АРМАТУРА КОМПОЗИТНАЯ

Полезная модель относится к элементам строительных конструкций, применяемых для армирования стеновых панелей, монолитных бетонных и сборных зданий. Арматура композитная может быть использована для армирования грунта оснований зданий и сооружений, в том числе оснований автомагистралей и дорог.
Известна арматура композитная «Астрофлекс», содержащая несущий стержень из легкого высокоподвижного бетона и обмотку из углеродного жгута (RU №2405091, публ. 27.11.2010 г.). Бетон содержит в своем составе базальтовое волокно, модифицированное углеродными структурами фуллероидного типа. Углеродный жгут пропитан полимерным связующим, модифицированным углеродными структурами фуллероидного типа в соотношении 0,01-10% от массы полимерной матрицы. Известная арматура имеет повышенную прочность на сжатие и на изгиб. Недостатком арматуры является ее низкая прочность на растяжение.
Известна арматура композитная для армирования бетона, содержащая несущий стержень и обмоточный жгут, выполненные из волокнистого полимерного наполнителя, пропитанного связующим на основе эпоксидной смолы (RU №77309, публ. 20.10.2008 г.). Связующее содержит продукт взаимодействия эпоксидной алифатической смолы ТЭГ-1 с уретановым каучуком в количестве 0,12-0,42% масс, что повышает прочностные свойства связующего. Арматура имеет прочность на растяжение 1460 МПа.
Известна арматура композитная, содержащая несущий стержень и обмоточный жгут, выполненные из низкомодульных волокон, пропитанных связующим на основе эпоксидной смолы (RU №82245, публ. 20.04.2009 г.). Несущий стержень армирован высокомодульными волокнами. Предел прочности при растяжении достигает 1800 МПа.
Известна арматура композитная, содержащая несущий стержень из высокопрочного композиционного материала и обмоточного жгута, намотанного на стержень под углом от 20° до 30° (RU №97150, публ. 27.08.2009 г.). Арматура имеет при малых углах навивки наибольшую прочность на растяжение. Недостатком является сложность обеспечения анкерных свойств арматуры.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является арматура композитная, содержащая несущий стержень и обмоточный жгут, выполненные из волокнистого высокопрочного полимерного наполнителя, пропитанного связующим на основе эпоксидной смолы (RU №2287647, публ. 20.11.2006 г.). Обмоточный жгут, вдавлен в тело несущего стержня, и в сечении имеет форму эллипса, большая ось которого расположена вдоль несущего стержня, что увеличивает прочность сцепления жгута со стержнем и повышает анкерные свойства арматуры. Угол навивки жгута составляет 30-70°. При уменьшении угла навивки обмоточного жгута улучшаются физико-механические свойства арматуры, прочность арматуры на растяжение возрастает и при угле 30 достигает 1600 МПа.
Недостатком известной арматуры является наличие концентраторов напряжения в несущем стержне в виде впадин от вдавливания обмоточного жгута, что снижает прочность арматуры при растяжении. Технические сложности вдавливания жгута в тело стержня ограничивают диапазон угла навивки обмоточного жгута в сторону уменьшения угла и, соответственно увеличения прочности на растяжение.
Технической задачей полезной модели является повышение прочности арматуры на растяжение при сохранении анкерных свойств.
Для решения поставленной задачи в арматуре композитной, содержащей несущий стержень и обмоточный жгут, выполненные из волокнистого высокопрочного полимерного наполнителя, пропитанного связующим на основе эпоксидной смолы, связующее содержит углеродные медь-, или железо-, или никель-, или кобальтсодержащие наноструктуры, при этом несущий стержень и обмоточный жгут имеют прямолинейный контур сопряжения в сечении вдоль несущего стержня.
Предпочтительно угол навивки жгута составляет 10-20°.
Используемые при модификации связующего углеродные металлсодержащие наноструктуры, благодаря наличию в них металла, имеют повышенную активность и способны более эффективно изменять надмолекулярную структуру связующего, тем самым положительно влиять на эксплутационные характеристики, в том числе на адгезионную прочность связующего на основе эпоксидной смолы к волокнистым высокопрочным полимерным наполнителям (стеклянным, базальтовым). Это позволяет увеличить сцепление между отдельными ровингами волокнистого наполнителя, пропитанного данным связующим, таким образом увеличить сцепление между ровингами, входящими в несущий стержень, а также между обмоточным жгутом и несущим стержнем, что делает арматуру более устойчивой к нагрузкам на растяжение и улучшает ее анкерные свойства.
Прямолинейный контур сопряжения обмоточного жгута с несущим стержнем в сечении вдоль несущего стержня образуется при навивке без вдавливания обмоточного жгута в тело стержня. При этом отсутствие концентраторов напряжения в теле несущего стержня также повышает прочность арматуры на растяжение.
Пониженная вязкость связующего с углеродными металлсодержащими наноструктурами увеличивает контактную поверхность жгута со стержнем, что в сочетании с высокой адгезионной прочностью связующего обеспечивает сцепление жгута со стержнем без вдавливания его в тело стержня, и, соответственно, обеспечивает анкерные свойства арматуры при повышенной прочности на растяжение в широком диапазоне угла навивки от 10° до 80°. При навивке без вдавливания жгута в тело стержня несущий стержень и обмоточный жгут имеют прямолинейный контур сопряжения в сечении вдоль несущего стержня.
Таким образом, заявленная совокупность признаков позволяет достичь заявленного технического эффекта.
р
Предпочтительны углы навивки от 10° до 20°, при которых заявленная совокупность признаков позволяет достичь наибольшей прочности на растяжение. При угле навивки 10 прочность арматуры на растяжение σ достигает 2473 ПМа.
Осуществление намотки жгута на стержень под углом менее 10° ограничивается возможностями технологического оборудования.
Полезная модель поясняется графическими материалами. Фиг.1. Изображение заявленной арматуры.
Фиг.2. Таблица значений пределов прочности на растяжение для образцов арматуры стеклопластиковой (АСП) средним диаметром 5 мм.
р
Фиг.3 График зависимости предела прочности на растяжение (σ, МПа) образцов АСП от угла навивки (α,°) обмоточного жгута. 1 -АСП, не содержащая наноструктур (прототип); (2-5) - АСП средним диаметром 5 мм, с концентрацией углеродных металлсодержащих наноструктур 0,02% от массы связующего, с углеродными, соответственно: 2 - медьсодержащими, 3 - железосодержащими, 4 - никельсодержащими, 5 - кобальтсодержащими наноструктурами.
Фиг.4. Таблица значений пределов прочности на растяжение образцов арматуры базальтопластиковой (АБП) средним диаметром 5 мм.
Арматура композитная представляет собой несущий стержень 1, на который под углом а навит обмоточный жгут 2 (фиг.1). При этом обмоточный жгут 2 не вдавлен в тело несущего стержня 1, что наглядно иллюстрирует сечение обмоточного жгута, контур которого включает прямолинейный участок 3, соприкасающийся с поверхностью стержня 1. Несущий стержень и обмоточный жгут выполнены из волокнистого высокопрочного полимерного материала (стеклоровинги или ровинги на основе алифатической эпоксидной смолы и ускорителя алкофена в соотношении 100:70:4:4, с диспергированньши в ней углеродными медь-, или железо-, или никель-, или кобальтсодержащими наноструктурами. Концентрация углеродных металлсодержащих наноструктур от массы связующего составляла 0-0,1%.
Спиральную намотку выступов на несущий стержень осуществляли под углом навивки жгута α, равным 10, 30, 45, 70, 80 градусов. Результаты испытаний приведены в основе алифатической эпоксидной смолы и ускорителя алкофена в соотношении 100:70:4:4, с диспергированными в ней углеродными медь-, или железо-, или никель-, или кобальтсодержащими наноструктурами. Концентрация углеродных металлсодержащих наноструктур от массы связующего составляла 0-0,1%. Спиральную намотку выступов на несущий стержень осуществляли под углом навивки жгута а, равным 10, 30, 45, 70, 80 градусов. Результаты испытаний приведены в таблице (фиг.2) и графической зависимости (фиг.3).
Пример 2.
Арматуру базальтопластиковую полимерную изготавливали из ровингов базальтовых марки НРБ ТУ 5969-026-00204990-2005. В качестве связующего использовалась полимерная композиция на основе эпоксидной смолы марки ЭД-20 с добавлением отвердителя изометилтетрагидрофталевого ангидрида, модификатора на основе алифатической эпоксидной смолы и ускорителя алкофена в соотношении 100:70:4:4, с диспергированными в ней углеродными металлсодержащими наноструктурами. Концентрация углеродных металлсодержащих наноструктур от массы связующего составляла 0,02%, диаметр арматуры - 5 мм, угол навивки обмоточного жгута- 10°, 30°, 80°. Результаты испытаний приведены в таблице (фиг.4).
р
Результаты испытаний показали повышение прочности при растяжении заявленной арматуры по сравнению с прототипом в широком диапазоне углов навивки от 10 до 80 (Фиг.2-4). Высокие адгезионные свойства и низкая вязкость связующего позволили сохранить анкерные свойства арматуры. При этом арматура с углами навивки от 10° до 20° характеризуется наиболее высокой прочностью (σ равна 2473 МПа при α-10, при связующем, включающем углеродные медьсодержащие наноструктуры) и низким расходом обмоточного жгута. Преимуществом заявленной арматуры является также повышение прочности на растяжение при сверхмалых концентрациях 0,001-0,01% углеродных металлсодержащих наноструктур в связующем (Фиг.2).