СТРОИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ АРМИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ
STRUCTURAL ELEMENT AND METHOD OF REINFORCING BUILDING STRUCTURE

Настоящее изобретение относится к строительному элементу и способу армирования строительной конструкции.
Известно, что после установки строительные конструкции (сооруженные из кирпича, неармированного бетона, армированного бетона и тому подобного) подвергаются медленному, но неуклонному разрушению с течением времени, вызванному агрессивными средами окружающей среды или неудовлетворительным выполнением и/или неподходящим выбором материалов для данной конкретной области применения.
Традиционно строительные конструкции армируют с применением сетки, полученной электрической сваркой, которая обертывает конструкцию для увеличения ее пластичности.
Однако данному способу присущи многочисленные недостатки, включающие трудность установки, обусловленную массой и неудобством в обращении сетки, полученной электрической сваркой, и риск коррозии сетки, полученной электрической сваркой, в особенности в агрессивных средах.
Для устранения данных недостатков была разработана система армирования на основе использования лент и тканей из углеродных или других волокон, которые накладывают при использовании термопластичной смолы, обычно эпоксидной смолы, для обеспечения адгезии между строительной конструкцией и углеродными лентами.
Однако данная система также обладает определенными недостатками, включающими недостаточную температуру, которую она способна выдерживать; в связи с этим присутствие эпоксидной смолы ограничивает температуру значением, равным приблизительно 80°С, поэтому в случае пожара эпоксидная смола быстро разрушится и вызовет очень быстрое отделение углеродных армирующих лент от конструкции.
Дополнительные недостатки использования систем армирования с углеродными волокнами обусловлены токсичностью для оператора и окружающей среды, связанной с использованием эпоксидных смол, очень высокой стоимостью как эпоксидных смол, так и углеродных лент, и, наконец, тем, что эпоксидные смолы создают барьер, который препятствует термогигрометрическому переносу между строительной конструкцией и внешней средой; поэтому на практике влага остается захваченной внутри строительной конструкции и не может естественным образом перемещаться в направлении внешней среды.
Дополнительная система армирования описана в немецком патенте DE А 19525508, в котором раскрыто армирование строительной конструкции в результате нанесения на нее минеральной матрицы в виде слоя цементного раствора, после этого напрессовывания на него текстильной армирующей сетки для внедрения ее в цементный раствор и, наконец, нанесения второго слоя цементного раствора того же самого типа, что и первый слой.
Однако данной системе армирования свойственен значительный недостаток, заключающийся в использовании цементного раствора, полученного из смеси цемента, наполнителей и стирол/акрилатной дисперсии в воде, при этом данный последний компонент (стирол/акрилатная дисперсия в воде) придает цементному раствору в особенности высокую текучесть, которая приводит к его стеканию при нанесении на вертикальные стены; кроме того, присутствие стирол/акрилата вызывает разрушение с образованием трещин в сухом цементном растворе.
Для устранения также данных недостатков в документе ЕР 1245547 описана система армирования, состоящая из нанесения конкретного цементного раствора на обрабатываемый компонент, внедрения в данный слой цементного раствора сетки из углеродных волокон, стеклянных волокон, арамидных волокон, сложного полиэфира, полиэтилена и тому подобного и, наконец, нанесения второго слоя цементного раствора поверх первого.
В частности, цементный раствор, описанный в упомянутом патенте, обеспечивает возможность термогигрометрического переноса между компонентом строительной конструкции и внешней средой и демонстрирует такую же огнестойкость, что и строительная конструкция.
Неожиданно заметили, что цементный раствор типа, указанного в документе ЕР 1245547, вместе с армирующей конструкцией, полученной из волокон из поли[бенз(1,2-D:5,4-D')бисоксазол-2,6-диил-1,4-фенилена], обеспечивает получение механических результатов (выраженных в армировании) (в дополнение к преимуществам, указанным в документе ЕР 1245547), которые удивительным образом превосходят соответствующие результаты для других типов армирования.
В частности, упомянутую армирующую конструкцию получают из ткани (в которой волокна утка и основы переплетены друг с другом) или из сетки (в которой волокна утка и основы взаимно наложены друг на друга, но не переплетены).
Поэтому техническая задача настоящего изобретения заключается в создании строительного элемента и способа армирования строительной конструкции, которые обеспечат термогигрометрический перенос между строительной конструкцией и внешней средой, где строительный элемент демонстрирует стойкость к огню и к агрессивным химическим средам при проявлении в то же самое время очень хороших механических свойств (выраженных в армировании).
Достижения технической задачи, вместе с данными и другими задачами, в соответствии с настоящим изобретением добиваются при помощи строительного элемента и способа армирования строительной конструкции, соответствующих прилагаемой формуле изобретения.
Дополнительные характеристики и преимущества изобретения будут более очевидны из описания предпочтительного, но не исключительного варианта реализации элемента и способа изобретения, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые представлены в порядке неограничивающего примера и на которых:
фиг.1 представляет собой таблицу, описывающую механические характеристики волокон из поли[бенз(1,2-D:5,4-D')бисоксазол-2,6-диил-1,4-фенилена] (CAS No. 60857-81-0, представлены на рынке под наименованием "zylon");
фиг.2 представляет собой таблицу, сравнивающую механические характеристики волокон из поли[бенз(1,2-D:5,4-D')бисоксазол-2,6-диил-1,4-фенилена] (CAS No. 60857-81-0, представлены на рынке под наименованием "zylon") и других синтетических волокон;
фиг.3 представляет собой таблицу, описывающую физическую природу синтетических сеток, используемых для проведения испытаний на изгиб;
фиг.4 представляет собой таблицу, описывающую бетонную смесь, используемую для получения образцов для испытаний в испытании на изгиб;
фиг.5 представляет схему армирования образцов бетона для испытаний по отношению к изгибу и армирования их по отношению к деформации;
фиг.6 представляет собой график, показывающий диаграмму нагрузка-отклонение для образцов для испытаний с армирующей сеткой из полипропиленовых волокон;
фиг.7 представляет собой график, показывающий диаграмму нагрузка-отклонение для образцов для испытаний с армирующей сеткой из арамидных волокон;
фиг.8 представляет собой график, показывающий диаграмму нагрузка-отклонение для образцов для испытаний с армирующей сеткой из стеклянных волокон;
фиг.9 представляет собой график, показывающий диаграмму нагрузка-отклонение для образцов для испытаний с армирующей сеткой из углеродных волокон;
фиг.10 представляет собой график, показывающий диаграмму нагрузка-отклонение для образцов для испытаний с армирующей сеткой из углеродных волокон/арамидных волокон;
фиг.11 представляет собой график, показывающий диаграмму нагрузка-отклонение для образцов для испытаний с армирующей сеткой из углеродных волокон/волокон из сложного полиэфира;
фиг.12 представляет собой график, показывающий диаграмму нагрузка-отклонение для образцов для испытаний с армированием, полученным из сетки волокон из поли[бенз(1,2-D:5,4-D')бисоксазол-2,б-диил-1,4-фенилена] (CAS No. 60857-81-0, представлены на рынке под наименованием "zylon"); и
фиг.13 представляет собой схематичный разрез строительного элемента согласно изобретению.
На чертежах строительный элемент везде показан под номером 1.
Строительный элемент 1 включает центральную конструкцию 2, состоящую из армируемого элемента конструкции, который может, например, представлять собой изделия из кирпичной кладки, неармированного бетона или армированного бетона.
Центральную конструкцию 2 покрывают слоем цементного раствора 3; данный цементный раствор, в частности, описан в 1 документе ЕР 1245547 и содержит цемент в количестве от 5% до 95%, тонкоизмельченные инертные минеральные наполнители в количестве от 10% до 70%, характеризующиеся размером частиц, меньшим чем 700 микронов, химические добавки, включающие ненасыщенные сополимерные смолы в количестве от 0,1% до 25%, разжижающие добавки в количестве от 0,05% до 2,5% и тиксотропные добавки, относящиеся к классу целлюлозы, в количестве от 0,005% до 1%, при этом все приведенные процентные содержания являются массовыми и получаются при расчете на совокупную массу цементного раствора.
Ненасыщенные сополимерные смолы предпочтительно относятся к акрилатному типу; ненасыщенные сополимерные смолы, и/или разжижающие добавки, и/или тиксотропные добавки добавляют к строительному раствору в виде жидкой смеси или в виде порошка.
Армирующую конструкцию 4 в виде волокон из поли[бенз(1,2-D:5,4-D')бисоксазол-2,6-диил-1,4-фенилена] (CAS No. 60857-81-0) внедряют внутрь слоя цементного раствора 3, при этом армирующую конструкцию 4 получают в частности из волокон из поли[бенз(1,2-D:5,4-D')бисоксазол-2,6-диил-1,4-фенилена], производимых в компании Toyobo Company под коммерческим наименованием "zylon"; механические характеристики данного волокна показаны на фиг.1.
Предпочтительно армирующая конструкция представляет собой текстильную конструкцию или сетчатую конструкцию, характеристики которой предпочтительно представляют собой то, что описано в документе ЕР 1245547.
Разжижающие добавки для цементного раствора (в частности, они также описаны в документе ЕР 1245547) выбирают из группы, состоящей из полимеров на основе поликонденсированного лигнина, бета-нафталин- или меламинформальдегидсульфонатов и полимеров на основе модифицированных полиакрилатных цепей.
Испытания на механическую деформацию под нагрузкой проводили для образцов бетона для испытаний размером 600×150×75 миллиметров, армированных по отношению к изгибу посредством системы армирования, описанной в документе ЕР 1245547; использовали синтетические сетки различных типов, в числе которых и волокно «zylon», химическая природа сетки и механические характеристики волокон, используемых для испытаний, описаны на фиг.3 и 2 соответственно.
Структура смеси бетона, используемого для получения образцов для испытаний, была одинакова для всех образцов для испытаний и состояла из смеси, описанной в таблице фиг.4.
Что касается фиг.5, то в данном случае образцы бетона для испытаний армировали при помощи армирующей конструкции 11 и подвергали испытанию на изгиб в четырех точках 12, 13, 14, 15, причем нагрузку и отклонение измеряли на осевой линии.
Испытание проводили при контролируемом смещении со скоростью испытания 0,01 миллиметр/минута и при использовании динамометрического элемента с максимальной допустимой нагрузкой 50 кН.
На образцах для испытаний делали надрезы на их осевой линии (в позиции 16) на внутренней вогнутой поверхности с глубиной надреза 1 сантиметр.
Для каждого типа синтетической сетки получили 25 армированных образцов для испытаний, показанных на фиг.5, причем каждый образец для испытаний подвергали испытанию на изгиб в четырех точках, при этом нагрузку и отклонение измеряли на осевой линии.
Результаты испытания показаны на фиг.6-12.
В частности:
- образцы бетона для испытаний, армированные по отношению к изгибу при помощи сетки из полипропиленового волокна (фиг.6), показали, что полипропиленовое волокно почти не имеет возможности обеспечить увеличение максимальной нагрузки и, следовательно, не способно формировать эффективное армирование конструкции;
- образцы бетона для испытаний, армированные по отношению к изгибу при помощи сетки из арамидного волокна (фиг.7) или при помощи сетки из стеклянного волокна (фиг.8) продемонстрировали незначительное увеличение максимальной нагрузки, однако волокно в результате его выхода из матрицы быстро теряет свою эффективность, что демонстрирует нисходящая ветвь кривой;
- образцы бетона для испытаний, армированные по отношению к изгибу при помощи сетки из углеродного волокна (фиг.9), или при помощи сетки из смешанных углеродного и арамидного волокон (фиг.10), или при помощи сетки из смешанных углеродного волокна и волокна из сложного полиэфира (фиг.11) оказались наиболее эффективными по сравнению с предыдущими протестированными вариантами армирования. В связи с этим форма кривой нагрузка/отклонение демонстрирует увеличение максимальной нагрузки и пластичный характер типа кривизны (медленное понижение второй ветви кривой);
- образцы бетона для испытаний, армированные по отношению к изгибу при помощи сетки из волокна «zylon» (фиг.12), демонстрируют (как показано на фиг.) нагрузку, которая увеличивается до значения, в два раза превышающего то, что наблюдали для углеродного армирования, что значительно увеличивает пластичность армирования, о чем может свидетельствовать площадь под соответствующей кривой.
Настоящее изобретение также относится к способу армирования строительной конструкции.
Способ состоит из формирования на армируемой строительной конструкции покрывающего слоя цементного раствора вышеупомянутого типа и внедрения в слой цементного раствора армирующей конструкции, полученной из волокна из поли[бенз(1,2-D:5,4-D')бисоксазол-2,6-диил-1,4-фенилена] (CAS No. 60857-81-0).
Армирующая конструкция в подходящем случае представляет собой сетчатую конструкцию.
На практике было установлено, что строительный элемент и способ армирования строительной конструкции изобретения являются особенно целесообразными, так как они делают возможным получение армирования для поврежденных конструкций, демонстрирующего превосходные механические характеристики при создании в то же самое время условий для термогигрометрического переноса между конструкцией и внешней средой и обеспечения стойкости даже в экстремальных условиях, таких как присутствие огня или агрессивных сред.
Строительный элемент и способ армирования строительной конструкции, разработанные таким образом, допускают многочисленные модификации и варианты, из которых все попадают в объем концепции изобретения; более того, все конкретные детали можно заменить технически эквивалентными элементами.
На практике используемые материалы и размеры можно произвольно выбирать в соответствии с требованиями и уровнем техники.