1.1　玻璃纤维与GFRP筋原材料选择

1.1.1　玻璃纤维成分

目前，中国玻璃纤维的生产量和消费量占据世界第一，有很多品种供选择，正确理解这些玻璃纤维的特性，对GFRP筋生产至关重要。

玻璃纤维的性能随玻璃成分的变化而变化，见表1-1。

主要玻璃纤维成分有5种，即无碱E玻璃纤维、中碱C玻璃纤维、高碱A玻璃纤维、耐碱AR玻璃纤维和高强度S玻璃纤维，有代表性的成分见表1-1，事实上这些成分在一定程度上可以变化，从而形成各公司的产品，并受到相关专利的保护；此外，还包括高模量M玻璃纤维，其模量高于S玻璃纤维，但目前多为实验室小批量生产，价格较高；低介电性能D玻璃纤维，其力学性能远低于E玻璃纤维，但密度和介电常数都比较低，适合于雷达天线罩结构；多种玻璃纤维的断裂延伸率在3%～4%之间，当温度超过300℃时，力学性能指标就可能有较大幅度下降。

就GFRP筋而言，受到关注和得到应用的是无碱E玻璃纤维，中碱C玻璃纤维和高碱A玻璃纤维只是用于临时性支护结构中的筋材、锚杆等，主要作用是尽量降低生产成本（高碱A玻璃纤维价格是E玻璃纤维的一半以下）并维持一定的力学性能，从而满足使用需要。随着时间的延长和环境温度、湿度的变化，由于这些玻璃纤维中较高含量的碱金属吸收空气中的水分而自身力学性能的下降，采用中碱C玻璃纤维和高碱A玻璃纤维制备的筋材、锚杆等，力学性能衰减较快。而由E玻璃纤维制造的GFRP筋材，力学性能的长期稳定性较好，只是在碱溶液条件下，E玻璃纤维仍然面临碱腐蚀问题。耐碱AR玻璃纤维是专用于增强混凝土结构的，高的氧化锆成分保证了其在混凝土的强碱性环境下，仍然能够保持较高的剩余强度，但此玻璃纤维的强度低于E玻璃纤维，且纤维表面没有偶联剂成分，导致其与树脂的结合能力较低。另外，高的碱金属含量导致其容易吸收水分而力学性能下降，此玻璃纤维价格是E玻璃纤维的3倍左右，从多方面考虑，虽然此玻璃纤维特有的抗碱腐蚀能力突出，但目前不用于制造GFRP筋。

高强度S玻璃纤维和高模量M玻璃纤维，这两类玻璃纤维的价格是E玻璃纤维2倍以上，可使GFRP筋的强度和模量相应提高，但就原材料成本的提高与最终产品力学性能的提高而言，基于应用目标的技术经济性并没有优势，因而不是GFRP筋的首选材料；在要求强度、模量更高的GFRP锚索中可采用此玻璃纤维，以与CFRP、AFRP锚索形成竞争，并可能具有一定的性价比优势，此方面应用属于预应力范畴，要求复合材料的强度和模量需要达到一定的值，以满足应用要求。在本章1.4节部分，通过实验说明无碱、中碱、高碱玻璃纤维对GFRP筋性能的影响。

1.1.2　玻璃纤维生产工艺

玻璃纤维是由特定矿物原料组成的配合料，其成分见表1-1，配合料经窑头料仓、螺旋投料机送入单元熔窑，在玻璃熔窑中，经1600℃左右的高温熔化成液体，并经过长时间的澄清、均化而得到高度均匀的玻璃液，然后经铂铑合金漏板上的漏孔流出，经高速拉伸成直径为3～24μm的细纤维，此方法称为池窑拉丝法，此外，还有坩埚拉丝法，即先由玻璃熔窑将配合好的粉料熔制成高度均匀的玻璃球（ϕ16～20mm），然后以玻璃球为原料加入铂铑合金制成的坩埚炉，或加入由优质耐火材料砌筑的、底部有铂铑合金漏板的小型电炉中。漏板由电阻发热，温度维持在1200℃左右，通过漏板后的拉丝工艺与池窑拉丝工艺相同。

由漏板出来的玻璃纤维迅速经过浸润辊和集束器，两次被覆以特定的浸润剂，然后经排纱轮卷绕到拉丝机的绕丝筒上，即称为原丝。在漏孔数较少（200孔以下）时可免除浸润辊，而由集束器一次被覆浸润剂。对于漏孔数在2000孔以上大漏板拉丝工艺，原丝直接卷绕为无捻粗纱纱团，经烘干后称为直接无捻粗纱，用于缠绕、拉挤用纱。

而漏孔数在800孔以下的拉制的玻璃纤维原丝卷绕在拉丝机机头上，从机头卸下的半成品称为原丝丝饼，烘干后，经退解合股、短切或在毡机组上制毡后，方能制成各种玻璃纤维制品。一般原丝丝饼所含水分为其总质量的8%～10%，采用专用的烘干设备给予人工干燥，使水分含量在0.1%左右，在此过程中，浸润剂中的黏结剂经加热熔融转为聚合、交联、成膜，使原丝性能得到改善。

就GFRP筋而言，有直接无捻粗纱和合股纱两类连续玻璃纤维纱供选择，直接无捻粗纱和合股纱的力学性能与表1-1相比有不同程度的下降，主要是纤维之间难以同时受力的缘故，其中直接无捻粗纱中各纤维的张紧程度基本相同，因而各纤维可以基本同时受力，应尽量选择。直接无捻粗纱中玻璃纤维直径通常在20μm以上，而单丝强度随直径的增加而减少；合股纱中玻璃纤维直径低于20μm，因而单丝强度更高，只是合股后，纱中玻璃纤维张紧程度差异性的原因，使得各纤维难以同时受力，不仅制备出的GFRP筋力学性能相对较差，而且生产稳定性降低，只是合股纱的价格相对较低。当GFRP筋作为锚杆使用时，往往需要配套的GFRP托盘和GFRP螺母，此时需要采用其他类型的玻璃纤维制品为原材料。

在要求强度、模量更高的GFRP锚索中，可以采用单丝直径更小且数量更少的玻璃纤维原丝束为原材料（不再经过合股），由于GFRP锚索是由众多小直径的锚索组成，因而以小线密度的玻璃纤维束为原材料更合适。

1.1.3　玻璃纤维浸润剂

玻璃纤维虽然具有很高的强度和模量，但其性脆，不耐磨，摩擦后易带静电，而且表面光滑，不易与树脂黏结。因此，需要对玻璃纤维的表面进行被覆处理，被覆处理有两个目的：满足由玻璃纤维制备出的各种最终材料的加工要求，满足玻璃纤维与各种树脂良好的黏结性。在玻璃纤维生产过程中，需要玻璃纤维在浸润剂中浸润，使其表面被覆浸润剂，然后干燥后。浸润剂永久覆盖在玻璃纤维表面，其含量虽然只有玻璃纤维质量的0.5%～2.0%，但影响其性能。

浸润剂一般包含以下组分：偶联剂、成膜剂、润滑剂、防静电剂、乳化剂等，这些组分在水中分散。以乳液状态稳定存在，以满足玻璃纤维通过时，浸润剂各种成分均匀分散。浸润剂是玻璃纤维生产中的“秘密武器”，通常作为技术核心而严格保密。下面说明浸润剂组分与GFRP筋性能的关系。

采用增强不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂作为基体树脂，采用连续玻璃纤维纱作为GFRP筋用增强材料，此玻璃纤维表面含有偶联剂KH-570，这种偶联剂中含有不饱和双键，可以与不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂发生交联反应而固化。与此对应的成膜剂则有聚酯乳液、环氧乳液、聚乙酸乙酯乳液及聚氨酯乳液，各种乳液含有几个品种，以适应不同的需要。与此对应的润滑剂、防静电剂、乳化剂有各自的应用范围，其目的主要是适应连续玻璃纤维生产的稳定性。

市场上有针对环氧树脂的连续玻璃纤维拉挤用纱产品，其特征是浸润剂中成膜剂以环氧乳液为主，偶联剂和其他助剂相应调整；在要求强度、模量更高的GFRP锚索中，可以采用此类玻璃纤维原丝束，以增强环氧树脂。

热塑性GFRP筋通常是指连续玻璃纤维增强聚丙烯筋，此类筋最大的特点是能够现场加热弯曲，适应现场二次加工要求，以满足混凝土结构。在制备热塑性GFRP筋时，不能选择增强热固性树脂的连续玻璃纤维拉挤纱，这是因为此类玻璃纤维表面的浸润剂与聚丙烯不相容，聚丙烯熔体难以浸润此连续玻璃纤维，导致玻璃纤维团聚严重，玻璃纤维增强效果很差；而应该选择专用于增强聚丙烯的连续玻璃纤维纱，此玻璃纤维表面含有聚丙烯成膜剂和对应的偶联剂KH-550，但由于聚丙烯成膜剂分子量较低且结晶性能较弱，影响到玻璃纤维的增强效果。