СТЕРЖЕНЬ ИЗ НЕПРЕРЫВНЫХ ВОЛОКОН
ROD OF CONTINUOUS FIBERS

Изобретение относится к области строительства, а именно к арматуре композитной, применяемой в строительных конструкциях, и может быть использовано при изготовлении строительных изделий, монолитных и сборных зданий, термоизоляционных стеновых панелей, а также для армирования грунта оснований зданий и сооружений, в том числе дорог и автомагистралей, для анкеровки в грунте подпорных стен и сооружений. Область применения композитной арматуры не ограничивается строительством.
Малый удельный вес, большая прочность на разрыв и химическая стойкость композитной арматуры позволяют использовать ее для замены арматуры из металлов.
Известно, что композитная арматура (fibre-reinforced plastic rebar, FRP rebar) - неметаллические стержни из стеклянных, базальтовых, углеродных или арамидных волокон, пропитанных термореактивным или термопластичным полимерным связующим и отвержденных. Межгосударственный стандарт ГОСТ 31938-2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций» определяет арматуру композитную периодического профиля как силовой стержень с равномерно расположенным на поверхности и под углом к его продольной оси анкеровочным слоем.
Из патентной документации: RU 2521281, Е04С 5/07, 2014; RU 2520542, Е04С 5/07, 2014; RU 2482248, Е04С 5/07, 2013; RU 2436910, Е04С 5/07, 2011; RU 2430220, Е04С 5/07, 2011; RU 2324797, Е04С 5/07, 2008; RU 2405092, Е04С 5/07, В32В 5/08, В32В 5/26, 2010; RU 2384677, Е04С5/07, 2010; RU 2384676, Е04С5/07, 2010; RU 2287647, Е04С 5/07, 2006; RU 2249085, Е04С 5/07, 2005; RU 2194135, Е04С 5/07, 2002; RU 2142039, Е04С 5/07, 1999; RU 2058276, С04В 26/14, С04В 26:12, С04В 14:38, С04В 24:12, Е04С 5/07, 1996; RU 2054508, Е04С 5/07, 1996 известны различные композитные арматурные изделия: арматура композитная, арматура стеклопластиковая, стержни композитные, стержни переменного сечения из композиционного материала, стержни для армирования бетонных конструкций, арматурные элементы для армирования теплоизоляционных стеновых конструкций, стержни для армирования бетона. Все они в поперечном сечении имеют преимущественно овальную форму, обмотаны, с меньшим или большим натяжением, лентой или жгутом эллиптического сечения, с различными шагом и толщиной слоя намотки, с образованием нужного рельефа поверхности. Попытки ввести спирально-перекрестную обмотку силового стержня, обмотку в виде многозаходной спирали или несколько спиралей, накладываемых друг на друга, с несовпадающим шагом намотки, не устраняют основного недостатка конструкции: овальная форма силового стержня не обеспечивает большой поверхности сцепления, что снижает сопротивление арматуры ее смещению в массиве отвержденного бетона как при нагрузках кручения и изгиба, так и при растяжении. Для увеличения прочности сцепления с бетоном арматуру изготавливают с разными зацепами в виде локальных изменений диаметра стержня путем введения закладных элементов или кольцевой обмоткой стержня нитью, жгутом, лентой.
Общим недостатком известной композитной арматуры, имеющей простую конструкцию, является недостаточная анкерность - слабое сцепление арматуры с бетоном и малая прочность в зоне контакта арматуры с материалом изделия при сдвиговых, изгибающих нагрузках и нагрузках кручения.
Арматура сложной конструкции с высокими эксплуатационными характеристиками предполагает сложную технологию формирования стержня арматуры, большую трудоемкость изготовления и обусловленную этим высокую себестоимость, что ограничивает ее применение.
Известен арматурный элемент, выполненный в виде собранных в ленточный жгут, толщиной не более 2 мм, волокон или нитей из них с различной тексностью (RU 2455436, Е04С 5/07, 2012), а также арматура композитная,
содержащая несущий стержень, выполненный в сечении в виде плоской ленты с соотношением толщины к ширине в пределах 1:(1,2-40) (RU 2388878, Е04С 5/07, 2010).
Недостатком этих технических решений является то, что спиральная обмотка плоского стержня несет скорее декоративную функцию, в лучшем случае, как и в вариантах исполнения стержня овальной или эллиптической формы, чисто технологическую функцию формования стержня и/или дозирования объема связующего в теле стержня.
Близким техническим решением является известный арматурный элемент с периодической поверхностью, включающий связанные между собой жгуты из длинномерных минеральных волокон, выполненный в виде каната, сплетенного из ленточных жгутов, состоящих из продольных волокон толщиной 5-50 мкм, или нитей из них, с плотностью волокон в сечении жгута 2-20 тысяч текс. Может снабжаться анкерными устройствами, расположенными по длине арматурного элемента (RU 2482247, Е04С 5/07, 2014).
Этот известный арматурный элемент не может обеспечить качественное изменение характеристик силы сцепления арматуры с бетоном и высокую прочность соединения при сдвиговых, изгибающих и крутящих нагрузках, что ограничивает его эксплуатационные возможности.
Наиболее близким техническим решением является известная композитная арматура из непрерывных волокон, которые, периодически соединяясь между собой, образуют плоские или пространственные фигуры (RU 147447, E04C 5/07, 2014). Принято за прототип.
Однако в местах пересечения жгутов (склеивания) прочность соединения жгутов в прототипе определяется пределом прочности на сдвиг полимерного связующего, а не пределом прочности на растяжение волокнистого материала. Кроме того, данное решение не направлено на пространственную ориентацию петель, а предназначено только для создания плоских или пространственных фигур с целью увеличения анкерности.
Повышение прочности соединения является важным фактором, влияющим на применимость арматуры в строительных конструкциях. ГОСТ 31938-2012 определяет предел прочности сцепления с бетоном и предел прочности при поперечном срезе, как основные характеристики качества арматуры.
Предлагаемая конструкция качественно меняет сцепление с бетоном, решает задачу повышения надежности соединения, увеличивает предел прочности сцепления, предел прочности при поперечном срезе, образует арматуру с высокими эксплуатационными качествами: с увеличенной площадью контакта, высокой прочностью, и обеспечивает объемное армирование бетонного изделия одним единственным арматурным элементом.
Технический результат заключается в повышении предела прочности сцепления стержня с материалом армируемого изделия, увеличении прочности на разрыв, сдвиг и изгиб, в повышении прочности изделия, возможности объемного армирования изделия одним стержнем.
Технический результат достигается тем, что стержень из непрерывных волокон, периодически соединяемых между собой, образующих плоские или пространственные фигуры, согласно изобретению, разветвлен периодически на два и/или более пучков, жестко фиксированных относительно друг друга и оси стержня в форме плоских и/или объемных геометрических фигур, с последующим объединением пучков в один. Один пучок может быть расположен так, что его продольная ось совпадает с осью стержня. На участках между ветвлениями объединены в один, в частности, путем скручивания их вокруг оси стержня или кольцевой обмотки нитью. Количество пучков в разных ветвлениях может быть различно. Волокна в пучке могут быть расположены вдоль продольной оси пучка, либо закручены вокруг продольной оси пучков в правом или левом направлении с шагом скрутки не более 100,0 мм. Пучки с волокнами, закрученными вокруг продольных осей пучков, и с волокнами, расположенными вдоль продольной оси пучка, могут быть применены в различных комбинациях. Площадь поперечного сечения и его геометрическая форма у разных пучков могут быть одинаковы или различны. Пучки, имеющие одинаковые и различающиеся площадь поперечного сечения и его геометрическую форму можно применять в разных комбинациях. По меньшей мере, один пучок, в частности, образован волокнами двух или более волокнистых материалов. Также каждый пучок может быть составлен полностью из волокон одного материала. В этом случае разные пучки могут быть составлены из волокон разных материалов. Особенность и в том, что, по меньшей мере, один пучок, составленный из волокон двух или более волокнистых материалов, и пучки, полностью составленные из волокон одного из различных материалов, могут быть применены в разных их сочетаниях и перестановках. Расстояния между ветвлениями, как и длины участков ветвления, могут различаться. В местах ветвлений образованы, в частности, плоские геометрические фигуры. В этом случае плоские геометрические фигуры могут быть расположены в одной или разных плоскостях. В местах ветвлений также могут быть образованы объемные геометрические фигуры. Кроме этого, на длине стержня могут быть применены разные комбинации из плоских и объемных геометрических фигур в различных исполнениях геометрических форм фигур.
Данная совокупность существенных признаков позволяет получить указанный технический результат.
Изменение геометрической формы поперечного сечения стержня путем периодического разветвления на два и/или более пучка волокон увеличивает площадь контакта стержня с материалом армируемого изделия, что увеличивает предел прочности сцепления с бетоном и повышает предел прочности стержня при поперечном срезе в составе строительных конструкций. Геометрические фигуры, образованные пучками волокон, изменяют форму стандартного стержневого каркаса, армирующего изделие, и увеличивают его прочность. Возможность выполнения ветвлений различной геометрической формы расширяет эксплуатационные характеристики арматуры. Заполнение бетонной массой полостей, образованных геометрическими фигурами, увеличивает анкерность арматуры, что в свою очередь позволяет сократить время технологической выдержки бетонокомпозитного изделия (БКИ). Стержень в местах ветвления работает как микрокаркас. Как плоские, так и объемные геометрические фигуры, образованные в местах ветвлений, изменяют структуру армирования БКИ. Применение стержней с ветвлениями в каркасах с геометрической формой для обычной стержневой арматуры существенно увеличивает прочность БКИ на растяжение, кручение и изгиб. Увеличивается способность БКИ выдерживать кратковременные ударные нагрузки при падении. Снижается расход материалов на единицу длины арматуры. Возможность выполнения геометрических фигур с различной формой и площадью ветвлений, разнообразным ориентированием плоскостей армирования, повышает эксплуатационные характеристики и качество, как самой арматуры, так и БКИ.
На фиг. 1 представлен стержень, разветвленный периодически на три пучка с разными поперечными сечениями, образующих плоские фигуры, расположенные в одной плоскости; на фиг. 2 - стержень, разветвленный периодически на два пучка с одинаковыми поперечными сечениями, образующих плоские фигуры, расположенные в разных плоскостях; на фиг. 3 - стержень, разветвленный периодически на два пучка с разными поперечными сечениями, образующих плоские фигуры, расположенные в одной плоскости; на фиг. 4 - стержень, разветвленный периодически на три пучка одинакового поперечного сечения, образующих плоские фигуры, расположенные в разных плоскостях; на фиг. 5 - стержень, разветвленный периодически на три пучка, образующих объемные фигуры; на фиг. 6 - стержень, разветвленный периодически на четыре пучка, образующих объемные фигуры; на фиг. 7 - стержень, разветвленный периодически на четыре пучка, образующих объемные фигуры; на фиг. 8 - стержень, разветвленный периодически на пять пучков, образующих объемные фигуры.
Стержень из непрерывных волокон, пропитанный связующим, образован чередованием участков 1 объединения пучков в один и участков ветвления на множество пучков 2, 3, 4…n. Количество пучков (n) в ветвлениях может быть два или более. Причем количество пучков в разных ветвлениях может быть различно. Положение каждого пучка жестко фиксировано относительно друг друга и оси стержня. При этом пучки образуют плоские и/или объемные геометрические фигуры. До объединения пучков в один каждый из них может быть образован волокнами, продольно расположенными вдоль его оси. Также они могут быть образованы закручиванием волокон вокруг продольной оси пучка в правом или левом направлении скрутки. Кроме этого стержень может включать различные комбинации из пучков, образованных волокнами, как закрученными вокруг продольной оси пучка, так и расположенными продольно оси пучка. Шаг скрутки желателен менее 100 мм. На одном метре длины пучка должно быть не менее 10 витков скрутки волокон. Пучки могут иметь совпадающие либо различные площадь поперечного сечения и его геометрическую форму, а также могут быть применены в различных их комбинациях. Каждый из пучков может быть составлен из двух или более разных материалов, либо полностью составлен из волокон одного материала. Стержень может быть сформирован из пучков, полностью составленных из волокон одного из различных материалов, и включать, по меньшей мере, один пучок, составленный из волокон двух или более материалов. На участках 1 пучки могут быть объединены в один путем скручивания их вокруг оси стержня или обматыванием кольцевой нитью. Длины участков 1 объединения пучков в один (расстояние между ветвлениями) могут быть как одинаковыми, так и различными. Длины участков ветвления могут быть как одинаковыми, так и различными. Стержень на своей длине может содержать разные комбинации длин участков ветвления и расстояний между ветвлениями. Стержень в разных местах ветвлений может содержать плоские геометрические фигуры, расположенные в одной или в разных плоскостях. Стержень в разных местах ветвлений может содержать объемные геометрические фигуры. При этом на длине стержня могут быть применены разные комбинации из плоских и объемных геометрических фигур в различных исполнениях геометрических форм фигур. Практически, при изготовлении стержня в плоском или объемном вариантах формирования геометрических фигур в местах ветвления, решается задача не разветвления, а объединения нескольких пучков волокон в один с образование участков ветвления в виде плоских или объемных геометрических фигур.
Ниже приведены примеры некоторых из возможных конструкций стержня, не охватывающие всех возможных исполнений.
Стержень (фиг. 1) образован разветвлением на три пучка 2, 3, 4 волокон с последующим объединением в один на участке 1. Объединение пучков 2, 3, 4 выполнено обматыванием кольцевой нитью. Площадь поперечного сечения и его геометрическая форма у пучков 2, 3, 4 различны. Пучок 3 выполнен волокнами, закрученными вокруг его продольной оси. Пучок 4 выполнен волокнами, расположенными вдоль его продольной оси. Продольная ось пучка 2 совпадает с осью стержня. Положение пучков 2, 3 и 4 задано геометрической формой плоского зажима, фиксирующего их положение в процессе изготовления стержня.
Один из вариантов процесса непрерывного изготовления арматуры с ветвлениями в форме плоских геометрических фигур реализуется следующим образом. Два или более параллельных пучка волокон расположены относительно друг друга на расстоянии, необходимом для образования нужной геометрической формы ветвления, и перемещаются в направлении продольной оси стержня с одинаковой линейной скоростью. Плоские зажимы формируют геометрическую форму пучков, фиксируют их положение и удерживают до момента образования участка ветвления. При движении пучков в продольном направлении зажимы перемещаются вместе с ними. На участке между двумя ближайшими зажимами формируется стержень путем кольцевой обмотки группы пучков нитью или ровингом. Участки между зажимами последовательно попадают в зону действия обмотчика кольцевой нитью. Шаг спирали и усилие натяжения кольцевой нити определяют (задают) процентное соотношение между объемом волокна и количеством связующего в теле стержня.
Стержень (фиг. 2) образован разветвлением на два пучка одинакового поперечного сечения с расположением волокон вдоль продольной оси пучков. Плоские геометрические фигуры на участках ветвления расположены в разных плоскостях. На участках между ветвлениями пучки объединены в один путем скручивания вокруг продольной оси стержня.
Стержень (фиг. 3) образован разветвлением на два пучка, один из которых, имеющий меньшее поперечное сечение, составлен волокнами, расположенными вдоль его продольной оси, а другой составлен волокнами, закрученными вокруг его продольной оси. Плоские геометрические фигуры расположены в одной плоскости. Объединение пучков на участке между ветвлениями выполнено обматыванием кольцевой нитью.
Стержень (фиг. 4) образован разветвлением на три пучка одинакового поперечного сечения, образующих плоские геометрические фигуры, расположенные в разных плоскостях. Продольная ось одного пучка совпадает с осью стержня.
Стержень (фиг. 5) образован разветвлением на три пучка 2, 3, 4, образующих объемные геометрические фигуры. Пучок 2 полностью составлен из волокон одного материала. Пучок 3 также полностью составлен из волокон одного материала. Но материалы пучков 2 и 3 разные. Пучки 2 и 3 сформированы в виде жгутов, скрученных в разных направлениях. Пучок 4 образован волокнами, расположенными вдоль его продольной оси, и составлен из двух различных материалов. Его продольная ось совпадает с осью стержня.
Стержень (фиг. 6, 7, 8) образован разветвлением на четыре и пять пучков с различными вариантами исполнения пучков и участков ветвления. Арматура в форме стержня с ветвлениями может быть изготовлена из двух или более пучков волокон в различных комбинациях перечисленных ниже вариантов исполнения пучков. До объединения пучки могут быть образованы волокнами, расположенными вдоль продольной оси пучка, или закручены вокруг его продольной оси с правым или левым направлением скрутки. Пучки могут содержать волокна нескольких различных материалов или состоять полностью из волокон одного из различных материалов. Площадь поперечного сечения и его геометрическая форма разных пучков волокон могут быть одинаковыми или различаться. Поверхности, в которых расположены пучки объемных геометрических фигур, могут быть расположены под различными углами относительно друг друга. Образованные в местах ветвления объемные геометрические фигуры на длине арматуры могут комбинироваться с плоскими геометрическими фигурами с таким же или иным количеством пучков.
При изготовлении предлагаемой конструкции стержня используются обычные, традиционные для производства композитной арматуры материалы и оборудование. В частности, стеклоровинги, изготавливаемые по ГОСТ 17139-2000 или ГОСТ Р 52581-2006 с различной линейной плотностью. Может использоваться как прямой ровинг (некрученая прядь) с линейной плотностью 160-1600 текс, так и сложенный ровинг с диаметром элементарной нити 10-24 мкм с линейной плотностью 960-9600 текс.
Цвет арматуры от светло-желтого до черного и зависит от материала наполнителя, химического состава связующего, отверждающей системы и температурных режимов полимеризации.
Стержни изготавливаются по непрерывной технологии, любой длины, в бухтах или длинномерными хлыстами.
Предлагаемая конструкция может изготавливаться на технологической линии стандартной комплектации, включающей: шпулярник-стеллаж, узел удаления влаги, узел удаления замасливателя (при необходимости), узел пропитки связующим, разделительное устройство, формовочный узел, прогревочные камеры полимеризации, охладитель, тянущий узел, узел отрезки, лоток-накопитель хлыстов или формирователь бухты.
Полный набор вариантов исполнения стержней предлагаемой конструкции может изготавливаться на типовой технологической линии непрерывного изготовления стеклопластиковой арматуры, дополненной узлами: веретено для скручивания волокон в пучке; скрутчик или обмотчик пучков в один; направляющие для ориентации петель на участках ветвлений.
Учитывая новизну совокупности существенных признаков, техническое решение поставленной задачи, изобретательский уровень и существенность всех общих и частных признаков изобретения, показанных в разделе «Уровень техники» и «Раскрытие изобретения», доказанную в разделе «Осуществление и промышленная реализация изобретения» техническую осуществимость и промышленную применимость изобретения, достижение поставленных изобретательских задач и уверенное достижение требуемого технического результата при реализации и использовании изобретения, изобретение удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к изобретениям. Создана конструкция композитной арматуры с повышенной прочностью сцепления с материалом армируемого изделия.
Изобретение позволяет изготавливать стержни композитные с высокими эксплуатационными характеристиками, различной геометрической формы ветвлений, как арматуру, обладающую свойствами микрокаркаса, обеспечивающего объемное армирование изделия одним арматурным стержнем.