專利名稱：撓性纖維加強(qiáng)復(fù)合鋼筋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
無
背景技術(shù)：
混凝土和其它砌體或膠結(jié)性材料具有高的壓縮強(qiáng)度但相對(duì)低的拉伸強(qiáng)度。 因此，在將混凝土用作結(jié)構(gòu)材料時(shí)，常規(guī)上并入加強(qiáng)部件以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng) 度。加強(qiáng)部件通常包含剛性桿或棒，例如鋼桿或棒。此類加強(qiáng)部件通常稱作"鋼 筋"。
不幸的是，鋼和其它金屬容易受到氧化。另外，此類材料在使用之前是非 常剛性的，使得此類加強(qiáng)部件的放置可能是困難且時(shí)間密集的。因此，必須將 常規(guī)金屬鋼筋切割成段并接合以便形成"十字形，，或其它所要的圖案。
一種可能的解決方案是使用玻璃纖維配方結(jié)合熱塑性樹脂作為結(jié)構(gòu)鋼筋。 舉例來說，布賴恩(Bryan, III)等人的第6,048,598號(hào)美國(guó)專利揭示具有通過 熱塑性樹脂彼此束縛在一起的個(gè)別纖維的扭轉(zhuǎn)鋼筋(twisted rope rebar)。岡本 (Okamoto)等人的第5，580，642號(hào)美國(guó)專利揭示包含加強(qiáng)纖維和熱塑性纖維 的加強(qiáng)部件。凱澤(Kaiser)的第5,593,536號(hào)和第5,626,700號(hào)美國(guó)專利揭示 一種用于形成包括拉擠成型與SMC (薄片模制化合物)的組合的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼 筋的設(shè)備。經(jīng)修改的拉擠成型制造具有熱固性樹脂加強(qiáng)材料的核心和外部薄片 模制化合物的鋼筋。柿原(Kakihara)等人的第5，077，113號(hào)美國(guó)專利提出一 螺旋纏繞在纖維加強(qiáng)核心周圍的內(nèi)部絲束層、沿著核心軸向定向的多個(gè)中間絲束和螺旋纏繞在核心和其它束周圍的外部絲束。L'埃斯佩蘭斯(L'Esperance) 等人的第4,620,401號(hào)美國(guó)專利提出一纖維加強(qiáng)熱固性樹脂核心和多個(gè)螺旋形 地纏繞在核心周圍且用熱固性樹脂浸漬的連續(xù)纖維。杰克遜(Jackson)的第 2,425,883號(hào)美國(guó)專利揭示由精細(xì)玻璃纖維形成的桿或棒，具有酚醛樹脂在加 熱下固化。
不管這些進(jìn)步如何，仍需要提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和復(fù)雜性的改進(jìn) 的結(jié)構(gòu)鋼筋。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種改進(jìn)的復(fù)合加強(qiáng)桿或鋼筋結(jié)構(gòu)。所述鋼筋結(jié)構(gòu) 一般由嵌入 在熱塑性樹脂基質(zhì)中以形成加強(qiáng)桿的連續(xù)纖維形成。使所述桿變扁平以達(dá)到大 于一比一的橫截面縱橫比。接著以大體螺旋方式來扭轉(zhuǎn)所述桿。在鋼筋結(jié)構(gòu)的 一個(gè)實(shí)施例中，所述桿具有約二比一的橫截面縱橫比的大體橢圓形橫截面形狀 和約30厘米的扭轉(zhuǎn)間距。所述基質(zhì)可為例如聚丙烯的熱塑性樹脂，且所述纖 維可由玻璃形成。熱塑性樹脂基質(zhì)允許所述基質(zhì)通過施加熱而軟化以借此將所 述桿彎曲或撓曲到所要形狀。方便彎曲的能力由橫截面形狀和縱橫比以及由施 加到所述桿的扭轉(zhuǎn)來輔助。 一旦彎曲到所要的形狀，就允許所述桿冷卻且重新 硬化到大體剛性狀態(tài)。
本發(fā)明的目的和優(yōu)勢(shì)將從結(jié)合附圖作出的以下描述中顯而易見，附圖中通 過說明和實(shí)例方式來陳述本發(fā)明的某些實(shí)施例。
圖式構(gòu)成本說明書的一部分，且包括本發(fā)明的示范性實(shí)施例并說明本發(fā)明 的各種目的和特征。


圖1是用于形成本發(fā)明的撓性纖維加強(qiáng)復(fù)合鋼筋的拉擠成型工藝的圖解 視圖。
圖2是本發(fā)明的一段長(zhǎng)度的撓性纖維加強(qiáng)復(fù)合鋼筋的片斷透視圖。 圖3是沿圖2的線3-3截取的鋼筋的放大很多的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)需要，在本文揭示本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施例；然而，應(yīng)理解，所揭示實(shí)施 例對(duì)于本發(fā)明僅為示范性的，本發(fā)明可以各種形式來體現(xiàn)。因此，不應(yīng)將本文 所揭示的特定結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)解釋為限制性的，而是僅作為權(quán)利要求書的基礎(chǔ) 且作為用于教示所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員在實(shí)際上任何適當(dāng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)中以不同方 式使用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
現(xiàn)在更詳細(xì)參看圖式，參考數(shù)字1 一般指定體現(xiàn)本發(fā)明的撓性纖維加強(qiáng)復(fù) 合加強(qiáng)桿或鋼筋結(jié)構(gòu)。鋼筋結(jié)構(gòu)1 一^:包括嵌入在熱塑性樹脂基質(zhì)3內(nèi)的多個(gè) 加強(qiáng)纖維2 (圖2和圖3 )。鋼筋結(jié)構(gòu)1以大體螺旋方式來扭轉(zhuǎn)。
圖1圖解地說明用于制造鋼筋結(jié)構(gòu)1的系統(tǒng)和工藝10。軸架(creel)布置12 (包括多個(gè)線軸或繞線管14)將多個(gè)連續(xù)加強(qiáng)纖維2放入一組纖維導(dǎo)向器16 中。纖維2以線軸14上的"粗紗"或扭轉(zhuǎn)繩股的形式提供。纖維2可為人造 的或人工連續(xù)細(xì)絲，例如碳、玻璃、芳族聚酰胺、有機(jī)和/或金屬纖維。軸架 布置12為纖維提供最佳預(yù)拉伸以便最大化聚合物3到纖維2中的浸漬。軸架 系統(tǒng)12的特定布置可視供貨商所提供的加強(qiáng)/粗紗2的形狀而變化。
纖維移動(dòng)穿過導(dǎo)向器16,導(dǎo)向器16可由導(dǎo)向銷和拉伸器組成，此取決于 最終產(chǎn)品的最終大小。導(dǎo)向器16除了導(dǎo)向纖維2的路徑之外，幫助增加基質(zhì) 浸漬腔18內(nèi)的表面積。所說明的工藝10包括干燥器20,將熱塑性樹脂3饋 入干燥器20中。加熱器組件22將熱塑性樹脂加熱到塑料狀態(tài)。螺桿"泵"24 迫使經(jīng)加熱樹脂進(jìn)入浸漬腔18中。
浸漬腔18 (工藝10的重要組件)包括兩個(gè)部分。在第一部分26中，纖 維2開始與被抽吸到浸漬腔18中的熱塑性聚合物3接觸。腔18的設(shè)計(jì)使得能 夠創(chuàng)建熱塑性聚合物3的高剪切區(qū)，此導(dǎo)致其粘度的顯著降低。此粘度降低極 大地改進(jìn)了高粘性聚合材料3到纖維2中的浸漬。在浸漬腔18的第二部分28 中，被浸漬的纖維2被會(huì)聚到經(jīng)加固的浸漬鋼筋30中。依據(jù)所需要的最終形 狀，經(jīng)加固鋼筋30在其仍然熱時(shí)被給定其最終形狀。
一旦具有其最終形狀的鋼筋30離開浸漬腔18，其就通過冷卻器系統(tǒng)32。 冷卻器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)取決于產(chǎn)品的最終形狀。對(duì)于熱塑性鋼筋30，冷卻器系統(tǒng) 32可能為長(zhǎng)管形狀，具有沿著其長(zhǎng)度附接的灑水機(jī)(未圖標(biāo))。噴灑器將用以將水噴射在熱塑性鋼筋30上以冷卻其表面。
經(jīng)浸漬鋼筋30接著移動(dòng)經(jīng)過拉出器36。拉出器36在整個(gè)制造工藝10期 間將經(jīng)浸漬鋼筋30拉出穿過整個(gè)裝置。最后，經(jīng)浸漬鋼筋進(jìn)入切割器臺(tái)38, 其將最終產(chǎn)品切割成其所需要的長(zhǎng)度。
一個(gè)實(shí)施例熱塑性鋼筋30由作為纖維加強(qiáng)2的E玻璃(E-glass)或電氣級(jí) 玻璃以及作為熱塑性基質(zhì)3的聚丙烯組成。纖維體積比是鋼筋30的總體積的 近似45%，其為典型長(zhǎng)纖維熱塑性工藝的代表值。熱塑性鋼筋設(shè)計(jì)優(yōu)化通過使 用ABAQUSTM有限單元分析軟件(法國(guó)Dassault Systemes股份公司((Dassault Systemes Societe Anonyme France), www.simulia.com)來執(zhí)4亍。已發(fā)i見4岡筋30 的最佳輪廓為具有約2:1的縱橫比的橢圓形橫截面形狀，其中具體尺寸對(duì)于不 同鋼筋大小而變化。在一個(gè)實(shí)施例中，鋼筋30具有約0.75英寸(19.05 mm) 的長(zhǎng)軸和約0.375英寸(9.53 mm)的短軸?？深A(yù)見鋼筋30替代地可具有并非 特定為橢圓形的其它扁平形狀。此外，最佳輪廓還包括30厘米(cm)的扭轉(zhuǎn) 間距或鋼筋30的每12英寸約一個(gè)扭轉(zhuǎn)?；蛘撸まD(zhuǎn)間距可落在約6到24英 寸(15.24到60.96 cm)的范圍內(nèi)。下文在圖2中說明例示性輪廓，且在下文 中描述設(shè)計(jì)優(yōu)化的額外重點(diǎn)。
跳過熱固性而選擇熱塑性基質(zhì)3，因?yàn)闊崴苄圆牧暇哂鞋F(xiàn)場(chǎng)可彎曲的潛 力。鋼筋結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例并入有聚丙烯樹脂作為熱塑性基質(zhì)3。然而，可預(yù) 見可有利地使用其它熱塑性樹脂于一些應(yīng)用和環(huán)境中。使鋼筋30彎曲可需要 就地加熱，其將減少由所施加的彎曲力而產(chǎn)生的應(yīng)力。所述加熱優(yōu)選地不是實(shí) 際上可熔化熱塑性材料3的溫度，而是僅暫時(shí)使鋼筋30軟化以用于彎曲。加 熱溫度可在約150到200F ( 65.6到93.3。C )的范圍內(nèi)。
具有橢圓形橫截面且沿著長(zhǎng)軸彎曲的鋼筋結(jié)構(gòu)1似乎滿足現(xiàn)場(chǎng)可彎曲的 需求。橢圓形形狀最小化橫向應(yīng)力，而扭轉(zhuǎn)允許容易彎曲而無需對(duì)準(zhǔn)鋼筋。扭 轉(zhuǎn)間距表示彎曲長(zhǎng)度的分辨率；即，如果間距為30cm，那么鋼筋僅可在每30 cm處彎曲。已確定增加鋼筋30中的扭轉(zhuǎn)(即，減先扭轉(zhuǎn)間距)會(huì)增加應(yīng)力和 應(yīng)變值。在分析期間所考慮的許多扭轉(zhuǎn)間距中，展示最小縱向應(yīng)力的輪廓為間 距30cm。此外，已發(fā)現(xiàn)鋼筋最佳可在水平方向上彎曲到橫截面的垂直面，即， 圍繞長(zhǎng)軸彎曲。在分析期間還考慮各種縱橫比。已發(fā)現(xiàn)增加縱橫比會(huì)減少縱向應(yīng)力，但增
加橫向應(yīng)力。增加縱橫比還會(huì)增加皺曲的可能性。2:1的縱橫比被認(rèn)為是最佳 設(shè)計(jì)參數(shù)，且在下面圖3中說明。
總之，滿足現(xiàn)場(chǎng)彎曲性準(zhǔn)則而不需要對(duì)準(zhǔn)的熱塑性鋼筋結(jié)構(gòu)1的最佳實(shí)施 例包括具有45%纖維體積比的E玻璃纖維的聚丙烯基質(zhì)3、具有約2:1的縱 橫比的大體橢圓形輪廓以及約30厘米的扭轉(zhuǎn)間距。
應(yīng)理解，雖然在本文已說明和描述本發(fā)明的某些形式，但其并不限于所描 述和展示的部分的特定形式或布置。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合加強(qiáng)桿結(jié)構(gòu)，其包含(a)熱塑性樹脂基質(zhì)；(b)多個(gè)細(xì)長(zhǎng)纖維，其嵌入在所述基質(zhì)中以形成加強(qiáng)桿；以及(c)所述桿具有扁平橫截面形狀。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中 (a)所述桿具有螺旋扭轉(zhuǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中(a)所述桿具有擁有在約6到24英寸(15.24到60.96厘米)范圍內(nèi)的 扭轉(zhuǎn)間距的螺旋扭轉(zhuǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中(a)所述桿具有擁有約30厘米的扭轉(zhuǎn)間距的螺旋扭轉(zhuǎn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中(a)所述桿具有約二比一的橫截面縱橫比。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中 (a)所述桿具有大體橢圓形橫截面形狀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中(a)所述桿具有擁有約二比一的橫截面縱橫比的大體橢圓形橫截面形狀。 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中 (a)所述熱塑性樹脂基質(zhì)由聚丙烯樹脂形成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中(a)所述纖維由由以下各物組成的材料群組中的一種形成玻璃、碳、 芳族聚酰胺和金屬。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中 (a)所述纖維由玻璃形成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，其中(a)所述纖維形成所述桿的體積的近似百分之45。
11. 一種復(fù)合加強(qiáng)桿結(jié)構(gòu)，其包含(a) 熱塑性樹脂基質(zhì)；(b) 多個(gè)連續(xù)纖維，其嵌入在所述基質(zhì)中以形成加強(qiáng)桿；(c) 所述桿具有大體橢圓形橫截面形狀；以及(d) 所述桿具有螺旋扭轉(zhuǎn)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的結(jié)構(gòu)，其中(a)所述桿具有擁有在約6到24英寸(15.24到60.96厘米)范圍內(nèi)的 扭轉(zhuǎn)間距的螺旋扭轉(zhuǎn)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的結(jié)構(gòu)，其中(a)所述桿具有擁有約30厘米的扭轉(zhuǎn)間距的螺旋扭轉(zhuǎn)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的結(jié)構(gòu)，其中 (a)所述桿具有約二比一的橫截面縱橫比。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的結(jié)構(gòu)，其中 (a)所述熱塑性樹脂基質(zhì)由聚丙烯樹脂形成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的結(jié)構(gòu)，其中(a)所述纖維由由以下各物組成的材料群組中的一種形成玻璃、碳、 芳族聚酰胺和金屬。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的結(jié)構(gòu)，其中 (a)所述纖維由玻璃形成。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的結(jié)構(gòu)，其中(a)所述纖維形成所述桿的體積的近似百分之45。
19. 一種復(fù)合加強(qiáng)桿結(jié)構(gòu)，其包含(a) 熱塑性樹脂基質(zhì)；(b) 多個(gè)連續(xù)纖維，其嵌入在所述基質(zhì)中以形成加強(qiáng)桿，所述纖維由由 以下各物組成的材料群組中的一種形成玻璃、碳、芳族聚酰胺和金屬；(c) 所述桿具有擁有約二比一的橫截面縱橫比的大體橢圓形橫截面形狀；(d) 所述桿具有擁有在約6到24英寸(15.24到60.96厘米)范圍內(nèi)的 扭轉(zhuǎn)間距的螺旋扭轉(zhuǎn)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，其中 (a)所述桿具有約30 cm的扭轉(zhuǎn)間距。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，其中 (a)所述熱塑性樹脂基質(zhì)由聚丙烯樹脂形成。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，其中 (a)所述纖維由玻璃形成。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，其中(a)所述纖維形成所述桿的體積的近似百分之45。
24. —種用于形成包括嵌入在聚合基質(zhì)中的多個(gè)細(xì)長(zhǎng)纖維的復(fù)合加強(qiáng)桿 結(jié)構(gòu)的工藝，在所述工藝中，改進(jìn)包含以下步驟(a) 提供熱塑性樹脂以形成所述聚合基質(zhì)；(b) 將所述細(xì)長(zhǎng)纖維嵌入在所述基質(zhì)內(nèi)以形成加強(qiáng)桿；(c) 使所述加強(qiáng)桿變扁平以產(chǎn)生大于一比一的橫截面縱橫比；以及(d) 扭轉(zhuǎn)所述扁平桿以達(dá)到在約6到24英寸(15.24到60.96 cm)范圍 內(nèi)的扭轉(zhuǎn)間距。
25. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的工藝，其中所述扁平步驟包括以下步驟 (a)使所述桿變扁平以產(chǎn)生具有約二比一的縱橫比的大體橢圓形橫截面形狀。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的工藝，其中所述扭轉(zhuǎn)步驟包括以下步驟 (a)扭轉(zhuǎn)所述扁平桿以達(dá)到約30厘米的扭轉(zhuǎn)間距。
全文摘要
一種撓性纖維加強(qiáng)復(fù)合鋼筋結(jié)構(gòu)包括嵌入在熱塑性樹脂內(nèi)的多個(gè)連續(xù)纖維。所述鋼筋結(jié)構(gòu)具有擁有約二比一的縱橫比的橢圓形橫截面形狀以及擁有約30cm的扭轉(zhuǎn)間距的扭轉(zhuǎn)。所述熱塑性樹脂基質(zhì)通過施加熱以軟化所述鋼筋結(jié)構(gòu)而使所述結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)彎曲，且其后冷卻以返回到剛性狀態(tài)。
文檔編號(hào)E04H12/00GK101611205SQ200780045291
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月14日
發(fā)明者A.·狄恩·湯姆森, 威廉·P.·強(qiáng)克, 布萊恩·J.·諾芙, 艾倫·費(fèi)茲 申請(qǐng)人:Dt研發(fā)設(shè)計(jì)公司