КОМПОЗИТНАЯ АРМАТУРА С УВЕЛИЧЕННОЙ УДЕЛЬНОЙ ПЛОЩАДЬЮ ПОВЕРХНОСТИ

Полезная модель 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
Известен арматурный элемент, описанный в книге Фролова В.П. «Стеклопластиковая арматура и стеклобетонные конструкции» (М, Стройиздат, 1980, стр. 20-27), содержащий стержень из стеклянных волокон, пропитанных полимерным связующим и скрепленных спиральной обмоткой.
Недостатками этой арматуры является то, что вырыв стержней, с наклеенной на цилиндрический стержень винтовой навивкой, происходит преждевременно в результате ее сдвигового отрыва (среза) от «тела» стержня и способность сцепления с бетоном недостаточная для их совместной работы во всем диапазоне растягивающих напряжений допустимых для данного стержня.
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).
Недостатками этой арматуры являются поперечные деформации в волокнах силового стержня, возникающие вследствие его обмотки жгутами с натягом и способность сцепления с бетоном недостаточная для их совместной работы во всем диапазоне растягивающих напряжений допустимых для данного стержня.
Известна арматура для бетонных элементов по патенту №2413059 (опубл. 27.02.2011), содержащая, по меньшей мере, один растянутый жгут, образованный из малого числа моноволоконных нитей, которые, когда погружаются в связующее вещество, образуют волоконный жгут, внешняя поверхность которого покрывается зернистым материалом, таким как, например, песок.
Недостатками этой арматуры является то, что при выдергивании из бетона разрушение происходит преждевременно, в том числе по слою песка на поверхности арматуры вследствие среза его крупных зерен и способность сцепления этой арматуры с бетоном недостаточная для их совместной работы во всем диапазоне растягивающих напряжений допустимых для данной арматуры.
Автором было выявлено, что по результатам испытаний, представленным различными производителями композитных арматур в открытых источниках, максимальная сила при выдергивании таких арматур из бетона находится в диапазоне 25-40% от нагрузок соответствующих пределам прочности на разрыв этих арматур.
Таким образом, можно сделать вывод, что эти арматуры имеют способность сцепления с бетоном недостаточную для их совместной работы во всем диапазоне допустимых для данных арматур нагрузок и следовательно их высокие прочностные свойства остаются нереализованными.
Предлагаемой полезной моделью решается вопрос увеличения способности сцепления композитной арматуры с бетоном.
Экспериментальные исследования сцепления композитной арматуры с бетоном, проведенные в 2013 году в Казанском государственном архитектурно-строительном университете, показали, что сцепление композитной арматуры с бетоном обеспечивается за счет адгезии цементного камня с эпоксидным покрытием, а не механическим зацеплением витков или песчинок в бетонной матрице (http://izvestija.kgasu.ru/files/1_2013/214_220_Khozin_Piskunov.pdf).
Прочность сцепления определяется по формуле:
τ=F/Cl
где τ - среднее напряжение сцепления, F - растягивающая нагрузка, C - эквивалентная окружность стержня композитной арматуры, l - длина заделки. (ACI 440.3R-04 Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures, 2004 - 40p.).
Следовательно, увеличение эквивалентной окружности стержня композитной арматуры, иначе говоря, периметра поперечного сечения при сохранении его площади позволит на столько же увеличить значение растягивающей нагрузки при выдергивании, т.е. повысит способность сцепления этой композитной арматуры с бетоном и позволит полнее реализовать ее высокие прочностные свойства при работе в несущей конструкции.
Для достижения указанного технического результата автором разработана полезная модель композитной арматуры, имеющая профиль поперечного сечения, выполненный в виде совокупности четного числа расположенных поочередно и принадлежащих двум концентрическим кругам с диаметрами Dmin и Dmax секторов равной угловой меры, составляющих в сумме полный угол, причем значения Dmin и Dmax расположены в пределах 0<Dmin<Dэкв и , где Dэкв - диаметр такого же по составу, с поперечным сечением равной площади, но имеющим форму круга, арматурного стержня (эквивалентный стержень).
Значения Dmin и Dmax определяются путем решения системы уравнений составленной из условия, что площадь поперечного сечения получаемого стержня останется равна площади поперечного сечения такого же по составу, но круглого арматурного стержня диаметром Dэкв (эквивалентный стержень), а периметр будет изменен в B раз до значения необходимого для обеспечения сцепления такого стержня с бетоном конструкции вплоть до величины растягивающей нагрузки, соответствующей пределу прочности данного стержня при растяжении:
где Sn - площадь поперечного сечения получаемого стержня.
Sэкв - площадь поперечного сечения круглого арматурного стержня диаметром Dэкв (эквивалентный стержень).
Pn - периметр поперечного сечения получаемого стержня.
Pэкв - периметр поперечного сечения круглого арматурного стержня диаметром Dэкв (эквивалентный стержень).
B - коэффициент, определяющий во сколько раз необходимо увеличить периметр такого эквивалентного стержня, чтобы обеспечить требуемое сцепление с бетоном конструкции.
Из условия сохранения площади поперечного сечения 5п=5экв получаем:
2
2
2
π·Dэкв/4=π·Rmax/8+π·Rmax/8, где π=3,14 отсюда:
где 0<Dmin<Dэкв и
Из условия соотношения периметров Pn=B·Pэкв
получаем:
π·Dmax/2+π·Dmin/2+(Dmax-Dmin)·n/2=B·π·Dэкв
где n - принятое число секторов
отсюда:
Учитывая, что 0<Dmin<Dэкв и , из (2) получаем, что значения коэффициента В могут находиться в пределах от 1 до , т.е. периметр поперечного сечения арматурного стержня может быть увеличен в диапазоне от 1 до  раз по отношению к круглому сечению равной площади.
Стоит отметить, что практический смысл имеет назначение числа секторов n в диапазоне 6-12.
Так, из  видно что при n=6 1<В<2; при n=8 1<В<2,5; при n=10 1<В<2,95; при n=12 1<В<3,4, что вполне достаточно для увеличения максимальной силы выдергивания таких арматур из бетона в 2-3 раза.
Определив во сколько раз необходимо увеличить периметр стержня и приняв число секторов, из которых будет состоять его профиль, находим значения Dmax и Dmin.
Для этого необходимо решить систему уравнений:
из (2)
, следовательно подставив это значение Dmax в (1) получим:
или
Данное уравнение является квадратным уравнением вида
2
ах+bx+с=0, где
x=Dmin; ; ; .
Решения квадратного уравнения находятся по формулам
2
и , где D=b-4·a·c
1
2
Очевидно, что при принятых ограничениях коэффициенты а и b всегда будут иметь положительные, а коэффициент с - отрицательное значение. Следовательно, D>0 и уравнение имеет два действительных решения, из которых х>0, а х<0.
Таким образом
Данная полезная модель позволяет получать арматурные стержни с удельной площадью контакта обеспечивающей совместность их работы с бетоном конструкции вплоть до значения растягивающей нагрузки, соответствующего пределу прочности данного стержня при растяжении.
Благодаря наличию этого признака, создана новая конструкция высокопрочной композитной арматуры с повышенной способностью сцепления с бетоном, позволяющая реализовать ее высокие прочностные свойства при работе в несущей конструкции.
Рассмотрим вышеизложенное на примере композитного арматурного стержня диаметром 10 мм. по ГОСТ 31938-2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия», который примем за эквивалентный, Dэкв=10 мм.
в
В соответствии с техническими требованиями данного ГОСТа предел прочности при растяжении σ арматуры композитной полимерной должен быть не менее 800 МПа.
Для стержня диаметром 10 мм. это соответствует растягивающей нагрузке F=62,8 кН (F=σ·S, где F - растягивающая нагрузка, σ - напряжение в стержне соответствующее данной нагрузке, S - площадь поперечного сечения растянутого стержня).
γ
В тех же технических требованиях указано, что для данной арматуры предел прочности сцепления с бетоном τ должен быть не менее 12 МПа.
Для стержня диаметром 10 мм., при длине сцепления арматуры с бетоном 5d (по ГОСТ 31938-2012 приложение Д), это соответствует растягивающей нагрузке F=18,84 кН (F=τ·C·l, где F - растягивающая нагрузка, τ - среднее напряжение сцепления соответствующее данной нагрузке, С - длина окружности стержня композитной арматуры, l - длина заделки).
Очевидно, что этот стержень выдернется из бетона, значительно недоиспользовав свою прочность.
Для получения стержня обладающего прочностью сцепления с бетоном увеличенной, например, в 2 раза, при сохранении той же прочности при растяжении, принимаем значение коэффициента В=2. Назначаем, исходя из допустимых пределов, количество секторов n равное, например, 10 и находим а, b, с и D для определения значений Dmax и Dmin.
Итак:
2
2
D=b-4·а·с=9,9805+4·1,2726·108,6332=652,5967
Подставив значения n, В, Dэкв, а, b, с и D в формулы для Dmin и Dmax
найдем их значения:
.
.
в
γ
Таким образом, получаем стержень композитной арматуры, имеющий профиль поперечного сечения, выполненный в виде совокупности 10-ти расположенных поочередно и принадлежащих двум концентрическим кругам с диаметрами 6,12 и 12,75 миллиметров секторов равной угловой меры, составляющих в сумме полный угол, причем предел прочности при растяжении σ данной арматуры, как и у эквивалентного стержня, соответствует растягивающей нагрузке 62,8 кН, а предел прочности сцепления с бетоном τ соответствует растягивающей нагрузке 37,68 кН, что позволяет гораздо полнее использовать прочностные свойства данной арматуры.
Принимая иное значение количества секторов n или коэффициента В можно получать сечения с другими геометрическими характеристиками или прочностью сцепления с бетоном соответственно.
Предлагаемая конструкция иллюстрируется представленными чертежами.
Фиг. 1 Показано поперечное сечение композитной арматуры, состоящее из 6 секторов.
Фиг. 2 Показано поперечное сечение композитной арматуры, состоящее из 10 секторов.
Способ изготовления данной арматуры заключается в том, что после пропитки компаундом нити ровинга направляются в формующую фильеру, характеристики поперечного сечения которой определяются представленным здесь расчетом, где формируется профиль арматурного стержня и происходит полимеризация связующего (метод пултрузии).
Кроме того стоит отметить, что данное поперечное сечение арматуры в отличие от круглого сечения препятствует отслоению защитного слоя бетона еще и благодаря образующемуся соединению замкового типа между бетоном и арматурой в плоскости поперечного сечения армируемого элемента.
Предлагаемая композитная арматура обладает необходимыми качественными характеристиками, позволяющими широко использовать ее для армирования монолитных и сборных бетонных конструкций.