CN101263270A - 纤维增强塑料制成的增强体 - Google Patents

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    • E04C5/166—Connectors or means for connecting parts for reinforcements the reinforcements running in different directions

Abstract

本发明涉及一种增强体(1)，该增强体可用于建筑物，特别地可用于混凝土制成的建筑物，该增强体包括多个增强杆(2a，2b)，所述增强杆在连接点(4)处通过连接工具(5)而连接到一起，且所述增强杆由纤维增强塑料制成。所述连接工具(5)包括连接纤维(6)，所述连接纤维嵌入到塑料基体(7)，且在连接点(4)处绕增强杆(2a，2b)缠绕多圈。

Description

纤维增强塑料制成的增强体
技术领域
本发明涉及一种增强体，该增强体可用于根据权利要求1前序部分所述的结构，优选地，该增强体可用于由混凝土或其它水硬性安装材料制成的结构，上述材料中也可与其它的材料相混合，例如地基材料。该增强体包括多个增强杆，每个增强杆均由纤维增强塑料构成，且通过连接工具在连接点处彼此连接。各个增强杆可以是任意长度和任意横截面形状，且各个增强杆的端部也可具有任意的形状。优选地，增强杆呈圆形，特别地，至少其截面近似呈圆形，且其轴向的延伸至少是近似垂直的。
背景技术
对于增强体的使用通常是已知的。增强体用于增加机械强度，特别地，用于增加混凝土结构的抗张强度(tensile strength)。混凝土是诸如建筑物或桥梁等许多结构的主要成分。然而，为了消除使用中产生的压力，有必要在混凝土中埋入增强压杆，特别是埋入可传递张力的增强压杆。经过多年已经证实，钢制的增强杆以及增强体可对混凝土建筑物提供合适的加固。
然而，钢制的增强件在工作环境特别恶劣时，特别在潮湿或有化学侵蚀的环境中容易发生腐蚀。钢制增强件被腐蚀后会导致粘接力的降低和/或钢和混凝土之间的基床的退化，这样最终导致增强件的破裂以及混凝土的脱落。上述情形不仅会建筑物的外观的不美观，而且首先导致原钢制增强件的腐蚀，还从而使得结构的强度降低，并最终导致结构的倒塌，从而造成重大危险。由于此腐蚀导致的结构件的破坏，使得为了避免任何后续的危险而进行的维修和维护的成本支出成为必要。
具有防腐蚀或抗腐蚀增强压杆，例如电镀的、或涂覆环氧树脂的、或不锈钢制成的增强压杆或增强体的增强件作为解决抗腐蚀问题的方式是已知的。然而，此类增强杆仅可用于有限的、特定的环境条件之中，例如存在高浓度氯的环境中。此外，此类增强杆会产生非常高的费用，同样不利于其广泛应用。
此外，它们对环境也会造成有害的影响。由于前述防腐蚀增强体非常昂贵，因此对于普通的钢制增强件而言，推荐使用的混凝土的厚度为75mm和120mm，以完全覆盖钢制增强压杆，并以此方式尽力防止钢制增强压杆被腐蚀。由于需要消耗大量的混凝土，不可更新的自然资源受到了严重挑战。此外，由于水泥产量的增加，使得散出大量的、不需要的CO2。
为此原因，纤维增强塑料制成的增强体，国际上也称为“FRP钢筋”(“FRP”是“纤维增强塑料”的简写)被提议作为可腐蚀的钢制增强件的替代品。该FRP增强体能抗腐蚀且相对便宜，从而可永久地、有效地、以低成本解决前述由于腐蚀导致的问题。
纤维增强塑料是复合纤维材料，其中的塑料结合有由不同材料制成的纤维，以获得协同作用的效果以及沿所需方向改善的性能，特别是获得机械上改进的性能。所使用的纤维可以是玻璃纤维，所述玻璃纤维例如优选地，嵌入到沿杆轮廓的纵向具有“单向”纤维定向的塑料中。多个纤维彼此平行排列，并且所述纤维的直径在10μm到30μm之间，并且例如由塑料树脂的基体围绕。纤维对于复合材料赋予沿纵向的高强度，且树脂基体用于将所述纤维固定到合适的位置，同时用来保护所述纤维，使之免于损坏。
除了单个的增强杆之外，特别地，对于最初指定的、且由纤维增强塑料制成的增强体也是已知的。用于将单个的塑料杆彼此连接的连接工具通常是线，特别地，通常为扎线，然而，所述扎线已被证明容易产生腐蚀，从而可导致前述的问题。此外，这些线的连接仅为运输和组装过程中临时的固定形式，在混凝土硬化之后，这些线对于混凝土本体的拉力和剪切力的增加并无益处。这种包括由线连接的增强杆的增强体是已知的，例如示于文献WO01/26974A2中。
在电气安装领域所熟知的、由塑料制成的电缆扎匝也可用于连接单个的杆。然而通过这种方式，通过线的使用仅可获得非常有限的强度，并且单个的增强杆仍然容易发生相对移动。同样地，这些连接工具仅会产生如下的增强体，即所述增强体不会有效地增加混凝土本体的负载承受能力。
还已知的是可使得由纤维增强塑料制成的单个增强杆相互作用，但是，这样会使得生产非常的复杂，并从而导致成本的增加。在相互作用的情况下，必然会使得至少是单个的增强杆发生变形，这样，在增强杆完全硬化的情况下，这种类型的连接便不能够使用了。
可用作增强体的最初指定的平面网格纤维也是已知的，其示于文献EP0387 968 A1以及相关的德国文献DE 690 02 071 T2中，其中，连接工具包括经纱，将经纱用作连接纤维以织成塑料基体。采用这种纱罗织法纤维形式的连接纤维具有非常小的织物弯曲系数，该系数最大为0.03，从而仅能以非常小的程度弯曲，从而所述的连接纤维仅能沿近似平行于增强杆的直线方向延伸，并且仅从高度受限的圆周部上方的一侧在连接点接触横向延伸的加强杆。这种交织或相互作用的类型仅会产生如下的增强体，即，该增强体仅具有相对较低的强度，并且不能够对混凝土建筑提供理想的支撑。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种最初指定种类的、且设计简单的增强体，其中，单个增强杆以简单有效的方式连接到一起，从而可获得高的强度，同时可降低生产成本。
通过根据权利要求1的增强体可实现本发明的目的。从从属权利要求中也可获得本发明的有利的构造和改善。
本发明技术方案的重要方面在于，嵌入到塑料基体内的连接纤维在连接点处绕增强杆缠绕多圈。
本发明的主要优点在于，可以非常简单的方式获得高的强度，特别是使得各个增强杆能够以不移位地、且稳定定位地彼此连接的方式获得高的强度，这使得生产过程更加便捷，从而使得生产成本降低。通过多圈缠绕以及随后的硬化，增强杆可在连接点处以特别高强度的方式彼此连接，从而获得高强度的增强体，并可使得设置有该增强体的混凝土结构的机械稳定性最优地增加。在各个连接点处，可获得特别高的连接力。
为此目的，不再需要各个增强杆的复杂的相互结合或相互缠绕，从而增强杆不再需要进行变形，且最后完全硬化的增强杆可相对简单地且快速地彼此连接。
通过将连接纤维嵌入到塑料基体中，与使用电缆扎匝或线的情况相比，增强杆彼此可以更加牢固地彼此连接。根据本发明所使用的连接工具由纤维增强塑料形成，所述纤维增强塑料可以具有任何种类、任何长度、任何直径以及任何排布的连接纤维。
在此使用不会腐蚀的连接工具，因此能够可靠地避免由于腐蚀导致的混凝土脱落，以及裂缝、混凝土建筑物的损坏及坍塌，同时能够使得增强体总体的重量很轻。这样使得能够大量节省维护和修理的工作。由于可以在设置有根据本发明的增强件的结构上施加更薄且显著更少量的混凝土，因此可以减轻自然资源的压力。
当连接纤维以不同的方向和/或以不同的定向在各个连接点周围缠绕时，本发明的增强体可获得特别有利的优点。连接纤维优选地沿向左45°和向右45°的角度在交叉连接点处在交叉的周围缠绕。这样可获得特别稳定的连接。
根据本发明的一个优选实施例，各个连接纤维分别在位于一个增强杆或两个增强杆的一点或两点处的连接点相交。通过这种类型的缠绕，可进一步增加连接强度。然而，同样可以如下的方式在连接点处将纤维缠绕到增强杆上，即，以U形且没有交叉地在两个增强杆上缠绕纤维。
此外，当连接纤维以如下的方式缠绕到所述增强杆时将特别有利，即，当拉应力或压应力沿第二增强杆的长度方向垂直于第一增强杆的纵轴作用时，在单个连接点处获得满足该式S＞0.3×AS×RB的连接力S，其中AS表示所述第二增强杆的横截面积，以及RB表示所述第二增强杆的可允许的工作应力。以这种方式，特别地，当连接件浸渍有作为连接纤维的纺织玻璃纤维以及作为基体树脂的环氧树脂时，在单个连接点可获得高达5000N的连接力，此时的增强杆的直径为6mm。因此，这种增强杆之间高强度且高度紧凑的连接可达到钢制的增强体焊接在一起所能达到的要求。
当所述连接纤维包括玻璃纤维和/或芳香族聚醯胺纤维(aramide fiber)和/或碳化纤维时，本发明的增强体将特别有利。然而，也可使用其它的纤维，例如碳化硅纤维或硼纤维。优选地，连接纤维仅包括一种和同一种类型的纤维。
当位于多个所述连接点处的塑料基体中的连接纤维和/或塑料由与所述增强杆中的纤维和/或塑料相同的材料组成时，本发明也将是有利的。通过这种方法，所涉及的发明成本保持较低。
为了使得增强体能够理想地保持于周围的材料中，当增强杆的外部轮廓优选地表现为肋状、螺旋外形，或优选地为螺纹的形式时，本发明将是有利的。然而，也可设置非均匀的外形，例如，可借助于以外覆层形式的、嵌入到树脂中的砂粒而使表面粗糙化，以增加连接力并改善嵌入。
优选地，增强杆彼此至少近似垂直地排布。以这种方式，可以特别简单的方式连接该连接工具。然而，也可以其它任意的定向和/或不同的角度来排布增强杆。
根据本发明的一个特别优选的实施例，增强杆以至少近似二维的方式排布为垫的形式。各个增强杆可优选地位于两个上下设置的平面内，且以这种方式特别地形成直角网格。本发明的增强体可特别地形成为具有所需尺寸的增强垫，从而可应用于平面建筑构件，例如可应用于天花板或墙壁。在这种情况下，本发明将是特别有利的，即，所有的增强杆均沿直线延伸，其中第一组增强杆在第一平面内延伸，并且其中第二组增强杆在平行于该第一平面延伸的第二平面内延伸。在这种情况下，各个增强杆不再需要进行变形，从而最后完全硬化的增强杆可以特别简单和快速的方式彼此连接，且可获得所需要的高强度。
根据本发明的可选择实施例，增强杆可形成三维增强体，特别地形成增强笼、增强桩或具有三个或四个肋的网格。还可在增强杆上以呈一定角度设置另外的增强杆，且优选地以直角排布。
特别地，通过使得至少单个增强杆的部分或全部进行弯曲，可使得本发明的增强体具有多种用途。所述弯曲可表现为非常小，或具有小的弯曲半径，从而使得增强杆以如下的方式弯曲，即，其部分地弯曲成一定的角度。
为此，优选地，多个增强杆表现为完全弯曲成圆形，且在内侧和/或外侧连接到多个优选以直角排布地、且至少近似沿直线延伸的增强杆上，从而形成管状增强体，该管状增强体例如可用作桩增强体。然而，类似地，也可采用如下的增强体，即，在内侧和/或外侧增强体延伸为曲面形，从而可获得具有弯曲轮廓的管状增强体，例如弯曲网格形式的增强体。
作为替代，多个增强杆至少部分弯成一定角度且表现为矩形，特别地表现为方形，并且在其内侧和/或外侧连接到多个优选以直角排布的、且至少近似沿直线延伸的增强杆上，从而形成立方体形状的增强体。然而，也可采用如下的增强体，即，在内侧和/或外侧增强体延伸为曲面形，从而获得具有通常弯曲轮廓的增强体，特别地获得弯曲网格形式的增强体。
根据本发明的一个优选实施例，增强体在工厂以如下的方式制造，即，塑料基体完全硬化的同时，所述连接纤维嵌入到该塑料基体内。本发明的增强体在建筑物的现场处于完全刚性的状态，在此处，所述增强体整合到结构中或混凝土中。增强杆之间的连接优选通过使用堆积型装置以机械的方式进行，所述装置优选地大量设置在共用生产区域内，且可同时产生相对应的较大数量的、优选地增强体的所有连接线。
根据本发明的可替代的实施例，增强体可表现为预浸件，内嵌入有所述连接纤维的塑料基体以特定程度预硬化，从而在所述连接点处形成特定程度的灵活性，其中所述塑料基体可通过使用加热的方式一段时间后完全硬化。预浸件本身的使用是已知的。上述实施形式的显著优点在于，可以特别灵活的方式使用增强体，并且可在建筑物的现场形成当时所需的曲形，并通过简单的加热而最后固定。
附图说明
本发明的其它优点和特征可从下面的描述以及附图所示出的实施例中获得，图中：
图1示出了根据本发明的第一增强体的平面图；
图2示出了沿图1中的A-A线的放大剖视图；
图3示出了根据本发明的第二增强体的变型的平面图；
图4示出了根据本发明的第三增强体的三维立体图；以及
图5示出了根据本发明的第四增强体的三维立体图。
具体实施方式
图1和图2中示出的增强体1包括四个单独的增强杆2a和2b，各个增强杆以直线延伸，并且以双重相交的形式彼此以直角相交而排布。两个增强杆2a在第一平面3a内彼此平行设置，并且两外两个增强杆2b也同样地，在第二平面3b内在增强杆2a上彼此平行设置。当然地，类似于图3中所示的情形，增强体1也可包括更多数量的增强杆2a和2b，因此图1仅示出了整个增强体1的一部分。
作为所谓的FRP钢筋的增强杆2a和2b均由纤维增强塑料组成，其中玻璃纤维以大约60％到85％的比例嵌入到聚酯树脂的基体中。然而，芳香族聚醯胺纤维或碳化纤维可等同地嵌入到环氧树脂或乙烯基树脂的基体中。具有近似圆形截面的增强杆2a和2b的长度相同，且直径也相同，所述直径优选为5mm-25mm，但是所述直径也可更大。为了在周围的混凝土中获得特别高的粘接力，增强杆2a和2b的表面轻微地形成有螺纹结构的轮廓。然而，根据所要生产的增强体的特殊应用，所述增强杆2a和2b也可具有不同的直径和/或具有不同的长度和形状。
四个增强杆2a和2b通过连接工具5在四个连接点4处彼此成对地连接。根据本发明，各个连接工具5均包括连接纤维6，所述连接纤维嵌入到塑料基体7中，并在增强杆2a和2b的周围缠绕多圈。之前，树脂7即以如下的方式施加到纤维材料6中，即纤维6在“湿”的状态下进行缠绕和施加树脂。在由纤维增强塑料组成的连接工具5中，通过聚酯树脂的基体7包围玻璃纤维6。特别地，连接工具5在树脂7的变硬完成之后会产生材料配合(fit)。
此处，连接纤维6沿与增强杆2b的纵向成+45°和-45°角对角的方式缠绕在增强杆2b上。在增强杆2a处，连接纤维6以如下的方式被引导，即，在增强杆2a的前方和后方交叉(相对于图2中示出的平面)。通过这种在连接点4的周围以不同的方向多圈缠绕连接纤维6的方式，在树脂基体7变硬之后可获得增强杆2a和2b的特别牢固的连接，从而使得增强体1的稳定性较高。
图3中示出了增强体10，并且类似地，该增强体10具有近似二维结构的十八个增强杆2a和2b，所述增强杆2a和2b相对于彼此以直角相交的方式排布，且彼此连接，从而形成具有网格形状的增强垫，且共有八十一个连接点4。同样在这种情况下，增强杆2a位于第一平面3a内，在第一平面3a上，增强杆2b位于第二平面3b内。
如先前示出的实施例所述，本发明的连接工具5均包括连接纤维6，所述连接纤维6嵌入到塑料基体7中，并在增强杆2a和2b上缠绕多圈。以这种方式，在各个增强杆2a，2b上获得高强度连接，这样可获得稳定且质轻的增强体1，该增强体不易腐蚀，并且可有利地应用于混凝土天花板或混凝土墙壁。特别地，该增强体1可用于桥梁或建筑物或隧道结构，以增强混凝土或类似的结构材料。
图4和图5示出了增强体11和12，所述增强体分别具有管状(图4)和立方体状(图5)的三维形状。图4所示的增强体11包括两个弯成圆形的增强杆2a，所述两个增强杆通过六个增强杆2b而彼此连接，所述六个增强杆2b彼此平行延伸，且均以本发明的方式以直角固定到圆形增强杆2a的内圆周。与之相对地，图5中示出的增强体12包括两个近似方形的增强杆2a，所述两个近似方形的增强杆通过四个增强杆2b连接，所述四个增强杆2b彼此平行且以类似于本发明的方式以直角固定到方形增强杆2a的四个角的内侧。
在这两个增强体11和12的情况下，同样地，各连接工具5均包括连接纤维6，所述连接纤维6嵌入到塑料基体7中并在各个连接点4围绕增强杆2a和2b缠绕多圈。这样可获得高稳定的增强体11和12，且该增强体不易被腐蚀，从而可被有利地用作高大建筑的增强体。
当然地，本发明并不局限于在此所呈现出的实施例。例如，增强体1，10，11和12的数量和/或形状和/或尺寸和/或增强杆的定向可不同。也可使用其它材料制成的纤维和/或塑料。类似地，连接纤维6也可以不同的方式排布。此外，不同种类的增强杆，特别地，不同尺寸和/或形状的增强杆可连接到一起以形成增强体。

Claims (16)

1.一种增强体(1)，能用于建筑物，特别是混凝土建造的建筑物，所述增强体包括多个增强杆(2a，2b)，所述增强杆在多个连接点(4)处通过多个连接工具(5)而连接到一起，且所述增强杆由纤维增强塑料制成，所述连接工具(5)包括多条连接纤维(6)，所述连接纤维嵌入到塑料基体(7)内，其特征在于，所述连接纤维(6)在所述连接点(4)处绕所述增强杆(2a，2b)缠绕多圈。
2.如权利要求1所述的增强体，其特征在于，所述连接纤维(6)在所述连接点(4)周围以不同的方向缠绕。
3.如权利要求1或2所述的增强体，其特征在于，位于增强杆(2a，2b)处或位于两个增强杆(2a，2b)处的所述连接纤维(6)的每一条至少相交于一点。
4.如权利要求1-3中任一权利要求所述的增强体，其特征在于，所述连接纤维(6)以如下的方式绕所述增强杆(2a，2b)缠绕，即，当拉应力或压应力沿第二增强杆(2b，2a)的长度方向垂直于第一增强杆(2a，2b)的纵轴作用时，在单个连接点(4)处获得满足下式的连接力S：S＞0.3×AS×RB，其中AS表示所述第二增强杆(2b，2a)的横截面积，以及RB表示所述第二增强杆(2b，2a)的可允许的工作应力。
5.如前述任一权利要求所述的增强体，其特征在于，所述连接纤维(6)包括玻璃纤维和/或芳香族聚醯胺纤维和/或碳化纤维。
6.如前述任一权利要求所述的增强体，其特征在于，位于多个连接点(4)处的塑料基体(7)中的连接纤维(6)和/或塑料由与所述增强杆(2a，2b)中的纤维和/或塑料相同的材料组成。
7.如前述任一权利要求所述的增强体，其特征在于，所述增强杆(2a，2b)的外部轮廓特别地表现为螺纹外形，或优选地呈螺纹的形式。
8.如前述任一权利要求所述的增强体，其特征在于，所述增强杆(2a，2b)彼此至少近似垂直地布置。
9.如前述任一权利要求所述的增强体，其特征在于，所述增强杆(2a，2b)以至少近似二维方式排布为垫(1，10)的形式。
10.如权利要求9所述的增强体，其特征在于，全部所述增强杆(2a，2b)沿直线延伸，其中第一组增强杆(2a)在第一平面(3a)内延伸，并且其中第二组增强杆(2b)在平行于该第一平面(3a)延伸的第二平面(3b)内延伸。
11.如前述任一权利要求所述的增强体，其特征在于，所述增强杆(2a，2b)形成三维增强体(11，12)，特别地形成增强桩(11)或增强笼(12)。
12.如权利要求11所述的增强体，其特征在于，至少单个增强杆(2a，2b)的部分或全部进行弯曲。
13.如权利要求12所述的增强体，其特征在于，多个增强杆(2a)表现为圆形，且在内侧和/或外侧连接到多个至少近似沿直线延伸的增强杆(2b)上，从而形成管状增强体(11)。
14.如权利要求12所述的增强体，其特征在于，多个增强杆(2a)至少部分弯成一定角度且呈现方形，并且在其内侧和/或外侧连接到多个至少近似沿直线延伸的增强杆(2b)上，从而形成立方体形状的增强体(12)。
15.如前述任一权利要求所述的增强体，其特征在于，所述塑料基体(7)完全变硬，同时所述连接纤维(6)嵌入到该塑料基体内。
16.如权利要求1-14中任一权利要求所述的增强体，其特征在于，所述增强体表现为预浸件，所述塑料基体(7)内嵌入有所述连接纤维(6)，所述连接纤维以特定程度预硬化，从而在所述连接点(4)处形成特定程度的流动性，其中所述塑料基体(7)可通过加热而完全硬化。
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