КОМПОЗИТНАЯ АРМАТУРА

Композитная арматура
Полезная модель относится к средствам армирования бетона, в частности к арматуре, изготовленной из композитных материалов.
Из достигнутого уровня техники известна стеклопластиковая арматура, стержни которой выполнены из высокопрочного полимерного материала с обмоткой, образующей уступы. В частности известен стержень композитный из полимера для армирования связующих сред, включающий волокна, объединенные в жгуты, причем стержень образован скрученными жгутами, диаметр каждого жгута составляет 25-47% от диаметра стержня, количество жгутов выбрано не менее трех, а число кручений жгутов на метр стержня находится в диапазоне 5-120 (RU 2430220 С2, 20.08.2010). В этом техническом решении каждый жгут арматуры пропитан отвержденной полимерной смолой, причем в процессе изготовления арматуры 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 волокнами. 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, то это снижает сцепление арматуры с бетоном, а образованные между жгутами углубления не в достаточной мере обеспечивают указанное сцепление, так как при работе арматуры на растяжение. в отвержденном бетоне возможны сдвиги гладкой арматуры относительно массива бетона. Как показывают исследования, число кручений жгутов на метр арматурного стержня в диапазоне 5-120 не связано с прочностью нитей жгутов на разрыв, в результате известный арматурный стержень обладает сравнительно большой жесткостью.
2
Известны также композитные арматуры, арматурные стержни, способы их изготовления, представленные в описаниях патентной документации: СА 2298281 А1, 08.08.2001; CN 158757 6А, 02.03.2005; CN 201280782 Y, 29.07.2009; US 2005064184 А, 24.03.2005 и US 7396496 В2, 08.07.2008, причем в заявке US 2005064184 А описан способ изготовления композитной арматуры и нанесение на ее поверхность абразивных частиц песка с целью повышения сцепления арматуры с бетоном. Стержень имеет в сечении круглую форму, что снижает его сопротивление смещению в массиве отвержденного бетона при работе последнего на кручение и изгиб.
Существенными требованиями, предъявляемыми к композитным арматурам являются обеспечение надежности сцепления арматуры с бетоном и исключение срыва арматуры в отвержденном бетоне при работе бетонной конструкции. С этой целью композитную арматуру выполняют с различного рода зацепами или, например, волнообразной (RU 2431026 С1, 10.20.2011). В другом техническом решении композитная арматура выполнена в виде плоской ленты с определенным соотношением ширины к толщине (RU 2388878 С1, 10.05.2010). С целью повышения прочности соединения с бетоном в композитной арматуре используются различные покрытия ее поверхности или обсыпка поверхности материалом, улучшающим сцепление (RU 2008122349, 10.12.2009).
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).
Из известных технических решений, наиболее близким техническим решением к техническому решению, представленному в данном описании, является композитная арматура, характеризующаяся тем, что она содержит выполненные из волокон жгуты, пропитанные смолой, на поверхности арматуры закреплены частицы абразива, зафиксированные отвержденной смолой, жгуты 3
соединены между собой путем их свивки вокруг друг друга и фиксации в этом положении отвержденной смолой, между витками жгутов образованы углубления, в зоне контакта жгутов по всей длине арматуры выполнен 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 наружной поверхности арматуры выполнена покрывающая ее шероховатая корка, выполненная из конгломерата частиц абразивного материала и отвержденной смолы, при этом площадь корки в ее поперечном сечении выбрана в пределах 2-15% от суммарной площади поперечного сечения арматуры (RU 124710 U1, 10.02.2013).
Упомянутая корка выполнена из конгломерата отвержденной смолы и частиц абразивного материала (песок, гранитная или иная крошка). Корка получена путем нанесения абразива на слои смолы, покрывающих жгуты, причем эти слои смолы предусматривает определенную толщину суммарного слоя, выполненного из слов смолы, причем суммарный слой смолы получен в процессе изготовления корки с целью исключения повреждения волокон частицами абразивного материала. Суммарная толщина слоя смолы, который образует корку, выбрана такой, чтобы исключалось касание частиц абразива и волокон жгутов. Изготовление слоя смолы корки и самой корки выполнено по специальной технологии.
Как показала практика, нанесенные на поверхность сердечника абразивные частицы путем обсыпки поверхности не в достаточной мере обеспечивают прочность сцепления арматуры с бетоном. Это связано с тем, что после искусственного старения в щелочной среде, наружный полимерный слой теряет свои прочностные свойства и сцепление арматуры с бетоном снижается. Это 4
снижает несущую способность арматуры в массиве бетона. В этой связи отмечено, что частицы абразива вместе с верхним полимерным слоем в процессе длительной эксплуатации отслаиваются от стержня.
Известна арматура композитная полимерная, состоящая из несущего стержня, выполненного из волокнистого композиционного материала, на поверхности которого выполнена спиралевидная обмотка, а также нанесено покрытие из кварцевого песка, причем спиралевидная обмотка выполнена из скрученного вдоль своей оси жгута из волокон того же типа, что и несущий стержень (RU 143763 U1, 27.07.2014 - прототип). Данную арматуру получают методом пултрузии, протягивают волокнистый наполнитель, например, базальтовый или стеклянный ровинг, через ванну с органической термореактивной эпоксидной смолой. Избыток смолы удаляется путем отжима пучка ровингов. Далее на поверхность стержня наматывается спиральная обмотка, создающая выступающие ребра. После этого на поверхность стержня наносится кварцевый песок и стержень подается в печь, где происходит его отверждение. В процессе отверждения зерна песка, равномерно распределенные по поверхности, вплавляются в полимерную матрицу, образуя прочное покрытие с шероховатой поверхностью, что увеличивает прочность сцепления арматуры с бетоном.
Общими признаками полезной модели и прототипа является то, что они относятся к композитной арматуре, содержащей сердечник, выполненный из множества пропитанных связующим стекловолокон, обмотанный вокруг сердечника жгут и соединенные связующим с сердечником гранулы, расположенные на сердечнике. Причем гранулами прототипа являются частицы кварцевого песка.
Существенным недостатком прототипа является то, что прочность сцепления арматуры с бетоном за счет шероховатости поверхности арматуры недостаточна, так как во время работы бетонной конструкции и арматуры на растяжение и сжатие арматура испытывает знакопеременные нагрузки сдвига арматуры относительно массива бетона, при этом частицы песка арматуры работают как 5
абразивы, прорезающие в массиве бетоне бороздки, канавки и каналы, что ведет к ускоренному сдвигу арматуры в бетоне.
Техническим результатом полезной модели является повышение прочности сцепления арматуры с бетоном.
Указанный результат получен тем, что композитная арматура содержит сердечник, выполненный из множества пропитанных связующим стекловолокон, обмотанный вокруг сердечника жгут и соединенные связующим с сердечником гранулы, расположенные на сердечнике, причем каждая гранула своей одной частью внедрена в лунку сердечника, а другая часть гранулы простирается от сердечника в направлении от продольной оси сердечника, при этом жгут расположен в винтообразной канавке сердечника, каждая гранула внедрена в сердечник под давлением и в лунке часть гранулы имеет объем меньший в сравнении с объемом другой части гранулы, простирающейся от сердечника.
На фиг. 1 показана арматура в поперечном разрезе с одним намотанным по спирали на сердечник жгутом.
На фиг. 2 показана арматура в поперечном разрезе с двумя намотанными по спирали на сердечник жгутами.
На фиг. 3 показана арматура в поперечном разрезе с двумя намотанным по спирали на сердечник уплощенными жгутами.
На фиг. 4 - схема расположения гранул в лунках сердечника.
Композитная арматура содержит сердечник 1 (фиг. 1-3), выполненный из множества стекловолокон 2, пропитанных связующим, один обмоточный жгут 3 или несколько обмоточных жгутов 3 сердечника, навитых вокруг сердечника по спирали и пропитанных связующим, которым каждый жгут соединен с сердечником. На сердечнике расположены соединенные с ним связующим материалом гранулы 4. В качестве гранул использованы гранулы гальки, щебня или керамзита. Размеры гранул «в свету» выбираются расчетным и опытным путем. Обработка гранул и их отсев производится ситами грохота.
Поверхность 5 каждой гранулы (фиг. 4) образует с поверхностью сердечника 6 общую рабочую поверхность арматуры. Гранулы расположены на сердечнике 6
так, что одна часть 7 каждой гранулы (фиг. 4) внедрена в сердечник под давлением, эта часть гранулы расположена в лунке 8 сердечника, а другая часть 9 гранулы простирается от сердечника в направлении от его продольной оси и возвышается над поверхностью 6 сердечника на высоту h. Данная высота регламентируется диаметром d=2r арматуры. Внедренная или утопленная в лунке часть гранулы имеет объем V1 меньший в сравнении с объемом V2 другой части гранулы, простирающейся от сердечника (V2>V1).
Расположение гранул 4 в лунках 8 сердечника 1 увеличивает поверхность контакта каждой гранулы с сердечником, что повышает прочность соединения гранул с сердечником. Гранулы могут быть выполнены из любых других, материалов, имеющих оптимальную гранулированную форму, обеспечивающую максимально возможную прочность сцепления с сердечником.
Для увеличения силы сцепления жгутов 3 с сердечником 1 путем увеличения поверхности соединения сердечника с жгутами, меньшая нижняя часть 10 каждого жгута 3 (фиг. 2) расположена в винтообразной канавке 11, а верхняя большая часть жгута 12 простирается в наружную сторону от сердечника. Винтообразная канавка 11 выполнена в процессе изготовления арматуры. Канавка 11 выполнена путем внедрения натянутого жгута 3 в массив сердечника в процессе изготовления арматуры, для чего твердость жгута выбирают больше твердости сердечника. В другом случае в предварительно выполненную в сердечнике канавку укладывают жгут без его натяжения. Эти способы не исключают иные способы соединения жгутов с сердечником.
Работает арматура следующим образом. При нагрузке на бетонную конструкцию, например, при ее изгибе, гранулы, внедренные в сердечник и массив бетона, наиболее эффективно сопротивляются сдвигу арматуры относительно бетона, что существенно повышает несущую способность соединения арматуры с бетоном и, соответственно, повышает прочность бетонной конструкции.