ВОЛОКНО ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к области армирования композиционных строительных и других смесей волокнами для приготовления фибробетонов, строительных смесей и деталей, изготавливаемых по технологиям порошковой металлургии.
На мировом рынке широко предлагаются металлические волокна, изготовленные разными способами: резанием проволоки, листового проката, фрезерованием слябов, а также получением из расплава жидкого металла. Фибра используется для объемного армирования бетона, штукатурных смесей и других композиционных материалов; это обеспечивает формирование трехмерной силовой структуры и препятствует раскрытию микротрещин, образующихся от рабочих нагрузок.
Известна стержневая арматура для железобетонных конструкций с периодическим профилем по длине на боковых поверхностях по «ГОСТ 5781-82. Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия». Периодический профиль обеспечивает надежное сцепление арматуры с бетоном по всей длине стержня при восприятии различных видов силовых факторов, действующих на конструкцию. К недостаткам арматуры применительно к объемному микроармированию композиционных материалов относятся ее значительные размеры, а изготовление микроарматуры подобного профиля либо невозможно, либо трудоемко и экономически нецелесообразно.
Известна дисперстная фибровая арматура по патенту России на изобретение №2212314 от 22.07.2002 г., МПК B23D 31/02 или по заявке №98109918/03 от 25.05.1998 г., МПК Е04С 5/03. Она выполнена в виде мерных листовых полосок с двумя анкерными участками на концах; анкеры представляют собой сегменты окружности серповидной формы и сопряжены с прямыми участками полосок. Данная геометрия волокон обеспечивает ей достаточную продольную жесткость и хорошие анкетирующие свойства, но прямолинейная и гладкая средняя часть не обладает качественным сцеплением с бетоном, поэтому рабочие нагрузки передаются через анкеры на волокна и провоцируют в бетоне эффект смятия с образованием сетки микротрещин.
Известна фибра по патенту на полезную модель №52580 от 14.12.2004 г., МПК B21F/00, выполненная в виде стальной проволоки с периодическим нитевидным профилем в виде выступов и впадин с заданным шагом, длина фибры связана с шагом профиля соотношением:
B/D=(18.0…55)/(7.0…11/00)
где: В - длина дискретного элемента фибры, мм
D - шаг профиля фибры, мм
А шаг профиля фибры связан с ее высотой зависимостью:
D/C=(7/0…11)/(1/5…3/50)
Кроме того, длина фибры связана с высотой профиля соотношением:
где дополнительно: С - высота профиля, мм..
В/С=(18/0…55/0)/(1/5… 3.5).
Данный аналог является наиболее близким к заявляемой сущности технического решения и принят за прототип. К его недостаткам следует отнести - периодический профиль проволоки расположен в одной плоскости, это ограничивает повышение объемных механических характеристик армируемых композиционных смесей в разных направлениях даже при хаотическом распределении отдельных фибр.
Задачей полезной модели является устранение всех вышеуказанных недостатков и обеспечение объемного характера сцепления волокна по всей его длине с наполнителем; выравнивание механических характеристик композиционных материалов одновременно в трех направлениях; а также повышения эксплутационных параметров на растяжение и износостойкость при одновременном снижении технических требований по изготовлению волокна и себестоимости его измельчения.
Поставленная цель достигается выполнением волокна в форме криволинейного отрезка с произвольным поперечным сечением, кривизна выполнена объемной, винтообразной с геометрическими параметрами, определяемыми соотношениями:
D/d=2…10
t/d=5…10
где: D - наружный диаметр винтообразного волокна,
d - усредненный диаметр проволоки,
t - шаг между витками волокна,
а размер d назначают в пределах:
d=0,001…1,0 мм;
волокно в поперечном сечении может быть многогранным и содержать от 3 до 6 граней, минимум одна из его граней выполнена зубообразной с шагом между зубьями 0,001-5,0 мм и их высотой 0,001-3,0 мм.
Признаки по объемности геометрии волокна, их соотношения между собой являются новыми по отношению к прототипу. Эта новизна является существенной, так как она способствует внутреннему наполнению объема волокна, данный признак отсутствует у прототипа и обеспечивает более полное восприятие рабочих нагрузок собственно волокном в трех направлениях.
Изложенная сущность поясняется чертежом, где изображено на:
фиг.1 - общий вид волокна,
фиг.2, 3, 4 варианты его поперечных сечений.
Волокно (фиг.1) представляет собой криволинейный, винтообразный мерный отрезок проволоки длиной L с размерами поперечного сечения неправильной формы, условно называемый усредненным диаметром d. Шаг или расстояние t между витками винтообразного волокна должен быть в пределах от 5 до 10 размера d.
Поперечное сечение проволоки имеет неправильную форму, т.е. не круглую или квадратную и любую другую правильную, симметричную форму, но преимущественно трехгранную (фиг.2) или четырехгранную (фиг.3) с зубьями минимум на одной из граней. Основания зубчатых канавок могут иметь в теле волокна трещины с выходом на две или три грани (фиг.4).
Размеры волокна назначаются в пределах выше указанных соотношений с выбором в качестве базового размера d в пределах 0,001…1,0 мм в зависимости от технологического назначения волокон. В частности, для сталефибробетона будет назначен d=(0,5…1,0) мм, для строительных штукатурных смесей - d=(0,1…0,3) мм. Для деталей, изготавливаемых по технологиям порошковой металлургии, например для тормозных колодок автотранспорта d=(0,01…0,05) мм. Не исключается применение размера d менее 0,01 в технологиях наноиндустрии, например, для воздушных фильтров с ноноячейками.
В качестве материала для волокон возможно использование любых металлов и полимеров, а также природных материалов.
Конкретные длины волокна, форма и размеры, используемые материалы для конкретных вариантов его использования, а также технологические особенности формования композиционных материалов будут назначаться после соответствующей технологической подготовки по изготовления собственно волокон, изготовления из них изделий, с последующими испытаниями эксплутационных характеристик.
Все приведенные выше геометрические параметры волокна в указанных пределах можно получить, инструментами ротационного резания, а отдельные размерные диапазоны волокна можно изготовить и другими инструментами.
Пример №1
Берем стальное волокно диаметром d=0,6 мм, длиной 35 мм и диаметром D=2,5 мм и подаем его в бетоносмеситель в соотношении - 7% весовых от массы бетона. После работы смесителя в течении 5…10 минут, в зависимости от состава и марки бетона получаем сталефибробетон, в котором тонкие фракции в виде песка и цемента заполняют внутреннее пространство винтообразного волокна. После наполнения сталефибробетоном металлической формы фундаментного блока происходит его отвердение до монолитного состояния, способного выдержать, например объемное воздействие вибраторов. Такие блоки применимы для строительства зданий для банков.
Пример №2.
Применяем латунное волокно с размерами: d=0,04 мм, D=0,2 мм, L=0,5 мм. Смешиваем его с наполнителем, содержащим связующее, неорганические наполнители в виде керамического, металлического порошков и др. Смесь композита размещаем в пресс-форму тормозной колодки для автотранспорта, осуществляем приложение механической и термической нагрузок до спекания заготовки. Металлическое волокно образует матрицу колодки для восприятия механических нагрузок и перераспределения температурных напряжений, а керамика, расположенная внутри и снаружи винтообразного волокна будет сопротивляться фрикционному износу.
Пример №3..
Используем волокна, изготовленные из нержавеющей стали с d=0,001 мм, D=0,05 мм и L=20 мм. Размещаем волокна послойно в корпусе воздушного фильтра, каждый новый слой располагаем перпендикулярно предыдущему, после чего слои уплотняем для исключения их взаимного перемещения. Такое расположение волокон обеспечит открытую пористость фильтра с размерами пор от долей микрона до нескольких его единиц.
Положительный технический эффект от использования предложенного технического решения обеспечивается повышением эксплутационных характеристик изделий и материалов, армируемых подобными волокнами и расширением вариантов их использования в различных промышленных отраслях.