Вайерная композитная арматура и способ ее изготовления
WAYER COMPOSITE FITTINGS AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, конкретно к композитной строительной арматуре и способам ее производства.
Композитная арматура представляет собой стержни из ориентированных волокон, скрепленных полимерным синтетическим связующим.
Она достаточно широко применяется в промышленном, гражданском и дорожном строительстве для улучшения физико-механических свойств конструкций из бетона и других подобных материалов.
Композитная арматура характеризуется малым удельным весом, высокой прочностью на разрыв, коррозионной стойкостью, низкой теплопроводностью, является диэлектриком.
Наиболее распространенным промышленным методом производства композитной арматуры является пултрузия.
Пултрузия представляет собой непрерывный процесс, заключающийся в протягивании композиции, состоящей из матричного полимера и непрерывных волокон, через формообразующую или, так называемую пултрузионную, головку с последующей фиксацией композиции путем отверждения матричного полимера (Ставров В.П. «Формообразование изделий из композиционных материалов» Минск, БГТУ, 2006).
В качестве матричного полимера при производстве строительной арматуры чаще всего используются термореактивные системы, главным образом эпоксидсодержащие, обеспечивающие отверждение композиции за счет термоинициируемой реакции сшивания (С.В. Власов, Л.Б. Кандырин, В.Н. Кулезнев и др. «Основы технологии переработки пластмасс» М.: Химия, 2004).
В качестве наполняющих полимерную матрицу волокон широкое применение получили стекло- и базальтовое волокна, которые непрерывно вводятся в композицию в виде отдельных бесконечных волокон, или ровинга.
Процесс изготовления, например, стеклопластиковой, равно как и базальтопластиковой арматуры, включает следующие основные стадии: пропитку ровинга полимерной связующей композицией; объединение нескольких ровингов в единый жгут путем протягивания через систему фильер; создание рельефности на поверхности за счет специального обмоточного жгута; пропускание сформированного жгута через камеру с температурой, обеспечивающей отверждение полимерной композиции, охлаждение отвержденного стержня.
Все перечисленные выше процессы происходят непрерывно путем последовательной протяжки ровинга через пропиточную ванну, систему фильер, рельефообразующее устройство, термокамеру, устройство охлаждения. Протяжку ровинга обеспечивает специальное тянущее устройство - пулер.
Различные варианты технологического процесса производства композитной арматуры в целом, как и его отдельных стадий, общеизвестны из многочисленных патентов (например, RU 2220049, RU 2455435, DE 3703974), а также публикаций (например, Фролов В.П. «Стеклопластиковая арматура и стеклобетонные конструкции» М.: Стройиздат, 1980). Несмотря на различия режимов и конструктивных особенностей машин и аппаратов, типов химических реагентов, природу и характеристики волокон, все они включают перечисленные выше этапы и устройства.
Однако пултрузионная технология и получаемая с ее использованием арматура не лишены существенных недостатков.
Прежде всего, пултрузия имеет ограничение по диаметру получаемой арматуры и достигаемой производительности. Так, используя этот метод, сложно получить арматурный пруток диаметром больше 30-32 мм и достичь производительности более чем 25-30 м/час.
Основной причиной, обуславливающей эти ограничения, является значительное возрастание сопротивления протягиванию ровинга, особенно пропитанного полимерным связующим, через систему фильер. При возрастании сопротивления выше определенных значений может происходить разрыв волокон ровинга и, следовательно, снижение прочности арматурного стержня в целом.
Следует также иметь в виду, что при реализации высокой производительности значительно возрастает необходимая мощность пулера, что усложняет его конструкцию и приводит к росту энергопотребления.
Негативным аспектом пултрузионной технологии является также необходимость использования дополнительного устройства для создания определенного рельефа на поверхности арматурного стержня.
Одним из основных недостатков самой пултрузионной композитной арматуры, является низкий модуль изгиба, что делает неэффективным ее использование для армирования строительных конструкций, испытывающих значительные изгибающие воздействия, и в том числе межэтажных перекрытий.
Наиболее близкими к предложенным изобретениям являются композитный стержень для армирования связующих сред и способ его изготовления по патенту RU 2430220 С2, опубликованному 27.09.2011. Композитный стержень образован кручением не менее трех жгутов, пропитанных высокопрочным полимером. На первом этапе изготовления стержня изготавливают жгуты необходимых диаметров известными методами, например плетением. На втором этапе жгуты непрерывным образом пропитывают термореактивным компаундом на основе эпоксидной смолы и осуществляют их крутку. Число кручений на метр стержня составляет 5-120. После отверждения при повышенной температуре жгуты склеиваются между собой, образуя стержень, который разрезают на фрагменты необходимой длины.
Получаемый в результате композитный стержень обладает хорошей адгезией к бетону, однако характеризуется невысоким модулем изгиба, что существенно ограничивает возможности его применения в строительстве.
Одной из причин этого является неравномерность пропитки жгута, состоящего из сотен индивидуальных волокон, вязким компаундом. В большинстве случаев полимерный компаунд сосредотачивается в поверхностных слоях жгута, что в конечном итоге снижает физико-механические характеристики получаемого арматурного стержня.
Задачей настоящего изобретения является разработка композитной арматуры и способа ее изготовления, обеспечивающих высокие физико-механические свойства арматуры.
Техническим результатом изобретения является повышение сопротивления арматурного стержня к изгибающим напряжениям вследствие обеспечения равномерного распределения полимерного связующего по толщине стержня.
Технический результат достигается тем, что в композитном арматурном стержне, содержащем скрученные друг с другом жгуты, включающие волокна и скрепленные полимерным связующим, согласно изобретению, каждый жгут образован из нитей, каждая из которых скручена из по меньшей мере двух моноволокон, при этом направление скручивания жгутов противоположно направлению скручивания моноволокон.
Технический результат также достигается способом изготовления композитного арматурного стержня, заключающимся в формировании жгутов, включающих волокна, пропитке жгутов термоотверждаемой полимерной композицией, скручивании жгутов с получением стержня и отверждении полимера при высокой температуре, при этом согласно изобретению жгуты формируют из нитей, полученных скручиванием моноволокон, при этом скручивание жгутов осуществляют в направлении, противоположном направлению скручивания моноволокон.
Предлагаемый способ позволяет изготовливать арматурный стержень тросоподобной структуры (вайер) любого из имеющих практическое значение диаметров. Этот результат может быть достигнут путем изменения числа моноволокон в нити, используемой для формирования жгута, а также количества жгутов, используемых в последующем скручивании.
Получаемая в итоге вайерная арматура может иметь диаметр до 100 мм.
Она характеризуется более равномерным распределением связующей композиции по толщине арматурного стержня и, поэтому, улучшенным комплексом физико-механических свойств, включая повышенное сопротивление изгибающим напряжениям.
Используемые нити могут быть изготовлены из базальтовых или стеклянных волокон, получаемых путем прядения из расплава.
В качестве термоотверждаемой полимерной композиции может быть использована композиция на основе эпоксидной смолы или любая другая известная композиция, используемая для получения композитных арматурных стержней.
Ниже представлен типичный пример осуществления процесса изготовления вайерной арматуры.
Пример 1
Базальтовые нити марки БС 11 50S 40-76, полученные скручиванием в S-направлении моноволокон диаметром 12 мкм, объединили в жгуты диаметром 5 мм простым сложением.
Три жгута скрутили в Z-направлении и пропустили через пропиточную ванну, заполненную жидкой термоотверждаемой полимерной композицией, состоящей из эпоксидной диановой смолы ЭД-20, отвердителя - изометилтетрагидрофталиевого ангидрида, и триэтаноламина в качестве ускорителя полимеризации, взятых в следующих соотношениях, мас. %:
эпоксидная диановая смола
58,0
изометилтетрагидрофталиевый ангидрид
41,9
триэтаноламин
0,1
Избыток полимерной композиции удалили, а пропитанные жгуты направили на крутильную машину, обеспечивающую получение тросоподобной (вайерной) структуры со скоростью 10 метров в минуту.
Вайер направили в проходную термокамеру с инфракрасным излучателем с температурой 140°С, в которой происходило отверждение полимерной композиции, приводящей к формированию жесткого композитного арматурного стержня.
Сформированный вайерный арматурный стержень охладили, разрезали на отрезки длиной 2,5 м и направили на хранение.
Полученный в результате вайерный стержень имеет диаметр около 20 мм и характерную рельефную спиралевидную поверхность.
Микроскопические исследования показали высокую равномерность распределения полимерной композиции по диаметру стержня. При этом модуль изгиба полученной вайерной арматуры на 25% превышает модуль арматурного стержня того же диаметра, сформированного по способу-прототипу.