含有高韌耐磨套管的纖維預應力繩及其製造方法

2023-09-23 15:12:25

專利名稱：含有高韌耐磨套管的纖維預應力繩及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種建築結構用複合材料領域，尤其涉及一種含有高韌耐磨套管的纖 維預應力繩及其製造方法。
背景技術：
預應力技術在混凝土橋梁及其它混凝土建築中佔有主導地位。通常的預應力張拉 工藝均是採用鋼絞線或鋼筋作為張拉部件。由於鋼鐵資源有限，而且自蒸汽機發明以來已經大規模開採了大約三百年。隨著 鋼鐵資源的枯竭、科技的進步、新型建築複合材料的不斷湧現和對環保要求的不斷提高，對 建築的設計壽命、質量以及其它性能都提出了更高的要求。目前使用的傳統的建築材料已滿足不了現代化建築物的需求新建城市、道路、橋 梁的擴大需要增加了新的土地和基礎設施投資，勢必造成傳統的建築材料需要大量增加， 而傳統的建築材料在能源、礦產、環保、資金、地理位置、規劃等多方面受到制約。傳統的建 築材料資源也在不斷地耗竭，建築行業的新資源已成為現代化建築亟待解決的問題。另外，非金屬材料作為混凝土的加勁部件，具有不鏽蝕、耐久性好等優勢。目前基 於鋼筋和鋼絞線的混凝土簡支梁、連續梁、連續剛構、斜腿剛架結構、V型支撐結構等，設計 壽命往往在40年左右；而使用非金屬材料，其設計壽命可以達到甚至超過100年；這在經 濟性、資源應用上看，有2. 5倍的效益。然而，進一步分析可以看出，從環境保護的角度看，增強耐久性還有巨大的收益 對於壽命40年的建築，在100年中平均新建或重建2. 5次，每次都要對環境造成影響。而 重建的1.5次中，拆毀舊建築、處理舊建築的爆破廢棄物，對優美環境是一個大的威脅。隨 著現代化進程的加快，處理廢棄建築的費用以及場地的代價越來越高。因此，基於碳纖維、高性能玻璃纖維、玄武巖纖維的複合材料有代替鋼筋混凝 土中鋼材的趨勢。目前已經廣泛應用的有纖維增強高分子材料(FRP，fiberreinforced polymer)用作混凝土梁的預應力筋、主筋、箍筋、以及預錨具和應力錨固頭附近的螺旋箍筋寸。經檢索，尚未發現一種含有高韌耐磨套管的纖維預應力繩的報導。本申請人於2010年4月7日申報的發明《分布式智能繩索及其製造方法》(申請 號=201010145839. 6)和實用新型《一種分布式智能繩索》(申請號=201020156231. 9)均未 涉及高韌耐磨外套。

發明內容
本發明的目的就在於填補現有技術的空白，提供一種含有高韌耐磨纖維套管的預 應力繩及其製造方法。本發明的目的是這樣實現的由高分子材料固化纖維形成的筋材，其力學性能受高分子材料影響，表現出很高的蠕變、鬆弛性。本發明提出採用預應力繩作為張拉構件，張拉完畢以後，再用壓漿的方式 灌注高分子膠料，使其充分浸潤後予以固化。本發明的特點在於在工作溫度下，玻璃纖維 或玄武巖纖維沒有蠕變及鬆弛效應，實質性的效應發生在500攝氏度以上。以沒有扭矩沒 有捻度的平行玻璃纖維或玄武巖纖維作為預應力張拉構件，張拉過程中不存在高分子材料 的蠕變效應，隨後也沒有鬆弛效應，能保證優越的長期力學性能。張拉以後在進行固化，能 發揮纖維的優勢，又能得到高分子材料固化的穩固性。碳纖維微觀結構屬於晶體結構，具有 一定的鬆弛和蠕變特性，但是其強度高、彈性模量大，與玻璃或玄武巖纖維混合使用，不僅 提高整體的模量，而且兼有低模量的纖維的彈性，具有較強的抗震能力。因此，用繩而不是 固化後的筋材做張拉構件，是本項發明的基本特徵之一。在預應力繩的張拉過程中，預應力繩的表面與波紋管接觸處具有很大的擠壓力， 以繩的張力為10，000ΚΝ計算，橫向擠壓力在2000到5000KN，而且繩與波紋管的接觸點位移 很大，往往在1到15cm，滑動摩擦力也很大。在這種情況下，裸裝的平行纖維繩往往會持續 斷絲，降低其總體的強度。因此，繩的編織外套層成為應用此項發明的關鍵，本項發明在預 應力繩技術基礎上，進一步以耐磨的高韌性纖維外套技術，完善這一工藝。採用高韌耐磨纖 維外套，是本項發明的另一個基本特徵。具體地說，本發明包括預應力繩及其製造方法兩部分內容1、含有高韌耐磨纖維套管的預應力繩(簡稱預應力繩)本預應力繩包括從內向外依次連接的碳纖維和玄武巖纖維合股層、高韌耐磨纖維 套管和保護塗層。2、含有高韌耐磨纖維套管的預應力繩的製造方法(簡稱製造方法)本製造方法包括下列步驟①將纖維從紗架上引出，經過輸送裝置，按比例依層次將碳纖維、玄武巖纖維合成 股紗得到碳纖維和玄武巖纖維合股層，同時將高韌耐磨纖維在碳纖維和玄武巖纖維合股層 外經雙層編織機製成高韌耐磨纖維套管；②在高韌耐磨纖維套管表面塗覆一層保護塗層；
③經切割、卷取和包裝而成本預應力繩。本發明具有下列優點和積極效果1、本預應力繩採用高性能碳纖維和玄武巖纖維複合，製造出預應力繩的芯體，在 芯體的外表編織一層柔軟、耐磨擦、耐擠壓的高韌耐磨纖維套管，並在套管上塗覆一種保護 塗層，使其具有和樹脂親合性好、粘結強的預應力繩；2、本預應力繩自重輕、便於運輸、使用和安裝方便、耐腐蝕性和耐久性好；3、本預應力繩抗拉強度高，耐擠壓性能強，是高強的承載受力材料；4、本預應力繩具有經濟、高效、適用的特徵，有效解決了當今建築行業中的瓶頸問 題；5、本預應力繩與其它預應力材料相比，其價格在等強度條件下有明顯的經濟性優 勢，成本要低20%左右；6、本預應力繩由於引入了高韌性耐磨纖維材料護套，使其具有較高承載力和可靠 的張拉性能，容易與與傳感光纖技術結合，使之具有受力構件和傳感器的雙重功能。7、本預應力繩克服了傳統材料抗環境腐蝕和抗蠕變性能較差、耐久性明顯不好等缺點，而且在張拉過程中更加穩定、可靠。總之，本預應力繩是一種高強的承載受力材料，適用於預應力混凝土梁、桁架、斜 拉桁架結構的預應力張拉，懸索橋的主繩及吊索，大跨度斜拉橋的斜拉繩。


圖1是本預應力繩的結構示意圖。圖2是圖1的橫截面圖。其中10-玄武巖纖維；20-碳纖維；30-高韌耐磨套管；40-保護塗層。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例詳細說明一、預應力繩1、總體如圖1，本預應力繩包括從內向外依次連接的玄武巖纖維(10)和碳纖維(20)的合 股層、高韌耐磨套管30和保護塗層40。2、功能部件1)玄武巖纖維10和碳纖維20的合股層所述的玄武巖纖維10和碳纖維20的合股層是一種由玄武巖纖維10和碳纖維20 在合股機與張力機的作用下經過拉緊而形成的合股層，其重量百分比分別是玄武巖纖維為40-50% ；碳纖維為50-60%。玄武巖纖維10和碳纖維20的合股層的功能是承受預應力張拉的載荷。3)高韌耐磨套管30所述的高韌耐磨套管30是一種經過雙層編織機將繩索芯體(玄武巖纖維10和碳 纖維20的合股層)包裹在其中、用高韌耐磨纖維編織成的套管。高韌耐磨套管30的功能是套在繩索芯體表面，使繩索具有表面柔軟、耐磨和耐擠壓等特點。高韌耐磨纖維選用芳綸纖維、超高分子量拉伸聚乙烯纖維或其它高韌耐磨纖維。4)保護塗層40所述的保護塗層40是一種在繩索表面塗覆的一層矽烷偶聯劑和表面處理劑。保護塗層40的功能是耐化學腐蝕、耐水、耐冷凍。矽烷偶聯劑和表面處理劑選用由環氧樹脂、乙烯基樹脂、聚酯樹脂和酚醛樹脂等 相結合的KH550或KH560。二、製造方法關於步驟③1)切割
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預應力繩可用機器或人工切割，切割位置在固化的端部部分。在工程所需的長度處，將預應力繩的端部用環氧樹脂或其它固化劑固化，便於使 用時與錨具配合，同時保證所有平行纖維長度相同，避免運輸、儲層過程中亂絲。固化預應 力繩的兩端部時要保持芯體有一個均勻的張拉力，以保證所有芯體纖維平行、等長。2)卷取採取「8」字形盤繞，以保證內芯纖維不致紊亂。3)包裝採取常規包裝。三、本預應力繩的成型機理1、具備高強度的性能高韌耐磨纖維具有柔軟、堅韌、耐磨、耐擠壓等特點；碳纖維作為增強材料，具有強度高、模量大的優點；玄武巖纖維或高性能玻璃纖維作為受力材料，具有彈性好(楊氏模量較小)、抗震 能力強、與樹脂粘結性能強、沒有明顯蠕變和鬆弛效應等優點；2、實現了連續機械化生產在現有的技術中有大量的且各種各樣的繩索，用它來固定各種建築物或其它物 體，這些繩索一般都是編織或擰絞而成，並由兩股以上的纖維材料組成。本發明採用平行 的、無捲曲、無捻度、無擰絞的纖維做受力部件，並用高韌耐磨纖維護套加以保護。適合在一 般通用的制繩機、多股編織機和雙層編織機上進行，實現了連續機械化生產方式代替手工、 半機械化生產，提高了生產效率，減輕了生產工人的勞動力強度，減少了昂貴的碳纖維原料 的損耗和作業場地，經濟和節能效果明顯，它加工出的繩索形狀、尺寸和纖維的張力能保持 規整一致，強度高，耐折、耐久性好，包裝、運輸使用方便。3、用本方法生產的預應力繩，實現了 1)表面柔軟，耐磨，耐擠壓；2)長度可以從lm-500m以上，直徑可以從4mm-150mm，繩索的兩端固化；3)強度在1500到2500兆帕以上，模量在70-200之間；4)抗震性能，不會突然地一次性地斷裂、斷裂必定會分成兩次或兩次以上的階段。 在不可抗力的如地震、爆炸等破壞情況下，可以保持構件變形損壞，而不至於斷裂、坍塌或墜落。
權利要求
一種含有高韌耐磨套管的纖維預應力繩，其特徵在於包括從內向外依次連接的玄武巖纖維(10)和碳纖維(20)合股層、高韌耐磨套管(30)和保護塗層(40)。
2.按權利要求1所述的預應力繩，其特徵在於所述的玄武巖纖維(10)和碳纖維(20)合股層，是一種由玄武巖纖維和碳纖維在合股 機與張力機的作用下經過拉緊而形成的合股層，兩種纖維束在合股層中的位置都是軸對稱 的，其重量百分比分別是玄武巖纖維為40-50% ；碳纖維為50-60%。
3.按權利要求1所述的預應力繩，其特徵在於所述的高韌耐磨套管(30)是一種經過雙層編織機將玄武巖纖維合股層(10)和碳纖維 (20)包裹在其中、用高韌耐磨纖維編織成的套管；高韌耐磨纖維選用芳綸纖維、超高分子量拉伸聚乙烯纖維或其它高韌耐磨纖維。
4.按權利要求1所述的預應力繩，其特徵在於所述的保護塗層(40)是一種在繩索表面塗覆的一層矽烷偶聯劑和表面處理劑；選用由環氧樹脂、乙烯基樹脂、聚酯樹脂和酚醛樹脂相結合的KH550或KH560。
5.按權利要求1所述的預應力繩的製造方法，其特徵在於包括下列步驟①將纖維從紗架上引出，經過輸送裝置，按比例依層次將玄武巖纖維、碳纖維合成股紗 得到玄武巖纖維(10)和碳纖維(20)合股層，同時將高韌耐磨纖維在玄武巖纖維(10)和碳 纖維(20)合股層外經雙層編織機製成高韌耐磨纖維套管(30)；②在高韌耐磨纖維套管表面塗覆一層保護塗層(40)；③經切割、卷取和包裝而成本預應力繩。
全文摘要
本發明公開了一種含有高韌耐磨套管的纖維預應力繩及其製造方法，涉及一種建築結構用複合材料領域。本預應力繩包括從內向外依次連接的玄武巖纖維和碳纖維合股層、高韌耐磨套管和保護塗層。其製造方法是①將纖維從紗架上引出，經過輸送裝置，按比例依層次將玄武巖纖維、碳纖維合成股紗得到玄武巖纖維和碳纖維合股層，同時將高韌耐磨纖維在玄武巖纖維和碳纖維合股層外經雙層編織機製成高韌耐磨套管；②在高韌耐磨套管表面塗覆一層保護塗層；③經切割、卷取和包裝而成本預應力繩。本預應力繩是一種高強的承載受力材料，適用於預應力混凝土梁、桁架、斜拉桁架結構的預應力張拉，懸索橋的主繩及吊索，大跨度斜拉橋的斜拉繩。
文檔編號D07B1/02GK101886347SQ20101022445
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月9日 優先權日2010年7月9日
發明者金文成 申請人:金文成