RU219426U1 - Пространственный трехкоординатный композитный армирующий элемент на основе трощеного ровинга для армирования послойно-синтезируемых строительных конструкций - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области строительства, а именно к арматуре композитной для дисперсного армирования, применяемой в строительных конструкциях, и может быть использована для пространственного дисперсного или послойного армирования при изготовлении строительных изделий, монолитных и синтезируемых аддитивным способом, для дисперсного армирования оснований зданий и сооружений, в том числе, заливки промышленных полов, а так же армирования объектов гидротехнической инфраструктуры. Дисперсное армирование необходимо для устранения трещинообразования и повышения прочностных характеристик бетонных строительных конструкций. Технической задачей, решению которой служит заявляемая полезная модель, является создание пространственного трехкоординатного композитного армирующего элемента для объемного армирования и повышения прочностных и деформационных характеристик строительных конструкций, производимых с применением технологий послойного синтеза, а так же увеличение эффективности совместной работы арматуры с бетоном, которое предполагает повышение анкерности поверхности композитной арматуры в бетонной матрице. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к области строительства, а именно к арматуре композитной для дисперсного армирования, применяемой в строительных конструкциях, и может быть использована для пространственного дисперсного или послойного армирования при изготовлении строительных изделий, монолитных и синтезируемых аддитивным способом, для дисперсного армирования оснований зданий и сооружений, в том числе, заливки промышленных полов, а так же армирования объектов гидротехнической инфраструктуры. Дисперсное армирование необходимо для устранения трещинообразования и повышения прочностных характеристик бетонных строительных конструкций.

Заявляемая композитная арматура обладает такими преимуществами, как малый удельный вес, высокая прочность на разрыв, химическая и коррозионная стойкость, в сравнении с традиционно применяемой металлической арматурой, повышенной площадью контакта. Известно, что коррозия металлической арматуры приводит к возникновению микротрещин в зоне контакта поверхности арматуры и бетонной матрицы. Как следствие, нарушается адгезия таких стержней и снижается несущая способность конструкции. Отсутствие таких проблем при применении композитной арматуры делает ее перспективным видом армирования, альтернативным металлическому. Заявляемая полезная модель может быть выполнена на основе волокон базальтовой фибры, стеклянного, углеродного или арамидного сырья, в зависимости от требуемых характеристик.

Известно, что прочность бетона при растяжении примерно в 10 раз меньше по сравнению с прочностью при сжатии, при этом, разрушение бетона является относительно хрупким. При воздействии изгибающих и крутящих моментов, в конструкциях при сохранении несущей способности, могут наблюдаться изменения по второй группе предельных состояний: образованию и чрезмерному раскрытию трещин, чрезмерным прогибам, углам поворота, амплитудам колебаний.

Для повышения надежности, долговечности и прочности бетонных конструкций и нейтрализации последствий усталостных, температурных деформаций и трещинообразования под действием растягивающих или сдвиговых усилий, прикладываемых к конструкции, бетон армируют. Стержневая арматура выполняет несущую функцию и укладывается вручную, часто в условиях недостатка свободного места с большими затратами ручного труда. Дисперсное или послойное добавление пространственных армирующих элементов в процессе аддитивного синтеза конструкции применяется для распределения внутренних напряжений в массиве конструкции, и, как следствие, повышает ее трещиностойкость. Таким образом, при возникновении микроразрушений, дисперсно расположенные пространственные арматурные элементы поглощают определенную энергию, пластические деформации бетона снижаются, сдерживая дальнейшее появление и раскрытие трещин.

Настоящая полезная модель подходит для применения при изготовлении конструкций, испытывающих растягивающие усилия, а так же сложное сопротивление, и значительно увеличивает прочность таких конструкций, улучшает деформативные свойства бетона, повышает его трещиностойкость, замедляя наступление первой группы предельных состояний конструкций. Тем самым, применение заявляемого армирующего элемента увеличивает срок службы строительных конструкций. Предложенный пространственный армирующий элемент актуален как для монолитного строительства, так и для развивающегося направления технологий послойного синтеза строительных конструкций.

Существующие решения в области композитного армирования могут быть условно разделены на две группы. Ряд исследователей решает проблемы эффективного заполнения бетонной матрицы волокнами фибры из различных материалов в контексте дисперсного армирования строительных конструкций, а так же занимается вопросами подбора оптимальных физических параметров такой арматуры.

Известна арматура для дисперсного армирования бетонных изделий по патенту РФ №2030530 (дата публикации: 10.03.1995), содержащая равномерно распределенные в бетоне элементы в виде цилиндрических и конических спиралей из полимерных материалов и стеклопластика. Недостатком данной арматуры является склонность к зацепам и комкованию, что приводит к разнице концентрации армирующих элементов и разбросу свойств в теле бетона, и как следствие, непрогнозируемо сказывается на прочностных свойствах готовых конструкций.

Известен патент Армирующее композитное волокно RU 2690334 (дата публикации: 20.03.2019), в котором описывается армирующее композитное волокно, выполненное из нитей минеральных волокон, расположенных, преимущественно, параллельно друг другу и заделанных в двухкомпонентную эпоксидную смесь, выполненную с содержанием отвердителя, отличающимся от оптимального содержания с обеспечением нейтрализации щелочной среды.

Недостатками предложенного решения являются отсутствие проработанного механизма зацепления формуемых армирующих элементов, при котором поверхность готовых армирующих волокон, прошедших процесс отверждения в эпоксидной смоле ограничена диаметром сформированного фильерой пучка (радиус от 0,25 до 1,5 мм.) и не содержит элементов, повышающих анкерующую способность готовых к применению волокон.

Кроме того, описанный механизм вспушивания на глубину минеральных нитей композитного волокна нарушает параллельное расположение элементарных нитей в составе готового продукта. Как следствие, нарушается механизм передачи усилия по волокнам в составе пучка, поэтому эффективная площадь поперечного сечения армирующего элемента, способного нести нагрузку снижается на непрогнозируемую величину.

Другая группа изобретений посвящена разработке методов повышения адгезии композитных арматурных стержней с бетонной матрицей (RU 2521281, 2014; RU 2520542, 2014; RU 2482248, 2013; RU 2436910, 2011; RU 2430220, 2011; RU 2324797, 2008; RU 2405092, RU 2384677, 2010; RU 2384676, 2010; RU 2287647, 2006; RU 2249085, 2005; RU 2194135, 2002). В предложенных документах овальная форма силового стержня не обеспечивает большой поверхности сцепления, что снижает сопротивление арматуры ее смещению в массиве отвержденного бетона как при нагрузках кручения и изгиба, так и при растяжении. Кроме того, описанные устройства, повышающие анкерность таких стержней при возникновении значительных нагрузок, срезаются и не препятствуют вырыванию стержня из матрицы.

Известен патент RU 150388 (дата публикации: 20.02.2015) Композитная арматура, представляющая собой несущий стержень из высокопрочных неметаллических волокон, пропитанных полимерным связующим, отличающаяся тем, что профиль поперечного сечения этой арматуры представляет собой совокупность четного числа расположенных поочередно и принадлежащих двум концентрическим кругам с диаметрами D_min и D_max секторов равной угловой меры, составляющих в сумме полный угол.

Недостатком предложенного решения является риск возникновения внутренних напряжений по граням секторов, составляющих площадь поперечного сечения, наличие которых может привести к развитию объемных трещин в бетоне, и как следствие, повысить риск вырывания стержня с таким поперечным профилем при меньшем выдергивающем усилии.

Кроме того, описанный принцип механического зацепления уступов арматуры и отвержденной бетонной матрицы, образующих соединение замкового типа в плоскости поперечного сечения армируемого элемента, не обеспечивает примыкание бетонной матрицы к поверхности стержня в случае возникновения в армированной конструкции изгибающего усилия, и как следствие нарушает сцепление стержня с бетоном и снижает общую прочность конструкции. Та же проблема возникает у предложенного элемента при возникновении дополнительного крутящего момента в армируемой конструкции. В этом случае повышается риск среза или деформации сформированных уступов в плоскости поперечного сечения арматурного элемента. Таким образом, эффективность предложенного профиля наблюдается только при восприятии растягивающих усилий, когда сформированные в поперечном сечении уступы в виде концентрических секторов обжимают бетон, заключенный между ними. Это существенно сужает сферу применения в конструкциях такой арматуры.

Наиболее близким техническим решением является Стержень из непрерывных волокон RU 2620699 С2 (Дата публикации: 29.05.17). Стержень из непрерывных волокон, периодически соединяемых между собой, образующих плоские или пространственные фигуры, согласно изобретению, разветвлен периодически на два и/или более пучков, жестко фиксированных относительно друг друга и оси стержня в форме плоских и/или объемных геометрических фигур, с последующим объединением пучков в один.

Недостатки предложенного решения заключаются в том, что такая арматура сложной конструкции с высокими эксплуатационными характеристиками предполагает сложную технологию формирования стержня арматуры, большую трудоемкость изготовления и обусловленную этим высокую себестоимость, что, в конечном счете, ограничивает ее применение.

Кроме того, этот арматурный элемент не может обеспечить высокую прочность соединения при сдвиговых, изгибающих и крутящих нагрузках, что ограничивает его эксплуатационные возможности. В местах пересечения жгутов (склеивания) прочность соединения жгутов в прототипе определяется пределом прочности на сдвиг полимерного связующего, а не пределом прочности на растяжение волокнистого материала. Кроме того, данное решение не направлено на компенсацию внутренних усилий, возникающих в армируемой конструкции, а предназначено только для создания плоских или пространственных фигур по оси стержня с целью увеличения анкерности.

Технической задачей, решению которой служит заявляемая полезная модель, является создание пространственного трехкоординатного композитного армирующего элемента для объемного армирования и повышения прочностных и деформационных характеристик строительных конструкций, производимых с применением технологий послойного синтеза, а так же увеличение эффективности совместной работы арматуры с бетоном, которое предполагает повышение анкерности поверхности композитной арматуры в бетонной матрице, что достигается посредством:

формирования пространственной трехкоординатной структуры армирующего элемента в виде трехлучевой звезды, лучами направленной к вершинам октаэдра;

объединения композитных арматурных стержней на основе трощеного ровинга в объемную трехлучевую структуру по п. 2. и п. 3., путем замоноличивания центра пространственного закрепления стержней с целью придания им заданных углов (90°) расположения относительно друг друга;

повышения площади примыкания поверхности арматурных стержней к бетонной матрице;

обеспечения совместности работы волокон ровинга в составе формируемого арматурного стержня;

формирования самоанкерующейся поверхности у композитного арматурного стержня на основе трощеного ровинга;

обеспечения объемного зацепления в матрице пространственного трехкоординатного композитного армирующего элемента в виде трехлучевой конструкции из композитных арматурных стержней на основе трощеного ровинга;

обеспечения прочности пространственных анкерующих элементов профиля из полимерной матрицы на срез путем добавления в полимерную матрицу хаотично расположенных элементарных волокон фибры;

использования профиля разных размеров, позволяющего обеспечивать повышенные характеристики сцепления стержней в составе трехкоординатного армирующего элемента и бетонной матрицы.

Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в создании пространственного трехкоординатного композитного армирующего элемента для объемного армирования и повышения прочностных и деформационных характеристик строительных конструкций, производимых с применением технологий послойного синтеза, а так же увеличении эффективности совместной работы арматуры с бетоном, за счет повышения анкерности поверхности композитной арматуры в бетонной матрице.

Технический результат достигается тем, что пространственный трехкоординатный композитный армирующий элемент на основе трощеного ровинга для армирования послойно- синтезируемых строительных конструкций, состоящий из непрерывных волокон выполнен в виде трехлучевой звезды, лучами направленной к вершинам октаэдра, лучи которой представлены композитными арматурными стержнями на основе трощеного ровинга и пространственно закрепленными под углами 90° относительно друг друга путем замоноличивания в бетоне их центральных частей с использованием трубобетонной конструкции из алюминия, причем края арматурных стержней на основе трощеного ровинга состоят из эпоксидного связующего, дисперсно армированы фиброй, и им придано продольное рифление по всей длине стержней в виде треугольных зубцов, а так же имеется отступ от основания зубца до поверхности трощеного ровинга.

Пространственный трехкоординатный композитный армирующий элемент на основе трощеного ровинга для армирования послойно-синтезируемых строительных конструкций по п. 1, отличается тем, что композитные арматурные стержни выполнены в виде пластин из эпоксидного связующего, вдоль которых по центру расположен несущий элемент в виде трощеного ровинга, пропитанного и покрытого эпоксидным связующим.

Пространственный трехкоординатный композитный армирующий элемент на основе трощеного ровинга для армирования послойно-синтезируемых строительных конструкций по п. 1, отличается тем, что композитные арматурные стержни выполнены в виде пространственных лент из эпоксидного связующего, закрученных вокруг своих осей по спирали, вдоль которых по центру расположен несущий элемент в виде трощеного ровинга, пропитанного и покрытого эпоксидным связующим.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемой полезной модели - пространственного трехкоординатного композитного армирующего элемента на основе трощеного ровинга по п. 2.

На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемой полезной модели - пространственного трехкоординатного композитного армирующего элемента на основе трощеного ровинга по п. 3.

На фиг. 3 показан трубобетонный алюминиевый элемент, состоящий из трех цилиндрических трубок, заполняемых бетоном, взаимно расположенных и закрепленных по отношению друг к другу под углом 90°, фиксирующий относительное расположение композитных арматурных стержней на основе трощеного ровинга в пространстве относительно друг друга.

Пространственный трехкоординатный композитный армирующий элемент на основе трощеного ровинга 1 для армирования послойно- синтезируемых строительных конструкций, состоящий из непрерывных волокон, выполнен в виде трехлучевой звезды, лучами направленной к вершинам октаэдра, лучи которой представлены композитными арматурными стержнями на основе трощеного ровинга 1 и пространственно закрепленными под углами 90° относительно друг друга путем замоноличивания в бетоне 6 их центральных частей с использованием трубобетонной конструкции из алюминия 7, причем края арматурных стержней на основе трощеного ровинга состоят из эпоксидного связующего 2, дисперсно армированы фиброй 5, и им придано продольное рифление по всей длине стержней в виде треугольных зубцов 3, а так же имеется отступ 4 от основания зубца 3 до поверхности трощеного ровинга 1.

В вариантах исполнения пространственного трехкоординатного композитного армирующего элемента на основе трощеного ровинга по п. 2. и п. 3. края ленты из эпоксидного связующего дисперсно армированы элементарными волокнами фибры 5, и им придано продольное рифление по всей длине стержней в виде треугольных зубцов 3, а так же имеется отступ 4 от основания зубца до поверхности трощеного ровинга.

В поперечном сечении композитный арматурный стержень образован волокнами фибры, объединенными в трощеный ровинг 1, и обработанный полимерным связующим 2.

Волокна, составляющие трощеный ровинг 1, непрерывны по всей длине композитного арматурного стержня. Трощеный ровинг 1 имеет в сечении круглую форму радиусом от 0,5 до 2,5 мм.

Для обеспечения совместности работы волокон в составе формуемого арматурного стержня, трощеный ровинг 1 обработан эпоксидным связующим 2. Эпоксидное связующее полностью пропитывает трощеный ровинг 1, тем самым обеспечивая равномерное распределение напряжений по всему диаметру стержня и, следовательно, более полное включение в работу под нагрузкой волокон трощеного ровинга. Благодаря полной пропитке улучшаются прочностные свойства изделия. Эпоксидное связующее 2 полностью покрывает трощеный ровинг 1 и, тем самым, образует защитный слой для элементарных волокон ровинга, предотвращая воздействие на волокна щелочной среды бетона. По краям несущего элемента расположены анкерующие зубцы 3 из эпоксидного связующего 2, дисперсно армированные волокнами фибры 5. Дисперсное армирование 5 анкерующих зубцов 3 осуществляется с целью предотвращения появления трещин в эпоксидном слое. Формируются зубцы 3 высотой 3-5 мм с отступом от оси стержня до основания зубца 3 мм. Отступы 4 от поверхности трощеного ровинга до основания зубца необходимы для предотвращения появления срезов анкерующих зубцов под нагрузкой, обнажающих поверхность трощеного ровинга и, тем самым, создающих появление ослабленных зон армирующего материала. Отвержденное эпоксидное связующее 2 фиксирует положение трощеного ровинга 1 и придает форму композитным арматурным стержням на основе базальтового трощеного ровинга.

Пространственный трехкоординатный композитный армирующий элемент на основе трощеного ровинга представляет собой трехлучевую звезду, лучи которой направлены к вершинам октаэдра (Фиг. 1, Фиг. 2). Сами лучи представляют собой композитные арматурные стержни на основе трощеногоровинга различной структуры,- по п. 2. (Фиг. 1) и по п. 3. (Фиг. 2). Композитные арматурные стержни на основе трощеного ровинга по п. 2. и по п. 3. закреплены под углами 90° относительно друг друга путем замоноличивания в бетоне 6 их центральных частей с использованием трубобетонной конструкции из алюминия 7 (Фиг. 3).

Отличительными признаками предлагаемой полезной модели от указанного выше прототипа являются следующие:

пространственный трехкоординатный композитный армирующий элемент на основе трощеного ровинга выполнен в форме трехлучевой звезды, лучи которой направлены к вершинам октаэдра;

лучи армирующего элемента представлены композитными арматурными стержнями на основе трощеного ровинга;

положение лучей в пространстве относительно друг друга фиксируется трубобетонным элементом из алюминия состоящим из трех цилиндрических трубок, заполняемых бетоном, взаимно расположенных и закрепленных по отношению друг к другу под углом 90°;

края арматурных стержней на основе трощеного ровинга состоят из эпоксидного связующего, дисперсно армированы фиброй, и им придано продольное рифление по всей длине стержней в виде треугольных зубцов, а так же имеется отступ от основания зубца до поверхности трощеного ровинга;

композитные арматурные стержни на основе трощеного ровинга, входящие в состав пространственного трехкоординатного композитного армирующего элемента на основе трощеного ровинга по п. 2., выполнены в виде пластин из эпоксидного связующего, вдоль которых по центру располагается несущий элемент в виде трощеного ровинга, пропитанный и покрытый эпоксидным связующим;

композитные арматурные стержни на основе трощеного ровинга, входящие в состав пространственного трехкоординатного композитного армирующего элемента на основе трощеного ровинга по п. 3. выполнены в виде пространственных лент из эпоксидного связующего, закрученных вокруг своих осей по спирали, вдоль которых по центру располагается несущий элемент в виде трощеного ровинга, пропитанного и покрытого эпоксидным связующим;

анкеровка пространственного трехкоординатного композитного армирующего элемента на основе трощеного ровинга в бетонной матрице осуществляется:

по п. 2. посредством линейного зацепления анкерующих зубцов, расположенных в плоскостях композитных арматурных стержней на основе трощеного ровинга;

по п. 3. посредством объемного зацепления анкерующих зубцов, расположенных по спирали, в соответствии с закрученной формой композитных арматурных стержней на основе трощеного ровинга;

использование профиля зубцов разных размеров позволяет обеспечивать повышенные адгезионные характеристики пространственного трехкоординатного композитного армирующего элемента на основе трощеного ровинга, выполненного по вариантам п. 2. и п. 3. и бетонной матрицы;

в качестве несущего нагрузку материала в композитных арматурных стержнях используются волокна трощеного ровинга;

осуществляется полная пропитка трощеного ровинга эпоксидным связующим;

прочность анкерующих зубцов обеспечивается добавлением в полимерную матрицу хаотично расположенных волокон фибры;

длина композитных арматурных стержней в составе пространственного трехкоординатного композитного армирующего элемента выбирается не более ширины армируемой конструкции;

анкеровка пространственного трехкоординатного композитного армирующего элемента в матрице осуществляется посредством объемного зацепления трехлучевой конструкции из композитных арматурных стержней, лучами направленных к вершинам октаэдра.

Изменение геометрической формы поперечного сечения стержня и придание ему периодического профиля в виде зубцов увеличивает площадь контакта стержня с материалом армируемого изделия, что увеличивает предел прочности сцепления с бетоном и повышает предел прочности стержня при поперечном срезе в составе строительных конструкций, тем самым расширяет эксплуатационные характеристики арматуры. Заполнение бетонной массой промежутков между зубцами увеличивает анкерность арматуры, что, в свою очередь, позволяет сократить время технологической выдержки бетонокомпозитного изделия. Стержень в местах ветвления работает как микрокаркас.

Применение композитного армирующего элемента с заявленной геометрической формой существенно увеличивает прочность готовой конструкции на растяжение, кручение и изгиб. Увеличивается способность конструкции выдерживать кратковременные ударные нагрузки при падении. Снижается расход материалов на единицу длины арматуры.

Claims (3)

1. Пространственный трехкоординатный композитный армирующий элемент на основе трощеного ровинга для армирования послойно-синтезируемых строительных конструкций, состоящий из непрерывных волокон, отличающийся тем, что выполнен в виде трехлучевой звезды, лучами направленной к вершинам октаэдра, лучи которой представлены композитными арматурными стержнями на основе трощеного ровинга и пространственно закрепленными под углами 90° относительно друг друга путем замоноличивания в бетоне их центральных частей с использованием трубобетонной конструкции из алюминия, причем края арматурных стержней состоят из эпоксидного связующего, дисперсно армированы фиброй, и им придано продольное рифление по всей длине стержней в виде треугольных зубцов, а так же имеется отступ от основания зубцов до поверхности трощеного ровинга.

2. Пространственный трехкоординатный композитный армирующий элемент на основе трощеного ровинга для армирования послойно-синтезируемых строительных конструкций по п. 1, отличающийся тем, что композитные арматурные стержни выполнены в виде пластин из эпоксидного связующего, вдоль которых по центру расположен несущий элемент в виде трощеного ровинга, пропитанного и покрытого эпоксидным связующим.

3. Пространственный трехкоординатный композитный армирующий элемент на основе трощеного ровинга для армирования послойно-синтезируемых строительных конструкций по п. 1, отличающийся тем, что композитные арматурные стержни выполнены в виде пространственных лент из эпоксидного связующего, закрученных вокруг своих осей по спирали, вдоль которых по центру расположен несущий элемент в виде трощеного ровинга, пропитанного и покрытого эпоксидным связующим.