一种内嵌钢芯的FRP复合衬砌结构的制作方法

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一种内嵌钢芯的frp复合衬砌结构。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：

复合衬砌是隧洞工程中最常用的衬砌形式，钢材作为复合衬砌的重要材料具有弹性模量高、延性好等优点。复合衬砌作为隧洞工程的永久性结构，需有良好的耐久性。因隧洞工程中地下水富集、环境恶劣，钢材存在易锈蚀、耐久性差的问题。

纤维增强塑料(frp)由具有抗拉作用的连续纤维束和具有粘结作用的聚合物基体两部分组成。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内嵌入钢材，组合后用于复合衬砌中，可综合利用frp和钢材各自的优点，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、高性价比和耐腐蚀等优点的内嵌钢芯的frp复合衬砌结构。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种耐腐蚀性能好、延性高、性价比高、弹性模量和强度高的内嵌钢芯的frp复合衬砌结构。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种内嵌钢芯的frp复合衬砌结构，该复合衬砌结构由喷锚初期支护和二次衬砌组成；喷锚初期支护由内嵌钢绞线的frp空心锚杆和纤维混凝土层组成；二次衬砌由内嵌钢筋的frp筋网和现浇混凝土层组成，frp筋网设置在现浇混凝土层内部；所述的frp筋网是将内嵌钢筋的frp直型筋、弧形筋和frp箍筋绑扎而成。内嵌钢绞线的frp空心锚杆和内嵌钢筋的frp筋均利用拉挤热固化成型工艺将钢芯与frp层复合成型。

所述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材料与钢材的体积比。

所述的空心注浆锚杆包括内嵌钢绞线的空心螺纹杆体、frp螺母、frp垫板、frp止浆塞、frp连接套和frp锚头；锚头设置在螺纹杆体的头部，通过连接套将两根螺纹杆体连接，止浆塞与垫板通过螺母固定在螺纹杆体的尾部。纤维混凝土中的短纤维为玄武岩纤维、玻璃纤维或钢纤维。

所述的空心螺纹杆体的制备工艺为：送纱和细钢绞线→纤维浸胶→纤维集束→通过模具拉挤成型→表面经纤维丝缠绕呈螺纹状→热固化成型。

内嵌钢芯的frp直型筋的制备工艺为：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→表面经纤维丝缠绕呈螺纹状→热固化成型→表面粘砂。

所述的内嵌钢筋的frp弧形筋制备工艺为：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→表面经纤维丝缠绕呈螺纹状→弯曲成型→固化成型→表面粘砂。

所述的内嵌钢芯的frp复合衬砌结构的制备工艺包括：围岩钻孔→内嵌钢绞线的frp空心锚杆置入并注浆→喷射纤维混凝土→养护→内嵌钢筋的frp直型纵筋、弧形受力筋和frp箍筋绑扎成frp筋网→筋网就位→支模→浇筑混凝土→养护成型。

本结构适用于对耐腐蚀性和力学性能要求高的盾构隧洞工程中。

附图说明

图1是一种内嵌钢芯的frp复合衬砌结构的结构示意图；

图2是图1中内嵌钢绞线的frp空心锚杆的结构示意图；

图3是图1中内嵌钢筋的frp直型筋的结构示意图。

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所示，本实例提供一种内嵌钢芯的frp复合衬砌结构，该结构由喷锚初期支护和二次衬砌组成。喷锚初期支护由内嵌钢绞线的frp空心锚杆1和纤维混凝土层2组成。二次衬砌由内嵌钢筋的frp筋网18和现浇混凝土层6组成，frp筋网设置在现浇混凝土层内部。内嵌钢筋的frp筋网由弧形筋3、直型筋4和frp箍筋5组成，构件3、4、5通过绑扎连接。

锚头12设置在螺纹杆体11的头部，通过连接套10将两根螺纹杆体11连接，止浆塞9与垫板8通过螺母7固定在螺纹杆体11的尾部。纤维混凝土中的短纤维为玄武岩纤维。

内嵌钢绞线的frp空心锚杆体11由钢绞线和frp层通过拉挤热固化成型。内嵌钢筋frp直型筋4由光面钢筋13和frp层17通过拉挤热固化成型。

纤维束与加热固化后的环氧树脂基体的体积比为2～3；所述的frp层的截面积占内嵌钢芯的frp的总截面积的35～40％。

内嵌钢绞线的frp锚杆体11的制备工艺为：送纱和钢绞线→纤维浸胶→纤维集束→通过模具拉挤成型→表面经纤维丝缠绕呈螺纹状→热固化成型。

内嵌钢筋的frp直型筋4的制备工艺为：钢筋13表面去污→送纱→纤维浸胶→纤维集束→钢筋13置入→通过模具拉挤成型→表面经纤维丝14缠绕呈螺纹状15→热固化成型→表面粘砂16。

内嵌钢筋的frp弧形筋3主要制备成型工艺为：钢筋切割→钢筋表面去污→送纱→纤维浸胶→纤维集束→钢筋置入→模具拉挤成型→纤维丝缠绕表面呈螺纹状→弯曲成型→热固化成型→表面刷环氧树脂→表面粘矿物砂。

内嵌钢芯的frp复合衬砌结构的制备工艺包括：围岩钻孔→内嵌钢绞线的frp空心锚杆1置入钻孔中并注浆→喷射混凝土2→养护→将内嵌钢筋的frp直型纵筋4、弧形受力筋3和frp箍筋5绑扎组成筋网18→筋网18就位→支模→浇筑混凝土6→养护成型。

本发明采用传统拉挤热固化成型工艺和普通钢筋混凝土结构制备流程，设备改造要求不大，应用前景广泛。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种内嵌钢芯的FRP复合衬砌结构，该复合衬砌结构由喷锚初期支护和二次衬砌组成；喷锚初期支护由内嵌钢绞线的FRP空心锚杆、纤维混凝土层组成；二次衬砌由内嵌钢筋的FRP筋网和混凝土浇筑而成，所述的FRP筋网由内嵌钢筋的FRP直型筋、弧形筋和FRP箍筋绑扎而成。内嵌钢绞线的FRP空心锚杆和内嵌钢筋的FRP筋的表面均经纤维丝缠绕成螺纹状，并在内嵌钢筋的FRP筋的表面粘砂。在FRP内嵌入钢材，组合后用于复合衬砌中，可综合利用FRP和钢材各自的优点，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、高性价比和耐腐蚀等优点的内嵌钢芯的FRP复合衬砌结构。

技术研发人员：李鹏飞;马国伟;李之建
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2017.01.22
技术公布日：2017.08.18