ИННОВАЦИОННАЯ ПРОСТРАНСТВЕННО ПОЛИМЕРНАЯ РЕШЕТКА (ВАРИАНТЫ)
INNOVATIVE SPATIALLY POLYMER GRID (VERSIONS)

Изобретение относится к области строительства. Инновационная пространственно полимерная решетка (ИППР) предназначена для армирования строительных конструкций и укрепления слабых оснований промышленных и гражданских сооружений, а также откосов береговых линий и русел водоемов. Заявленная инновационная пространственно полимерная решетка может найти применение при сооружении аэродромов, дорожных одежд, при укреплении откосов, при сооружении подпорных стенок и во многих других вариантах использования в нефтегазовой, транспортной, гидротехнической отраслях строительства, где требуются высокие и стабильные показатели прочности и долговечности возводимых сооружений.
Из уровня техники известны различные устройства (см. патент RU 2129189, опубликованный 20.04.1999, патент RU 2358063, опубликованный 10.06.2009 и патент RU 2152480, опубликованный 10.07.2000), в которых для закрепления поверхностного слоя откоса используются пространственно полимерные решетки (ППР), в частности так называемые «георешетки». ПНР изготавливают из гибких и прочных полимерных лент, нарезая ленты на мерные полосы и скрепляя их между собой в шахматном порядке поперечными швами, получают ячеистые структуры, способные закреплять и удерживать от смещения массы грунта, загруженные в ячейки. Материалом для изготовления указанных лент, как правило, служит полиэтилен различных марок. Ленты и полосы из полиэтилена являются гибкими, прочными, устойчивыми к воздействию неблагоприятных природных факторов. Однако полиэтилен относится к термопластичным материалам, поэтому при нагревании полиэтилена под нагрузкой, например под действием солнечных лучей при одновременном воздействии давления грунта, происходит неупругое растяжение термопластичного полимера, которое приводит к деформации всей георешетки и соответствующему перемещению слоя грунта. На устранение указанного недостатка ППР, изготовленных, преимущественно, из полиэтилена, направлено заявленное изобретение.
Из уровня техники известно техническое решение, позволяющее частично преодолеть указанную проблему. На сайте компании PRS - Professional Reinforcement Solutions в 2009 были размещены сведения о геокомпозитном материале «NEOLOY», предназначенном для изготовления георешоток, типа: «NEOWEB». Данный тип георешеток выполнен из лент на основе полимерного материала, матрица которого изготовлена из полиолефинов (в том числе и из полиэтилена) и армирована нановолокнами, в частности дискретными волокнами из полиэстера или из полиамида (см. http://www.prs-med.com/content.aspx?page=5).
Армирование полимерной матрицы дискретными волокнами увеличивает термическую стабильность материала, однако не полностью решает указанную выше проблему, поскольку дискретные армирующие нановолокна упрочняют матрицу локально. Отдельные волокна связаны между собой по длине материала только прочностью полимерной матрицы, которая сохраняет термопластичные свойства и остается подверженной неупругому растяжению в продольном направлении при смене температурных режимов эксплуатации под нагрузкой.
Указанный материал выбран в качестве наиболее близкого аналога заявленного изобретения.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения прочности и стабильности геометрических параметров конструкции ППР при эксплуатации под нагрузкой при изменении температурных режимов.
Технический результат изобретения заключается в повышении несущей способности ленты ППР, ослабленной выполнением дренажных отверстий, и исключении деформации укрепляемых грунтовых сооружений, а также в повышении прочности и увеличении срока службы возводимых сооружений.
Другим техническим результатом изобретения является обеспечение стабильности геометрических параметров полосы и конструкции ППР целом, ослабленной выполнением дренажных отверстий.
Дополнительный технический результат заявленного изобретения заключается в существенном увеличении дренажной способности заявленной ППР, поскольку армирование позволяет изменить форму и увеличить размер перфорации элементов решетки.
Кроме того, заявленная инновационная ППР открывает возможность ее применения в новых областях, требующих повышенных показателей прочности и стабильности сооружений, например в балластном слое насыпи железных дорог, в аэродромных покрытиях, при строительстве защитных военных сооружений и т.д.
Для достижения указанного технического результата предложена пространственно полимерная решетка (ППР) с ячеистой структурой для стабилизации и закрепления грунтовой поверхности, выполненная из гибких полос, преимущественно, из полиэтилена низкого давления, расположенных в несколько рядов и соединенных между собой в шахматном порядке по длине полос с возможностью образования при растяжении полос в направлении, нормальном к их поверхности, ячеистой конструкции, отличающаяся тем, что полосы снабжены дренажными отверстиями в форме вытянутых прямоугольников с полуокружностями на коротких сторонах и, кроме того, полосы армированы в продольном направлении арамидными или углеродными нитями, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Арамидная или углеродная нить
0,2-3,
Полиэтилен низкого давления
остальное
Кроме этого, заявленное устройство предполагает возможность использования полос, содержащих армирующую сетку. При этом поперечное направление не нуждается в армировании, и поперечные нити сетки выполняют вспомогательные функции обеспечения равномерности введения продольных армирующих нитей в полимерную основу. Поперечные нити, даже если они имеются в материале полос, перерезаются при формировании продольных дренажных отверстий, поэтому они не несут армирующей нагрузки.
Преимущество заявленной ППР перед георешетками, армированными дискретными волокнами, заключается в том, что введение в полимерный материал, а именно в полиэтиленовую матрицу полос, непрерывных волокон в виде армирующих нитей, позволяет полностью перенести нагрузку с материала матрицы на материал непрерывных сверхпрочных арамидных или углеродных нитей, обладающих очень высоким модулем упругости, что позволяет исключить неупругое растяжение полученной ППР под нагрузкой при смене температурных режимов эксплуатации.
Продольное армирование лент непрерывными арамидными или углеродными нитями позволяет в итоге снизить стоимость ППР, поскольку позволяет уменьшить толщину полимерной ленты и снизить расход полимера на ее изготовление. Экономический результат состоит в снижении стоимости ППР, приблизительно, на 20%.
При формировании ППР полосы были установлены на ребра и сварены и/или сшиты между собой в шахматном порядке по длине полос с возможностью образования при растягивании полос в направлении, нормальном к поверхности полос, ячеистой конструкции. При этом сварочные швы могут быть выполнены как под углом, так и вертикально по отношению к ребрам полос.
В предпочтительном варианте заявленная ППР содержит полосы на основе полиэтилена низкого давления, при этом в качестве арамидных волокон для армирования полос используются сверхвысокомодульные (СВМ) волокна, в частности волокна марки Кевлар.
В другом варианте при армировании решетки углеродными волокнами в качестве нитей для армирования полос используются высокопрочные нити марки Карбон.
Пространственно полимерная решетка характеризуется тем, что расположенные в несколько рядов гибкие полосы, образующие решетку, соединены между собой сваркой, в частности термосваркой, при этом полученные сваркой швы дополнительно могут быть упрочнены армированием. Наиболее простым вариантом армирования шва, соединяющего соседние полосы между собой, является упрочнение их текстильным швом из любых полимерных нитей, предпочтительно из высокопрочных нитей, например из арамидных нитей. Текстильный шов может быть выполнен из углеродных нитей.
Наличие армирования настолько упрочняет полимерную основу георешетки, что позволяет изменить форму и увеличить дренажные отверстия.
Армирование позволяет также уменьшить толщину ленты, что приводит к экономии полимера и, как следствие, к уменьшению стоимости пространственно полимерной решетки, приблизительно, на 20%, при этом прочность и другие механические характеристики пространственно полимерной решетки сохраняются.
В соответствии с заявленным изобретением дренажные отверстия выполняются в форме вытянутых прямоугольников с полуокружностями на коротких сторонах, при соотношении коротких и длинных сторон, соответствующих коэффициенту K, где K=(0,05÷0,4).
В формуле указаны предельные значения K. Так при значении K=0,05 получается, практически, разрез, что вызывает появление нежелательной концентрации напряжений на концах разреза, а степень перфорации в нерастянутом виде будет менее 1%, чего недостаточно для дренажных функций.
При значении коэффициента K=1 форма отверстия соответствует кругу и при этом не возникает желаемого эффекта отклонения сторон прямоугольников в разные стороны. Указанный эффект может возникнуть только при их большой вытянутости дренажного отверстия, т.е. при значении K менее 0,4.
Эмпирическим путем установлено, что соотношение коротких и длинных сторон дренажного отверстия, предпочтительно, соответствует K=(0,13÷0,23).
Пространственно полимерная решетка может содержать дренажные отверстия, расположенные рядами, причем в одном ряду длинные стороны прямоугольников расположены параллельно к длинной стороне полосы. При этом дренажные отверстия соседних рядов размещены друг под другом с образованием столбцов. Таким образом, дренажная структура решетки оптимально формируется, когда дренажные отверстия размещены группами, состоящими из одинакового количества строк (рядов) и столбцов.
Заявленная ППР характеризуется тем, что в растянутом состоянии, когда ячейки засыпаны грунтом, длинные стороны дренажных отверстий из-за неравномерности давления щебня на стенки получают возможность отклоняться в разные стороны от поверхности полосы или ленты, увеличивая тем самым площадь отверстий и дренажную способность решетки до 2-х раз, одновременно противодействуя перемещению решетки в направлении, перпендикулярном к поверхности грунта.
Пространственно полимерная решетка, соответствующая заявленному изобретению, имеет преимущество перед георешеткой - прототипом из материала «NEOLOY», поскольку она армирована в продольном направлении не дискретными, а непрерывными арамидными или углеродными нитями (шаг армирования составляет 1-5 мм).
Испытания образца георешетки из материала «NEOLOY» израильского производства показали следующие результаты. Краткосрочному испытанию показателей прочности подвергли образцы ленты из материала «NEOLOY» и образцы георешетки из указанной ленты на прочность шва. При ширине ленты 150 мм, толщине 1,33-1,55 мм и при перфорации дренажными отверстиями с диаметром 10 мм с шагом 150-167 мм средняя прочность ленты на разрыв составила 2,4 кН (разрыв по перфорации). Средняя прочность на разрыв сварного шва для георешетки из материала «NEOLOY» составила 1,79 кН. Краткосрочные испытания показали повышенный уровень прочностных свойств. Однако долгосрочные испытания георешетки из материала «NEOLOY» показали неудовлетворительный уровень прочности сварного шва. Испытания проводились путем подвешивания образцов георешетки из материала «NEOLOY» под нагрузкой 72 кг на срок 30 суток. При проведении указанного испытания два из трех образцов провисели под грузом до разрушения менее 1 суток. Таким образом, наиболее близкий аналог заявленного изобретения не выдерживает нормативного долгосрочного испытания на прочность сварного шва.
В соответствии с заявленным изобретением армирующие нити могут быть введены в состав полимерных полос различными методами.
В том случае, если армирующие нити введены в полиэтиленовые полосы заявленной решетки в виде сетки, в качестве основы сетки располагают армирующие нити, предназначенные для продольного армирования полосы, а в качестве утка сетки располагают вспомогательные нити, устанавливающие шаг армирования.
Изобретение иллюстрируется чертежами 1-6 и примерами.
На фигуре 1 изображен фрагмент полосы, предназначенной для изготовления заявленной ППР.
На фигуре 2 показано поперечное сечение полосы, показанной на фиг.1 для варианта с односторонним размещением армирующих нитей.
На фигуре 3 показан в увеличенном масштабе фрагмент поперечного сечения полосы, приведенного на фигуре 2.
На фигуре 4 показано поперечное сечение полосы для варианта с двухсторонним размещением армирующих нитей.
На фигуре 5 показан в увеличенном масштабе фрагмент поперечного сечения полосы, приведенного на фигуре 4.
На фигуре 6 показана заявленная инновационная пространственно полимерная решетка.
На фигуре 1 показан предпочтительный вариант изготовления полимерной полосы 1, содержащей армирование и дренажные отверстия, предназначенной для изготовления заявленной ППР. Гибкая полимерная полоса 1, предназначенная для производства ППР, содержит в продольном направлении армирующие нити 2, например арамидные нити или нити из углеродных волокон. При этом полимерная полоса изготовлена перфорированной, имеет толщину 1-2 мм, а также имеет текстуру на внешней поверхности, которая характеризуется наличием выступов 3 высотой 0,2-0,4 мм. Полимерная полоса 1 для изготовления заявленной ППР содержит матрицу на основе полиэтилена 4. Указанная полиэтиленовая матрица 4 армирована в продольном направлении, например, арамидной нитью 2 с шагом армирования h, при этом h=1÷5 мм.
При этом полосы армированы в продольном направлении арамидными или углеродными нитями при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Арамидная или углеродная нить
0,2-3,
Полиэтилен низкого давления
остальное
Полимерная полоса 1 содержит сквозные дренажные отверстия 5 (перфорацию), которые расположены между армирующими нитями 2 и выполнены продолговатой формы, вытянутой вдоль направления армирования. То есть дренажные отверстия 5 выполнены в форме вытянутых прямоугольников с полуокружностями радиуса R на коротких сторонах, при этом высота прямоугольника составляет величину 2R. Указанные отверстия 5 ориентированы длинными сторонами L параллельно краям полосы и армирующим нитям 2.
Как показано на фигурах 2-3, армирующие нити 2 могут быть расположены вблизи одной боковой поверхности полосы, и размещены предпочтительно в углублениях между соседними текстурными выступами 3. В другом варианте, показанном на фигурах 4-5, армирующие нити 2 расположены вблизи обеих боковых поверхностей полосы, и также размещены в углублениях между текстурными выступами 3.
На фигуре 6 показан общий вид растянутой ППР в аксонометрической проекции. Полосы 1, образующие ППР, поставлены на ребра и соединены между собой швами 6, повышенной прочности.
Пример 1
Изготовили пространственно полимерную решетку (ППР) с ячеистой структурой, предназначенную для стабилизации и закрепления грунтовой поверхности, которую выполнили из гибких полос согласно заявленному изобретению. Полосу армировали в продольном направлении арамидной нитью диаметром 0,05 мм при следующем соотношении компонентов (в мас.%): арамидная СВМ нить 0,2 мас.%, полиэтилен низкого давления - остальное. Полимерная полоса была изготовлена толщиной 1,27 мм. Полоса имела текстуру на внешней поверхности при высоте выступов 0,3 мм. Армированную полосу изготовили по экструзионной технологии, при этом армирующую нить заправляли в расплавленную массу полиэтилена низкого давления сразу после выхода полосы из экструзионной головки и перед входом ее в первую пару формующих валков. Шаг армирования был выбран 5 мм. Задавали шаг армирования при помощи металлической гребенки, через которую пропускали нити перед вводом в полимерную полосу.
Дренажные отверстия были выполнены в форме вытянутых прямоугольников длиной L=20 мм (длина прямоугольника) с полуокружностями на коротких сторонах при R=1,5 мм, при соотношении коротких и длинных сторон, соответствующих коэффициенту K.
В этом случае K=2·R/(L+2·R)=2·1.5/(20+2·1,5)=0,13, а степень перфорации составляет 6%. Полученную ленту порезали на мерные полосы для изготовления ППР заданного размера.
При формировании ППР полосы были установлены на ребра и сварены между собой при помощи термосварки в шахматном порядке по длине полос с возможностью образования при растягивании полос в направлении, нормальном к поверхности полос, ячеистой конструкции. При этом сварочные швы выполнены вертикально по отношению к ребрам полос.
Испытание ППР показало повышение всех показателей прочности по сравнению с прототипом. Долгосрочные испытания заявленной ППР показали высокий уровень прочности сварного шва. Испытания проводились путем подвешивания образцов ППР из заявленного материала под нагрузкой 72 кг на срок 30 суток. При проведении указанного испытания все образцы провисели под грузом без разрушения указанный срок 30 суток. Таким образом, ППР, соответствующая заявленному изобретению, выдерживает нормативное долгосрочное испытание на прочность сварного шва.
Кроме того, полосы, из которых была изготовлена ППР, показали упругий разрыв, практически, без удлинения.
Полученные при испытаниях данные подтверждают, что достигается технический результат заявленного изобретения по повышению прочности и стабильности геометрических параметров конструкции ППР, поскольку армированные полимерные полосы не деформируются в грунте под действием перепадов температур под нагрузкой.
Пример 2
Изготовили пространственно полимерную решетку (ППР) аналогично примеру 1. ППР изготовили с ячеистой структурой, выполненной из гибких полос, армированных в продольном направлении арамидной нитью диаметром 0,2 мм при следующем соотношении компонентов (в мас.%): арамидная СВМ нить 3,0 мас.%, полиэтилен низкого давления - остальное. Полимерная полоса изготовлена перфорированной, при этом она имеет толщину 1,8 мм, а также имеет текстуру на внешней поверхности, которая характеризуется наличием выступов высотой 0,4 мм. Полосу изготовили по экструзионной технологии, при этом армирующую нить заправляли в расплавленную массу полиэтилена низкого давления после выхода из экструзионной головки перед входом в первую пару формующих валков. Шаг армирования был выбран 2 мм. Задавали шаг армирования при помощи предварительно изготовленной сетки, которую ввели в полимерную полосу. Для этого армирующие арамидные нити расположили в качестве основы сетки, а в качестве утка использовали вспомогательную капроновую, полиэтиленовую или полиэфирную нити, только чтобы обеспечить заданный шаг армирования.
Дренажные отверстия были выполнены в форме вытянутых прямоугольников длиной L=20 мм (длина прямоугольника) с полуокружностями на коротких сторонах при R=3 мм.
В этом случае K=2·R/(L+2·R)=2·3/(20+2·3)=0,23, а степень перфорации составила 12,6%.
Полученную при экструзии ленту порезали на мерные полосы для изготовления ППР заданного размера. При формировании ППР полосы были установлены на ребра и сначала сварены при помощи ультразвуковой сварки, а затем дополнительно сшиты арамидной нитью между собой по линиям сварных швов (в другом варианте сварной и текстильный швы располагали параллельно на расстоянии 5 мм) в шахматном порядке с возможностью образования при растягивании полос в направлении, нормальном к поверхности полос, ячеистой конструкции. При этом швы выполнены под углом по отношению к ребрам полос.
Испытания, проведенные, как в примере 1, показали, что ППР с армированными швами имеет еще более высокую длительную прочность в сравнении с прототипом.