一种新型玄武岩纤维复合筋及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及复合材料的技术领域，更具体地说，涉及一种新型玄武岩纤维复合筋及其制备方法和应用。
背景方法
钢筋混凝土结构中由于钢筋锈蚀带来的耐久性问题给人们带来很大困扰，目前最常用的防腐蚀处理主要围绕强化钢筋抗腐蚀能力和改善混凝土密实性进行，但效果并不理想。
近年来，利用纤维复合材料筋替代普通钢筋和预应力钢筋被认为是比较行之有效的方法。人们主要利用碳纤维和玻璃纤维作为增强材料，碳纤维的性能最好，但成本较高；玻璃纤维耐磨性较差，且在生产过程中能耗较大，不利于节能环保。因此，碳纤维和玻璃纤维的应用具有一定的局限性。相比之下，玄武岩纤维作为一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，且其来源广泛、价格低廉、性能均衡，故玄武岩纤维复合筋受到了人们的广泛关注。
现有技术中申请公布号为CN104059374A，申请公布号为2014.09.24的中国发明公开了一种玄武岩纤维复合筋，由于该玄武岩纤维复合筋的纵向热膨胀系数和横向热膨胀系数差异较大，且玄武岩纤维复合筋的横向热膨胀系数大于纵向热膨胀系数，在混凝土结构中使用玄武岩纤维复合筋时，玄武岩纤维复合筋的横向筋在冷热交替的环境中会出现裂纹，从而限制了玄武岩纤维复合筋在建筑结构中的应用。
发明内容
针对现有方法存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种新型玄武岩纤维复合筋，利用树脂基体将钢丝绳以及包覆在钢丝绳周围的若干玄武岩纤维经拉挤模具加热固化制成新型玄武岩纤维复合筋，该新型玄武岩纤维复合筋的纵向热膨胀系数和横向热膨胀系数差异较小，从而减少新型玄武岩纤维复合筋由于环境温度变化而产生裂纹的现象，且使得新型玄武岩纤维复合筋任何方向的热膨胀系数都与混凝土的热膨胀系数接近，进一步提高玄武岩纤维复合筋在建筑结构中的应用。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种新型玄武岩纤维复合筋，所述新型玄武岩纤维复合筋是通过树脂基体将钢丝绳以及包覆在钢丝绳周围的若干玄武岩纤维经拉挤模具加热固化成型，其中，玄武岩纤维和钢丝绳的复合体积比为5～3：1，树脂基体的体积占新型玄武岩纤维复合筋总体积的20％-25％。
进一步地，所述拉挤模具加热固化成型中，拉挤速度为600mm/min～620mm/min，牵引力为0.5t～0.6t，压力为0.8Mpa～1.0Mpa；温度为110℃～120℃。
进一步地，所述钢丝绳在使用前需经过树脂基体预浸处理30s-40s。
通过采用上述方法方案，新型玄武岩纤维复合筋的中部为钢丝绳，与现有技术中的玄武岩纤维复合筋相比，钢丝绳代替了现有技术中的玄武岩纤维复合筋中的部分玄武岩纤维或其他成分，在制备新型玄武岩纤维复合筋的过程中经拉挤模具加热固化成型，将玄武岩纤维通过树脂基体粘合在钢丝绳的周围，钢丝绳、树脂基体和玄武岩纤维经拉挤模具加热固化成型制成新型玄武纤维复合筋。树脂基体和玄武岩纤维在冷热温度变化下会发生较大的形变，故现有技术中的玄武岩纤维复合筋的横、纵向热膨胀系数相差较大，且其横向热膨胀系数较纵向热膨胀系数更大，钢丝绳在冷热交替的环境中膨胀变化比玄武岩纤维和树脂基体的变化范围小，因而可以有效降低制备的新型玄武岩纤维复合筋的横向膨胀系数，因而制备的新型玄武岩纤维复合筋的横向热膨胀系数有所降低，且降低后的横向热膨胀系数与纵向热膨胀系数更接近，同时制备的新型玄武岩纤维复合筋的横向热膨胀系数和纵向热膨胀系数更接近现有技术中混凝土的热膨胀系数，从而有效减少玄武岩纤维复合筋在冷热变化环境中出现裂纹，扩大了新型玄武岩纤维复合筋在建筑结构中的应用。钢丝绳在使用前利用树脂基体预浸，方便后续玄武岩纤维在钢丝绳周围的粘结，且预浸时间为30s-40s为宜。
经过试验分析可知，其中，玄武岩纤维和钢丝绳的复合体积比为5～3：1，树脂基体的体积占新型玄武岩纤维复合筋总体积的20％-25％时，可以有效降低新型玄武岩纤维复合筋的横向热膨胀系数，且其横向热膨胀系数和纵向热膨胀系数更接近，且与现有技术中混凝土的热膨胀系数更加接近。通过利用钢丝绳代替现有技术中的玄武岩纤维复合筋中的部分玄武岩纤维或其他成分，可以有效减少玄武岩纤维的使用，降低玄武岩纤维的成本，同时达到较好的降低玄武岩纤维热膨胀系数的效果。
进一步地，所述钢丝绳采用2～3股、每股5～10根的直径为0.1mm～0.3mm的碳素钢钢丝编织而成，所述钢丝绳的编织方式为碳素钢钢丝相互交叉缠绕成类麻花状。
进一步地，所述碳素钢钢丝含碳量为0.70％～0.90％，抗拉强度为1450MPa～1500MPa，弹性模量为190GPa-195GPa。
通过采用上述方法方案，本发明中采用的钢丝绳用2～3股、每股5～10根的直径为0.1mm～0.3mm的碳素钢钢丝编织而成，编织方式为碳素钢钢丝相互交叉缠绕成类麻花状，碳素钢钢丝含碳量为0.70％～0.90％，抗拉强度为1450MPa～1500MPa，弹性模量为190GPa-195GPa。经过试验探究发现，钢丝绳的股数、根数和直径处于上述范围内时，能够有效降低制备的新型玄武岩纤维复合筋的热膨胀系数。处于上述范围内的碳素钢钢丝绳具有较好的钢性能和抗拉强度，在冷热变化环境下的变化范围小或几乎不发生变化，且配合碳素钢钢丝相互交叉缠绕成类麻花状的编织方式，碳素钢钢丝之间相互约束，从而进一步降低了碳素钢丝绳在冷热变化环境下的形变，进而降低了钢丝绳在冷热变化环境下变化的可能，因此，制备的新型玄武岩纤维复合筋的热膨胀系数得到了有效降低。且相互交叉缠绕成类麻花状在碳素钢钢丝相互约束的基础上，增加了钢丝绳内部的空间利用率，加强了钢丝绳的强度，进而加强了新型玄武岩纤维复合筋的强度，当新型玄武岩纤维复合筋应用于混凝土结构中，对加强混凝土的强度起到一定的促进作用。
进一步地，所述玄武岩纤维的直径为7～13μm。
通过采用上述方法方案，经过试验探究发现，玄武岩纤维的直径为7～13μm，制备的新型玄武岩纤维复合筋的热膨胀系数得到了有效降低，且与现有技术中混凝土的热膨胀系数更加接近。
进一步地，所述树脂基体选自环氧树脂、聚乙烯树脂中的至少一种。
进一步地，所述环氧树脂为双酚A环氧树脂，环氧当量为176-190g/eq。
通过采用上述方法方案，环氧树脂和聚乙烯树脂是比较典型的胶粘剂，环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成网状结构的高聚物，聚乙烯树脂是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂，因而，在制备新型玄武岩纤维复合筋的过程中加入树脂基体起到胶粘剂的作用，进而更好的将玄武岩纤维粘合在钢丝绳的周围。
本发明的目的之二在于提供一种新型玄武岩纤维复合筋的制备方法，利用该制备方法制得的新型玄武岩纤维复合筋的纵向热膨胀系数和横向热膨胀系数差异较小，且更接近混凝土的热膨胀系数，有利于提高玄武岩纤维复合筋在建筑结构中的应用。
为实现上述第二个目的，本发明提供了如下方案：一种新型玄武岩纤维复合筋的制备方法，所述新型玄武岩纤维复合筋是通过树脂基体将钢丝绳以及包覆在钢丝绳周围的若干玄武岩纤维经拉挤模具加热固化成型，其中拉挤速度为600mm/min～620mm/min，牵引力为0.5t～0.6t，压力为0.8Mpa～1.0Mpa；温度为110℃～120℃。
通过采用上述方法方案，利用上述方法制备的新型玄武岩纤维复合筋的横向热膨胀系数和纵向热膨胀系数接近，故减少了玄武岩纤维复合筋出现由于环境温度变化而产生裂纹的现象，且相比现有的玄武岩纤维复合筋的热膨胀系数，本发明提供的新型玄武岩纤维复合筋的横向热膨胀系数和纵向热膨胀系数更加接近混凝土的热膨胀系数。
本发明的目的之三在于提供一种新型玄武岩纤维复合筋的应用，由于发明提供的新型玄武岩纤维复合筋纵向热膨胀系数和横向热膨胀系数差异较小，且新型玄武岩纤维复合筋任何方向的热膨胀系数都与混凝土接近，提高了玄武岩纤维复合筋的应用范围，故可以将该新型玄武岩纤维复合筋应用于土建交通结构中。
通过采用上述方法方案，将上述制备的新型玄武岩纤维复合筋应用于土建交通结构中，土建交通结构中大多为混凝土结构，由于新型玄武岩纤维复合筋任何方向的热膨胀系数都与混凝土的热膨胀系数接近，减少玄武岩纤维复合筋由于环境温度变化而产生裂纹的现象，从而玄武岩纤维复合筋具有更广泛的应用。
综上所述，本发明提供了一种新型玄武岩纤维复合筋及其制备方法和应用，该新型玄武岩纤维复合筋的纵向热膨胀系数和横向热膨胀系数差异较小，从而减少玄武岩纤维复合筋由于环境温度变化而产生裂纹的现象，且使得新型玄武岩纤维复合筋任何方向的热膨胀系数都与混凝土的热膨胀系数接近，进一步提高玄武岩纤维复合筋在建筑结构中的应用。
具体实施方式
本发明提供了一种新型玄武岩纤维复合筋，所述新型玄武岩纤维复合筋是通过树脂基体将钢丝绳以及包覆在钢丝绳周围的若干玄武岩纤维经拉挤模具加热固化成型，其中，玄武岩纤维和钢丝绳的复合体积比为5～3：1，树脂基体的体积占新型玄武岩纤维复合筋总体积的20％-25％，拉挤速度为600mm/min～620mm/min，牵引力为0.5t～0.6t，压力为0.8Mpa～1.0Mpa；其中，所述钢丝绳采用2～3股、每股5～10根的直径为0.1mm～0.3mm的碳素钢钢丝相互交叉缠绕编织呈类麻花状；所述碳素钢钢丝含碳量为0.70％～0.90％，抗拉强度为1450MPa～1500MPa，弹性模量为190GPa-195GPa。钢丝绳在使用前需经过树脂基体预浸处理30s-40s；玄武岩纤维由玄武岩纤维原丝经过加捻和并股制成，其直径为7μm～13μm；树脂基体选自环氧树脂、聚乙烯树脂中的至少一种。环氧树脂为双酚A环氧树脂，环氧当量为176g/eq-190g/eq，具体为NPEL-127双酚A环氧树脂或NPEL-128双酚A环氧树脂中的至少一种。聚乙烯树脂为高密度聚乙烯树脂，具体为高密度聚乙烯HDPE树脂2908，断裂伸长度≥80％，拉伸屈服强度为23MPa-26MPa。
本发明中用到的实验仪器均为市售常规仪器，故在此处不做详细描述，其中，NPEL-127双酚A环氧树脂和NPEL-128双酚A环氧树脂均采购自江阴万千化学品有限公司，碳素钢钢丝采购自南通翔盛金属制品有限公司，高密度聚乙烯HDPE树脂2908采购自中国石油抚顺石化公司。
本发明还提供了上述新型玄武岩纤维复合筋的制备方法，所述新型玄武岩纤维复合筋是通过树脂基体将钢丝绳以及包覆在钢丝绳周围的若干玄武岩纤维经拉挤模具加热固化成型，其中拉挤速度为600mm/min～620mm/min，牵引力为0.5t～0.6t，压力为0.8Mpa～1.0Mpa；温度为110℃～120℃，利用上述制备方法制备的新型玄武岩纤维复合筋可应用于土建交通结构中。
以下结合实施例以及对比例的相关检测对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明提供了一种新型玄武岩纤维复合筋，该新型玄武岩纤维复合筋的中心为一根经过树脂基体预浸处理的钢丝绳，周围为若干玄武岩纤维，高强度钢丝绳和玄武岩纤维之间为树脂基体，在预张力作用下，通过树脂基体将钢丝绳以及包覆在钢丝绳周围的若干玄武岩纤维经拉挤模具加热固化成型，拉挤速度为600mm/min～620mm/min：牵引力：0.5t～0.6t；压力：0.8～1.0Mpa；温度：110℃～120℃。
本实施例中玄武岩纤维和钢丝绳的复合体积比例为4：1；树脂基体的体积占复合筋体积的20％。其中用到的钢丝绳为高强度钢丝绳，钢丝绳采用3股、每股10根的直径为0.2mm的碳素钢钢丝相互交叉缠绕编织成类麻花状，碳素钢钢丝含碳量为0.70％，抗拉强度为1450MPa，弹性模量为195GPa。钢丝绳在使用前需经过树脂基体预浸处理30s。
玄武岩纤维由玄武岩纤维原丝经过加捻和并股制成，其直径为7μm。
树脂基体为NPEL-127双酚A环氧树脂，环氧当量为176-184g/eq。
实施例2-15
实施例2-13与实施例1的不同之处在于各自制备新型玄武岩纤维复合筋的过程中的各项参数不同，实施例1-13制备新型玄武岩纤维复合筋的各项参数如表1所示，表格中玄武岩纤维用A表示，钢丝绳用B表示，碳素钢丝绳用b表示，树脂基体用C表示。实施例2和实施例3的碳素钢钢丝的弹性模量为190GPa。
实施例14-15与实施例1的不同之处在于，实施例14选用的树脂基体为NPEL-128双酚A环氧树脂，环氧当量为184-190g/eq，实施例15选用的树脂基体为高密度聚乙烯HDPE树脂2908，断裂伸长度≥80％，拉伸屈服强度为25MPa。
表1实施例1-13制备新型玄武岩纤维复合筋过程中的各项参数
对比例
对比例1-10
对比例1-10与实施例1的不同之处在于各对比例中制备玄武岩纤维复合筋的过程中的各项参数不同，对比例1-10制备玄武岩纤维复合筋的各项参数如表2所示，表格中玄武岩纤维用A表示，钢丝绳用B表示，碳素钢丝绳用b表示，树脂基体用C表示。
表2对比例1-10制备玄武岩纤维复合筋过程中的各项参数
对比例11
现有技术中的玄武岩纤维复合筋是由玄武岩纤维经表面处理剂处理后，再由树脂基体浸润并固化而成的纤维筋材。本对比例提供的是现有技术中申请公布号为CN104059374A，申请公布号为2014.09.24，发明名称为“一种玄武岩纤维复合筋”的说明书的实施例1中公开了一种玄武岩纤维复合筋。
对比例12
现有技术中申请公布号为CN108409201A，申请公布号为2018.08.1，发明名称为“一种具有低热膨胀系数的混凝土”的说明书第[0059]段公开了普通混凝土的热膨胀系数。参考国内外文献，得知普通树脂混凝土的热膨胀系数为12×10-6℃，传统建筑混凝土热膨胀系数为10×10-6℃。
检测试验
针对上述实施例1-15制备的新型玄武岩纤维复合筋、对比例1-10制备的玄武岩纤维复合筋、对比例11利用现有技术制备的玄武岩纤维复合筋分别作为试样，利用现有技术中对热膨胀系数的检测方法，对上述试样进行横向热膨胀系数和纵向热膨胀系数的检测，检测结果如表3所示。
表3试样的热膨胀系数的检测结果
根据表3，本发明提供的新型玄武岩纤维复合筋的横向热膨胀系数和纵向热膨胀系数相差较小，且通过对表3中实施例1-15制备的新型玄武岩纤维复合筋与对比例1-10制备的玄武岩纤维复合筋的热膨胀系数进行对比可知，本发明制备的新型玄武岩纤维复合筋中，玄武岩纤维与钢丝绳的体积比、树脂基体占新型玄武岩纤维复合筋总体积的百分比以及碳素钢丝绳的股数、根数、直径均对新型玄武岩纤维复合筋的横向热膨胀系数和纵向热膨胀系数具有一定的影响。通过实施例1-15与对比例11、对比例12的检测结果的对比，实施例1-15制备的新型玄武岩纤维复合筋的横向热膨胀系数和纵向热膨胀系数更接近混凝土的热膨胀系数。
通过实施例1-15与对比例1-10的检测结果对比可知，在本发明提供的玄武岩纤维与钢丝绳的体积比、树脂基体占新型玄武岩纤维复合筋总体积的百分比以及碳素钢丝绳的股数、根数、直径的范围条件内，制备的新型玄武岩纤维复合筋的横向热膨胀系数和纵向热膨胀系数相差更小，且更接近混凝土的热膨胀系数。因而将本发明提供的新型玄武岩纤维复合筋应用于混凝土建筑中，可以减少玄武岩纤维复合筋由于环境温度变化而产生裂纹的现象，提高玄武岩纤维复合筋在建筑结构中的应用。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域方法人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
