一种内嵌钢筋的FRP格栅拱‑纤维混凝土复合式支护结构的制作方法

本发明属土木、交通、水利等领域的复合材料、新结构研发，具体涉及到一种用于隧洞工程的内嵌钢筋的FRP格栅拱-纤维混凝土复合式支护结构，其特点在于高强度、高延性、高弹性模量、高性价比和优异的耐腐蚀性。

背景技术：

格栅拱架是隧洞工程中最常用的初期支护形式之一，钢筋作为格栅的组成单元具有弹性模量高、延性好等优点。在施做格栅拱架后喷入混凝土即可组成复合式支护结构，该复合式支护结构常被作为隧洞工程永久支护的一部分，这就要求格栅拱架具有良好的耐久性。因隧洞工程中地下水富集、环境恶劣，钢筋存在易锈蚀、耐久性差的问题。

纤维增强聚合物(FRP)作为一种新型的有发展潜力的建筑材料适于服役环境、耐久性等方面要求高的重要工程结构，如地下结构、海洋结构等。但FRP仍存在弹性模量低、变形大、价格高并呈脆性破坏的问题。

在FRP格栅内嵌入传统钢筋，可综合利用FRP和钢筋各自的优点，从根本上解决钢材锈蚀的问题，并改善FRP的力学性能。制备出兼顾轻质、高强度、高弹性模量、高延性、高性价比和优异的耐腐蚀性等优点的FRP格栅结构。采用喷射纤维混凝土无需设置金属网，对提高喷射混凝土支护的密实度大有益处。为此本发明提出一种内嵌钢筋的FRP格栅拱-纤维混凝土复合式支护结构。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种耐腐蚀性能好、延性高、性价比高、弹性模量和强度高的内嵌钢筋的FRP格栅拱-纤维混凝土复合式支护结构。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种内嵌钢筋的FRP格栅拱-纤维混凝土复合式支护结构，该复合式支护结构由内嵌钢筋的FRP格栅拱和喷射纤维混凝土支护组合而成；所述的FRP格栅拱由内嵌钢筋的FRP弧形筋、内嵌钢筋的FRP纵向直筋和FRP箍筋连接而成；所述的FRP弧形筋为该格栅拱的骨架筋，所述的FRP纵向直筋为该格栅拱的纵向筋，所述的FRP纵向直筋等间距设置在弧形筋内侧；因箍筋主要承受剪力且内嵌钢筋的FRP箍筋制备复杂，故箍筋选用FRP箍筋。

内嵌钢筋的FRP纵向直筋由内部钢筋和FRP层通过拉挤热固化成型工艺复合而成。

通过拉挤热固化成型工艺将内部钢筋和FRP层复合，然后将表面用纤维丝缠绕成螺纹状，并经弯曲成型工艺制备成弧形筋。

所述的FRP层由连续纤维和热固性树脂复合而成，连续纤维选用玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维。

根据所需力学性能指标，按照复合材料理论计算FRP材料与钢筋的体积比。

内嵌钢筋的FRP弧形筋、内嵌钢筋的FRP纵向直筋和FRP箍筋的表面均粘砂，以增加其与纤维混凝土的粘结力。

所述的弯曲成型工艺采用弧形状的成型模具。

一种内嵌钢筋的FRP的弧形筋的制备工序为：钢筋切割→钢筋表面去污→送纱→纤维浸胶→纤维集束→钢筋置入→通过模具拉挤成型→纤维丝缠绕成型→弯曲成型→热固化成型→表面粘砂。

利用钢丝将内嵌钢筋的FRP弧形筋、纵向直筋和FRP箍筋绑扎成格栅拱，并喷入纤维混凝土，其中纤维为玄武岩纤维、玻璃纤维或钢纤维。最终制备出内嵌钢筋的FRP格栅拱-纤维混凝土复合式支护结构。

本发明通过拉挤热固化成型工艺将钢筋和FRP层固化在一起，使钢筋与FRP能够共同受力，可保证该支护结构具有良好的延性。FRP层保护内部钢筋免受环境腐蚀。该FRP格栅拱表面粘有砂，可保证其与混凝土的有效粘结。所述复合式支护结构更适用于对力学性能和耐腐蚀性能要求高的隧洞工程中。

附图说明

图1是本发明一种内嵌钢筋的FRP格栅拱-纤维混凝土复合式支护结构的示意图；

图2是图1中内嵌钢筋的FRP筋的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行详细的阐述。

如图1和图2所示，本发明提供一种内嵌钢筋的FRP格栅拱-纤维混凝土复合式支护结构，所述的复合式支护结构由内嵌钢筋的FRP格栅拱和喷射纤维混凝土支护1组合而成，其中内嵌钢筋的FRP格栅拱由内嵌钢筋的FRP弧形筋3、内嵌钢筋的FRP纵向直筋4和FRP箍筋2连接而成；喷射纤维混凝土支护1中纤维选用玄武岩纤维。

将浸润环氧树脂的钢筋5和浸润环氧树脂的纤维束按照一定比例一起送入圆形模具进行拉挤成型，纤维束与加热固化后的环氧树脂基体的体积比为2～3；然后采用热固化工艺进行固化成型，制备内嵌钢筋的FRP纵向直筋4。所述的FRP层9的截面积占内嵌钢筋的FRP筋的总截面积的35～40％。

所述的弧形筋3由内部钢筋5和FRP层9通过拉挤成型工艺复合，然后经纤维束6缠绕成螺纹状表面7，并经弯曲成型工艺制备成弧形筋。

在上述FRP筋的表面粘砂8，以增加其与混凝土的粘结力。

一种内嵌钢筋的FRP弧形筋的制备工序为：钢筋切割→钢筋表面去污→送纱→纤维浸胶→纤维集束→钢筋5置入→通过模具拉挤成型→纤维丝缠绕成型→弯曲成型→热固化成型→表面粘砂8。

利用钢丝将内嵌钢筋的FRP弧形筋、纵向直筋和FRP箍筋绑扎成格栅拱，并喷入玄武岩纤维混凝土层1，最终制备成内嵌钢筋的FRP格栅拱-纤维混凝土复合式支护结构。

本发明一种内嵌钢筋的FRP格栅拱-纤维混凝土复合式支护结构中的内嵌钢筋的FRP筋采用传统拉挤热固化成型工艺，设备改造要求不大，可在现行的拉挤设备上进行生产，应用前景广泛。