АРМАТУРА КОМПОЗИТНАЯ
COMPOSITE REINFORCEMENT

Изобретение относится к строительству, а именно к неметаллической композитной арматуре, которая применяется для армирования монолитных и сборных бетонных конструкций, в качестве связей между слоями в многослойных стеновых конструкциях, для армирования кладок из кирпича и блоков, для армирования бетонных полов, для армирования и укрепления грунтовых оснований под дороги и автомагистрали.
Известна композитная арматура по патенту №2405091, состоящая из двух слоев: наружного, выполненного из нанокомпозитного углепластика, и внутреннего, выполненного из легкого высокоподвижного бетона. Данный вид арматуры имеет высокую трудоемкость изготовления при невысокой производительности. Также арматурные стержни данного вида не пригодны для изготовления изогнутых стержней ввиду высокой жесткости наружного слоя и хрупкости внутреннего бетонного слоя.
Известен арматурный стержень по патенту №2054508, представляющий ровинг из базальтового волокна, покрытый снаружи ровингом арамидного или углеродного волокна, и скрепленных отвержденным полимерным связующим. Недостатком данного стержня является низкая анкерующая способность в бетоне и низкая теплостойкость.
Известен профильный стержень для армирования бетона (US 4620401 A, 04.11.1986), выполненный из стекловолокна, графита, арамида, полипропилена, полиэфира или их комбинаций, пропитанных термореактивной смолой. Данный стержень может быть выполнен с различным модулем упругости, однако не предназначен для изгиба из-за использования термореактивного вяжущего и имеет низкую теплостойкость.
Известна композитная арматура по патенту №2405092, состоящая из несущего стержня, выполненного из низкомодульных волокон (стеклянных, базальтовых ровингов) и армированного пучками высокомодульных волокон (углеродных, арамидных, борных нитей), и обмотки с уступами. Ввиду использования в качестве полимерной матрицы термореактивных смол (эпоксидных, полиэфирных, винилэфирных и др.) для данного вида арматуры изготовление гнутых стержней также не представляется возможным из-за относительной хрупкости получаемого композитного стержня и невозможности локального нагрева для изгиба без потери прочностных свойств композита. Кроме этого ввиду низкой теплостойкости и отсутствия огнезащитного покрытия температура безопасной эксплуатации данного вида арматуры не может превышать 200-250 градусов по Цельсию.
Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения является получение композитной арматуры, обладающей высокими прочностными и деформационными характеристиками, в том числе близкими или равными характеристикам обычной стальной арматуры (предел прочности 400-500 МПа, модуль упругости 200 ГПа), способной к изгибу при локальном нагревании без ухудшения прочностных свойств в месте изгиба, повышение безопасной температуры эксплуатации до значений, сопоставимых со значениями для обычной стальной арматуры (500 градусов по Цельсию), обладающей высокой коррозионной стойкостью, малым весом, позволяющим снизить массу армированных конструкций и трудозатраты, увеличение производительности при изготовлении, возможность использования вторичного полимерного сырья.
Указанный технический результат достигается тем, что композитная арматура по варианту №1 состоит из полимерной матрицы и равномерно расположенных в ней в определенном порядке армирующих продольных нитей (пучков нитей) низкомодульных и высокомодульных волокон. При этом отношение площади полимерной матрицы к площади пучков нитей в поперечном сечении должно быть не менее 2. Полимерная матрица выполнена из одного из нижеперечисленных конструкционных термопластичных полимеров: полиэтилентерефталата (ПЭТ), полибутилентерефталата (ПБТ), поликарбоната, полиамида (ПА), полиметилметакрилата (ПММА), полиэфир-эфиркетона (ПЭЭК), полипропилена (ПП), поливинилхлорида (ПВХ) или их комбинаций и модифицирующих добавок. Также в полимер вводится рубленое стеклянное, базальтовое или углеродное волокно длиной 0,5-5 мм с содержанием по массе до 30%. Введение рубленого волокна позволяет существенно снизить коэффициент теплового расширения композита, а также повысить прочность матрицы.
Армирующие нити из низкомодульных и высокомодульных волокон расположены равномерно в определенном порядке по поперечному сечению стержня арматуры. В качестве низкомодульных используются нити или ровинги из стекловолокна и базальтового волокна, в качестве высокомодульных используются углеродные и арамидные нити. Высокий модуль упругости арматуры достигается за счет введения высокомодульных углеродных нитей.
Применение в качестве связующего термопластичных конструкционных полимеров позволяет при локальном нагреве стержня до температуры размягчения полимера произвести изгиб под необходимым углом. После охлаждения разогретого участка стержня прочность композита восстанавливается.
Для необходимого сцепления с бетоном на поверхности стержня выполняются кольцевы ребра путем формования при изготовлении стержня до его отверждения. Ребра располагаются под углом к оси стержня от 30 до 90 гардусов. Шаг ребер принимается не менее половины диаметра стержня для обеспечения зацепления ребер с крупным заполнителем в бетоне.
Предлагаемая арматура может выполняться диаметрами от 3 до 80 мм.
Согласно варианту №2 композитная арматура по пункту №1 дополнительно покрывается огнезащитным слоем, выполненным из жидкого натриевого стекла, смешанного со стеклянными микросферами или терморасширенным графитом или их комбинацией. Толщина огнезащитного слоя составляет 0,5-3 мм. При этом огнестойкость арматуры повышается на 50-200 градусов по цельсию.
При использовании в качестве основного компонента полиэтилентерефталата (ПЭТФ) полимерная матрица может иметь следующий состав: % масс.
- Полиэтилентерефталат - 67%,
- Полибутилентерефталат - 15%,
- Рубленое стекловолокно (длина 0,5-1 мм) - 15%,
- Модификатор адгезии Э-ЭА-ГМА (этилен-этилакрилат-глицидилдиметакрилат) - 3%.
В таблице 1 приведены варианты армирования стержня диаметром 12 мм низкомодульными и высокомодульными нитями.
Таблица 1
№ п/п
Высокомодульные волокна
Низкомодульные волокна
Прочность при растяжении, МПа
Модуль упругости, ГПа
Отношение площади матрицы к общей площади нитей
1
Углеродный жгут ВМН-4МТ, Ер=450 ГПа, 9350 текс
Базальтовая нить БС 10-68×2×4, Ер=94 ГПа, 32500 текс
403
200,8
5,82
2
Углеродная нить УКН-М-6К, Ер=230 ГПа, 24000 текс
Базальтовая нить БС 10-68×2×4, Ер=94 ГПа, 12500 текс
502,5
196,6
5,22
3
Углеродный жгут ВМН-4МТ, Ер=450 ГПа, 5550 текс, Арамидная нить Русар, Ер=145 ГПа, 8000 текс
Базальтовая нить БС 10-68×2×4, Ер=94 ГПа, 20000 текс
414,7
178,8
6,01
4
-
Базальтовая нить БС 10-68×2×4, Ер-94 ГПа, 44500 текс
407,5
94
6,12
Предлагаемая конструкция арматуры иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.
На фиг.1 показан общий вид и поперечное сечение арматуры по варианту №1. Позицией 1 обозначено тело стержня, позицией 2 - поперечные кольцевые ребра. Продольные нити условно не показаны.
На фиг.2 показан общий вид и поперечное сечение арматуры по варианту №2. Позицией 1 обозначено тело стержня, позицией 2 - поперечные кольцевые ребра, позицией 3 - огнезащитное покрытие. Продольные нити условно не показаны.
На фиг.3 изображено поперечное сечение стержня для состава арматуры по пункту №1 из таблицы 1, где: 4 - базальтовые нити, 5 - углеродные нити, 6 - полимерная матрица.
На фиг.4 изображено поперечное сечение стержня для состава арматуры по пункту №2 из таблицы 1, где: 4 - базальтовые нити, 5 - углеродные нити, 6 - полимерная матрица.
На фиг.5 изображено поперечное сечение стержня для состава арматуры по пункту №4 из таблицы 1, где: 4 - базальтовые нити, 6 - полимерная матрица.
Предлагаемую композитную арматуру получают совмещением методов экструзии и пултрузии. Компоненты полимерной матрицы подаются в экструдер, где расплавляются, смешиваются и подаются далее в стренговую головку. Через специальные каналы малого диаметра в стренговую головку также подаются армирующие нити, которые занимают необходимое положение и, по мере протягивания через головку, пропитываются расплавом. Далее нити вытягиваются из головки одновременно с экструдируемым расплавом полимера, образуя таким образом единое тело стержня. После предварительного поверхностного охлаждения на поверхности формуются ребра путем прохождения вытягиваемого стержня через блок валков с канавками. После формования ребер стержень проходит зону охлаждения, где расплав окончательно остывает и твердеет, формируя тело стержня. Далее стержень подается в тянущее устройство, которое обеспечивает непрерывное движение стержня и, одновременно с этим, вытягивание нитей. После отверждения стержни нарезаются на отрезки необходимой длины.
Для получения огнезащитного покрытия на готовые стержни наносится смесь жидкого стекла и стеклянных микросфер и/или терморасширенного графита способом окунания в смесь либо нанесением валиками.
Предлагаемая композитная арматура позволяет регулировать прочностные и деформационные свойства в широком диапазоне, повышая экономичность ее использования в конструкциях различного назначения. Для ее изготовления могут быть использованы вторичные полимеры, например полиэтилентерефталат (ПЭТФ), что снижает ее себестоимость и способствует улучшению экологической обстановки.