專利名稱：玄武巖纖維復(fù)合筋及玄武巖纖維復(fù)合拉索的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種纖維筋以及由纖維筋制成的拉索，屬于土建交通等相關(guān)領(lǐng)域的新 結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)形式的開發(fā)。
背景技術(shù)：
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,簡稱FRP)是由纖維材料和基體材料按 一定的比例混合并經(jīng)過一定的工藝復(fù)合形成的高性能材料。這種材料在20世紀(jì)40年代問 世，起初用于航空、航天、國防等高科技領(lǐng)域，后來逐漸在汽車、化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到 廣泛的應(yīng)用。近年來，以其高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，開始在土木工程結(jié)構(gòu)中得到廣泛 應(yīng)用，并受到工程界的廣泛關(guān)注。
FRP材料由于具備輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、易裁剪等諸多優(yōu)良特性，經(jīng)過多年的發(fā)展，已 廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)的加固改造和性能增強(qiáng)領(lǐng)域。包括混凝土梁柱板的承載力加固補(bǔ) 強(qiáng)，混凝土柱的抗震性能改善等。近年來，F(xiàn)RP材料正進(jìn)一步發(fā)展作為新型結(jié)構(gòu)材料，應(yīng) 用于各種新建結(jié)構(gòu)。如橋梁中的斜拉索、橋面板、梁、FRP和混凝土復(fù)合梁等。隨著FRP 應(yīng)用的不斷推廣和成熟，F(xiàn)RP強(qiáng)度的利用效率越來越充分，并出現(xiàn)多種纖維相混雜的FRP 材料，從而使得纖維材料的優(yōu)勢發(fā)揮更加充分。
對于傳統(tǒng)的索結(jié)構(gòu)，如斜拉橋，懸索橋，索拱結(jié)構(gòu)等，拉索都采用鋼絞線或鋼絲束。 雖然鋼材有高強(qiáng)度，高彈性模量等優(yōu)秀力學(xué)性能，但其自身還存在許多隱患，如不耐酸堿 電等腐蝕，抗疲勞性能不強(qiáng)，自重較大等問題。這些隱患往往對結(jié)構(gòu)的長期性能起到控制 作用，危害到結(jié)構(gòu)的安全。如斜拉橋中的斜拉索，由于斜拉索長期受到動力荷載的作用， 振動在拉索端部經(jīng)常會造成保護(hù)材料的剝落，從而引起各種腐蝕，而被迫更換拉索，造成 很大的經(jīng)濟(jì)損失。而且，對于大跨度斜拉橋，隨著跨度的增大，斜拉索不斷增長，由于鋼 索自重引起的垂度也相應(yīng)增加，這一方面造成拉索自重應(yīng)力的增加，降低拉索使用效率； 另一方面，垂度增大也等效降低了拉索的剛度，不利于橋梁使用狀態(tài)下的變形控制。針對 斜拉橋中拉索面臨的這些問題，瑞士聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室(EMPA)的Meier教授首先對此提出了 采用碳纖維拉索取代傳統(tǒng)鋼拉索的設(shè)想，之后碳纖維拉索陸續(xù)應(yīng)用到許多實(shí)驗(yàn)橋梁中，S夸 度多在100m以下，同時相應(yīng)的理論研究也在進(jìn)行。不過，由于碳纖維多年來的持續(xù)高價(jià)格，如果要大規(guī)模的采用碳纖維，勢必大量增加工程的成本，因而碳纖維斜拉索的研究和 應(yīng)用受到了實(shí)際經(jīng)濟(jì)因素的限制和制約。而且，碳纖維拉索由于本身質(zhì)量過輕，在風(fēng)和其 他動力荷載下更加易于振動，這也是一個不利因素。同時，脆性問題也需要加以改善。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種具有較小垂 度效應(yīng)、耐腐蝕、耐疲勞的玄武巖纖維復(fù)合筋以及具有良好經(jīng)濟(jì)性和空氣動力穩(wěn)定性的玄 武巖纖維復(fù)合拉索。
為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下
一種玄武巖纖維復(fù)合筋，所述的復(fù)合筋由若干玄武巖纖維和碳纖維通過樹脂基體復(fù)合 而成，包括復(fù)合單筋和復(fù)合絞線。
所述的復(fù)合纖維單筋由若干玄武巖纖維絲和碳纖維絲，在預(yù)張力作用下通過拉擠成型 工藝和樹脂基體復(fù)合而成，所述的玄武巖纖維絲和碳纖維絲的復(fù)合體積比例為4: 1 1: 1，， 所述樹脂基體含量不小于復(fù)合單筋體積的25%。
所述的復(fù)合絞線為由復(fù)合單筋絞捻而成。
一種采用上述的玄武巖纖維復(fù)合筋制成的玄武巖纖維復(fù)合拉索，包括外保護(hù)層和置于 其內(nèi)的纖維筋材，所述的纖維筋材包括中心筋和外部筋，在所述的中心筋和外部筋之間設(shè) 置有粘彈性填充層和內(nèi)套筒，所述的內(nèi)套筒內(nèi)側(cè)與粘彈性填充層連接，內(nèi)套筒的外側(cè)與外 部筋連接。
所述的復(fù)合拉索中，碳纖維含量在拉索總體纖維含量的25-40%。
所述的外部筋為復(fù)合單筋組成；所述的內(nèi)部筋為玄武巖纖維單筋或者碳纖維單筋組成。
所述的外部筋也可為由復(fù)合單筋絞捻而成的復(fù)合絞線組成。
所述的中心筋也可為由玄武巖纖維單筋絞捻而成的玄武巖絞線或者為由碳纖維單筋 絞捻而成的碳纖維絞線組成。
本實(shí)用新型一種高性能玄武巖纖維復(fù)合拉索，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效 果是
1、 本實(shí)用新型玄武巖纖維復(fù)合拉索與傳統(tǒng)鋼拉索相比，具有較小垂度效應(yīng)，耐腐蝕， 耐疲勞以及良好空氣穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。
2、 在玄武巖纖維中復(fù)合碳纖維，使得拉索整體的短期和長期力學(xué)性能和化學(xué)性能優(yōu)良，并具有突出的經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)，為斜拉橋向更大跨度發(fā)展和取得更加優(yōu)良的綜合性能提供 一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。
3、 與碳纖維拉索相比，具有良好經(jīng)濟(jì)性和空氣動力穩(wěn)定性的優(yōu)勢，而且其他靜動力 力學(xué)性能也與碳纖維拉索接近。
4、 與玄武巖纖維拉索相比，具有更高的剛度，更小的垂度效應(yīng)以及良好的耐疲勞和 空氣動力穩(wěn)定性。
5、 本實(shí)用新型拉索分為內(nèi)外兩層，并且兩層之間保留一定間距。內(nèi)層拉索采用玄武
巖纖維單筋(絞線)或者碳纖維單筋(絞線)，外層拉索采用復(fù)合單筋或復(fù)合絞線，在內(nèi) 外層之間填充粘彈性材料，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于即保證兩種纖維的復(fù)合效果，同時又將兩 種纖維相對分離，以便于增強(qiáng)拉索的內(nèi)阻尼，降低動力荷載下拉索的振動響應(yīng)和保證空氣 動力穩(wěn)定性。


圖1是玄武巖纖維和玻璃纖維同碳纖維混雜后的疲勞強(qiáng)度，其中，(a)玻璃纖維和碳 纖維混雜后疲勞強(qiáng)度；(b)玄武巖纖維和碳纖維混雜后疲勞強(qiáng)度。
圖2是鋼、玄武巖纖維、碳纖維以及復(fù)合纖維的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖。 圖3是通常采用的纖維絞線形式。
圖4是本實(shí)用新型復(fù)合纖維筋的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為復(fù)合單筋，(b)復(fù)合絞線。
圖5是本實(shí)用新型纖維單筋示意圖，其中(a)纖維單筋，(b)纖維絞線。
圖6本實(shí)用新型玄武巖復(fù)合拉索截面布置形示意圖。
圖7本實(shí)用新型復(fù)合拉索制備流程示意。 其中1、玄武巖纖維單筋，11、玄武巖纖維，2、碳纖維單筋，21、碳纖維，3、復(fù)合單筋， 4、內(nèi)套筒，5、彈性材料填充層，6、外保護(hù)層，7、玄武巖纖維絞線，8、碳纖維絞線，9、 復(fù)合絞線，10、基體材料。
具體實(shí)施方式

以下對本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)理念，拉索纖維筋(絞線)的復(fù)合方式，拉索截面布置以及 纖維筋成形工藝和拉索制作流程進(jìn)行描述。 1.設(shè)計(jì)思路
針對通常使用的鋼拉索(鋼絞線拉索或鋼絲束拉索)存在的諸多問題易受各種酸堿 電腐蝕；耐疲勞強(qiáng)度不高；自重大等。并考慮到目前正在研究的碳纖維拉索存在的實(shí)際問題價(jià)格昂貴，顯脆性且抗剪強(qiáng)度低，空氣動力穩(wěn)定性較差等。本實(shí)用新型利用各方面性 能均衡，經(jīng)濟(jì)性能突出的玄武巖纖維作為拉索主體材料，解決纖維材料造價(jià)昂貴無法大量 應(yīng)用的限制，同時采用部分的碳纖維拉索提高玄武巖纖維拉索的剛度不足和耐疲勞，蠕變 強(qiáng)度不充分的問題，并且通過優(yōu)化布置碳纖維拉索和玄武巖拉索的位置，提高拉索自身阻 尼，有利于降低動力荷載下的動力響應(yīng)。并且，在考慮某些極限狀態(tài)時，玄武巖纖維拉索 的較大極限應(yīng)變有利于提高結(jié)構(gòu)延性，增加了結(jié)構(gòu)的安全儲備。
拉索主體材料選用玄武巖纖維，而不采用玻璃纖維，因?yàn)椴ＡЮw維的耐疲勞、蠕變強(qiáng) 度過低，而且和碳纖維混雜，也得不到明顯的提高效果(見圖l(a))，同時玻璃纖維還存在 著回收利用困難，回收過程有污染，抗腐蝕性差等問題，所以不適合作為拉索的主體材料。 設(shè)計(jì)中不應(yīng)采用芳綸纖維作為玄武巖纖維的復(fù)合材料，因?yàn)榉季]纖維彈性模量較碳纖維 低，與玄武巖纖維的彈性模量處于同等水準(zhǔn)，對復(fù)合拉索模量提高沒有幫助，而且芳綸纖 維還存在抗疲勞，蠕變強(qiáng)度低，對紫外線、水、酸等化學(xué)作用比較敏感等問題，所以不適 合作為本玄武巖纖維索的復(fù)合材料。因而，本實(shí)用新型采用玄武巖纖維作為拉索主體，復(fù) 合一定量的碳纖維，達(dá)到滿足高性能拉索所需的優(yōu)良綜合性能。
鋼拉索，碳纖維拉索，玄武巖纖維拉索和玄武巖纖維-碳纖維混雜拉索的應(yīng)力-應(yīng)變曲 線如圖2所示。可見，雖然玄武巖纖維拉索本身也具備較高的抗拉強(qiáng)度，但其彈性模量較 低，如果要滿足結(jié)構(gòu)的剛度要求，勢必拉索面積增加很多，拉索內(nèi)應(yīng)力也很低，這將會導(dǎo) 致拉索利用效率低，垂度明顯以及空氣動力效應(yīng)明顯等問題。因而考慮采用部分碳纖維拉 索進(jìn)行混雜，以滿足剛度要求的條件下，適量提高整體彈性模量。碳纖維拉索在混雜拉索 中的體積比例為20%-50%，混雜后得到拉索的彈性模量(不計(jì)基體材料)在119GPa-161GPa 之間。
通過混雜，玄武巖纖維本身的耐疲勞強(qiáng)度也得到的大幅提高，如圖l(b)所示(橫軸為 循環(huán)加載次數(shù)的對數(shù)(Log)，豎軸為最大循環(huán)應(yīng)力和材料抗拉強(qiáng)度的比例)。玄武巖纖維 和碳纖維按1: 1進(jìn)行混雜后，其疲勞強(qiáng)度大幅度提高，和碳纖維接近，足夠滿足疲勞荷 載的要求。
2.纖維筋
大跨斜拉橋的拉索通常由平行鋼絲束和平行鋼絞線組成。本實(shí)用新型也參照這兩種形 式，用于復(fù)合纖維單筋或絞線。 一般碳纖維筋或絞線可以采用如圖3所示的制作方式，如 單根直接拉擠成型，根據(jù)設(shè)計(jì)需要形成直徑5-llmm不等的單根纖維筋。也可以在單根纖 維筋的基礎(chǔ)上，通過絞捻形成纖維絞線， 一束絞筋內(nèi)可以由7根，19根，37根或者更多單根纖維筋組成，如圖3所示。
參考目前常用的纖維筋，本實(shí)用新型復(fù)合拉索采用如下兩種纖維筋形式(纖維筋中基 體材料體積含量不小于25%):
(1) 復(fù)合單筋(絞線)
將玄武巖纖維絲和碳纖維絲按設(shè)計(jì)需要，以一定的比例組合(4: 1 1: 1)，為保證 兩種纖維絲的共同工作，對纖維絲首先進(jìn)行預(yù)張拉，然后再通過拉擠成型工藝，復(fù)合成單 根復(fù)合纖維筋(復(fù)合單筋)，如圖4(a)所示。復(fù)合單筋可單獨(dú)使用，亦可將多根復(fù)合單筋通
過絞捻形成復(fù)合絞線使用，如7根復(fù)合單筋絞捻(圖4 (b))。
(2) 纖維單筋(絞筋) 玄武巖纖維絲和碳纖維絲分別通過拉擠成型形成單根纖維筋(纖維單筋)，如圖5 (a)
所示，纖維單筋可獨(dú)立使用，也可將多根單筋絞捻組成纖維絞線使用，如7根纖維單筋絞 捻(圖5 (b))。
3. 復(fù)合拉索截面布置形式
通過上述兩種種方法形成的纖維筋，按以下規(guī)律排列形復(fù)合纖維拉索。具體如下 拉索分為內(nèi)外兩層，并且兩層之間保留一定間距。內(nèi)層中心筋采用玄武巖纖維單筋(絞 線)或者碳纖維單筋(絞線)，外層外部筋采用復(fù)合單筋或復(fù)合絞筋，在內(nèi)外層之間填充
粘彈性材料，具體如圖6所示。復(fù)合拉索中，碳纖維含量占拉索總體纖維含量的25-40%。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于即保證兩種纖維的復(fù)合效果，同時又將兩種纖維相對分離，以便于增 強(qiáng)拉索的內(nèi)阻尼，降低動力荷載下拉索的振動響應(yīng)和保證空氣動力穩(wěn)定性。
4. 復(fù)合拉索細(xì)部要求 根據(jù)上述拉索截面形式，有如下細(xì)部具體要求
1) 外保護(hù)層
外保護(hù)層采用聚乙烯PE材料，通過熱塑加工包裹在復(fù)合纖維拉索表面，具體工藝同 普通鋼拉索相同，但不必考慮防腐設(shè)計(jì)。僅起到保護(hù)纖維直接受到酸堿鹽等作用以及形成 拉索表面特定形狀的作用。
2) 中間層粘彈性填充材料
中間層為粘彈性材料(如橡膠等)，填充于內(nèi)層拉索和外層拉索之間。其作用為在 拉索振動時，由于內(nèi)外拉索的相對運(yùn)動，使粘彈性材料變形以耗能，減少振動響應(yīng)和提高 空氣動力穩(wěn)定性。具體要求粘彈性材料具有一定的剛度和粘性阻尼。
3) 內(nèi)套筒內(nèi)套筒的作用是維持外層纖維拉索形狀，同時便于填充粘彈性材料?？梢圆捎酶鞣N經(jīng) 濟(jì)性好的纖維材料做成薄壁筒狀，因?yàn)閮?nèi)套筒不直接參與拉索受拉，所以設(shè)計(jì)時僅考慮能 承受粘彈性材料變形造成的壓力即可。 5.復(fù)合拉索制作工藝
首先，復(fù)合單筋或纖維單筋均采用拉擠成型工藝，為保證纖維的共同工作，對纖維絲 應(yīng)給予一定的預(yù)張力，然后再通過拉擠成型形成纖維筋材。該工藝通過對纖維無捻粗紗進(jìn)
行預(yù)浸、加熱、硬化、冷卻和拉拔等一系列工藝，最終形成成品纖維筋。制作工藝過程為 在成型設(shè)備牽引力的作用下，對纖維絲施加預(yù)張力，纖維無捻粗紗經(jīng)基體材料(如環(huán)氧樹 脂等)預(yù)浸漬后通過模具系統(tǒng)預(yù)成形，然后經(jīng)過高溫高壓固化后，進(jìn)入硬化冷卻階段，最 后通過較小口徑的模具拉拔形成最終連續(xù)的纖維筋。纖維筋可通過絞捻工藝形成纖維絞 線。將制備完成的纖維筋或纖維絞線按圖7所示工序形成復(fù)合拉索。
權(quán)利要求1、一種玄武巖纖維復(fù)合筋，其特征在于所述的復(fù)合筋由若干玄武巖纖維和碳纖維通過樹脂基體復(fù)合而成，包括復(fù)合單筋和復(fù)合絞線。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玄武巖纖維復(fù)合筋，其特征在于所述的復(fù)合纖維單筋由 若干玄武巖纖維絲和碳纖維絲，在預(yù)張力作用下通過拉擠成型工藝和樹脂基體復(fù)合而成， 所述的玄武巖纖維絲和碳纖維絲的復(fù)合體積比例為4: 1 1: 1，所述樹脂基體含量不小于 復(fù)合單筋體積的25%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玄武巖纖維復(fù)合筋，其特征在于所述的玄武巖纖維復(fù)合 絞線由復(fù)合單筋絞捻而成。
4、 一種采用權(quán)利要求1所述的玄武巖纖維復(fù)合筋制成的玄武巖纖維復(fù)合拉索，其特 征在于包括外保護(hù)層和置于其內(nèi)的纖維筋材，所述的纖維筋材包括中心筋和外部筋，在 所述的中心筋和外部筋之間設(shè)置有粘彈性填充層和內(nèi)套筒，所述的內(nèi)套筒內(nèi)側(cè)與粘彈性填 充層連接，內(nèi)套筒的外側(cè)與外部筋連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的玄武巖纖維復(fù)合拉索，其特征在于所述的復(fù)合拉索中，碳纖維含量在拉索總體纖維含量的25-40%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的玄武巖纖維復(fù)合拉索，其特征在于所述的外部筋由復(fù)合 纖維筋組成；所述的中心筋由玄武巖纖維單筋或者碳纖維單筋組成。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的玄武巖纖維復(fù)合拉索，其特征在于所述的外部筋由復(fù)合 絞線組成。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的玄武巖纖維復(fù)合拉索，其特征在于所述的中心筋由玄武 巖纖維單筋絞捻而成的玄武巖絞線或者為由碳纖維單筋絞捻而成的碳纖維絞線組成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種玄武巖纖維復(fù)合筋及玄武巖纖維復(fù)合拉索，復(fù)合筋由玄武巖纖維和碳纖維在預(yù)張力作用下通過拉擠成型復(fù)合形成，纖維體積比例4∶1～1∶1；玄武巖纖維復(fù)合拉索，包括外保護(hù)層和置于其內(nèi)的纖維筋材，纖維筋材包括中心筋和外部筋，中心筋由玄武巖纖維筋或碳纖維筋組成，外部筋由玄武巖纖維復(fù)合筋組成，在所述的中心筋和外部筋之間設(shè)置有粘彈性填充層和內(nèi)套筒，內(nèi)套筒內(nèi)側(cè)與粘彈性填充層連接，內(nèi)套筒的外側(cè)與外部筋連接。復(fù)合拉索中，碳纖維含量占拉索總體纖維含量的25-40％。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型玄武巖纖維復(fù)合拉索在玄武巖纖維中復(fù)合碳纖維，使得拉索整體的短期和長期力學(xué)性能和化學(xué)性能優(yōu)良，并具有突出的經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)。
文檔編號D07B5/00GK201400819SQ200920036370
公開日2010年2月10日 申請日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者吳智深, 昕 汪 申請人:東南大學(xué);浙江石金玄武巖纖維有限公司;北京特希達(dá)技術(shù)研發(fā)有限公司