1.2　基体树脂、固化剂与GFRP筋原材料选择

按高分子材料性能分类，可分为树脂（塑料）、橡胶和纤维三大类。树脂（塑料）又分为热塑性树脂（塑料）和热固性树脂（塑料），热塑性树脂（塑料）由线型高聚物组成，能够溶解和熔融，可以反复多次成型加工。热固性树脂（塑料）由反应性低分子量预聚体或带反应性官能团的高分子合成材料通过加热固化而成，在成型过程中，通过反应性官能团发生交联反应，形成体型网状结构，固化后的热固性高分子材料不溶不熔。树脂和塑料，在学术规范方面是不同的，但约定俗成后，两者代表一个含义。

GFRP筋中，树脂作用：一是将分散的增强纤维粘接在一起，使其成为整体，使纤维定向定位；二是起着传递作用，将外力有效地传递到增强纤维上。GFRP筋的各项主要性能如电性能、耐温性、防腐性，主要是由树脂决定的。GFRP筋中，热塑性树脂和热固性树脂应用方面差异很大，下面分别说明。

1.2.1　热固性树脂、固化剂

应用于GFRP筋的热固性树脂主要是环氧树脂、乙烯基酯树脂和不饱和聚酯树脂，此三类树脂需要对应的固化剂使其固化，下面分别说明。

环氧树脂是指含有两个或两个以上环氧基，并在适当固化剂的作用下能够交联成网络结构的一类聚合物。根据环氧树脂的组成不同，可以分为双酚A型、双酚F型、双酚S型、氢化双酚A型、线型酚醛型、多官能基缩水甘油胺树脂、卤化型（溴化、氟化）。环氧树脂固化剂种类很多，固化反应各异，如按固化剂的化学结构不同，可分为胺类、酸酐类以及其他树脂固化剂等；如按固化剂的固化温度不同，又可分为低温、中温和高温固化剂，以及潜伏性固化剂等；如果按固化反应的类型不同，则大体上可分为催化剂型和交联剂型两大类。由于GFRP筋、锚索成型的特点，环氧树脂通常采用酸酐类固化剂，在相同玻璃纤维体积率的前提下，GFRP筋、GFRP锚索呈现出更高的强度和模量，且热变形温度更高，但采用酸酐类固化剂交联的环氧树脂，不能耐受混凝土的强碱性。对于GFRP、CFRP、AFRP片材加固混凝土结构，为提高结构的承载能力，需要使用胺类固化剂，此类固化剂可以在常温下固化环氧树脂，使得GFRP、CFRP、AFRP片材与混凝土之间具有较高的界面黏结能力；同时，浸渍GFRP、CFRP、AFRP单向、双向布使其固化成为片材也使用胺类固化剂；环氧树脂、胺类固化剂多品种，可以满足多种应用需要且耐受混凝土的强碱性，但热变形温度不高是其应用潜在的隐患。典型酸酐175℃固化后的环氧树脂基体力学性能见表1-2。

乙烯基酯树脂是20世纪60年代发展起来的一类新型高度耐腐蚀的树脂。它通常是环氧树脂和含烯键的不饱和一元羧酸的加成聚合物，简称VE。在树脂分子中，只在分子链的两个端部有不饱和双键和酯键，酯键的密度远小于不饱和聚酯树脂，且由于存在交联后苯乙烯长链的保护性，因而耐碱腐蚀能力远高于不饱和聚酯树脂。VE的工艺性能与不饱和聚酯树脂相似，黏结性和力学性能上又与环氧树脂相近。这类树脂既具有环氧树脂优良的黏结性和力学性能，又具有不饱和聚酯树脂良好的工艺性能，因而可称为结合不饱和聚酯树脂和环氧树脂的长处而产生的一类新型树脂。其主要特点如下：①可以通过引发剂的引发而实现迅速固化，其固化工艺和不饱和聚酯树脂相同；②对增强纤维具有优良的渗透和黏结能力，这种性能和环氧树脂相同；③通过控制交联结构，可以获得中等或较高的热变形温度，同时获得较大的延伸性；④具有优良的耐化学腐蚀性能。对于混凝土结构长期使用的GFRP筋而言，耐受碱腐蚀的能力很关键，乙烯基酯树脂是首选，其中甲基丙烯酸与环氧树脂的加成物耐碱腐蚀能力更强于丙烯酸与环氧树脂的加成物，应优先选择。由于环氧树脂品种很多，导致乙烯基酯树脂品种很多，性能差异性很大。典型固化后的乙烯基酯树脂的力学性能见表1-3。

不饱和聚酯树脂是热固性树脂中最常用的一种。它是由饱和二元酸、不饱和二元酸（或酸酐）和二元醇缩聚而成的线型聚合物，经过交联单体或活性溶剂稀释形成具有一定黏度的树脂溶液，简称UP。在树脂分子中同时含有重复的不饱和双键和酯键，使用时再加入固化剂苯乙烯单体，使苯乙烯单体和不饱和聚酯分子中的双键发生自由基共聚反应，最终交联成为体型结构的树脂。不饱和聚酯具有100%的反应能力，即液态组成物能够全部转变成固态聚合物，而不分离出副产品，同时具有良好的力学、介电、耐酸、耐腐蚀性能。不饱和聚酯树脂与单体共聚物的性质与如下因素有关：①酯和单体的化学组成；②反应组分的配比；③聚酯合成时的工艺条件（温度、操作、步骤）；④引发剂和促进剂的类型及用量。树脂种类包括：邻苯型、间苯型、对苯型、双酚A型、卤化物型。对于混凝土结构短期使用的GFRP筋而言，由于不饱和聚酯树脂性能范围宽泛且价格较低，因而得到应用。多种固化后的不饱和聚酯树脂的力学性能见表1-4。

通常用于乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂的交联剂是苯乙烯，其基本物性见表1-5。

苯乙烯用量变化对树脂的硬度和强度影响最重要。如采用苯乙烯与聚酯链中不饱和双键比为1∶1（摩尔比，配料）时，苯乙烯占树脂质量分数的15%～20%，树脂脆而硬，强度很低。将苯乙烯用量增加到30%～35%（质量分数），可获得最高强度。将苯乙烯用量（质量分数）增加到40%、50%、60%时，又使得树脂强度下降，此时树脂中出现更多的聚苯乙烯链，影响性能。由表1-5可知，苯乙烯属于乙类爆炸性液体，同时爆炸下限很低，因而具有一定的危险性，且苯乙烯对人体、生物体、环境会造成伤害，医学上将其列入致癌性物质，已经成为不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂的公害，但由于此单体价格便宜且固化后树脂的各项指标良好，目前仍然是应用的首选。虽然商品化的不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂已包含一定量的苯乙烯，但由于需要在这些树脂中添加一定量的添加剂以改善性能，导致树脂混合物的黏度增加，影响到纤维的浸渍，通过再补充一定量的苯乙烯单体以降低黏度，满足浸渍要求，导致苯乙烯总量增加而影响树脂性能。

苯乙烯单体和不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂需要在自由基的作用下进行交联固化反应，一方面苯乙烯与此两类树脂中的不饱和双键发生交联；另一方面苯乙烯发生自身聚合形成长链。自由基来自引发剂的分解，导致引发剂分解的外界因素是加热或化学反应，前者使得引发剂发生热分解，后者使得引发剂通过氧化还原反应而分解，这种还原剂被称为促进剂。此外，为了保证树脂具有常温下足够长的稳定期，需要添加阻聚剂，它能够吸收自由基。引发剂、促进剂、阻聚剂是不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂进行交联固化反应的重要物质，它们之间具有制衡作用，其品种很多，以适应不同的产品和相应的工艺。由于篇幅所限，在此不作进一步说明，将在后续有关部分介绍。

1.2.2　热塑性树脂

钢筋在增强混凝土结构中得到广泛的应用，其中钢筋易弯曲性能是关键。在腐蚀性环境下可以使用环氧树脂涂层钢筋，我国建筑行业标准JG 3042—1997规定，弯曲时，环氧树脂涂层不得从钢筋表面脱离、断裂，否则需要修补达到要求；钢筋能够弯曲的关键是弹塑性材料具有屈服点且断裂延伸率较高。

FRP筋材料是弹性材料，没有屈服点且断裂延伸率很小，这些特性表明FRP筋不可能像钢筋一样进行现场弯曲以适应混凝土结构要求，只能采用工厂预先制备的方法成型，从而带来很多不便。GFRP筋作为箍筋时，需要预先将玻璃纤维在树脂中浸渍，然后模压成为最终的GFRP箍筋，此箍筋的拉伸强度、拉伸模量与热固性FRP筋材的相关指标差距甚远，比如拉伸模量难以达到20GPa，而环氧树脂涂层钢筋作为箍筋时，其拉伸模量可达到200GPa，其值是GFRP箍筋的10倍以上。

目前就国内外初步研发的可弯曲GFRP筋来看，普遍采用聚丙烯作为基体树脂，连续玻璃纤维为增强纤维，制备出直线状态的GFRP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、弯矩。聚丙烯的基本性能见表1-6，作为混凝土增强用的纤维之一，聚丙烯纤维耐碱腐蚀性能是前提，一定的力学性能是关键。

聚丙烯经过玻璃纤维增强后，其力学性能、热变形温度变化很大，见表1-7。

丙烯和少量的乙烯共聚，形成的共聚聚丙烯仍然具有一定的结晶能力，拉伸强度、模量以及弯曲模量有一定程度的下降，但缺口抗冲击强度增加明显。采用短玻璃纤维增强后，表1-7中的各项力学性能指标增加明显，尤其是热变形温度提高近一倍。随着玻璃纤维长度的增加，玻璃纤维聚丙烯复合材料性能增加明显，见表1-8。

长、短玻璃纤维增强聚丙烯粒料，主要用于注塑成为最终的产品，产品中的玻璃纤维长度不同，进而影响到产品的力学性能，表1-7和表1-8反映了这种差异性。

当玻璃纤维的长度再增加达到连续玻璃纤维时，连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料力学性能较表1-7和表1-8增加更加明显。法国圣哥班公司生产一种纤维束状的玻璃纤维增强聚丙烯热塑性复合材料预浸纱，该产品适合于缠绕和拉挤成型工艺，也可用于纤维织物加工，主要用于汽车部件等一般工业结构件的制造。预浸纱有不同规格产品，增强玻璃纤维质量含量分别为35%、60%和75%，对应的线密度分别为1500tex、1870tex和2100tex等，使用时将复合纱加热到聚丙烯熔点以上，并在一定压力下固结。由此复合纱制备的材料的力学性能和工艺参数见表1-9。

与表1-1中的热固性GFRP筋性能对比，表1-9中玻璃纤维含量（质量分数）60%、75%对应的复合材料的拉伸强度满足要求，玻璃纤维含量（质量分数）75%对应的复合材料拉伸模量接近40GPa，而拉挤速度可高达67m/min，此速度几乎是热固性GFRP筋的50～100倍，显然从大规模、高效率生产GFRP筋角度来看，采用纤维束状的玻璃纤维增强聚丙烯热塑性复合材料预浸纱生产GFRP筋更具备优势。