МНОГОСЛОЙНЫЙ СИЛОВОЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ
MULTI-LAYER STRUCTURAL ELEMENT

Многослойный силовой конструкционный элемент относится к столбам, колоннам, балкам, шпунтам, каркасам буронабивных свай, перекрытиям, фундаментам, используемым в строительстве.
Из уровня техники известны конструкции из композиционного материала, полученные методом «мокрой» намотки на оправку или исходный формообразующий элемент (безоправочная технология) армирующих нитей, лент, тканей, ровингов, пропитанных органическим или не органическим связующим и внутренними и внешними защитными слоями.
Известна слоистая труба, содержащая выполненные из спирально навитого ленточного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, внутренний и наружный слои и расположенный между внутренним и наружным слоями средний слой, соединенный с ними и выполненный из уложенных один возле другого отформованных элементов из волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим. Внутренний и наружный слои выполнены из однонаправленного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, намотанного по спирали в двух противоположных направлениях под углом 5÷89° к оси трубы, а средний слой образован из соединенных между собой элементов одинакового прямоугольного сечения, уложенных по образующей трубы под углом 0° к ее оси. Элементы среднего слоя изготовлены из материала, идентичного материалу внутреннего и наружного слоев или отличного от него (патент РФ №2197670). Указанная труба не обеспечивает надежную сцепляемость слоев, кроме того она не достаточно прочная.
Известен слоистый профиль (патент РФ №2305216), выбранный в качестве ближайшего аналога, содержащий выполненные из волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, внутренний и наружный слои и расположенный между внутренним и наружным слоями и соединенный с ними средний слой, выполненный из уложенных один возле другого, и соединенных между собой предварительно изготовленных элементов из пропитанного полимерным связующим однонаправленного волокнистого материала, внутренний и наружный слои в качестве волокнистого материала содержат жгутовой или ленточный материал или ткань, а средний слой выполнен из одинаковых или комбинации различных элементов, имеющих трапециевидное, прямоугольное или треугольное поперечное сечение, при этом профиль имеет закрытое или открытое поперечное сечение.
Недостатком известных изделий является низкая надежность средств, обеспечивающих сцепляемость защитного слоя с внутренним конструктивным слоем и низкая теплостойкость как защитных слоев, так и конструктивного слоя.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности изделия за счет обеспечения повышенной сцепляемости слоев с одновременным обеспечением негорючести защитных слоев, а также повышением прочности и теплостойкости слоев и обеспечение их сцепляемости с заполняющими материалами, с одновременным снижением содержания армирующих элементов при увеличении скорости изготовления готового изделия.
Данная задача по первому варианту изобретения решается за счет того, что многослойный силовой конструкционный элемент содержит внутренний и наружный слои, выполненные намоткой на оправку армирующих нитей или ровингов, пропитанных полимерным связующим с заданными защитными свойствами до образования сплошного слоя, и размещенный между ними и жестко связанный с ними конструктивный слой, выполненный из предварительно подготовленных объемных элементов, обеспечивающих сцепляемость внутреннего и наружного слоев, при этом предварительно подготовленные объемные элементы выполнены в виде имеющих поперечные связи сетчатых продольных силовых элементов, образованных из армирующих нитей или ровингов, пропитанных полимерным связующим, а образованная полость между наружным и внутренним слоями, соединенными конструктивным слоем, служит для введения заполнителя. Конструктивный слой многослойного силового конструкционного элемента может быть выполнен из равномерно расположенных продольных объемных композиционных элементов. Многослойный силовой конструкционный элемент может быть выполнен так, что наружный слой дополнительно снабжен арматурным каркасом. Преимущественно конструктивный слой многослойного силового конструкционного элемента выполняется из продольных объемных композиционных элементов, соединенных кольцевой арматурой с образованием пространственного каркаса, при этом в качестве материала арматуры используются неметаллические материалы и/или проволока из нержавеющей стали или из стали с антикоррозионным покрытием. Многослойный силовой конструкционный элемент может быть дополнительно снабжен равномерно расположенными продольными арматурными стержнями. Многослойный силовой конструкционный элемент может быть дополнительно снабжен боковыми или присоединительными или продольными каналами, выполняемыми без разрушения наружного и конструктивного слоев до начала их полимеризации и отверждения. Боковые или присоединительные или продольные каналы многослойного силового конструкционного элемента преимущественно выполняются с возможностью обеспечения углового смещения аналогичных присоединяемых многослойных силовых конструкционных элементов. Указанные каналы многослойного силового конструкционного элемента могут быть выполнены с возможностью установки замковых элементов и могут быть расположены по внешней поверхности под произвольными заданными углами.
По второму варианту изобретения многослойный силовой конструкционный элемент, содержащий внутренний и наружный слои, выполненные намоткой на оправку армирующих нитей или ровингов, пропитанных полимерным связующим с заданными защитными свойствами до образования сплошного слоя, и размещенный между ними и жестко связанный с ними конструктивный слой, выполненный из предварительно подготовленных объемных элементов, обеспечивающих сцепляемость внутреннего и наружного слоев, снабжается продольными арматурными стержнями, расположенными между внутренним и наружным слоями, предварительно подготовленные объемные элементы выполнены в виде сетчатых продольных силовых элементов, образованных из армирующих нитей или ровингов, пропитанных полимерным связующим, а образованная полость между соединенными конструктивным слоем наружным и внутренним слоями служит для введения заполнителя. В многослойном силовом конструкционном элементе продольные арматурные стержни преимущественно равномерно расположены между внутренним и наружным слоями. В многослойном силовом конструкционном элементе продольные арматурные стержни преимущественно выполняются из проволоки из нержавеющей стали или из стали с антикоррозионным покрытием. Наружный слой многослойного силового конструкционного элемента может быть дополнительно снабжен арматурным каркасом. Многослойный силовой конструкционный элемент может быть дополнительно снабжен боковыми или присоединительными или продольными каналами, выполняемыми без разрушения наружного и конструктивного слоев до начала их полимеризации и отверждения. Боковые или присоединительные или продольные каналы многослойного силового конструкционного элемента преимущественно выполняются с возможностью обеспечения углового смещения аналогичных присоединяемых многослойных силовых конструкционных элементов. Указанные каналы многослойного силового конструкционного элемента могут быть выполнены с возможностью установки замковых элементов и могут быть расположены по внешней поверхности под произвольными заданными углами. Указанные каналы могут быть заполнены жестким вспененным материалом, препятствующим засорению каналов в процессе использования или установки многослойного силового конструкционного элемента, например.
На фиг.1 представлен поперечный разрез фрагмента изделия по первому варианту, на фиг.2 представлено сечение по А-А изделия по варианту 1, на фиг.3 представлен поперечный разрез фрагмента изделия по второму варианту, на фиг.4 представлено сечение по Б-Б изделия по второму варианту, на фиг.5 представлен поперечный разрез фрагмента изделия по третьему варианту, на фиг.6 представлено поперечный разрез замкового элемента 11.
По первому варианту многослойный силовой конструкционный элемент содержит внутренний слой 1, наружный слой 2 и размещенный между ними и жестко связанный с ними конструктивный слой 3. Внутренний слой 1 выполняется методом «мокрой» намотки на оправку армирующих нитей или ровингов, пропитанных полимерным связующим с заданными защитными свойствами до образования сплошного слоя. Затем на него устанавливаются предварительно подготовленные объемные элементы 4, выполненные в виде имеющих поперечные связи 5 сетчатых продольных силовых элементов, образованных из армирующих нитей или ровингов, пропитанных полимерным связующим. После чего производится намотка наружного слоя 2 армирующими нитями или ровингами, пропитанными полимерным связующим с заданными защитными свойствами до образования сплошного слоя. После чего производится отверждение. За счет этого обеспечивается сцепляемость внутреннего 1 и наружного 2 слоев. Образованная полость 6 между наружным 2 и внутренним 1 слоями, соединенными конструктивным слоем 3, имеющим сетчатую структуру, служит для введения заполнителя, например, бетона, пенобетона, полимербетона, пенополистирола, пенополиуретана.
За счет того, что полимерное связующее может быть выбрано с различными характеристиками для получаемого наматываемого слоя, заранее выбираются защитные от различных агрессивных воздействий свойствами, также и огнеупорными свойствами. Таким образом обеспечивается требуемый температурный и временной интервал работы готовых изделий при повышенных температурах, агрессивных средах и климатическом воздействии.
Внутренний слой 1 и наружный слой 2, призванные защитить от огневого, теплового, атмосферного воздействия материал заполнителя (например, бетон, пенобетон, полимербетон, пенополистирол, пенополиуретан), выполняются, например, из кварцевого полотна с использованием вяжущих составов минерального происхождения, например клей-мастика KAMINFIX, выдерживающий температуру до 1000 град С.(например, мастика Боларс KaminFix, технические характеристики которой приведены в таблице 1). Конструктивный слой 3 может быть выполнен, например, из стекловолокна, из углеволокна или смесей с любыми другими волокнами с использованием высокотемпературных вяжущих составов, например эпоксидная смола УП-631. При этом предварительно подготовленные объемные элементы 4 конструктивного слоя 3 выполняются не сплошными, а сетчатыми, что позволяет заполнителю проникнуть по всей полости, образованной между наружным 2 и внутренним 1 слоями. Указанные объемные элементы 4 также изготавливаются методом "мокрой" намотки продольных элементов, имеющих, например, трапецеидальное сечение, в которых волокна при "мокрой" намотке укладываются под разными углами к образующей продольного элемента. Расстояние между отдельными волокнами или их группами может быть например от 1/10 высоты трапеции до 2 целых высот трапеции. Группы волокон могут быть объединены, например, коаксиально таким образом, что внутри оказываются высокомодульные углеродные волокна окруженные с внешней стороны, например, щелочестойкими стеклянными волокнами, затем отвержденные продольные объемные элементы 4 устанавливаются на не отвержденный внутренний слой.
Конструктивный слой 3 многослойного силового конструкционного элемента может быть выполнен из продольных объемных композиционных элементов 4, равномерно расположенных по окружности на внутреннем слое 1. Такая конструкция предпочтительно выбирается в случае кольцевой, конической или другой формы тела вращения многослойного силового конструкционного элемента.
В многослойном силовом конструкционном элементе, внутренний слой 1 которого получен методом «мокрой» намотки на оправку или исходный формообразующий элемент (безоправочная технология) армирующих нитей, лент, тканей, ровингов, пропитанных органическим или не органическим связующим, содержащий также предварительно подготовленные объемные элементы 4, являющиеся, например, продольными силовыми элементами и имеющие поперечные связи 5, также обеспечивается надежное соединение всех указанных слоев. Конструктивный слой 3, состоящий из предварительно подготовленные объемные элементы 4, выполненные в виде имеющих поперечные связи 5 сетчатых продольных силовых элементов, образованных из армирующих нитей или ровингов, пропитанных полимерным связующим, обеспечивает межслоевые связи и сцепляемость с заполняющими материалами.
Многослойный силовой конструкционный элемент может быть выполнен так, что наружный слой 2 дополнительно снабжается арматурным каркасом 7.
Преимущественно конструктивный слой 3 многослойного силового конструкционного элемента выполняется из продольных объемных композиционных элементов 4, соединенных кольцевой арматурой 8 с образованием пространственного каркаса, при этом в качестве материала арматуры используется проволока из нержавеющей стали или из стали с антикоррозионным покрытием. Кольцевая арматура 8 может быть выполнена также из неметаллической арматуры либо из коаксиальной арматуры, объединяющей в своем составе как металлические составляющие так и не металлические.
Многослойный силовой конструкционный элемент может быть дополнительно снабжен продольными арматурными стержнями 9, равномерно расположенными по окружности многослойного силового конструкционного элемента.
Многослойный силовой конструкционный элемент может быть дополнительно снабжен боковыми или присоединительными или продольными каналами 10, выполняемыми без разрушения наружного 2 и конструктивного 3 слоев до начала их полимеризации и отверждения. Боковые или присоединительные или продольные каналы 10 многослойного силового конструкционного элемента преимущественно выполняются с возможностью обеспечения углового смещения аналогичных присоединяемых многослойных силовых конструкционных элементов. Указанные каналы 10 многослойного силового конструкционного элемента могут быть выполнены с возможностью установки замковых элементов 11 и могут быть расположены по внешней поверхности наружного слоя 2 под произвольными заданными углами. Боковые или присоединительные или продольные каналы 10 многослойного силового конструкционного элемента образуются за счет формования не отвержденного наружного слоя 2 при изготовлении изделия пуансоном с одновременным сокращением внешнего периметра готового цилиндрического изделия с таким расчетом, что бы после оформления бокового или присоединительного или продольного канала 10 получилось изделие с внешней цилиндрической поверхностью.
Замковый элемент 11 предназначен для сокращения просачивания жидкости между отдельными шпунтами, может быть изготовлен, например, из труб полиэтиленовых, сваренных продольно между собой полосой из аналогичного материала. Защитные свойства изделий как по наружному 2, так и по внутреннему 1 слою могут варьироваться в зависимости от назначений изделий.
Вариантами изделий по первому варианту являются, например, столбы, трубы, кольцевые элементы, другие вертикальные и горизонтальные изделия в виде несъемной огнестойкой опалубки и внутреннего защищенного конструкционного слоя для изготовления колонны, опоры, балки, трубы испытывающей осевые усилия, изгибные моменты, кручения, в том числе с учетом возможности вариации прочностных свойств конструкционного слоя по периметру изделия и плоскости приложения различных нагрузок. Такие изделия, в том числе, могут применяться как самостоятельный строительный элемент, так и как элемент производства работ по бурению, продавливанию, для изготовления конечного изделия по месту производства работ, могут использоваться в качестве труб, внутренние полости которых используют для выдачи извлекаемого грунта, для пропуска рабочего инструмента.
По второму варианту изобретения (примерами изделий являются колонна, балка, перекрытие, ригели в виде несъемной опалубки с силовыми конструкционными элементами для установки плит перекрытий с последующей заливкой например бетоном полостей для введения заполнителя) многослойный силовой конструкционный элемент содержит также внутренний 1 и наружный 2 слои, выполненные намоткой на оправку армирующих нитей или ровингов, пропитанных полимерным связующим с заданными защитными свойствами до образования сплошного слоя. Между ними размещен и жестко связан с ними конструктивный слой 3, выполненный из предварительно подготовленных объемных элементов 4, обеспечивающих сцепляемость внутреннего 1 и наружного 2 слоев. При этом многослойный силовой конструкционный элемент снабжается продольными арматурными стержнями 9, расположенными между внутренним 1 и наружным 2 слоями.
Предварительно подготовленные объемные элементы 4 выполнены в виде сетчатых продольных силовых элементов, образованных из армирующих нитей или ровингов, пропитанных полимерным связующим.
В результате такого конструктивного выполнения образуется полость между соединенными конструктивным слоем 3 наружным 2 и внутренним 1 слоями, которая служит для введения заполнителя.
В многослойном силовом конструкционном элементе продольные арматурные стержни 9 преимущественно равномерно расположены между внутренним 1 и наружным 2 слоями. В многослойном силовом конструкционном элементе продольные арматурные стержни 9 преимущественно выполняются из проволоки из нержавеющей стали или из стали с антикоррозионным покрытием. Наружный слой 2 многослойного силового конструкционного элемента может быть дополнительно снабжен арматурным каркасом 12 (показан на фиг.5). Многослойный силовой конструкционный элемент может быть дополнительно снабжен боковыми или присоединительными или продольными каналами 10, выполняемыми без разрушения наружного 2 и конструктивного 3 слоев до начала их полимеризации и отверждения. Боковые или присоединительные или продольные каналы 10 многослойного силового конструкционного элемента преимущественно выполняются с возможностью обеспечения углового смещения аналогичных присоединяемых многослойных силовых конструкционных элементов. Указанные каналы 10 многослойного силового конструкционного элемента могут быть выполнены с возможностью установки замковых элементов 11 и могут быть расположены по внешней поверхности под произвольными заданными углами. Указанные каналы 10 могут быть заполнены жестким вспененным материалом, препятствующим засорению каналов 10 в процессе использования или установки многослойного силового конструкционного элемента. Боковые или присоединительные или продольные каналы 10 многослойного силового конструкционного элемента позволяют передавать механическую нагрузку на аналогичные изделия.
Наружный защитный слой в предлагаемом варианте выполняют из материала, позволяющего получить слой путем «мокрой» намотки или формования, а в качестве связующего материала может быть использован бетон, асбестоцемент или иной органический или не органический вяжущий материал.
При изготовлении изделий используют также метод «мокрой» намотки на оправку или исходный формообразующий элемент (безоправочная технология) армирующих нитей, лент, тканей, ровингов, пропитанных органическим или не органическим связующим, а для получения боковых или присоединительных или продольных каналов 10 перед процессом формовки изделия выполняются боковые, присоединительные, продольные каналы путем продавливания, как и в первом варианте.
В качестве полимерного связующего, в частности, могут быть использованы следующие материалы: фенолформальдегидные, карбамидные, полиэфирные, эпоксидные, полиуретановые и др.
Для изготовления изделия по второму варианту предварительно выполняют методом «мокрой» намотки на оправку армирующих нитей или ровингов, пропитанных связующим, определенное число слоев внутреннего защитного слоя 1. Далее на наружной поверхности этих слоя 1 располагают предварительно подготовленные объемные элементы 4, а также арматурный каркас 12, и осуществляют последующую намотку верхних слоев наружного слоя 2.
Продольные арматурные стержни 9 в обоих вариантах изобретения за счет частичного расположения их в наружном слое 2 и в конструктивном слое 3 обеспечивают сварку готовых изделий при подготовке к монтажу, крепление к ним вспомогательных приспособлений.
В процессе производства для последующего продольного соединения изделий, выполненных с использованием боковых или присоединительных или продольных каналов 10 или объемного арматурного каркаса 12, на изделиях изготавливаются выпуски продольных конструкционных элементов на длину, например, от 10 до 40 высот трапеций со стороны меньших диаметров изделия. С противоположной стороны на наружном защитном слое формируется раструб для охвата наружного слоя присоединяемого аналогичного изделия. В процессе производства для изделий с использованием боковых или присоединительных или продольных каналов 10, изделие с еще не отвержденными внешним и внутренним слоями подвергается формовке продольных каналов пуансонами и последующему отверждению.
В качестве примера изделий с боковыми или присоединительными или продольными каналами 10 можно привести шпунты, каркасы буронабивных свай, балки, трубы, как с выполнением полости для введения заполнителя, так и без. Многослойный силовой конструкционный элемент с такими каналами 10 возможно не только вдавливать, погружать (применительно к шпунту), но и вращать его без повреждений вокруг продольной оси для его погружения в процессе бурения скважины. Все изделие и каналы перед установкой его в грунт могут быть закрыты внешним слоем полимерной пленки, препятствующей абразивному повреждению изделия в процессе установки.
Изделия, выполненные по описанной выше схеме, в том числе могут применяться как силовой элемент балки для установки плит перекрытий или их силовых элементов в несъемной опалубке с целью дальнейшего бетонирования.
Кроме того, изделия, содержащие в своем составе коаксиальную арматуру, которая может быть использована как самостоятельный строительный элемент, так же может объединяться в сетчатые конструкции. Данный элемент имеет в своем составе внутренний высокопрочный и высокомодульный слой из волокон, внешний защитный слой из менее прочных волокон и покрывающий замкнутый или разомкнутый слой из тонкого металла, позволяющий обеспечить анкеровку арматуры в бетон и стандартные методы сварки металла для объединения арматуры в каркасы.
Последовательность производства для изготовления изделия по второму варианту изобретения. По кольцевая арматуре 8 выполняется продольный сварной элемент с верхней полкой из стального листа толщиной, например, от 3 мм до 40 мм и боковыми “Г” образными элементами из стального листа толщиной, например, от 3 мм до 20 мм, имеющего по длине отверстия, например, круглой или иной формы со скругленными углами. Данный элемент входит в состав изделия и выполняет роль не извлекаемой оправки для “мокрой” намотки с установкой продольных элементов конструкционного слоя. Далее во внутреннюю полость не извлекаемой оправки устанавливаются заранее изготовленные элементы внутреннего и части элементов конструктивного слоев. Их фиксирование производится, например, кольцевой “мокрой” намоткой например стекловолокон или углеродных волокон. После окончания намотки фиксирующих слоев волокон изделие снимается со станка и на него производится установка нижнего конструктивного слоя с фиксированием его внешним слоем. После этого проводится температурная обработка изделия для склеивания слоев, образованных «мокрой» намоткой.
Многослойный силовой конструкционный элемент
Таблица 1
Наименование
Значение
Цвет
серый
Ph
9,0-11,0
Время высыхания
2 часа
Толщина наносимого слоя
2-3 мм
Адгезия
не менее 0,6 МПа, адгезия после нагревания до 1000 С - не менее
0,4 МПа
Температура проведения работ
+5 С +30 С
Температура эксплуатации
+5 С +1000 С
Морозостойкость
5 циклов
Расход кг/кв.м
1,0-1,3 кг/кв.м
Время отверждения
6 часов