КОМПОЗИТНАЯ АРМАТУРА
COMPOSITE REINFORCEMENT

Изобретение относится к строительству в частности, к неметаллической арматуре для армирования конструкций, выполненных из связующих материалов.
Из достигнутого уровня техники известна стеклопластиковая арматура, стержни которой выполнены из высокопрочного полимерного материала с обмоткой, образующей уступы. В частности, известен стержень композитный из полимера для армирования связующих сред, включающий волокна, объединенные в жгуты, причем стержень образован скрученными жгутами, диаметр каждого жгута составляет 25-47% от диаметра стержня, количество жгутов выбрано не менее трех, а число кручений жгутов на метр стержня находится в диапазоне 5-120 (RU 2430220 С2, 20.08.2010).
В этом техническом решении каждый жгут арматуры пропитан отвержденной полимерной смолой, причем в процессе изготовления арматуры между жгутами образуются пустоты, которые также заполняются смолой. Пустоты, заполненные отвержденной смолой, существенно ослабевают арматуру и придают ей хрупкость вследствие большей хрупкости отвержденной смолы в сравнении с волокнами. Также установлено, что сопротивление арматуры на растяжение, изгиб и сжатие зависит от содержания смолы в арматуре и в этой связи существует оптимальное соотношение смолы и волокон в арматуре. Поскольку в известной арматуре ее поверхность гладкая, то это снижает сцепление арматуры с бетоном, а образованные между жгутами углубления не в достаточной мере обеспечивают указанное сцепление, так как при работе арматуры на растяжение в отвержденном бетоне возможны сдвиги гладкой арматуры относительно массива бетона. Как показывают исследования, число кручений жгутов на метр арматурного стержня в диапазоне 5-120 не связано с прочностью нитей жгутов на разрыв, в результате известный арматурный стержень обладает сравнительно большой жесткостью.
Известна композитная арматура, арматурные стержни, способы их изготовления, представленные в описаниях патентной документации:
СА 2298281 А1, 08.08.2001; CN 1587576A, 02.03.2005; CN 201280782 Y, 29.07.2009; US 2005064184 A, 24.03.2005 и US 7396496 B2, 08.07.2008, причем в наиболее близком к заявленному техническом решении (US 2005064184 А) описан способ изготовления композитной арматуры и нанесение на ее поверхность абразивных частиц песка. В этом техническом решении на поверхности арматурного стержня нанесены частицы абразива. Стержень имеет в сечении круглую форму, что снижает его сопротивление смещению в массиве отвержденного бетона при работе последнего на кручение и изгиб.
Существенными требованиями, предъявляемыми к композитным арматурам являются обеспечение надежности сцепления арматуры с бетоном и исключение срыва арматуры в отвержденном бетоне при работе бетонной конструкции. С этой целью композитную арматуру выполняют с различного рода зацепами или, например, волнообразной (RU 2431026 С1, 10.20.2011). В другом техническом решении композитная арматура выполнена в виде плоской ленты с определенным соотношением ширины к толщине (RU 2388878 С1, 10.05.2010). С целью повышения прочности соединения с бетоном в композитной арматуре используются различные покрытия ее поверхности или обсыпка поверхности материалом, улучшающим сцепление (RU 2008122349, 10.12.2009).
В другой известной композитной арматуре, содержащей волокна, смолу и зацепы, последние образованы слоем песка, закрепленным на отвержденной поверхности арматуры, при этом зацепы выполнены на концах арматурных стержней в виде утолщений, каждое утолщение выполнено в виде обмотки, покрытой абразивным материалом или цементом (RU 2001113390 А, 10.05.2003; RU 82244 U1, 20.04.2009; RU 104953 U1. 27.05.2011).
Из известных близким техническим решением к представленному в данном описании техническому решению является композитная арматура, содержащая выполненный из волокон жгут, пропитанный смолой, причем на поверхность жгута нанесены частицы абразива, зафиксированные на ней отвержденной смолой (US 2005064184 А, 24.03.2005). Частицы абразива на поверхности арматурного стержня в совокупности с другими конструктивными признаками арматуры не в полной мере отвечают условиям повышения прочности арматуры и прочности ее соединения с бетоном.
Техническим результатом конструктивного решения, представленного в данном описании, является повышение прочности арматуры и прочности ее соединения с бетоном.
Указанный технический результат получен композитной арматурой, содержащей выполненные из волокон жгуты, пропитанные смолой, на поверхность арматуры нанесены частицы абразива, зафиксированные на ней отвержденной смолой жгуты соединены между собой путем их свивки вокруг друг друга и фиксации в этом положении отвержденной смолой, между витками жгутов образованы углубления, волокна каждого жгута натянуты в продольном направлении каждого витка, прижаты друг другу и скручены между собой вокруг продольной оси жгута так, что в зоне их контакта по всей длине арматуры они образуют общий винтообразный соединительный слой из отвержденной смолы и волокон двух жгутов, в поперечном сечении арматура образована парой контактирующих между собой через соединительный слой жгутов, каждый из которых имеет в поперечном сечении овальную форму, площадь поперечного сечения каждого жгута выбрана в пределах 40-49% от общей площади поперечного сечения арматуры, площадь поперечного сечения соединительного слоя выбрана в пределах 20-2,0% от общей площади поперечного сечения арматуры, на наружной поверхности арматуры выполнена покрывающая ее шероховатая корка, выполненная из конгломерата частиц абразивного материала и отвержденной смолы, при этом площадь корки в ее поперечном сечении выбрана в пределах 2-15% от суммарной площади поперечного сечения жгутов и соединительного слоя.
На чертеже показано поперечное сечение арматуры в увеличенном виде.
Композитная арматура представляет собой удлиненный жесткий стержень, выполненный из волокон 1, которые образуют собой жгуты 2, пропитанные, например, эпоксидной смолой 3. Жгуты 2 соединены между собой путем их свивки вокруг друг друга и фиксации в этом положении указанной отвержденной смолой (показана условно штриховыми линиями). Волокна 1 каждого жгута натянуты в направлении каждого витка жгута, причем по длине арматуры это направление меняется, поскольку меняются направления витков каждого жгута.
Волокна 1 каждого жгута прижаты друг другу и скручены между собой вокруг продольной оси жгута так, что в зоне их контакта по всей длине арматуры волокна каждого жгута образуют винтообразный по длине арматуры соединительный слой 4, полученный из отвержденной смолы 3 и волокон 1 двух жгутов. Слой 4 представляет собой конгломерат волокон и отвержденной смолы, он соединяет жгуты и находится в наиболее сжатом состоянии в месте поджатия жгутов 2 друг к другу. Плотность соединительного слоя 4 больше плотности каждого жгута, при этом в слое 4 меньше волокон на единицу объема в сравнении с числом волокон на единицу объема каждого жгута.
Волокно арматуры представляет собой нить из органического или неорганического материала, длина волокна может быть по всей длине арматуры или она может быть известным образом выполнена из нескольких соединенных друг с другом нитей. В поперечном сечении арматура образована двумя идентичными по форме жгутами 2, закрученными вокруг продольной оси 5 арматуры, при этом жгуты плотно прижаты друг к другу через соединительный слой 4 и в этом положении являются зафиксированными отвержденной смолой в рабочем положении.
Каждый жгут 2 имеет в поперечном сечении овальную форму и площадь поперечного сечения каждого жгута выбрана в пределах 40-49% от общей площади поперечного сечения арматуры. Площадь поперечного сечения соединительного слоя 4 выбрана в пределах 20-2,0% от общей площади поперечного сечения арматуры. Плотность отвержденных соединительного слоя 4 больше плотности каждого жгута 2.
На наружной поверхности арматуры выполнена покрывающая ее шероховатая корка 6, имеющая площадь поперечного сечения в пределах 2-15% от суммарной площади поперечного сечения жгутов и соединительного слоя 4. Корка 6 выполнена из конгломерата отвержденной смолы 3 и частиц 7 абразивного материала (песок, гранитная или иная крошка). Шероховатая корка 6 получена путем нанесения абразива на слои смолы, покрывающие жгуты, причем эти слои смолы предусматривают определенную толщину суммарного слоя, выполненного из слоев смолы, причем суммарный слой смолы получен в процессе изготовления корки. Это выполнено с целью исключения повреждения волокон частицами 7 абразивного материала. Суммарная толщина слоя смолы, который образует корку 6, выбрана такой, чтобы исключалось касание частиц абразива и волокон жгутов. Изготовление слоя смолы корки 6 и самой корки выполнено по специальной технологии.
На поверхности арматуры образовано множество впадин 8, расположенных между витками жгутов по длине арматуры. Выбор числа жгутов арматуры позволил обеспечить максимально возможную глубину каждой впадины 8 с целью повышения прочности соединения арматуры с бетоном.
Волокна каждого витка жгута 2 натянуты в их продольном направлении, прижаты друг к другу и скручены между собой вокруг продольной оси жгута с расчетным усилием скрутки, удовлетворяющим условию, чтобы впадины 8 оставались наибольшими, а плотность соединительного слоя 4 большей плотности каждого жгута в отвержденном состоянии. Винтообразный соединительный слой 4, выполненный из отвержденной смолы 3 и волокон 1 двух жгутов, по существу, является ядром жесткости арматуры. В таком сочетании указанных признаков овальная форма каждого жгута, полученная определенной технологией изготовления арматуры, обеспечивает существенное повышение прочности арматуры при изгибе и кручении бетонной армированной конструкции. При этом выбранные опытным путем площади поперечного сечения каждого жгута в пределах 40-49% от общей площади поперечного сечения арматуры, а также площадь поперечного сечения соединительного слоя, выбранная в пределах 20-2,0% от общей площади поперечного сечения арматуры, связаны с глубиной каждой впадины 8 арматуры и в совокупности эти параметры повышают сопротивление продольного перемещения стержня арматуры в бетоне.
Шероховатость корки и ее площадь в поперечном сечении арматуры выбраны в зависимости от суммарной площади поперечного сечения жгутов и соединительного слоя из расчета повышения сопротивления усилию срыва корки с арматуры, когда она защемлена в бетоне.
Изготавливают арматуру путем пропитки пучка волокон 1 смолой 3 и скручивания пучка волокон вокруг продольной оси пучка. При скручивании волокон образуется пропитанный смолой жгут 2, при этом излишки смолы из жгута выжимаются. Выдерживают жгут до состояния определенной фазы отверждения смолы. Аналогичным образом изготавливают второй жгут. Далее два жгута располагают параллельно друг другу и скручивают их вокруг продольной оси 5 арматуры. После проведенных операций полученную ветвь арматуры или обсыпают частицами абразива, или пропускают через частицы абразива, или активно внедряют частицы абразива в поверхностные слои смолы, располагаемые на жгутах. Частицы абразива наносят на поверхностный слой смолы каждого жгута до появления в этом слое смолы первого слоя корки, выполненного из частиц абразива и смолы, при необходимости выполняют второй и третий слои корки. Затем арматуру с выполненной на ней коркой сушат.
Работает арматура следующим образом. Соединяют отрезки арматуры между собой в пространственную арматурную конструкцию, которую располагают в опалубке и заливают бетоном или иным вяжущим материалом. При этом впадины 8 между витками жгутов 2 и впадины и пустоты между частицами 7 абразивного материала корки заполняются бетоном. В процессе отверждения бетона его вяжущие частицы вступают во взаимодействие с абразивными частицами 7 корки 6 и поверхностями впадин 8 между витками жгутов и образуют прочное соединение арматуры с бетоном.
Как показали сравнительные испытания, выполненная из пары жгутов арматура с прочной шероховатой коркой обеспечивает повышение сцепления арматуры с бетоном с минимальными нарушениями структуры арматуры и бетона на разрыв, при этом овальность жгутов существенно повышает сопротивляемость арматурного стержня при его кручении вокруг продольной оси 5 арматуры. В итоге повышена прочность арматуры и ее сопротивляемость смещению в бетонной конструкции при нагрузке конструкции на кручение и изгиб, а также при других смешанных нагрузках.