КОМПОЗИТНАЯ АРМАТУРА
COMPOSITE REINFORCEMENT

Изобретение относится к строительству, в частности к неметаллической арматуре для армирования конструкций, выполненных из связующих материалов.
Известна композитная арматура, арматурные стержни, способы их изготовления, представленные в описаниях патентной документации: СА 2298281А1, 08.08.2001; CN 1587576A, 02.03.2005; CN 201280782Y, 29.07.2009; US 2005064184 А, 24.03.2005 и US 7396496 В2, 08.07.2008. Стержни известных арматур имеют в сечении преимущественно круглую форму.
Существенными требованиями, предъявляемыми к композитным арматурам, являются обеспечение надежности сцепления арматуры с бетоном и исключение срыва арматуры в отвержденном бетоне при работе бетонной конструкции. В этой связи круглая форма арматурного стержня снижает сопротивление арматуры ее смещению в массиве отвержденного бетона при работе последнего на кручение и изгиб.
С целью повышения сцепления арматуры с бетоном ее выполняют с различного рода зацепами, утолщениями, или, например, волнообразной (RU 2431026 С1, 10.20.2011), или в виде плоской ленты с определенным соотношением ширины к толщине (RU 2388878 С1, 10.05.2010).
В другой известной композитной арматуре, содержащей волокна, смолу и зацепы, последние образованы слоем песка, закрепленным на отвержденной поверхности арматуры, при этом зацепы выполнены на концах арматурных стержней в виде утолщений, каждое утолщение выполнено в виде обмотки, покрытой абразивным материалом или цементом (RU 2001113390 А, 10.05.2003; RU 82244 U1, 20.04.2009; RU 104953 U1, 27.05.2011).
Близким техническим решением к решению, представленному в данном описании, является композитная арматура, характеризующаяся тем, что она содержит выполненные из волокон жгуты, соединенные между собой путем их свивки вокруг друг друга и фиксации в этом положении отвержденной смолой, причем между витками жгутов образованы углубления (RU 2430220 С2, 20.08.2010). Арматура выполнена из высокопрочного полимерного материала с обмоткой, образующей уступы. Волокна объединены в жгуты, стержень арматуры образован скрученными жгутами, диаметр каждого жгута составляет 25-47% от диаметра стержня арматуры, количество жгутов выбрано не менее трех, а число кручений жгутов на метр стержня находится в диапазоне 5-120. Следует отметить, что число жгутов в арматуре, равное не менее трех, приводит к тому, что между жгутами образуются пустоты, которые также заполняются смолой. Пустоты, заполненные отвержденной смолой, существенно ослабевают арматуру и придает ей хрупкость вследствие большей хрупкости отвержденной смолы в сравнении с хрупкостью пропитанных смолой волокон. Также установлено, что сопротивление арматуры на растяжение, изгиб и сжатие зависит от содержания смолы в арматуре и в этой связи существует оптимальное соотношение смолы и волокон в арматуре. Поскольку в известной арматуре ее поверхность гладкая и она образована тремя жгутами, то это снижает сцепление арматуры с бетоном вследствие уменьшения углублений между жгутами. В результате при работе арматуры на растяжение в отвержденном бетоне возможны ее сдвиги относительно бетона, а круглая форма каждого жгута уменьшает сопротивляемость арматуры на кручение.
Техническим результатом конструктивного решения, представленного в данном описании, является повышение прочности арматуры и прочности ее соединения с бетоном.
Указанный технический результат получен композитной арматурой, содержащей выполненные из волокон жгуты, соединенные между собой путем их свивки вокруг друг друга и фиксации в этом положении отвержденной смолой, между витками жгутов образованы углубления, волокна каждого жгута натянуты в продольном направлении каждого витка, прижаты друг другу и скручены между собой вокруг продольной оси жгута так, что в зоне их контакта по всей длине арматуры они образуют общий винтообразный соединительный слой из отвержденной смолы и волокон двух жгутов, в поперечном сечении арматура образована парой контактирующих между собой через соединительный слой жгутов, каждый из которых имеет в поперечном сечении овальную форму, площадь поперечного сечения каждого жгута выбрана в пределах 40-49% от общей площади поперечного сечения арматуры, площадь поперечного сечения соединительного слоя выбрана в пределах 20-2,0% от общей площади поперечного сечения арматуры.
На чертеже показано поперечное сечение арматуры в увеличенном виде.
Композитная арматура представляет собой удлиненный жесткий стержень, выполненный из волокон 1, которые образуют собой жгуты 2, пропитанные, например, эпоксидной смолой 3. Жгуты 2 соединены между собой путем их свивки вокруг друг друга и фиксации в этом положении указанной отвержденной смолой (показана условно штриховыми линиями). Волокна 1 каждого жгута натянуты в направлении каждого витка жгута, причем по длине арматуры это направление меняется, поскольку меняются направления витков каждого жгута.
Волокна 1 каждого жгута прижаты друг другу и скручены между собой вокруг продольной оси жгута так, что в зоне их контакта по всей длине арматуры волокна каждого жгута образуют винтообразный по длине арматуры соединительный слой 4, полученный из отвержденной смолы 3 и волокон 1 двух жгутов. Слой 4 представляет собой конгломерат волокон и отвержденной смолы, он соединяет жгуты и находится в наиболее сжатом состоянии в месте поджатая жгутов 2 друг к другу. Плотность соединительного слоя 4 больше плотности каждого жгута, при этом в слое 4 меньше волокон на единицу объема в сравнении с числом волокон на единицу объема каждого жгута.
Волокно арматуры представляет собой нить из органического или неорганического материала, длина волокна может быть по всей длине арматуры или она может быть известным образом выполнена из нескольких соединенных друг с другом нитей. В поперечном сечении арматура образована двумя идентичными по форме жгутами 2, закрученными вокруг продольной оси 5 арматуры, при этом жгуты плотно прижаты друг к другу через соединительный слой 4 и в этом положении зафиксированы отвержденной смолой в рабочем положении.
Каждый жгут 2 имеет в поперечном сечении овальную форму и площадь поперечного сечения каждого жгута выбрана в пределах 40-49% от общей площади поперечного сечения арматуры. Площадь поперечного сечения соединительного слоя 4 выбрана в пределах 20-2,0% от общей площади поперечного сечения арматуры. Плотность отвержденных соединительного слоя 4 больше плотности каждого жгута 2. Каждый жгут имеет продольную ось 6 симметрии, вокруг которой закручены волокна 2 жгута, а на поверхности жгута выполнен из смолы защитный слой 7.
На поверхности арматуры образовано множество впадин 8, расположенных между витками жгутов по длине арматуры. Выбор числа жгутов арматуры позволил обеспечить максимально возможную глубину каждой впадины 8 с целью повышения прочности соединения арматуры с бетоном.
Волокна каждого витка жгута 2 натянуты в их продольном направлении, прижаты друг к другу и скручены между собой вокруг продольной оси жгута с расчетным усилием скрутки, удовлетворяющем условию, чтобы впадины 8 оставались наибольшими, а плотность соединительного слоя 4 большей плотности каждого жгута в отвержденном состоянии. Винтообразный соединительный слой 4, выполненный из отвержденной смолы 3 и волокон 1 двух жгутов, по существу является ядром жесткости арматуры. В таком сочетании указанных признаков овальная форма каждого жгута, полученная определенной технологией изготовления арматуры, обеспечивает существенное повышение прочности арматуры при изгибе и кручении бетонной армированной конструкции. При этом выбранные опытным путем площади поперечного сечения каждого жгута в пределах 40-49% от общей площади поперечного сечения арматуры, а также площадь поперечного сечения соединительного слоя выбрана в пределах 20-2,0% от общей площади поперечного сечения арматуры, связаны с глубиной каждой впадины 8 арматуры, и в совокупности эти параметры повышают сопротивление продольного перемещения стержня арматуры в бетоне.
Изготавливают арматуру путем пропитки пучка волокон 1 смолой 3 и скручивания пучка волокон вокруг продольной оси пучка. При скручивании волокон образуется пропитанный смолой жгут 2, при этом излишки смолы из жгута выжимаются. Далее выдерживают жгут до состояния определенной фазы отверждения ее поверхностного слоя. Аналогичным образом изготавливают второй жгут. Далее два жгута располагают параллельно друг другу и скручивают их вокруг продольной оси 5 арматуры.
Работает арматура следующим образом. Соединяют отрезки арматуры между собой в пространственную арматурную конструкцию, которую располагают в опалубке и заливают бетоном или иным вяжущим материалом. При этом впадины 8 между витками жгутов 2 заполняются бетоном. В процессе отверждения бетона его вяжущие частицы вступают во взаимодействие с поверхностями впадин 8 между витками жгутов и образуют прочное соединение арматуры с бетоном.
Как показали сравнительные испытания, выполненная из пары жгутов арматура обеспечивает повышение сцепления арматуры с бетоном с минимальными нарушениями структуры арматуры и бетона на разрыв, при этом овальность жгутов существенно повышает сопротивляемость арматурного стержня при его кручении вокруг продольной оси 5 арматуры. В итоге повышена прочность арматуры и ее сопротивляемость смещению в бетонной конструкции при нагрузке конструкции на кручение и изгиб, а также при других смешанных нагрузках.