АРМАТУРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ВЫСОКИМИ АНКЕРУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ ДИСПЕРСНОГО АРМИРОВАНИЯ
REINFORCEMENT ELEMENT WITH HIGH ANCHORING PROPERTIES FOR FIBER REINFORCEMENT

Изобретение относится к арматурным элементам для дисперсного армирования, например, бетона. Позволяет практически полностью решить проблему анкеровки арматурного элемента. Целью предлагаемого изобретения является предложение конструкции арматурного элемента, которая при достижении предельных нагрузок обеспечивает за счет надежного анкерования его концов разрыв преимущественно по прямолинейной срединной части, не допускает вытягивание арматурного элемента из массы бетона. Тем самым полностью используются прочностные характеристики материала арматурного элемента для повышения физико-механических характеристик материала конструкции.
Для этого арматурный элемент (см. чертеж) выполнен в виде отрезка металлической нити, проволоки либо узкой отрезанной от листа металлической полоски определенного сечения (круг, прямоугольник, неправильная трапеция), имеющего прямолинейную среднюю часть длиной L и специальной конструкции анкеры на концах, каждый из которых состоит из двух участков:
- первый участок - криволинейный, преимущественно в виде полуволны (длина хорды Lx), оформленной плавной кривой или ломаной линией, непосредственно прилегающей к прямолинейной срединной части и радиусно (радиус r) сопряженной с ней, опирающейся (замкнутой) концами на условную прямую K, проходящую по срединной прямолинейной части, или прямую К, параллельную ей;
1
- второй участок - прямолинейный отрезок, размером (Lcпр) не менее 2/3 длины хорды (Lх) полуволны, радиусно (радиус r) сопряженный с полуволной и расположенный под углом 0±45° к той же условной прямой К, К, на которую замкнута полуволна. Данное отличие является весьма существенным, т.к. только такая геометрия позволяет осуществлять «мертвую» анкеровку арматурных элементов, обеспечивает невозможность выдергивания конца элемента из бетона. Такой спрямленный участок является якорем для криволинейной части анкера, т.к. при вытаскивании анкера из бетона необходимо, чтобы он прошел, изгибаясь, по своему «следу», преодолевая значительные дополнительные усилия смятия бетона и его раздробления вследствие изгиба и поступательного перемещения стебля фибры, это в корне меняет качество анкеровки, практически на 100% исключая возможность выдергивания концов фибры из массива бетона-матрицы. Проведенные исследования показывают практически 100% разрыв анкерного элемента по прямолинейному среднему участку, без выдергивания концов из бетона, чего не достигается на любых других конструкциях фибр при всех остальных равных условиях.
Наличие рассчитанных радиусных сопряжений прямолинейных участков с криволинейными обеспечивает наиболее выгодное распределение напряжений, передавая действие растягивающей нагрузки по оси элемента, тем самым гарантирует равнопрочность арматурного элемента по всей длине, предотвращая обрывы в местах изгибов.
Данная конструкция позволяет технологически достаточно просто и надежно обеспечить стабильность геометрии производства стальных арматурных элементов и соответственно получить стабильно постоянные характеристики сталефибробетона на их основе.
Данная конструкция позволяет в процессе приготовления сталефибробетона стабильно обеспечивать равномерность распределения арматурных элементов по всей массе бетона, несмотря на их достаточно сложную геометрическую конфигурацию (даже с шероховатыми боковыми гранями при изготовлении фибр фрезерованием из листа), для достижения стабильно высоких физико-механических характеристик сталефибробетона по всей его массе.
Наиболее близким к изобретению является арматурный элемент по авторскому свидетельству СССР №1707157 A1, кл. E04C 5/07 для дисперсного армирования бетона, выполненный в виде металлической нити:
первый вариант конструкции - с волнообразными изгибами по ее длине, причем средний участок выполнен прямолинейным, а на ее концах выполнены волнообразные изгибы. При этом варианте арматурный элемент надежно анкеруется в бетоне, но имеет весьма существенные недостатки:
- выполнить по 2-3 волнообразных изгиба для увеличения эффекта анкеровки на концах такого элемента технологически весьма сложно, что подтверждается отсутствием фибры такой конструкции на рынке;
- ввиду высокой способности таких фибр сцепляться между собой наличие «ежей» при выполнении операций перемешивания бетона с такой фиброй практически гарантировано, а следовательно, в общей массе конструкции из сталефибробетона будут в большом количестве зоны с пониженными физико-механическими характеристиками - то и другое недопустимо;
второй вариант конструкции - арматурный элемент - имеет полуволны на концах. Этот вариант относительно неплохо анкеруется в бетоне, но можно отметить следующие серьезные недостатки:
- наличие только полуволн на концах арматурного элемента (без наличия спрямленных участков определенной длины на окончаниях полуволн) не дает гарантированной анкеровки концов его в бетоне. Исследования показывают, что при такой конструкции от 30 до 60% волокон выдергиваются под нагрузкой из массы бетона, не реализуя полностью своих свойств для увеличения прочностных характеристик бетона-матрицы;
- отсутствие расчетных радиусных сопряжений между прямолинейными и криволинейными участками не дает равнопрочности по всей длине арматурного элемента, вызывая обрывы металлической нити в местах резких перегибов, чем дополнительно снижаются физико-механические характеристики сталефибробетона.
Практически те же недостатки можно в большей или меньшей степени отметить и по аналоговым арматурным элементам по патентам Франции №2393896, кл. E04C 5/03 и ФРГ №3435850, кл. E04C 5/03. В дополнение к недостаткам вышеотмеченным, относящимся в этих патентах к вариантам с разнесением волнообразных участков по концам арматурных элементов с наличием у них прямолинейной срединной части, необходимо остановиться на вариантах арматурных элементов, имеющих волнообразность по всей длине. Наличие волн по всей длине достаточно надежно анкерует весь армирующий элемент в бетоне и, на первый взгляд, это играет положительную роль для повышения прочностных характеристик. На самом же деле, на начальном этапе приложения нагрузки восприятие ее стальными волокнами происходит не сразу, а после того, как защемленные концы начнут растягивать волокно, а это происходит после некоторого распрямления изогнутых участков его в силу того, что прямых участков волокно не имеет, а воспринимать оно может только растягивающие усилия. То есть на начальном этапе приложения нагрузки сопротивление ей оказывает сам армируемый материал, фибра при этом практически не участвует. В результате до момента вхождения в работу фибр в бетоне уже появляются трещины, т.е. сплошность конструкции практически на макроуровне уже нарушена. Эти трещины после снятия нагрузки не закрываются. При дальнейшем росте нагрузки трещины продолжают раскрываться, несмотря на включение в работу фибр, до уровня, когда в них может проникнуть вода и посторонние частицы, это приводит к дальнейшему развитию макротрещин и невозможности их закрытия под воздействием упругих деформаций фибр после снятия нагрузки. Тем самым прочностные характеристики армированного такими фибрами материала, при прочих равных условиях, будут однозначно ниже, чем при армировании фибрами предлагаемой конструкции.