新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线及其生产装置

1.本实用新型属于土木工程技术领域，尤其涉及一种新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线及其生产装置。


背景技术：

2.目前，新材料的开发及应用是土木工程技术发展的一个主要驱动力。钢材和混凝土出现于第二次工业革命时期，是目前应用最为广泛的土木工程结构材料。近年来土木工程材料面临的一个主要挑战就是结构耐久性问题，特别是钢材锈蚀从而导致的结构性能退化。
3.近年来土木工程材料朝着轻质、高强、高耐久性和可回收使用的方向不断发展。特别是钢材和混凝土材料其性能得到很大的提升。就强度层面而已，屈服强度在1000mpa左右的超高强钢材和抗压强度超过200mpa的超高性能混凝土均已经在应用于实际工程。虽然科技的进步和建筑工业发展需求，一大批新型的土木工程材料应运而生，包括纤维增强复合材料(简称为frp)、超高韧性水泥基材料、纺织物增强混凝土、记忆合金等。纤维增强聚合物(frp)近年来已成为解决结构功能过早退化和结构功能不足的一种可行途径。根据采用的纤维不同分为玻璃纤维增强复合塑料(gfrp)、碳纤维增强复合塑料(cfrp) 和硼纤维增强复合塑料等。大量的工程实践证明frp复合材料能适应现代化工程结构向大跨、高耸、重载、高强和轻质化发展的需求并满足工业化生产的要求。但是frp材料弹性模量低、延性差、耐火性能差也在一定程度上也制约了其在土木工程中的应用。不锈钢通常是指至少含有10.5％铬的防腐蚀合金钢。目前在土木工程中应用的主要为奥氏体型、铁素体型和奥氏体
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铁素体型双相型不锈钢钢。不锈钢具有外表美观、耐腐蚀性好、延性好、耐火性能好以及维护费用低和回收率高等优点。但是不锈钢对合金资源特别是镍、铬、钼等贵重金属元素的依赖性高，特别是奥氏体型不锈钢，虽然其延性性能优异但是其易发生应力腐蚀问题，制约其在工程结构中广泛应用。
4.目前工程结构中使用的钢绞线主要以镀锌钢绞线为主，表面镀锌层可为钢绞线提供一定的耐腐蚀性，但随着服役时间的增加镀锌层的脱落易使钢绞线发生腐蚀从而引发工程安全问题，并且增加额外的维修成本。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：随着服役时间的增加，现有的钢绞线镀锌层的脱落易使钢绞线发生腐蚀从而引发工程安全问题，并且增加额外的维修成本。同时现有的frp弹性模量低、延性差、耐火性能差也在一定程度上也制约了其在土木工程中的应用。
6.解决以上问题及缺陷的难度为：为了充分发挥不锈钢材料延性好和纤维增强复合材料抗拉强度高的特点，选择合理的不锈钢材料与纤维增强复合材料进行组合并按照两类材料的抗拉强度计算合理的组合比例。并根据实际工况需求选择采用不锈钢包覆纤维增强复合材料或纤维增强复合材料包覆不锈钢。
7.解决以上问题及缺陷的意义为：充分利用纤维增强复合材料和不锈钢材料耐腐蚀
性能好的特点，并通过组合工作不仅可弥补纤维增强复合材料弹性模量低、延性差和耐火性能差的问题，还可解决奥氏体型不锈钢材料在高温高应力环境下易发生应力腐蚀的问题。通过让纤维增强复合材料与不锈钢材料组合工作优势互补，充分发挥各自的优点以优化其组合力学性能。


技术实现要素：

8.为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线及其生产装置。
9.本实用新型是这样实现的，一种新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线，所述新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线设置有：
10.纤维增强复合绞线和不锈钢绞线；
11.纤维增强复合绞线与不锈钢绞线组合拧成束状，形成复合束。
12.进一步，所述新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线截面形式为圆形或者蜂窝型。
13.进一步，所述不锈钢绞线为芯部，不锈钢绞线外侧包裹纤维增强复合绞线。
14.进一步，所述纤维增强复合绞线为芯部，纤维增强复合绞线外部包裹不锈钢绞线。
15.进一步，所述不锈钢绞线外伸，不锈钢绞线之间焊接，焊接位置缠绕纤维布。
16.本实用新型的另一目的在于提供一种生产所述新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线的新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线生产装置，所述新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线生产装置设置有纱架；
17.纱架右端设置有排纱器，排纱器右端设置有胶槽；
18.胶槽右端设置有拉挤型模，拉挤型模右端设置有恒温转化炉，恒温转化炉右端为牵引装置。
19.进一步，所述拉挤型模上放置有不锈钢绞线，纱架缠绕有纤维增强复合绞线，纤维增强复合绞线经过排纱器、胶槽、拉挤型模。
20.结合上述的所有技术方案，本实用新型所具备的优点及积极效果为：
21.本实用新型通过将纤维增强复合绞线(以下简称frp)与不锈钢组合拧成束状形成复合束，使其形成整体并协同工作。该组合束可充分利用frp和不锈钢材料耐腐蚀好的特点，并通过组合工作安全合理的解决frp材料本身弹性模量低、延性差和耐火性能差以及不锈钢特别是奥氏体型不锈钢材料易发生应力腐蚀的问题。通过让frp与不锈钢材料组合工作优势互补，充分发挥各自的优点以优化其结构使用性能。
22.本实用新型截面形式的灵活、多样性，具体表现为有圆形截面、蜂窝截面。圆形截面分为：frp包裹不锈钢的圆形截面和不锈钢包裹着frp的圆形截面；蜂窝型截面则为一个大的六边形截面中分布着一定数量的不锈钢，frp填充其中。
23.当用于极端恶劣腐蚀环境时，可采用芯部为奥氏体型不锈钢并在外部包裹纤维增强聚合物(frp)的组合方式，以充分保护内部的奥氏体不锈钢，避免其过早发生应力腐蚀的问题，同时在满足结构的耐久性设计的要求下提高组合束的延性性能。
24.frp材料因剪切强度、层间拉伸强度、层间剪切强度低，造成其连接成突出问题。故为保证其连接的可靠性，将frp与不锈钢组成的复合材料的两端的不锈钢丝裸露并伸出一
段距离，以便于焊接，焊接工作完成后，用同类型的纤维布包裹连接，避免发生腐蚀。
25.本实用新型通过设置有胶槽，保证最终的拉挤制品达到产品的设计机械强度；通过拉挤型模挤去增强材料中多余的树脂，以获得高体积含量的拉挤复合材料制品，并排除带入材料中的气泡。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本实用新型实施例提供的新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线结构示意图。
28.图2是本实用新型实施例提供的圆形截面结构示意图。
29.图3是本实用新型实施例提供的蜂窝型截面结构示意图。
30.图4是本实用新型实施例提供的圆形截面腐蚀环境下组合形式结构示意图。
31.图5是本实用新型实施例提供的蜂窝型截面腐蚀环境下组合形式结构示意图。
32.图6是本实用新型实施例提供的圆形截面较高防火要求下组合形式结构示意图。
33.图7是本实用新型实施例提供的蜂窝型截面较高防火要求下组合形式结构示意图。
34.图8是本实用新型实施例提供的腐蚀环境下12的圆形截面焊接连接结构示意图。
35.其中，圆形截面焊接用不锈钢焊接，焊接后，用frp缠绕、包裹。
36.图9是本实用新型实施例提供的较高防火要求下的圆形截面焊接连接结构示意图。其中圆形截面用不锈钢焊接。
37.图10是本实用新型实施例提供的新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线生产装置结构示意图。
38.图中：1、不锈钢绞线；2、纤维增强复合绞线；3、纱架；4、排纱器；5、胶槽；6、拉挤型模；7、恒温转化炉；8、牵引装置。
具体实施方式
39.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
40.针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线及其生产装置，下面结合附图对本实用新型作详细的描述。
41.如图1所示，本发明实施例提供的新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线包括：纤维增强复合绞线与不锈钢绞线组合拧成束状，形成复合束。
42.其中，不锈钢绞线为奥氏体型；本实用新型可以面对不同的工作环境时，可以灵活组合，安全合理地解决frp材料本身弹性模量低、延性差和耐火性能差，以及奥氏体型不锈钢材料易发生应力腐蚀的问题。
43.本实用新型轻质高强：纤维增强聚合物(简称frp)的密度仅为钢材的25％左右，且其抗拉强度明显超过了钢筋，与高强钢丝差不多。故frp和不锈钢复合组成的钢束，具有较小的自重和较大的抗拉强度。耐腐蚀性好。frp有良好耐腐蚀性，可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用,这是传统结构材料难以比拟的。所以，frp不锈钢复合钢丝束，有着较好的耐腐性，可以适用于一些对耐久性有着很高要求的建筑结构中。有较好的耐火性。frp材料的耐火性能较差，70℃左右就会出现力学性能的大大降低。而不锈钢本身具有较好的耐火性，可以外包裹保护frp材料，以免其性能降低。较好的安全性。frp的弹性模量约为普通钢筋的25％～70％，破坏时呈现脆性破坏。当frp不锈钢复合钢束受拉时的应变超过纤维增强材料的极限应变时，纤维开始断裂且退出工作，应力重新分布到不锈钢丝上，最终以不锈钢钢丝被拉断结束。因不锈钢具有较好的延性，故构件破坏时会出现较大的变形，具有较好的安全性。
44.如图2
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图3所示，本实用新型实施例提供的新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线截面形式为圆形截面或者蜂窝型截面；其截面形式的灵活、多样性，具体表现为有圆形截面、蜂窝截面。圆形截面分为：frp包裹不锈钢的圆形截面和不锈钢包裹着frp的圆形截面；蜂窝型截面则为一个大的六边形截面中分布着一定数量的不锈钢，frp填充其中。
45.如图4
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图5所示，当用于极端恶劣腐蚀环境时，可采用芯部为奥氏体型不锈钢并在外部包裹纤维增强聚合物(frp)的组合方式，以充分保护内部的奥氏体不锈钢，避免其过早发生应力腐蚀的问题，同时在满足结构的耐久性设计的要求下提高组合束的延性性能。
46.如图6
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图7所示，当用于有较高抗火要求的工作环境时，可采用芯部为frp 材料并在外部包裹奥氏体不锈钢的组合形式。由于温度大于70℃时frp材料其力学性能会大幅下降，利用奥氏体不锈钢的包裹可以增强组合束的耐火性能。
47.如图8
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图9所示，纤维增强聚合物(简称frp)因剪切强度、层间拉伸强度、层间剪切强度低，造成其连接成突出问题。本发明采用焊接的连接方式，考虑到frp的耐火性差的问题，将frp与不锈钢组成的复合材料的两端的不锈钢丝裸露并伸出一段距离，以避免焊接时温度过高影frp的力学性能。
48.具体焊接连接方式：将外伸的奥氏体不锈钢进行焊接，待焊接节点冷却后，用同类型的frp纤维布与胶进行包裹缠绕加强。一方面保证两者的可靠粘结，共同工作，另一方面保证纤维布焊接处缠绕、包裹的密实，避免焊接处成为整体结构的薄弱点而发生腐蚀。
49.如图10所示，本实用新型实施例提供的新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线生产装置中纱架3右端设置有排纱器4，排纱器4右端设置有胶槽5，胶槽5右端设置有拉挤型模6，拉挤型模6右端设置有恒温转化炉7，恒温转化炉7右端为牵引装置8。拉挤型模6上放置有不锈钢绞线1，纱架3缠绕有纤维增强复合绞线2，纤维增强复合绞线2经过排纱器4、胶槽5、拉挤型模6。
50.备料：现将纤维增强聚合物丝和不锈钢丝准备好；排纱：将纤维增强聚合物材料放置在纱架上并将这些材料按设计要求引出；浸渍：将纤维增强聚合物材料在树脂中充分浸渍，保证最终的拉挤制品达到产品的设计机械强度；拉挤预成型：诱导浸胶后的扁平带状纤维增强聚合物材料逐渐演变成拉挤最终产品的形状，同时挤去增强材料中多余的树脂，以获得高体积含量的拉挤复合材料制品，并排除带入材料中的气泡；固化成型：从预成型模具出来之后，进入固化模具，在固化模具中固化成型后从模具中拉出；在很多情况下，根据树
脂固化反应特性和相关物理特性，一般将固化模具设计成三个不同的加热区，分别为预热区、凝胶区及固化区，三个区的温度应保证与其功能相协调。另外，为避免在固化过程中出现凝胶现象，在进入固化炉前还有一道刮胶工序，以刮去表面多余的树脂。牵引及裁切成材：当制品在模具中固化后，就需要一个牵引力将制品从模具中拉出，这种牵引力来自牵引装置。为了满足工艺需求，对牵引装置有如下几个基本要求：在拉挤过程中，牵引装置必须保证连续牵引；另一方面，要保证牵引力、牵引速度可调，因为不同截面不同尺寸及不同材料的制品所需的牵引力大小也各不相同；在模具中固化后从牵引机出来，便可根据需要裁切成材。切割后还需将复合筋材在室温中放置一段时间，经过一定龄期才能达到其使用强度。
51.本实用新型的工作原理为：将纤维增强聚合物(frp)与奥氏体型不锈钢组合拧成束状形成复合束，使其形成整体并协同工作。该组合束可充分利用frp 和不锈钢材料耐腐蚀好的特点，并且通过组合工作安全合理地解决frp材料本身弹性模量低、延性差和耐火性能差以及奥氏体型不锈钢材料易发生应力腐蚀的问题。通过frp与不锈钢材料组合实现优势互补，充分发挥各自的优点以优化其结构使用性能。这种新新型纤维增强聚合物复合不锈钢复合钢绞线，具有较好的延性、耐腐蚀和耐火性能，能够适用于极端恶劣工况下的钢结构和钢混凝土组合结构中，满足耐久性设计的要求。
52.在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
53.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。