КОМПОЗИТНАЯ АРМАТУРА "АСТРОФЛЕКС" (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к строительству, а именно к композитной арматуре, которая применяется в строительных конструкциях для армирования термоизоляционных стеновых панелей, монолитных бетонных и сборных зданий, а так же для использования в конструктивных элементах зданий в виде самостоятельных стержней и сеток.
Среди прогрессивных строительных материалов, все более широко применяемых в строительстве, можно назвать группу полимерных композиционных и цементосодержащих материалов (далее ПКМ), из которых строят мосты и здания, их используют при реконструкции и усилении существующих сооружений. Обладая такими положительными свойствами, как большая прочность и повышенная стойкость против коррозии, в том числе радиационной, эти материалы позволяют создавать новые конструкции и технологии для строительства мостов, зданий и сооружений. Широкое использование полимерных и полимерных композиционных материалов в современной технике связано с разработкой новых методов модификации ПКМ или отдельных компонентов этих композиции. Основная тенденция развития промышленности ПКМ в настоящее время заключается в разработке и организации производства ПКМ, модифицированных различными наноматериалами, так называемых нанокомпозитов.
Известен ламинированный композитный арматурный стержень, выполненный в виде металлического сердечника, ламинированного композитным составом в виде волокон материала, распределенных в матрице на основе эпоксидной смолы (см. патент США №5613334 на изобретение, МПК 6 Е04L 5/08, 25.03.1997 г.).
Данный композитный арматурный стержень имеет низкую теплостойкость (120-150°С) и не обеспечивает необходимую жесткость при повышении температуры свыше 300°С.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков является стержень для армирования бетона, содержащий внешний слой и внутренний слой, размещенный внутри внешнего (см. патент РФ №2054508 на изобретение, МПК6 Е04С 5/07, 20.02.1996 г.).
Данный композитный арматурный стержень также имеет низкую теплостойкость (120-200°С) и не обеспечивает необходимую жесткость при повышении температуры свыше 300°С.
Техническим результатом при использовании предлагаемой группы полезных является повышение теплостойкости при нагреве свыше 300°С, с сохранением высоких прочностных характеристик.
Указанный технический результат достигается тем, что согласно варианту №1, в композитной арматуре, содержащей внешний слой и внутренний слой, размещенный внутри внешнего слоя, внешний слой выполнен из нанокомпозитного углепластика, в котором полимерная матрица модифицирована углеродными наноструктурами, а внутренний слой выполнен из легкого высокоподвижного бетона, содержащего в своем составе компоненты при следующем соотношении (% масс.):
цемент
20-50
наполнитель
70-30
пластификатор
0,02-2,5
вода
остальное.
Указанный технический результат достигается тем, что согласно варианту №2, в композитной арматуре, содержащей внешний слой и внутренний слой, размещенный внутри внешнего слоя, внешний слой выполнен из нанокомпозитного углепластика, в котором полимерная матрица модифицирована полиэдральными многослойными углеродными наноструктурами фуллероидного типа (астраленами) в соотношении 0,01-10% от массы полимерной матрицы, а внутренний слой выполнен из легкого высокоподвижного нанобетона, содержащего в своем составе компоненты при следующем соотношении (% масс.):
цемент
24-48
наполнитель
60-30
модифицированное базальтовое волокно
2-6
пластификатор
0,05-3,0
вода
остальное.
Указанный технический результат достигается тем, что согласно варианту №3, в композитной арматуре, содержащей внешний слой и внутренний слой, размещенный внутри внешнего слоя, внешний слой выполнен из нанокомпозитного углепластика, а внутренний слой выполнен из легкого высокоподвижного нанобетона, содержащего в своем составе компоненты при следующем соотношении (% масс.):
цемент
20-50
наполнитель
50-20
пластификатор
0,02-2,5
эпоксидная смола водорастворимая
0,2-25
вода
остальное.
Кроме того, в композитной арматуре по вариантам 1, 2, 3 поверхность внешнего слоя снабжена огнезащитным покрытием; поперечное сечение внешнего слоя и внутреннего слоя имеет произвольную форму.
На фиг.1 изображена композитная арматура, общий вид;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 изображена композитная арматура в разрезе;
на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.1;
на фиг.5 - разрез В-В на фиг.2;
на фиг.6 - разрез Г-Г на фиг.3.
Композитная арматура «Астрофлекс» по вариантам 1, 2, 3 состоит из внешнего слоя 1, внутри которого размещен внутренний слой 2, на наружной поверхности внешнего слоя 1 выполнены рельефные элементы 3 для улучшения сцепления нанокомпозитной арматуры с бетоном при изготовлении армированных таким образом строительных деталей. Поперечное сечение внешнего слоя 1 и внутреннего слоя 2 имеет произвольную форму, например круглую (фиг.4), прямоугольную (фиг.5), треугольную (фиг.6). В зависимости от применения поверхность внешнего слоя 1 композитной арматуры может быть снабжена огнезащитным покрытием 4.
Согласно варианту №1, внешний слой 1 выполнен из нанокомпозитного углепластика, в котором полимерная матрица модифицирована углеродными наноструктурами. Внутренний слой 2 выполнен из легкого высокоподвижного бетона, содержащего в своем составе компоненты при следующем соотношении (% масс.): цемент - 20-50; наполнитель - 70-30;
пластификатор - 0,02-2,5; вода- остальное.
В качестве наполнителя внутренний слой 2 содержит смесь гравия с песком и смесь гравия с алюмосиликатными микросферами.
В качестве пластификатора внутренний слой 2 содержит полинафталинметиленсульфонат натрия - органическое синтетическое вещество на основе продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида.
Другое процентное соотношение масс компонентов не позволяет получить композиционные бетоны, из которых технологически возможно изготовить внутренний слой заявляемой нанокомпощтной арматуры с требуемыми свойствами.
Согласно варианту №2, внешний слой 1 выполнен из нанокомпозитного углепластика, в котором полимерная матрица модифицирована полиэдральными многослойными углеродными наноструктурами фуллероидного типа (астраленами) в соотношении 0,01-10% от массы полимерной матрицы. Внутренний слой 2 выполнен из легкого высокоподвижного нанобетона, содержащего в своем составе компоненты при следующем соотношении (% масс.): цемент - 24-48; наполнитель - 60-30; модифицированное базальтовое волокно - 2-6; пластификатор - 0,05-3,0; вода - остальное.
Наличие модифицированного базальтового волокна в составе внутреннего слоя 2 позволяет получить дисперсно-армированный нанокомпозитный бетон с высокой работой разрушения и повышенной прочностью на изгиб. Модифицированное базальтовое волокно получено путем смешивания измельченного базальтового волокна диаметром 8-10 мкм и длиной волокон 100-500 мкм с полиэдральными многослойными углеродными наноструктурами фуллероидного типа и многослойными углеродными нанотрубками, полученными электродуговым распылением графита с последующей окислительной очисткой катодного депозита, взятыми в количестве 0,0001-0,005 части модификатора на 1 часть базальтового волокна. Указанные наноструктуры смешивают с базальтовым волокном в дробилке в процессе измельчения базальтового волокна.
Другое процентное соотношение масс компонентов внутреннего слоя и соотношение полиэдральных многослойных углеродных наноструктур к массе полимерной матрицы не позволяет получить композиционные бетоны, из которых технологически возможно изготовить внешний и внутренний слои заявляемой нанокомпощтной арматуры с требуемыми свойствами.
Согласно варианту №3, внешний слой 1 выполнен из нанокомпозитного углепластика. Внутренний слой 2 выполнен из легкого высокоподвижного нанобетона, содержащего в своем составе компоненты при следующем соотношении (% масс.): цемент - 20-50; наполнитель - 50-20;
пластификатор - 0,02-2,5; эпоксидная смола водорастворимая - 0,2-25; вода - остальное.
Бетонная смесь для легкого высокоподвижного нанобетона дополнительно содержит водосовместимую эпоксидную смолу, которая необходима для повышении адгезии на границе слоя 1 и слоя 2.
Другое процентное соотношение масс компонентов не позволяет получить композиционные бетоны, из которых технологически возможно изготовить внутренний слой заявляемой нанокомпощтной арматуры с требуемыми свойствами.
Композитную арматуру «Астрофлекс» по вариантам №№1, 2, 3 получают двумя способами:
а). Сначала изготавливают внутренний слой 2. Для этого сухие компоненты бетонной смеси загружают в смеситель и перемешивают в течение 5-15 минут. Пластификатор растворяют в воде, раствор подают в смеситель, и смесь перемешивают в течение 5-15 минут. Затем бетонную смесь помещают в форму и выдерживают в форме до схватывания бетонного раствора и набора необходимой твердости. После этого на внешнюю поверхность слоя 2 наматывают углеродную ленту, или жгут, пропитанные связующим и отверждают связующее. Возможно также изготовление внешнего слоя 1 с использованием углеродных препрегов - углеродной ленты, либо жгута, пропитанного связующим и подсушенного. Внешний слой 1 выполняют с созданием необходимого поверхностного рельефа.
б). Сначала изготавливают внешний слой 1. Для этого углеродный жгут, или ленту, пропитанную связующим, спирально наматывают под определенным углом (0°-30°) на оправку, например, фторопластовый стержень, затем связующее отверждают. Сухие компоненты бетонной смеси загружают в смеситель, перемешивают в течение 5-15 минут, затем добавляют раствор пластификатора в воде и воду до необходимого ее количества. Смесь снова перемешивают и заливают полученный бетонный раствор в объем, образующийся внутри внешнего слоя 1 после извлечения оправки. Полученную конструкцию выдерживают до схватывания раствора и набоpa необходимой твердости. Возможно также изготовление внешнего слоя 1 с использованием углеродных препрегов. Препрегу придают форму замкнутой поверхности по форме внешнего слоя 1 и отверждают связующее нагревом до определенной температуры. Затем описанным выше способом заполняют объем, образованный внешним слоем 1 бетонной смесью и выдерживают до ее схватывания и набора необходимой твердости. При изготовлении композитного стержня по данному методу, возможен такой подбор параметров отверждения внутреннего и внешнего слоев, при которых при нанесении рельефа происходит частичная деформация (промин на глубину 0,1-0,5 мм) внешнего слоя, без потери целостности внешнего слоя (фиг.3). Такой композитный стержень обладает лучшими характеристиками при испытании на выдергивание арматуры из армированной бетонной детали.
Далее определяют характеристики материала в полученном изделии. Для этого берут образцы стандартных размеров и подвергают их испытаниям на сжатие и изгиб при различных температурах.
Свойства композитной арматуры «Астрофлекс» по варианту №1, приведены в Таблице 1.
Таблица 1
Состав и показатели
Состав, % масс.
1
2
3
Состав внутреннего слоя, % масс.
Цемент
20
35
50
Наполнитель
65
39,7
10
Пластификатор
0,02
0,3
2,5
Алюмосиликатные микросферы
5
10
20
Вода
19,98
15
17,5
Состав наружного слоя, % масс.
Углеродный жгут (лента)
69,997
58,8
45
Полимерная матрица
30
40
50
Наноструктуры фуллероидного типа
0,003
1,2
5
Физико-механические показатели арматуры
Предел прочности при сжатии, ГПа
150
190
100
Предел прочности при изгибе, ГПа
12
18
8
Теплостойкость, °С
560
630
710
Как видно из Таблицы 1, модификация слоя 2 алюмосиликатными микросферами и модификация полимерной матрицы слоя 1 фуллероидными наноструктурами привела к значительному увеличению теплостойкости при сохранении достаточно высоких прочностных характеристик.
Свойства композитной арматуры «Астрофлекс» по варианту №2, приведены в Таблице 2.
Таблица 2
Состав и показатели
Состав, % масс.
1
2
3
Состав внутреннего слоя, % масс.
Цемент
24
35
48
Наполнитель
60
45
30
Базальтовое волокно
2
6
4
Пластификатор
0,05
0,3
3
Вода
13,95
13,7
15
Состав наружного слоя, % масс.
Углеродный жгут (лента)
49,995
58,8
67
Полимерная матрица
50
40
30
Наноструктуры фуллероидного типа
0,005
1,2
3
Физико-механические показатели арматуры
Предел прочности при сжатии, ГПа
120
210
250
Предел прочности при изгибе, ГПа
13
22
24
Теплостойкость, °С
720
630
490
Как видно из Таблицы 2, модификация полимерной матрицы слоя 1 фуллероидными наноструктурами и слоя 2 базальтовой микрофиброй привела к увеличению прочностных характеристик при сохранении высокой теплостойкости.
Свойства композитной арматуры «Астрофлекс» по варианту №3, приведены в Таблице 3.
Таблица 3
Состав и показатели
Состав, % масс.
1
2
3
Состав внутреннего слоя, % масс.
Цемент
20
35
50
Наполнитель
50
35
20
Пластификатор
0,02
1,2
2,5
Эпоксидная смола водосовместимая
25
12
0,2
Вода
4,88
16,8
27.3
Состав наружного слоя, % масс.
Углеродный жгут (лента)
49,995
58,8
67
Полимерная матрица
50
40
30
Наноструктуры фуллероидного типа
0,005
1,2
3
Физико-механические показатели арматуры
Предел прочности при сжатии, МПа
120
260
310
Предел прочности при изгибе, МПа
12
25
30
Теплостойкость, °С
480
560
630
Как видно из Таблицы 3, введение в состав внутреннего слоя 2 водосовместимой эпоксидной смолы привело к увеличению прочностных характеристик при сохранении достаточно высоких значений теплостойкости.
Композитная арматура «Астрофлекс» по вариантам №№1, 2, 3 работает следующим образом:
Композитную арматуру (стержни) устанавливают и заливают бетоном, затем после набора бетоном необходимой твердости, изготовленные и армированные таким образом, детали используют в строительных конструкциях.
Из отдельных стержней композитной арматуры собираются плоские или объемные конструкции с помощью композитных муфт и (или) термоусадочной пленки. Собранную конструкцию заливают бетоном или используют самостоятельно как силовой конструкционный элемент.
Таким образом, композитная арматура «Астрофлекс», изготовленная из нанокомпозитного углепластикового внешнего слоя 1 и легкого внутреннего нанобетонного слоя 2, имеет повышенную теплостойкость и высокую прочность. В отличие от бетонов, армированных стальной арматурой, бетоны, армированные полимерной композиционной арматурой, не подвергаются коррозии. Применение каркасной структуры повышает физико-механические показатели, а также приводят к снижению напряжений в конструкциях.
Применение композитной арматуры «Астрофлекс» позволяет существенно снизить массу конструкций, повысить коррозионную стойкость, устойчивость к агрессивным средам, расширять архитектурные возможности, сократить трудовые затраты, превосходя по многим свойствам традиционные материалы.