无钢波纹组合筋及其制备方法和应用

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1.本技术属于土木工程技术领域，尤其涉及一种无钢波纹组合筋及其制备方法和应用。

背景技术：

2.近年来，因加速推进海洋资源的开发，急需在沿海及海上建造大量基础设施。然而，传统钢筋混凝土中由于钢筋的腐蚀导致的结构劣化已成为沿海及海洋基础设施面临的一个主要挑战。纤维增强复合材料(简称“复材”，英文fiber reinforced polymer，英文简称“frp”)具有轻质、高强、耐腐蚀等优越性能，已在结构加固及新建结构中得到越来越广泛的应用。frp筋主体通常由连续单向长纤维浸渍树脂后通过拉挤工艺制造而成。其作为一种增强材料，可替代钢筋应用于混凝土结构中，解决钢筋的腐蚀问题。由于优越的耐腐蚀性能，frp筋尤其适合于在腐蚀环境中的应用，例如：海洋环境、海水海砂混凝土。同时，frp拥有透电磁波、绝缘等特性，特别适合于雷达设施、地磁观测站、放置医疗核磁共振设备的建筑等基础设施或结构中的应用。
3.目前，frp筋主要用于受弯构件，例如混凝土梁或板中，作为抗拉或抗剪筋。由于frp筋的受压性能相对较弱，故在混凝土柱中使用frp筋比较少见。现有研究表明，frp筋在受压时，内部的纤维会发生微屈曲，frp筋也较易发生整体屈曲，导致frp筋过早受压破坏，受压时表现出延性明显不足的特征，其抗压强度远低于抗拉强度，这对于结构而言是很不利的。现有设计一般不考虑frp筋的抗压贡献，然而其受压引起的损伤也会降低frp筋的受拉性能，影响frp筋在结构中发挥功能，尤其会影响结构的抗震性能。

技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种无钢波纹组合筋及其制备方法和应用，旨在一定程度上解决现有frp筋抗压性能差的问题。
5.为实现上述申请目的，本技术采用的技术方案如下：
6.第一方面，本技术提供一种无钢波纹组合筋，包括：芯部frp筋、外围frp波纹管和填充于所述frp筋和所述frp波纹管之间间隙的水泥基中间层，所述水泥基中间层的抗压强度不低于100mpa。
7.第二方面，本技术提供一种无钢波纹组合筋的制备方法，包括以下步骤：
8.分别制备frp筋和frp波纹管；
9.将所述frp筋固定在芯部位置，将所述frp波纹管固定在外围位置，在所述frp筋和所述frp波纹管之间间隙填充水泥基材，固化所述水泥基材形成水泥基中间层，得到无钢波纹组合筋；所述水泥基中间层的抗压强度不低于100mpa；
10.或者，
11.制备frp筋，在所述frp筋的外表面制备波纹形的水泥基中间层；所述水泥基中间层的抗压强度不低于100mpa；在波纹形的所述水泥基中间层的外表面制备frp波纹管，得到
无钢波纹组合筋。
12.第三方面，本技术提供一种上述的无钢波纹组合筋或者上述方法制备的无钢波纹组合筋至少在沿海基础设施、海洋基础设施、雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构中应用。
13.本技术第一方面提供的无钢波纹组合筋，包括：芯部frp筋、外围frp波纹管和填充于所述frp筋和所述frp波纹管之间间隙的水泥基中间层。一方面，该无钢波纹组合筋中水泥基中间层的抗压强度不低于100mpa，通过该水泥基中间层及外围frp波纹管的约束效果显著提高了组合筋整体的抗压性能，在抗压时表现出屈服后强化的特点以及良好的延性，使得frp筋的抗压强度可以被充分发挥。因而，无钢波纹组合筋同时具有优异的抗压、抗拉、抗剪、抗震等性能，提高其应用范围。另一方面，该无钢波纹组合筋在纵向具有波纹形的外表面，大幅度提升组合筋与混凝土的粘结性能，从而使得无钢波纹组合筋在基础设施中有更好的应用稳定性。
14.本技术第二方面提供的无钢波纹组合筋的制备方法，即可以分别制备frp筋和frp波纹管后，将所述frp筋固定在芯部位置，将所述frp波纹管固定在外围位置，在所述frp筋和所述frp波纹管之间间隙填充水泥基材，固化所述水泥基材形成水泥基中间层后，便得到无钢波纹组合筋。又可以在所述frp筋的外表面先制备波纹形的水泥基中间层，然后再在波纹形的所述水泥基中间层的外表面制备frp波纹管，得到无钢波纹组合筋。制备方法灵活，且工艺简单，适用于工业化大规模生产和应用。制备的无钢波纹组合筋同时具有优异的抗压、抗拉、抗剪、抗震等性能，而且与混凝土的粘结性能好，可代替钢筋作为增强材料应用于混凝土结构中，尤其适合在海水、海砂混凝土等腐蚀环境中使用，解决传统钢筋混凝土结构的钢材锈蚀问题。同时，该无钢组合筋还具有透电磁波、绝缘、隔热、热膨胀系数小等特性，也适合于雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构等特殊场合的应用。
15.本技术第三方面提供的无钢波纹组合筋至少在沿海基础设施、海洋基础设施、雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构中应用，由于无钢波纹组合筋具有优异的抗压性能、抗拉性能、抗剪性能、抗震性能等特性，而且与混凝土的粘结性能好，可代替钢筋作为增强材料应用于混凝土结构中，尤其适合在海水、海砂混凝土等腐蚀环境中使用，解决传统钢筋混凝土结构的钢材锈蚀问题。同时，该无钢组合筋还具有透电磁波、绝缘、隔热、热膨胀系数小等特性，也适合于雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构等特殊场合的应用。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，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。
17.图1是本技术实施例提供的无钢波纹组合筋的结构示意图；
18.图2是本技术实施例提供的无钢波纹组合筋一种制备方法的流程示意图；
19.图3是本技术实施例提供的无钢波纹组合筋另一种制备方法的流程示意图；
20.图4是本技术实施例1提供的无钢波纹组合筋的制备方法示意图；
21.图5是本技术实施例1提供的波纹形芯轴模具的结构示意图；
22.图6是本技术实施例1提供的长纤维束缠绕过程示意图；
23.图7是本技术实施例2提供的无钢波纹组合筋的制备方法示意图；
24.图8是本技术实施例2～4无钢波纹组合筋、对比例1中纯frp筋和对比例2无钢圆柱形组合筋的载荷-轴向应变曲线测试图；
25.图9是本技术实施例2无钢波纹组合筋和对比例2无钢圆柱形组合筋的拉拔力与滑移量的曲线测试图；
26.其中，图中各附图标记：
27.1-frp波纹管2-水泥基中间层3-frp筋4-芯轴模具条形分块一5-芯轴模具条形分块二6-用于固定条形分块的固定条7-纤维缠绕机缠绕头8-波纹形芯轴模具9-纤维束10-底座11-定位装置12-波纹形外管模具。
具体实施方式
28.为了使本技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本技术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技术，并不用于限定本技术。
29.本技术中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况。其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
30.本技术中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a，b或c中的至少一项(个)”，或，“a，b和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a，b，c，a-b(即a和b)，a-c，b-c，或a-b-c，其中a，b，c分别可以是单个，也可以是多个。
31.应理解，在本技术的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
32.在本技术实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
33.本技术说明书实施例中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本技术说明书实施例相关组分的含量按比例放大或缩小均在本技术说明书实施例公开的范围之内。具体地，本技术说明书实施例中的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
34.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本技术实施例范围的情况下，第一xx也可以被称为第二xx，类似地，第二xx也可以被称为第一xx。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
35.术语“frp”为“fiber reinforced polymer”的缩写，表示纤维增强复合材料。
36.本技术实施例第一方面提供一种无钢波纹组合筋，其结构如附图1所示，包括：芯
部frp筋3、外围frp波纹管1和填充于frp筋3和frp波纹管1之间间隙的水泥基中间层2，水泥基中间层2的抗压强度不低于100mpa。
37.本技术实施例第一方面提供的无钢波纹组合筋，包括：芯部frp筋3、外围frp波纹管1和填充于frp筋3和frp波纹管1之间间隙的水泥基中间层2。一方面，该无钢波纹组合筋中水泥基中间层2的抗压强度不低于100mpa，通过该水泥基中间层2及外围frp波纹管1的约束效果显著提高了组合筋整体的抗压性能，在抗压时表现出屈服后强化的特点以及良好的延性，使得frp筋3的抗压强度可以被充分发挥。因而，无钢波纹组合筋同时具有优异的抗压、抗拉、抗剪、抗震等性能，具有广阔的应用范围。另一方面，该无钢波纹组合筋在纵向具有波纹形的外表面，大幅度提升组合筋与混凝土的粘结性能，从而使得无钢波纹组合筋在基础设施中有更好的应用稳定性。本技术实施例提供的无钢波纹组合筋可代替钢筋作为增强材料应用于混凝土结构中，与混凝土粘结性能好，尤其适合在海水、海砂混凝土等腐蚀环境中使用，解决传统钢筋混凝土结构的钢材锈蚀问题。同时，该无钢组合筋还具有透电磁波、绝缘、隔热、热膨胀系数小等特性，也适合于雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构等特殊场合的应用。
38.本技术实施例无钢波纹组合筋中frp筋3、外围frp波纹管1和水泥基中间层2的尺寸可选常见规格，具体可以根据所需的力学性能进行调整。在一些具体实施例中，无钢波纹组合筋中frp筋3的直径范围为6mm到36mm。在一些具体实施例中，水泥基中间层2的平均厚度大于最小灌浆要求。在一些具体实施例中，外围frp波纹管3的缠绕层数大于等于一层。
39.在一些实施例中，frp筋3的外表面具有喷砂、纤维束缠绕肋、深螺纹肋中的至少一种形貌；通过在frp筋3的外表面设置这些形貌结构，形成与混凝土的机械咬合，有助于提高frp筋3外表面与水泥基中间层的粘结性能，从而提高无钢波纹组合筋的构件性能。
40.在一些实施例中，frp波纹管1的波纹形状包括弧形、梯形、锯齿形中的至少一种。本技术实施例这些波纹形状不但形成了frp波纹管1与外部混凝土的机械咬合，而且形成了frp波纹管1与水泥基中间层2的机械咬合，提高frp波纹管1与混凝土的粘结性能，从而使得无钢波纹组合筋在基础设施中有更好的应用稳定性。
41.在一些实施例中，frp波纹管1中波峰与波谷的高度差大于0mm且小于无钢波纹组合筋平均直径的十分之一。随着无钢波纹组合筋的波峰和波谷的高度差的增大，在平均直径保持不变的情况下，组合筋的最小截面及其轴向受压承载力会降低；而随着高度差的减小，组合筋的粘结性能会减弱。所以应在确保组合筋截面大小适宜的基础上，提高组合筋的粘结性能。在具体应用过程中，frp波纹管1的尺寸可以根据具体情况进行适应性调整。
42.在一些具体实施例中，frp波纹管1中波峰与波谷的高度差为1～5mm，一个波形周期沿管轴向的长度为管直径的1～2倍。本技术实施例frp波纹管1中波峰与波谷的高度差优选为1～5mm，一个波形周期沿管轴向的长度为管直径的1～2倍，既确保了无钢波纹组合筋的轴向受压承载力，又确保了无钢波纹组合筋与混凝土的粘结性能。
43.在一些实施例中，frp筋3中包括沿frp筋3轴向的连续单向长纤维和第一树脂；通过连续单向长纤维和树脂的协同作用，使得frp筋3同时具有轻质、高强、耐腐蚀等优越性能，同时frp筋3还拥有透电磁波、绝缘等电化学特性。
44.在一些实施例中，连续单向长纤维包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶中的至少一种；
45.在一些实施例中，第一树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、聚酯树脂中的一种；采用这些合成树脂作为frp筋3的基体材料，起到粘结连续单向长纤维的作用。
46.在一些实施例中，frp筋3中，连续单向长纤维的体积分数大于50％，该质量分数确保了frp筋3的综合机械力学性能。
47.在一些实施例中，外围frp波纹管1由纤维束9缠绕工艺制作而成。进一步地，在一些实施例中，纤维束9缠绕工艺包括步骤：将浸渍第二树脂后的连续单向长纤维束9紧密缠绕于波纹形芯轴模具8表面后，固化形成外围frp波纹管1。浸渍树脂后的连续单向长纤维束9缠绕在波纹形芯轴模具8表面后，通过固化树脂便可形成缠绕致密、结构稳定的frp波纹管1，该frp波纹管1具有轻质、高强、耐腐蚀等优越性能，同时还拥有透电磁波、绝缘等电化学特性。在一些实施例中，连续单向长纤维束与波纹形芯轴模具8的轴线成大于0且小于90度的方向缠绕在波纹形芯轴的外表面。
48.在一些实施例中，第二树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、聚酯树脂中的一种；采用这些树脂作为frp波纹管1的基体材料，起到粘结连续单向长纤维束的作用。在一些实施例中，连续单向长纤维束9中包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶中的至少一种纤维；
49.在一些实施例中，frp波纹管1中，连续单向长纤维束的质量分数大于40％。连续单向长纤维束的质量分数确保了frp波纹管1的力学性能。
50.在一些实施例中，水泥基中间层2中包括超高性能混凝土、超高性能水泥砂浆、树脂改性水泥砂浆中的一种水泥基材料，且不含粗骨料。本技术实施例水泥基中间层2采用的超高性能混凝土、超高性能水泥砂浆、树脂改性水泥砂浆等具有超高的强度，使得水泥基中间层2具有抗压强度不低于100mpa，从而在确保无钢波纹组合筋抗拉强度的基础上，提高无钢波纹组合筋的抗压和抗剪切强度。且不含粗骨料，有利于灌浆。
51.在一些实施例中，水泥基中间层2还包括体积百分含量为0～2％的增强纤维，即还包括体积百分含量为2％或以下的增强纤维。本技术实施例通过在超高性能混凝土、超高性能水泥砂浆、树脂改性水泥砂浆等砂浆中掺杂增强纤维，进一步提高水泥基中间层2的强度，韧性等力学性能。
52.在一些实施例中，增强纤维包括：钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维中的至少一种，这些纤维均能够进一步提高水泥基中间层2的抗压强度，并有利于提高水泥基中间层2的韧性等力学性能。
53.本技术实施例无钢波纹组合筋可通过以下实施例方法制得。
54.本技术实施例第二方面提供一种无钢波纹组合筋的制备方法，包括以下步骤：
55.s10.分别制备frp筋3和frp波纹管1；
56.s20.将frp筋3固定在芯部位置，将frp波纹管1固定在外围位置，在frp筋3和frp波纹管1之间间隙填充水泥基材，固化水泥基材形成水泥基中间层2，得到无钢波纹组合筋；水泥基中间层2的抗压强度不低于100mpa。其制备流程示意图如附图2所示。
57.或者，无钢波纹组合筋的制备方法，包括以下步骤：
58.s11.制备frp筋3，在frp筋3的外表面制备波纹形的水泥基中间层2；水泥基中间层2的抗压强度不低于100mpa；
59.s21.在波纹形的水泥基中间层2的外表面制备frp波纹管1，得到无钢波纹组合筋。其制备流程示意图如附图3所示。
60.本技术实施例第二方面提供的无钢波纹组合筋的制备方法，即可以分别制备frp筋3和frp波纹管1后，将frp筋3固定在芯部位置，将frp波纹管1固定在外围位置，在frp筋3和frp波纹管1之间间隙填充水泥基材，固化水泥基材形成水泥基中间层2后，便得到无钢波纹组合筋。又可以在frp筋3的外表面先制备波纹形的水泥基中间层2，然后再在波纹形的水泥基中间层2的外表面制备frp波纹管1，得到无钢波纹组合筋。制备方法灵活，且工艺简单，适用于工业化大规模生产和应用。制备的无钢波纹组合筋同时具有优异的抗压、抗拉、抗剪、抗震等性能，而且与混凝土的粘结性能好，可代替钢筋作为增强材料应用于混凝土结构中，尤其适合在海水、海砂混凝土等腐蚀环境中使用，解决传统钢筋混凝土结构的钢材锈蚀问题。同时，该无钢组合筋还具有透电磁波、绝缘、隔热、热膨胀系数小等特性，也适合于雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构等特殊场合的应用。
61.在一些实施例中，上述步骤s10中，制备frp筋3的步骤包括：将沿frp筋3轴向的连续单向长纤维与第一树脂浸渍后，通过拉挤工艺固化成型，便可得到柱状frp筋3。在一些实施例中，frp筋3也可以直接商业采购。
62.在一些实施例中，制备frp波纹管1的步骤包括：将浸渍第二树脂后的连续单向长纤维束9紧密缠绕于波纹形芯轴模具8表面，固化成型后脱除波纹形芯轴模具8，便可得到frp波纹管1。在一些具体实施例中，首先采用脱模剂擦拭波纹形芯轴模具8的外表面，波纹形芯轴模具8的结构示意图如附图5所示，包括多个芯轴模具条形分块(在一些具体实施例中包括芯轴模具条形分块一4和芯轴模具条形分块二5)和用于固定条形分块的固定条6，通过固定条在内部将多个芯轴模具条形分块固定可组装成波纹形芯轴模具8。然后，如附图6所示，将连续单向玻璃纤维的复合长纤维束9浸渍环氧树脂后，以与波纹形模具轴线成大于0度到90度方向环向缠绕在波纹形芯轴模具8外表面，纤维束9在波纹形芯轴模具8的波峰区的缠绕移动速度小于波谷区的缠绕移动速度，确保纤维束9在波纹形芯轴模具8表面缠绕致密且厚度均匀，待树脂固化后先取出模具中用于固定条形分块芯轴的固定条，再向内分别取出芯轴条形分块，即完成脱模，得到frp波纹管1。缠绕角度及缠绕层数可依据实际轴向及环向刚度和强度的需要进行调整。在一些具体实施例中，长纤维束9与波纹形芯轴模具8轴线成30～90度的方向(进一步地为60～90度)缠绕在波纹形芯轴模具8外表面。
63.在一些实施例中，上述步骤s20中，将frp筋3固定在芯部位置，将frp波纹管1固定在外围位置，在frp筋3和frp波纹管1之间的间隙填充水泥基材，固化水泥基材形成水泥基中间层2，得到无钢波纹组合筋；水泥基中间层2的抗压强度不低于100mpa。在一些具体实施例中，可通过定位装置11和底座10固定frp筋3和frp波纹管1，如附图4中所示。
64.在另一些实施例中，无钢波纹组合筋的制备方法步骤s11中，制备frp筋3的步骤包括：将沿frp筋3轴向的连续单向长纤维与第一树脂浸渍后，通过拉挤工艺固化成型，得到柱状frp筋3。
65.在一些实施例中，上述步骤s11中，在frp筋3的轴向外表面制备波纹形的水泥基中间层2的步骤包括：将frp筋3固定在芯部位置，将波纹形外管模具12固定在外围位置，在frp筋3和波纹形外管模具12之间的间隙填充水泥基材，固化成型后脱除波纹形外管模具12，在frp筋3外表面形成水泥基中间层2。在一些具体实施例中，可通过定位装置11和底座10固定frp筋3和波纹形外管模具12，如附图7中所示。
66.在一些实施例中，上述步骤s21中，在波纹形的水泥基中间层2的外表面制备frp波
纹管1的步骤包括：将浸渍第二树脂后的连续单向长纤维束9紧密缠绕于波纹形的水泥基中间层2的外表面，固化成型，在水泥基中间层2外表面形成frp波纹管1。在一些具体实施例中，将连续单向玻璃纤维的复合长纤维束9浸渍环氧树脂后，以与波纹形水泥基中间层2轴线成大于0度到90度方向环向缠绕在波纹形水泥基中间层2外表面，纤维束9在波纹形水泥基中间层2的波峰区的缠绕移动速度小于波谷区的缠绕移动速度，确保纤维束9在波纹形水泥基中间层2表面缠绕致密且厚度均匀，待树脂固化后在水泥基中间层2表形成frp波纹管1，便得到无钢波纹组合筋。
67.在一些实施例中，波纹形外管模具12和波纹形的水泥基中间层2分别独立地包括波峰区和波谷区；连续单向长纤维束9在波峰区的缠绕移动速度小于波谷区的缠绕移动速度，确保纤维束9在波纹形水泥基中间层2表面缠绕致密且厚度均匀。
68.在一些实施例中，在一些具体实施例中，无钢波纹组合筋中frp筋3的直径范围为6mm到36mm。在一些具体实施例中，水泥基中间层2的平均厚度大于最小灌浆要求。在一些具体实施例中，frp波纹管1的缠绕层数大于等于一层。
69.在一些实施例中，frp筋3的外表面具有喷砂、纤维束缠绕肋、深螺纹肋中的至少一种形貌。
70.在一些实施例中，frp波纹管1的波纹形状包括弧形、梯形、锯齿形中的至少一种。
71.在一些实施例中，frp波纹管1中波峰与波谷的高度差大于0mm且小于无钢波纹组合筋平均直径的十分之一。
72.在一些实施例中，frp波纹管1中波峰与波谷的高度差为1～5mm，一个波形周期沿管轴向的长度为管直径的1～2倍。
73.在一些实施例中，frp筋3中包括沿frp筋3轴向的连续单向长纤维和第一树脂。
74.在一些实施例中，连续单向长纤维包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶中的至少一种。
75.在一些实施例中，第一树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、聚酯树脂中的一种。
76.在一些实施例中，frp筋3中，连续单向长纤维的体积分数大于50％。
77.在一些实施例中，外围frp波纹管1由纤维束9缠绕工艺制作而成。
78.在一些实施例中，纤维束9缠绕工艺包括步骤：将浸渍第二树脂后的连续单向长纤维束9紧密缠绕于波纹形芯轴模具8表面后，固化形成外围frp波纹管1。在一些实施例中，连续单向长纤维束与波纹形芯轴的轴线成大于0且小于90度的方向缠绕在波纹形芯轴模具8的外表面。
79.在一些实施例中，第二树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、聚酯树脂中的一种。
80.在一些实施例中，连续单向长纤维束9中包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶中的至少一种纤维。
81.在一些实施例中，frp波纹管1中，连续单向长纤维束的质量分数大于40％。
82.在一些实施例中，水泥基中间层2中包括超高性能混凝土、超高性能水泥砂浆、树脂改性水泥砂浆中的一种水泥基材料，且不含粗骨料。
83.在一些实施例中，水泥基中间层2还包括体积百分含量为0～2％的增强纤维。
84.在一些实施例中，增强纤维包括：钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维中的至少一种。
85.本技术上述实施例的有益效果在前文均有详细论述，在此不再赘述。
86.本技术实施例第三方面提供一种上述的无钢波纹组合筋或者上述方法制备的无钢波纹组合筋至少在沿海基础设施、海洋基础设施、雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构中应用。
87.本技术实施例第三方面提供的无钢波纹组合筋在沿海基础设施、海洋基础设施、雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构中的至少一种应用，由于无钢波纹组合筋具有优异的抗压、抗拉、抗剪、抗震等性能，而且与混凝土的粘结性能好，可代替钢筋作为增强材料应用于混凝土结构中，尤其适合在海水、海砂混凝土等腐蚀环境中使用，解决传统钢筋混凝土结构的钢材锈蚀问题。同时，该无钢组合筋还具有透电磁波、绝缘、隔热、热膨胀系数小等特性，也适合于雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构等特殊场合的应用。
88.为使本技术上述实施细节和操作能清楚地被本领域技术人员理解，以及本技术实施例无钢波纹组合筋及其制备方法和应用的进步性能显著的体现，以下通过多个实施例来举例说明上述技术方案。
89.实施例1
90.一种无钢波纹组合筋，其结构如附图1所示，包括：芯部frp筋3、外围frp波纹管1和填充于frp筋3和frp波纹管1之间间隙的水泥基中间层2。
91.其制备的流程示意图如附图4所示，包括步骤：
92.1、将沿frp筋3轴向的连续单向玻璃纤维组成的复合长纤维与环氧树脂浸渍后，通过拉挤工艺固化成型，得到柱状frp筋3；直径为25mm。
93.2、首先采用脱模剂擦拭波纹形芯轴模具8的外表面，波纹形芯轴模具8的结构示意图如附图5所示，包括芯轴模具条形分块一4、芯轴模具条形分块二5和用于固定条形分块的固定条6，通过固定条在内部将多个芯轴模具条形分块固定可组装成波纹形芯轴模具8。然后，如附图6所示，将连续单向玻璃纤维的复合长纤维束9浸渍环氧树脂后，以与波纹形模具轴线成接近90度方向环向缠绕在波纹形芯轴模具8外表面，纤维束9通过纤维缠绕机缠绕头7在波纹形芯轴模具8的波峰区的缠绕移动速度小于波谷区的缠绕移动速度，确保纤维束9在波纹形芯轴模具8表面缠绕致密且厚度均匀，待树脂固化后先取出模具中用于固定条形分块芯轴的固定条，再向内分别取出芯轴模具条形分块，即完成脱模，得到frp波纹管1；厚度为2mm，波峰与波谷的高度差为5mm，平均内直径为50mm，一个波形周期沿轴向的长度为管直径的1.6倍。
94.3、将同心的外围frp波纹管1和内置frp筋3定位于底座10(底座10可为木板或钢板等，表面已预先挖出用于放置frp波纹管1和frp筋3的凹槽)，并在顶部或中部多个位置放置用于定位frp筋3的定位装置11。最后于frp波纹管1和frp筋3两者之间灌入超高强水泥基材料，水泥基材的配方可以是超高性能混凝土(uhpc)。配方为：水泥830kg/m3，硅粉208kg/m3，石英粉208kg/m3，细沙913kg/m3，减水剂42kg/m3，水164kg/m3。并按规定进行养护，形成水泥基中间层2，其平均厚度为12mm，抗压强度为180mpa；得到无钢波纹组合筋。
95.实施例2
96.一种无钢波纹组合筋，其结构如附图1所示，包括：芯部frp筋3、外围frp波纹管1和填充于frp筋3和frp波纹管1之间间隙的水泥基中间层2。
97.其制备的流程示意图如附图7所示，包括步骤：
98.1、将沿frp筋3轴向的连续单向玻璃纤维组成的复合长纤维与环氧树脂浸渍后，通
过拉挤工艺固化成型，得到柱状frp筋3；直径为25mm。
99.2、将同心的波纹形外管模具12(可拆卸)和内置frp筋3定位于底座10(底座10可为木板或钢板等，表面已预先挖出用于放置波纹形外管模具12和frp筋3的凹槽)，并在顶部或中部多个位置放置用于定位frp筋3的定位装置11。最后于波纹形外管模具12和frp筋3两者之间灌入超高强水泥基材料，水泥基材的配方可以是超高性能混凝土(uhpc)。配方为：水泥830kg/m3，硅粉208kg/m3，石英粉208kg/m3，细沙913kg/m3，减水剂42kg/m3，水164kg/m3。并按规定进行养护，拆卸波纹形外管模具12，在frp筋3外表面形成波纹形的水泥基中间层2，其平均厚度为12mm，抗压强度为180mpa；得到无钢波纹组合筋。
100.3、将连续单向玻璃纤维的复合长纤维束9浸渍环氧树脂后，以与波纹形水泥基中间层2轴线成接近90度方向环向缠绕在波纹形水泥基中间层2外表面，纤维束9在波纹形水泥基中间层2的波峰区的缠绕移动速度小于波谷区的缠绕移动速度，确保纤维束9在波纹形水泥基中间层2表面缠绕致密且厚度均匀，待树脂固化后在水泥基中间层2表形成frp波纹管1；厚度为2mm，波峰与波谷的高度差为5mm，平均内直径为50mm，一个波形周期沿轴向的长度为管直径的1.6倍；得到无钢波纹组合筋。
101.实施例3
102.一种无钢组合筋，其与实施例1的区别在于：步骤2中波纹形模具外管的波峰与波谷的高度差为1mm。
103.实施例4
104.一种无钢组合筋，其与实施例1的区别在于：步骤2中波纹形模具外管的波峰与波谷的高度差为3mm。
105.对比例1
106.一种纯frp筋，包括步骤：将沿frp筋3轴向的连续单向玻璃纤维组成的复合长纤维与环氧树脂浸渍后，通过拉挤工艺固化成型，得到柱状frp筋3；直径为25mm。
107.对比例2
108.一种无钢组合筋，其与实施例1的区别在于：步骤2中波纹形模具外管替换成无波纹的圆柱形模具，即波峰与波谷的高度差为0，从而制得的无钢组合筋表面没有波纹，呈圆柱状。
109.进一步的，为了验证本技术实施例的进步性，对实施例和对比例进行了如下性能测试：
110.1、抗压性能测试：
111.对实施例1、3～4和对比例2制备的无钢组合筋、对比例1中纯frp筋在单调荷载作用下的载荷-轴向应变曲线如附图8所示，其中，波高0mm对应对比例2，波高1mm对应实施例3，波高3mm对应实施例4，波高5mm对应实施例1，frp筋对应对比例1，用以描述产品的整体抗压性能。其中，本技术实施例1和3～4制备的无钢组合筋的载荷-轴向应变曲线高于对比例1纯frp筋的载荷-轴向应变曲线，且极限应变比纯frp筋大。承载力应变曲线首先经历一段初始弹性段，当uhpc的承载能力达到其抗压能力后，由于内部与外部玻璃纤维复材管之间存在微间隙，承载力-应变曲线突然下降。在微间隙全部填满后，承载力-应变曲线继续上升，直至玻璃纤维复材管断裂或内部frp筋破坏。如果frp筋在玻璃纤维复材管断裂前发生破坏，承载力会有很大的减小。试验结果没有显示出承载力-应变曲线随波高的增加有明显的
变化趋势。这表明，通过本技术实施例方法制作出的无钢波纹组合筋均具有较好的抗压性能，可以有效提升内部frp筋的受压性能。
112.2、粘结性能测试：
113.如附图9显示了实施例1无钢组合筋(波高5mm)和对比例2无钢组合筋(波高0mm)的拉拔力与滑移量的曲线。实施例1波高5mm试样(即波高5mm、3层玻璃纤维的波纹组合筋)的峰值拉拔力为211.4千牛，而对比例2波高0mm试样(即3层玻璃纤维的直管组合筋)的峰值拉拔力仅为85.8千牛。上述结果比较表明，波浪形管的采用对增强组合筋的粘结性能相当有利。
114.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：

1.一种无钢波纹组合筋，其特征在于，包括：芯部frp筋、外围frp波纹管和填充于所述frp筋和所述frp波纹管之间间隙的水泥基中间层，所述水泥基中间层的抗压强度不低于100mpa。2.如权利要求1所述的无钢波纹组合筋，其特征在于，所述frp筋的直径范围为6mm到36mm。3.如权利要求1所述的无钢波纹组合筋，其特征在于，所述frp筋的外表面具有喷砂、纤维束缠绕肋、深螺纹肋中的至少一种形貌；和/或，所述frp波纹管的波纹形状包括弧形、梯形、锯齿形中的至少一种；和/或，所述frp波纹管中波峰与波谷的高度差大于0mm且小于所述无钢波纹组合筋平均直径的十分之一。4.如权利要求1～3任一项所述的无钢波纹组合筋，其特征在于，所述frp筋中包括沿所述frp筋轴向的连续单向长纤维和第一树脂；和/或，所述frp波纹管由纤维束缠绕工艺制作而成；和/或，所述水泥基中间层包括超高性能混凝土、超高性能水泥砂浆、树脂改性水泥砂浆中的一种水泥基材料，且不含粗骨料；和/或，所述水泥基中间层还包括体积百分含量为2％或以下的增强纤维。5.如权利要求4所述的无钢波纹组合筋，其特征在于，所述第一树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、聚酯树脂中的一种；和/或，所述连续单向长纤维包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶中的至少一种；和/或，所述frp筋中，所述连续单向长纤维的体积分数大于50％；和/或，所述纤维束缠绕工艺包括步骤：将浸渍第二树脂后的连续单向长纤维束紧密缠绕于波纹形芯轴模具表面后，固化形成所述外围frp波纹管；和/或，所述增强纤维包括：钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维中的至少一种。6.如权利要求5所述的无钢波纹组合筋，其特征在于，所述第二树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、聚酯树脂中的一种；和/或，所述连续单向长纤维束中包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶中的至少一种纤维；和/或，所述连续单向长纤维束与所述波纹形芯轴模具的轴线成大于0且小于90度的方向缠绕在所述波纹形芯轴模具的外表面；和/或，所述frp波纹管中，所述连续单向长纤维束的质量分数大于40％。7.一种无钢波纹组合筋的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：分别制备frp筋和frp波纹管；将所述frp筋固定在芯部位置，将所述frp波纹管固定在外围位置，在所述frp筋和所述frp波纹管之间的间隙填充水泥基材，固化所述水泥基材形成水泥基中间层，得到无钢波纹组合筋；所述水泥基中间层的抗压强度不低于100mpa；或者，制备frp筋，在所述frp筋的外表面制备波纹形的水泥基中间层；所述水泥基中间层的抗压强度不低于100mpa；在波纹形的所述水泥基中间层的外表面制备frp波纹管，得到无钢波纹组合筋。
8.如权利要求7所述的无钢波纹组合筋的制备方法，其特征在于，制备所述frp波纹管的步骤包括：将浸渍第二树脂后的连续单向长纤维束紧密缠绕于波纹形芯轴模具表面，固化成型后脱除所述波纹形芯轴模具，得到所述frp波纹管；和/或，在所述frp筋的外表面制备波纹形的水泥基中间层的步骤包括：将所述frp筋固定在芯部位置，将波纹形外管模具固定在外围位置，在所述frp筋和所述波纹形外管模具之间的间隙填充水泥基材，固化成型后脱除所述波纹形外管模具，在所述frp筋外表面形成所述水泥基中间层；和/或，在波纹形的所述水泥基中间层的外表面制备frp波纹管的步骤包括：将浸渍第二树脂后的连续单向长纤维束紧密缠绕于波纹形的所述水泥基中间层的外表面，固化成型，在所述水泥基中间层外表面形成所述frp波纹管。9.如权利要求8所述的无钢波纹组合筋的制备方法，其特征在于，所述波纹形芯轴模具和波纹形的所述水泥基中间层分别独立地包括波峰区和波谷区；所述连续单向长纤维束在波峰区的缠绕移动速度小于波谷区的缠绕移动速度。10.如权利要求1～6任一项所述的无钢波纹组合筋或者如权利要求7～9任一项所述方法制备的无钢波纹组合筋至少在沿海基础设施、海洋基础设施、雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构中应用。

技术总结

本申请属于土木工程技术领域，尤其涉及一种无钢波纹组合筋及其制备方法和应用。其中，无钢波纹组合筋包括芯部FRP筋、外围FRP波纹管和填充于FRP筋和FRP波纹管之间间隙的水泥基中间层，水泥基中间层的抗压强度不低于100MPa。本申请提供的无钢波纹组合筋具有优异的抗压性能、抗拉性能、抗剪性能、抗震性能等特性，而且与混凝土的粘结性能好，可代替钢筋作为增强材料应用于混凝土结构中，尤其适合在沿海及海洋基础设施、海水海砂混凝土等腐蚀环境中使用，解决传统钢筋混凝土结构的钢材锈蚀问题。该无钢组合筋还具有透电磁波、绝缘、隔热、热膨胀系数小等特性，也适用于雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构等特殊场合。医疗核磁共振设备结构等特殊场合。医疗核磁共振设备结构等特殊场合。