專利名稱：含有高韌耐磨套管的纖維預(yù)應(yīng)力繩及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建筑結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其涉及一種含有高韌耐磨套管的纖 維預(yù)應(yīng)力繩及其制造方法。
背景技術(shù)：
預(yù)應(yīng)力技術(shù)在混凝土橋梁及其它混凝土建筑中占有主導(dǎo)地位。通常的預(yù)應(yīng)力張拉 工藝均是采用鋼絞線或鋼筋作為張拉部件。由于鋼鐵資源有限，而且自蒸汽機(jī)發(fā)明以來已經(jīng)大規(guī)模開采了大約三百年。隨著 鋼鐵資源的枯竭、科技的進(jìn)步、新型建筑復(fù)合材料的不斷涌現(xiàn)和對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，對(duì) 建筑的設(shè)計(jì)壽命、質(zhì)量以及其它性能都提出了更高的要求。目前使用的傳統(tǒng)的建筑材料已滿足不了現(xiàn)代化建筑物的需求新建城市、道路、橋 梁的擴(kuò)大需要增加了新的土地和基礎(chǔ)設(shè)施投資，勢必造成傳統(tǒng)的建筑材料需要大量增加， 而傳統(tǒng)的建筑材料在能源、礦產(chǎn)、環(huán)保、資金、地理位置、規(guī)劃等多方面受到制約。傳統(tǒng)的建 筑材料資源也在不斷地耗竭，建筑行業(yè)的新資源已成為現(xiàn)代化建筑亟待解決的問題。另外，非金屬材料作為混凝土的加勁部件，具有不銹蝕、耐久性好等優(yōu)勢。目前基 于鋼筋和鋼絞線的混凝土簡支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、斜腿剛架結(jié)構(gòu)、V型支撐結(jié)構(gòu)等，設(shè)計(jì) 壽命往往在40年左右；而使用非金屬材料，其設(shè)計(jì)壽命可以達(dá)到甚至超過100年；這在經(jīng) 濟(jì)性、資源應(yīng)用上看，有2. 5倍的效益。然而，進(jìn)一步分析可以看出，從環(huán)境保護(hù)的角度看，增強(qiáng)耐久性還有巨大的收益 對(duì)于壽命40年的建筑，在100年中平均新建或重建2. 5次，每次都要對(duì)環(huán)境造成影響。而 重建的1.5次中，拆毀舊建筑、處理舊建筑的爆破廢棄物，對(duì)優(yōu)美環(huán)境是一個(gè)大的威脅。隨 著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，處理廢棄建筑的費(fèi)用以及場地的代價(jià)越來越高。因此，基于碳纖維、高性能玻璃纖維、玄武巖纖維的復(fù)合材料有代替鋼筋混凝 土中鋼材的趨勢。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的有纖維增強(qiáng)高分子材料(FRP，fiberreinforced polymer)用作混凝土梁的預(yù)應(yīng)力筋、主筋、箍筋、以及預(yù)錨具和應(yīng)力錨固頭附近的螺旋箍筋寸。經(jīng)檢索，尚未發(fā)現(xiàn)一種含有高韌耐磨套管的纖維預(yù)應(yīng)力繩的報(bào)道。本申請(qǐng)人于2010年4月7日申報(bào)的發(fā)明《分布式智能繩索及其制造方法》(申請(qǐng) 號(hào)=201010145839. 6)和實(shí)用新型《一種分布式智能繩索》(申請(qǐng)?zhí)?201020156231. 9)均未 涉及高韌耐磨外套。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的空白，提供一種含有高韌耐磨纖維套管的預(yù) 應(yīng)力繩及其制造方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的由高分子材料固化纖維形成的筋材，其力學(xué)性能受高分子材料影響，表現(xiàn)出很高的蠕變、松弛性。本發(fā)明提出采用預(yù)應(yīng)力繩作為張拉構(gòu)件，張拉完畢以后，再用壓漿的方式 灌注高分子膠料，使其充分浸潤后予以固化。本發(fā)明的特點(diǎn)在于在工作溫度下，玻璃纖維 或玄武巖纖維沒有蠕變及松弛效應(yīng)，實(shí)質(zhì)性的效應(yīng)發(fā)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(yù)應(yīng)力張拉構(gòu)件，張拉過程中不存在高分子材料 的蠕變效應(yīng)，隨后也沒有松弛效應(yīng)，能保證優(yōu)越的長期力學(xué)性能。張拉以后在進(jìn)行固化，能 發(fā)揮纖維的優(yōu)勢，又能得到高分子材料固化的穩(wěn)固性。碳纖維微觀結(jié)構(gòu)屬于晶體結(jié)構(gòu)，具有 一定的松弛和蠕變特性，但是其強(qiáng)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(qiáng)的抗震能力。因此，用繩而不是 固化后的筋材做張拉構(gòu)件，是本項(xiàng)發(fā)明的基本特征之一。在預(yù)應(yīng)力繩的張拉過程中，預(yù)應(yīng)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(jì)算，橫向擠壓力在2000到5000KN，而且繩與波紋管的接觸點(diǎn)位移 很大，往往在1到15cm，滑動(dòng)摩擦力也很大。在這種情況下，裸裝的平行纖維繩往往會(huì)持續(xù) 斷絲，降低其總體的強(qiáng)度。因此，繩的編織外套層成為應(yīng)用此項(xiàng)發(fā)明的關(guān)鍵，本項(xiàng)發(fā)明在預(yù) 應(yīng)力繩技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步以耐磨的高韌性纖維外套技術(shù)，完善這一工藝。采用高韌耐磨纖 維外套，是本項(xiàng)發(fā)明的另一個(gè)基本特征。具體地說，本發(fā)明包括預(yù)應(yīng)力繩及其制造方法兩部分內(nèi)容1、含有高韌耐磨纖維套管的預(yù)應(yīng)力繩(簡稱預(yù)應(yīng)力繩)本預(yù)應(yīng)力繩包括從內(nèi)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(hù)涂層。2、含有高韌耐磨纖維套管的預(yù)應(yīng)力繩的制造方法(簡稱制造方法)本制造方法包括下列步驟①將纖維從紗架上引出，經(jīng)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(shí)將高韌耐磨纖維在碳纖維和玄武巖纖維合股層 外經(jīng)雙層編織機(jī)制成高韌耐磨纖維套管；②在高韌耐磨纖維套管表面涂覆一層保護(hù)涂層；
③經(jīng)切割、卷取和包裝而成本預(yù)應(yīng)力繩。本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、本預(yù)應(yīng)力繩采用高性能碳纖維和玄武巖纖維復(fù)合，制造出預(yù)應(yīng)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，并在套管上涂覆一種保護(hù) 涂層，使其具有和樹脂親合性好、粘結(jié)強(qiáng)的預(yù)應(yīng)力繩；2、本預(yù)應(yīng)力繩自重輕、便于運(yùn)輸、使用和安裝方便、耐腐蝕性和耐久性好；3、本預(yù)應(yīng)力繩抗拉強(qiáng)度高，耐擠壓性能強(qiáng)，是高強(qiáng)的承載受力材料；4、本預(yù)應(yīng)力繩具有經(jīng)濟(jì)、高效、適用的特征，有效解決了當(dāng)今建筑行業(yè)中的瓶頸問 題；5、本預(yù)應(yīng)力繩與其它預(yù)應(yīng)力材料相比，其價(jià)格在等強(qiáng)度條件下有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu) 勢，成本要低20%左右；6、本預(yù)應(yīng)力繩由于引入了高韌性耐磨纖維材料護(hù)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(shù)結(jié)合，使之具有受力構(gòu)件和傳感器的雙重功能。7、本預(yù)應(yīng)力繩克服了傳統(tǒng)材料抗環(huán)境腐蝕和抗蠕變性能較差、耐久性明顯不好等缺點(diǎn)，而且在張拉過程中更加穩(wěn)定、可靠?？傊?，本預(yù)應(yīng)力繩是一種高強(qiáng)的承載受力材料，適用于預(yù)應(yīng)力混凝土梁、桁架、斜 拉桁架結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力繩的結(jié)構(gòu)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(hù)涂層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明一、預(yù)應(yīng)力繩1、總體如圖1，本預(yù)應(yīng)力繩包括從內(nèi)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(hù)涂層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(jī)與張力機(jī)的作用下經(jīng)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(yù)應(yīng)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(jīng)過雙層編織機(jī)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(diǎn)。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(hù)涂層40所述的保護(hù)涂層40是一種在繩索表面涂覆的一層硅烷偶聯(lián)劑和表面處理劑。保護(hù)涂層40的功能是耐化學(xué)腐蝕、耐水、耐冷凍。硅烷偶聯(lián)劑和表面處理劑選用由環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、聚酯樹脂和酚醛樹脂等 相結(jié)合的KH550或KH560。二、制造方法關(guān)于步驟③1)切割
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預(yù)應(yīng)力繩可用機(jī)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(yù)應(yīng)力繩的端部用環(huán)氧樹脂或其它固化劑固化，便于使 用時(shí)與錨具配合，同時(shí)保證所有平行纖維長度相同，避免運(yùn)輸、儲(chǔ)層過程中亂絲。固化預(yù)應(yīng) 力繩的兩端部時(shí)要保持芯體有一個(gè)均勻的張拉力，以保證所有芯體纖維平行、等長。2)卷取采取“8”字形盤繞，以保證內(nèi)芯纖維不致紊亂。3)包裝采取常規(guī)包裝。三、本預(yù)應(yīng)力繩的成型機(jī)理1、具備高強(qiáng)度的性能高韌耐磨纖維具有柔軟、堅(jiān)韌、耐磨、耐擠壓等特點(diǎn)；碳纖維作為增強(qiáng)材料，具有強(qiáng)度高、模量大的優(yōu)點(diǎn)；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(qiáng)、與樹脂粘結(jié)性能強(qiáng)、沒有明顯蠕變和松弛效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)；2、實(shí)現(xiàn)了連續(xù)機(jī)械化生產(chǎn)在現(xiàn)有的技術(shù)中有大量的且各種各樣的繩索，用它來固定各種建筑物或其它物 體，這些繩索一般都是編織或擰絞而成，并由兩股以上的纖維材料組成。本發(fā)明采用平行 的、無卷曲、無捻度、無擰絞的纖維做受力部件，并用高韌耐磨纖維護(hù)套加以保護(hù)。適合在一 般通用的制繩機(jī)、多股編織機(jī)和雙層編織機(jī)上進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)機(jī)械化生產(chǎn)方式代替手工、 半機(jī)械化生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率，減輕了生產(chǎn)工人的勞動(dòng)力強(qiáng)度，減少了昂貴的碳纖維原料 的損耗和作業(yè)場地，經(jīng)濟(jì)和節(jié)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(guī)整一致，強(qiáng)度高，耐折、耐久性好，包裝、運(yùn)輸使用方便。3、用本方法生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力繩，實(shí)現(xiàn)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(qiáng)度在1500到2500兆帕以上，模量在70-200之間；4)抗震性能，不會(huì)突然地一次性地?cái)嗔?、斷裂必定?huì)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(gòu)件變形損壞，而不至于斷裂、坍塌或墜落。
權(quán)利要求
一種含有高韌耐磨套管的纖維預(yù)應(yīng)力繩，其特征在于包括從內(nèi)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(hù)涂層(40)。
2.按權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)力繩，其特征在于所述的玄武巖纖維(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(jī)與張力機(jī)的作用下經(jīng)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(duì)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(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)力繩，其特征在于所述的高韌耐磨套管(30)是一種經(jīng)過雙層編織機(jī)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(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)力繩，其特征在于所述的保護(hù)涂層(40)是一種在繩索表面涂覆的一層硅烷偶聯(lián)劑和表面處理劑；選用由環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、聚酯樹脂和酚醛樹脂相結(jié)合的KH550或KH560。
5.按權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)力繩的制造方法，其特征在于包括下列步驟①將纖維從紗架上引出，經(jīng)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(shí)將高韌耐磨纖維在玄武巖纖維(10)和碳 纖維(20)合股層外經(jīng)雙層編織機(jī)制成高韌耐磨纖維套管(30)；②在高韌耐磨纖維套管表面涂覆一層保護(hù)涂層(40)；③經(jīng)切割、卷取和包裝而成本預(yù)應(yīng)力繩。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含有高韌耐磨套管的纖維預(yù)應(yīng)力繩及其制造方法，涉及一種建筑結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料領(lǐng)域。本預(yù)應(yīng)力繩包括從內(nèi)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(hù)涂層。其制造方法是①將纖維從紗架上引出，經(jīng)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(shí)將高韌耐磨纖維在玄武巖纖維和碳纖維合股層外經(jīng)雙層編織機(jī)制成高韌耐磨套管；②在高韌耐磨套管表面涂覆一層保護(hù)涂層；③經(jīng)切割、卷取和包裝而成本預(yù)應(yīng)力繩。本預(yù)應(yīng)力繩是一種高強(qiáng)的承載受力材料，適用于預(yù)應(yīng)力混凝土梁、桁架、斜拉桁架結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)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(hào)D07B1/02GK101886347SQ20101022445
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者金文成 申請(qǐng)人:金文成