一种碳纤维拉索冷铸锚具用低温固化冷铸填料及其制作方法与流程

本发明属于桥梁碳纤维拉索制造技术领域，具体涉及一种碳纤维拉索制造时将碳纤维复合材料筋与锚具连接固定的碳纤维拉索冷铸锚具用低温固化冷铸填料及其制作方法。

背景技术：

斜拉桥的发展表明，高强度拉索材料的应用对桥梁结构向更大跨度迈进起着重要作用。碳纤维复合材料具有轻质高强、抗腐蚀性强、热膨胀系数小等特点，可以提供较高的比强度（抗拉强度和密度之比）和比刚度（弹模和密度之比），因此碳纤维拉索在桥梁工程中替代高强钢丝有着良好的应用前景。

目前，碳纤维拉索锚具主要采用内填填充介质的传统内锥式粘接型锚具，填充介质包括高膨胀型水泥砂浆、建筑结构胶、环氧树脂石英砂浆等，锚固效果并不理想，主要问题有：

其一，碳纤维复合材料筋树脂基体的玻璃化温度约120℃，锚固工序中加热超过该温度会导致碳纤维复合材料筋的强度下降。《桥梁拉索冷铸锚具用冷铸填料及其制作方法》（授权公告号：cn103086630a）提出采用液态酸酐、双酚环氧树脂、细填料及粗填料组成冷铸锚具用冷铸填料，该填料养生固化温度165℃，适用于高强钢丝桥梁拉索冷铸锚固，不适用于碳纤维拉索冷铸锚固。

其二，填充介质采用压力方式注浆，注浆的密实度不易保证。对于大直径的拉索，随着碳纤维复合材料筋数量的增加，灌浆也变得愈来愈困难。

其三，碳纤维复合材料为各向异性材料，其纵向弹性模量和强度远大于横向弹性模量和强度，在只受轴力的情况下，碳纤维复合材料本身不存在问题，但在锚具中碳纤维复合材料需要承受弯、剪、偏拉等多向应力，且碳纤维复合材料锚固部分易出现径向挤压应力集中和剪应力集中等问题，会导致碳纤维复合材料发生局部破坏而过早失效。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，充分发挥碳纤维复合材料性能，本发明从工程实际应用出发，提供了一种碳纤维复合材料筋与锚具连接固定的碳纤维拉索冷铸锚具用低温固化冷铸填料及其制作方法，它是采用杂环胺、环氧树脂混合拌料，然后依次加入矿粉作为细填料、加入铁砂作为粗填料搅拌均匀形成冷铸填料，具有常温下灌注流动性好、养生固化温度（110～120℃）低、可操作性强的特点，在不损伤碳纤维复合材料树筋性能的前提下，满足碳纤维复合材料树筋的锚固需求。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种碳纤维拉索冷铸锚具用低温固化冷铸填料，按照重量百分比计，包括杂环胺1.4-1.6%；环氧树脂5.2-5.6%；细填料6.8-7.2%；余量为粗填料；所述的细填料为矿粉，所述的粗填料为铁砂。

进一步，所述的环氧树脂和杂环胺重量比为3.375:1。

进一步，所述的粗填料由φ1.0的铁砂、φ1.2的铁砂、φ1.7的铁砂按照重量比1:1:3的的比例混合而成。

一种的碳纤维拉索冷铸锚具用低温固化冷铸填料的制作方法,包括以下步骤:

(1)按照比例备料，然后将杂环胺、环氧树脂预热20℃～25℃，铁砂预热75℃～80℃，矿粉烘干温度105℃，烘干2小时，保持干燥。

(2)将杂环胺、环氧树脂混合均匀，加入矿粉并搅拌均匀，再加入铁砂并搅拌均匀，灌注于预热至80℃的锚具，最后将锚具放置于养生炉进行养生固化，即可完成碳纤维拉索冷铸锚具用低温冷铸填料的制作。

进一步，所述的步骤(2)中灌注时，锚具和振捣器连接，确保冷铸填料填灌注密实。

进一步，所述的步骤(2)中养生固化时，首先升温至80℃，恒温2小时；然后升温至100℃，恒温2小时；然后升温至115℃，恒温4小时（根据拉索规格在此基础上延长恒温时间）；断电后随炉降温至80℃，去除炉顶石棉布，1小时后出炉。

进一步，所述的步骤(2)中养生炉内采用红外管加热，环向360°均匀布置，确保锚具受热均匀。

本发明的碳纤维拉索冷铸锚具的制作方法，包括以下步骤：

（1）将碳纤维复合材料和高密度聚乙烯护套制成碳纤维拉索索体，制作后，将锚具构件和索体组装，锚固段高密度聚乙烯护套，剥除，锚固段碳纤维复合材料，采用砂纸打磨处理，弹性约束圈，安装在锚杯内；

（2）将碳纤维复合材料逐根穿入锚固板中，安装金具，碳纤维复合材料在金具外侧外露15mm，将金具整体顶压，施加预紧力；

（3）采用工装将锚固板和锚杯连接，从锚杯小端孔灌注低温固化冷铸填料，灌注高度与弹性约束圈平齐；

（4）然后灌注常温固化剂，将高密度聚乙烯护套埋入一定深度，对碳纤维复合材料进行密封；

（5）最后将锚具置于加热炉中，进行养生固化，即可。

进一步，所述的养生固化为：首先升温至80℃，恒温2小时；然后升温至100℃，恒温2小时；然后升温至115℃，恒温4-8小时；断电后随炉降温至80℃，去除炉顶石棉布，1小时后出炉。

本发明也提供了一种碳纤维拉索冷铸锚具，包括碳纤维拉索索体、锚杯、金具、锚固板、低温固化冷铸填料、弹性约束圈、常温固化剂和密封筒，所述的碳纤维拉索索体由碳纤维复合材料和高密度聚乙烯护套组成，所述的碳纤维复合材料逐根穿入锚固板中与所述的金具安装在一起，所述的碳纤维复合材料在金具外侧外露15mm，所述的锚固板和锚杯连接，所述的金具内部依次填充低温固化冷铸填料和常温固化剂，所述的低温固化冷铸填料的高度与所述的弹性约束圈平齐，所述的常温固化剂将高密度聚乙烯护套埋入一定深度，对碳纤维复合材料进行密封。

有益效果:

1、本发明低温固化冷铸填料养生固化温度110～120℃，低于碳纤维复合材料树脂基体的玻璃化温度，养生固化过程不损伤碳纤维复合材料性能。

2、本发明低温固化冷铸填料在常温状态灌注，流动性能好，可操作性强，可以使碳纤维复合材料筋处于密实握裹状态。

3、本发明低温固化冷铸填料、弹性约束圈及夹持金具使碳纤维复合材料在锚固区分段组合锚固，压应力分布形式能保证锚固剂和碳纤维复合材料界面粘接应力沿轴向均匀分布，减少受荷载端应力集中现象。

4、本发明所用各种原材料来源充足、价格低廉，在工程应用中具有较好的技术经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明在冷铸锚具中分布位置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种碳纤维拉索冷铸锚具，锚具内碳纤维复合材料呈锥形发散，分区分段采用多种形式组合锚固。锚具腔体大孔端碳纤维复合材料采用锚固板及金具夹持，锚具腔体中间段灌注低温固化冷铸填料对碳纤维复合材料握裹锚固，锚具腔体小孔端碳纤维复合材料采用弹性约束圈及低温固化冷铸填料组合握裹锚固。

一种碳纤维拉索冷铸锚具，包括碳纤维拉索索体、锚杯1、金具2、锚固板3、低温固化冷铸填料5、弹性约束圈6、常温固化剂7和密封筒8，所述的碳纤维拉索索体由碳纤维复合材料4和高密度聚乙烯护套9组成，所述的碳纤维复合材料逐根穿入锚固板中与所述的金具安装在一起，所述的碳纤维复合材料在金具外侧外露15mm，所述的锚固板和锚杯连接，所述的金具内部依次填充低温固化冷铸填料和常温固化剂，所述的低温固化冷铸填料的高度与所述的弹性约束圈平齐，所述的常温固化剂将高密度聚乙烯护套埋入一定深度，对碳纤维复合材料进行密封。

其制作方法，包括以下步骤：

（1）将碳纤维复合材料和高密度聚乙烯护套制成碳纤维拉索索体，制作后，将锚具构件和索体组装，锚固段高密度聚乙烯护套，剥除，锚固段碳纤维复合材料，采用砂纸打磨处理，弹性约束圈，安装在锚杯内；

（2）将碳纤维复合材料逐根穿入锚固板中，安装金具，碳纤维复合材料在金具外侧外露15mm，将金具整体顶压，施加预紧力；

（3）采用工装将锚固板和锚杯连接，从锚杯小端孔灌注低温固化冷铸填料，灌注高度与弹性约束圈平齐；

（4）然后灌注常温固化剂，将高密度聚乙烯护套埋入一定深度，对碳纤维复合材料进行密封；

（5）最后将锚具置于加热炉中，进行养生固化：首先升温至80℃，恒温2小时；然后升温至100℃，恒温2小时；然后升温至115℃，恒温4小时（根据拉索规格在此基础上延长恒温时间）；断电后随炉降温至80℃，去除炉顶石棉布，1小时后出炉。

实施例2

一种碳纤维拉索冷铸锚具用低温固化冷铸填料，按照重量百分比计，包括杂环胺1.6%；环氧树脂5.4%；细填料7.0%；余量为粗填料；所述的细填料为矿粉，所述的粗填料为铁砂，粗填料由φ1.0的铁砂、φ1.2的铁砂、φ1.7的铁砂按照重量比1:1:3的的比例混合而成，环氧树脂和杂环胺重量比为3.375:1。

其制作方法如下：将杂环胺、环氧树脂预热20℃℃，铁砂预热75℃，矿粉烘干温度105℃，烘干2小时，保持干燥；将杂环胺、环氧树脂混合均匀，加入矿粉并搅拌均匀，再加入铁砂并搅拌均匀，灌注于试块模具中，最后将试块模具放置于养生炉进行养生固化。养生固化时，首先升温至80℃，恒温2小时；然后升温至100℃，恒温2小时；然后升温至115℃，恒温2小时；断电后随炉降温至80℃，去除炉顶石棉布，1小时后出炉。完成碳纤维拉索冷铸锚具用低温固化冷铸填料的抗压试块的制作，得到2组立方体试块。

试块经抗压强度检测，分别为171、175、161、164、132、174，平均162.8mpa。

实施例3

一种碳纤维拉索冷铸锚具用低温固化冷铸填料，按照重量百分比计，包括杂环胺1.4%；环氧树脂5.6%；细填料7.2%；余量为粗填料；所述的细填料为矿粉，所述的粗填料为铁砂，粗填料由φ1.0的铁砂、φ1.2的铁砂、φ1.7的铁砂按照重量比1:1:3的的比例混合而成。

其制作方法如下：将杂环胺、环氧树脂预热25℃，铁砂预热80℃，矿粉烘干温度105℃，烘干2小时，保持干燥；将杂环胺、环氧树脂混合均匀，加入矿粉并搅拌均匀，再加入铁砂并搅拌均匀，灌注于试块模具中，最后将试块模具放置于养生炉进行养生固化。养生固化时，首先升温至80℃，恒温2小时；然后升温至100℃，恒温2小时；然后升温至115℃，恒温2小时；断电后随炉降温至80℃，去除炉顶石棉布，1小时后出炉。完成碳纤维拉索冷铸锚具用低温固化冷铸填料的抗压试块的制作，得到2组立方体试块。

试块经抗压强度检测，分别为169、170、161、162、140、167，平均161.5mpa。

实施例4

一种碳纤维拉索冷铸锚具用低温固化冷铸填料，按照重量百分比计，包括杂环胺1.8%；环氧树脂5.2%；细填料6.8%；余量为粗填料；所述的细填料为矿粉，所述的粗填料为铁砂，粗填料由φ1.0的铁砂、φ1.2的铁砂、φ1.7的铁砂按照重量比1:1:3的的比例混合而成。其制作方法如下：将杂环胺、环氧树脂预热25℃，铁砂预热75℃，矿粉烘干温度105℃，烘干2小时，保持干燥；将杂环胺、环氧树脂混合均匀，加入矿粉并搅拌均匀，再加入铁砂并搅拌均匀，灌注于试块模具中，最后将试块模具放置于养生炉进行养生固化。养生固化时，首先升温至80℃，恒温2小时；然后升温至100℃，恒温2小时；然后升温至115℃，恒温2小时；断电后随炉降温至80℃，去除炉顶石棉布，1小时后出炉。完成碳纤维拉索冷铸锚具用低温固化冷铸填料的抗压试块的制作，得到2组立方体试块。

试块经抗压强度检测，分别为152、165、168、141、162、169，平均159.5mpa。

实施例5

一种碳纤维拉索冷铸锚具用低温固化冷铸填料，按照重量百分比计，包括杂环胺1.6%；环氧树脂5.3%；细填料7.1%；余量为粗填料；所述的细填料为矿粉，所述的粗填料为铁砂，粗填料由φ1.0的铁砂、φ1.2的铁砂、φ1.7的铁砂按照重量比1:1:3的的比例混合而成。

其制作方法如下：将杂环胺、环氧树脂预热25℃，铁砂预热75℃，矿粉烘干温度105℃，烘干2小时，保持干燥；将杂环胺、环氧树脂混合均匀，加入矿粉并搅拌均匀，再加入铁砂并搅拌均匀，灌注于试块模具中，最后将试块模具放置于养生炉进行养生固化。养生固化时，首先升温至80℃，恒温2小时；然后升温至100℃，恒温2小时；然后升温至115℃，恒温2小时；断电后随炉降温至80℃，去除炉顶石棉布，1小时后出炉。完成碳纤维拉索冷铸锚具用低温固化冷铸填料的抗压试块的制作，得到2组立方体试块。

试块经抗压强度检测，分别为170、165、167、162、169、164，平均166.2mpa。

效果实验-加载试验：

制作φ5mm和φ7mm碳纤维复合材料筋握裹试验试件，两端握裹长度均为500mm，中间自由段长度500mm。按照实施例2的原料比例，将杂环胺、环氧树脂预热20℃℃，铁砂预热75℃，矿粉烘干温度105℃，烘干2小时保持干燥；将杂环胺、环氧树脂混合均匀，加入矿粉并搅拌均匀，再加入铁砂并搅拌均匀，灌注于预热至80℃。试件先灌注一端，养生固化后再灌注另一端；碳纤维复合材料筋锚固段采用砂纸打磨处理；试件和振捣器连接，灌注时进行振捣。养生固化时，首先升温至80℃的试件中，恒温2小时；然后升温至100℃，恒温2小时；然后升温至115℃，恒温2小时；断电后随炉降温至80℃，去除炉顶石棉布，1小时后出炉。

试件进行加载试验，φ5mm碳纤维复合材料筋加载至28.7kn时，碳纤维复合材料筋滑移，计算低温固化冷铸填料与碳纤维复合材料筋握裹力3.65n/mm²；φ7mm碳纤维复合材料筋加载至62.3kn时，碳纤维复合材料筋滑移，计算低温固化冷铸填料与碳纤维复合材料筋握裹力3.54n/mm²。

效果实验-静载试验：

使用本发明的低温固化冷铸填料制作的pesc7-127碳纤维试验索，依照《大跨度斜拉桥平行钢丝拉索》（jt/t775-2016）标准静载性能试验方法进行静载试验：试验索分级加载，每级0.1pb，持荷5min，加载速度不大于100mpa/min。加载至0.6pb，持荷10min，卸载至0.1pb后测量分丝板的回缩值；然后由0.1pb开始加载，每级0.1pb，持荷5min后测量每级索长变化；加载至0.8pb，持荷30min后继续加载，每级0.05pb，持荷5min后测量每级的索长变化，直到0.95pb。卸载后测量分丝板回缩值，并记录试验中的异常情况。

试验结果：

（1）碳纤维试验索效率系数≥95%，碳纤维复合材料筋无断丝；

（2）碳纤维试验索弹性模量1.61×10⁵mpa；

（2）碳纤维试验索极限延伸率1.28%。

（3）碳纤维试验索回缩值0.6pb时，固定端1.2mm、张拉端1.8mm；0.95pb时，固定端2.9mm、张拉端3.6mm。

（4）静载试验后，锚具无异常。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。