СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УГЛЕРОДОТРУБОБЕТОННОЙ КОНСТРУКЦИИ
METHOD OF MAKING CARBON-TUBE-CONCRETE STRUCTURE

Изобретение относится к строительству зданий и сооружений и может быть использовано при изготовлении углеродобетонных конструкций, а именно свай, свай-оболочек, колонн и стоек каркаса для зданий и инженерных сооружений.
Известен способ изготовления углеродотрубобетонной конструкции, включающий подготовку поверхности готовой железобетонной конструкции, нанесение на нее клеевого состава и наклеивание непрерывно по всей длине конструкции длинных лент из углеродного волокна под небольшим углом к горизонтальной оси для создания внешней обоймы из углеродного волокна [Шилин А.А. Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными материалами. - М.: ОАО Издательство «Стройиздат», 2007].
Недостаток этого способа состоит в применении ручного труда, что приводит к повышению трудоемкости работ, времени изготовления, необходимости наличия специальных стендов и оборудования для свободного доступа ко всей обрабатываемой поверхности, а также к трудности контроля качества изготовления конструкции. Кроме того, данный способ может быть использован только в качестве усиления железобетонных конструкций.
Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления углеродотрубобетонной конструкции, включающий изготовление двухслойной замкнутой по продольным краям заготовки с открытыми поперечными кромками из углеродного волокна, герметичное закрепление торцевых кромок заготовки на оправках кольцевого сечения, создание избыточного давления между слоями заготовки для образования замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна, пропитка стенки оболочки полимерными материалами с последующим заполнением всего ее внутреннего пространства бетоном под давлением для образования сплошного бетонного ядра [Jessica Bloch, Kevin Miller. BRIDGE TO THE FUTURE? // Bangor Daily News, Saturday/Sunday, February 21-22, 2009. bangordailynews.com].
Недостатком данного способа является производство работ непосредственно на строительной площадке, в результате возникают дополнительные затраты на использование специального оборудования (виброустановка, кран, бетонорастворонасос и т.д.), на электропотребление, а также наличие специальных условий для хранения изготовленных конструкций до достижения требуемой прочности бетона сплошного бетонного ядра. Кроме того, при данном способе отсутствует контроль качества заполнения оболочки бетоном, т.е. определения возможного образования каверн, которые значительно снижают несущую способность готовой конструкции.
Задачей данного изобретения является разработка способа изготовления углеродотрубобетонной конструкции, позволяющего перенести весь процесс изготовления в заводские условия, способствующие повышению качества и снижению трудоемкости. Техническим результатом является получение в конце процесса углеродотрубобетонной конструкции полной заводской готовности без образования коверн, обладающей всеми достоинствами сборных железобетонных конструкций (быстротой монтажа, отсутствием необходимости устройства опалубки и мокрого процесса на строительной площадке). Кроме этого способ исключает дополнительные работы по защите замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна после изготовления конструкции и позволяет изготавливать углеродотрубобетонную конструкцию меньшей массы без снижения несущей способности.
Поставленные задачи достигаются тем, что способ изготовления углеродотрубобетонной конструкции, включает изготовление двухслойной замкнутой по продольным краям заготовки из углеродного волокна с открытыми поперечными кромками, герметичное закрепление торцевых кромок заготовки, создание избыточного давления между слоями заготовки для образования из нее замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна, пропитка стенки цилиндрической оболочки полимерными материалами, снятие избыточного давления. Новым в данном способе является то, что до снятия избыточного давления на наружные стенки замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна наносят с помощью набрызга слой из смеси бетона. В результате образуется наружный защитный слой кольцевого сечения. Затем после набора прочности нанесенного наружного слоя снимают избыточное давление и образуют внутренний рабочий слой кольцевого сечения. Для этого внутрь замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна загружают смесь бетона и производят ее равномерное распределение по контуру замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна с помощью центрифугирования.
В качестве смеси для образования наружного защитного слоя и внутреннего рабочего слоя кольцевого сечения используют углеродофибробетон.
Кроме этого для изготовления углеродотрубобетонной конструкции повышенной несущей способности на сжатие внутренний рабочий слой кольцевого сечения образуют так, что внутрь цилиндрической оболочки из углеродного волокна последовательно устанавливают пространственный каркас из арматурной стали, затем загружают бетонную смесь, а потом применяют способ центрифугирования.
Предлагаемый способ изготовления углеродотрубобетонной конструкции переносит весь процесс изготовления в заводские условия, что способствует повышению качества и снижению трудоемкости, а также получению в конце процесса углеродотрубобетонной конструкции полной заводской готовности, обладающей всеми достоинствами сборных железобетонных конструкций, а также возможностью использования таких конструкций в качестве сжатых и внецентренно сжатых элементов. Кроме того, этот способ исключает дополнительные работы по защите замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна после изготовления конструкции.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 представлено герметичное закрепление торцевых кромок двухслойной заготовки из углеродного волокна торцевыми оправками (заглушками) и подключение компрессора;
на фиг.2 - формирование замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна путем создания избыточного давления внутри двухслойной заготовки из углеродного волокна;
на фиг.3 - формирование наружного слоя кольцевого сечения путем нанесения смеси на основе бетона, например углеродофибробетона, с помощью набрызга на наружную поверхность замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна с образованием полуфабриката в виде трубчатого элемента;
на фиг.4 - укладка смеси на основе бетона, например углеродофибробетона, внутрь полуфабриката в виде трубчатого элемента;
на фиг.5 - формирование внутреннего слоя кольцевого сечения способом центрифугированного формирования его из смеси на основе бетона, например углеродофибробетона, с образованием углеродотрубобетонной конструкции;
на фиг.6 - установка пространственного цилиндрического каркаса из арматурной стали внутри полуфабриката в виде трубчатого элемента;
на фиг.7 - укладка бетонной смеси внутрь полуфабриката в виде трубчатого элемента;
на фиг.8 - формирование внутреннего слоя кольцевого сечения из железобетона способом центрифугирования с образованием углеродотрубобетонной конструкции повышенной несущей способности на сжатие.
Способ изготовления углеродотрубобетонной конструкции состоит из нескольких этапов. Торцы двухслойной заготовки из углеродного волокна 1 с открытыми поперечными кромками герметично закрепляют на оправках 2 круглого сечения, в одной из которых расположен штуцер для подачи сжатого воздуха, и подключают компрессор (фиг.1).
Затем создают избыточное давление внутри двухслойной заготовки из углеродного волокна 1 для образования из нее замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна 3 (фиг.2), после чего стенки замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна 3 пропитывают полимерными материалами, например эпоксидной смолой.
Затем, не снимая избыточного давления внутри замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна 3, на ее наружную поверхность наносят слой из смеси на основе бетона, например углеродофибробетона 4, толщиной 2,5 см с помощью набрызга. В результате образуется наружный защитный слой кольцевого сечения из углеродофибробетона 4 (фиг.3).
После набора прочности наружного защитного слоя кольцевого сечения из углеродофибробетона 4 снимают избыточное давление внутри замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна 3 и получают полуфабрикат в виде трубчатого элемента 5, состоящего из замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна 3 и наружного защитного слоя кольцевого сечения толщиной 2,5 см из углеродофибробетона 4. Полуфабрикат в виде трубчатого элемента 5 устанавливают на центрифугу и внутрь его загружают смесь на основе бетона, например углеродофибробетонную смесь 6 (фиг.4). При этом объем углеродофибробетонной смеси 6 зависит от требуемой толщины создаваемого из нее внутреннего рабочего слоя кольцевого сечения из углеродофибробетона 7.
Затем на центрифуге осуществляют процесс центрифугированного формирования внутреннего рабочего слоя кольцевого сечения из углеродофибробетона 7. В результате получают углеродотрубобетонную конструкцию кольцевого сечения полной заводской готовности 11, состоящую из последовательно расположенных слоев кольцевого сечения: наружного защитного слоя из углеродофибробетона 4 толщиной 2,5 см, замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна 3 и внутреннего рабочего слоя из углеродофибробетона 7 (фиг.5).
Для повышения несущей способности углеродотрубобетонной конструкции на сжатие внутрь полуфабриката в виде трубчатого элемента 5 помещают пространственный цилиндрический каркас из арматурной стали 8, положение которого фиксируется оправками кольцевого сечения (заглушками) 2 (фиг.6).
Затем внутрь полуфабриката в виде трубчатого элемента 5 загружают бетонную смесь 9 (фиг.7). При этом объем бетонной смеси 9 зависит от требуемой толщины создаваемого из нее внутреннего рабочего слоя кольцевого сечения из железобетона 10.
После чего на центрифуге осуществляют процесс центрифугированного формирования внутреннего рабочего слоя кольцевого сечения из железобетона 10, состоящего из пространственного цилиндрического каркаса из арматурной стали 8 и бетонной смеси 9 (фиг.8). В результате получают углеродотрубобетонную конструкцию кольцевого сечения полной заводской готовности 12, состоящую из последовательно расположенных слоев кольцевого сечения: наружного защитного слоя из углеродофибробетона 4 толщиной 2,5 см, замкнутой цилиндрической оболочки из углеродного волокна 3 и внутреннего рабочего слоя из железобетона 10, состоящего, в свою очередь, из пространственного цилиндрического каркаса из арматурной стали 8 и бетонной смеси 9 (фиг.8).
Таким образом, предлагаемый способ позволяет в заводских условиях изготавливать углеродотрубобетонную конструкцию требуемого диаметра (от 0,2 м до 2,0 м и более) в виде сборного элемента длиной 0,5-6,0 м, которая может быть использована в качестве балки, колонны, сваи, сваи-оболочки или отдельного линейного элемента для, например, полигональных арки и тора. Также предлагаемый способ способствует повышению качества и снижению трудоемкости, исключает образование каверн.
Положительной особенностью предлагаемого способа является образование защитного слоя углеродного волокна в процессе изготовления углеродотрубобетонной конструкции. Кроме того, предлагаемый способ позволяет изготавливать углеродотрубобетонную конструкцию меньшей массы без снижения несущей способности, в отличие от углеродотрубобетонной конструкции, изготовленной известными способоми.
Предлагаемый способ изготовления позволяет повысить несущую способность на сжатие новой углеродотрубобетонной конструкции путем введения в совместную работу гибкой стальной арматуры, что позволяет использовать новую углеродотрубобетонную конструкцию в сооружениях, испытывающих значительные нагрузки.