不太有效。
如‘038专利中所述，复合筋的其他优点包括是非金属(或非磁性)的和不导电，具有钢增强棒的约2-3倍的抗拉强度和1/4重量，且与钢棒相比具有与混凝土或岩石更相容的热膨胀系数。这样的复合棒往往通过拉挤成型生产且具有线性或均匀的轮廓。传统的拉挤成型涉及从其来源牵拉出一束增强材料(例如纤维或纤维长丝)，润湿该纤维并借助使该增强材料通过在开槽中的树脂浴而浸渍它们(优选用可热固化性聚合物树脂)，将经树脂润湿和浸渍的束牵引通过成型模具，以对齐纤维束并将其操控成恰当的横截面配置，并且在维持长丝上的张力的同时在模具内固化该树脂。由于纤维完全通过拉挤成型前行而没有被切割或切碎，因此所得产品一般在纵向上(即在纤维长丝被牵引的方向上)具有非常高的抗拉强度。
概述
本文提出的是提供一种改进的复合筋构造，以及制造改进的复合筋的方法。
复合筋的改进可以包括但不限于与传统的FRP筋相比，提高的耐久性、提高的抗拉强度和提高的弹性模量中的一个或多个。
例如，本发明的总体构思涵盖生产较高模量、更坚韧、更耐用的筋的制造技术。在一些情况中，该筋包括表面处理，无论该筋是否处于拉伸、压缩或剪切荷载下，该表面处理通过粘合和粘聚强度有效地转移荷载，以使混凝土局部压缩，并横跨该混凝土中的筋增强件(和在双轴或单向阵列中的筋间距)分担该荷载，以最小化挠曲下的开裂。
改进的FRP筋的提升性质的结果是，与采用传统的复合筋将典型地需要的(例如大于或等于1.5倍)相比，当替代钢筋时可使用较少的复合筋(例如1-1.3倍)。
改进的FRP筋的成型方法涉及拉挤成型，该拉挤成型包括预成型、预热和预润湿连续准直的玻璃纤维粗纱以固结成拉挤棒中均匀的更高玻璃含量、更高模量的玻璃组合物、或更高模量的混杂物。经拉挤的棒在热固性树脂中固化而没有显著的残余应力，该残余应力引起空隙、微裂纹或劈裂，其导致从荷载环境过早失效或耐久性问题。固化的棒提供内部增强，该内部增强以高剪切模量、高断裂韧度和低损害累积率横跨棒基质和工作区域(应变能吸收)均匀地分担荷载。
随后施加到固化的棒的表面处理可以进一步使得能够实现适当的机械剪切粘合和滑移的应变以将混凝土置于剪切压缩状态中，以在张力、压缩、弯曲或局部剪切荷载下获得最佳的粘聚，当设计混凝土的破碎阈值时。
在一种示例性的实施方案中，复合增强构件包括通过固化的乙烯基酯树脂保持在一起的多根纤维，其中该纤维基本上彼此平行，并且其中该乙烯基酯树脂经配制以提高增强构件的耐腐蚀性。
在一些示例性的实施方案中，将氨基甲酸酯添加至乙烯基酯树脂。在一些示例性的实施方案中，将酚醛清漆添加至乙烯基酯树脂。在一些示例性的实施方案中，将丙烯酸酯类添加至乙烯基酯树脂。在一些示例性的实施方案中，将环氧树脂添加至乙烯基酯树脂。在一些示例性的实施方案中，将氯乙烯添加至乙烯基酯树脂。在一些示例性的实施方案中，将辛基硅烷添加至乙烯基酯树脂。在一些示例性的实施方案中，将甲硅烷化的聚氮酰胺(polyazamide)添加至乙烯基酯树脂。在一些示例性的实施方案中，将n,n-二甲基乙醇胺的辛酸盐添加至乙烯基酯树脂。在一些示例性的实施方案中，将吗啉基相关的胺添加至乙烯基酯树脂。
在一些示例性的实施方案中，乙烯基酯树脂具有大于4％的断裂伸长率。
在一些示例性的实施方案中，乙烯基酯树脂具有范围为3％至7％的固化收缩率。
在一些示例性的实施方案中，乙烯基酯树脂具有范围为100℃至130℃的玻璃化转变温度。
在一些示例性的实施方案中，乙烯基酯树脂包括金属添加剂。在一些示例性的实施方案中，金属添加剂是铁黑颜料。
在一些示例性的实施方案中，复合增强构件是圆柱形棒。在一些示例性的实施方案中，该棒具有范围为0.25英寸至3.0英寸的直径。在一些示例性的实施方案中，该棒具有范围为0.375英寸至1.5英寸的直径。在一些示例性的实施方案中，该棒具有范围为10英尺至75英尺的长度。在一些示例性的实施方案中，该棒具有范围为20英尺至60英尺的长度。
在一些示例性的实施方案中，该棒是直的。在一些示例性的实施方案中，该纤维从该棒的中心轴偏离小于5度定向。在一些示例性的实施方案中，该棒具有至少一个大于45度的弯曲。
在一些示例性的实施方案中，面罩(veil)围绕该棒包裹。在一些示例性的实施方案中，面罩是玻璃面罩、聚酯面罩和丙烯酸类面罩之一。在一些示例性的实施方案中，面罩具有范围为10g/m2至50g/m2的面密度。
在一些示例性的实施方案中，纤维由玻璃纤维组成。在一些示例性的实施方案中，玻璃纤维占复合增强构件重量的至少83％。
在一些示例性的实施方案中，纤维包括玻璃纤维。在一些示例性的实施方案中，玻璃纤维的直径范围为13微米至35微米。在一些示例性的实施方案中，玻璃纤维的直径范围为17微米至32微米。在一些示例性的实施方案中，玻璃纤维的线性质量密度范围为1200tex至19,200tex。在一些示例性的实施方案中，玻璃纤维的线性质量密度范围为2400tex至8800tex。
在一些示例性的实施方案中，纤维包括第一玻璃纤维和第二玻璃纤维。在一些示例性的实施方案中，第一玻璃纤维和第二玻璃纤维因玻璃组成而彼此不同。在一些示例性的实施方案中，第一玻璃纤维和第二玻璃纤维因纤维直径而彼此不同。
在一些示例性的实施方案中，纤维包括玻璃纤维和非玻璃纤维。在一些示例性的实施方案中，非玻璃纤维是碳纤维。
在一些示例性的实施方案中，纤维具有大于81GPa的弹性模量。在一些示例性的实施方案中，纤维具有大于88GPa的弹性模量。在一些示例性的实施方案中，纤维具有大于95GPa的弹性模量。
在一些示例性的实施方案中，纤维占复合增强构件重量的65％至88％。在一些示例性的实施方案中，纤维占复合增强构件重量的80％至86％。
在一些示例性的实施方案中，复合增强构件具有范围为55GPa至80GPa的弹性模量。
在一些示例性的实施方案中，复合增强构件具有至少45MPa的界面剪切强度。
在一些示例性的实施方案中，复合增强构件具有至少1000J/g的应变能释放率。
在一些示例性的实施方案中，用于增强混凝土的复合筋包括第一材料；第二材料；和固化的乙烯基酯树脂，其中第一材料的线性质量密度大于第二材料的线性质量密度，其中第一材料形成复合筋的芯，其中第二材料形成环绕芯的鞘，和其中固化的乙烯基酯树脂将鞘和芯粘结在一起。
尽管本文提出了各种示例性的实施方案，它们涉及用于形成复合筋的树脂体系，所述树脂体系被配制或以其他方式改性以便包括为复合筋赋予期望性质的一种或多种添加剂，但是本发明的总体构思还考虑了可以通过例如当筋尚未完全固化时(例如，在离开一个或多个拉挤成型模具时)将涂层施加到复合筋上，来引入添加剂(替代经由树脂体系或除了经由树脂体系)。确实，这样的涂层可以是赋予复合筋这样的性质如耐腐蚀性、抗UV、可检测性等的多用途涂层。
无论添加剂经由树脂体系和/或某些涂层形式引入，典型地期望该添加剂在该复合筋的表面处或附近，以实现其意图的功效。
从示例性实施方案的以下详细说明，从权利要求，和从与之一起提交的附图，本发明总体构思的许多其他方面、优点和/或特征将变得更加显而易见。
附图说明
作为实例，参考附图，以下更加详细地描述本发明的总体构思、及其实施方案和优点，在附图中：
图1是显示在22℃、40℃和60℃中的每个温度下暴露于碱性溶液1000小时、3000小时和5000小时的异-聚酯、乙烯基酯和环氧FRP试样的弹性模量保持率的图。
图2是显示在22℃、40℃和60℃中的每个温度下暴露于碱性溶液1000小时、3000小时和5000小时的异-聚酯、乙烯基酯和环氧FRP试样的抗拉强度保持率的图。
图3是显示聚酯和乙烯基酯树脂的FRP筋的蠕变断裂数据(作为耐久性的量度)的图。
图4A和4B是根据一种示例性的实施方案，制造复合筋棒的拉挤成型生产线的示图。
图5A和5B是具有水平和垂直张力对准以控制粗纱通过预成型器和表面包装的牵引力的(例如横向进给模块的)粗砂架的示图。图5A是该粗砂架的侧立面图。图5B是该粗砂架的上俯视图。
图6A和6B是示出使用位于一个或多个拉挤成型模具之前的一系列剥离模具的图。
图7A和7B是显示通过浸没浴的树脂浸渍的图。图7A是该树脂浴的侧立面图。图7B是该树脂浴的上俯视图。
图8A和8B是显示通过直接计量的树脂浸渍的图。图8A是施涂器的侧立面图。图8B是施涂器的上俯视图。
图9是显示在相对于树脂体系中的填充剂含量的71％玻璃纤维体积下的复合筋的抗拉强度的图。
图10是显示在持续荷载下和/或经受一段碱性暴露的复合筋的抗拉强度保持率的图。
详述
尽管本发明的总体构思易于具有以许多不同形式的实施方案，这些实施方案在附图中显示并将在本文中详细地描述，但是其具体实施方案具有如下这样的理解，本公开内容被认为是本发明总体构思的原理的示例化。因此，本发明的总体构思并不意图受限于本文所示的具体实施方案。
本发明的总体构思涵盖用于增强混凝土和类似物的纤维-增强的塑料(FRP)筋，以及生产这样的复合筋的系统和方法。本发明的FRP筋具有取决于材料和拉挤成型变量相互作用的性质。因此，本发明总体构思及其示例性实施方案的以下描述将聚焦于这些输入材料(例如玻璃和树脂)和加工方面，以及所形成的筋的所形成的有益性质。
输入材料
通过(以下描述的)拉挤成型来形成复合筋，在拉挤成型中连续玻璃纤维如
Figure BDA0002736784840000071
牌号的玻璃纤维(它由无硼E-CR玻璃组合物制造，可从Owens Corning ofToledo,Ohio获得)通过模具进料，以形成具有期望横截面的棒、条或其他线性增强构件。
典型地，增强构件将是具有圆形横截面的棒的形状。可以将这些棒切割成任何期望的长度。在一些示例性的实施方案中，棒可以成型(例如，弯曲)和/或与其他棒连接以形成更加复杂的形状和结构。
输入材料应当具有大于81GPa的模量，无论其是纯玻璃组合物还是混杂材料(例如，将玻璃和碳纤维组合)。在一些示例性的实施方案中，输入材料具有大于88GPa的模量。在一些示例性的实施方案中，输入材料具有大于95GPa的模量。
在一些示例性的实施方案中，玻璃纤维的直径范围为13μm至35μm。在一些示例性的实施方案中，玻璃纤维的直径范围为17μm至32μm。
在一些示例性的实施方案中，玻璃纤维的线性质量密度范围为1,200tex至19,200tex。在一些示例性的实施方案中，玻璃纤维的线性质量密度范围为2,400tex至8,800tex。
在其中密度相对高(例如≥8,800tex)以使得纤维直径相对大(例如≥32μm)的一些示例性的实施方案中，添加填充剂材料如粘土可帮助改进复合筋的抗拉强度以及更好的特数(tex)束对准和甚至围绕该束的树脂分布，以改进复合筋中的剪切滞后效应。令人出乎意料地发现，可使用比认为必要的更少的填充剂含量，这允许增加的纤维含量以为了复合筋中更高的拉伸模量和强度。例如，取决于填充剂含量，71％的纤维体积将是玻璃纤维的约83％至85％重量。如图9的图900所显示的，在具有4,400tex和约17μm纤维直径的E-CR玻璃情况下(虚线上方的点)，期望0份/每百份树脂(phr)至5phr的填充剂含量，而在具有8,800tex和约32μm纤维直径的E-CR玻璃情况下(虚线下方的点)，期望2phr至6phr的填充剂含量。
在其中输入材料呈现更加复杂的布置/构造如芯-鞘布置的一些示例性的实施方案中，与用于外鞘的输入材料相比，用于芯的输入材料将具有更大的特数。
输入材料(例如玻璃纤维、碳纤维)将典型地具有施加到其上的施胶剂，该施胶剂与用于形成复合棒的树脂基质相容。
在一些示例性的实施方案中，玻璃含量将是经拉挤棒的至少83wt％。在一些示例性的实施方案中，玻璃或混杂纤维含量将在经拉挤棒的65wt％至88wt％范围内。在一些示例性的实施方案中，玻璃含量将在经拉挤棒的80wt％至86wt％范围内。
在一些示例性的实施方案中，输入材料是包括E-CR玻璃纤维和高模量玻璃纤维的组合的混杂纤维成分。在一些示例性的实施方案中，输入材料是包括E-CR玻璃纤维和碳纤维的混杂纤维成分。在一些示例性的实施方案中，输入材料是包括E-CR玻璃纤维和金属股线的混杂纤维成分。在具有鞘-芯布置的各种示例性的实施方案中，鞘材料可以是E-CR玻璃纤维，并且芯含有E-CR玻璃纤维和/或一些其他纤维。
在复合筋中包括金属股线有利于使用常规非专用的检测手段如探地雷达检测嵌入结构(例如混凝土)中的复合筋。与钢筋不同，复合筋不是通过这样的手段固有地可检测的。在混凝土结构中定位复合筋的能力对于确保混凝土结构的结构完整性和评估老化结构中复合筋的完整性来说是重要的。
在一些示例性的实施方案中，金属股线是输入至拉挤成型的混杂纤维的一部分，如上所述。在其他示例性的实施方案中，金属股线与其他输入材料(例如玻璃纤维)分开地输入至拉挤成型。
在一些示例性的实施方案中，可通过使用金属添加剂(例如添加至该树脂体系中)而使得复合筋可检测。例如，可以使用铁黑(Fe3O4、磁铁矿)颜料来使得复合筋对于常规的非专用检测手段(包括当前对于钢筋起作用的那些)是可检测的。由于铁黑颜料也将使复合筋着黑色，如果这样的颜色是不期望的，则可以使用其他铁磁性添加剂。从可检测性的观点来看，其他添加剂如氧化锌和炭黑可以增强铁黑材料的功效。这些其他添加剂也可以提供其他益处如改进的抗UV性。
如上所述，代替(或除了)将添加剂引入至树脂体系中，添加剂还可以以涂层的形式或经由其他施加方法(例如静电涂漆)来施加到复合筋上。
树脂
通过树脂粘结剂将输入玻璃纤维保持在一起，该树脂粘结剂当固化时(如下所述)，将纤维相对于彼此固定并形成复合筋。
聚酯(PE)树脂、乙烯基酯(VE)树脂和环氧(EP)树脂是用于形成复合筋的常用的基质树脂或粘结剂(参见图1和2)。
由于复合筋将往往在恶劣或其他腐蚀性环境(例如靠近海水)中被用作增强材料，因此选择可以在这样的环境中存活的树脂是重要的设计考量。
因此，除了上面讨论的更高的玻璃含量以外，玻璃到树脂基质的高界面粘合，以及改进的棒表面的耐腐蚀性，对于在淹没海水中用于混凝土增强的筋中实现更高的强度和模量保持率来说是重要的(参见图1和2)。
已发现，乙烯基酯树脂的恰当的配制剂或改性是重要的。例如，少量添加氨基甲酸酯或酚醛清漆或丙烯酸的互穿网络或其他用于苯乙烯的反应性单体改性可以进一步增强耐腐蚀性。高耐腐蚀性可以通过如下得到进一步改进，从条的富含树脂的表面除去树脂和/或施加水合抑制剂如丙烯酸酯类、氯乙烯、辛基硅烷和/或甲硅烷化聚氮酰胺，该水合抑制剂与混凝土一起作为屏障起作用，以用于筋的进一步耐腐蚀并与混凝土交界。
也可使用其他添加剂。例如，n,n-二甲基乙醇胺的辛酸盐或与吗啉基相关的胺是有效的表面腐蚀抑制剂，其可作为涂层施加到筋上，以提供改进的混凝土粘结界面。也可施加在混凝土裂缝萌生期间在筋界面处起作用的其他迁移剂，以阻止进一步的腐蚀。此外，某些玻璃纤维界面施胶组分如丙烯酸类，四氟硼酸盐、四氟硼酸钠或四氟硼酸铵，或交联剂戊糖醇(pentarthitol)或衣康酸，或高度交联的硅烷/硅烷醇如辛基硅烷中的一种或多种形成稳定的钝化层，或可与玻璃聚缩合的硅酸盐表面一起起作用以作为界面改动层来阻止或抑制水和碱的侵入。在防止水侵入方面，玻璃/改动层的相界面比玻璃本身更有效。在原始和改动的玻璃中的水迁移强烈地受到与固相的化学相互作用的影响。在二氧化硅饱和条件下，重组的改动层与本体和孔隙溶液达到平衡，并且残留的腐蚀速率急剧减少，这归因于玻璃表面附近的运输限制效应。稳定的钝化层的理想条件典型地是小于90℃和7≤pH≤9.5，二氧化硅饱和溶液，对于在与筋的粘合剂界面处的混凝土水合物来说是最佳的。
在一些示例性的实施方案中，该棒可以用玻璃、聚酯或丙烯酸类面罩包裹，并且面密度范围为10gsm至50gsm。
图1中的图100和图2中的图200显示基于乙烯基酯和环氧树脂的GFRP棒在碱性环境中随时间和温度维持拉伸模量和强度，而基于聚酯树脂的GFRP棒在碱性条件下随时间和温度性能下降5-10％。表1详述了复合筋的各种标准和建议的持久极限，其中“Cc”是指蠕变断裂系数；“CE”是指环境系数；“ffu”是指设计强度；和“CL”是指置信限。
无荷载情形下的时间暴露为至多5000小时，其支持表1中给出的建议0.9的CE或环境击倒(environmental knockdown)，这是对设计强度的建议击倒。然而，Cc或蠕变断裂持久性的较高击倒因子为0.25直到0.50或更高的百万小时恒定静荷载阈值。如图3的图300所示，基于乙烯基酯的筋比聚酯条具有更好的抗蠕变性。因此，玻璃组合物以及树脂基质和配制剂影响复合筋的设计强度和使用寿命。
参数 CSA S806 建议的 ACI 440 AASHTO 建议的
Cc 0.25 0.25 0.20 0.20 0.25
CE 0.85 0.90 0.70 0.70 0.70
ffu*CL 95％ 99.7％ 99.7％ 99.7％ 99.7％
Cc×CE 0.21 0.225 0.14 0.14 0.18
实施例：
1000MPa
50MPa标准 2 3 3 3 3
ffu*保证 900 850 850 850 850
ffu设计 189 191 119 119 149
表1
在图3中，针对(1)拉伸模量为39-44GPa、抗拉强度为507MPa和蠕变断裂极限为>35％的常规E-玻璃/PE树脂筋；(2)拉伸模量为46-51GPa、抗拉强度为598MPa和蠕变断裂极限为>45％的E-CR玻璃/VE树脂筋；和(3)拉伸模量为56-60GPa、抗拉强度为831MPa和蠕变断裂极限为>60％的E-CR玻璃/VE树脂筋，显示了蠕变断裂数据(作为耐久性的量度)。
基础树脂化学和形貌，以及与树脂配制剂中成分的相互作用和纤维施胶化学，产生在该工艺的温度和剪切条件下100-1,000cps的起始粘度范围。例如，将粘度从700cps降低至200cps也受到纤维的树脂润湿及其固结期间的加工温度和剪切的影响。
拉挤成型
本发明的FRP筋通过拉挤成型来形成。该拉挤成型通过拉挤成型生产线、系统或类似物来进行。
如图4A和4B中所示，根据一个示例性的实施方案，拉挤成型生产线400可用于形成复合筋490。该拉挤成型生产线400包括横向进给模块410，树脂浴420，任选的在线卷绕器430，一个或多个预成型器440，一个或多个模具450，控制站460，牵引区470，和切割区480。如以下进一步所述，也可提供表面处理站(未示出)。表面处理可在拉挤棒在切割区480处切割之前和/或之后发生。
拉挤成型生产线400确保在纤维进料、树脂配制、树脂浸渍、纤维结构、通过预成型器的对准、干燥和加热、润湿、湿透、固结和固化方面小心地控制输入材料(例如玻璃纤维)及其相关加工，以形成连续棒。
横向进给模块410组织输入材料，例如收集位于粗砂架406或类似物上的玻璃纤维404的粗纱402(例如，可获自Owens Corning of Toledo,Ohio的
Figure BDA0002736784840000121
粗纱)以用于拉挤成型。粗纱402可以是单端粗纱和/或多端粗纱。
在横向进给模块410的一个示例性的实施方案中，如图5A和5B中所示，取决于所期望的棒直径，使用多根粗纱402。每根粗纱402的一端以箭头408所示的拉挤方向朝向树脂浴420进料。
在该实施方案中，纤维404通过笼412或其他结构进料，以使得纤维404接合在其内设置的条414。当纤维被牵拉通过笼412时，条414赋予纤维404初始张力。笼412还用于在端部被进料通过引导件416之前开始将纤维404的端部彼此更靠近地定位。
引导件416包括多个孔洞。每根纤维404的一端通过引导件416中的孔洞之一进料。以此方式，当纤维404在加工方向408中牵拉时，纤维404彼此靠近定位并彼此相对平行。因此，当纤维404离开引导件416时，它们已经开始形成绳状构件418(下文称为“绳”)。
然后将绳418牵拉通过树脂浴420，以使得树脂浴420中的树脂环绕绳418并渗入形成绳418的纤维404之间的空间。绳418以浸渍的绳422的形式离开树脂浴420。
树脂浴420含有断裂伸长率大于4％的乙烯基酯或改性的热固性树脂。重要的是该树脂具有低的固化收缩率(例如，取决于配制剂是3-7％)而没有显著的残留应力，所述残留应力引起空隙、微裂纹或劈裂，其导致从荷载环境的过早失效或耐久性问题。在一种示例性的实施方案中，树脂组合物是基于Ashland 1398乙烯基酯树脂基质的改性树脂(由Ashland,Inc.of Covington,Kentucky供应)或Interplastic 692或433(由InterplasticCorporation of St.Paul,Minnesota供应)，其交联密度由所添加的用于自由基自催化固化的苯乙烯单体的比率设定，以实现范围为100℃至130℃的Tg。丙烯酸类、酚醛清漆或二环戊二烯(DCPD)单体取代苯乙烯的一部分(例如10％至30％)可改进韧度、耐湿性，并满足火-烟-毒性(FST)标准。这些树脂组合物设计选择应当平衡其成本以及对于Tg、模量和因固化速率太高在棒横截面中大于0.8mm的微裂纹/开裂的影响。
乙烯基酯树脂FFU 测试标准 性质
耐久性-无聚酯 ASTM D7957 5.2 满足物理和耐久性要求
玻璃转化(或HDT) ASTM E1356 T<sub>g</sub>&gt;120℃
拉伸伸长率或断裂伸长率 ASTM D638 >4.5％
拉伸模量 ASTM D638 >3,200MPa
体积收缩率 <7％
表2
如上所述，来自横向进给模块410的玻璃纤维404穿过树脂浴420，以使得玻璃纤维404涂覆有树脂(即润湿)，且相邻纤维之间的空间用树脂充分地填充(即湿透或浸渍)。更具体地，拉挤成型生产线400使用多阶段预成型，其中玻璃纤维404垂直地和水平地对齐(参见图5A和5B)，以用于在它们穿过树脂浴420后在一个或多个预成型器440中定位。以此方式，当纤维404穿过一个或多个模具450时，拉挤成型生产线400的每个离散阶段将各自的纤维束固结成83重量％或更大或68体积％或更大的玻璃含量。
一个或多个预成型器440辅助定位和对齐包括树脂的输入材料。一个或多个预成型器440还辅助以避免与输入材料成束、缠结和其他不期望问题的方式将纤维包装在一起。
多阶段预成型的使用还使得能够选择性放置不同的纤维类型(例如玻璃和碳，不同玻璃类型的组合，不同纤维直径的组合)，以便生产混杂棒，以改善弹性模量和其他属性。在输入材料中使用不同的纤维直径还可以促进实现提高的输入材料含量。
在线卷绕器430如一个或多个从动辊可以在拉挤成型生产线400中作为张力调节装置来使用。例如，如果在拉挤成型早期需要更多的牵引力(例如，以将玻璃纤维404牵拉通过树脂浴420)，则可使用卷绕器430。此外，调节玻璃纤维404上的张力的能力可以促进玻璃纤维404在其进入一个或多个预成型器440之前的固结/包装。
拉挤成型生产线400使用连续准直粗纱的预成型、预热和预润湿，以用于固结成大于83wt％的玻璃含量，且具有高对齐性(即贯穿横截面均匀的小于5度的偏离定向)。
在一些示例性的实施方案中，在一个或多个拉挤模具452之前，使用一个或多个剥离模具450(参见图6A和6B)。在一些示例性的实施方案中，一个或多个剥离模具450和一个或多个拉挤模具452为同一组模具。当使用多个剥离模具450时，每个剥离模具450中的孔洞将典型地将小于前面剥离模具450中的孔洞。剥离模具450从浸渍的纤维中除去过量树脂，并进一步将纤维404固结成正在形成的棒454。
玻璃的预热驱除残留的湿气，并使得能够降低玻璃表面处的树脂粘度，以改善润湿和湿透。可使用将热量施加到玻璃上的任何合适手段。这样的预热可以沿着拉挤成型生产线400在多个位置处发生。
玻璃纤维的预润湿通过如下来促进，直接加热树脂或以其他方式控制浸没浴420中的树脂粘度(参见图7A和7B的示例性配置700)，或通过在一个或多个预成型器440中的位置施加(参见图8A和8B的示例性配置800)，以便在乙烯基酯树脂凝胶化之前，通过约束和/或张力来更好地实现树脂润湿，以用于更致密的固结。可替代地，加热可以通过间接(例如射频)加热来实现，所述间接加热可允许更均匀的由内向外的加热。
不同的玻璃特数和长丝直径组合可以用于进一步改进均匀的玻璃包装，从而使得能够实现更高的玻璃纤维体积。
一旦进入作为最终固结点的一个或多个模具450、452中，来自模具450和/或452的热量交联热固性树脂，导致固结纤维422内的放热，以形成棒状构件454(本文中的“棒”)。在一些示例性的实施方案中，将螺旋缠绕(例如，玻璃纤维的螺旋缠绕)施加到该棒454上，以维持在其中纤维404的固结和放置。
拉挤成型生产线400将往往包括或是作为拉挤成型生产线400的一部分或是位于其附近(例如，现场)的控制站460。控制站460可以是分布式控制系统(DCS)，其允许拉挤成型生产线400和相关的工艺变量和条件的计算机化和/或手动控制与管理。
棒454离开一个或多个拉挤成型模具452并朝牵引器系统470前进。棒454在其到达牵引器系统470时冷却，以使得其在牵引器接触点中不变形。牵引区470有助于行使拉挤成型所需的牵引力，即在棒454形成时维持棒454上的必要张力。
最后，棒454前进到切割区480，在此其被切割成长度并收集以用于进一步加工，例如表面处理操作。棒454可以被切割成任何合适的长度，其长度往往由意图的应用确定。在一些示例性的实施方案中，将棒454切割成10英尺至75英尺的长度。在一些示例性的实施方案中，将棒454切割成20英尺至60英尺的长度。一旦切割，无论其有或没有任何进一步处理，棒454被认为是复合筋490。
因此，拉挤成型生产线400使用连续准直粗纱的预成型、预热和预润湿，以用于固结成大于83wt％的玻璃含量，并且具有贯穿横截面均匀的偏离小于5度定向的高对齐，结合较高模量(例如大于81GPa)的玻璃组合物或较高模量的混杂物如玻璃-碳，以实现提高的界面剪切强度(例如，大于或等于45MPa)和应变能释放率(例如大于或等于1,000J/g)，相对于复合筋490而言。
除了控制玻璃纤维的放置和输送(经由预成型器440)以用于更均匀的包装、增加的纤维体积和更好地整体纤维对齐，以改进经拉挤棒的性质(例如弹性模量)以外，还有机会使用仅具有较高模量的玻璃组合物，优先与芯或外皮混杂，或其他纤维选择性放置。另外，本发明的总体构思考虑到除了玻璃纤维以外或替代玻璃纤维，可使用其他纤维类型如有机纤维如碳、玄武岩和芳族聚酰胺，或其他无机纤维。例如，如图6B中所显示，两组相邻的剥离模具450可以接收不同的纤维流以用于最终输送到共同的拉挤成型模具452。
在一些示例性的实施方案中，例如通过使用合适的模具构造和/或配置或其他加工技术，棒横截面的至少一部分可以是中空的或发泡芯而不是实心。
表面处理
一旦形成经拉挤棒(其具有改进的性质)，则它可经历进一步的加工。该进一步的加工可以在线或在下游(例如，在不同时间，在不同位置)发生。这样的进一步加工的一个实例是对棒施加表面处理，以提高棒和将棒嵌入其内的混凝土基质之间的粘合。
筋表面处理使得能够实现适当的机械剪切粘合和滑移的应变，以将混凝土置于剪切压缩状态中，以在张力、压缩、弯曲或局部剪切荷载下获得最佳的粘聚，当设计混凝土的破碎阈值时。
在一些示例性的实施方案中，表面处理涉及改动(例如研磨)筋的外表面以改变其表面特征。在一些示例性的实施方案中，机加工的表面没有被涂覆，以便促进混凝土与机加工的表面接触，与传统的表面处理相比，该机加工的表面的总表面积可以是更高的，以改进击穿、润湿和粘合。
典型地，经机加工表面处理的筋满足在混凝土拔出试验中ACI440.3R B.3阈值8MPa粘合强度，以及ACI440.3R B.4阈值180MPa横向剪切强度。
在一些示例性的实施方案中，表面处理涉及使用来自经拉挤棒离开一个或多个模具450的残余放热，以帮助用从流化床粘到表面的沙子施加的热固性涂层固化，以形成沙子涂覆的筋。此类表面处理可能比表面研磨更加适合用于在线加工。
筋
除了如上所述的本发明复合筋中的各种性质(和相关改进)以外，耐久性试验分别满足关于ACI440.3R B.6和B.8的耐碱性和蠕变断裂试验。
另外，本发明的复合筋的生产能维持小于或等于0.005英寸的加工直径范围容差。
另外，本发明的复合筋的生产能维持小于0.002英寸的不圆(out-of-round)容差。
另外，当在60英寸的棒长上测量时，本发明的复合筋的生产能维持最大弯曲(最大挠曲)为0.015英寸的翘曲容差。
在一些示例性的实施方案中，本发明的复合筋将具有范围为55GPa至80GPa的弹性模量。
本发明的复合筋具有如本文所述的特性/属性，其允许混凝土的内部增强。这些特性/属性包括但不限于：无腐蚀-用于高腐蚀性环境(包括盐水喷雾暴露和海水淹没式子结构)；高抗拉强度-比钢高两倍；重量轻(钢的1/4重量)-用于更快、更安全的现场处理；成本有效的钢替代品(至多60％成本节约)；可缩减的(cuttable)隧道掘进机(TBM)设备-用于TBM隧道开发和软眼(soft-eyes)；不导电-用于冶炼厂和发电站开发；低导热率-用于降低预铸夹层墙的能源成本；非-磁性-用于医院和实验室应用；和节能-低碳印迹。例如，图10的图1000显示在持续荷载下和/或经受一段碱性暴露的复合筋的抗拉强度保持率。
通常而言，本发明的复合筋使得能够实现更高的模量、良好的强度和/或改进的耐久性性能，同时支持工业中常见的偶合和附接方案，以用于现场灌注混凝土的内部增强的有效施工实践，和预铸混凝土应用中25-50％的先张法预应力。
要理解，本发明的总体构思的范围并不意图受限于本文所示和所述的特定示例性实施方案。从所给出的公开内容，本领域技术人员不仅将理解本发明的总体构思及其伴随的优点，而且还将发现所公开的方法和系统的明显的各种改变和改动。因此，寻求覆盖落入在本文中描述且要求保护的本发明总体构思的精神和范围内的所有这样的变化和改动，及其任何等同物。例如，尽管所述的复合筋的“进一步加工”聚焦于处理该筋的表面，但本发明的总体构思并不限于此，并且将涵盖对该复合筋进行的其他形式的加工如在其上施加后涂层(例如，以改进该筋的疏水性)。

Claims (45)

1.一种复合增强构件，其包括通过固化的乙烯基酯树脂保持在一起的多根纤维，
其中该纤维基本上彼此平行；和
其中该乙烯基酯树脂经配制以增加该增强构件的耐腐蚀性。
2.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中将氨基甲酸酯添加至该乙烯基酯树脂。
3.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中将酚醛清漆添加至该乙烯基酯树脂。
4.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中将丙烯酸酯添加至该乙烯基酯树脂。
5.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中将环氧树脂添加至该乙烯基酯树脂。
6.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中将氯乙烯添加至该乙烯基酯树脂。
7.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中将辛基硅烷添加至该乙烯基酯树脂。
8.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中将甲硅烷化聚氮酰胺添加至该乙烯基酯树脂。
9.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中将n,n-二甲基乙醇胺的辛酸盐添加至该乙烯基酯树脂。
10.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中将吗啉相关的胺添加至该乙烯基酯树脂。
11.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该复合增强构件是圆柱形棒。
12.根据权利要求11所述的复合增强构件，其中该棒具有范围为0.25英寸至3.0英寸的直径。
13.根据权利要求11所述的复合增强构件，其中该棒具有范围为0.375英寸至1.5英寸的直径。
14.根据权利要求11所述的复合增强构件，其中该棒具有范围为10英尺至75英尺的长度。
15.根据权利要求11所述的复合增强构件，其中该棒具有范围为20英尺至60英尺的长度。
16.根据权利要求11所述的复合增强构件，其中该棒是直的。
17.根据权利要求16所述的复合增强构件，其中该纤维从该棒的中心轴偏离小于5度定向。
18.根据权利要求11所述的复合增强构件，其中该棒具有至少一个大于45度的弯曲。
19.根据权利要求11所述的复合增强构件，其中面罩围绕该棒包裹。
20.根据权利要求19所述的复合增强构件，其中该面罩为玻璃面罩、聚酯面罩和丙烯酸类面罩之一。
21.根据权利要求19所述的复合增强构件，其中该面罩具有范围为10g/m2至50g/m2的面密度。
22.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该乙烯基酯树脂具有大于4％的断裂伸长率。
23.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该乙烯基酯树脂具有范围为3％至7％的固化收缩率。
24.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该乙烯基酯树脂具有范围为100℃至130℃的玻璃化转变温度。
25.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该纤维由玻璃纤维组成。
26.根据权利要求25所述的复合增强构件，其中该玻璃纤维占该复合增强构件的重量的至少83％。
27.根据权利要求25所述的复合增强构件，其中该乙烯基酯树脂包括金属添加剂。
28.根据权利要求27所述的复合增强构件，其中该金属添加剂是铁黑颜料。
29.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该纤维包括玻璃纤维。
30.根据权利要求29所述的复合增强构件，其中该玻璃纤维的直径范围为13μm至35μm。
31.根据权利要求29所述的复合增强构件，其中该玻璃纤维的直径范围为17μm至32μm。
32.根据权利要求29所述的复合增强构件，其中该玻璃纤维的线性质量密度范围为1,200tex至19,200tex。
33.根据权利要求29所述的复合增强构件，其中该玻璃纤维的线性质量密度范围为2,400tex至8,800tex。
34.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该纤维包括第一玻璃纤维和第二玻璃纤维。
35.根据权利要求34所述的复合增强构件，其中该第一玻璃纤维和该第二玻璃纤维因玻璃组成而彼此不同。
36.根据权利要求34所述的复合增强构件，其中该第一玻璃纤维和该第二玻璃纤维因纤维直径而彼此不同。
37.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该纤维包括玻璃纤维和碳纤维。
38.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该纤维具有大于81GPa的弹性模量。
39.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该纤维具有大于88GPa的弹性模量。
40.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该纤维具有大于95GPa的弹性模量。
41.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该纤维占该复合增强构件的重量的65％至88％。
42.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该纤维占该复合增强构件的重量的80％至86％。
43.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该复合增强构件具有范围为60GPa至80GPa的弹性模量。
44.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该复合增强构件具有至少45MPa的界面剪切强度。
45.根据权利要求1所述的复合增强构件，其中该复合增强构件具有至少1,000J/g的应变能释放率。
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