Арматура композитная
COMPOSITE REINFORCEMENT

Изобретение относится к строительству, а именно к неметаллической композитной арматуре, которая применяется для армирования термоизоляционных стеновых конструкций, монолитных бетонных и сборных конструкций, для использования в конструктивных элементах зданий в виде отдельных стержней, для армирования грунта основания зданий и сооружений, в том числе оснований автомагистралей и дорог, для анкеровки в грунте подпорных стен и сооружений.
Известна арматура стеклопластиковая, содержащая несущий стержень из высокопрочного полимерного материала и обмотку с уступами, которые выполнены в виде жгута нитей, пропитанных связующим и спирально нанесенных с натягом (см. RU №2194135, МПК Е04С 5/07, 2002 г.). Данный вид арматуры содержит несущий стержень из высокопрочного полимерного материала (например, стекловолокно ГОСТ 17139-79, СВМ ТУ 6-06-1153-78), который относится к низкомодульным стеклянным волокнам, обеспечивающим получение арматуры с модулем упругости до 55000 МПа и пределом прочности до 1000 МПа. При использовании данной арматуры для армирования бетонных плит наблюдаются повышенные прогибы, что ухудшает качество изделий.
Известна также арматура композитная, содержащая несущий стержень из базальтового или стеклянного ровинга, пропитанного эпоксидной смолой (см. RU №77310, МПК Е04С 5/07, 2008 г.). При этом несущий стержень выполнен из высокопрочного полимерного материала, на котором сформирована обмотка жгутами нитей противоположного направления навивки, причем соотношение площадей сечений первого обмоточного жгута и второго обмоточного жгута, навитого в противоположном направлении, находится в пределах от 1 до 150, а угол навивки второго обмоточного жгута составляет 92-150°.
Однако бетонные изделия, изготовленные с использованием арматуры данного вида, в отличие от стальной арматуры имеют повышенную деформативность и ширину раскрытия трещин, что обусловлено недостаточным модулем упругости композитной арматуры.
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения модуля упругости арматуры при растяжении за счет повышения прочностных характеристик эпоксидной смолы связующего, используемого при создании композитной неметаллической арматуры.
р
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении несущей способности эпоксидной смолы связующего, используемого при создании композитной неметаллической арматуры, при этом обеспечивается возможность получения арматуры с модулем упругости порядка Е=200000 МПа при пониженном расходе высокомодульных волокон. Причем повышение модуля упругости арматуры до названного уровня позволяет удовлетворить требования к армируемым ими изделиям по деформативности.
Для решения поставленной задачи арматура композитная, содержащая несущий стержень из базальтового или стеклянного ровинга и высокомодульные волокна, пропитанных связующим, отличается тем, что в качестве связующего используют композицию, включающую эпоксидно-диановую смолу, отвердитель полиэтиленполиамин и пластификатор дибутилфталат, причем к связующему вводят добавку углеродного нанокомпозита, в количестве до 1% от объема смолы связующего композитной арматуры, при этом добавка содержит многослойные углеродные нанотрубки в количестве не менее 45-50% от массы добавки углеродного нанокомпозита и сформирована из сфагнума бурого в условиях механоактивации продуктов его пиролиза в течение не менее 8 часов обработки.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части решают следующие функциональные задачи.
Признак, указывающий, что «в качестве связующего используют композицию, включающую эпоксидно-диановую смолу, отвердитель полиэтиленполиамин и пластификатор дибутилфталат, причем к связующему вводят добавку углеродного нанокомпозита», обеспечивает возможность повысить прочностные характеристики композиционных материалов, поскольку углеродные нанотрубки (УНТ) обладают высокими механическими характеристиками и могут применяться как эффективное средство повышения физико-механических свойств композитов. Это объясняется тем, что свободные химические связи УНТ обеспечивают лучшее сцепление компонентов и, как следствие, повышение прочности материала. Углеродные нановолокна и нанотрубки выполняют функцию армирующего материала благодаря высокой прочности и большому модулю упругости и являются центрами направленной кристаллизации.
Признаки, указывающие, что добавку углеродного нанокомпозита вводят «в количестве до 1% от объема смолы связующего композитной арматуры», обеспечивают ее эффективность, и при этом указанное ее количество не приводит к удорожанию арматуры.
Признаки, указывающие, что «добавка содержит многослойные углеродные нанотрубки в количестве не менее 45-50% от массы добавки углеродного нанокомпозита», позволяют упростить процесс получения кондиционной добавки, исключая сложную процедуру повышения доли углеродных нанотрубок в составе добавки после завершения процесса механоактивации сфагнума бурого.
Признаки, указывающие, что добавка «сформирована из сфагнума бурого в условиях механоактивации продуктов его пиролиза в течение не менее 8 часов обработки» обеспечивают преобразование не менее 45-50% от массы исходного продукта - аморфного углерода (продукта пиролиза сфагнума бурого) в углеродные нанотрубки (при увеличении продолжительности обработки, доля нанотрубок возрастает, а доля аморфного углерода будет, соответственно, снижаться).
Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на фиг. 1 показана схема известной установки, обеспечивающей изготовление заявленной композитной арматуры; на фиг. 2. показано сечение арматурного стержня периодического профиля (во впадине, между выступами).
На чертежах показаны источник материала (штабель) 1 с ровингом 2 и высокомодульными волокнами 3, пропиточная камера 4, станок для формирования армопояса 5, туннельная печь 6, ванна водяного охлаждения 7, средство протяжки 8, средство автоматической резки 9, бухтонамотчик 10. Кроме того, показан готовый арматурный стержень, содержащий скрученные жгуты ровинга 2, высокомодульные волокна 3 и связующее 11.
р
р
р
р
р
р
р
р
Арматурный стержень состоит из ровинга 2 (жгутов) низкомодульных волокон, например полиэфирных (Е=45000 МПа), стеклянных (Е=55000 МПа) или базальтовых (Е=75000 МПа), и высокомодульных волокон 3 с модулем упругости, превышающим модуль упругости стальной арматуры (Е=200000 МПа), например, углеродных волокон (Е=230000÷800000 МПа), борных волокон (Е=400000÷800000 МПа), кевларовых волокон (Е=150000÷4000000 МПа), волокон сверхвысокомолекулярных полимеров (Е=180000÷450000 МПа).
В качестве связующего 11 используют композицию, включающую эпоксидно-диановую смолу ЭД-20 (ГОСТ 10587-84) 80% от объема связующего, отвердитель полиэтиленполиамин ПЭПА (ГОСТ 2548-77) 15% от объема связующего, пластификатор дибутилфталат (ГОСТ 8728-88) 5% от объема связующего, причем к связующему вводят добавку углеродного нанокомпозита, в количестве до 1% от его объема эпоксидно-диановой смолы. При этом добавка углеродного нанокомпозита содержит многослойные углеродные нанотрубки в количестве не менее 45-50% от массы добавки углеродного нанокомпозита и аморфный углерод не более 50-55% от массы добавки углеродного нанокомпозита и сформирован из сфагнума бурого в условиях механоактивации продуктов его пиролиза.
-1
-1
Процедура изготовления нанокомпозита включает сбор мха сфагнума бурого (Sphagnum fuscum), на болотах нижнего Приамурья, его просушку и просеивание для удаления избыточной влажности и инородных примесей, измельчение для достижения дисперсности 100-150 мкм. Далее из этого материала получают углерод с аморфной структурой, его пиролитической обработкой при температуре 950°C, проводят химическую отмывку продукта пиролиза в смеси кислот, нейтрализацию и сушку аморфного углерода. Затем углеродную модификацию подвергают циклической механохимической обработке на вариопланетарной мельнице Pulverisette-4 фирмы Fritsch (Германия). Механореактор мельницы изготовлен из коррозионно-стойкой стали с вставкой из твердого сплава ВКб. Размалывающие тела - шары из сплава ВКб диаметром 16 мм. Частота вращения главного диска - 400 мин, частота вращения сателлитов - 800 мин, интенсивность (отношение массы исходных материалов к массе размалывающих шаров) - 1:50.
Изменение структуры аморфного углерода в процессе его механической обработки в планетарной мельнице начинается после 8 ч обработки, при этом образуются углеродные нанотрубки диаметром 10-20 нм. После 10 ч механоактивации весь объем обрабатываемого материала состоит из углеродных нанотрубок диаметром 10-70 нм (и чем дольше он перерабатывается, тем меньше его содержание в добавке).
Нанокомпозит вводят в состав эпоксидно-диановой смолы до добавления отвердителя и пластификатора. Состав тщательно перемешивают в течение 2-3 минут. Далее в полученную смесь вводят необходимое количество отвердителя, исходя из соотношения компонентов, и повторяют перемешивание в течение 2 минут. Температура смешивания: 22-25°C. Максимальная порция смешивания не должна превышать 2,5 кг.
После этого полученное связующее заливается в пропиточную камеру 4 линии по производству композитной арматуры.
Далее процесс изготовления арматуры композитной не отличается от обычно реализуемого, на показанной на фиг. 1 известной линии.
Ровинг 2 и высокомодульные волокна 3 в заданных количествах сматываются известным образом с бухт (на чертежах не показаны), установленных в источнике (штабеле) 1, с обеспечением их скручивания, после чего жгут протягивается через пропиточную камеру 4, на выходе из которой лишнее связующее отжимается из него. Далее жгут оказывается в станке для формирования армопояса 5, обеспечивающем придание жгуту заданного сечения (соответствующего сечению готового арматурного стержня). Затем сформированная заготовка проходит через туннельную печь 6, где обеспечивается быстрое твердение связующего, после чего ванна водяного охлаждения 7 обеспечивает охлаждение арматурного стержня до комнатной температуры. Средство протяжки 8 выполнено в виде приводных валиков, обеспечивающих фрикционную протяжку жгута через упомянутые узлы линии. Далее осуществляется намотка готового арматурного стержня на бухтонамотчик 10. Средство автоматической резки 9 обеспечивает перерезание плети арматурного стержня при заполнении съемной бобины (катушки) – на чертежах не показана. Далее заполненная съемная бобина удалаяется, на ее место устанавливается новая, конец плети арматурного стержня фиксируется на ней и процесс намотки готового арматурного стержня продолжается. Введение углеродных нанотрубок в эпоксидный композит способствует значительному (75-97 %) увеличению модуля ползучести при растяжении и повышению (7-15 %) модуля упругости при сжатии.
Использование заявленной арматуры композитной для армирования бетонных изделий не отличается от использования известной стальной арматуры и обеспечивает сопоставимые с ней параметры армируемым ею изделиям по деформативности.