专利名称：挠性纤维加强复合钢筋的制作方法
技术领域：
无
背景技术：
混凝土和其它砌体或胶结性材料具有高的压缩强度但相对低的拉伸强度。 因此，在将混凝土用作结构材料时，常规上并入加强部件以增强结构的拉伸强 度。加强部件通常包含刚性杆或棒，例如钢杆或棒。此类加强部件通常称作"钢 筋"。
不幸的是，钢和其它金属容易受到氧化。另外，此类材料在使用之前是非 常刚性的，使得此类加强部件的放置可能是困难且时间密集的。因此，必须将 常规金属钢筋切割成段并接合以便形成"十字形，，或其它所要的图案。
一种可能的解决方案是使用玻璃纤维配方结合热塑性树脂作为结构钢筋。 举例来说，布赖恩(Bryan, III)等人的第6,048,598号美国专利揭示具有通过 热塑性树脂彼此束縛在一起的个别纤维的扭转钢筋(twisted rope rebar)。冈本 (Okamoto)等人的第5，580，642号美国专利揭示包含加强纤维和热塑性纤维 的加强部件。凯泽(Kaiser)的第5,593,536号和第5,626,700号美国专利揭示 一种用于形成包括拉挤成型与SMC (薄片模制化合物)的组合的加强结构钢 筋的设备。经修改的拉挤成型制造具有热固性树脂加强材料的核心和外部薄片 模制化合物的钢筋。柿原(Kakihara)等人的第5，077，113号美国专利提出一 螺旋缠绕在纤维加强核心周围的内部丝束层、沿着核心轴向定向的多个中间丝束和螺旋缠绕在核心和其它束周围的外部丝束。L'埃斯佩兰斯(L'Esperance) 等人的第4,620,401号美国专利提出一纤维加强热固性树脂核心和多个螺旋形 地缠绕在核心周围且用热固性树脂浸渍的连续纤维。杰克逊(Jackson)的第 2,425,883号美国专利揭示由精细玻璃纤维形成的杆或棒，具有酚醛树脂在加 热下固化。
不管这些进步如何，仍需要提供一种克服现有技术的缺点和复杂性的改进 的结构钢筋。
发明内容
本发明提供一种改进的复合加强杆或钢筋结构。所述钢筋结构 一般由嵌入 在热塑性树脂基质中以形成加强杆的连续纤维形成。使所述杆变扁平以达到大 于一比一的横截面纵横比。接着以大体螺旋方式来扭转所述杆。在钢筋结构的 一个实施例中，所述杆具有约二比一的横截面纵横比的大体椭圆形横截面形状 和约30厘米的扭转间距。所述基质可为例如聚丙烯的热塑性树脂，且所述纤 维可由玻璃形成。热塑性树脂基质允许所述基质通过施加热而软化以借此将所 述杆弯曲或挠曲到所要形状。方便弯曲的能力由横截面形状和纵横比以及由施 加到所述杆的扭转来辅助。 一旦弯曲到所要的形状，就允许所述杆冷却且重新 硬化到大体刚性状态。
本发明的目的和优势将从结合附图作出的以下描述中显而易见，附图中通 过说明和实例方式来陈述本发明的某些实施例。
图式构成本说明书的一部分，且包括本发明的示范性实施例并说明本发明 的各种目的和特征。
图1是用于形成本发明的挠性纤维加强复合钢筋的拉挤成型工艺的图解 视图。
图2是本发明的一段长度的挠性纤维加强复合钢筋的片断透视图。 图3是沿图2的线3-3截取的钢筋的放大很多的横截面图。
具体实施例方式
根据需要，在本文揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示实施 例对于本发明仅为示范性的，本发明可以各种形式来体现。因此，不应将本文 所揭示的特定结构和功能细节解释为限制性的，而是仅作为权利要求书的基础 且作为用于教示所属领域的技术人员在实际上任何适当详细结构中以不同方 式使用本发明的代表性基础。
现在更详细参看图式，参考数字1 一般指定体现本发明的挠性纤维加强复 合加强杆或钢筋结构。钢筋结构1 一^:包括嵌入在热塑性树脂基质3内的多个 加强纤维2 (图2和图3 )。钢筋结构1以大体螺旋方式来扭转。
图1图解地说明用于制造钢筋结构1的系统和工艺10。轴架(creel)布置12 (包括多个线轴或绕线管14)将多个连续加强纤维2放入一组纤维导向器16 中。纤维2以线轴14上的"粗纱"或扭转绳股的形式提供。纤维2可为人造 的或人工连续细丝，例如碳、玻璃、芳族聚酰胺、有机和/或金属纤维。轴架 布置12为纤维提供最佳预拉伸以便最大化聚合物3到纤维2中的浸渍。轴架 系统12的特定布置可视供货商所提供的加强/粗纱2的形状而变化。
纤维移动穿过导向器16,导向器16可由导向销和拉伸器组成，此取决于 最终产品的最终大小。导向器16除了导向纤维2的路径之外，帮助增加基质 浸渍腔18内的表面积。所说明的工艺10包括干燥器20,将热塑性树脂3馈 入干燥器20中。加热器组件22将热塑性树脂加热到塑料状态。螺杆"泵"24 迫使经加热树脂进入浸渍腔18中。
浸渍腔18 (工艺10的重要组件)包括两个部分。在第一部分26中，纤 维2开始与被抽吸到浸渍腔18中的热塑性聚合物3接触。腔18的设计使得能 够创建热塑性聚合物3的高剪切区，此导致其粘度的显著降低。此粘度降低极 大地改进了高粘性聚合材料3到纤维2中的浸渍。在浸渍腔18的第二部分28 中，被浸渍的纤维2被会聚到经加固的浸渍钢筋30中。依据所需要的最终形 状，经加固钢筋30在其仍然热时被给定其最终形状。
一旦具有其最终形状的钢筋30离开浸渍腔18，其就通过冷却器系统32。 冷却器系统的设计取决于产品的最终形状。对于热塑性钢筋30，冷却器系统 32可能为长管形状，具有沿着其长度附接的洒水机(未图标)。喷洒器将用以将水喷射在热塑性钢筋30上以冷却其表面。
经浸渍钢筋30接着移动经过拉出器36。拉出器36在整个制造工艺10期 间将经浸渍钢筋30拉出穿过整个装置。最后，经浸渍钢筋进入切割器台38, 其将最终产品切割成其所需要的长度。
一个实施例热塑性钢筋30由作为纤维加强2的E玻璃(E-glass)或电气级 玻璃以及作为热塑性基质3的聚丙烯组成。纤维体积比是钢筋30的总体积的 近似45%，其为典型长纤维热塑性工艺的代表值。热塑性钢筋设计优化通过使 用ABAQUSTM有限单元分析软件(法国Dassault Systemes股份公司((Dassault Systemes Societe Anonyme France), www.simulia.com)来执4亍。已发i见4冈筋30 的最佳轮廓为具有约2:1的纵横比的椭圆形横截面形状，其中具体尺寸对于不 同钢筋大小而变化。在一个实施例中，钢筋30具有约0.75英寸(19.05 mm) 的长轴和约0.375英寸(9.53 mm)的短轴。可预见钢筋30替代地可具有并非 特定为椭圓形的其它扁平形状。此外，最佳轮廓还包括30厘米(cm)的扭转 间距或钢筋30的每12英寸约一个扭转。或者，扭转间距可落在约6到24英 寸(15.24到60.96 cm)的范围内。下文在图2中说明例示性轮廓，且在下文 中描述设计优化的额外重点。
跳过热固性而选择热塑性基质3，因为热塑性材料具有现场可弯曲的潜 力。钢筋结构的一个实施例并入有聚丙烯树脂作为热塑性基质3。然而，可预 见可有利地使用其它热塑性树脂于一些应用和环境中。使钢筋30弯曲可需要 就地加热，其将减少由所施加的弯曲力而产生的应力。所述加热优选地不是实 际上可熔化热塑性材料3的温度，而是仅暂时使钢筋30软化以用于弯曲。加 热温度可在约150到200F ( 65.6到93.3。C )的范围内。
具有椭圓形横截面且沿着长轴弯曲的钢筋结构1似乎满足现场可弯曲的 需求。椭圆形形状最小化横向应力，而扭转允许容易弯曲而无需对准钢筋。扭 转间距表示弯曲长度的分辨率；即，如果间距为30cm，那么钢筋仅可在每30 cm处弯曲。已确定增加钢筋30中的扭转(即，减先扭转间距)会增加应力和 应变值。在分析期间所考虑的许多扭转间距中，展示最小纵向应力的轮廓为间 距30cm。此外，已发现钢筋最佳可在水平方向上弯曲到横截面的垂直面，即， 围绕长轴弯曲。在分析期间还考虑各种纵横比。已发现增加纵横比会减少纵向应力，但增
加横向应力。增加纵横比还会增加皱曲的可能性。2:1的纵横比被认为是最佳 设计参数，且在下面图3中说明。
总之，满足现场弯曲性准则而不需要对准的热塑性钢筋结构1的最佳实施 例包括具有45%纤维体积比的E玻璃纤维的聚丙烯基质3、具有约2:1的纵 横比的大体椭圆形轮廓以及约30厘米的扭转间距。
应理解，虽然在本文已说明和描述本发明的某些形式，但其并不限于所描 述和展示的部分的特定形式或布置。
权利要求
1.一种复合加强杆结构，其包含(a)热塑性树脂基质；(b)多个细长纤维，其嵌入在所述基质中以形成加强杆；以及(c)所述杆具有扁平横截面形状。
2. 根据权利要求1所述的结构，其中 (a)所述杆具有螺旋扭转。
3. 根据权利要求1所述的结构，其中(a)所述杆具有拥有在约6到24英寸(15.24到60.96厘米)范围内的 扭转间距的螺旋扭转。
4. 根据权利要求1所述的结构，其中(a)所述杆具有拥有约30厘米的扭转间距的螺旋扭转。
5. 根据权利要求1所述的结构，其中(a)所述杆具有约二比一的横截面纵横比。
6. 根据权利要求1所述的结构，其中 (a)所述杆具有大体椭圓形横截面形状。
7. 根据权利要求1所述的结构，其中(a)所述杆具有拥有约二比一的横截面纵横比的大体椭圓形横截面形状。 根据权利要求1所述的结构，其中 (a)所述热塑性树脂基质由聚丙烯树脂形成。
8. 根据权利要求1所述的结构，其中(a)所述纤维由由以下各物组成的材料群组中的一种形成玻璃、碳、 芳族聚酰胺和金属。
9. 根据权利要求1所述的结构，其中 (a)所述纤维由玻璃形成。
10. 根据权利要求l所述的结构，其中(a)所述纤维形成所述杆的体积的近似百分之45。
11. 一种复合加强杆结构，其包含(a) 热塑性树脂基质；(b) 多个连续纤維，其嵌入在所述基质中以形成加强杆；(c) 所述杆具有大体椭圆形横截面形状；以及(d) 所述杆具有螺旋扭转。
12. 根据权利要求12所述的结构，其中(a)所述杆具有拥有在约6到24英寸(15.24到60.96厘米)范围内的 扭转间距的螺旋扭转。
13. 根据权利要求12所述的结构，其中(a)所述杆具有拥有约30厘米的扭转间距的螺旋扭转。
14. 根据权利要求12所述的结构，其中 (a)所述杆具有约二比一的横截面纵横比。
15. 根据权利要求12所述的结构，其中 (a)所述热塑性树脂基质由聚丙烯树脂形成。
16. 根据权利要求12所述的结构，其中(a)所述纤维由由以下各物组成的材料群组中的一种形成玻璃、碳、 芳族聚酰胺和金属。
17. 根据权利要求12所述的结构，其中 (a)所述纤维由玻璃形成。
18. 根据权利要求12所述的结构，其中(a)所述纤维形成所述杆的体积的近似百分之45。
19. 一种复合加强杆结构，其包含(a) 热塑性树脂基质；(b) 多个连续纤维，其嵌入在所述基质中以形成加强杆，所述纤维由由 以下各物组成的材料群组中的一种形成玻璃、碳、芳族聚酰胺和金属；(c) 所述杆具有拥有约二比一的横截面纵横比的大体椭圓形横截面形状；(d) 所述杆具有拥有在约6到24英寸(15.24到60.96厘米)范围内的 扭转间距的螺旋扭转。
20. 根据权利要求20所述的结构，其中 (a)所述杆具有约30 cm的扭转间距。
21. 根据权利要求20所述的结构，其中 (a)所述热塑性树脂基质由聚丙烯树脂形成。
22. 根据权利要求20所述的结构，其中 (a)所述纤维由玻璃形成。
23. 根据权利要求20所述的结构，其中(a)所述纤維形成所述杆的体积的近似百分之45。
24. —种用于形成包括嵌入在聚合基质中的多个细长纤维的复合加强杆 结构的工艺，在所述工艺中，改进包含以下步骤(a) 提供热塑性树脂以形成所述聚合基质；(b) 将所述细长纤维嵌入在所述基质内以形成加强杆；(c) 使所述加强杆变扁平以产生大于一比一的横截面纵横比；以及(d) 扭转所述扁平杆以达到在约6到24英寸(15.24到60.96 cm)范围 内的扭转间距。
25. 根据权利要求25所述的工艺，其中所述扁平步骤包括以下步骤 (a)使所述杆变扁平以产生具有约二比一的纵横比的大体椭圆形横截面形状。
26. 根据权利要求25所述的工艺，其中所述扭转步骤包括以下步骤 (a)扭转所述扁平杆以达到约30厘米的扭转间距。
全文摘要
一种挠性纤维加强复合钢筋结构包括嵌入在热塑性树脂内的多个连续纤维。所述钢筋结构具有拥有约二比一的纵横比的椭圆形横截面形状以及拥有约30cm的扭转间距的扭转。所述热塑性树脂基质通过施加热以软化所述钢筋结构而使所述结构现场弯曲，且其后冷却以返回到刚性状态。
文档编号E04H12/00GK101611205SQ200780045291
公开日2009年12月23日 申请日期2007年12月14日 优先权日2006年12月14日
发明者A.·狄恩·汤姆森, 威廉·P.·强克, 布莱恩·J.·诺芙, 艾伦·费兹 申请人:Dt研发设计公司