АРМАТУРА КОМПОЗИТНАЯ

Полезная модель относится к элементам строительных конструкций, применяемых для армирования стеновых панелей, монолитных бетонных и сборных зданий, при строительстве морских и припортовых сооружений, может быть использована для армирования грунта оснований зданий и сооружений, в том числе оснований автомагистралей и дорог.
Известна композитная арматура (патент RU №82245, МПК Е04С 5/07, дата публикации 20.04.2009 г.), содержащая несущий стержень из низкомодульных волокон и обмотки с уступами, несущий стержень выполнен армированным высокомодульными волокнами при соотношении линейных плотностей низкомодульных волокон к высокомодульным от 1,5 до 5.
Недостатками известной композитной арматуры являются низкие плотность, термостабильность, процент содержания волокнистого наполнителя, низкие анкерность и щелочестойкость.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является арматура композитная (патент на полезную модель RU №121841, МПК Е04С 5/07, дата публикации 10.11.2012 г.), взятая в качестве прототипа, содержащая несущий стержень и обмоточный жгут, выполненные из волокнистого высокопрочного полимерного наполнителя, пропитанного связующим на основе эпоксидной смолы, связующее содержит углеродные медь-, или железо-, или никель-, или кобальтсодержащие наноструктуры, при этом обмоточный жгут имеет прямолинейный контур сопряжения в сечении вдоль несущего стержня.
Недостатками известной арматуры композитной являются:
- низкая щелочестойкость в соответствии с ГОСТ 31938-2012 после выдержки в течение 1 месяца в растворе щелочи при температуре 60°С, потеря прочности при осевом растяжении составила 40%;
3
- низкая плотность арматуры, составляющая 1,9 г/см;
- низкий процент содержания волокнистого наполнителя - 65-75%;
- низкая термостабильность, так как температура начала деструкции составляет 180°С;
- низкая анкерность, так как нагрузка на осевое выдергивание из бетона (по ГОСТ 31938-2012) составляет 8 МПа.
Недостатком прототипа является также то, что усилие, прикладываемое к обмоточному жгуту, при формировании арматуры композитной приводит к тому, что поверхностные слои несущего стержня деформируются, в результате чего происходит нарушение прямолинейного расположения волокнистого высокопрочного полимерного наполнителя (филаментов ровинга). Данный факт при изготовлении арматуры является критичным, поскольку нарушение прямолинейности филаментов ровинга в несущем стержне снижает модуль упругости, щелочестойкость, водопоглощение, плотность арматуры, процент содержания стекла, термостабильность. Хаотичность расположения филаментов в поверхностном слое несущего стержня приводит к наличию дефектов, а также к повышенному содержанию органического связующего.
Задача полезной модели создание композитной арматуры с повышенной эксплуатационной надежностью.
Техническим результатом полезной модели является повышение прочности на растяжение, плотности, анкерности, термостабильности, щелочестойкости арматуры.
Технический результат достигается тем, что арматура композитная, содержащая несущий стержень и обмоточный жгут, выполненные из волокнистого высокопрочного полимерного наполнителя, пропитанного связующим на основе эпоксидной смолы, которое содержит углеродные металлосодержащие наноструктуры, обмоточный жгут имеет прямолинейный контур сопряжения в сечении вдоль несущего стержня, согласно полезной модели несущий стержень и обмоточный жгут дополнительно снабжены замасливателем на основе пленкообразующего агента, который содержит углеродные металлосодержащие наноструктуры, замасливатель нанесен на волокнистый наполнитель перед слоем связующего.
Технический результат достигается тем, что в качестве металлосодержащих наноструктур замасливатель содержит углеродные медь-, или железо-, или никель-, или кобальтсодержащие наноструктуры в концентрации 0,02-0,2% от массы сухого остатка.
Введение замасливателя в арматуру композитную с использованием в нем углеродных металлосодержащих наноструктур улучшает пропитку и увеличивает смачиваемость волокнистого наполнителя, это приводит к тому, что обмоточный жгут (нить) обматывает несущий стержень с небольшим усилием, и, как следствие, не происходит вдавливания его в несущий стержень. Это приводит к сохранению прямолинейности филаментов ровинга.
Наличие в замасливателе углеродных, металлосодержащих наноструктур, которые имеют повышенную активность и способность более эффективно изменять надмолекулярную структуру замасливателя, позволяет положительно влиять на эксплутационные характеристики арматуры, в том числе на адгезионную прочность между органическим связующим (эпоксидная смола, винил-эфирная смола, полиэфирная смола) и волокнистым высокопрочным полимерным наполнителем (стеклянным, базальтовым, арамидным углеволокном).
Металл/углеродный нанокомпозит представляет собой наночастицы 3d металла, такого как медь, никель или железо, стабилизированные в углеродных нанопленочных структурах. Размер частиц углеродного металлсодержащего нанокомпозита равен 11-45 нм.
Введение в состав замасливателя металл/углеродного нанокомпозита, позволяющего образовывать за счет избыточной поверхностной энергии дополнительные связи между армирующим волокном и полимерной матрицей, позволяет повысить адгезионную прочность замасливающего состава, повысить физико-механические характеристики волокнистого высокопрочного полимерного наполнителя стержня и обмоточного жгута арматуры композитной.
Модификация металл/углеродным нанокомпозитом органического связующего и замасливателя позволяет увеличить сцепление между отдельными нитями волокнистого наполнителя, пропитанного данным составом. Это позволяет увеличить сцепление между ровингами, несущего стержня, а также между обмоточным жгутом и несущим стержнем, что делает арматуру более прочной, устойчивой к нагрузкам на растяжение, улучшает ее анкерные свойства, увеличивает щелочестойкость и термостабильность. Изменение реологических характеристик при модификация металл/углеродным нанокомпозитом органического связующего и замасливателя (снижение динамической вязкости) позволяет повысить плотность арматуры, а также процент содержания волокнистого наполнителя.
Смачиваемость каждой нити волокнистого наполнителя, например стекловолокна, благодаря введению в состав арматуры замасливателя при модификации металл/углеродным нанокомпозитом приводит к отсутствию капиллярных явлений и, как следствие, отсутствию коррозии стекловолокна, увеличению щелочестойкости. Увеличение адгезии на границе раздела фаз между волокнистым наполнителем и органическим связующим приводит к увеличению анкерности, термостабильности арматуры.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом и другими решениями в данной области техники показывает, что изложенная совокупность признаков решения не известна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию полезной модели «новизна».
Соответствие заявленного технического решения критерию полезной модели «промышленная применимость» показано на примере конкретного выполнения арматуры композитной.
На фигуре приведено изображение заявленной арматуры.
Арматура композитная представляет собой несущий стержень 1, на который под углом навит обмоточный жгут 2. Несущий стержень и обмоточный жгут выполнены из волокнистого высокопрочного полимерного материала, например стекловолокна 3, на который последовательно нанесены слой замасливателя 4 на основе пленкообразующего агента (например, ВЭП-74) и слой связующего 5 на основе эпоксидной смолы.
Замасливатель 4 и связующее 5 содержат металл/углеродный нанокомпозит с медь-, или железо-, или никель-, или кобальтсодержащими наноструктурами. Концентрация металл/углеродного нанокомпозита от массы связующего 5 составляет, например, 0,02%, концентрация металл/углеродного нанокомпозита в замасливателе 4 находится в пределах 0,02-0,2% от массы сухого остатка замасливателя 4.
Для проведения испытаний с целью получения технического результата была изготовлена стеклокомпозитная арматура диаметром 10 мм методом формирования несущего стержня 1 обмоточным жгутом 2. В состав органического связующего арматуры входили следующие компоненты:
- Смола ЭД-20 - 55%;
- Изометилтетрагидрофталевый ангидрид - 42,5%;
- Ускоритель УП-1 - 2,5%;
- Медь/углеродный нанокомпозит - 0,02%.
Дополнительно в арматуру вводили замасливатель нанесением его на волокнистый наполнитель перед слоем органического связующего. Результаты испытаний приведены в следующих примерах.
Пример 1.
В образце арматуры использован стеклоровинг с замасливателем 350N (ГОСТ 17139-2000) с содержанием медь/углеродного нанокомпозита 0,02% от массы сухого остатка.
Получены следующие технические результаты испытаний образца композитной арматуры:
3
Плотность - 2,17 г/см;
Процент содержания стекла - 87,75%;
Усилие при осевом выдергивании из бетона - 12,5 МПа;
Температура начала деструкции 260°С;
Процент снижения нагрузки при осевом растяжении после выдержки в щелочи (ГОСТ 31938-2012) - 4%.
Пример 2.
В арматуре использован стеклоровинг с замасливателем 350 (ГОСТ 17139-2000) без содержания медь/углеродного нанокомпозита.
Получены следующие результаты испытаний:
3
Плотность - 1,98 г/см,
Процент содержания стекла - 70%;
Усилие при осевом выдергивании из бетона - 9,5 МПа;
Температура начала деструкции 180°С;
Процент снижения нагрузки при осевом растяжении после выдержки в щелочи (ГОСТ 31938-2012) - 26%.
Пример 3.
В арматуре использован стеклоровинг с замасливателем 350 N с содержанием медь/углеродного нанокомпозита 0,01% от массы сухого остатка.
Получены следующие технические результаты испытаний образца:
3
Плотность - 1,99 г/см,
Процент содержания стекла - 70,5%;
Усилие при осевом выдергивании из бетона - 9,9 МПа;
Температура начала деструкции 180°С;
Процент снижения нагрузки при осевом растяжении после выдержки в щелочи (ГОСТ 31938-2012) - 25%.
Пример 4.
В арматуре использован стеклоровинг с замасливателем 350 N с содержанием медь/углеродного нанокомпозита 0,2% от массы сухого остатка.
Получены следующие результаты испытаний образца:
3
Плотность - 2,13 г/см;
Процент содержания стекла - 85,5%;
Усилие при осевом выдергивании из бетона - 12,1 МПа;
Температура начала деструкции 220°С;
Процент снижения нагрузки при осевом растяжении после выдержки в щелочи (ГОСТ 31938-2012) - 10%.
Пример 5.
В арматуре использован стеклоровинг с замасливателем 350 N с содержанием медь/углеродного нанокомпозита 0,3% от массы сухого остатка.
Получены следующие результаты испытаний образца арматуры:
3
Плотность - 1,99 г/см;
Процент содержания стекла - 70,9%;
Усилие при осевом выдергивании из бетона - 10,1 МПа;
Температура начала деструкции 185°С;
Процент снижения нагрузки при осевом растяжении после выдержки в щелочи (ГОСТ 31938-2012) - 26%.
Аналогичные данные были получены при использовании замасливателя 350 N с содержанием железо-, или никель-, или кобальт углеродного нанокомпозита.
Таким образом, минимальное содержание металл/углеродного нанокомпозита в замасливателе составляет 0,02% от массы сухого остатка. Уменьшение содержания нанокомпозита в замасливателе снижает физико-механические характеристики арматуры стеклокомпозитной (АСК) из-за низкой концентрации нанокомпозита, а также с невозможностью его диспергирования и гомогенизирования в объеме. При увеличении концентрации нанокомпозита в замасливателе выше 0,2% (Пример 5) происходит избыток концентрации нанокомпозита, который проявляет свойства механических включений, что ухудшает физико-механические характеристики арматуры.
Недостаток, так же как и избыток, металл/углеродного нанокомпозита в составе замасливателя приводит к снижению показателей плотности и осевого растяжения стеклокомпозитной арматуры.
В таблице приведены сравнительные технические характеристики арматуры АСК, изготовленной по Примеру 4 и арматуры АСК, изготовленной в соответствии с патентом №121841 (прототип).
Введение в композитную арматуру замасливателя с металл/углеродным нанокомпозитом позволяет повысить плотность, процент содержания стекла - это осуществляется за счет смачивания поверхности ровинга и низкой вязкости органического связующего. Низкие значения водопоглощения - это следствие отсутствия на поверхности дефектов, которые в случае с арматурой, изготовленной по патенту на полезную модель №121841, присутствуют из-за избыточного усилия, прикладываемого к обмоточной нити в процессе производства.
Металл/углеродный нанокомпозит вводят в замасливатель в виде тонкодисперсной суспензии, приготовленной путем механического перетирания порошка металл/углеродного нанокомпозита с эмульсией эпоксидной смолы, и/или пластификатором, и/или ПАВ, и/или силаном в необходимом соотношении, с последующей обработкой ультразвуком в течение времени, соответствующего максимальному соотношению пиков интенсивностей на ИК-спектре при одинаковых волновых числах. Затем приготовленные растворы пленкообразующего агента, пластификатора, суспензии металл/углеродного нанокомпозита, ПАВ добавляют к раствору связующего стекла и при интенсивном перемешивании соединяют с расчетным количеством воды, например деионизированной.
Введение в замасливатель 4 металл/углеродного нанокомпозита позволяет создать ровинг 3 с высокой скоростью пропитки, поскольку именно замасливатель 4 отвечает за этот показатель, а также за адгезионную прочность между ровингом 3 и пропиточным связующим 5.
Без добавления металл/углеродного нанокомпозита в замасливатель 4 скорость пропитки ровинга 3 составляет более 21 минуты, с добавлением в замасливатель 4 металл/углеродного нанокомпозита скорость пропитки составляет от 17 до 19 минут.
Введение в арматуру композитную замасливателя на основе пленкообразующего агента, содержащего углеродные металлосодержащие наноструктуры, позволяет создать арматуру композитную с повышенной термостабильностью, предельной температурой эксплуатации до 260°С (у прототипа 180°С), степенью отверждения 90-94% (у прототипа 80-82%), низковязким связующим - процент содержания полимера в АКП 15-17% (у прототипа 30-35%).
Заявленная арматура обладает повышенной стойкостью к циклическим нагрузкам и электропроводностью (абсолютная стойкость к фуксину (отсутствие микрокапиллярного эффекта), у прототипа имеются проникновения фуксина). Данные параметры проверялись в соответствии с ГОСТ 31938-2012.
Следует отметить, что процесс навивки обмоточного жгута определяет конечную геометрию АКП и ее характеристики. В настоящем техническом решении за счет введения замасливателя с металл/углеродным нанокомпозитом происходит увеличение смачиваемости поверхности ровинга, благодаря этому в процессе навивки обмоточной нити усилие, которое прикладывают на обжатие силового стержня минимальное. Это позволяет, с одной стороны, создать плотную структуру несущего стержня, за счет обжатия обмоточным жгутом, с другой - не деформирует прямолинейный характер волокнистого наполнителя, а это позволяет повысить разрывные характеристики АКП (разрыв, срез, излом, модуль упругости).
Таким образом, работает связь: минимальное усилие навивки, минимальное деформирование прямолинейности филаментов ровинга. При этом анкерность в бетоне АКП не снижается, поскольку адгезия обмоточной нити выше, чем у прототипа, благодаря совместной модификации замасливателя и органического связующего нанокомпозитом.
Опытная партия арматуры стеклокомпозитной (АСК), изготовленная с применением стеклоровинга на основе замасливателя с углеродными металлосодержащими наноструктурами, была испытана в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева, г. Москва.
Результаты испытаний показали, что предел прочности на разрыв всех образцов АСК с применением замасливателя с углеродными металлосодержащими наноструктурами повысился не менее чем на 40%.