基于玻璃纖維增強熱塑性塑料的可彎曲鋼筋的拉擠成型
來源|JEC
IRT·M2P的復合材料專家鮑里斯·杜尚和阿科馬的R&D復合材料科學家亞歷山大·佐勒
第一批鋼筋出現在19世紀末，用于加固公共工程結構，以應對各種氣候災害，如20世紀初襲擊加利福尼亞地區的地震?；炷恋目估阅茌^弱，但其抗壓性能非常好。在確定結構尺寸時，有必要對壓力而不是壓力進行加固。這就是鋼筋在混凝土加固中的作用。
目前市場上的鋼筋主要由鋼制成，盡管一些鋼筋可以以復合材料的形式獲得，主要是熱固性樹脂，并且一些熱塑性鋼筋開始出現在市場上。
熱塑性復合鋼筋
將鋼筋技術從金屬鋼筋轉移到復合材料的主要原因是對金屬氧化的反應。在極端的氣候條件下，如潮濕，會生銹。這導致金屬的內部體積膨脹，導致混凝土開裂，露出鋼筋結構。如果不及時制止，這種現象會導致結構失效。在極端的腐蝕環境中，例如海邊，或者溫度和/或化學條件超出正常范圍的地方，這種現象會被放大。不生銹的復合鋼筋是解決金屬鋼筋問題的答案。
環氧樹脂涂層的金屬鋼筋可減緩腐蝕，但腐蝕仍會發生。不銹鋼鋼筋也存在，但它們非常昂貴，大約是標準鋼筋成本的6到7倍。已經上市的復合鋼筋提供了優異的耐腐蝕性、有利于它們在建筑和公共工程中使用的電絕緣和熱絕緣、高機械強度和令人滿意的疲勞性能。它們也比鋼輕，密度大約是鋼的1/4。就成本而言，幾項研究表明，復合鋼筋比鋼筋相對更貴[1]。然而，如果我們考慮產品的整個生命周期，復合鋼筋的維護成本比金屬鋼筋低得多。這就是為什么，就整個產品生命周期而言，復合鋼筋比金屬鋼筋更經濟。
此外，市場上可獲得的傳統鋼筋由熱固性樹脂制成，因此不能在現場彎曲。開發熱塑性(TP)樹脂基鋼筋的優點是，像金屬鋼筋一樣，它可以在現場彎曲，同時保留復合鋼筋的優點。
由Arkema生產的基于Elium熱塑性樹脂的復合鋼筋目前正在開發中。除了復合鋼筋的所有優點之外，它還有一個額外的優點，就是可以在現場彎曲。由于鋼筋是一種等截面構件，拉擠工藝是經濟地生產它的理想解決方案(連續生產)。因此，我們的工作集中在開發特定等級的Elium樹脂，研究這些TP鋼筋的紋理和彎曲。
圖1:帶滾花裝置的拉擠生產線原理
流程開發
拉擠工藝(圖1)使用錐形模具(不需要拉擠鋁樹脂，但針對我們的工藝進行了優化)，開發該模具是為了減少復合材料生產中固有的孔隙率，同時還能在鋼筋表面的外側沉積一層樹脂[2]。這種完全結合到復合結構上的薄的純樹脂層具有足夠的熱塑性以允許紋理化，而不會通過加熱或施加機械應力而降低產品的質量。當然，這里的主要思想是避免纖維結構的退化，從而在薄樹脂層的幾何形狀或紋理上發揮作用。滾花被認為是最適合這項任務的工藝。標準化的拔出測試確保開發的解決方案是可行的并且通過了標準。
阿科瑪還開發了一種特殊的樹脂等級，以實現高機械性能，并確保鋼筋所受環境應力的某些保證。耐堿性是這里的重點。樹脂開發工作導致阿科瑪公司專門為鋼筋應用銷售Elium C599E樹脂等級(圖2)。
圖2:拉擠模具和鋼筋視圖
一旦生產出這些鋼筋，下一步就是開發將它們彎曲成所需形狀的彎曲工藝。
這里熱塑性樹脂的存在是非常有利的，因為它可以被加熱到足夠高的溫度，使得產品能夠形成新的幾何形狀。這里的想法是以受控的方式加熱產品的一個區域，使其變形。已經研究了幾種加熱技術，包括微波、紅外輻射(IR)、傳導和對流加熱。事實證明，就加熱區效率和表面加熱而言，最好的折衷方案是紅外加熱。這使得鋼筋內部的溫度梯度盡可能得到控制，從而保證其完整性。
一旦要彎曲的鋼筋部分達到正確的溫度，就應該進行變形，不僅實現目標幾何形狀，而且保證纖維網絡的完整性。彎曲非零厚度的復合材料產品時，主要問題是纖維消耗(圖3)，有時內背和外背之間的纖維消耗不相等。
圖3:彎曲鋼筋的纖維消耗
事實上，彎曲一根棒需要控制相對于產品中性纖維的各種纖維的消耗(圖4)。否則，誘導產品會出現褶皺和/或張力過大。這一步驟可以采取幾種形式:傳統上，扭曲纖維網絡，從而降低復合材料的誘導性能，或其他方法還不能公開。
圖4:彎曲鋼筋的生產步驟
標準化
就表征程序而言，有兩種測試是標準化的:拔出測試，包括將直的、有紋理的鋼筋倒入混凝土塊中，然后對其施加拉力。該測試檢查鋼筋和混凝土之間的附著力。第二個測試是彎曲鋼筋的拔出，其中彎曲鋼筋的一部分被澆鑄到混凝土塊中，另一部分受到拉力。測試涵蓋了斷裂區和獲得的最大應力水平(圖5)。
圖5:標準化拔出測試
為了確保所開發解決方案的可行性，阿科瑪和IRT·M2P合作生產的Elium鋼筋不僅與市售熱固性(TS)乙烯基酯鋼筋進行了比較，還與標準要求的最低值進行了比較。根據ASTM D8505和ASTM D7957標準，Elium基鋼筋表現出與乙烯基酯鋼筋相對相似的性能，并超過標準[3] [4]要求的最低性能。
屬性和商業用途
使用Elium C599E開發的鋼筋完全符合標準的要求(表1)，通過IRT M2P公司開發的在線紋理化工藝保證了混凝土中的附著力，該工藝不去除任何材料，可以彎曲成金屬鋼筋。應該指出的是，這些鋼筋的回收已經通過機械回收(IRT·M2P通過研磨和熱壓)和解聚(阿科瑪)得到證明。然而，與市場上的其他鋼筋一樣，將硬鋼筋從混凝土中分離的問題仍未解決。
這些Elium鋼筋已經在商業上用于土木工程結構的維修和維護操作。出于維修目的，這些鋼筋中的一些已經安裝在整個歐洲的現有結構上。Dextra和Sireg兩家Elium鋼筋生產商已經將自己定位為這些TP鋼筋的商業供應商。
表1:TP Elium鋼筋特性總結[3]
承認
這項研究得到了法國材料、冶金和工藝技術研究所(IRT·M2P)和法國國家研究機構(ANR)的資助，資助協議編號為ANR-10-AIRT-04。我們還感謝項目合作伙伴Arkema的貢獻，他們的支持有助于推進這項工作。
參考
[1]混凝土橋梁鋼筋替代方案的成本和環境分析——結構和基礎設施工程，第16卷，第4期，787-802頁，Thomas Cadenazzi等人，2020年
[2] WO2023233032A1，復合熱塑性塑料泡沫的生產工藝，復合熱塑性塑料泡沫的成型和生產系統
[3] D'Antino，Tommaso等人，“暴露在堿性環境中的熱固性和熱塑性GFRP棒的拉伸和層間剪切行為。”建筑工程學報72 (2023): 106581
[4] Brahim Benmokrane等人，新開發的用于加固混凝土結構、建筑和建筑材料的熱塑性GFRP鋼筋的物理、機械和耐久性特性，卷276，2021，122200
