АРМАТУРА ДЛЯ БЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, СИСТЕМА И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА АРМИРОВАННЫХ БЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
REINFORCEMENT FOR CONCRETE ELEMENTS, SYSTEM AND METHOD FOR PRODUCTION OF REINFORCED CONCRETE ELEMENTS

Настоящее изобретение относится к арматуре и арматурной системе для армирования бетонных элементов. Изобретение также относится к способу производства такой арматуры и способу изготовления такого армированного элемента. Арматура содержит, по меньшей мере, один растянутый волоконный жгут, сформированный из малого числа моноволоконных нитей, которые вместе создают волоконный жгут. На волоконный жгут предпочтительно наносится покрытие из зернистого материала, такого как песок, причем песок приклеивается к внешней поверхности жгута. Дополнительно изобретение относится к способу бетонирования таких армированных бетонных элементов.
Хорошо известно, что бетонные конструкции армируются с использованием стали таким путем, чтобы нагрузки и усилия передавались от бетона на арматуру для получения конструкции, в которой растягивающие нагрузки и усилия воспринимаются арматурой, в то время как сжимающие нагрузки и усилия воспринимаются самим бетоном. Стандартная длина стержней арматуры составляет 12 метров, и толщина может варьироваться от ⌀6 мм до ⌀48 мм. Очевидно, что сталь с такими геометрическими параметрами имеет большой вес и жесткость, делая сложным перемещение арматуры и ее размещение в конструкции. При размещении стальной арматуры арматурные стержни должны предварительно изгибаться и затем связываться вместе в опалубке для размещения арматуры в сечениях, где ожидаются растягивающие усилия.
Там, где нужно армировать большие длины, стержни арматуры должны перекрывать друг друга, передавая нормальные напряжения и усилия в виде сдвигающих усилий через бетон от одного стержня к другому. Также возможна сварка стержней. Обычная стальная арматура требует, как правило, бетонного покрытия, по меньшей мере, 30 мм, при этом на ребрах поверхности бетонной конструкции возникают большие концентрации растягивающих усилий. Следовательно, в этих зонах могут легко появляться трещины, делая возможным проникновение воды в бетонную структуру, подвергающей коррозии стальную арматуру. Такие атаки коррозии увеличивают объем арматуры за пределы первоначального объема, создавая растягивающие усилия и вызывая возможные сколы.
Хорошо известно использование продуктов из углеродных волокон в качестве арматуры либо заделанной в бетон, или приклеенной к поверхности бетонного тела.
Из патента WO 03/025305 A1 известен способ изготовления арматурных элементов для бетона c арматурой, содержащей растянутые, предпочтительно непрерывные пучки углеродных волокон, пропитанные связующим веществом из пластичного материала, который затем отверждается. Волоконный пучок, который содержит очень большое число единичных волокон, после пропитывания и до отверждения подается в ванну, содержащую зернистый материал, такой как песок, который прилипает к поверхности волоконного пучка без какого-либо проникновения между волокнами. Зернистый материал прикрепляется к поверхности во время процесса отверждения, таким образом образуя арматурный элемент.
В патенте NO 138157 описана петлевая арматура для предварительно напряженных бетонных конструкций, где петлевая арматура содержит несколько пропитанных смолой стекловолоконных жгутов, с увеличением поперечного сечения каждой петли посредством армирующих жгутов из пропитанного смолой стекловолокна, которые плотно соединены с каждой петлей.
В патенте ЕР 1180565 описана гибкая арматура для армированного бетона в виде гибкой ленты, имеющей высокий модуль упругости. Лента располагается вокруг, по меньшей мере, двух арматурных стержней и каждый конец ленты натягивается для формирования петли вокруг арматурных стержней с формированием жесткого соединения.
Известно конструирование бетонных плавучих пирсов, собираемых из отдельных независимых элементов пирса, в котором пары элементов пирса соединяются вместе около угловых зон. Для этого выполняют вертикальное углубление или выемку в каждом углу каждого элемента пирса вместе с горизонтальными каналами, проходящими от углублений через стену элемента и наружу около концевой стенки элемента. Горизонтально расположенное анкерное средство проходит между упомянутыми углублениями каждого элемента через упомянутые каналы для осуществления сборки и взаимного соединения двух элементов пирса.
Из-за наличия углублений и каналов каждый угол подвергается воздействию больших растягивающих усилий и нагрузок. Следовательно, необходимо интенсивно армировать углы и секции, окружающие углубления.
Упомянутые угловые зоны, однако, подтверждают свою уязвимость, и бетон ломается, несмотря на интенсивное армирование, когда элементы пирса подвергаются большим нагрузкам и усилиям.
Проблема, которую необходимо разрешить, состоит в том, что дополнительно к эксплуатации при высоких растягивающих усилиях, обеспечению малого веса и сопротивлению коррозии высокую прочность надлежит обеспечивать даже при высокой температуре, например при температуре пожара высокой эффективности.
Дополнительная проблема, подлежащая решению, состоит в увеличении производительности при изготовлении арматуры и вместе с тем обеспечении решения проблемы армирования, выполняемого согласно индивидуальным требованиям при существенном сокращении требуемых инвестиций в производственные сооружения и оборудование.
Еще одной дополнительной проблемой, подлежащей решению, является сокращение доли арматуры, выполняемой согласно индивидуальным требованиям и времени, требуемого для укладки такой арматуры, в тех случаях, когда требуется более или менее сложная арматура, выполняемая согласно индивидуальным требованиям для различных конструкций.
Задачей настоящего изобретения, таким образом, является создание арматурной системы для бетона, имеющей улучшенные свойства, дающей конструкциям, подлежащим бетонированию, увеличенную прочность и увеличенный срок эксплуатации, и уменьшающее необходимость текущего ремонта изготовляемых бетонных конструкций.
Дополнительной задачей арматурной системы согласно изобретению является увеличение конструктивной несущей способности бетонной конструкции, если бетонная конструкция подвергается воздействию огня.
Еще одной дополнительной задачей арматурной системы согласно изобретению является создание простой и гибкой арматурной системы, делающей возможной адаптацию арматурной системы и регулирование ее размеров в сложных конструктивных элементах.
Еще одной дополнительной задачей арматурной системы является создание арматуры, которую оператору просто укладывать и которая исключает, по меньшей мере, частично, тяжелые ручные подъемные операции.
Упомянутые выше задачи решаются с помощью арматурной системы и способа производства, который дополнительно изложен в части, описывающей отличия независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения изложены в независимых пунктах формулы изобретения.
Важным элементом арматурной системы согласно изобретению является использование замкнутых арматурных петель, выполненных из множества непрерывных волокон, например из углеродных или базальтовых волокон, погружаемых в связующее вещество, с отверждением петли после формирования петли и с покрытием петли слоем частиц, таких, например, как песок. Предпочтительно петли растягиваются и могут выполняться либо в виде замкнутых петель, или растянутых витков, расположенных в продольном направлении и соответствующих петель или витков в поперечном направлении. Полукруглые концы петель или витков выполняются с возможностью работы в качестве концевых анкеров арматуры. Эффект от применения петлевой арматуры может, по меньшей мере, частично достигаться созданием спиральной арматуры. Когда такая спиральная арматура заделывается в отвержденный цемент, спиральная арматура будет работать, как многоосная арматура.
При использовании арматуры согласно изобретению скачкообразная или неожиданная концентрация напряжений должна в гораздо меньшей степени появляться в области концов арматуры. Если необходимо «соединить» арматуру, может применяться обычное перекрывание внахлест, соответствующее традиционной стальной арматуре. Главное отличие состоит в том, что усилие от одного элемента арматуры передается к соседней арматуре и, вдобавок, передается срезающее напряжение между петлями арматуры, и локальная зона сжатия устанавливается в бетоне между концами петель, перекрывающимися внахлест. Поскольку бетон может противостоять высоким усилиям сжатия, возможные трещины или микротрещины в этой зоне передачи нагрузки будут закрываться усилием сжатия, вместо того чтобы открываться, как в случае обычной арматуры. Величина таких усилий сжатия зависит от нескольких параметров, в зависимости, помимо прочего, от связи между композитной арматурой и окружающим бетоном.
Арматура выполняется из композитного материала, среди прочего, содержащего углеродные или базальтовые волокна.
Арматурные петли согласно изобретению имеют высокие качества материала, такие как высокую прочность на растяжение, малый вес и высокое сопротивление коррозии. Кроме того, высокая прочность на растяжение поддерживается даже при высокой температуре, такой, например, как при пожаре высокой интенсивности.
Испытания показали, что арматура согласно изобретению в четыре раза прочнее стали, в то время как ее вес в четыре раза меньше веса стали. Следовательно, существенная экономия веса может получаться при использовании арматуры согласно изобретению.
Кроме того, следует уяснить, что поскольку арматура согласно изобретению имеет высокий уровень присущего ей сопротивления коррозии, арматура может располагаться близко к поверхности бетонного элемента, подлежащего армированию, или на ней, следовательно, требуя уменьшенного бетонного покрытия или не требуя его вовсе. Следовательно, арматура может размещаться там, где она действительно необходима.
Ниже изобретение описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
На Фигуре 1 показан в виде схемы вертикальный разрез армированного бетонного элемента, в котором показаны две арматурные петли, выполненные согласно принципу изобретения;
На Фигуре 2 показан вид одного варианта осуществления арматурной сетки, сформированной из множества замкнутых арматурных петель;
На Фигуре 3 показан альтернативный вариант осуществления арматурной сетки, сформированной из множества замкнутых арматурных петель, расположенных и в продольном, и в поперечном направлениях;
На Фигуре 4 показано множество расположенных соосно и концентрически арматурных петель согласно изобретению;
На Фигуре 5 показан в виде схемы горизонтальный разрез понтона, в котором используются арматурные петли согласно изобретению для армирования понтона;
На Фигуре 6 показан в виде схемы вертикальный разрез по арматуре, используемой для блока понтона, показанного на фигуре 5;
На Фигуре 7 показан в виде схемы вертикальный разрез по блоку понтона, показанному на фигуре 5;
На Фигуре 8 показаны в виде схемы вертикальный разрез для первых этапов изготовления волоконного пучка с помощью пластичного материала;
На Фигуре 9 показано, как может изготавливаться петля согласно изобретению; и
На Фигуре 10 показан вертикальный разрез по арматурной петле 11 по линии А-А, показанной на фигуре 9.
На Фигуре 1 показан схематично вертикальный разрез бетонного элемента 10, представленный, как вид сверху прямоугольной балки. Как показано, балка схематически армирована посредством двух арматурных петель 11. Может использоваться множество арматурных петель 11, но для лучшей ясности только две петли 11 армирования показаны на фигуре. Следует уяснить, что может использоваться большое число арматурных петель 11 в зависимости от усилий и нагрузок, по которым при проектировании должны задаваться размеры бетонного элемента. Арматурные петли 12 могут располагаться в любой предпочтительной плоскости, включая в себя вертикальную и горизонтальную плоскости. Как показано на фигуре 1, арматурные петли 11 расположены в горизонтальной плоскости с одним концом петли, перекрывающимся внахлест другим концом петли, с формированием замкнутого цилиндрического пространства 12 между ними. Противоположный конец каждой арматурной петли 11 образует замкнутый полукруг 14.
Когда бетонный элемент подвергается воздействию растягивающих нагрузок, например, как показано стрелками на фигуре 1, два перекрывающихся внахлест конца арматурных петель 11 должны вместе формировать замкнутое цилиндрическое пространство 12, подвергая бетон внутри упомянутого пространства 12 воздействию сжатия и, следовательно, действуя в качестве анкера, вызывающего местное сжатие предварительного напряжения. Концы арматурных петель 11 действуют, следовательно, как концевые анкера для армирования, и в то же самое время прямые части петель 11 действуют, как обычная арматура.
Следует уяснить, что петли 11 согласно показанному варианту осуществления изобретения могут, например, формироваться из небольшого количества моноволоконных нитей, которые могут взаимно соединяться связующим веществом для формирования волоконного жгута с покрытием из зернистого материала на наружной поверхности жгута. Зернистым материалом может быть, например, песок.
Жгуты 11 могут, например, иметь высоту 1-5 см, в то время как толщина может составлять 1-2 мм. Растянутая петля 11 может формироваться повторяющимся навиванием упомянутого волоконного жгута для формирования замкнутых петель 11.
Петли 11 могут быть выполнены, например, таким образом, чтобы их концы имели полукруглую или полуовальную форму.
На фигуре 2 показан альтернативный вариант осуществления арматуры согласно изобретению. Этот вариант осуществления изобретения также показан для бетонной плиты 10, и одинаково с вариантом осуществления, показанным на фигуре 1, показан только один слой арматуры. Вариант осуществления содержит множество замкнутых петель 11, расположенных последовательно, одна за другой, соединенных между собой, по меньшей мере, у концов посредством растянутых волоконных жгутов 15, таким образом, образуя арматурную сетку или мат. Упомянутые растянутые волоконные жгуты могут выполняться в виде прямых жгутов или в виде петель, установленных перпендикулярно относительно петель 11. Такая сетка или мат может, например, использоваться в качестве арматуры для бетонного пола, бетонных стен и тому подобного.
Вариант осуществления арматуры, который показан на фигурах, может, например, использоваться в качестве арматуры бетонных колонн.
На фигуре 3 показан третий вариант осуществления арматурного мата, в котором петли 11 имеют форму поперечных витков 16, соединенных между собой множеством растянутых витков 17. Волоконные жгуты, формирующие витки 16, 17, могут иметь размеры такие, какие задаются в отношении фигуры 1.
Как показано на фигуре 3, две из петель 16' могут укладываться так, чтобы их концы выступали из бетонного элемента 10. Петли 16' могут, например, использоваться для прикрепления бетонного элемента 10 к примыкающему бетонному элементу (не показан). В таком случае петли могут, например, размещаться в соответствующем углублении в примыкающем бетонном элементе, в этом случае два бетонных элемента могут соединяться бетонированием на площадке. Следует пояснить, что количество петель 16', выступающих из бетонного элемента 10, может быть одна или несколько, без отклонения от сущности изобретения.
На фигуре 4 показан в виде схемы третий вариант осуществления изобретения, в котором арматурные петли 11-11” размещены концентрически друг относительно друга. Петля 11 армирования имеет самую большую длину, петля 11' несколько короче, а петля 11” является самой короткой. Согласно такому варианту осуществления изобретения является возможным посредством петель 11-11” размещать основную часть армирования в сечениях, где необходимо самое большое поперечное сечение арматуры. Бетонный элемент, показанный на фигуре 4, может, например, быть балкой, опертой на каждом из концов. Согласно такому решению изгибающие моменты могут быть самыми большими на среднем участке балки и, следовательно, этому участку требуется самая мощная арматура. Результатом такого варианта осуществления изобретения является самое оптимальное использование объемов материалов.
На фигурах 5 и 6 показан пример использования арматурных петель 11 согласно изобретению для одного возможного варианта осуществления, где каждый конец петель 11 навивается вокруг цилиндрической трубы 18. Согласно варианту осуществления изобретения, показанному на фигурах 5 и 6, бетонная конструкция образует часть плавучего пирса 20, вида, содержащего несколько элементов, связанных вместе, предназначенных формировать, например, длинный пирс, составленный из модулей, или тому подобное.
На Фигуре 5 показан в виде схемы горизонтальный разрез плавучего элемента 20, а на фигуре 6 показана только часть, в которой показаны цилиндрические трубы 18 и петли армирования. Согласно этому варианту осуществления изобретения цилиндрические трубы 18 образуются из стальных цилиндрических труб, размещенных у углов плавучего корпуса 20. Следует уяснить, однако, что цилиндры 18 также могут изготавливаться из материалов, отличных от стали, таких как другие виды металла, или из пластмасс. Как и для предыдущих показанных вариантов осуществления изобретения, арматурные петли 11 навиваются вокруг пар соседних цилиндрических труб 18 и в продольном и поперечном направлении плавучего корпуса 20. На фигурах 5 и 6 показаны только те арматурные петли 11, которые навиваются в продольном направлении плавучего корпуса 20.
Для облегчения взаимного соединения двух примыкающих плавающих корпусов 20 или прикрепления элемента к береговому анкерному устройству 22 каждый из углов, относящихся к цилиндрическим трубам 18, снабжается углублениями 21. Соответственно цилиндрические тела 18 снабжаются отверстием и сегментом 24, снабженным отверстием, образующим опорную поверхность крепежного стержня 23, или тому подобным для взаимного соединения или скрепления вместе одного плавучего тела с другим плавучим телом или с береговым анкерным устройством. Крепежный стержень 23 может прикрепляться внутри цилиндрического тела 18 посредством анкерной пластины 25 так, чтобы крепежный стержень 23 мог подтягиваться. На фигуре 5 показан только один такой крепежный стержень 23. Следует пояснить, однако, что такой крепежный стержень 23 может использоваться на каждом из цилиндрических тел 18 для крепления плавучего тела к береговым анкерам 22 или для скрепления вместе двух примыкающих плавучих тел 20. Стрелкой Р указано направление тянущего усилия, действующего на плавучее тело 20 около его угла.
Следует уяснить, что прикрепление и соединение крепежного стержня может выполняться любым путем, известным специалистам из уровня техники.
На Фигуре 7 показан в виде схемы вертикальный разрез по плавучему телу 20, показанному на фигуре 5, где показаны арматурные петли 11 и два цилиндрических тела 18. Как показано, арматура вместе с цилиндрическими телами расположена в верхней половине тела плавучести.
На Фигурах 8 и 9 показан в виде схемы возможный путь изготовления волокон, образующих часть армирования, и путь изготовления петель. В первой части производственной линии, как показано на фигуре 8, большое количество непрерывных моноволокон или нитей 26 вытягивается с соответствующего количества катушек барабанов R1 с нитями или волокном. Сначала волокна 26 собираются и подаются в ванну с плавающими в ней жидкими пластическими материалами или связующим веществом 27, чтобы пропитаться ими. Собранный пучок 29 волокон предпочтительно может тянуться посредством приводных роликов, таких, какие указаны цифрами ссылки R2 и R3. Пучок пропитанных волокон проходит затем ролик R4, вытягивающий пучок из ванны, возможно с осуществлением предварительного натяжения пучка, которое может получаться посредством тянущего средства 28, содержащего пару роликов. Эти ролики 28 могут также функционировать как средство выдавливания возможных излишков неотвержденного пластичного материала или связующего вещества, которым пропитан пучок. От роликов 28 пропитанный пучок 29 волокон тянется, например, к обмотке вокруг тела в форме барабана, как показано на фигуре 9.
На Фигуре 9 показан пропитанный, но еще не отвержденный пучок 29 волокон, который навивается на два разнесенных цилиндрических барабана 30. Барабаны могут соединяться между собой посредством одной или нескольких перекладин 31, которые посредине могут опираться на вал 32, параллельный оси барабана. Посредством вращения взаимосвязанных барабанов 30 вокруг оси 32 пропитанные, но еще не отвержденные пучки 29 волокон навиваются друг на друга, образуя арматуру 11 в форме петли.
На Фигуре 10 показан вертикальный разрез по пучку 29 волокон по линии А-А, показанной на фигуре 9. Пучок 29 волокон навивается на корпус 30, 31, 32 барабана так, что поперечному сечению волоконной петли 11 придается более или менее круглая форма, как показано на фигуре 10. Альтернативно, пучок 29 волокон может навиваться на барабан так, чтобы поперечное сечение приобрело более или менее овальную форму.
Когда навивка петли 11 завершена с необходимыми формой и размерами, на внешнюю поверхность петли может наноситься покрытие из зернистого материала, такого как песок, и после этого петля отверждается подходящим способом. Следует пояснить, что зернистый материал должен приклеиваться только к внешней поверхности пучка, чтобы волокна внутри пучка 29 не подвергались воздействию острых поверхностей частиц. Предназначение зернистого материала, которым покрывается внешняя поверхность петель 11, состоит в том, чтобы обеспечить надлежащую связь между бетоном и пучком волокон при бетонировании.
В случае, если арматуре следует иметь другую форму, например растянутых петель, которые навиваются то в одном, то в другом направлении, то способ изготовления пропитанных, но еще не отвержденных пучков 29 волокон должен соответствовать способу, описанному в отношении фигуры 9. Затем пучок 29 волокон навивается на специально разработанный шаблон для придания требуемой формы арматуре, при этом зернистый материал наносится на поверхность неотвержденного пучка 29 волокон перед отверждением его любым подходящим способом.
Например, согласно настоящему изобретению материал волокна, используемый в пучке 29 волокна, может формироваться из материала с высокой температурой плавления, например, превышающей 1000°С, в то время как материал пропитки или связующее вещество может выполняться из пластичного материала, такого как термопласт. Углерод или базальт могут быть подходящим материалом для волоконных нитей 26.
Существенное преимущество использования этих видов волоконных материалов состоит в том, что основная часть эффекта армирования будет поддерживаться даже тогда, когда бетонная конструкция подвергается воздействию высоких температур, например, вызванных огнем. Даже если материал пропитки/связующее вещество расплавится или выгорит, что может произойти при температуре около 200°С, непрерывный пучок волокна будет продолжать располагаться внутри своего «бетонного коридора», более или менее свободного от кислорода. Поскольку кислород отсутствует, материалы, такие как углерод или базальт и тому подобные, могут выдерживать очень высокие температуры, такие как 1000°С и выше.
Если арматурная петля выполнена из пучка толстого волокна, навитого лишь несколько раз по петле, такой пучок волокон должен вытягиваться из своего «коридора» после пожара. Если петля армирования согласно настоящему изобретению выполнена из более тонких пучков волокон, навитых вокруг петли очень много раз, петля будет способна выдерживать существенное натяжение даже тогда, когда материал пропитки или связующее вещество испарятся.
Если это специально не оговаривается в тексте, должно быть ясно, что термин петля также должен включать в себя витки или спиральные линии, образованные из волоконных жгутов или пучков согласно изобретению.
Хотя цилиндрические тела описаны выше, следует уяснить, что термин «цилиндрические тела» включает в себя тела, у которых поверхность, вокруг которой навивается волоконная арматура, является криволинейной. Часть цилиндрического корпуса, не предназначенная для нахождения в контакте с волоконной арматурой, может иметь любую подходящую форму. Следует дополнительно уяснить, что цилиндрические тела может быть либо сплошным и компактным, или пустотелым без отхода от сущности изобретения.
Дополнительно следует уяснить, что волоконные петли могут находиться в диапазоне от толстых и длинных до тонких и коротких. В комбинации или отдельно толстые и длинные петли могут воспринимать растягивающие усилия, в то время как большое количество коротких петель может предотвратить или, по меньшей мере, сократить сколы бетона, вызванные быстрым увеличением температуры в случае пожара. Это может иметь место вследствие того, что одиночная петля будет работать, даже если нагрев от пожара обугливает или испаряет связующее вещество.
Дополнительно следует уяснить, что, хотя петли являются овальными, они могут иметь более или менее угловатую форму.
Согласно изобретению малые петли являются подходящими для использования с пневмобетоном и петли могут предотвращать образование трещин и микротрещин в бетоне.