玄武岩纤维复合筋及玄武岩纤维复合拉索

摘要

本发明公开了一种玄武岩纤维复合筋及玄武岩纤维复合拉索，所述的复合筋由玄武岩纤维和碳纤维在预张力作用下通过拉挤成型复合形成，纤维体积比例4∶1～1∶1；所述的玄武岩纤维复合拉索，包括外保护层和置于其内的纤维筋材，所述的纤维筋材包括中心筋和外部筋，所述的中心筋由玄武岩纤维筋或碳纤维筋组成，所述的外部筋由玄武岩纤维复合筋组成，在所述的中心筋和外部筋之间设置有粘弹性填充层和内套筒，所述的内套筒内侧与粘弹性填充层连接，内套筒的外侧与外部筋连接。所述的复合拉索中，碳纤维含量占拉索总体纤维含量的25－40％。与现有技术相比，本发明玄武岩纤维复合拉索在玄武岩纤维中复合碳纤维，使得拉索整体的短期和长期力学性能和化学性能优良，并具有突出的经济性特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维筋以及由纤维筋制成的拉索，属于土建交通等相关领域的新结构材料和结构形式的开发。

背景技术

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)是由纤维材料和基体材料按一定的比例混合并经过一定的工艺复合形成的高性能材料。这种材料在20世纪40年代问世，起初用于航空、航天、国防等高科技领域，后来逐渐在汽车、化工、医学等领域得到广泛的应用。近年来，以其高强、轻质、耐腐蚀等优点，开始在土木工程结构中得到广泛应用，并受到工程界的广泛关注。

FRP材料由于具备轻质高强、耐腐蚀、易裁剪等诸多优良特性，经过多年的发展，已广泛应用于土木工程结构的加固改造和性能增强领域。包括混凝土梁柱板的承载力加固补强，混凝土柱的抗震性能改善等。近年来，FRP材料正进一步发展作为新型结构材料，应用于各种新建结构。如桥梁中的斜拉索、桥面板、梁、FRP和混凝土复合梁等。随着FRP应用的不断推广和成熟，FRP强度的利用效率越来越充分，并出现多种纤维相混杂的FRP材料，从而使得纤维材料的优势发挥更加充分。

对于传统的索结构，如斜拉桥，悬索桥，索拱结构等，拉索都采用钢绞线或钢丝束。虽然钢材有高强度，高弹性模量等优秀力学性能，但其自身还存在许多隐患，如不耐酸碱电等腐蚀，抗疲劳性能不强，自重较大等问题。这些隐患往往对结构的长期性能起到控制作用，危害到结构的安全。如斜拉桥中的斜拉索，由于斜拉索长期受到动力荷载的作用，振动在拉索端部经常会造成保护材料的剥落，从而引起各种腐蚀，而被迫更换拉索，造成很大的经济损失。而且，对于大跨度斜拉桥，随着跨度的增大，斜拉索不断增长，由于钢索自重引起的垂度也相应增加，这一方面造成拉索自重应力的增加，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刚度，不利于桥梁使用状态下的变形控制。针对斜拉桥中拉索面临的这些问题，瑞士联邦实验室(EMPA)的Meier教授首先对此提出了采用碳纤维拉索取代传统钢拉索的设想，之后碳纤维拉索陆续应用到许多实验桥梁中，跨度多在100m以下，同时相应的理论研究也在进行。不过，由于碳纤维多年来的持续高价格，如果要大规模的采用碳纤维，势必大量增加工程的成本，因而碳纤维斜拉索的研究和应用受到了实际经济因素的限制和制约。而且，碳纤维拉索由于本身质量过轻，在风和其他动力荷载下更加易于振动，这也是一个不利因素。同时，脆性问题也需要加以改善。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种具有较小垂度效应、耐腐蚀、耐疲劳的玄武岩纤维复合筋以及具有良好经济性和空气动力稳定性的玄武岩纤维复合拉索。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种玄武岩纤维复合筋，所述的复合筋由若干玄武岩纤维和碳纤维通过树脂基体复合而成，包括复合单筋和复合绞线。

所述的复合纤维单筋由若干玄武岩纤维丝和碳纤维丝，在预张力作用下通过拉挤成型工艺和树脂基体复合而成，所述的玄武岩纤维丝和碳纤维丝的复合体积比例为4∶1～1∶1，，所述树脂基体含量不小于复合单筋体积的25％。

所述的复合绞线为由复合单筋绞捻而成。

一种采用上述的玄武岩纤维复合筋制成的玄武岩纤维复合拉索，包括外保护层和置于其内的纤维筋材，所述的纤维筋材包括中心筋和外部筋，在所述的中心筋和外部筋之间设置有粘弹性填充层和内套筒，所述的内套筒内侧与粘弹性填充层连接，内套筒的外侧与外部筋连接。

所述的复合拉索中，碳纤维含量在拉索总体纤维含量的25-40％。

所述的外部筋为复合单筋组成；所述的内部筋为玄武岩纤维单筋或者碳纤维单筋组成。

所述的外部筋也可为由复合单筋绞捻而成的复合绞线组成。

所述的中心筋也可为由玄武岩纤维单筋绞捻而成的玄武岩绞线或者为由碳纤维单筋绞捻而成的碳纤维绞线组成。

本发明一种高性能玄武岩纤维复合拉索，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明玄武岩纤维复合拉索与传统钢拉索相比，具有较小垂度效应，耐腐蚀，耐疲劳以及良好空气稳定性等优点。

2、在玄武岩纤维中复合碳纤维，使得拉索整体的短期和长期力学性能和化学性能优良，并具有突出的经济性特点，为斜拉桥向更大跨度发展和取得更加优良的综合性能提供一种经济实用的选择。

3、与碳纤维拉索相比，具有良好经济性和空气动力稳定性的优势，而且其他静动力力学性能也与碳纤维拉索接近。

4、与玄武岩纤维拉索相比，具有更高的刚度，更小的垂度效应以及良好的耐疲劳和空气动力稳定性。

5、本发明拉索分为内外两层，并且两层之间保留一定间距。内层拉索采用玄武岩纤维单筋(绞线)或者碳纤维单筋(绞线)，外层拉索采用复合单筋或复合绞线，在内外层之间填充粘弹性材料，这种方法的优点在于即保证两种纤维的复合效果，同时又将两种纤维相对分离，以便于增强拉索的内阻尼，降低动力荷载下拉索的振动响应和保证空气动力稳定性。

附图说明

图1是玄武岩纤维和玻璃纤维同碳纤维混杂后的疲劳强度，其中，(a)玻璃纤维和碳纤维混杂后疲劳强度；(b)玄武岩纤维和碳纤维混杂后疲劳强度。

图2是钢、玄武岩纤维、碳纤维以及复合纤维的应力-应变关系图。

图3是通常采用的纤维绞线形式。

图4是本发明复合纤维筋的结构示意图，其中(a)为复合单筋，(b)复合绞线。

图5是本发明纤维单筋示意图，其中(a)纤维单筋，(b)纤维绞线。

图6本发明玄武岩复合拉索截面布置形示意图。

图7本发明复合拉索制备流程示意。

其中：1、玄武岩纤维单筋，11、玄武岩纤维，2、碳纤维单筋，21、碳纤维，3、复合单筋，4、内套筒，5、弹性材料填充层，6、外保护层，7、玄武岩纤维绞线，8、碳纤维绞线，9、复合绞线，10、基体材料。

具体实施方式

以下对本发明的设计理念，拉索纤维筋(绞线)的复合方式，拉索截面布置以及纤维筋成形工艺和拉索制作流程进行描述。

1.设计思路

针对通常使用的钢拉索(钢绞线拉索或钢丝束拉索)存在的诸多问题：易受各种酸碱电腐蚀；耐疲劳强度不高；自重大等。并考虑到目前正在研究的碳纤维拉索存在的实际问题：价格昂贵，显脆性且抗剪强度低，空气动力稳定性较差等。本发明利用各方面性能均衡，经济性能突出的玄武岩纤维作为拉索主体材料，解决纤维材料造价昂贵无法大量应用的限制，同时采用部分的碳纤维拉索提高玄武岩纤维拉索的刚度不足和耐疲劳，蠕变强度不充分的问题，并且通过优化布置碳纤维拉索和玄武岩拉索的位置，提高拉索自身阻尼，有利于降低动力荷载下的动力响应。并且，在考虑某些极限状态时，玄武岩纤维拉索的较大极限应变有利于提高结构延性，增加了结构的安全储备。

拉索主体材料选用玄武岩纤维，而不采用玻璃纤维，因为玻璃纤维的耐疲劳、蠕变强度过低，而且和碳纤维混杂，也得不到明显的提高效果(见图1(a))，同时玻璃纤维还存在着回收利用困难，回收过程有污染，抗腐蚀性差等问题，所以不适合作为拉索的主体材料。设计中不应采用芳纶纤维作为玄武岩纤维的复合材料，因为芳纶纤维弹性模量较碳纤维低，与玄武岩纤维的弹性模量处于同等水准，对复合拉索模量提高没有帮助，而且芳纶纤维还存在抗疲劳，蠕变强度低，对紫外线、水、酸等化学作用比较敏感等问题，所以不适合作为本玄武岩纤维索的复合材料。因而，本发明采用玄武岩纤维作为拉索主体，复合一定量的碳纤维，达到满足高性能拉索所需的优良综合性能。

钢拉索，碳纤维拉索，玄武岩纤维拉索和玄武岩纤维-碳纤维混杂拉索的应力-应变曲线如图2所示。可见，虽然玄武岩纤维拉索本身也具备较高的抗拉强度，但其弹性模量较低，如果要满足结构的刚度要求，势必拉索面积增加很多，拉索内应力也很低，这将会导致拉索利用效率低，垂度明显以及空气动力效应明显等问题。因而考虑采用部分碳纤维拉索进行混杂，以满足刚度要求的条件下，适量提高整体弹性模量。碳纤维拉索在混杂拉索中的体积比例为20％-50％，混杂后得到拉索的弹性模量(不计基体材料)在119GPa-161GPa之间。

通过混杂，玄武岩纤维本身的耐疲劳强度也得到的大幅提高，如图1(b)所示(横轴为循环加载次数的对数(Log)，竖轴为最大循环应力和材料抗拉强度的比例)。玄武岩纤维和碳纤维按1∶1进行混杂后，其疲劳强度大幅度提高，和碳纤维接近，足够满足疲劳荷载的要求。

2.纤维筋

大跨斜拉桥的拉索通常由平行钢丝束和平行钢绞线组成。本发明也参照这两种形式，用于复合纤维单筋或绞线。一般碳纤维筋或绞线可以采用如图3所示的制作方式，如单根直接拉挤成型，根据设计需要形成直径5-11mm不等的单根纤维筋。也可以在单根纤维筋的基础上，通过绞捻形成纤维绞线，一束绞筋内可以由7根，19根，37根或者更多单根纤维筋组成，如图3所示。

参考目前常用的纤维筋，本发明复合拉索采用如下两种纤维筋形式(纤维筋中基体材料体积含量不小于25％)：

(1)复合单筋(绞线)

将玄武岩纤维丝和碳纤维丝按设计需要，以一定的比例组合(4∶1～1∶1)，为保证两种纤维丝的共同工作，对纤维丝首先进行预张拉，然后再通过拉挤成型工艺，复合成单根复合纤维筋(复合单筋)，如图4(a)所示。复合单筋可单独使用，亦可将多根复合单筋通过绞捻形成复合绞线使用，如7根复合单筋绞捻(图4(b))。

(2)纤维单筋(绞筋)

玄武岩纤维丝和碳纤维丝分别通过拉挤成型形成单根纤维筋(纤维单筋)，如图5(a)所示，纤维单筋可独立使用，也可将多根单筋绞捻组成纤维绞线使用，如7根纤维单筋绞捻(图5(b))。

3.复合拉索截面布置形式

通过上述两种种方法形成的纤维筋，按以下规律排列形复合纤维拉索。具体如下：

拉索分为内外两层，并且两层之间保留一定间距。内层中心筋采用玄武岩纤维单筋(绞线)或者碳纤维单筋(绞线)，外层外部筋采用复合单筋或复合绞筋，在内外层之间填充粘弹性材料，具体如图6所示。复合拉索中，碳纤维含量占拉索总体纤维含量的25-40％。这种方法的优点在于即保证两种纤维的复合效果，同时又将两种纤维相对分离，以便于增强拉索的内阻尼，降低动力荷载下拉索的振动响应和保证空气动力稳定性。

4.复合拉索细部要求

根据上述拉索截面形式，有如下细部具体要求：

1)外保护层

外保护层采用聚乙烯PE材料，通过热塑加工包裹在复合纤维拉索表面，具体工艺同普通钢拉索相同，但不必考虑防腐设计。仅起到保护纤维直接受到酸碱盐等作用以及形成拉索表面特定形状的作用。

2)中间层粘弹性填充材料

中间层为粘弹性材料(如橡胶等)，填充于内层拉索和外层拉索之间。其作用为：在拉索振动时，由于内外拉索的相对运动，使粘弹性材料变形以耗能，减少振动响应和提高空气动力稳定性。具体要求粘弹性材料具有一定的刚度和粘性阻尼。

3)内套筒

内套筒的作用是维持外层纤维拉索形状，同时便于填充粘弹性材料。可以采用各种经济性好的纤维材料做成薄壁筒状，因为内套筒不直接参与拉索受拉，所以设计时仅考虑能承受粘弹性材料变形造成的压力即可。

5.复合拉索制作工艺

首先，复合单筋或纤维单筋均采用拉挤成型工艺，为保证纤维的共同工作，对纤维丝应给予一定的预张力，然后再通过拉挤成型形成纤维筋材。该工艺通过对纤维无捻粗纱进行预浸、加热、硬化、冷却和拉拔等一系列工艺，最终形成成品纤维筋。制作工艺过程为：在成型设备牵引力的作用下，对纤维丝施加预张力，纤维无捻粗纱经基体材料(如环氧树脂等)预浸渍后通过模具系统预成形，然后经过高温高压固化后，进入硬化冷却阶段，最后通过较小口径的模具拉拔形成最终连续的纤维筋。纤维筋可通过绞捻工艺形成纤维绞线。将制备完成的纤维筋或纤维绞线按图7所示工序形成复合拉索。