Фибра для дисперсного армирования бетона Российский патент 2023 года по МПК E04C5/03 

Фибра для дисперсного армирования бетона относится к области строительства, в частности к искусственной фибре для армирования строительных изделий, преимущественно из бетона, и может быть использована в строительной индустрии для улучшения их эксплуатационных свойств.

Известен арматурный элемент, выполненный в виде отрезка металлической нити, используемый в бетоне в качестве армирующего элемента, (SU, №1707157, МПК Е04С 5/07, 1992 г.).

Однако указанный арматурный элемент обеспечивает сцепление только по внешней поверхности элемента, что снижает прочность структуры бетона, приводящей к снижению эффективности его использования.

Известна фибра, выполненная в виде отрезка с загибами - анкерами на конце (Ф.Н. Рабинович. Композиты на основе дисперсноармированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции: Монография. - М: Изд-во АСВ, 2004. С. 24-27).

Однако для известной фибры характерно недостаточное сцепление по ее поверхности, а также вокруг нее в объеме, что снижает структурную прочность бетонной матрицы, приводящей к снижению эффективности ее использования.

Известна фибра из стальной проволоки для армирования строительных изделий, включающая периодический нитевидный профиль в форме выступов и впадин с заданным шагом (BY, №1811, МПК: Е04С 5/00. Фибра из стальной проволоки для армирования строительных изделий, Опубликовано 2005).

Однако недостатком известной фибры является недостаточная жесткость, что проявляется при перемешивании смеси и может происходить ее деформирование и сцепление, а также комкование с другими фибрами, особенно при приготовлении жестких смесей в высокоскоростных смесителях, кроме того, низкая анкерующая способность, что снижает структурную прочность матрицы бетона и приводит к снижению эффективности ее использования.

Известен арматурный элемент, у которого полуволнообразные участки на концах замкнуты на условную прямую, проходящую через среднюю часть арматурного элемента, и заканчиваются спрямленным расположением к оси средней части арматурного элемента под углом 0±45° участками, при этом длина их составляет не менее 2/3 хорды полуволны (RU, №2367749, Е04С 5/00, 2009 г.).

Однако анкерные окончания фибры не надежно удерживают скрепленные участки матрицы, армируемого материала. Основной вид разрушения армируемых образцов анкерной фиброй и выдергивание фибры, приводящий к тому, что бетон будет иметь разные прочностные характеристики в разных направлениях, а также такая фибра работает только в одном направлении, что, в целом, снижает эффективность ее использования.

Известен также арматурный элемент в виде фибры, которая имеет форму многоугольника, состоящая из трех и более отрезков, переходящих один в другой через прямолинейный отрезок, выполняющий роль анкера для смежных отрезков. При этом концы проволоки, имеющей форму правильного многоугольника, могут быть соединены в петлевое соединение, а стороны многоугольника могут находиться в разных плоскостях (RU, №2667256, Е04С 5/01, 2018 г.).

Однако у известной фибры недостаточная жесткость конструкции при образовании ячейки в виде сложного многоугольника, что будет негативно проявляться при перемешивании смеси, т.к. может происходить ее деформирование и комкование с другими фибрами, а также сложность конструкции фибры и ее изготовления, что приводит к снижению эффективности ее использования.

Известна фибра для дисперсного армирования бетона, выполненная в виде отрезка нити с анкерами на концах. Отрезок нити состоит из двух ветвей, соединенных общим анкером, выполненный с возможностью изменения ориентации ветвей относительно общего анкера: в одном случае ветви фибры могут быть повернуты в плоскости х-у вокруг центра общего анкера относительно друг друга с углом поворота α=0°-90°, во втором случае ветви фибры могут иметь раскрытия относительно друг друга в плоскости х-z, причем угол раскрытия β=0°-90°, а в третьем случае ветви фибры могут быть совместно (одновременно) повернуты и раскрыты относительно друг друга в пространстве x-y-z, причем угол поворота α равен углу раскрытия β и составляет 0°-45° (RU, №2601705, МПК: Е04С 5/00, 2016 г.).

Однако у известной фибры недостаточная жесткость, что снижает эффективность ее использования.

Известна фибра для дисперсного армирования бетона, выполненная в виде отрезка нити с прямолинейной частью и анкеров, где весь отрезок нити выполнен прямолинейным, а анкеры выполнены в виде поперечных выпусков из той же нити, распределенных по всей длине отрезка нити равномерно, с образованием между ними открытых гнезд, причем отрезок может быть выполнен в виде двух нитей с поперечными выпусками-анкерами из той же нити с образованием между ними закрытых гнезд (RU, №2582254, МПК: Е04С 5/12, 2016 г.).

Однако у известной фибры недостаточная жесткость, а также отличается сложностью изготовления, что приводит к снижению эффективности ее использования.

Известна фибра в виде одиночных скрученных спиральных волокон с поверхностью периодического профиля (ManXu, BryanHallinan, KayWille (2016) Effectofloadingratesoncofhighstrengthsteelfibersembeddedinultrahighperformanceconcrete (UHPC) // CementandConcreteComposites, 2016, 70, 98-109. doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2016.03.014). MaH Сюй, Брайан Халлинан, Кей Уилл. Влияние скоростей нагружения на характеристики вырывания высокопрочных стальных волокон, внедренных в бетон сверхвысоких характеристик (UHPC) // Цементно-бетонные композиты, 2016, 70, 98-109. doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2016.03.014).

Однако у известной фибры низкая анкерующая способность и сцепление, в том числе недостаточное микроармирование вокруг нее в объеме, что снижает структурную прочность матрицы бетона. Помимо этого, известная фибра не обладает достаточной анкерующей способностью в качестве армирующего материала для успешного применения в динамически нагружаемых композитных материалах, что, в целом, приводит к снижению эффективности ее использования.

Наиболее близким техническим решением является фибра в виде отрезков из двух скрученных проволок (KR 1020060109230 А, 19.10.2006).

Однако известная фибра не обладает достаточной анкерующей способностью при действии повышенных нагрузок, в том числе динамических.

Задачей настоящего изобретения является создание фибры с улучшенными анкерующими способностями.

Техническим результатом данного изобретения является повышение структурной прочности бетона, жесткости и повышение объема микроармирования.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что фибра для дисперсного армирования бетона, выполненная в виде отрезков из двух скрученных проволок с образованием свободных концов, причем свободные концы образуют концевые анкеры каждого отрезка и выполнены разогнутыми относительно друг друга в форме ласточкиного хвоста. Кроме того, пары концевых анкеров повернуты относительно друг друга на 90°, а между двумя скрученными проволоками при их раздвижке образованы, по крайней мере, две ячейки. При этом ячейки, образованные двумя скрученными и раздвинутыми проволоками, повернуты относительно друг друга на 90°.

Исполнение фибры для дисперсного армирования бетона в виде отрезков из двух скрученных проволок с образованием свободных концов, причем свободные концы образуют концевые анкеры каждого отрезка и выполнены разогнутыми относительно друг друга в форме ласточкиного хвоста, позволяет, во-первых, повысить анкерующую способность фибры за счет образования 4-х анкеров вместо 2-х, а также за счет увеличения площади анкеровки при их создании в форме ласточкиного хвоста; во-вторых, повысить прочность фибры за счет повышения ее жесткости при скручивании из 2-х нитей, при этом появляется возможность использования более тонкой проволоки; в-третьих, повышается сцепление фибры с бетонной матрицей, а значит и прочность бетона, за счет увеличения площади поверхности периодического профиля фибры для 2-х скрученных проволок вместо одной, при этом в случае использования рифленой проволоки (ГОСТ 6727-80) общее сцепление повышается еще больше.

Исполнение фибры для дисперсного армирования бетона, у которой пары концевых анкеров - свободных концов скрученных проволок повернуты относительно друг друга на 90° - одна в горизонтальной плоскости - X, а другая в вертикальной плоскости - Y, позволяет анкерить фибру в двух плоскостях и, соответственно, повысить сопротивляемость сдвигу при ее работе под нагрузкой или в случае действия температурных деформаций, обеспечивая повышенную прочность и морозостойкость бетона в условиях промерзания и оттаивания.

Исполнение фибры для дисперсного армирования бетона, у которой концевой анкер одной пары скрученных проволок выполнен в виде петли, позволяет повысить площадь анкеровки и, соответственно, повысить прочность бетона, а, в целом, повысить эффективность работы заявленной фибры.

Исполнение фибры для дисперсного армирования бетона, у которой между двумя скрученными проволоками при их раздвижке образованы, по крайней мере, две ячейки, позволяет повысить анкерующую способность фибры за счет увеличения площади анкеровки, увеличивая площадь микроармирования, а, в целом, повысить прочность бетона.

Исполнение фибры для дисперсного армирования бетона, у которой ячейки, образованные двумя скрученными и раздвинутыми проволоками, повернуты относительно друг друга на 90° - одна в горизонтальной плоскости - X, а другая в вертикальной плоскости - Y, позволяет повысить прочность бетона за счет микроармирования бетонной матрицы вокруг фибры в большем объеме, что, в целом, повышает эффективность работы заявленной фибры.

Фибра для дисперсного армирования бетона поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена фибра, состоящей из двух скрученных проволок; на фиг. 2 - тоже с образованием двух ячеек; на фиг. 3 - представлен концевой анкер одной пары скрученных проволок в виде петли; на фиг. 4 - тоже с образованием двух ячеек, развернутые в двух плоскостях Х и Y.

На фиг. 1 - фиг. 4 обозначено: 1, 2 - скрученные проволоки; 3, 4, 5, 6 - анкеры; 7, 8 - ячейки; 9 - горизонтальная ячейка; 10 - вертикальная ячейка, в виде отрезков из двух скрученных проволок.

Фибра для дисперсного армирования бетона, выполнена в виде отрезков из двух скрученных проволок 1 и 2 с образованием свободных концов в виде четырех анкеров 3, 4, 5, 6, образующие четырех анкерную фибру, причем в каждой паре скрученных проволок свободные концы разогнуты относительно друг друга 3, 4 и 5, 6 в форме ласточкиного хвоста (фиг. 1). При этом пары свободных концов скрученных проволок 3, 4 и 5, 6 могут быть повернуты относительно друг друга на 90°с расположением в двух плоскостях X и Y.

Кроме этого, между двумя скрученными проволоками 1, 2 при их раздвижке могут быть образованы, по крайней мере, две ячейки 7, 8 (фиг. 2). Также концевой анкер одной пары скрученных проволок может быть выполнен в виде петли (фиг. 3). При этом ячейки 7, 8, образованные двумя скрученными и раздвинутыми проволоками, могут быть повернуты относительно друг друга на 90° с образованием горизонтальной ячейки 9 и вертикальной ячейки 10 с расположением в двух плоскостях X и Y (фиг. 4).

Сначала изготавливают фибру, для чего скручивают две стальные проволоки заданного диаметра, затем нарезают отрезки, соответствующие длине фибры, после чего разгибают концы - анкеры. Для более эффективной работы фибры в бетоне образуют ячейки, например две, для чего раздвигают две проволоки. При этом для повышения анкерующей способности фибры производят разворот двух пар анкеров и ячеек относительно друг друга в двух плоскостях, для чего можно использовать известное оборудование для производства канатов например (Электронный ресурс: Оборудование для плетения стального троса: metiz.com.tw) и скрепок (например, Электронный ресурс: Оборудование для производства канцелярских скоб и скрепок: wire-machinery, ru).

Изготовленная фибра повышенного сцепления и анкерующей способности используется для приготовления фибробетона согласно техническим нормам.

Работает фибра следующим образом.

При внесении в бетонную смесь фибры повышенного сцепления и анкерующей способности с перфорированной поверхностью четыре ее раздвинутых анкера, образующие на концах фибры форму ласточкиного хвоста, в комплексе повышают сопротивляемость сдвиговым деформациям и повышают общую прочность бетона. При этом за счет использования четырех анкеров, развернутых в двух плоскостях, последние создают более прочную монолитную структуру, которая позволяет воспринимать более высокие динамические нагрузки.

При исполнении фибры с ячейками часть смеси будет проникать внутрь ячеек, тем самым повышая сопротивляемость сдвиговым деформациям и повышая общую прочность бетона. За счет непосредственного сцепления фибры с цементной матрицы в ячейках часть общей нагрузки передается на большую площадь цементной матрицы, что обеспечивает возможность восприятия повышенной динамической нагрузки.

При приложении нагрузки к бетону, армированного фиброй, в нем развивается комплекс напряжений и деформаций, при этом часть нагрузки воспринимается четырьмя анкерами, а также двумя ячейками, распределяя часть нагрузки на бетонную матрицу. Соответственно каждый элемент фибры: анкеры, поверхность периодического профиля и ячейки будет воспринимать часть общей нагрузки. При этом по поверхности арматурного элемента будут более равномерно распределять напряжения и соответственно меньше возникать концентрации напряжений. Соответственно структура бетона будет работать по всему объему более равномерно, что обеспечит более долговечную работу бетонного изделия при воздействии повышенных нагрузок, особенно динамических нагрузок.

Пример реализации заявленного технического решения.

Сначала готовили бетонную смесь в соотношении - цемент: песок, как 1:3. Изготовленная вручную фибра вносилась в количестве 5% от объема смеси при водоцементном отношении В/Ц=0,54. Марка портландцемента - М500. Песок - кварцевый с модулем крупности М_к=2,5. Фибру изготавливали из двух отрезков стальной проволоки диаметром 0,7 мм и длиной 16 мм путем их скручивания, отгибания концов длиной 3 мм с получением анкеровки образования двух ячеек путем раздвижки проволок на 3 мм вручную, которые использовали затем для изготовления и испытания фибробетонных кубиков.

Приготовление бетонной смеси осуществляли вручную. Формование бетонных и фибробетонных кубиков размерами 100×100×100 мм осуществляли на виброплощадке с круговыми колебаниями.

Вибрирование выполняли в течение 30 секунд. Отформованные бетонные и фибробетонные кубики выдерживали 14 суток в нормальных условиях твердения, после чего их испытывали на прессе на сжатие. Прочность образцов на сжатие, содержащие фибру, повысилась на 17%. При осмотре испытанных фибробетонных кубиков не было выявлено разрывов фибры в месте ее разрушения, при этом бетонная матрица - цементно-песчаная смесь проникала сквозь ячейки фибры, что повышало сцепление и, соответственно, усиливало армирующий эффект. Это подтверждает осуществление поставленной задачи - создания фибры для дисперсного армирования бетона, с поверхностью повышенного сцепления и объема микроармирования, а также достижения технического результата - повышение прочности бетона, т.е. более эффективного использования фибры в бетоне - с возможностью ее работы в бетоне с восприятием повышенных как статических, так и динамических нагрузок.

Фибра для дисперсного армирования бетона была смоделирована и изготовлена в строительной лаборатории кафедры ПСК, а выполненные испытания доказали возможность ее эффективного использования в качестве армирующего элемента в производстве железобетонных изделий с повышенными прочностными свойствами.

Фибра для дисперсного армирования бетона относится к области строительства, в частности к искусственной фибре для армирования строительных изделий. Технический результат - повышение структурной прочности бетона, жесткости и повышение объема микроармирования. Фибра для дисперсного армирования бетона выполнена в виде отрезков из двух скрученных проволок с образованием свободных концов. Свободные концы образуют концевые анкеры и выполнены разогнутыми относительно друг друга в форме ласточкиного хвоста. Пары концевых анкеров могут быть повернуты относительно друг друга на 90°. Между двумя скрученными проволоками могут быть при их раздвижке образованы по крайней мере две ячейки, которые повернуты относительно друг друга на 90°. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Фибра для дисперсного армирования бетона, выполненная в виде отрезков из двух скрученных проволок с образованием свободных концов, отличающаяся тем, что свободные концы образуют концевые анкеры каждого отрезка и выполнены разогнутыми относительно друг друга в форме ласточкиного хвоста.

2. Фибра для дисперсного армирования бетона по п. 1, отличающаяся тем, что пары концевых анкеров повернуты относительно друг друга на 90°.

3. Фибра для дисперсного армирования бетона по п. 1, отличающаяся тем, что между двумя скрученными проволоками при их раздвижке образованы по крайней мере две ячейки.

4. Фибра для дисперсного армирования бетона по п. 3, отличающаяся тем, что ячейки, образованные двумя скрученными и раздвинутыми проволоками, повернуты относительно друг друга на 90°.