專利名稱：撓性纖維加強復合鋼筋的制作方法
技術領域：
無
背景技術：
混凝土和其它砌體或膠結性材料具有高的壓縮強度但相對低的拉伸強度。 因此，在將混凝土用作結構材料時，常規(guī)上并入加強部件以增強結構的拉伸強 度。加強部件通常包含剛性桿或棒，例如鋼桿或棒。此類加強部件通常稱作"鋼 筋"。
不幸的是，鋼和其它金屬容易受到氧化。另外，此類材料在使用之前是非 常剛性的，使得此類加強部件的放置可能是困難且時間密集的。因此，必須將 常規(guī)金屬鋼筋切割成段并接合以便形成"十字形，，或其它所要的圖案。
一種可能的解決方案是使用玻璃纖維配方結合熱塑性樹脂作為結構鋼筋。 舉例來說，布賴恩(Bryan, III)等人的第6,048,598號美國專利揭示具有通過 熱塑性樹脂彼此束縛在一起的個別纖維的扭轉鋼筋(twisted rope rebar)。岡本 (Okamoto)等人的第5，580，642號美國專利揭示包含加強纖維和熱塑性纖維 的加強部件。凱澤(Kaiser)的第5,593,536號和第5,626,700號美國專利揭示 一種用于形成包括拉擠成型與SMC (薄片模制化合物)的組合的加強結構鋼 筋的設備。經修改的拉擠成型制造具有熱固性樹脂加強材料的核心和外部薄片 模制化合物的鋼筋。柿原(Kakihara)等人的第5，077，113號美國專利提出一 螺旋纏繞在纖維加強核心周圍的內部絲束層、沿著核心軸向定向的多個中間絲束和螺旋纏繞在核心和其它束周圍的外部絲束。L'埃斯佩蘭斯(L'Esperance) 等人的第4,620,401號美國專利提出一纖維加強熱固性樹脂核心和多個螺旋形 地纏繞在核心周圍且用熱固性樹脂浸漬的連續(xù)纖維。杰克遜(Jackson)的第 2,425,883號美國專利揭示由精細玻璃纖維形成的桿或棒，具有酚醛樹脂在加 熱下固化。
不管這些進步如何，仍需要提供一種克服現有技術的缺點和復雜性的改進 的結構鋼筋。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種改進的復合加強桿或鋼筋結構。所述鋼筋結構 一般由嵌入 在熱塑性樹脂基質中以形成加強桿的連續(xù)纖維形成。使所述桿變扁平以達到大 于一比一的橫截面縱橫比。接著以大體螺旋方式來扭轉所述桿。在鋼筋結構的 一個實施例中，所述桿具有約二比一的橫截面縱橫比的大體橢圓形橫截面形狀 和約30厘米的扭轉間距。所述基質可為例如聚丙烯的熱塑性樹脂，且所述纖 維可由玻璃形成。熱塑性樹脂基質允許所述基質通過施加熱而軟化以借此將所 述桿彎曲或撓曲到所要形狀。方便彎曲的能力由橫截面形狀和縱橫比以及由施 加到所述桿的扭轉來輔助。 一旦彎曲到所要的形狀，就允許所述桿冷卻且重新 硬化到大體剛性狀態(tài)。
本發(fā)明的目的和優(yōu)勢將從結合附圖作出的以下描述中顯而易見，附圖中通 過說明和實例方式來陳述本發(fā)明的某些實施例。
圖式構成本說明書的一部分，且包括本發(fā)明的示范性實施例并說明本發(fā)明 的各種目的和特征。


圖1是用于形成本發(fā)明的撓性纖維加強復合鋼筋的拉擠成型工藝的圖解 視圖。
圖2是本發(fā)明的一段長度的撓性纖維加強復合鋼筋的片斷透視圖。 圖3是沿圖2的線3-3截取的鋼筋的放大很多的橫截面圖。
具體實施例方式
根據需要，在本文揭示本發(fā)明的詳細實施例；然而，應理解，所揭示實施 例對于本發(fā)明僅為示范性的，本發(fā)明可以各種形式來體現。因此，不應將本文 所揭示的特定結構和功能細節(jié)解釋為限制性的，而是僅作為權利要求書的基礎 且作為用于教示所屬領域的技術人員在實際上任何適當詳細結構中以不同方 式使用本發(fā)明的代表性基礎。
現在更詳細參看圖式，參考數字1 一般指定體現本發(fā)明的撓性纖維加強復 合加強桿或鋼筋結構。鋼筋結構1 一^:包括嵌入在熱塑性樹脂基質3內的多個 加強纖維2 (圖2和圖3 )。鋼筋結構1以大體螺旋方式來扭轉。
圖1圖解地說明用于制造鋼筋結構1的系統(tǒng)和工藝10。軸架(creel)布置12 (包括多個線軸或繞線管14)將多個連續(xù)加強纖維2放入一組纖維導向器16 中。纖維2以線軸14上的"粗紗"或扭轉繩股的形式提供。纖維2可為人造 的或人工連續(xù)細絲，例如碳、玻璃、芳族聚酰胺、有機和/或金屬纖維。軸架 布置12為纖維提供最佳預拉伸以便最大化聚合物3到纖維2中的浸漬。軸架 系統(tǒng)12的特定布置可視供貨商所提供的加強/粗紗2的形狀而變化。
纖維移動穿過導向器16,導向器16可由導向銷和拉伸器組成，此取決于 最終產品的最終大小。導向器16除了導向纖維2的路徑之外，幫助增加基質 浸漬腔18內的表面積。所說明的工藝10包括干燥器20,將熱塑性樹脂3饋 入干燥器20中。加熱器組件22將熱塑性樹脂加熱到塑料狀態(tài)。螺桿"泵"24 迫使經加熱樹脂進入浸漬腔18中。
浸漬腔18 (工藝10的重要組件)包括兩個部分。在第一部分26中，纖 維2開始與被抽吸到浸漬腔18中的熱塑性聚合物3接觸。腔18的設計使得能 夠創(chuàng)建熱塑性聚合物3的高剪切區(qū)，此導致其粘度的顯著降低。此粘度降低極 大地改進了高粘性聚合材料3到纖維2中的浸漬。在浸漬腔18的第二部分28 中，被浸漬的纖維2被會聚到經加固的浸漬鋼筋30中。依據所需要的最終形 狀，經加固鋼筋30在其仍然熱時被給定其最終形狀。
一旦具有其最終形狀的鋼筋30離開浸漬腔18，其就通過冷卻器系統(tǒng)32。 冷卻器系統(tǒng)的設計取決于產品的最終形狀。對于熱塑性鋼筋30，冷卻器系統(tǒng) 32可能為長管形狀，具有沿著其長度附接的灑水機(未圖標)。噴灑器將用以將水噴射在熱塑性鋼筋30上以冷卻其表面。
經浸漬鋼筋30接著移動經過拉出器36。拉出器36在整個制造工藝10期 間將經浸漬鋼筋30拉出穿過整個裝置。最后，經浸漬鋼筋進入切割器臺38, 其將最終產品切割成其所需要的長度。
一個實施例熱塑性鋼筋30由作為纖維加強2的E玻璃(E-glass)或電氣級 玻璃以及作為熱塑性基質3的聚丙烯組成。纖維體積比是鋼筋30的總體積的 近似45%，其為典型長纖維熱塑性工藝的代表值。熱塑性鋼筋設計優(yōu)化通過使 用ABAQUSTM有限單元分析軟件(法國Dassault Systemes股份公司((Dassault Systemes Societe Anonyme France), www.simulia.com)來執(zhí)4亍。已發(fā)i見4岡筋30 的最佳輪廓為具有約2:1的縱橫比的橢圓形橫截面形狀，其中具體尺寸對于不 同鋼筋大小而變化。在一個實施例中，鋼筋30具有約0.75英寸(19.05 mm) 的長軸和約0.375英寸(9.53 mm)的短軸?？深A見鋼筋30替代地可具有并非 特定為橢圓形的其它扁平形狀。此外，最佳輪廓還包括30厘米(cm)的扭轉 間距或鋼筋30的每12英寸約一個扭轉?；蛘?，扭轉間距可落在約6到24英 寸(15.24到60.96 cm)的范圍內。下文在圖2中說明例示性輪廓，且在下文 中描述設計優(yōu)化的額外重點。
跳過熱固性而選擇熱塑性基質3，因為熱塑性材料具有現場可彎曲的潛 力。鋼筋結構的一個實施例并入有聚丙烯樹脂作為熱塑性基質3。然而，可預 見可有利地使用其它熱塑性樹脂于一些應用和環(huán)境中。使鋼筋30彎曲可需要 就地加熱，其將減少由所施加的彎曲力而產生的應力。所述加熱優(yōu)選地不是實 際上可熔化熱塑性材料3的溫度，而是僅暫時使鋼筋30軟化以用于彎曲。加 熱溫度可在約150到200F ( 65.6到93.3。C )的范圍內。
具有橢圓形橫截面且沿著長軸彎曲的鋼筋結構1似乎滿足現場可彎曲的 需求。橢圓形形狀最小化橫向應力，而扭轉允許容易彎曲而無需對準鋼筋。扭 轉間距表示彎曲長度的分辨率；即，如果間距為30cm，那么鋼筋僅可在每30 cm處彎曲。已確定增加鋼筋30中的扭轉(即，減先扭轉間距)會增加應力和 應變值。在分析期間所考慮的許多扭轉間距中，展示最小縱向應力的輪廓為間 距30cm。此外，已發(fā)現鋼筋最佳可在水平方向上彎曲到橫截面的垂直面，即， 圍繞長軸彎曲。在分析期間還考慮各種縱橫比。已發(fā)現增加縱橫比會減少縱向應力，但增
加橫向應力。增加縱橫比還會增加皺曲的可能性。2:1的縱橫比被認為是最佳 設計參數，且在下面圖3中說明。
總之，滿足現場彎曲性準則而不需要對準的熱塑性鋼筋結構1的最佳實施 例包括具有45%纖維體積比的E玻璃纖維的聚丙烯基質3、具有約2:1的縱 橫比的大體橢圓形輪廓以及約30厘米的扭轉間距。
應理解，雖然在本文已說明和描述本發(fā)明的某些形式，但其并不限于所描 述和展示的部分的特定形式或布置。
權利要求
1.一種復合加強桿結構，其包含(a)熱塑性樹脂基質；(b)多個細長纖維，其嵌入在所述基質中以形成加強桿；以及(c)所述桿具有扁平橫截面形狀。
2. 根據權利要求1所述的結構，其中 (a)所述桿具有螺旋扭轉。
3. 根據權利要求1所述的結構，其中(a)所述桿具有擁有在約6到24英寸(15.24到60.96厘米)范圍內的 扭轉間距的螺旋扭轉。
4. 根據權利要求1所述的結構，其中(a)所述桿具有擁有約30厘米的扭轉間距的螺旋扭轉。
5. 根據權利要求1所述的結構，其中(a)所述桿具有約二比一的橫截面縱橫比。
6. 根據權利要求1所述的結構，其中 (a)所述桿具有大體橢圓形橫截面形狀。
7. 根據權利要求1所述的結構，其中(a)所述桿具有擁有約二比一的橫截面縱橫比的大體橢圓形橫截面形狀。 根據權利要求1所述的結構，其中 (a)所述熱塑性樹脂基質由聚丙烯樹脂形成。
8. 根據權利要求1所述的結構，其中(a)所述纖維由由以下各物組成的材料群組中的一種形成玻璃、碳、 芳族聚酰胺和金屬。
9. 根據權利要求1所述的結構，其中 (a)所述纖維由玻璃形成。
10. 根據權利要求l所述的結構，其中(a)所述纖維形成所述桿的體積的近似百分之45。
11. 一種復合加強桿結構，其包含(a) 熱塑性樹脂基質；(b) 多個連續(xù)纖維，其嵌入在所述基質中以形成加強桿；(c) 所述桿具有大體橢圓形橫截面形狀；以及(d) 所述桿具有螺旋扭轉。
12. 根據權利要求12所述的結構，其中(a)所述桿具有擁有在約6到24英寸(15.24到60.96厘米)范圍內的 扭轉間距的螺旋扭轉。
13. 根據權利要求12所述的結構，其中(a)所述桿具有擁有約30厘米的扭轉間距的螺旋扭轉。
14. 根據權利要求12所述的結構，其中 (a)所述桿具有約二比一的橫截面縱橫比。
15. 根據權利要求12所述的結構，其中 (a)所述熱塑性樹脂基質由聚丙烯樹脂形成。
16. 根據權利要求12所述的結構，其中(a)所述纖維由由以下各物組成的材料群組中的一種形成玻璃、碳、 芳族聚酰胺和金屬。
17. 根據權利要求12所述的結構，其中 (a)所述纖維由玻璃形成。
18. 根據權利要求12所述的結構，其中(a)所述纖維形成所述桿的體積的近似百分之45。
19. 一種復合加強桿結構，其包含(a) 熱塑性樹脂基質；(b) 多個連續(xù)纖維，其嵌入在所述基質中以形成加強桿，所述纖維由由 以下各物組成的材料群組中的一種形成玻璃、碳、芳族聚酰胺和金屬；(c) 所述桿具有擁有約二比一的橫截面縱橫比的大體橢圓形橫截面形狀；(d) 所述桿具有擁有在約6到24英寸(15.24到60.96厘米)范圍內的 扭轉間距的螺旋扭轉。
20. 根據權利要求20所述的結構，其中 (a)所述桿具有約30 cm的扭轉間距。
21. 根據權利要求20所述的結構，其中 (a)所述熱塑性樹脂基質由聚丙烯樹脂形成。
22. 根據權利要求20所述的結構，其中 (a)所述纖維由玻璃形成。
23. 根據權利要求20所述的結構，其中(a)所述纖維形成所述桿的體積的近似百分之45。
24. —種用于形成包括嵌入在聚合基質中的多個細長纖維的復合加強桿 結構的工藝，在所述工藝中，改進包含以下步驟(a) 提供熱塑性樹脂以形成所述聚合基質；(b) 將所述細長纖維嵌入在所述基質內以形成加強桿；(c) 使所述加強桿變扁平以產生大于一比一的橫截面縱橫比；以及(d) 扭轉所述扁平桿以達到在約6到24英寸(15.24到60.96 cm)范圍 內的扭轉間距。
25. 根據權利要求25所述的工藝，其中所述扁平步驟包括以下步驟 (a)使所述桿變扁平以產生具有約二比一的縱橫比的大體橢圓形橫截面形狀。
26. 根據權利要求25所述的工藝，其中所述扭轉步驟包括以下步驟 (a)扭轉所述扁平桿以達到約30厘米的扭轉間距。
全文摘要
一種撓性纖維加強復合鋼筋結構包括嵌入在熱塑性樹脂內的多個連續(xù)纖維。所述鋼筋結構具有擁有約二比一的縱橫比的橢圓形橫截面形狀以及擁有約30cm的扭轉間距的扭轉。所述熱塑性樹脂基質通過施加熱以軟化所述鋼筋結構而使所述結構現場彎曲，且其后冷卻以返回到剛性狀態(tài)。
文檔編號E04H12/00GK101611205SQ200780045291
公開日2009年12月23日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權日2006年12月14日
發(fā)明者A.·狄恩·湯姆森, 威廉·P.·強克, 布萊恩·J.·諾芙, 艾倫·費茲 申請人:Dt研發(fā)設計公司