2.1　成型方法

本节主要介绍GFRP直线状态筋材成型方法。由于GFRP产品以直线状态为主，与此对应成型方法有：拉挤成型、拉挤-缠绕成型、拉挤-模压成型三类，下面说明其特点及在GFRP筋、板材成型中的应用。

2.1.1　拉挤成型

用于连续纤维增强复合材料棒材、型材、条板及管材等，在纵向具有极高的强度与刚度，纤维含量一般为60%～70%（体积分数）。所用增强材料主要是连续玻璃纤维无捻纱，辅助以粗格子布、短切毡等。

拉挤成型有两种工艺：一种是将纤维材料浸过含有引发剂的树脂后，被拉挤通过模具，把多余树脂挤出，然后通过模具的加热段使得树脂固化定型后，最后被拉挤出来；另一种是在恒定的拉挤速度下将纤维材料引进加热的模具内，同时将已引发的树脂注射入模具，使纤维充分浸渍，并凝胶固化成型。前一种方法需用适用期较长的树脂体系，后一种方法需用适用期较短的树脂体系，且树脂注射压力为0.1～0.5MPa，为加速固化，也可将纤维预热到100℃左右，再通过模具。

拉挤成型的两种工艺用于不同的GFRP材料，第一种工艺用于通常的GFRP材料，所对应的树脂体系主要是热固性树脂（如环氧树脂、乙烯基酯树脂和不饱和聚酯树脂）；第二种工艺用于需要二次加工的GFRP材料，所对应的树脂体系主要是热塑性树脂（如聚氨酯树脂），此两类应用差异很大。由于第一种工艺在第1章以及本章的2.2～2.5节有较详细的说明，下面重点说明第二种工艺及应用。

玻璃纤维增强热塑性聚氨酯拉挤成型技术是一项很有发展前途的技术，国内外都有研究。其中Fulcrum热塑性复合材料技术公司报道，该公司拥有自己专有的热塑性拉挤技术及系列产品，该系列产品以工程塑料聚氨酯为基体，以连续玻璃纤维为增强材料，采用快速连续成型的热塑性拉挤工艺加工成型。拉挤产品有空心管、实心棒、各种型材等多种类型，其中空心管的内径为3.0～40.0mm，外径为4.6～43.0mm，实心棒的直径范围为4.6～12.7mm。其典型性能见表2-1。

由于采用热塑性聚氨酯为基体材料，因而可以通过二次热成型将拉挤产品加工成最终使用的复合材料制品，下面以GFRP箍筋为例进行说明。

对于土木工程用增强混凝土的GFRP箍筋而言，采用玻璃纤维增强热塑性聚氨酯拉挤技术制备出的GFRP直筋，在需要弯曲的部位，进行现场二次加热、加压，然后弯曲成型，最后冷却到常温而定型，因而弯曲部位形状基本可以保持圆形或椭圆形，且弯曲部位能够承受一定的压力和弯矩，由此制备出的箍筋，会比传统采用玻璃纤维浸渍热固性树脂，然后用模压方式生产得到的箍筋，具备更好的性能且成本更低。

将表2-1与表1-9对比，玻璃纤维含量（体积分数）为59%的玻璃纤维增强热塑性聚氨酯材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量高于玻璃纤维含量（体积分数）为75%的玻璃纤维增强热塑性聚丙烯材料对应的性能，并且高于GB 50608—2010标准要求的热固性GFRP筋最低性能指标。

对比聚丙烯和聚氨酯，聚丙烯能够耐受混凝土的碱性，而聚氨酯则容易被混凝土的强碱性降解，因而玻璃纤维增强热塑性聚氨酯制备出的直筋和箍筋，都需要在其表面再次涂覆耐混凝土碱性的抗腐蚀层，但表2-1中，此复合材料的热变形温度、玻璃化温度较低，对抗腐蚀层材料及涂装工艺限制很多。此外，玻璃纤维增强热塑性聚氨酯材料的拉挤速度与玻璃纤维增强热固性树脂接近，只有表1-9对应速度的1/100～1/50，这是由热塑性聚氨酯通过反应达到的分子链、分子量增长速度决定的，此方面反应与热固性树脂交联类似，因而速度受到限制。而聚丙烯自身就是高分子物质，玻璃纤维增强热塑性聚丙烯材料成型只是加热熔融树脂、纤维浸渍、树脂冷却定型过程，因而速度提升空间较大；同时，玻璃纤维增强热塑性聚丙烯材料具有比玻璃纤维增强热塑性聚氨酯材料更高的热变形温度。

总之，在混凝土增强用筋材方面，玻璃纤维增强热塑性聚氨酯材料具有潜在的优势，但存在问题不少，如果这些问题得到克服，则会有一定应用前景。

与上述第二种工艺形成对比，第一种工艺更加成熟，下面说明。

对于岩土工程锚固用GFRP锚索而言，需要锚索具有更高的强度和模量，此类锚索是由数根小直径的拉索组成，采用热固性树脂体系（为了制造顺利，通常在树脂体系中加入脱模剂）制备出的拉索，在制造锚固系统时，采用局部打磨的方法以除去拉索表面的脱模剂成分以增加黏结能力，可用环氧树脂、石英砂等将数根拉索锚固在锚头中，通过施加预应力而实现锚固，更详细的内容见2.4.3“端部锚固系统”。

为了实现型材中树脂的良好固化，主要方法是使模具加热，对于断面较小或较薄而均匀的型材，可用加热板直接接触模具进行加热。对于断面较大或圆形、方形棒料，或断面厚薄不均匀时，需要采用高频加热使得型材中的树脂迅速均匀固化，或在模具以后再另外连接一个隧道固化炉进行后固化。除湿法浸渍外，还可用预浸料进行干法拉挤。预浸料在加热模具中通过时，树脂熔化，被压缩成规则断面而固化。此外，拉挤法还可用于夹芯板材的生产，即两侧是纤维增强聚合物片材保护层、中间是夹芯材料的强度高而重量轻的型材。由这些方法可以生产GFRP片材、夹芯板材，用环氧树脂、胺类固化剂将这些材料黏结在混凝土结构外侧，以提高结构承载能力。

2.1.2　拉挤-缠绕成型

根据生产的过程可分为：先拉挤-后缠绕、拉挤-缠绕同步两种方法，下面依次说明各自的特点和应用。

2.1.2.1　先拉挤-后缠绕方法

由拉挤成型方法可知，此类产品表面光滑且横截面尺寸在全长范围保持不变，因而产品纵向具有极高的强度与刚度，纤维含量（体积分数）一般为60%～70%，但对于混凝土结构、岩土工程、煤矿支护而言，需要杆体与混凝土、岩土、煤层具有一定的锚固能力，因而采用拉挤法生产出的产品难以满足使用要求，需要在产品表面再缠绕纤维增强聚合物粗纱以形成长度方向表面凹凸不平状态，生产分为两个阶段且优缺点与此密切有关。

在岩土工程、煤矿支护中，锚杆的尾部锚固系统很重要，由于尾部锚固系统受力复杂且承载能力很大，因而需要比其他部位更好的强度和刚度，甚至最好得到强化，采用先拉挤-后缠绕方法生产出的锚杆可满足此要求。

采用热固性树脂（通常为不饱和聚酯树脂及引发剂等，如果是煤矿使用，还需要添加阻燃剂、抗静电剂等成分），以连续玻璃纤维为增强材料，先采用定长拉挤工艺制造出一定长度、直径的杆体，并使尾部不固化。在尾部套上一定长度、厚度的钢管，在一定压力下令钢管变形，使钢管-GFRP预成型体形成相互之间的物理嵌套，然后在钢管表面加工形成一定规格的螺纹，将GFRP杆体在砂轮机上连续打磨使其表面不平，同时部分去除杆体表面的脱模剂。根据需要，将一股连续玻璃纤维粗纱缠绕在拉挤GFRP产品表面，使表面凹凸不平。然后将此半成品在热固性树脂中浸渍，使树脂充分渗透进入连续玻璃纤维粗纱内部。最后将此半成品放入烘烤箱固化定型，从而形成尾部是螺纹钢管的GFRP锚杆，与对应的钢螺母和钢托盘配套使用。此方法最大的优点是锚杆的尾部得到加强并能够承受更大的应力，最大的缺点是生产效率太低而成本较高。此系统中钢管、钢螺母、钢托盘如果是不锈钢材料，则具有良好的耐腐蚀性能，且比全部由不锈钢材料制备的锚杆具有成本优势。此复合锚杆中，采用拉挤技术形成的杆体具有很高的强度和模量，缠绕技术形成的环向纤维增强聚合物使得杆体具有很高的抗扭能力并增加杆体与锚固剂之间的黏结能力，尾部螺纹钢管提高锚杆的抗剪切能力和承受更大、更复杂的应力，螺纹钢管-GFRP之间的物理嵌套以及固化后树脂的黏结能力保证足够的界面强度以传递应力。

2.1.2.2　拉挤-缠绕同步方法

将缠绕技术引入到拉挤成型工艺中，组成拉挤-缠绕复合成型技术是拉挤技术的新发展，其工艺过程是在拉挤工艺的固化成型之前的适当环节中引入缠绕工艺，构成一个以拉挤工艺为主、缠绕工艺为辅的复合材料成型系统。与先拉挤-后缠绕方法相比，拉挤-缠绕同步方法属于连续生产，效率高、成本低，更能体现复合材料成型的产品的可设计性特点，即通过改变缠绕铺层、缠绕角及缠绕速度来改变性能；集合了缠绕成型和拉挤成型的优点，弥补了由拉挤成型和缠绕成型加工产生的缺陷；制品综合性能好；但此技术复合程度高，对成型设备、制造过程、控制系统、辅助装置和材料等要求很高。

对于混凝土结构、岩土工程、煤矿支护应用而言，需要杆体自身拉伸强度高、模量大，同时还需要杆体与混凝土、岩土、煤层具有一定的锚固能力，采用拉挤-缠绕同步方法可以一次成型此类杆体，并且性能具有可设计性，基于应用为目标的技术经济性角度看，拉挤-缠绕同步方法优于先拉挤-后缠绕方法。在国内外众多的GFRP筋生产企业中，拉挤-缠绕同步方法应用最为普遍，如美国的Hough Brother公司生产的Aslan系列GFRP筋，加拿大的Pultraul公司通过研究制造的Isorod GFRP筋等。在本章的2.2节、2.3节、2.5节较详细地说明了各种不同的拉挤-缠绕同步方法，以及部分研究结果。

2.1.3　拉挤-模压成型

将模压技术引入到拉挤成型工艺中，组成拉挤-模压复合成型技术是拉挤技术的新发展，其过程是在拉挤工艺中，拉挤采用的牵引机夹头是由模具的两个部分组成，即两个循环往复的牵引机履带是由对应的两个连续模具组成的，在牵引过程中，完成对纤维浸渍树脂预成型体的成型、加热、固化等工艺。相比拉挤-缠绕同步方法，拉挤-模压成型难度更高，如美国Marshall Industries Composites公司生产的GFRP筋（C-bar）采用此工艺，其外表面与通常使用的钢筋相似，即有横肋、纵肋，因而其与混凝土之间的黏结性能与钢筋相似，而采用拉挤-缠绕同步方法生产的GFRP筋，由于没有纵肋，其与混凝土之间的黏结强度只有钢筋的70%左右，且GFRP筋（C-bar）的强度和模量达到相应标准规范要求。

由于拉挤-模压成型的特点，由此生产出的GFRP筋（C-bar）规格较少，通常以4mm，甚至部分以6mm为间隔形成系列产品供用户选择，而拉挤-缠绕同步方法通常以2mm为间隔形成系列产品供用户选择。从耐混凝土的碱性腐蚀角度看，GFRP筋（C-bar）表面覆盖更厚而均匀的树脂和填料层，而拉挤-缠绕同步方法生产的GFRP筋表面难以覆盖均匀且有一定厚度的树脂和填料层。由于拉挤-模压成型难度较高且受到专利保护，相关文献很少，有兴趣的读者可以查阅Marshall Industries Composites公司网址和GFRP筋（C-bar）产品说明，下面重点介绍采用拉挤-缠绕同步方法生产的GFRP筋。