КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
COMPOSITION TO REINFORCE BUILDING STRUCTURES

Изобретение относится к строительству, а именно к композиции для армирования строительных конструкций, которая может быть использована для армирования бетонных, кирпичных, каменных конструкций.
Известна композитная арматура по патенту на изобретение RU 2194135 (опубл. 2002.13.10), содержащая несущий стержень из высокопрочного полимерного материала с рельефностью из волокнистых обмоток.
Данная композитная арматура выполнена из стеклянных волокон, пропитанных полимерным связующим на основе эпоксидной смолы ЭД-20. При использовании этой арматуры для армирования бетонных плит наблюдаются повышенные прогибы и трещины, что ухудшает качество строительных изделий.
Известна композитная арматура «Астрофлекс» по патенту на ПМ RU 88372 (10.11.2009), содержащая внешний и внутренний слои, полимерная матрица которых в первом случае модифицирована углеродными наноструктурами, а во втором варианте модифицирована полиэдральными многослойными углеродными наноструктурами фуллероидного типа (астраленами) в соотношении 0,01-10% от массы полимерной матрицы.
Данная арматура имеет повышенную теплостойкость. При использовании ее для армирования бетонных плит наблюдаются повышенные прогибы и трещины, что ухудшает качество строительных изделий.
Известен арматурный элемент по патенту на изобретение RU 2410505 (опубл. 27.01.2011), являющийся наиболее близким аналогом, в котором в качестве волокнистого наполнителя использован базальтовый или стеклянный ровинг, а в качестве полимерного связующего использована полиуретановая или эпоксидная смола с добавлением органической наноглины, модифицированной солью четвертичного аммония.
Данная арматура имеет повышенную теплостойкость, огнестойкость, но при использовании ее для армирования бетонных плит наблюдаются повышенные прогибы и трещины, что ухудшает качество строительных изделий. Недостатком данной композитной арматуры является малый модуль упругости, приводящий к ухудшению качества изделия.
р
р
Бетонные изделия, изготовленные с использованием композитных арматурных элементов, в отличие от стальной арматуры имеют повышенную деформативность и ширину раскрытия трещин. Такое поведение композитобетонных изделий обусловлено малым модулем упругости (мера жесткости сопротивления развитию упругих деформаций) композитных арматурных элементов, зависящим как от свойств волокнистых материалов, так и от состава и компонентов полимерного связующего. Композитные арматурные элементы, изготовленные на полимерном связующем на основе эпоксидной смолы ЭД-20, имеют следующие модули упругости Е: стеклопластиковые - 45-65 ГПа, базальтопластиковые 65-85 ГПа. Для сравнения стальные арматуры обладают Е=165-220 ГПа. В результате этого высокие прочностные свойства композитных арматурных элементов в изделиях не реализуются.
Задача, которая стояла перед авторами, это создание композиции для армирования строительных конструкций, при использовании которой композитобетонные изделия могут воспринимать повышенные эксплуатационные нагрузки.
Технический результат заключается в создании композиции для армирования строительных конструкций, которую можно успешно использовать для армирования строительных конструкций, а также ответственных монолитных бетонных конструкций, воспринимающих повышенные эксплуатационные нагрузки.
Для достижения указанного технического результата в композицию для армирования строительных конструкций, представляющую собой стеклянный или базальтовый ровинг в количестве 90÷100 в.ч., пропитанный полимерным связующим на основе эпоксидно-диановой смолы в количестве 18÷20 в.ч., дополнительно введена магнитовосприимчивая металлсодержащая углеродная наноструктура в количестве 0,001÷1,5 в.ч.
Отличительными признаками предлагаемого изобретения от указанного выше наиболее известного является то, что в полимерное связующее дополнительно введена магнитовосприимчивая металлсодержащая углеродная наноструктура в количестве 0,001÷1,5 в.ч
Благодаря наличию этих признаков создана новая конструкция композитной арматуры, обладающая необходимыми прочностными свойствами во всем диапазоне изготавливаемых типоразмеров.
Металлсодержащая углеродная наноструктура представляет собой продукт совместной обработки металлургической пыли, содержащей оксиды и сульфиды металлов (железо, никель, медь, кобальт) с отходами полимерного производства (карбоцепные полимеры с боковыми функциональными группами). Способ получения углеродных металлсодержащих наноструктур приведен в описании патента РФ №2393110, опубл. 27.06.2010. В результате синтеза образуется прочный нанокомплекс металла с углеродной матрицей. Средний размер частиц составляет 10-25 нм.
Арматуру изготавливают известными методами: фильерным (пултрузия) и безфильерным (плэйнтрузия) путем протягивания минерального или синтетического волокнистого наполнителя, например стеклянного, базальтового, углеродного, арамидного волокна или смеси ровингов (стекло + базальт, базальт + углерод, арамид + углерод и т.д.), через ванну с полимерным связующим. После протягивания через камеры полимеризации и отверждения производится резка арматуры на требуемую длину. Нанокомпозитный арматурный элемент, содержит несущий стержень и обмотку с уступами из высокопрочного полимерного материала, представляющего собой волокнистый наполнитель, пропитанный полимерным связующим. Полимерное связующее готовят путем смешивания компонентов в определенной пропорции. Металлуглеродная наноструктура вводится в наименее вязкий компонент полимерного связующего. Для полимерного связующего на эпоксидной основе это будет отвердитель изометилтетрагидрофталевый ангидрид или ускоритель алкофен. Для полимерного связующего на полиэфирной основе это будет ускоритель нафтанат кобальта. Наличие магнитных свойств металлуглеродной наноструктуры позволяет достичь тонкодисперсного распределения в полимерном связующем и существенно уменьшить объем введения нанодобавок. Примеры изготовления композитного арматурного элемента приведены в таблице 1.
Для определения преимуществ композиции для армирования строительных конструкций с введенными магнитовосприимчивыми металлосодержащими углеродными наноструктурами по сравнению с композицией без нанодобавок были изготовлены бетонные перемычки длиной 2 м и сечением 220×250 мм. При одинаковой схеме армирования были использованы композитные арматурные элементы, результаты испытаний проиллюстрированы в примерах 1-4 таблицы 1.
Для определения величины прочности и трещиностойкости бетонных перемычек проводились испытания нагружением. Примеры изготовления композитной арматуры приведены в таблице 2.
Таблица 2
№ п/п
Вид арматуры
Величина трещиностойкости кг/с
1
Композитный арматурный элемент №1
2550
2
Нанокомпозитный арматурный элемент №2
3100
3
Композитный арматурный элемент №3
2700
4
Нанокомпозитный арматурный элемент №4
3450
Как видно из таблицы 2 композитнобетонные изделия с использованием композитного арматурного элемента могут воспринимать повышенные эксплуатационные нагрузки, что позволит расширить их область применения.
Предлагаемая композиция для армирования строительных конструкций обладает необходимыми качественными характеристиками, позволяющими широко использовать ее для армирования ответственных монолитных бетонных конструкций.
Таблица 1
№ п/п
Состав арматуры
Содержание в.ч.
Диаметр арматуры мм
Прочность на разрыв МПа
Модуль упругости ГПа
1
Стеклянный ровинг
90-100
4,0
1250
51
Изометилтетрагидрофталевый ангидрид
8-9
Эпоксидная смола ЭД-20
10-11
2
Стеклянный ровинг
90-100
3,8
1350
63
Изометилтетрагидрофталевый ангидрид
8-9
Эпоксидная смола ЭД-20
10-11
Металлсодержащая углеродная наноструктура
0,002-1
3
Базальтовый ровинг
90-100
4,0
1450
75
Изометилтетрагидрофталевый ангидрид
8-9
Эпоксидная смола ЭД-20
10-11
4
Базальтовый ровинг
90-100
3,7
1650
90
Изометилтетрагидрофталевый ангидрид
8-9
Эпоксидная смола ЭД-20
10-11
Металлсодержащая углеродная наноструктура
0,001-1,5