一种加捻预应力FRCM板及其成型工艺

摘要

本发明公开了一种加捻预应力FRCM板及其成型工艺，所述工艺包括支模、铺设、装配、预拉紧、加捻张拉、预应力调整、浇注、养护及拆模等步骤，一方面能够通过加捻纤维束及预应力效应提升FRCM的力学性能，另一方面又具有施工简单、快捷的优势。本发明的加捻预应力FRCM板包括纤维网格布和砂浆，其内部纵向纤维束预先经加捻处理后发生形状改变，同时具有一定预拉应力。

权利要求

1.一种加捻预应力FRCM板的成型工艺，其特征在于，包括如下步骤：

支模步骤：按照预设模板结构进行支模，所述预设模板结构包括模具基座、由底板、侧挡板、端挡板围成的模腔，以及分别设于两端的纤维束加捻装置和端部可滑动固定装置，所述纤维束加捻装置包括机械配合的下半转动轴、上半转动轴和齿轮，端部可滑动固定装置包括固定在模具基座上的滑动杆、套设在滑动杆上的滑动板、与滑动板配合的滑动端盖板和顶杆，与端部可滑动固定装置对应的端挡板上设有与顶杆配合的连接套筒，所述顶杆推动滑动板沿滑动杆移动；

铺设步骤：在所述模腔内铺设纤维网格布，并将纵向纤维束的一端延伸至滑动板，另一端穿过下半转动轴和上半转动轴拼接形成的转轴并由所述转轴夹持固定；

装配步骤：张拉使横向纤维束保持平直，并在侧挡板上加装侧盖板，约束横向纤维位移；加装滑动端盖板；

预拉紧步骤：沿滑动杆调整滑动板位置，确保纵向纤维束平直；微调顶杆，预先对纤维束张紧平整；

加捻张拉步骤：驱动纤维束加捻装置的齿轮转动，进而带动夹持纤维的转轴转动实现纤维加捻，转动圈数根据目标捻度、模腔中纤维束长度及目标预应力确定；加捻结束后固定齿轮，避免其回转带来的预应力损失；

预应力调整步骤：旋转顶杆，进而顶升滑动板，实现对加捻产生的预应力微调；

浇注步骤：向所述模腔中浇注预定量的砂浆，振捣密实，并抹平表面；

养护及拆模步骤：在一定温度和湿度下养护至砂浆具有一定强度后剪断纤维外露端放张并脱模，继续养护至预定强度，即为所述加捻预应力FRCM板。

2.根据权利要求1所述的加捻预应力FRCM板的成型工艺，其特征在于，所述侧挡板为对向设置的两个，通过与之配合的侧盖板实现机械夹持，确保横向纤维束平直。

3.根据权利要求1所述的加捻预应力FRCM板的成型工艺，其特征在于，所述的端部可滑动固定装置还包括荷载传感器，设于顶杆和滑动板之间，在预拉紧步骤、加捻张拉步骤和预应力调整步骤中测定纤维束内产生的轴向拉力，确保纤维束拉应力处于合理范围。

4.根据权利要求1所述的加捻预应力FRCM板的成型工艺，其特征在于，所述的纤维束加捻装置包括若干个机械配合的下半转动轴、上半转动轴和齿轮，相邻齿轮互相啮合，确保纵向纤维束一次完成加捻且各纵向纤维束由于加捻产生的预应力均匀分布。

5.根据权利要求1所述的加捻预应力FRCM板的成型工艺，其特征在于，所述模具基座上还设有端部夹板，纵向纤维束穿过转轴后延伸至端部夹板，通过与端部夹板相配合的端部盖板实现机械夹持。

6.根据权利要求1所述的加捻预应力FRCM板的成型工艺，其特征在于，所述纤维网格布通过平织方式制造，材质选自耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、聚苯撑苯并二恶唑纤维和天然纤维中的至少一种。

7.一种根据权利要求1～6任一权利要求所述的加捻预应力FRCM板的成型工艺制备得到的加捻预应力FRCM板，包括纤维网格布和砂浆，其特征在于，内部纵向纤维束预先经加捻处理后发生形状改变，同时由于纤维束两端夹持固定限制收缩而产生一定的预拉应力。

说明书

一种加捻预应力FRCM板及其成型工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及纤维织物增强水泥基复合材料技术领域，具体涉及一种加捻预应力FRCM板及其成型工艺。

背景技术

[0002] 纤维织物增强水泥基复合材料(Fabric Reinforced Cementitious Mortar,简称FRCM)，是一种新型复合材料，是多轴纤维编织网和精细混凝土或砂浆的结合，纤维编织网可以沿主应力方向布置，也可以双向或多向布置。由于所采用的纤维材料如耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、聚苯撑苯并恶唑纤维等具有耐腐蚀、防止化学侵蚀等优点，因此对于混凝土保护层厚度的要求较低，结构单元的厚度主要依赖于增强纤维编织网必需的锚固厚度。FRCM因此可作为一种轻质、耐久、高强的薄壁材料。且相较于纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)，FRCM由于采用干纤维和无机水泥基胶凝材料，具有纤维几何可变、与混凝土相容性好、受温度影响较小、渗透性好、不易燃、可在低温和浸水环境下应用等优点。

[0003] 对于普通FRCM板(图1)而言，干纤维束与砂浆间的粘结通常是控制其力学性能的关键因素。在轴拉工况下，FRCM板可能会在纤维拉断前因为干纤维-砂浆界面破坏而发生滑移拔出破坏，致使纤维束的增强效应不能充分发挥。此外，采用现有工艺制作FRCM板时，纤维网格会在手工铺设和砂浆浇筑过程中常常会产生褶皱。如该影响未能有效消除，则在FRCM板拉伸初期，纤维束通常无法参与受力，从而降低FRCM板的初期刚度，增大砂浆所承受的拉应力。由于砂浆自身的抗拉强度较低，FRCM板开裂荷载会大大降低，并进一步增大纤维-砂浆界面破坏的可能性，影响纤维的增强效率。

[0004] 现有研究表明，对纤维束适当加捻可增大纤维与砂浆间的接触面积及接触界面粗糙度，进而增强界面粘结性能；但大部分加捻纤维束在制造时都会采用环氧树脂浸渍工艺固化，在湿热环境中长期服役可能会由于树脂劣化而出现复合材料整体性能劣化。

发明内容

[0005] 针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种FRCM预制板的成型工艺，一方面能够通过加捻纤维束及预应力效应提升FRCM的力学性能，另一方面又具有施工简单、快捷的优势。

[0006] 具体技术方案如下：

[0007] 一种加捻预应力FRCM板的成型工艺，包括如下步骤：

[0008] 支模步骤：按照预设模板结构进行支模，所述预设模板结构包括模具基座、由底板、侧挡板、端挡板围成的模腔，以及分别设于两端的纤维束加捻装置和端部可滑动固定装置，所述纤维束加捻装置包括机械配合的下半转动轴、上半转动轴和齿轮，端部可滑动固定装置包括固定在模具基座上的滑动杆、套设在滑动杆上的滑动板、与滑动板配合的滑动端盖板和顶杆，与端部可滑动固定装置对应的端挡板上设有与顶杆配合的连接套筒，所述顶杆推动滑动板沿滑动杆移动；

[0009] 铺设步骤：在所述模腔内铺设纤维网格布，并将纵向纤维束的一端延伸至滑动板，另一端穿过下半转动轴和上半转动轴拼接形成的转轴并由所述转轴夹持固定；

[0010] 装配步骤：张拉使横向纤维束保持平直，并在侧挡板上加装侧盖板，约束横向纤维位移；加装滑动端盖板；

[0011] 预拉紧步骤：沿滑动杆调整滑动板位置，确保纵向纤维束平直；微调顶杆，预先对纤维束张紧平整；

[0012] 加捻张拉步骤：驱动纤维束加捻装置的齿轮转动，进而带动夹持纤维的转轴转动实现纤维加捻，转动圈数根据目标捻度、模腔中纤维束长度及目标预应力确定；加捻结束后固定齿轮，避免其回转带来的预应力损失；

[0013] 预应力调整步骤：旋转顶杆，进而顶升滑动板，实现对加捻产生的预应力微调；

[0014] 浇注步骤：向所述模腔中浇注预定量的砂浆，振捣密实，并抹平表面；

[0015] 养护及拆模步骤：在一定温度和湿度下养护至砂浆具有一定强度后剪断纤维外露端放张并脱模，继续养护至预定强度，即为所述加捻预应力FRCM板。

[0016] 本发明充分利用了FRCM板中干纤维束几何可变的特性，通过固定纤维网格后转动加捻设备对纵向纤维束加捻，一方面改变了纤维束外形，提升其与砂浆接触面的面积和粗糙度，并通过约束纤维束径向回缩对纤维束施加预应力；另一方面，通过顶杆顶升实现加捻前/后对纤维束施加预应力，进一步提升纤维束与砂浆间的粘结性能，提高了FRCM板整体受力性能。

[0017] 本发明采用预应力技术作为提升FRCM性能的替代方法，预张拉纤维束在放张后会在轴向回缩的同时因泊松效应产生径向膨胀，砂浆基体对此的约束会产生附加压力，进而增强纤维束与基体间的黏结；当纤维束长度大于基体长度时，端部外露纤维还会因径向膨胀不受约束而形成直径大于基体内纤维的“锚具”；纤维束在拉伸过程中的聚束作用也有利于增大纤维丝间的摩擦，提高纤维协同工作性能，进而增强FRCM复合材料的力学性能及加固效率。

[0018] 所述预设模板结构包括由一个模具基座和两个对向设置的侧挡板围成的长方体型的模腔，为方便加工与使用，采用可拆卸设计。将纤维束穿出并用固定装置夹持固定。

[0019] 互相配合的侧挡板和侧盖板形成机械夹持约束横向纤维位移。为方便加工与使用，采用可拆卸设计，通过外加机械夹持或螺栓装配成型。

[0020] 所述纤维束加捻装置配合固定于模具基座上的轴承，形成转动机构实现纤维束固定后加捻。

[0021] 所述纤维束加捻装置采用分体设计，以方便纤维束穿过。装配后上半转动轴、下半转动轴间形成与纤维束尺寸相当的孔隙，限制转轴区域纤维束变形，以便通过转轴旋转带动纤维束旋转加捻。所述上半转动轴外侧设置平键，用于与齿轮间机械配合连接。

[0022] 所述齿轮通过键槽与转动轴机械配合，确保二者同步转动。

[0023] 作为优选，所述滑动杆采用金属制造并在表面涂抹润滑油，保证滑动板能沿其自由滑动，避免摩擦过大带来的张拉力测定误差。

[0024] 所述滑动板套设于滑动杆上，中部平板可与滑动端盖板配合形成机械夹持，约束纵向纤维束位移。两侧平板可与顶杆配合，通过顶杆顶升实现加捻前纤维束直接预张拉平整及加捻后纤维束预应力调整。

[0025] 作为优选，所述侧挡板为对向设置的两个，通过与之配合的侧盖板实现机械夹持，确保横向纤维束平直。

[0026] 作为优选，所述的端部可滑动固定装置还包括荷载传感器，设于顶杆和滑动板之间，在预拉紧步骤、加捻张拉步骤和预应力调整步骤中测定纤维束内产生的轴向拉力，确保纤维束拉应力处于合理范围。

[0027] 作为优选，所述的纤维束加捻装置包括若干个机械配合的下半转动轴、上半转动轴和齿轮，相邻齿轮互相啮合，确保纵向纤维束一次完成加捻且各纵向纤维束由于加捻产生的预应力均匀分布。齿轮尺寸及间距根据纤维束宽度及间距确定。

[0028] 作为优选，所述模具基座上还设有端部夹板，纵向纤维束穿过转轴后延伸至端部夹板，通过与端部夹板相配合的端部盖板实现机械夹持。

[0029] 作为优选，所述纤维网格布通过平织方式制造，材质包括但不限于耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、聚苯撑苯并二恶唑纤维及剑麻、苎麻等天然纤维，避免横向纤维束约束效应过强影响加捻效果。

[0030] 所述纤维网格布在所述模腔内铺设的层数为至少一层。加捻纤维网格布的捻度及预应力水平根据力学性能需求确定。

[0031] 为保证浇筑质量，砂浆优选自密实砂浆，其配合比需根据实际要求的强度、流动性等性质确定。

[0032] 本发明还提供了一种根据所述的加捻预应力FRCM板的成型工艺制备得到的加捻预应力FRCM板，包括纤维网格布和砂浆，内部纵向纤维束预先经加捻处理后发生形状改变，同时由于纤维束两端夹持固定限制收缩而产生一定的预拉应力。

[0033] 本发明与现有技术相比，主要优点包括：

[0034] 1、本发明通过设置侧向、端部及滑动端固定装置，分别固定横向和纵向纤维，确保纤维束在浇筑过程中保持平直，确保纤维网格能自复合材料受荷其就参与受力，提升纤维增强效率；

[0035] 2、本发明通过加捻装置实现纤维加捻，增大纤维束-砂浆界面的接触面积及粗糙度；同时通过限制加捻过程中纤维束纵向回缩施加附加预应力，进一步改善干纤维束与砂浆间的粘结性能；

[0036] 3、本发明通过带螺纹顶杆及荷载传感器控制和调整加捻张拉后纤维束内预应力水平，确保预应力处于合理范围，并可在有需求的情况下进一步增大纤维预应力水平，提升加捻预应力FRCM板力学性能。

[0037] 4、本发明的成型工艺所采用的模具为可拆卸模具，且在加捻装置转动轴等处采用分体设计，方便纤维穿过其脱模，具有施工方便的特性。

附图说明

[0038] 图1为现有技术的纤维增强FRCM板内配纤维网的示意图；

[0039] 图2为本发明所需模具轴测图；

[0040] 图3为本发明所需模具基座轴测图；

[0041] 图4为本发明所需模具中纤维束加捻装置局部放大图；

[0042] 图5为本发明所需模具中可滑动固定装置局部放大图；

[0043] 图6为实施例制备加捻预应力FRCM板的支模步骤及铺设步骤示意图；

[0044] 图7为实施例制备加捻预应力FRCM板的装配步骤及预张紧步骤示意图；

[0045] 图8为实施例制备加捻预应力FRCM板的加捻张拉步骤及预应力调整步骤示意图；

[0046] 图9为实施例制备加捻预应力FRCM板的浇注步骤示意图；

[0047] 图10为实施例制备加捻预应力FRCM板的养护及拆模步骤示意图；

[0048] 图11为本发明制备的加捻预应力FRCM板内配纤维网的示意图；

[0049] 图中：

[0050] 1-模具基座，2-端部盖板，3-纤维束加捻装置，4-侧盖板，5-可滑动固定装置，6-纤维网，7-砂浆；

[0051] 11-模具底板，12-端部夹板，13-过渡槽，14-轴承连接板，15-端挡板，16-侧挡板，17-连接套筒，18-滑动杆，19-滑动槽；

[0052] 31-齿轮，32-上半转动轴，33-下半转动轴，34-转动轴承；

[0053] 51-滑动板，52-顶杆，53-荷载传感器，54-滑动端盖板。

具体实施方式

[0054] 下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

[0055] 本实施例使用的预设模板结构如图2～5所示，包括模具基座1。

[0056] 模具基座1包括模具底板11，模具底板11上设有2块相对的侧挡板16和2块相对的端挡板15。端挡板15、侧挡板16以及模具底板11共同围成一个长400mm，宽200mm的模腔。

[0057] 模具底板11上位于其中一块端挡板15的外侧依次设有纤维束加捻装置3和端部夹板12，位于另一块端挡板15的外侧设有可滑动固定装置5。

[0058] 纤维束加捻装置3包括机械配合的下半转动轴33、上半转动轴32和齿轮31，以及轴承连接板14和刻在模具底板11上的过渡槽13。过渡槽13用于容纳齿轮31。下半转动轴33、上半转动轴32、齿轮31和转动轴承34配合后设于轴承连接板14上。

[0059] 可滑动固定装置5包括滑动杆18、套设在滑动杆上的滑动板51，以及顶杆52和荷载传感器53。

[0060] 模具底板11上位于可滑动固定装置5的下方开有滑动槽19。滑动杆18的一端固定连接在模具底板11上，另一端固定在端挡板15上，该端挡板15上设有连接套筒17。顶杆52带有螺纹的一端与连接套筒17连接，另一端与荷载传感器53、滑动板51依次连接，推动滑动板51沿滑动杆18轴向移动。

[0061] 如图6～10所示，本实施例的加捻预应力FRCM板的成型工艺采用单层织物纤维网增强，厚度为10mm，单束纤维宽度10mm，纤维束间距25mm，具体的成型工艺流程如下：

[0062] (1)支模步骤及铺设步骤：按如上所述结构支模后，在模腔内铺设纤维网6，并将纤维网纵向纤维束的两端分别穿过两个端挡板15，一端穿过纤维束加捻装置3后延伸至端部夹板2上，另一端延伸至滑动板51上。

[0063] (2)装配步骤：通过螺栓连接方式在侧挡板16上加装侧盖板4，夹紧前确保横向纤维平直。沿轴向依次加装纤维束加捻装置的下半转动轴33，上半转动轴32及齿轮31。上、下半转动轴拼接后形成直径14mm的转轴，并在转轴中部设有宽度10mm，高度1mm开孔，以固定穿过该孔的纤维束。转轴外侧设有平键与齿轮31连接。齿轮31分度圆直径为25mm，与纤维束间距相当。通过螺栓连接在端部夹板2上加装端部盖板2及在滑动板51上加装滑动端盖板54。

[0064] (3)预拉紧步骤：沿滑动杆18移动滑动板51，确保纵向纤维束平直。加装荷载传感器53，调整顶杆52限制滑动板51移动。微调顶杆52，进而顶升滑动板51，以实现纤维束拉紧平整功能。

[0065] (4)加捻张拉步骤：通过电动马达带动齿轮31转动，进而带动夹持纤维束的转轴转动实现纤维加捻，直至纤维束捻度达400T/m，并在此过程中读取荷载传感器53读数，计算纤维束中的平均拉应力值。加捻后锁定电动马达齿轮，进而限制加捻装置齿轮31回转。

[0066] (5)预拉力调整步骤：旋转顶杆52顶升移动滑动板51，通过荷载传感器53控制预应力水平，实现对加捻产生的预应力微调；

[0067] (6)浇注步骤：向模腔中浇注预定量的砂浆7，振捣密实，并抹平表面；

[0068] (7)养护及拆模步骤：在一定温度和湿度下养护至砂浆预定强度的75％后剪断纤维外露端放张，同时拆除各盖板和侧模板，方便预制板脱模；养护条件随养护环境具体确定(具体可参考GB50666-2011《混凝土结构工程施工规范》)，脱模后沿表面裁剪外露的纤维网格布；继续养护至砂浆预定强度即可形成加捻预应力纤维网增强的FRCM板，其内部纵向纤维束预先经加捻处理后发生形状改变，同时具有一定预拉应力，如图11所示。

[0069] 此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。