Аморфный стеклометаллический арматурный элемент для дисперсного армирования бетона Российский патент 2023 года по МПК E04C5/07 

Изобретение относится к арматурным элементам для дисперсного армирования бетонных, полимерных и других смесей и направлено на повышение прочности строительных конструкций и сооружений.

Известно несколько видов арматурных элементов из металлической проволоки или волокон (фибры), добавление которых в бетонные смеси приводит к упрочнению железобетонных изделий. Арматурный элемент для дисперсного армирования бетона (авторское свидетельство SU 1384688 А1, 1988) выполнен в виде отрезка стальной проволоки с периодически расположенными на поверхности выступами и впадинами. Арматурный элемент для дисперсного армирования бетона (патент РФ 2433227 С1,2010) представляет собой отрезок металлической проволоки с равномерно расположенными деформированными участками, образующими выступы и впадины.

Главным недостатком данных арматурных элементов является плохое сцепление матрицы бетона с гладкой металлической поверхностью армирующих элементов, что не обеспечивает достаточной прочности бетона. При этом наличие изначально деформированных участков металлической фибры способствует ее ускоренному коррозионному и механическому разрушению.

Известна фибра из стальной проволоки для армирования строительных изделий (патент РФ 52580 U1, 2010), включающая периодический нитевидный профиль в форме выступов и впадин с заданным шагом, отличающаяся тем, что длина фибры связана с шагом периодического нитевидного профиля фибры определенным соотношением. Временное сопротивление разрыву заявленной фибры из низкоуглеродистой стали составляет не менее 690 МПа, из высокоуглеродистой стали (омедненной или латунированной) - не менее 2200 МПа.

При достаточно высокой прочности фибры из омедненной или латунированной высокоуглеродистой стали основными ее недостатками являются высокая стоимость, сложный способ изготовления из проволочной заготовки, включающий подачу заготовки, плющение, профилирование и разделение на мерные отрезки посредством ультразвукового инструмента, а также комкование при введении в бетонную смесь, что приводит к неоднородности распределения фибры в бетонной матрице.

Арматурный элемент с высокими анкерующими свойствами для дисперсного армирования (патент РФ 2367749 С1, 2009) выполнен в виде отрезка металлической нити с протяженной прямолинейной средней частью, оканчивающейся с обеих сторон криволинейными полуволнообразными участками, отличающийся тем, что полуволнообразные участки на концах замкнуты на условную прямую, проходящую через среднюю часть или параллельно ей в плоскости, проходящей через среднюю часть арматурного элемента, и заканчиваются спрямленными расположенными к оси средней части арматурного элемента под углом 0±45° участками, при этом длина их составляет не менее 2/3 хорды полуволны.

Данная конструкция арматурного элемента обеспечивает ему хорошую анкеровку при вытаскивании из бетона, а радиусные сопряжения между криволинейными и прямолинейными участками устраняют концентрацию напряжений и разрыв в местах изгибов арматурного элемента по длине.

Главным недостатком таких арматурных элементов является их сложная геометрическая конфигурация. К тому же, вследствие криволинейности части участков фибры, они принимают на себя внешнюю нагрузку на бетон не одновременно с прямыми участками. Полное восприятие нагрузки волновой частью фибры происходит только после распрямления изогнутых участков. Недостаточная адгезия между бетоном и металлической нитью также снижает прочность армированного бетона.

Известна конструкция металлического волокна (фибры) для дисперсного армирования бетона (патент РФ 2278180 С2, 2020), где металлическое волокно выполнено из нержавеющей стали Х18Н10Т в виде плоского протяженного основания, снабжено, по меньшей мере, двумя анкерами и имеет сквозную перфорацию в интервале 5-43% от общей площади поверхности волокна. При этом анкера выполнены в виде кристаллитов металла, скрепленных с частью поверхности плоского протяженного основания, а плоское протяженное основание выполнено в виде вытянутого эллипсоида, причем внутренняя структура плоского протяженного основания имеет градиент фаз по всей толщине от аморфной у одной из ее поверхностей до микрокристаллической у противоположной ей поверхности.

Главным недостатком такой фибры является сложность ее изготовления. К тому же, из-за неоднородности фаз по толщине фибры ее механическая прочность ниже, чем в чисто аморфной структуре металла. При этом способ получения многофазных и геометрически сложных арматурных элементов, а также значения механической прочности фибры и прочности армированного бетона в патенте не приведены.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) может быть принята аморфная металлическая фибра для дисперсного армирования (патент РФ 99004 U1, 2010). Данная фибра выполнена из аморфного сплава в виде плоской тонкой ленты, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, на одной из поверхностей ленты сформирован микрорельеф в виде поперечных выступов и впадин, расположенных перпендикулярно под углом или под разными углами к продольной оси, либо в виде точечных выступов и углублений на поверхности, причем формирование указанного микрорельефа производится в процессе разливки расплава на охлаждаемый барабан, на поверхности которого предварительно сформирован поперечным шлифованием, нарезкой борозд, накаткой, химическим травлением или иным способом микрорельеф, обратный получаемому на фибре.

В качестве материала этой металлической фибры использован аморфный сплав на железной основе системы Fe-C-P-Si. Фибра изготовлена путем разливки на быстровращающийся медный барабан, на котором в целях формирования необходимого микрорельефа фибры были нанесены борозды глубиной 5 мкм путем поперечного шлифования материалом соответствующей зернистости. Лента изготовлена шириной 1 мм, длиной 25 мм и толщиной 30 мкм с поперечным микрорельефом глубиной 5 мкм.

При существующих преимуществах фибры - прототипа (высокой прочности аморфного материала, повышенного сцепления фибры и бетона за счет микрорельефа на ленте) она обладает и значительными недостатками:

1) недостаточной адгезией между металлом фибры и бетоном;

2) повышенным расходом аморфного материала;

3) сложной технологией изготовления аморфной ленты с микрорельефом;

4) сложностью равномерного замешивания и равномерного распределения в бетоне фибры в виде ленточных полосок.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение заключается в создании аморфного стеклометаллического арматурного элемента и использование его для дисперсного армирования бетона.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности бетонных армированных строительных конструкций и сооружений.

Технический результат достигается тем, что аморфный стеклометаллический арматурный элемент для дисперсного армирования бетона в виде отрезков микропровода выполнен, согласно изобретению, в виде микропровода из высокопрочного коррозионностойкого аморфного сплава системы Fe-Co-Ni в стеклянной оболочке, имеет внешний диаметр от 5 до 150 мкм и выполнен с постоянным или переменным по длине сечением, а длина отрезков микропровода находится в интервале от 3 до 50 мм.

Сущность изобретения заключается в следующем:

в качестве аморфных стеклометаллических арматурных элементов используются отрезки коррозионностойкого микропровода диаметром от 5 до 150 мкм из сплавов системы Fe-Co-Ni, в котором формируется аморфное состояние микропровода, обеспечивающее прочность до 3500 МПа.

Стеклянная оболочка микропровода из щелочестойкого стекла обеспечивает повышенное адгезионное сцепление с материалом матрицы (бетоном) по сравнению с гладкой поверхностью известных металлических проволочных или ленточных фибр. Заявляемый аморфный стеклометаллический арматурный элемент имеет повышенную адгезию и коррозионную стойкость, предотвращает выдергивание упрочняющих элементов из матрицы под нагрузкой и обеспечивает равномерное восприятие нагрузки в бетонной конструкции во всех направлениях.

Использование отрезков аморфного стеклометаллического арматурного элемента длиной от 3 до 50 мм обеспечивает равномерное распределение их в бетонных смесях.

Совокупность заявленных признаков, разнообразие длин и диаметров аморфных стеклометаллических элементов обеспечивает возможность повышения прочности армируемых изделий из бетона, полимеров и других смесей.

В качестве подтверждения практической реализуемости заявляемого технического решения были изготовлены и исследованы аморфные стеклометаллические арматурные элементы для дисперсного армирования, проведено равномерное замешивание этих элементов в бетоне, изготовлены опытные бетонные изделия и проведены испытания их механической прочности.

На Фиг. 1а представлен внешний вид установки ИМЕТ РАН для получения аморфного микропровода. На Фиг. 1б представлен внешний вид микропровода, полученного на данной установке методом Улитовского-Тейлора. Формирование стеклянной оболочки вокруг металлической жилы осуществлялось в процессе прохождения металлического прекурсора в трубке из стекла через индуктор и совместной вытяжки расплава металла и стекла с последующей закалкой в воде.

На Фиг. 2 представлено схематичное изображение аморфного стеклометаллического арматурного элемента в продольном (Фиг. 2а) и поперечном (Фиг. 2б) разрезах, где 1 - металлическая жила; 2 - стеклянная оболочка, d - диаметр металлического провода; D - внешний диаметр стеклянной оболочки; L - длина стеклометаллического арматурного элемента.

На Фиг. 3 представлен внешний вид аморфного стеклометаллического арматурного элемента из аморфного микропровода в стеклянной оболочке. Полученные аморфные стеклометаллические арматурные элементы с внешним диаметром D=17 мкм и длиной L=7 мм равномерно замешивались в бетон марки М500, из которого отливались опытные образцы. Испытания этих образцов на изгиб с растяжением проводили по ГОСТ 10180-2012.

На Фиг. 4 представлен график зависимости прочности при изгибе бетонных образцов от концентрации введенного аморфного стеклометаллического арматурного элемента. Результаты испытаний показали увеличение прочности бетонных образцов по сравнению с неармированными на 28-54% при содержании арматурных элементов от 0,5 до 3% по массе.

На Фиг. 5 представлены результаты томографии бетонного образца, армированного аморфными стеклометаллическими арматурными элементами, что иллюстрирует равномерное распределение данных арматурных элементов по объему образца.

Предлагаемые аморфные стеклометаллические арматурные элементы могут быть эффективно использованы для трехмерного упрочения, повышения стойкости армированного бетона к растрескиванию, изгибающим и разрывным нагрузкам, способствуют сохранению целостности конструкции при развитии трещин. Бетон, армированный отрезками аморфного микропровода в стеклянной оболочке из сплавов системы Fe-Co-Ni, обладающего ферромагнитными свойствами, имеет способность к экранированию электромагнитных волн широкого спектра частот, что можно использовать для защиты от различных радиоизлучений.

Изобретение относится к арматурным элементам для дисперсного армирования бетонных смесей. В качестве аморфных стеклометаллических арматурных элементов используют отрезки аморфного ферромагнитного коррозионно-стойкого микропровода из сплавов системы Fe-Co-Ni с прочностью до 3500 МПа, стеклянная оболочка которых обеспечивает повышенное адгезионное сцепление с материалом матрицы - бетоном. Технический результат - повышенная прочность, адгезия и коррозионная стойкость. Использование аморфных стеклометаллических арматурных элементов при дисперсном армировании бетона позволяет увеличить прочность бетонных конструкций на изгиб с растяжением на 28-54%. 5 ил.

Аморфный стеклометаллический арматурный элемент для дисперсного армирования бетона в виде отрезков микропровода, отличающийся тем, что микропровод выполнен из высокопрочного коррозионно-стойкого аморфного сплава системы Fe-Co-Ni в стеклянной оболочке, имеет внешний диаметр от 5 до 150 мкм и выполнен с постоянным или переменным по длине сечением, а длина отрезков микропровода находится в интервале от 3 до 50 мм.