專利名稱：混凝土結(jié)構(gòu)用補(bǔ)強(qiáng)條的制作方法
涉及在本文公開(kāi)的研發(fā)主題不是聯(lián)邦資助的。
本發(fā)明涉及混凝土用補(bǔ)強(qiáng)材料和如此補(bǔ)強(qiáng)的混凝土結(jié)構(gòu)。
混凝土是最普通的建筑材料之一。它廣泛地用于各種結(jié)構(gòu)，比如橋梁、墻壁、地面、建筑支撐體、道路和飛機(jī)跑道等。
混凝土具有優(yōu)異的壓縮強(qiáng)度，但拉伸強(qiáng)度很差。因此，如果結(jié)構(gòu)受到拉伸應(yīng)力，比如由彎曲負(fù)荷產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí)，總是須要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。提供這種補(bǔ)強(qiáng)的很普通的方法是在混凝土中加入金屬(通常是鋼)補(bǔ)強(qiáng)條。鋼補(bǔ)強(qiáng)條可以對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度提供很大的改善。
不幸的是，當(dāng)鋼補(bǔ)強(qiáng)條曝露在水中的時(shí)候，隨著時(shí)間的進(jìn)程，會(huì)受到腐蝕。如果鋼材曝露在鹽當(dāng)中時(shí)，比如在寒冷的氣候中曝露在道路表面的融雪和冰下時(shí)，經(jīng)常會(huì)加速此腐蝕。人們傾向于對(duì)混凝土進(jìn)行保護(hù)，使之不受水和鹽的侵蝕，但是隨著時(shí)間的進(jìn)展，混凝土上會(huì)產(chǎn)生裂紋并且發(fā)展，這些物質(zhì)會(huì)通過(guò)裂紋滲透到嵌入的鋼材上。隨著鋼材開(kāi)始腐蝕，由于形成銹蝕層使之膨脹。這樣的膨脹進(jìn)一步引起混凝土開(kāi)裂，由此加速了混凝土結(jié)構(gòu)的瓦解。
為了避免此腐蝕問(wèn)題，試圖使用某些拉擠成型的復(fù)合材料，這些復(fù)合材料包括以熱固性樹(shù)脂作為基材，在其中包埋了長(zhǎng)纖維，通常是玻璃纖維，但有時(shí)是其他材料形成的材料。
這些熱固性復(fù)合材料解決了腐蝕的問(wèn)題，但還有其它明顯的缺點(diǎn)。一個(gè)最明顯的缺點(diǎn)就是，沒(méi)有能夠把這些熱固性復(fù)合材料成型為各種式樣的實(shí)際方法。鋼補(bǔ)強(qiáng)條通常經(jīng)彎曲、絞合或者形成環(huán)，以適合于特殊建筑項(xiàng)目的要求。這經(jīng)常是在現(xiàn)場(chǎng)加工的，但也可以作為螺紋鋼制造方法的一部分來(lái)制作。一旦熱固性基材發(fā)生固化，拉擠成型的熱固性復(fù)合材料是不可以再成型的。因此，對(duì)于熱固性復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)成型不是一種選擇。甚至于在工廠中成型都是困難的。拉擠成型的方法主要適合于制造等截面的直線狀復(fù)合材料。所做的任何成型必須在把樹(shù)脂加入到補(bǔ)強(qiáng)纖維中和固化到粘度達(dá)到不能再流動(dòng)，以及樹(shù)脂完全固化這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的很短的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行。這樣短的時(shí)間范圍使得制造熱固性復(fù)合材料的成型很困難而且昂貴。
熱固性復(fù)合材料的第二個(gè)缺點(diǎn)是，它很難嵌入混凝土中。螺紋鋼經(jīng)常具有在鋼材表面上模制或者壓制的突起花紋和鋸齒狀的截面。這樣的截面使得鋼條以機(jī)械的方式鑲嵌在混凝土中。另一方面，由于拉擠成型方法的本性，熱固性復(fù)合材料一般具有恒定的截面。提供表面特征的后加工方法，比如壓花，是不合適的，因?yàn)闊峁绦詮?fù)合材料太脆，沖擊強(qiáng)度很差。壓花方法傾向于使包埋的纖維斷裂，使復(fù)合材料弱化。有時(shí)用重疊注塑提供表面花紋使之嵌入到混凝土中。然而，重疊注塑和復(fù)合材料之間的連接經(jīng)常比和混凝土基體的連接更差，提供不了多少好處。
另外，熱固性復(fù)合材料伸長(zhǎng)率很低(斷裂時(shí)大約為1％)，沖擊強(qiáng)度差而且脆。它們還很昂貴，主要是由于生產(chǎn)速度太慢。
因此希望提供混凝土結(jié)構(gòu)鋼補(bǔ)強(qiáng)條和熱固性復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)條的替代品。
在本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種補(bǔ)強(qiáng)條(螺紋鋼)，包括在熱塑性樹(shù)脂基體中包埋許多沿縱向取向的增強(qiáng)纖維的復(fù)合材料。
本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條解決了許多與螺紋鋼和熱固性復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)條有關(guān)的問(wèn)題。本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條不會(huì)由于曝露在水和/或普通的鹽里而腐蝕。本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條容易成型為許多形狀和結(jié)構(gòu)。因此，它容易成型為能夠嵌入混凝土中，形成與混凝土機(jī)械鑲嵌，從而改善補(bǔ)強(qiáng)效果的形狀。如果需要，可以很容易在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行這樣的成型。本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條經(jīng)常能夠以高于熱固性復(fù)合材料拉擠成型的速度制造。因此，本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條可以更加便宜而且性能好于熱固性復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)條。
在本發(fā)明的第二方面提供一種混凝土結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括包埋在混凝土基體中的補(bǔ)強(qiáng)條，所述補(bǔ)強(qiáng)條包括由包埋在熱塑性樹(shù)脂中許多縱向取向的增強(qiáng)纖維組成的復(fù)合材料。


圖1A～1J、2、3A～3B和4A～4C是本發(fā)明各種實(shí)施方案的等比例圖。
本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條包括由包埋在熱塑性樹(shù)脂基體中沿縱向取向的增強(qiáng)纖維組成的復(fù)合材料。如在Edwards等人的USP-5,891,560中所述，通常可以用許多方法制造這種補(bǔ)強(qiáng)條。
增強(qiáng)纖維可以是任何結(jié)實(shí)的、有剛性的、能夠通過(guò)多種方法加工進(jìn)入復(fù)合材料的纖維。適用的纖維是公知的，而且可商購(gòu)獲得。玻璃纖維、其他的陶瓷纖維、碳纖維、金屬纖維或者高熔點(diǎn)聚合物(比如聚芳酰胺)纖維都是合適的。不同類型纖維的混合物也是可以使用的。再有，不同種類的纖維可以與復(fù)合材料層疊或者交織，以使某些所需性能優(yōu)化。比如，可以在復(fù)合材料的內(nèi)部區(qū)域使用玻璃纖維，而在外部區(qū)域使用剛性更好、更昂貴的纖維，比如碳纖維。這樣就能夠獲得碳纖維高剛性的好處，同時(shí)降低了纖維的總成本。另外，外部的碳纖維給玻璃纖維提供了對(duì)水泥中堿性環(huán)境的附加保護(hù)。
適用的纖維是公知的而且可商購(gòu)獲得。特別適用的纖維，其直徑為大約10～50μm，優(yōu)選為大約15～25μm。
所謂“縱向取向”，是指該增強(qiáng)纖維基本沿著復(fù)合材料的整個(gè)長(zhǎng)度上伸展，而且在拉擠成型的方向上排列。
對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，優(yōu)選使用玻璃纖維，因?yàn)樗鼈兞畠r(jià)，強(qiáng)度高，并且剛性良好。
由于正是該纖維主要提供了所需的補(bǔ)強(qiáng)性能，復(fù)合材料中的纖維含量?jī)?yōu)選盡可能高。纖維含量的上限僅僅受到熱塑性樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維能力和將它們粘結(jié)在一起形成整個(gè)復(fù)合材料而不產(chǎn)生明顯空隙空間能力的限制。纖維優(yōu)選構(gòu)成復(fù)合材料體積的至少30vol％，優(yōu)選至少50vol％，更優(yōu)選至少65vol％。
熱塑性樹(shù)脂可以是任何適合于在拉擠成型方法中使用，形成復(fù)合材料的樹(shù)脂，而且不希望它與增強(qiáng)纖維發(fā)生反應(yīng)。然而，該熱塑性樹(shù)脂優(yōu)選具有一些其它的特性。此熱塑性樹(shù)脂優(yōu)選是剛性聚合物，其Tg不低于50℃。另外，在拉擠成型的工藝中，此熱塑性樹(shù)脂優(yōu)選形成低粘度的熔體，使之容易浸潤(rùn)增強(qiáng)纖維。此熱塑性樹(shù)脂優(yōu)選不以不希望的方式與混凝土反應(yīng)，而且對(duì)水和普通的鹽基本上是惰性的(即當(dāng)曝露于其中時(shí)不與其反應(yīng)、不吸收、不溶解或者不明顯溶漲)。在可以使用的熱塑性樹(shù)脂中優(yōu)選是所謂“熱塑性工程樹(shù)脂”，包括聚苯乙烯、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯-乙烯基醇、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、聚碳酸酯、聚丙烯和聚芳酰胺樹(shù)脂以及它們的摻混物。
特別適合的熱塑性樹(shù)脂是可解聚和可再聚合的熱塑性樹(shù)脂(DRTP)。它們的例子是熱塑性硬聚氨酯或者聚脲(在后面都稱作“TPU”)。當(dāng)加熱時(shí)，部分是由于殘留聚合催化劑的存在，TPU具有部分可解聚的性能。這種催化劑是典型對(duì)水解穩(wěn)定和對(duì)熱穩(wěn)定的，在一旦TPU已經(jīng)聚合此催化劑并未失活這個(gè)意義上說(shuō)，它是“活”的。此解聚使得TPU顯示出特別低的熔體粘度，這就增強(qiáng)了對(duì)纖維的浸潤(rùn)。在冷卻時(shí)，聚氨酯重新聚合，再次形成高分子量的聚合物。
另外，與通過(guò)極性較小的樹(shù)脂如聚丙烯形成的那些相比，TPU傾向于與混凝土形成特別強(qiáng)的粘結(jié)鍵。
在比如Goldwasser等人的USP-4,376,834中敘述了適當(dāng)?shù)臒崴苄跃郯滨?。在Edwards等人的USP-5,891,560中敘述了在本發(fā)明中使用補(bǔ)強(qiáng)用纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，而且其是由該硬TPU制造的。
在USP-5,891,560中敘述的復(fù)合材料包括優(yōu)選是聚氨酯或聚脲(或者是相應(yīng)的硫代聚氨酯和硫脲)的連續(xù)相，浸漬有至少30vol％沿復(fù)合材料長(zhǎng)度方向展開(kāi)的增強(qiáng)纖維。在USP-5,891,560中敘述的一般拉擠成型方法包括把纖維束牽拉通過(guò)一個(gè)預(yù)熱工位、纖維預(yù)應(yīng)力裝置、浸漬裝置、固定裝置等步驟，該固定裝置包括一個(gè)把復(fù)合材料成型為其最終形狀模具和一個(gè)冷卻模具。此牽拉最好是用拖拉裝置實(shí)現(xiàn)，比如履帶式引出機(jī)，如果需要可以添加另外的成型或后成型過(guò)程。
如在USP-5,891,560中所述，優(yōu)選的連續(xù)相聚合物是通過(guò)接近化學(xué)當(dāng)量的如下原料反應(yīng)形成的熱塑性聚氨酯或聚脲，即(a)每個(gè)分子中優(yōu)選具有兩個(gè)異氰酸酯基的多異氰酸酯；(b)鏈增長(zhǎng)劑；和任選的(c)含有兩個(gè)或多個(gè)與異氰酸酯基反應(yīng)基團(tuán)的高當(dāng)量(即在700～大約4000當(dāng)量以上)物質(zhì)?！版溤鲩L(zhǎng)劑”是指每個(gè)分子中具有兩個(gè)與異氰酸酯反應(yīng)基團(tuán)的化合物，其分子量可達(dá)到大約500，優(yōu)選不大于200。適當(dāng)?shù)呐c異氰酸酯基反應(yīng)的基團(tuán)包括羥基、硫醇基、伯胺和仲胺基，優(yōu)選羥基、伯胺和仲胺基，特別優(yōu)選羥基。
優(yōu)選的TPU是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)至少50℃的具有硬段含量(定義為由鏈增長(zhǎng)劑和多異氰酸酯殘基制造的TPU的重量百分?jǐn)?shù))至少75％的硬樹(shù)脂。熱塑性硬聚氨酯是以商品名ISOPLAST銷售的商品。ISOPLAST是Dow Chemical Company的注冊(cè)商標(biāo)。
可以使用Tg為25℃或者更低的軟聚氨酯，但它更傾向于形成更軟的復(fù)合材料。因此優(yōu)選以與熱塑性硬聚氨酯摻混物的形式使用“軟”聚氨酯。一般使用足夠含量的軟聚氨酯以增加復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率(在纖維取向的方向)。一般當(dāng)“軟”聚氨酯占摻混物重量的50％或者更少時(shí)，優(yōu)選占25％或者更少時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)此目的。
優(yōu)選的DRTP可以和少量(即50wt％或更少)其他熱塑性樹(shù)脂摻混，比如與聚苯乙烯、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯-乙烯醇、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、聚碳酸酯、聚丙烯和聚芳酰胺。如果需要，可以在摻混物中包括相容劑以防止聚合物發(fā)生相分離。
纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料被成型為補(bǔ)強(qiáng)條。此補(bǔ)強(qiáng)條一般具有高的長(zhǎng)寬比(長(zhǎng)度與最大截面尺寸之比)。長(zhǎng)寬比一般為大約20～250。當(dāng)然補(bǔ)強(qiáng)條的最大橫截面尺寸將根據(jù)被補(bǔ)強(qiáng)的特定結(jié)構(gòu)而有很大的變化。最大橫截面尺寸一般為1/4”～3”或者更大(0.6～7.5cm)。更一般為大約1/2”～大約2”(1.2～大約5cm)。
補(bǔ)強(qiáng)條還被成型為帶有某些曲線、彎曲和/或其截面沿長(zhǎng)度而變化的形狀，使得能夠與混凝土機(jī)械地鑲嵌在一起?？梢宰鳛檠a(bǔ)強(qiáng)條成型方法的一部分在線制造此形狀，或者由某些后續(xù)操作，包括在線操作制造此形狀。因?yàn)閺?fù)合材料是容易成型的，本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條可以設(shè)想有各式各樣的結(jié)構(gòu)和形狀。在圖1A～1J中為這些形狀舉出了例子。
提供機(jī)械嵌入混凝土的一個(gè)方法是，形成具有任何非圓截面的螺旋形補(bǔ)強(qiáng)條。圖1A和1B說(shuō)明了此概念。在圖1A和1B中，補(bǔ)強(qiáng)條1和1A分別具有星形和四方形的截面，其中橫截面形狀螺旋的方向是沿著補(bǔ)強(qiáng)條長(zhǎng)度方向的。由于螺紋截面不是圓形的，補(bǔ)強(qiáng)條1和1A的表面就沿著補(bǔ)強(qiáng)條的長(zhǎng)度起伏，此如在圖1A中的數(shù)字2和2A以及在圖1B中的數(shù)字3和3A所示。此起伏的表面提供了與混凝土的機(jī)械嵌合。通過(guò)拉擠成型除了圓形以外的任何形狀的截面就能夠獲得這樣的效果，可以在拉擠成型的制品從模具中離開(kāi)時(shí)將它們絞合在一起，也可以拉擠成型的過(guò)程中旋轉(zhuǎn)模具而做到這一點(diǎn)。因此，橫截面可以是比如橢圓形、卵形或者任何規(guī)則或不規(guī)則的多邊形?？梢灾圃旒劝笮菁y也包含右旋螺旋的螺旋形補(bǔ)強(qiáng)條，有時(shí)這是優(yōu)選的。
如在圖1G所示，把兩根或者多根單個(gè)的拉擠成型截面絞合在一起，形成更粗的補(bǔ)強(qiáng)條可以實(shí)現(xiàn)類似的目的。在圖1G中，補(bǔ)強(qiáng)條81由4根較小的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料條82組成，它們被絞合在一起。絞合步驟可以在拉擠成型的過(guò)程中在線進(jìn)行，同時(shí)熱塑性樹(shù)脂仍然處于此拉擠成型條82能夠熱成型的溫度。或者，條82可以再加熱和絞合與拉擠成型相分離地形成補(bǔ)強(qiáng)條81。當(dāng)然，較小條的數(shù)目根據(jù)所需補(bǔ)強(qiáng)條81和單根的條82的厚度可以有很大的變化，比如從2到12或者更多。制造類似補(bǔ)強(qiáng)條的另一個(gè)方法是編織或者織造單根的條82，而不是簡(jiǎn)單地絞合。
圖1B顯示出另一個(gè)任選的特征，孔4穿過(guò)補(bǔ)強(qiáng)條1A的整個(gè)長(zhǎng)度，形成一個(gè)中空件。比如可以提供孔4以制造出重量較輕的補(bǔ)強(qiáng)條，此種補(bǔ)強(qiáng)條具有較大的表面積與截面之比，在加大該表面對(duì)混凝土的化學(xué)鍵合是很重要的情況下，這將是有利的。這類中空補(bǔ)強(qiáng)條可以被加熱很容易卷曲以將其彎曲或者提供不規(guī)則的表面以機(jī)械地嵌合到混凝土中?；蛘?，可以用各種材料填充孔4以實(shí)現(xiàn)特別需要的產(chǎn)品特性。比如，可以用熱塑性或熱固性樹(shù)脂填充孔4，比如用等外品或回收的樹(shù)脂、各種填料比如玻璃顆粒、磁性顆?；蚱渌饘兕w粒、木材或者陶瓷或金屬(比如鋼)棒填充。
在拉擠成型方法的固化裝置中使用圓形模具能夠很容易地制備如在圖1B、1C和1J中顯示的中空補(bǔ)強(qiáng)條。當(dāng)需要時(shí)可以將填料注塑模塑到得到的孔中。另外，可以將復(fù)合材料直接拉擠成型到填料的芯層外面。
具有短的(長(zhǎng)度優(yōu)選短于2”(短于5cm)，更優(yōu)選短于1/2”(短于1.3cm))、隨機(jī)取向的增強(qiáng)顆粒的樹(shù)脂基質(zhì)是特別適合的一種填料，因?yàn)樗軌蚪o補(bǔ)強(qiáng)條提供全方向的補(bǔ)強(qiáng)。另一種優(yōu)選的填料是金屬，或者含有金屬纖維或顆粒的樹(shù)脂或其他類型的基質(zhì)。經(jīng)常須要給混凝土結(jié)構(gòu)中的補(bǔ)強(qiáng)條定位，比如當(dāng)要進(jìn)行修理時(shí)。金屬填料能夠使用尋常的金屬探測(cè)器來(lái)探測(cè)補(bǔ)強(qiáng)條，使用的方法和當(dāng)前給螺紋鋼定位的方法相同。
另外的第三種填料是含有磁性顆粒的樹(shù)脂或其他基質(zhì)。當(dāng)曝露在強(qiáng)磁場(chǎng)當(dāng)中時(shí)，磁性顆粒將被加熱。這樣就給軟化補(bǔ)強(qiáng)條用于現(xiàn)場(chǎng)成型提供了方便的方法。被加熱的磁性顆粒把熱傳遞給熱塑性樹(shù)脂，借此引起其軟化，足可以使補(bǔ)強(qiáng)條被成型為所需的形狀。磁性顆粒包括鋇鐵氧體和鍶鐵氧體、氧化鐵比如Fe3O4和Fe2O3、鐵、鋁、鎳、鈷、銅、碳、鈦、錳、鉻、鎢、鉑、銀、鉬、釩或鈮或者它們的組合的合金，比如粉末狀鋁鎳鈷合金、銅鎳鈷合金、鉻鋼、鈷鋼、碳鋼和鎢鋼?？纱呕w粒的尺寸一般從亞微米級(jí)到毫米級(jí)。含鐵磁填料的熱塑性樹(shù)脂的商品例子是EMAWELDTM(Ashland Chemical Co.的商標(biāo))。
如在圖1C中所示，孔24只在其長(zhǎng)度上預(yù)先選擇的部分進(jìn)行填充，以提供局部補(bǔ)強(qiáng)而不會(huì)過(guò)分增加其重量。在圖1C中，孔24在縱向通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)條21的整個(gè)長(zhǎng)度。填料25填充在孔24的中段，而孔24的其他部分沒(méi)有被填充。因此，填料25在補(bǔ)強(qiáng)條21長(zhǎng)度的中間提供增大的剪切強(qiáng)度，一般在此處的剪切強(qiáng)度是最大的。如在下面所述，本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施方案特別適合用做銷條。
在圖1J中顯示的補(bǔ)強(qiáng)條說(shuō)明與混凝土機(jī)械嵌合的另一種方法。在圖1J中，補(bǔ)強(qiáng)條91具有孔92和通常由彎曲或者碾壓而制造的扁平區(qū)域93。扁平區(qū)域93除了提供與混凝土的機(jī)械嵌合以外，還提供補(bǔ)強(qiáng)條更容易被彎曲或成型的點(diǎn)。如在圖1J中所示，補(bǔ)強(qiáng)條91可以是中空的，但這不是必須的。
反之，如在圖1E中所示，提供截面積增大的區(qū)域可以建立與混凝土的機(jī)械嵌合。在圖1E中補(bǔ)強(qiáng)條31的區(qū)域38具有比其余部分更大的橫截面直徑。這可以通過(guò)在補(bǔ)強(qiáng)條上進(jìn)行熱塑性樹(shù)脂或熱固性樹(shù)脂，特別是含有隨機(jī)取向增強(qiáng)纖維的樹(shù)脂的重疊注塑來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，重疊注塑并非優(yōu)選的方法，因?yàn)橹丿B注塑物與底層復(fù)合材料的粘結(jié)有時(shí)不是太好。實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的另一種方法是在拉擠成型方法中使用變徑模具。通過(guò)周期性擴(kuò)大模具的直徑就可以在補(bǔ)強(qiáng)條上形成直徑增大的區(qū)域。
在圖1D上，補(bǔ)強(qiáng)條41的偏離部分47建立了與混凝土的機(jī)械嵌合。可以通過(guò)在具有多邊形截面的補(bǔ)強(qiáng)條的角進(jìn)行彎曲或者熱成型而做到這一點(diǎn)。在圖1F中，通過(guò)在補(bǔ)強(qiáng)條51上引入彎曲59來(lái)建立機(jī)械嵌合。彎曲59一般如在圖1F中所示的是正弦曲線，但局部彎曲的曲線、更窄的彎曲和其他花色的曲線都是可以使用的。這些曲線狀的彎曲除了提供補(bǔ)強(qiáng)條和混凝土的機(jī)械嵌合以外，還能夠賦予補(bǔ)強(qiáng)條一定程度的伸長(zhǎng)率。當(dāng)在曲線補(bǔ)強(qiáng)條上施加負(fù)荷時(shí)，在至少一部分施加的力被拉直的補(bǔ)強(qiáng)條耗散以前，此補(bǔ)強(qiáng)條是不會(huì)斷裂的。
圖1H說(shuō)明提供用于與混凝土嵌合的突起花紋表面特征的另一種方法。在圖1H中，補(bǔ)強(qiáng)條71具有一根螺旋狀纏繞的條75，此條可以通過(guò)重疊注塑或拉擠成型加到補(bǔ)強(qiáng)條71的主體72上。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，主體72和纏繞條75都是如上所述的熱塑性樹(shù)脂和縱向增強(qiáng)纖維的拉擠成型復(fù)合材料。補(bǔ)強(qiáng)條71通常是由分別擠塑的主體72和纏繞條75組成的，在高溫下將纏繞條75纏繞在主體72的周圍，使得纏繞條被熱成型并粘接在主體72上。制造補(bǔ)強(qiáng)條71的另一種方法是使用旋轉(zhuǎn)成型模，一步制造帶纏繞條75的主體72。第三種方法是使用成型但固定的模具，一步制造主體72和纏繞條75，然后在線或者在另外的加工步驟中將此拉擠成型件絞合在一起。
提供機(jī)械嵌合的另一種方法是提供如在圖1I中所示的斑點(diǎn)狀突起表面。如圖所示，補(bǔ)強(qiáng)條86具有許多由主表面上突出的斑點(diǎn)89?？梢杂酶鞣N方法做到這一點(diǎn)。一種簡(jiǎn)單的方法就是在熱塑性樹(shù)脂處于軟化狀態(tài)下，將適當(dāng)?shù)念w粒部分嵌入補(bǔ)強(qiáng)條86的表面中。適當(dāng)?shù)念w粒包括熱塑性樹(shù)脂或熱固性樹(shù)脂顆粒、玻璃或其他陶瓷材料顆粒、金屬顆粒、砂粒或其他材料的顆粒。
在圖2中說(shuō)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條201包括一個(gè)芯條203和殼層202。芯條203適當(dāng)?shù)厥卿摶蚱渌饘?。殼?02是如上所述的熱塑性樹(shù)脂和縱向增強(qiáng)纖維的復(fù)合材料。根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)條的特定應(yīng)用不同，相對(duì)于作為整體的補(bǔ)強(qiáng)條201的殼層202的厚度可以變化。比較粗的芯條203所提供的補(bǔ)強(qiáng)條201，其補(bǔ)強(qiáng)性能與通常的螺紋鋼十分相當(dāng)，而殼層202的附加的好處是保護(hù)芯條203不曝露在水、鹽和其他腐蝕性材料當(dāng)中。比較細(xì)的芯條203提供的強(qiáng)度較低，但使用普通的探測(cè)器就能夠給在混凝土結(jié)構(gòu)中的補(bǔ)強(qiáng)條201定位。
如果需要，本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條很容易制造成復(fù)雜的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。利用補(bǔ)強(qiáng)材料的可熱成型性，可以用許多方法做到這一點(diǎn)。
比如圖3A說(shuō)明用單根的由DRTP和縱向增強(qiáng)纖維制造的小直徑復(fù)合材料條302制造的補(bǔ)強(qiáng)格柵301。通過(guò)在交叉點(diǎn)加熱條302，使熱塑性樹(shù)脂變軟引起單根的條互相粘結(jié)就很容易把單根的條302成型為整體的格柵?；蛘?，可以將單根的條302進(jìn)行編織，再加熱單根的條302，使得DRTP變軟，這些條就變得有些柔軟。或者，可以用適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑比如熱熔粘結(jié)劑把單根的條粘接在一起。而不太優(yōu)選地可以用機(jī)械手段把條302組合為格柵301。
圖3B說(shuō)明由本發(fā)明補(bǔ)強(qiáng)條制造的抗剪構(gòu)架或類似的組合件?？辜魳?gòu)件310由直線補(bǔ)強(qiáng)條311和312以及彎曲補(bǔ)強(qiáng)條313組成。補(bǔ)強(qiáng)條311、312和313在交接點(diǎn)上容易通過(guò)粘結(jié)劑、焊接或通過(guò)使用任何類型的機(jī)械連接件而連接在一起。如果需要可以成型模塑的連接件來(lái)把單根組件把持在一起。這些連接件或者叫橋可以用與補(bǔ)強(qiáng)條311、312和313相同的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料形成。或者，此連接件或者說(shuō)橋可以用非增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂或熱固性樹(shù)脂制造。
不言而喻的是，除了抗剪構(gòu)件310外，作為特殊的需要，可以用類似的方法制造許多種復(fù)雜的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的纖維增強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)條很容易加工以形成整體連接的特征。比如圖4A說(shuō)明具有端部鉤407的補(bǔ)強(qiáng)條401，可以用此鉤子來(lái)將補(bǔ)強(qiáng)條401和其他補(bǔ)強(qiáng)條或其他結(jié)構(gòu)組件連接起來(lái)?；蛘?，如在圖4B中所示，本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條408可具有變形的端部409，以通過(guò)楔的作用使之容易與組件固定。
在圖4A中說(shuō)明的曲線類型和在圖4B中說(shuō)明的變形都很容易在后成型過(guò)程中通過(guò)將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料預(yù)熱到熱塑性樹(shù)脂軟化的溫度，將軟化的復(fù)合材料成型為所需形狀，然后將復(fù)合材料冷卻使之重新變硬來(lái)很方便地引入。用類似的方法，可以制造環(huán)狀的，比如圓形或橢圓形的補(bǔ)強(qiáng)條。
應(yīng)該注意到，對(duì)本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條進(jìn)行簡(jiǎn)單的彎曲或制成曲線形將易于引起一定量的纖維破碎或者扭曲。這是由于在彎曲或者曲線內(nèi)側(cè)的曲率半徑小于其外側(cè)的曲率半徑。因此在彎曲或者制成曲線的方法中在彎曲或曲線內(nèi)側(cè)上的纖維受到壓應(yīng)力，而在彎曲或曲線外側(cè)的纖維受到拉應(yīng)力。當(dāng)復(fù)合材料彎曲或成為曲線時(shí)通過(guò)將復(fù)合材料絞合就可以極大地或者完全解決這個(gè)問(wèn)題。這使所有的纖維幾乎經(jīng)歷相同的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，由此就減少或者消除了斷裂或扭曲。在如此絞合和彎曲的補(bǔ)強(qiáng)條中纖維的取向如在圖4C中所示。補(bǔ)強(qiáng)條410包括沿著補(bǔ)強(qiáng)條410展開(kāi)的縱向絞合的纖維411。這就使所有纖維411經(jīng)歷相似的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力?？v向絞合還在復(fù)合材料中提供更大的表觀柔順性。
在某些混凝土結(jié)構(gòu)中使用的專門形式的補(bǔ)強(qiáng)條已知是銷形補(bǔ)強(qiáng)條。比如在混凝土公路中經(jīng)常使用的銷形補(bǔ)強(qiáng)條把相鄰的混凝土路面板連接起來(lái)。此銷形補(bǔ)強(qiáng)條用其一端嵌入一塊路面板中，另一端嵌入第二塊路面板中而給相鄰的路面板架起“橋”。與許多其他類型的補(bǔ)強(qiáng)條不同，經(jīng)常希望銷形補(bǔ)強(qiáng)條能夠隨著路面板而運(yùn)動(dòng)。在公路上，伴隨著熱膨脹和收縮，這就使得路面板彼此可以稍微運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條很容易適合作為銷形補(bǔ)強(qiáng)條。對(duì)于作為銷形補(bǔ)強(qiáng)條的應(yīng)用，此補(bǔ)強(qiáng)條優(yōu)選不是與混凝土產(chǎn)生機(jī)械的嵌合，所以按照本發(fā)明制造的銷形補(bǔ)強(qiáng)條優(yōu)選是沿著其長(zhǎng)度具有均勻截面的筆直的條。由于優(yōu)選的TPU傾向于與混凝土有很強(qiáng)的粘結(jié)，優(yōu)選涂布與混凝土沒(méi)有良好粘結(jié)的涂層。任何非極性樹(shù)脂的涂層，比如聚四氟乙烯或聚乙烯都適合于此目的。由于銷形補(bǔ)強(qiáng)條在相鄰混凝土路面板相遇處受到最大的剪切力，本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條在補(bǔ)強(qiáng)條的相應(yīng)部分可以進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)，通過(guò)比如成型在靠近補(bǔ)強(qiáng)條長(zhǎng)度的中段填充中心芯條的中空補(bǔ)強(qiáng)條就能夠做到這一點(diǎn)，這如圖1C所示。
應(yīng)該理解，按照在其中使用補(bǔ)強(qiáng)條的特殊混凝土結(jié)構(gòu)的需要可以制造本發(fā)明補(bǔ)強(qiáng)條的各種其他實(shí)施方案。比如，可以通過(guò)在混凝土表面上引入溝槽，并把補(bǔ)強(qiáng)條粘接在溝槽上，而把補(bǔ)強(qiáng)條裝在靠近混凝土表面處。在提高現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的等級(jí)或者進(jìn)行修復(fù)時(shí)，這樣在表面上安裝的棒是特別有用的。
可以用比傳統(tǒng)螺紋鋼使用方法多得多的同樣方法來(lái)使用本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條。把補(bǔ)強(qiáng)條組合在一起，形成骨架或者框架，在這些骨架或框架上再形成混凝土結(jié)構(gòu)?？梢砸愿鞣N方式把許多單根的補(bǔ)強(qiáng)條連接在一起，以把它們保持到位直至注入混凝土并硬化，這些方式包括捆扎、鉗夾、焊接、支撐、鎖扣或其他連接件以及膠等。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，把混凝土倒入骨架或框架上并讓其硬化。
在本文中使用的“混凝土”指的是顆粒狀填料如沙礫、卵石、沙子、石子、礦渣或煤渣等在灰漿或水泥中的混合物。適當(dāng)?shù)乃喟ㄋ运?，比如硅酸鹽水泥或礬土水泥。水泥或混凝土可以含有其他成分，比如塑性膠乳、水凝助劑、硬化劑等。
本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)條還可以用做各種類型結(jié)構(gòu)的外補(bǔ)強(qiáng)件。由于此補(bǔ)強(qiáng)條容易熱成型，可以在靠近補(bǔ)強(qiáng)條的末端進(jìn)行彎曲，形成比如直角形的補(bǔ)強(qiáng)條。這樣的補(bǔ)強(qiáng)條可以通過(guò)把末端埋入到結(jié)構(gòu)中而嵌合到結(jié)構(gòu)的表面中。用這樣的方法，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的裂紋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以減緩或者避免裂紋進(jìn)一步發(fā)展。
除了補(bǔ)強(qiáng)條或者在補(bǔ)強(qiáng)條之外，可以在混凝土混合物中分散復(fù)合的“巨纖維”給混凝土提供補(bǔ)強(qiáng)。如果這些巨纖維足夠長(zhǎng)，它們可以提供出由補(bǔ)強(qiáng)條所提供的補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)還有控制裂紋的能力，這是短小的纖維所不能提供的。
權(quán)利要求
1.一種補(bǔ)強(qiáng)條，包括包埋在熱塑性樹(shù)脂基質(zhì)中的許多縱向取向增強(qiáng)纖維組成的復(fù)合材料。
2.如權(quán)利要求1的補(bǔ)強(qiáng)條，其中所述熱塑性樹(shù)脂是可以解聚并且可以重聚合的熱塑性樹(shù)脂。
3.如權(quán)利要求2的補(bǔ)強(qiáng)條，該補(bǔ)強(qiáng)條適合于嵌合到所述混凝土中。
4.如權(quán)利要求2的補(bǔ)強(qiáng)條，其中所述可解聚和可重新聚合的熱塑性樹(shù)脂包括Tg不低于50℃的熱塑性聚氨酯或熱塑性聚脲。
5.如權(quán)利要求1～4中任何一項(xiàng)的補(bǔ)強(qiáng)條，其中所述縱向取向的增強(qiáng)纖維在整個(gè)補(bǔ)強(qiáng)條的長(zhǎng)度上是連續(xù)的。
6.如權(quán)利要求1～5中任何一項(xiàng)的補(bǔ)強(qiáng)條，其中所述縱向取向的增強(qiáng)纖維是玻璃纖維或碳纖維。
7.如權(quán)利要求1～6中任何一項(xiàng)的補(bǔ)強(qiáng)條，該補(bǔ)強(qiáng)條具有非圓形的截面，而且沿著補(bǔ)強(qiáng)條的長(zhǎng)度含有至少一個(gè)螺旋形的部分。
8.如權(quán)利要求1～6中任何一項(xiàng)的補(bǔ)強(qiáng)條，該補(bǔ)強(qiáng)條由多根絞合的、機(jī)織的或者編織的復(fù)合材料條組成，該復(fù)合材料是由可解聚并可重新聚合的熱塑性樹(shù)脂和縱向取向增強(qiáng)纖維組成的。
9.如權(quán)利要求1～6中任何一項(xiàng)的補(bǔ)強(qiáng)條，該補(bǔ)強(qiáng)條是制成曲線狀的或者彎曲的。
10.如權(quán)利要求1～6中任何一項(xiàng)的補(bǔ)強(qiáng)條，該補(bǔ)強(qiáng)條具有帶角的多邊形截面，而且在沿著所述補(bǔ)強(qiáng)條的長(zhǎng)度上有至少一個(gè)所述的角被變形。
11.如權(quán)利要求1～6中任何一項(xiàng)的補(bǔ)強(qiáng)條，該補(bǔ)強(qiáng)條包括相對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)條其余部分截面的增大了截面積的區(qū)域。
12.如權(quán)利要求1～11中任何一項(xiàng)的補(bǔ)強(qiáng)條，該補(bǔ)強(qiáng)條是中空的。
13.如權(quán)利要求1～11中任何一項(xiàng)的補(bǔ)強(qiáng)條，該補(bǔ)強(qiáng)條在穿過(guò)其整個(gè)長(zhǎng)度上具有縱向的孔，而且至少部分所述縱向孔被填充上熱塑性樹(shù)脂、熱固性樹(shù)脂、磁性顆粒、陶瓷、木材或金屬。
14.如權(quán)利要求13的補(bǔ)強(qiáng)條，其中只有部分所述縱向孔被含有隨機(jī)取向短補(bǔ)強(qiáng)顆粒的樹(shù)脂基質(zhì)填充。
15.如權(quán)利要求12的補(bǔ)強(qiáng)條，該補(bǔ)強(qiáng)條包括多個(gè)扁平區(qū)域。
16.如權(quán)利要求1～15中任何一項(xiàng)的補(bǔ)強(qiáng)條，該補(bǔ)強(qiáng)條具有多個(gè)斑點(diǎn)狀突起花紋的表面。
17.如權(quán)利要求16的補(bǔ)強(qiáng)條，其中所述斑點(diǎn)狀突起花紋是部分包埋的熱塑性樹(shù)脂或熱固性樹(shù)脂、陶瓷、金屬或無(wú)機(jī)物的顆粒。
18.如權(quán)利要求1～17中任何一項(xiàng)的補(bǔ)強(qiáng)條，其中熱塑性樹(shù)脂是可解聚而且可重新聚合的熱塑性聚氨酯或聚脲與少量聚苯乙烯、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯-乙烯醇、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚碳酸酯、聚丙烯或聚芳酰胺的摻混物。
19.一種補(bǔ)強(qiáng)格柵，包括多根按照權(quán)利要求1、2或4中任何一項(xiàng)的補(bǔ)強(qiáng)條，這些補(bǔ)強(qiáng)條互相連接組成整個(gè)的格柵結(jié)構(gòu)。
20.一種抗剪構(gòu)架，包括多根按照權(quán)利要求1、2或4中任何一項(xiàng)的補(bǔ)強(qiáng)條，這些補(bǔ)強(qiáng)條互相連接組成整個(gè)的抗剪切構(gòu)架結(jié)構(gòu)。
21.如權(quán)利要求1～10和11～18中任何一項(xiàng)的補(bǔ)強(qiáng)條，該補(bǔ)強(qiáng)條基本是筆直的，而且包括不與混凝土粘結(jié)的外涂層。
22.如權(quán)利要求2或4的補(bǔ)強(qiáng)條，該補(bǔ)強(qiáng)條沿著補(bǔ)強(qiáng)條的長(zhǎng)度并在其周圍包括至少一個(gè)突起的外纏繞條，其中至少一根纏繞條是包埋在可解聚并且可重新聚合的熱塑性樹(shù)脂基質(zhì)中的許多縱向取向增強(qiáng)纖維組成的復(fù)合材料。
23.一種混凝土結(jié)構(gòu)，包括包埋在混凝土基質(zhì)中的補(bǔ)強(qiáng)條，所述補(bǔ)強(qiáng)條包括由包埋在熱塑性樹(shù)脂基質(zhì)中的許多縱向取向增強(qiáng)纖維組成的復(fù)合材料。
24.如權(quán)利要求23的混凝土結(jié)構(gòu)，其中混凝土基質(zhì)包括水泥或灰漿以及顆粒狀填料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)條，其由含有添加了縱向取向增強(qiáng)纖維的可解聚并且可重新聚合的熱塑性樹(shù)脂的復(fù)合材料組成。這些補(bǔ)強(qiáng)條提供優(yōu)異的拉伸補(bǔ)強(qiáng)作用，并且沒(méi)有普通螺紋鋼具有的腐蝕問(wèn)題。此補(bǔ)強(qiáng)條容易成型為許多形狀，能夠適合于許多特定的補(bǔ)強(qiáng)需要。
文檔編號(hào)E04C5/03GK1394252SQ01803444
公開(kāi)日2003年1月29日 申請(qǐng)日期2001年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月13日
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