目前市场上的钢筋主要由钢制成，尽管一些钢筋可以以复合材料的形式获得，主要是热固性树脂，并且一些热塑性钢筋开始出现在市场上。

将钢筋技术从金属钢筋转移到复合材料的主要原因是对金属氧化的反应。在极端的气候条件下，如潮湿，会生锈。这导致金属的内部体积膨胀，导致混凝土开裂，露出钢筋结构。如果不及时制止，这种现象会导致结构失效。在极端的腐蚀环境中，例如海边，或者温度和/或化学条件超出正常范围的地方，这种现象会被放大。不生锈的复合钢筋是解决金属钢筋问题的答案。

环氧树脂涂层的金属钢筋可减缓腐蚀，但腐蚀仍会发生。不锈钢钢筋也存在，但它们非常昂贵，大约是标准钢筋成本的6到7倍。已经上市的复合钢筋提供了优异的耐腐蚀性、有利于它们在建筑和公共工程中使用的电绝缘和热绝缘、高机械强度和令人满意的疲劳性能。它们也比钢轻，密度大约是钢的1/4。就成本而言，几项研究表明，复合钢筋比钢筋相对更贵[1]。然而，如果我们考虑产品的整个生命周期，复合钢筋的维护成本比金属钢筋低得多。这就是为什么，就整个产品生命周期而言，复合钢筋比金属钢筋更经济。

此外，市场上可获得的传统钢筋由热固性树脂制成，因此不能在现场弯曲。开发热塑性(TP)树脂基钢筋的优点是，像金属钢筋一样，它可以在现场弯曲，同时保留复合钢筋的优点。

由Arkema生产的基于Elium热塑性树脂的复合钢筋目前正在开发中。除了复合钢筋的所有优点之外，它还有一个额外的优点，就是可以在现场弯曲。由于钢筋是一种等截面构件，拉挤工艺是经济地生产它的理想解决方案(连续生产)。因此，我们的工作集中在开发特定等级的Elium树脂，研究这些TP钢筋的纹理和弯曲。

图1:带滚花装置的拉挤生产线原理

拉挤工艺(图1)使用锥形模具(不需要拉挤铝树脂，但针对我们的工艺进行了优化)，开发该模具是为了减少复合材料生产中固有的孔隙率，同时还能在钢筋表面的外侧沉积一层树脂[2]。这种完全结合到复合结构上的薄的纯树脂层具有足够的热塑性以允许纹理化，而不会通过加热或施加机械应力而降低产品的质量。当然，这里的主要思想是避免纤维结构的退化，从而在薄树脂层的几何形状或纹理上发挥作用。滚花被认为是最适合这项任务的工艺。标准化的拔出测试确保开发的解决方案是可行的并且通过了标准。

阿科玛还开发了一种特殊的树脂等级，以实现高机械性能，并确保钢筋所受环境应力的某些保证。耐碱性是这里的重点。树脂开发工作导致阿科玛公司专门为钢筋应用销售Elium C599E树脂等级(图2)。

图2:拉挤模具和钢筋视图

一旦生产出这些钢筋，下一步就是开发将它们弯曲成所需形状的弯曲工艺。

这里热塑性树脂的存在是非常有利的，因为它可以被加热到足够高的温度，使得产品能够形成新的几何形状。这里的想法是以受控的方式加热产品的一个区域，使其变形。已经研究了几种加热技术，包括微波、红外辐射(IR)、传导和对流加热。事实证明，就加热区效率和表面加热而言，最好的折衷方案是红外加热。这使得钢筋内部的温度梯度尽可能得到控制，从而保证其完整性。

一旦要弯曲的钢筋部分达到正确的温度，就应该进行变形，不仅实现目标几何形状，而且保证纤维网络的完整性。弯曲非零厚度的复合材料产品时，主要问题是纤维消耗(图3)，有时内背和外背之间的纤维消耗不相等。

图3:弯曲钢筋的纤维消耗

事实上，弯曲一根棒需要控制相对于产品中性纤维的各种纤维的消耗，否则，诱导产品会出现褶皱和/或张力过大。这一步骤可以采取几种形式:传统上，扭曲纤维网络，从而降低复合材料的诱导性能，或其他方法还不能公开。

就表征程序而言，有两种测试是标准化的:拔出测试，包括将直的、有纹理的钢筋倒入混凝土块中，然后对其施加拉力。该测试检查钢筋和混凝土之间的附着力。第二个测试是弯曲钢筋的拔出，其中弯曲钢筋的一部分被浇铸到混凝土块中，另一部分受到拉力。测试涵盖了断裂区和获得的最大应力水平(图4)。

图4:标准化拔出测试

为了确保所开发解决方案的可行性，阿科玛和IRT·M2P合作生产的Elium钢筋不仅与市售热固性(TS)乙烯基酯钢筋进行了比较，还与标准要求的最低值进行了比较。根据ASTM D8505和ASTM D7957标准，Elium基钢筋表现出与乙烯基酯钢筋相对相似的性能，并超过标准[3] [4]要求的最低性能。

通过IRT M2P公司开发的在线纹理化工艺保证了混凝土中的附着力，该工艺不去除任何材料，可以弯曲成金属钢筋。应该指出的是，这些钢筋的回收已经通过机械回收(IRT·M2P通过研磨和热压)和解聚(阿科玛)得到证明。然而，与市场上的其他钢筋一样，将硬钢筋从混凝土中分离的问题仍未解决。

这些Elium钢筋已经在商业上用于土木工程结构的维修和维护操作。出于维修目的，这些钢筋中的一些已经安装在整个欧洲的现有结构上。Dextra和Sireg两家Elium钢筋生产商已经将自己定位为这些TP钢筋的商业供应商。

这项研究得到了法国材料、冶金和工艺技术研究所(IRT·M2P)和法国国家研究机构(ANR)的资助，资助协议编号为ANR-10-AIRT-04。我们还感谢项目合作伙伴Arkema的贡献，他们的支持有助于推进这项工作。

[1]混凝土桥梁钢筋替代方案的成本和环境分析——结构和基础设施工程，第16卷，第4期，787-802页，Thomas Cadenazzi等人，2020年
[2] WO2023233032A1，复合热塑性塑料泡沫的生产工艺，复合热塑性塑料泡沫的成型和生产系统
[3] D''Antino，Tommaso等人，“暴露在碱性环境中的热固性和热塑性GFRP棒的拉伸和层间剪切行为。”建筑工程学报72 (2023): 106581
[4] Brahim Benmokrane等人，新开发的用于加固混凝土结构、建筑和建筑材料的热塑性GFRP钢筋的物理、机械和耐久性特性，卷276，2021，122200