КОМПОЗИТНАЯ АРМАТУРА
COMPOSITE REINFORCEMENT

Изобретение относится к строительству, а именно к неметаллической композитной арматуре, которая применяется для армирования термоизоляционных стеновых конструкций, монолитных бетонных и сборных конструкций, для использования в конструктивных элементах зданий в виде отдельных стержней, для армирования грунта основания зданий и сооружений, в том числе оснований автомагистралей и дорог, для анкеровки в грунте подпорных стен и сооружений.
Известна арматура стеклопластиковая по патенту 2194135 (опубл. 2002.12.10), содержащая несущий стержень из высокопрочного полимерного материала и обмотку с уступами, которые выполнены в виде жгута нитей, пропитанных связующим и спирально нанесенных с натягом. Данный вид арматуры содержит несущий стержень из высокопрочного полимерного материала (например, стекловолокно ГОСТ 17139-79, СВМ ТУ 6-06-1153-78), который относится к низкомодульным стеклянным волокнам, обеспечивающим получение арматуры с модулем упругости до 55000 МПа и пределом прочности до 1000 МПа. При использовании данной арматуры для армирования бетонных плит наблюдаются повышенные прогибы, что ухудшает качество изделий.
Известна арматура композитная по патенту №77310 (опубл. 2008.10.20), содержащая несущий стержень из высокопрочного полимерного материала и обмотку жгутами нитей противоположного направления навивки, причем соотношение площадей сечений первого обмоточного жгута и второго обмоточного жгута, навитого в противоположном направлении находится в пределах от 1 до 150, а угол навивки второго обмоточного жгута составляет 92°-150°.
Арматура содержит несущий стержень из высокопрочного низкомодульного стеклянного или базальтового волокна.
Бетонные изделия, изготовленные с использованием арматуры данного вида, в отличие от стальной арматуры - имеют повышенную деформативность и ширину раскрытия трещин. Такое поведение композитно-бетонных изделий обусловлено малым модулем упругости.
Авторами было выявлено, что модуль упругости - это мера жесткости материала, сопротивления развитию упругих деформаций. При испытаниях под нагрузками композитно-бетонных изделий с низкомодульной арматурой, например дорожных плит, бетон и арматура не работают совместно. Сначала нагрузки воспринимает бетон, а затем в работу включается арматура. В результате этого изделие имеет повышенные прогибы и ширину раскрытия трещин. Высокие прочностные свойства композитной арматуры из-за низкого модуля упругости в изделиях не реализуются.
Сравнительные характеристики композитной и стальной арматуры приведены в таблице 1.
Таблица 1
№№ п/п
Характеристика
Композитная стеклянная арматура
Композитная базальтовая арматура
Стальная арматура A-III
1
Временное сопротивление разрыву σ<sub>в</sub>, МПа
1000
1400
590
2
Модуль упругости Е<sub>р</sub>, МПа
55000
75000
200000
р
р
Модуль упругости значением Е=200000 МПа удовлетворяет требованиям к изделию по деформативности, а при меньших величинах Е<200000 МПа изделия имеют повышенную деформативность и не удовлетворяют предъявляемым требованиям.
Недостатком этой арматуры является то, что модуль упругости композитной арматуры ниже модуля упругости стальной арматуры, что приводит к ухудшению качества изделий и препятствует использованию неметаллической композитной арматуры в бетонных конструкциях.
Известен профильный стержень для армирования бетона (US 4620401 А, 04.11.1986), выполненный из стекловолокна, графита, угля, арамида, полипропилена, полиэфира или их комбинаций, пропитанных термореактивной смолой. Данная конструкция стержня позволяет изготавливать арматуру с различным модулем упругости и прочностью при растяжении.
р
р
р
Стержни из стеклянного волокна (Е=55000 МПа), полипропилена (Е=40000 МПа), полиэфира (Е=45000 МПа) относятся к низкомодульным изделиям. Стержни, изготовленные из графита, угля (Е=230000…600000 МПа), арамида (Е=400000-800000 МПа), являются высокомодульными изделиями.
Недостатком данного изделия является неравномерность расположения армирующих волокон в стержне, приводящая к изготовлению непрямолинейных стержней и ухудшающая прочность изделия. Отсутствие данных по подбору соотношений плотностей низко- и высокомодульных волокон не позволяет изготавливать композитную арматуру с необходимыми свойствами.
Предлагаемым изобретением решается задача создания композитной неметаллической арматуры, обладающей модулем упругости при растяжении, близком или равным 200000 МПа.
Для достижения указанного технического результата в композитной арматуре, содержащей несущий стержень из низкомодульных волокон и обмотки с уступами, несущий стержень выполнен армированным высокомодульными волокнами при соотношении линейных плотностей низкомодульных волокон к высокомодульным от 1,5 до 5, причем высокомодульные волокна собраны в пучки, равномерно расположенные в массиве низкомодульных волокон.
Отличительными признаками предлагаемого изобретения от указанного выше наиболее известного является то, что несущий стержень выполнен армированным высокомодульными волокнами при соотношении линейных плотностей низкомодульных волокон к высокомодульным от 1,5 до 5, причем высокомодульные волокна собраны в пучки, равномерно расположенные в массиве низкомодульных волокон.
Благодаря наличию этих признаков, создана новая конструкция высокопрочной композитной арматуры с модулем упругости, близким или равным модулю упругости металлической арматуры.
Повышение прочности композитной арматуры достигнуто за счет размещения в определенном порядке в массиве низкомодульных волокон несущего стержня волокон высокопрочных и высокомодульных волокон.
Расположение высокомодульных волокон определяется технологией безфильерного способа изготовления композитной арматуры (патент RU 2287431), по которому из нитей ровингов после размотки формируют от 2 до 10 отдельных пучков, затем каждый пучок раздельно пропитывают полимерным связующим, отжимают, протягивают и формуют профиль арматуры путем объединения пучков ровинга в единый стержень при выполнении спиральной намотки обмоточным жгутом. Добавление высокомодульных волокон в пучки ровингов позволяет в соответствии с канальной раскладкой равномерно разместить их в массиве низкомодульных волокон.
Отклонение расположения высокомодульных волокон от геометрического центра канала находится в пределах размера одного пучка ровинга. В связи с этим, армирующие волокна могут быть расположены как в массиве несущего стержня, так и на его поверхности, с равномерным распределением по окружности.
Расчетное значение эффективного модуля упругости арматуры можно определить, например, по формуле Фойгта (книга Победря С.Е. Механика композиционных материалов. Москва, МГУ, 1984 г.)
e
f
f
m
f
E=EV+E(1-V), где
е
Е - эффективный модуль упругости стержня;
f
E - модуль упругости высокомодульных волокон;
m
E - модуль упругости низкомодульных волокон;
f
V - объемная плотность высокомодульных волокон.
Из формулы видно, что чем выше характеристики высокомодульных волокон, тем меньше их необходимо для получения композитной арматуры с модулем упругости, близким или равным модулю упругости металлической арматуры.
Предлагаемая конструкция иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.
На фиг.1 показан общий вид композитной арматуры с одной спиральной обмоткой.
На фиг.2 показан общий вид композитной арматуры со спиральными обмотками противоположного направления навивки.
На фиг.3 показано поперечное сечение композитной арматуры с равномерно расположенными пятью пучками высокомодульных волокон.
На фиг.4 показано поперечное сечение композитной арматуры с равномерно расположенными восемью пучками высокомодульных волокон.
Арматура композитная содержит несущий стержень 1 (фиг.1, 2), на котором расположена одна обмотка 2 (фиг.1) или две спиральные обмотки 3 и 4 (фиг.2).
Несущий стержень 1 выполнен из низкомодульных стеклянных или базальтовых волокон, пропитанных полимерным связующим. Высокомодульные волокна 5 (фиг.3 и 4) равномерно, в соответствии с канальной раскладкой пучков ровингов, расположены в массиве низкомодульных волокон несущего стержня 1. В качестве высокомодульных волокон могут быть использованы волокна органического и неорганического происхождения, например углеродные, борные, кевларовые, сверхвысокомолекулярные полимеры, которые имеют модуль упругости при растяжении более 200000 МПа. Для получения необходимых характеристик несущий стержень может быть выполнен с различной канальной раскладкой пучков ровингов, например, на фиг.3 показан несущий стержень, включающий 5 ровингов высокомодульного волокна, а на фиг.4 показан несущий стержень, включающий 8 ровингов высокомодульного волокна.
Арматуру композитную изготавливают методом «нидлтрузии» путем протягивания волокон несущего стержня через раздельные каналы с последующей обмоткой намоточным жгутом. Низкомодульные и высокомодульные волокна равномерно распределены по каналам и пропитаны полимерным связующим на основе эпоксидных, полиэфирных, винилэфирных и других синтетических смол, обеспечивающих необходимые прочностные свойства матрицы композита. При применении в качестве полимерного компонента, например эпоксидной смолы ЭД-20, связующее имеет следующий состав:
- Эпоксидная смола ЭД-20-100 в.ч.
- Отвердитель - изометилтетрагидрофталевый ангидрид - 80 в.ч.
- Ускоритель - алкофен - 2 в.ч.
- Модифицирующая добавка (продукт взаимодействия алифатических смол с полидиизоцианатами) - 20 в.ч.
В случае работы с полиэфирами может быть использован следующий состав:
- Полиэфирная ненасыщенная смола «Камфэст-05» - 95 в.ч.
- Ускоритель НК-2-5 в.ч.
После отверждения полученный стержень разрезают на отрезки необходимой длины.
р
р
р
р
р
р
Несущий стержень состоит из массива низкомодульных волокон, например стеклянных (Е=55000 МПа) или базальтовых (Е=75000 МПа), и высокомодульных волокон с модулем упругости, превышающим модуль упругости стальной арматуры (Е=200000 МПа), например углеродных волокон (Е=230000÷800000 МПа), борных волокон (Е=400000÷800000 МПа), кевларовых волокон (Е=150000÷400000 МПа), волокон сверхвысокомолекулярных полимеров (Ер=180000÷450000 МПа).
Ниже приведен пример испытаний композитной базальтопластиковой арматуры с диаметром 6 мм при армировании несущего стержня углеродными волокнами с различным модулем упругости. Цель испытаний - определение оптимального соотношения низкомодульных и высокомодульных волокон для создания качественной композитной арматуры, обладающей модулем упругости при растяжении, близким или равным 200000 МПа.
Результаты испытаний приведены в таблице 2, где:
н
Т - линейная плотность низкомодульных волокон (ед. измерения - тэкс)
в
Т - линейная плотность высокомодульных волокон (ед. измерения - тэкс).
m
l
Линейная плотность волокон определяется по ГОСТ 6943-79 «Материалы текстильные стеклянные» по формуле: T=1000·/, где:
m - масса отдельного мотка или отрезка (ед. измерения - грамм).
l - длина нити, пряжи, ровинга или отрезка (ед. измерения - метр).
р
По результатам испытаний было выявлено, что соотношение линейных плотностей низкомодульных и высокомодульных волокон в несущем стержне арматуры для обеспечения Е=200000 МПа в зависимости от используемого высокомодульного волокна изменяется от 1,5 до 5.
Предлагаемая конструкция неметаллической композитной арматуры позволяет достичь модуля упругости при растяжении до уровня металлической арматуры, равной 200000 МПа, с одновременным увеличением предела прочности при растяжении.
Предлагаемая композитная арматура обладает необходимыми качественными характеристиками, позволяющими широко использовать ее для армирования ответственных монолитных бетонных конструкций.
ТАБЛИЦА 2
Пример № п/п
Низкомодульные волокна
Высокомодульные волокна
Т<sub>н</sub>/Т<sub>в</sub>
Е<sub>р</sub>, МПа
σ<sub>р</sub>, МПа
1
Базальтовый ровинг РБН-1260
94510
1300
Е<sub>р</sub>=95000 МПа Т<sub>н</sub>=26400 тэкс
-
-
2
Базальтовый ровинг РБН-1260
Углеродная нить УКН-М-760
34,7
104400
1350
Е<sub>р</sub>=95000 МПа
Е<sub>р</sub>=230000 МПа
Т<sub>н</sub>=26400 тэкс
Т<sub>в</sub>=760 тэкс
3
Базальтовый ровинг РБН-1260
Углеродная нить УКН-М-760
17
201100
1830
Е<sub>р</sub>=95000 МПа
Е<sub>р</sub>=230000 МПа
Т<sub>н</sub>=26400 тэкс
Т<sub>в</sub>=1520 тэкс
4
Базальтовый
Углеродная нить
ровинг РБН-1260
УКН-М-1600
16,5
113000
1370
Е<sub>р</sub>=95000 МПа
Е<sub>р</sub>=345000 МПа
Т<sub>н</sub>=26400 тэкс
Т<sub>в</sub>=1600 тэкс
5
Базальтовый
Углеродная нить
ровинг РБН-1260
УКН-М-1600
1,8
203400
1870
Е<sub>р</sub>=95000 МПа
Е<sub>р</sub>=345000 МПа
Т<sub>н</sub>=26400 тэкс
Т<sub>в</sub>=14400 тэкс
6
Базальтовый
Углеродная нить
ровинг РБН-1260
УКН-М-1600
2,75
202300
1850
Е<sub>р</sub>=95000 МПа
Е<sub>р</sub>=500000 МПа
Т<sub>н</sub>=26400 тэкс
Т<sub>в</sub>=9600 тэкс
7
Базальтовый
Углеродная нить
ровинг РБН-1260
УКН-М-1600
3,3
201900
1830
Е<sub>р</sub>=95000 МПа
Е<sub>р</sub>=600000 МПа
Т<sub>н</sub>=26400 тэкс
Р<sub>в</sub>=8000 тэкс
8
Базальтовый
Углеродная нить
ровинг РБН-1260
УКН-М-1600
4,1
200050
1790
Е<sub>р</sub>=95000 МПа
Е<sub>р</sub>=700000 МПа
Т<sub>н</sub>=26400 тэкс
Т<sub>в</sub>=6400 тэкс
9
Базальтовый
Углеродная нить
ровинг РБН-1260
УКН-М-1300
4,1
201300
1830
Е<sub>р</sub>=95000 МПа
Е<sub>р</sub>=800000 МПа
Т<sub>н</sub>=26400 тэкс
Т<sub>в</sub>=6400 тэкс
10
Стеклянный
Кевларовая нить
34,7
55000
1000
ровинг ЕС
Е<sub>р</sub>=150000 МПа
Е<sub>р</sub>=55000 МПа Т<sub>н</sub>=26400 тэкс
Т<sub>в</sub>=760 тэкс
11
Стеклянный
Кевларовая нить
6,95
57000
1100
ровинг ЕС
Е<sub>р</sub>=150000 МПа
Е<sub>р</sub>=55000 МПа
Р<sub>в</sub>=3800 тэкс
Т<sub>н</sub>=26400 тэкс