АРМАТУРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к строительству и к производству строительных материалов, в частности, к арматурным элементам, применяемым термоизоляционных стеновых панелей, плит, монолитных и сборных бетонных конструкций, а также для армирования грунтов.
В уровне техники широко известны арматурные элементы, предназначенные для армирования бетонных, каменных и других конструкций и представляющие собой стержни из высокопрочных материалов [1].
Наибольшее распространение получили стержневые арматурные элементы из стали, но в настоящее время все чаще используются арматурные элементы из композиционных материалов на основе полимерного связующего и высокопрочных волокон из стекла, базальта, углерода и др. [2, 3].
В большинстве случаев формование арматурных стержней осуществляют методом пултрузии, позволяющим получать стержни различных диаметров, практически неограниченной длины и хорошего качества.[4, 5].
Упрочнение и повышение несущей способности армируемых стержнями изделий и сооружений зависит не только от прочностных характеристик самих стержней, но и от их сцепления с армируемым материалом (бетоном). При этом усилие сцепления можно разделить на три составляющих: фрикционное сцепление, адгезионное сцепление и механическое сцепление, из которых определяющими являются механическое и адгезионное сцепление.
Для стальных арматурных стержней наиболее действенным является механическое сцепление, обеспечиваемое их выполнением с периодическим профилем, локальным изменением их толщины и креплением на них поперечных элементов.
Аналогичные приемы используются и для арматурных элементов из композиционных материалов [4, 5, 6]. Однако использование для них только средств, повышающих механическое сцепление не всегда целесообразно, поскольку наряду с тем, что они усложняют технологию изготовления, повышают массу и увеличивают себестоимость арматурных элементов, зачастую приводят и к снижению несущей способности стержней. Это объясняется тем, что арматурные стержни рассчитаны главным образом на восприятие осевых растягивающих усилий, для чего армирующие волокна стержней должны располагаться в них параллельно продольной оси без изгибов и разрывов, приводящих к ослаблению стержней.
Из уровня техники известен также арматурный стержень, содержащий центральный металлический сердечник, покрытый снаружи оболочкой из композиционного материала на основе полимерного связующего, армированного ровингом из высокопрочных волокон [7]. Этот известный стержень обладает щелочестойкостью и электропроводностью, однако наряду с этим металлический сердечник и его высокую теплопроводность, что исключает его применение для армирования стеновых панелей и других строительных изделий, к которым предъявляются требования повышенного теплосопротивления, т.е. снижения их теплопроводности.
Для снижения теплопотерь в строительных сооружениях и экономии тем самым теплоресурсов и были созданы арматурные и соединительные элементы из композиционных материалов, обладающих высокой прочностью, химстойкостью и низкой теплопроводностью.
Наиболее близким из числа известных в уровне техники аналогов является арматурный элемент, выполненный в виде стержня из однонаправленных минеральных волокон, пропитанных отверждаемым полимерным связующим. Количество непрерывных волокон в любом поперечном сечении стержня по его длине постоянно, при этом по концам стержня образованы анкерные цилиндро-конические утолщения путем установки в стержне аксиальных вкладышей, вокруг которых распределены продольные волокна. [8].
В этом известном арматурном элементе, характеризующимся низкой теплопроводностью, обеспечивается надежное сцепление с бетоном за счет выполнения концевых анкерных утолщений. Однако установленные внутри утолщений вкладыши, из-за наличия конического участка на стержне должны воспринимать большие сжимающие нагрузки и выполняться из прочного жесткого материала, например, из керамики, что увеличивает массу и себестоимость арматурного элемента. К тому же установка вкладышей приводит к искривлению несущих продольных волокон, снижая их прочностные характеристики.
Наряду с этим, используемые в арматурных элементах минеральные волокна (например, базальтовые) значительно превосходят стальные элементы по величине воспринимаемых растягивающих усилий и поэтому арматурные элементы из композиционных материалов могут выполняться с меньшей площадью поперечного сечения (диаметром) по сравнению со стальными, что приводит к снижению их контактной поверхности и сил адгезионного сцепления с бетоном.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в повышении надежности крепления арматурного элемента в армируемом материале (бетоне) без снижения его несущих свойств, а технический результат, который может быть достигнут при ее реализации, заключается в повышении адгезионного сцепления арматурного элемента без существенного увеличения его массы и себестоимости.
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в арматурном элементе, содержащем пултрузионный стержень из композиционного материала на основе полимерного связующего, армированного однонаправленными высокопрочными волокнами, и центральный сердечник, предлагается образующие несущий слой стержня высокопрочные волокна равномерно распределить вокруг сердечника, а сердечник выполнить в виде формообразующего наполнителя, способного сохранять свою форму в процессе формования стержня.
Сердечник может быть выполнен из бумажного и/или хлопчатобумажного шпагата [9].
Сердечник также может быть выполнен в виде жгута из натуральных и/или полиамидных волокон.
Расположенный поверх сердечника несущий слой стержня выполнен на основе эпоксидного или полиуретанового связующего, армированного минеральным, например, базальтовым волокном или полуфабрикатами из него, такими как ровинг, жгуты, ленты и др.
Формование несущего слоя стержня вокруг сердечника при сохранении необходимого из условий прочности количества композиционного материала (количества волокон) приводит к увеличению наружной поверхности стержня и адгезионного сцепления с бетоном, но это вовсе не означает отказ от использования приемов механического сцепления в заявляемом арматурном элементе, в частности тех из них, которые в меньшей степени влияют на снижение несущей способности стержня. Это может быть образование периодического профиля [10] или внешняя спиральная намотка [11].
Возможное конструктивное исполнение полезной модели показано на прилагаемых чертежах.
На фиг.1 представлено продольное сечение арматурного элемента.
На фиг.2 - его поперечное сечение.
На фиг.3 показан фрагмент продольного сечения в увеличенном масштабе.
Арматурный элемент представляет собой пултрузионный стержень 1, выполненный на основе эпоксидного или полиуретанового связующего, армированного продольно ориентированными волокнами 2, например, базальтовыми.
Вдоль оси 3 стержня 1 расположен формообразующий наполнитель в виде сердечника 4 из материала, способного сохранять свою целостность в процессе пултрузионного формования стержня 1.
Наиболее целесообразно использовать для сердечника 4 недорогой материал с невысокой удельной плотностью, такой как бумажный шпагат или шнур из натуральных или полиамидных волокон.
Необходимое из условия обеспечения заданной прочности количество волокон 2, пропитанных связующим, равномерно распределено вокруг сердечника 4, образуя несущий слой стержня 1, при этом в процессе их совместного пултрузионного формования часть связующего пропитывает периферийную зону сердечника 4, образуя промежуточный слой 5, скрепляющий сердечник 4 с несущим слоем стержня 1 и повышающий его прочность и жесткость.
При одинаковом количестве волоконного материала и связующего стержень 1 с сердечником 4 имеет большие наружный диаметр и площадь наружной поверхности, чем стержень без сердечника, а следовательно и выше адгезионное сцепление, при этом использование сердечников 4 наиболее целесообразно для стержней с малой площадью поперечного сечения, поскольку выполнение для этой цели стержней 1 полыми (трубчатой формы) с применением дорна в процессе формования сложно, нетехнологично и не обеспечивает высокого качества формования снижая жесткость стержней.
Источники информации:
[1]. Большой энциклопедический словарь «Политехнический», изд. Большая Российская энциклопедия, М., 2000 г., стр.33.
[2]. RU, 82244, Е04С 5/07, 2008.
[3]. RU, 31802, Е04С 5/07, 2002.
[4]. US, 5876553, B32B 31/00, 1999.
[5]. RU, 2324797, Е04С 5/07, 2006.
[6].US, 4300321, E04C 3/10, 1981.
[7]. RU, 2054509, Е04С 5/07, 1993.
[8]. RU, 2147655, E04C 5/12, 1999, (прототип).
[9]. Шпагат Рославльской фабрики, www.roslshpagat.ru
[10]. US, 5626700, B29C 67/00, 1997/
[11]. US, 5127783, B65H 81/00, 1992.