Композитный арматурный стержень на основе базальтового трощеного ровинга

Полезная модель относится к области строительства, а именно к элементам направленного и дисперсного армирования бетонов и асфальтобетонов. Дисперсное армирование необходимо для устранения трещинообразования и повышения прочностных характеристик бетонных строительных конструкций.
Известна арматура для дисперсного армирования бетонных изделий по патенту РФ №2030530 (дата публикации: 10.03.1995), содержащая равномерно распределенные в бетоне элементы в виде цилиндрических и конических спиралей из полимерных материалов и стеклопластика. Недостатком данной арматуры является склонность к зацепам и комкованию, что неблагоприятно сказывается на прочностных свойствах бетонных конструкций.
Из существующего уровня техники известен патент  RU 2482248 Арматура композитная (дата публикации: 20.05.2013).
Арматура композитная по первому варианту, состоящая из полимерной матрицы, выполненной из термопластичного конструкционного полимера и дисперсно армированного стеклянными, базальтовыми или углеродными волокнами длиной 0,5-5 мм с содержанием по массе до 30%, и продольных армирующих нитей (пучков нитей), выполненных из низкомодульных и высокомодульных волокон, равномерно расположенных по площади сечения стержня, причем отношение площади полимерной матрицы к площади пучков нитей в поперечном сечении составляет не менее 2, и имеющая формованные поперечные кольцевые ребра, наклоненные к оси стержня под углом от 30 до 90°.
Известен Стержень композитный RU 2430220(дата публикации: 27.09.2011):
Стержень композитный из высокопрочного полимера для армирования связующих сред, включающий волокна, объединенные в жгуты, образован кручением жгутов, причем диаметр жгутов составляет 25-47% от диаметра стержня, а количество жгутов должно быть не менее 3-х, а число кручений жгутов на метр стержня находится в диапазоне 5-120.
Наиболее близким является техническое решение по патенту RU 2431026, МПК Е04С 5/07 (Дата публикации: 10.10.2011), Композитный арматурный элемент.
Композитный арматурный элемент для дисперсного армирования бетона из отрезка ровинга минерального волокна по первому варианту выполнен из одного скрученного ровинга, пропитанного полимерным связующим. Композитный арматурный элемент для дисперсного армирования бетона из отрезка ровинга минерального волокна по второму варианту выполнен из двух ровингов, скрученных между собой и пропитанных полимерным связующим. Композитный арматурный элемент по первому и второму вариантам может быть выполнен в диапазоне диаметров 0,1-2,0 мм, длиной не менее диаметра и может быть профилированным по всей длине или части длины, также может быть пропитан полимерным связующим в поверхностном слое. Композитный арматурный элемент по второму варианту может быть выполнен из различных минеральных волокон.
Недостатками предложенных устройств являются недостаточное механическое зацепление уступов на поверхности арматуры в цементной матрице, гладкость сформированных уступов и как следствие низкая эффективность совместной работы предложенной арматуры с бетоном, сложность в изготовлении арматурных элементов при работе с отрезками ровинга малой длины и диаметра, низкая эффективность заполнения предложенными элементами цементной матрицы. Осуществление пропитки полимерным связующим в поверхностном слое не обеспечивает совместную работу волокон ровинга в составе армирующего элемента. Предложенные устройства предназначены для дисперсного армирования, что исключает их удобоукладываемость, не позволяет контролировать характер армирования. Кроме этого дисперсное армирование малоэффективно для растянутых и изгибаемых элементов конструкций. Для растянутых и изгибаемых элементов наиболее эффективно направленное армирование. При добавлении предложенных устройств в матрицу сложно добиться ее эффективного заполнения, что делает непредсказуемым поведение конструкций, испытывающих растяжение при изгибе.
Технической задачей, решению которой служит заявляемая полезная модель, является как повышение прочностных и деформационных характеристик самой композитной арматуры, так и увеличение эффективности совместной работы арматуры с бетоном, которое предполагает повышение прочностных и деформационных характеристик композитов с цементной матрицей, что достигается посредством:
формирования удобоукладываемой армирующей конструкции;
исключения точечного примыкания поверхности арматуры к цементной матрице;
обеспечения совместности работы волокон ровинга в составе формируемого арматурного стержня;
формирования самоанкерующейся поверхности у арматурного стержня;
обеспечения возможности изменения пространственной формы арматуры при формовании без изменения прочностных свойств, при улучшении свойств самоанкерования в цементной матрице;
обеспечения прочности пространственных анкерующих элементов поперечного профиля путем добавления в полимерную матрицу хаотично расположенных волокон фибры;
использования профиля разных размеров, позволяющего обеспечивать повышенные характеристики сцепления пространственной ленты и слоя цементной матрицы.
Техническим результатом является создание арматурного стержня с повышенными прочностными и деформационными характеристиками, обеспечивающими высокую эффективность совместной работы арматуры с бетоном, а так же обладающей высокой коррозионной стойкостью, малым весом, позволяющим снизить массу армированных конструкций, трудоемкость их изготовления и удельную стоимость.
Технический результат обеспечивается тем, что композитный арматурный стержень, на основе базальтового трощеного ровинга, выполнен в виде ленты из эпоксидного связующего, закрученной вокруг своей оси по спирали, осью которой является несущий элемент в виде базальтового трощеного ровинга, пропитанный и покрытый эпоксидным связующим, причем края ленты из эпоксидного связующего профилированы в виде продольного рифления по всей длине стержня в форме треугольных зубцов, края ленты, включая треугольные зубцы из эпоксидного связующего, дисперсно армированы базальтовой фиброй, а так же имеется отступ от поверхности базальтового трощеного ровинга до основания зубца 3 мм.
Предлагаемая конструкция иллюстрируется схемами, представленными на фиг. 1, 2.
На фиг. 1 показан композитный арматурный стержень на основе базальтового трощеного ровинга предлагаемой конструкции.
На фиг. 2 показано поперечное сечение композитного арматурного стержня на основе базальтового трощеного ровинга предлагаемой конструкции.
Композитный арматурный стержень на основе базальтового трощеного ровинга выполнен в виде ленты из эпоксидного связующего 2, закрученной вокруг своей оси по спирали, осью которой является несущий элемент в виде базальтового трощеного ровинга - 1. Края ленты, включая треугольные зубцы из эпоксидного связующего, дисперсно армированы базальтовой фиброй 4 и профилированы в виде продольного рифления по всей длине в форме треугольных зубцов 3 (Фиг. 1).
В поперечном сечении арматура образована базальтовыми волокнами, объединенными в трощеный ровинг 1, закрученный вокруг продольной оси и обработанный полимерным связующим 2. Волокна, составляющие базальтовый трощеный ровинг, непрерывны по всей длине композитного арматурного стержня. Основа композитного арматурного стержня из базальтового трощеного ровинга имеет в сечении круглую форму (Фиг. 2).
Для обеспечения совместности работы волокон в составе формуемого арматурного стержня, базальтовый трощеный ровинг 1 обработан эпоксидным связующим 2. Эпоксидное связующее полностью пропитывает волокна базальтового трощеного ровинга, тем самым обеспечивая равномерное распределение напряжений по всему диаметру стержня и, следовательно, более полное включение в работу под нагрузкой волокон базальтового трощеного ровинга. Благодаря полной пропитке улучшаются прочностные свойства изделия. Эпоксидное связующее полностью покрывает базальтовый трощеный ровинг и тем самым образует защитный слой для элементарных волокон базальтового ровинга. По бокам несущего элемента расположены анкерующие зубцы 3 из эпоксидного связующего, дисперсно армированные волокнами базальтовой фибры. Дисперсное армирование анкерующих зубцов осуществляется с целью предотвращения появления трещин в эпоксидном слое. Формируются зубцы высотой 5 мм с отступом 4 от поверхности базальтового трощеного ровинга до основания зубца 3 мм. Отступы 4 от поверхности базальтового трощеного ровинга до основания зубца необходимы для предотвращения появления срезов анкерующих зубцов под нагрузкой, обнажающих поверхность базальтового трощеного ровинга, и тем самым, создающих появление ослабленных зон армирующего материала.
Отвержденное эпоксидное связующее фиксирует положение базальтовой комплексной нити и придает форму арматурному стержню.
Отличительными признаками предлагаемого изобретения от указанного выше прототипа являются следующие:
в качестве несущего нагрузку материала в арматурном стержне используются волокна базальтового трощеного ровинга;
несущий элемент арматурного стержня выполнен в форме базальтового трощеного ровинга;
в качестве полимерной пропитки используется эпоксидное клеевое связующее;
осуществляется полная пропитка базальтового трощеного ровинга эпоксидным связующим;
поперечный профиль в виде рифления зубцами создается по всей длине арматурного стержня;
прочность поперечных анкерующих элементов зубцов обеспечивается добавлением в полимерную матрицу хаотично расположенных волокон базальтовой фибры;
длина арматурного стержня выбирается равной длине армируемой конструкции;
анкеровка арматурного стержня в матрице осуществляется посредством объемного зацепления анкерующих зубцов, расположенных по спирали, а не благодаря форме стержня;
использование профиля разных размеров позволяет обеспечивать повышенные характеристики сцепления пространственной ленты и слоя цементной матрицы.
Благодаря наличию этих признаков создана новая конструкция композитного арматурного стержня на основе базальтового трощеного ровинга. Заявляемая полезная модель обладает высокими прочностными свойствами. Предел прочности при растяжении композитного арматурного стержня на основе базальтовой комплексной нити составляет в среднем 330 МПа, что ставит заявляемую полезную модель в один ряд со стальной арматурой по прочности.
Заявляемая полезная модель обладает удобством укладки в матрицу, благодаря тому, что представляет собой стержень, положение которого при изготовлении строительного элемента может контролироваться.
Заявляемая полезная модель обладает возможностью самоанкеровки в матрице благодаря сформированным уступам в виде зубцов и пространственному кручению.
При твердении цементного камня образуется агрессивная среда, в контактной зоне «волокно-цементная матрица» появляются новообразования в результате взаимодействия гидроксида кальция портландцемента с оксидом кремния волокна, наблюдается растворение поверхностного слоя ровинга и утончение волокон. Обработка и покрытие базальтовой комплексной нити эпоксидным связующим создает дополнительную защиту для тонких базальтовых волокон, составляющих базальтовый трощеный ровинг от воздействия щелочной среды бетона, снижает вероятность появления коагуляционного слоя на поверхности волокон, влияние которого на сцепление базальтовых волокон с цементной матрицей носит отрицательный характер.