АРМАТУРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СТЕНОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК E04C5/07 

Изобретение относится к области строительства, а именно к арматурным элементам из высокопрочных композиционных материалов, в частности из стеклопластика, применяемым для армирования термоизоляционных стеновых конструкций.

Известен арматурный элемент (патент США N 5.519.973, кл. 52-410, 1996 г. ), выполненный из пластика и состоящий из закрепляющего и внедряющегося сегментов для проникновения в структурные слои стеновых конструкций и фиксации в них. Закрепляющий сегмент выполнен в виде части вала, ограниченного цилиндрической головкой арматурного элемента и опорной шайбой, жестко закрепленной на валу.

Проникающий сегмент представляет собой заостренный конец арматурного элемента с выемками на валу.

Данный арматурный элемент изготавливают путем формирования из пластичного материала с добавлением волокнистых материалов в один прием с последующей механической доработкой для придания элементу необходимой формы - заостренного конца и выемок на валу.

Недостатками описанного арматурного элемента являются снижение его несущей способности из-за утонения сечения в местах выполнения выемок, а также снижение его коррозийной стойкости (щелочности) из-за нарушения поверхностного слоя пластика при механической доработке.

Известен арматурный элемент (патент США N 4.805.366, кл. 52-309.11, 1989 г. ), выполненный из пластика и содержащий продолговатый вал с проточками по всей его длине через определенные промежутки с анкерными зацепами в виде утонений - проточек концевых частей вала.

Центральная часть вала снабжена двумя пластиковыми цилиндрическими втулками с опорными кольцами из гибкого пластика для установки их на противоположных сторонах изолирующего слоя.

Данный арматурный элемент изготавливают формованием с последующим выполнением проточек для придания элементу необходимой формы и последующей установки на нем втулок с опорными кольцами.

Данный арматурный элемент имеет те же недостатки, что и предыдущий
За прототип принят арматурный элемент для армирования термоизоляционных стеновых конструкций (патент США N 4.829.733, кл. 52- 309.11, 1989 г.), содержащий плоский несущий стержень из высокопрочного композиционного материала с анкерными зацепами на концах, выполненными в виде конических утонений в широкой плоскости стержня и ограничительной втулки с опорным фланцем, жестко закрепленной на несущем стержне между анкерными зацепами. Опорный фланец ограничительной втулки установлен под углом 90^o к ее продольной оси.

Способ изготовления арматурного элемента в патенте США не описан, но, исходя из формы полученного изделия, с высокой степенью достоверности можно предположить, что арматурный элемент по прототипу изготавливают путем протяжки исходного материала, например стекловолокна, пропитанного полимерным связующим, через обогреваемую фильеру, где происходит отверждение. После отверждения полученный плоский стержень разрезают на отрезки определенной длины, соответствующие длине готового арматурного элемента, и путем механической заточки формируют анкерные зацепы утонением стержня в его широкой плоскости.

Технология производства сборных термоизоляционных стеновых конструкций с использованием арматурных элементов по прототипу заключается в следующем.

В опалубку укладывают нижний слой бетона, на который помещают изоляционный материал (утеплитель) с отверстиями под арматурные элементы, затем производят установку арматурных элементов, осаживая их в бетоне до соприкосновения изоляционного материала с опорным фланцем, после чего укладывают верхний слой бетона.

Недостатками арматурного элемента по прототипу являются: выполнение несущего стержня плоским обуславливает различный его момент сопротивления в широкой и узкой плоскостях, поэтому при установке арматурного элемента требуется строгая его ориентация относительно направления действующей нагрузки; выполнение анкерных зацепов в виде утонений в широкой плоскости стержня приводит к снижению его механической прочности по ряду причин, во-первых, фактически нагрузка воспринимается неполным поперечным сечением стержня, а сечением в месте утонения: во-вторых, место утонения является местом концентрации напряжений: в-третьих, механическая выборка материала стержня при выполнении утонений нарушает поверхностный слой, оголяя часть армирующих волокон, что уменьшает щелочестойкость арматурного элемента в целом; выполнение опорного фланца ограничительной втулки под углом 90^o к ее продольной оси затрудняет установку арматурного элемента при изготовлении термоизоляционных стеновых конструкций сложной формы.

Недостатком способа изготовления арматурного элемента по прототипу является его трудоемкость, наличие операции механической обработки.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является увеличение несущей способности арматурного элемента, а следовательно и долговечность строительных конструкций, расширение области его применения, упрощение способа изготовления, а также расширение ассортимента арматурных элементов, которые могли бы использоваться для армирования термоизоляционных стеновых конструкций.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном арматурном элементе для армирования термоизоляционных стеновых конструкций, содержащем несущий стержень из высокопрочного композиционного материала с анкерными зацепами на концах и ограничительную втулку с опорным фланцем, установленную на центральной части несущего стержня, согласно изобретению несущий стержень выполнен цилиндрическим. Анкерные зацепы выполнены в виде конических утолщений овального сечения с последующими участками постоянного или уменьшающегося сечения, причем величина большой оси овального сечения конического утолщения возрастает от d до 1,5d, а величина малой оси овального сечения по крайней мере не менее d, где d - диаметр несущего стержня; при этом угол конического утолщения в плоскости большой оси составляет 3-10^o к оси несущего стержня, длина последующего участка с постоянным или уменьшающимся сечением составляет 15-20% длины анкерного зацепа; опорный фланец ограничительной втулки выполнен под углом 45-90^o к ее продольной оси. При этом ограничительная втулка с опорным фланцем выполнена разрезной по оси и установлена на несущем стержне с возможностью съема.

Указанный технический результат достигается также тем, что в известном способе изготовления арматурного элемента для армирования термоизоляционных стеновых конструкций путем формирования поперечного профиля несущего стержня из волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, отверждения, механической доводки для придания несущему стержню необходимой формы и установки на нем ограничительной втулки с опорным фланцем, согласно изобретению формирование поперечного профиля несущего стержня осуществляют непрерывно в два этапа, при этом на первом этапе протяжкой через обжимную фильеру из прядей стекловолокна, пропитанных полимерным связующим, формируют непрерывную трубку, наружный диаметр которой равен максимальному размеру конического утолщения анкерного зацепа, причем на выходе в обжимную фильеру в формируемую трубку через расстояние, определяемое длиной несущего стержня арматурного элемента, помещают закладной элемент, определяющий форму сдвоенных анкерных зацепов предыдущего и последующего несущих стержней арматурного элемента; на втором этапе укладкой с натяжением кольцевых нитей трубке с закладными элементами придают форму сплошного стержня с чередующимися сдвоенными анкерными зацепами, а механическую доводку осуществляют резкой отвержденного стержня по середине сдвоенных анкерных зацепов. При этом закладной элемент изготавливают из материала, имеющего характеристики по механической прочности и термостойкости не ниже соответствующих характеристик материала стержня.

Заявленный арматурный элемент для армирования теплоизоляционных стеновых конструкций отличается от известного формой несущего стержня и анкерных зацепов, а также установкой опорного фланца под углом 45- 90^o к оси втулки.

Выполнение несущего стержня цилиндрическим увеличивает его прочность и несущую способность, поскольку стержень воспринимает нагрузку по всей площади сечения одинаково, не требуется его ориентация относительно направления действующей нагрузки, что также облегчает его установку в изоляционный слой.

Выполнение анкерных зацепов в виде конических утолщений овального сечения с последующими участками постоянного или уменьшающегося сечения повышает прочность и анкерующую способность заявляемого арматурного элемента за счет более надежной фиксации в бетоне - при осаждении жидкий бетон легко обтекает овальные зацепы, заполняя полости под ним на границе бетон - изоляционный материал, не образуя пустот.

Кроме того, выполнение анкерных зацепов в виде конических утолщений исключает механическую выборку материала, при этом сохраняется целостность поверхностного слоя. Тем самым повышается коррозионная устойчивость арматурного элемента и, следовательно, его несущая способность и срок службы.

Выполнение анкерных зацепов в виде конических утолщений овального сечения, где величина большой оси овального сечения возрастает от d до 1,5d, а величина малой оси по крайней мере не менее d (d - диаметр несущего стержня) позволяет изготавливать арматурный элемент с анкерными зацепами круглого сечения (при равенстве большой и малой оси овального сечения) или эллипсовидной формы (при их неравенстве).

Такое выполнение анкерного зацепа расширяет область применения арматурного элемента, так как позволяет использовать арматурный элемент как для армирования бетонных стеновых панелей (где предпочтительнее анкерный зацеп круглого сечения), так и кирпичных (в таких конструкциях предпочтительнее анкерный зацеп эллиптического сечения с величиной малой оси равной или близкой диаметру несущего стержня, чем обеспечивается возможность заделки анкерного зацепа в шов кирпичной кладки).

Выполнение конического утолщения анкерного зацепа под углом 3-10^o к оси несущего стержня обусловлено требованиями по сохранению целостности анкерного зацепа на границе бетон - стеклопластик. При уменьшении угла менее 3^o анкерный зацеп выдавливается из бетона, увеличение угла более 10^o нецелесообразно, так как не влияет на несущую способность элемента, а приводит к усложнению технологии получения и увеличению расхода сырья.

Величина длины участка с постоянным или уменьшающимся сечением составляет 15-50% длины анкерного зацепа и выбрана из условия обеспечения его целостности.

Уменьшение этой длины менее 15% при максимальных нагрузках может привести к срезанию конического утолщения анкерного зацепа и выдавливанию его из бетона.

Увеличение длины более 50% нецелесообразно из-за повышения расхода сырья.

Установка опорного фланца на ограничительной втулке под углом 45-90^o к ее продольной оси позволяет точно контролировать глубину и угол заделки анкера в бетоне. При наклонном расположении арматурных элементов в изоляционном слое всегда можно подобрать нужный угол, под которым должен быть выполнен фланец, чтобы при сборке трехслойной стеновой панели он контактировал с теплоизоляционным слоем по всей своей площади. Это облегчает осаживание элементов, исключает образование пустот в бетоне и проникновение анкерного зацепа внутрь изоляционного слоя, а также обеспечивает точную установку арматурного элемента под нужным углом в конструкциях сложной формы.

Выполнение ограничительной втулки с опорным фланцем разрезной по ее продольной оси позволяет производить сборку арматурного элемента непосредственно при изготовлении стеновой панели, устанавливая на несущем стержне ограничительную втулку с углом наклона опорного фланца к ее оси, который обусловлен требованиями технологии и формой стеновой панели.

На фиг. 1 изображен арматурный элемент с анкерными зацепами в виде конических утолщений с последующими участками постоянного сечения - общий вид; на фиг. 2 - арматурный элемент с анкерными зацепами в виде конических утолщений с последующими участками уменьшающегося сечения - общий вид; на фиг. 3 - вид А-А на фиг. 1,2; на фиг. 4 - арматурный элемент с опорным фланцем, установленным под углом (α = 45^o к продольной оси ограничительной втулки; на фиг. 5 - расположение арматурных элементов в трехслойной стеновой панели (угол α установки фланца на втулке - 45^o и 90^o).

Арматурный элемент для армирования термоизоляционных стеновых конструкций содержит стеклопластиковый несущий стержень 1, анкерные зацепы 2, ограничительную втулку 3 с опорным фланцем 4, закрепленным на центральной части стержня 1. Анкерные зацепы 2 выполнены в виде конических утолщений овального сечения 5 с последующими участками постоянного 6 или уменьшающегося 7 сечения.

При изготовлении термоизоляционных стеновых конструкций укладывают первый жидкий слой бетона - 8, на который устанавливают изоляционный материал (например, пенополистирол, пенополиуретан) - 9 с предварительно просверленными отверстиями под арматурные элементы. В эти отверстия вставляют арматурные элементы, осаживают их, например, вибрацией, и сверху заливают вторым слоем жидкого бетона - 10.

Способ изготовления арматурного элемента для армирования теплоизоляционных стеновых конструкций отличается от известного тем, что формирование поперечного профиля несущего стержня осуществляют непрерывно в два этапа. Вначале протяжкой через обжимную фильеру из прядей волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, формируют непрерывную трубку, наружный диаметр которой равен максимальному размеру конического утолщения анкерного зацепа, причем на входе в обжимную фильеру в формируемую трубку через расстояние, равное длине несущего стержня, помещают закладной элемент. Закладной элемент выполнен из материала, имеющего одинаковые характеристики с полимерным материалом стержня по термостойкости и механической прочности, например стеклопластик.

Закладной элемент имеет форму сдвоенных анкерных зацепов предыдущего и последующего несущих стержней арматурного элемента.

Затем укладкой с натяжением кольцевых нитей трубке с закладными элементами придают форму сплошного стержня с чередующимися сдвоенными анкерными зацепами, стержень отверждают и разрезают по середине сдвоенных анкерных зацепов. На полученный стержень устанавливают ограничительную втулку с фланцем.

В качестве волокнистого материала могут быть использованы стекловолокно (ГОСТ 17139-79), углеродные волокна марок УКН-300 (ТУ 6-06-31-282-80), ВМН (ТУ 48-20-48-76) или УКН-5000 (ТУ 6-06-31372-82), а также органическое (арамидное) марки СВМ (ТУ 6-06-1153-78). В качестве связующего могут быть использованы эпоксидные (например ЭД-20 ГОСТ 10587-84) или полиэфирные смолы.

Способ изготовления арматурного элемента прост, базируется на доступном сырье, не требует специального аппаратурного оформления и может быть осуществлен на любом производстве стеклопластиковых изделий. Исключение операции механического утонения стержня для изготовления анкерных зацепов сохраняет поверхностный слой материала, чем также обеспечивается повышенная несущая способность и щелочестойкость готового арматурного элемента.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленных арматурного элемента и способа его получения, отсутствуют. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует критерию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в области строительства и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками каждого выявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Заявителем не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками каждого из заявленных изобретений преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Изобретение иллюстрируется следующим примером конкретного выполнения.

Пример.

Для изготовления арматурного элемента длиной 200 мм, диаметром несущего стержня -7 мм с анкерными зацепами длиной 36 мм в виде конических утолщений круглого сечения, составляющим 33% длины анкерного зацепа (12 см) стекловолокно (ГОСТ 17139-79) со шпулярника собирают в ленту и направляют в пропиточную ванну с полимерным связующим ТУ 84-415-56-82 на основе эпоксидной смолы ЭД-20 (ГОСТ 10587-84), нагретым до 45-50^o, где происходит пропитка волокна связующим. При выходе из ванны стекловолокно пропускают через два отжимных валка для удаления излишков связующего. Затем ленту равномерно распределяют прядями в двух, последовательно расположенных, кольцевых раскладчиках, между которыми расположен кольцевой нагреватель. Проходя через него, пряди стекловолокна нагреваются до 50-60^oC и окончательно пропитываются связующим.

При выходе из второго кольцевого раскладчика пряди стекловолокна проходят обжимную фильеру с диаметром 10,5 мм, в которой формируют пустотелую трубку с наружным диаметром 10,5 мм (величина максимального утолщения анкерного зацепа-7 мм•1,5 = 10,5 мм).

Для образования анкерного зацепа внутрь обжимной фильеры, где формируют пустотелую трубку через каждые 200 мм, толкателем подают закладной элемент из стеклопластика, по форме представляющий собой цилиндр с образующей 24 мм с двумя конусами при его основаниях с высотами по 24 мм и диаметром цилиндрического сечения 7,8 мм (длина сдвоенного закладного элемента равна двойной длине анкерного зацепа, а площадь сечения его рассчитывается как разница площадей сечений максимального утолщения анкерного зацепа и несущего стержня).

После выхода из обжимной фильеры производят укладку с натяжением кольцевых нитей, поступающих с вращающегося вокруг оси вертлюга - укладчика - при этом происходит окончательное обжатие до образования сплошного стержня диаметром 7 мм.

После выхода из вертлюга - укладчика стержень с образованными сдвоенными анкерными зацепами проходит через кольцевой нагреватель, где при температуре 150-160^o С происходит отверждение.

Подачу стержня по тракту производят тянущим механизмом, установленным после охладителя. При выходе из тянущего механизма стержень разрезают по середине сдвоенных анкерных зацепов и устанавливают на каждом ограничительную втулку с опорным фланцем.

Полученный данным способом арматурный элемент с анкерными зацепами в виде конических утолщений с последующими цилиндрическими участками и площадью сечения несущего стержня 38,4 мм (диаметр стержня 7 мм) испытывали на разрыв при одноосном растяжении. Разрушение арматурного элемента на границе с анкерным зацепом произошло при нагрузке в 29,9 кН (для сравнения, стержень по прототипу, площадь сечения которого 45,0 мм, в этих же условиях разрушился по границе с анкерным зацепом при нагрузке в 16,7 кН).

Для сравнения несущей способности заявляемого арматурного элемента по прототипу были изготовлены две трехслойных стеновых панели толщиной несущего слоя 150 мм, изоляционного слоя 150 мм и наружного слоя 50 мм.

В каждую стеновую панель через 400 мм были установлены арматурные элементы (по 1 шт.) под углом 45^o , в первую - заявляемые арматурные элементы (диаметр несущего стержня 7 мм, площадь сечения 38,4 мм, анкерные зацепы в виде конических утолщений круглого сечения), во вторую - арматурные элементы, выпускаемые фирмой "Composite Technologies Corporation" по патенту США N 4.829.733 (прототип) с площадью сечения несущего стержня 45,0 мм.

Каждая плита была установлена несущим слоем на опору, наружный слой свободно подвешен на арматурных элементах. Нагрузка прикладывалась по центру торцевой поверхности наружного слоя панели в вертикальной плоскости.

При нагрузке в 4,1 кН наблюдалось смещение наружного слоя первой панели с заявляемыми арматурными элементами на 1,38 мм, второй с арматурными элементами по прототипу на 1,6 мм.

Продолжали увеличивать нагрузку до полного разрушения наружного бетонного слоя стеновой панели. Первая панель с заявляемыми арматурными элементами разрушалась при нагрузке 28,43 кН, при этом арматурные элементы остались целыми - происходил "вырыв" их из бетона с остатками бетона на анкерных зацепах. Вторая панель с арматурными элементами по прототипу разрушалась при нагрузке 20,5 кН, при этом разрушался и арматурный элемент - происходил "отрыв" анкерного зацепа в месте утонения.

По результатам испытаний трехслойных стеновых конструкций можно сделать вывод, что заявляемый арматурный элемент обладает более высокой несущей способностью по сравнению с арматурным элементом по прототипу даже при меньшей площади сечения несущего стержня.

Таким образом, использование заявляемого арматурного элемента для армирования термоизоляционных конструкций позволяет достичь следующий технический результат:
- повысить несущую способность арматурного элемента и, как следствие, долговечность строительных конструкций;
- расширить область применения арматурного элемента за счет его использования не только в бетонных, но и в кирпичных стеновых конструкциях;
- способ получения арматурного элемента прост, технологичен, не требует разработки специальной аппаратуры и может быть налажен на любом имеющемся в большом количестве оборудовании и не требует дополнительных капитальных затрат.

Промышленная применимость.

Заявляемый арматурный элемент и способ его получения предназначен для использования в промышленности, а именно в строительстве.

Изобретение относится к строительству, к элементам, применяемым для армирования термоизоляционных стеновых конструкций. В арматурном элементе для армирования термоизоляционных стеновых конструкций анкерные зацепы выполнены в виде конических утолщений овального сечения с последующими участками постоянного или уменьшающегося сечения. Величина большой оси овального сечения возрастает от d до 1,5 d. Величина малой оси по крайней мере не менее d , где d - диаметр несущего стержня. Угол конического утолщения в плоскости большой оси составляет 3 - 10^o к оси несущего стержня, длина последующего участка с постоянным или уменьшающимся сечением составляет 15 - 20% длины анкерного зацепа. Опорный фланец втулки выполнен под углом 45 - 90^o к ее продольной оси. При изготовлении арматурного элемента на первом этапе протяжкой через обжимную фильеру из прядей стекловолокна, пропитанных полимерным связующим, формируют непрерывную трубку, наружный диаметр которой равен максимальному размеру конического утолщения анкерного зацепа, на входе в обжимную фильеру в формируемую трубку через расстояние, определяемое длиной несущего стержня арматурного элемента , помещают закладной элемент, определяющий форму сдвоенных анкерных зацепов последующего и предыдущего несущих стержней арматурного элемента. На втором этапе укладкой с натяжением кольцевых нитей трубке с закладными элементами придают форму сплошного стержня с чередующимися сдвоенными анкерными зацепами. Механичес - кую доводку осуществляют резкой отвержденного стержня по середине сдвоенных анкерных зацепов. Увеличивается несущая способность арматурного элемента, долговечность строительных конструкций, расширяется область его применения. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Арматурный элемент для армирования термоизоляционных стеновых конструкций, содержащий несущий стержень из высокопрочного композиционного материала с анкерными зацепами на концах и ограничительную втулку с опорным фланцем, установленную на центральной части несущего стержня, отличающийся тем, что несущий стержень выполнен цилиндрическим, анкерные зацепы выполнены в виде конических утолщений овального сечения с последующими участками постоянного или уменьшающегося сечения, причем величина большой оси овального сечения конического утолщения возрастает от d до 1,5d, а величина малой оси овального сечения по крайней мере не менее d, где d - диаметр несущего стержня, при этом угол конического утолщения в плоскости большой оси составляет 3 - 10^o к оси несущего стержня, длина последующего участка с постоянным или уменьшающимся сечением составляет 15 - 20% длины анкерного зацепа, опорный фланец ограничительной втулки выполнен под углом 45 - 90^o к ее продольной оси. 2. Арматурный элемент для армирования термоизоляционных стеновых конструкций по п.1, отличающийся тем, что ограничительная втулка с опорным фланцем выполнена разрезной по оси и установлена на несущем стержне с возможностью съема. 3. Способ изготовления арматурного элемента для армирования термоизоляционных стеновых конструкций путем формирования поперечного профиля несущего стержня из волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, отверждения, механической доводки для придания несущему стержню необходимой формы и установки на нем ограничительной втулки с опорным фланцем, отличающийся тем, что формирование поперечного профиля несущего стержня осуществляют непрерывно в два этапа, при этом на первом этапе протяжкой через обжимную фильеру из прядей стекловолокна, пропитанных полимерным связующим формируют непрерывную трубку, наружный диаметр которой равен максимальному размеру конического утолщения анкерного зацепа, причем на входе в обжимную фильеру в формируемую трубку через расстояние, определяемое длиной несущего стержня арматурного элемента, помещают закладной элемент, определяющий форму сдвоенных анкерных зацепов предыдущего и последующего несущих стержней арматурного элемента, на втором этапе укладкой с натяжением кольцевых нитей трубке с закладными элементами придают форму сплошного стержня с чередующимися сдвоенными анкерными зацепами, а механическую доводку осуществляют резкой отвержденного стержня по середине сдвоенных анкерных зацепов. 4. Способ изготовления арматурного элемента для армирования термоизоляционных стеновых конструкций по п.3, отличающийся тем, что закладной элемент изготавливают из материала, имеющего характеристики по механической прочности и термостойкости не ниже соответствующих характеристик полимерного материала стержня.