КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТАЛЛОВОЛОКОННЫЙ КАНАТ Российский патент 2024 года по МПК E04C5/07 

Изобретение относится к строительству, конкретно к изготовлению арматурных изделий для армирования бетонных конструкций.

Известна стеклокомпозитная арматура для армирования бетонных конструкций (В.С.Плевков и др.Прочность и трещиностойкость изгибаемых элементов с преднапряженной стеклокомпозитной арматурой. Томск, ТГАСУ, 2021). Арматура состоит из пучка стекловолокон, пропитанных связующим, обычно, эпоксидной смолой. Арматура обладает высокой прочностью на растяжение.

Недостатки композитной арматуры - низкий модуль упругости на растяжение и низкая предельная деформация при разрыве (не более 2%).

Известна «гибридная» композитная арматура для армированных бетонных изделий, состоящая из смеси стеклянных и углеродных волокон, пропитанных полимерным связующим (Патент RU №2612374 Гибридная композитная арматура. Опубликовано: 09.03.2017 Бюл.№ 7). Углеродные волокна вводятся для повышения модуля упругости на растяжение с целью большей совместимости арматуры и бетонной матрицы в изделиях, причем объемное содержание связующего 13-17%, углеродных волокон -3-15% от объема композитного стержня, причем углеродные волокна равномерно расположены по контуру сечения на расстоянии от края 2-3 мм. Модуль упругости гибридной арматуры повышается пропорционально количеству высокомодульных углеродных волокон, вводимых в состав смеси.

Недостаток гибридной композитной арматуры - низкая предельная деформация при разрыве (не более 2%). Повышенная хрупкость объясняется аналогичными свойствами стеклянных и углеродных волокон.

Известны арматурные канаты, состоящие из низкомодульного стеклопластикового сердечника и внешней навивки из металлической проволоки (Патент RU № 2569650 Арматурный канат. Опубликовано: 27.11.2015 Бюл. № 33). Арматурный канат, содержащий сердечник и свитые в продольном направлении и навитые на сердечник проволочные пряди, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде пучка из отдельных прямолинейных стержней из низкомодульного высокопрочного композитного материала.

Недостатки известного арматурного каната: низкая прочность (по сравнению с цельным стеклокомпозитным или стальным канатом), так как не удается организовать совместную работу на растяжение разнодлинных элементов - прямолинейных из стеклопластика и спиральных из металлической проволоки.

Известна металлостеклопластиковая арматура, состоящая из композитного силового стержня и размещенного в центре сечения металлического сердечника (Патент RU №120984 Арматура композитная стеклометаллопластиковая. Опубликовано: 10.10.2012 Бюл. № 28). Арматура композитная металло-стеклопластиковая, содержит несущий стержень, у которого рельеф поверхности создан обмоточным жгутом, несущий стержень выполнен в виде «композитной матрицы», состоящей из стального сердечника и стеклопластиковых нитей, пропитанных связующим композитным веществом и нанесенных на стальной сердечник, обмоточный стеклопластиковый жгут при помощи многозаходной навивки навит на пропитанную эпоксидным компаундом внешнюю поверхность стержня.

Недостатком известного решения является низкая прочность (по сравнению с цельным стеклокомпозитным стержнем), так как стеклопластиковые композиты из однонаправленных волокон разрушаются при растяжении из-за продольных трещин, в результате образования которых происходит расслоение стержня в поперечном направлении, нарушая сцепление гладкого металлического сердечника и стеклопластикового материала.

В качестве прототипа предложенного изобретения, приняты волоконные арматурные канаты, состоящие из нескольких жгутов стеклянного, базальтового или углеродного ровинга, скрученных или свитых в один элемент (Патент RU №164110 Арматурный канат, Опубликовано: 20.08.2016, Бюл. № 23). Арматурный канат из непрерывных стекло- или базальтовых волокон толщиной 9 - 25 мкм, собранных в жгуты, скручен из 3-4х жгутов в 30 - 300 круток на погонный метр, а жгуты скручены в 20-200 круток на погонный метр в противоположном направлении крутки каната, с возможностью последующей пропитки его связующим и образования композитной арматуры. Свивка жгутов и каната в разных направлениях позволяет обеспечивать устойчивость сечения непропитанного каната от самопроизвольной расплетки. Таким образом, канат представляет собой полуфабрикат для изготовления полимерных композитных арматурных изделий любой формы, от прямолинейных стержней до спиралей, пружин, хомутов, связей, ломаной и криволинейной формы после пропитки и отвердевания связующего материала.

Недостатком известной конструкции каната, принятой за прототип предложенного изобретения, является низкий (по сравнению с арматурной сталью) модуль упругости на растяжение, снижающий трещиностойкость армируемых бетонных изделий, и повышенная хрупкость (предельные деформации на растяжение не превышают 2,5%).

Целью изобретения является устранение недостатков прототипа: повышение модуля упругости на растяжение, повышение трещиностойкости армируемых бетонных изделий за счет снижения хрупкости каната: - с одновременным использованием всех его положительных качеств.

Технической задачей изобретения является создание строительного изделия с улучшенными технологическими свойствами (гибкость, способность принимать любую форму) и повышенными показателями прочности и деформативности, а также с возможностью использования для изготовления композитных полимерных изделий для армирования обычных и преднапряженных бетонных конструкций.

Поставленная задача решается за счет того, что известный канат (Патент RU №164110 Арматурный канат, Опубликовано: 20.08.2016 Бюл. № 23), состоящий из нескольких скрученых жгутов волоконного ровинга или нитей, свитых в канат в противоположном от жгутов направлении дополнительно оснащается металлическим сердечником в виде одной или нескольких металлических проволок, стержня или гибкого канатика. Сердечник выполняется прямолинейным, а волоконные жгуты обвивают его с определенным шагом по длине. Канат может пропитываться полимерным или минеральным связующим и использоваться для армирования монолитных и сборных бетонных, гипсобетонных, полимербетонных, асфальтобетонных, серобетонных, грунтоцементных и др. конструкций (включая конструкции, выполненные из бетонов тяжелых, легких, ячеистых и пр.). Металлический сердечник может выполняться из различных сортов стали и сплавов цветных металлов, имеющих высокий модуль упругости на растяжение. Площадь сечения металлического сердечника может варьироваться от 2 до 25% от общей площади сечения каната, в зависимости от назначения армируемого изделия. Повышенный расход металла в сечении повышает модуль упругости арматуры на растяжение, в то время как повышенный расход минерального волокна повышает прочность на разрыв. Регулируя соотношение и геометрию укладки композита и металла в сечении, а также вид металла и волокна, можно получать материал с заданными свойствами в широком диапазоне задач.

Содержание изобретения поясняется на фиг. 1-4.

Фиг.1 показан внешний вид каната из трех жгутов и одной проволоки.

1 – канат

2 – металлический сердечник

3 – композитный жгут

Фиг.2 – сечение комбинированного металлостеклопластикового каната.

Фиг.3 – сечение комбинированного металлостеклопластикового каната из четырех жгутов и четырех плющеных проволок.

Фиг. 4 – график зависимости «нагрузка-деформация» для стеклопластикового арматурного каната в комбинации с металлической проволокой из низколегированной упрочняющейся стали.

Фиг. 2 и Фиг. 3 рассматриваются как пример использования.

Техническим результатом заявленного решения является создание строительного изделия с улучшенными технологическими свойствами (гибкость, способность принимать любую форму) и повышенными показателями прочности и деформативности, а также с возможностью использования для изготовления композитных полимерных изделий для армирования обычных и преднапряженных бетонных конструкций.

Осуществление изобретения.

Канат 1 может перерабатываться в арматурное изделие на оборудовании пултрузионного производства композитной арматуры дополнительно снабженного крутильно-намоточным станком. Вначале из пряди ровинга производят скручивание жгутов (3) с проектным числом круток на каждый метр длины с одновременной намоткой на катушки или барабаны. Затем скручивают канат (1) из нескольких жгутов (3) и сердечника (2), причем скрутку вокруг сердечника (2) выполняют в противоположную сторону от крутки жгутов. Этим обеспечивается устойчивость от расплетки волоконной части каната.

Комбинированный металловолоконный канат, свитый из по меньшей мере трех скрученных жгутов из стеклянного, базальтового, углеродного или синтетического волокна, отличающийся тем, что включает центральный прямолинейный металлический сердечник, вокруг которого навиты жгуты с расчетным шагом, причем скрутка вокруг сердечника выполнена в противоположную сторону от скрутки жгутов, площадь сечения металлического сердечника от 2 до 25% от общей площади сечения каната.

На следующей стадии канат (1) пропитывают связующим и термообрабатывают по известной пултрузионной технологии. Из каната могут изготавливать арматурные изделия, например, хомуты для свай прямоугольные, квадратные или круглой формы. Для этого пропитанные канаты наматывают на формы и термообрабатывают. Для пропитки армокаркасов или других изделий большого размера, не вмещающихся в линии изготовления арматуры, следует применять компаунды холодного отверждения. Многие полимерные смолы, обладающие повышенной вязкостью, плохо пропитывают готовые канаты. В этом случае целесообразно выполнять пропитку расплавом модифицированной серы, которая низковязкая и не требует термообработки.

Канат отличается тем, что сердечник выполнен из плющеной металлической проволоки, канат скручен в 5-40 скруток на один погонный метр, а каждый жгут – 10-60 скруток в противоположную сторону, пропитан полимерным или серным связующим.

Кроме того, канату перед термообработкой предана изогнутая форма.

Пример конструкции комбинированной металлокомпозитной канатной арматуры для армирования бетонного изделия.

Арматурный композитный канат (1) состоит из трех стекловолоконных жгутов (3) и стального сердечника (2). Жгуты пропитаны полимерным связующим. Рассмотрим поведение образцов арматуры из каната, если их подвергнуть растяжению на разрывной машине.

Образец – арматура стеклокомпозитная полимерная, круглого сечения, армированная по центру низкоуглеродистой проволокой. Механические свойства компонентов арматуры резко отличаются. Прочность стеклокомпозита на растяжение до трех раз выше прочности стали, при этом модуль упругости стали приблизительно в 4 раза выше, чем у стеклокомпозита. Стеклополимерный композит очень хрупкий, а сталь имеет ярко выраженную площадку текучести. На фиг. 4 показаны графики зависимости «нагрузка-деформация» для металлического стержня (кривая А-А), для стеклокомпозитного каната (кривая В-В) и для комбинированного элемента, состоящего из стеклокомпозитного каната с металлическим проволочным сердечником с соотношением 3:1 (стеклокомпозит: металл) (кривая С-С). Все образцы одинакового сечения.

В этом варианте, по мере роста растягивающей нагрузки удлинение металлостеклокомпозитного стержня подчиняется «правилу смеси», модуль упругости в начальном диапазоне нагрузки пропорционален объемному соотношению стеклокомпозита и стали в сечении стержня. При достижении определенного уровня напряжений (точка Е), такая сталь начинает «течь», но не разрушается. После этого вклад стальной проволоки в общее сопротивление некоторое время остается практически постоянным, сталь продолжает сопротивляться и воспринимать свою часть нагрузки до удлинения 10-15 %. При этом, сопротивление комбинированного каната продолжает оставаться близким к своему максимальному значению (точка D) до удлинения 7-8 %.

Таким образом, при превышении границы текучести металлического сердечника стержень продолжает работать с образованием пластических деформаций, не свойственных для «чистого» стеклокомпозита – материал приобретает свойство «псевдопластичности», т.е. со значительным увеличением предельной деформации при разрыве.

Эффект армирования бетонных конструкций такой сталью – исключение возможности хрупкого разрушения при превышении предельной деформации стеклокомпозита. При определенных сочетаниях (стеклокомпозит: металл) такая арматура может соответствовать требованиям, предъявляемым к арматуре для строительства в сейсмических районах, что отличает ее от обычной стеклокомпозитной арматуры (Свод правил СП 14.13330.2014 «СНиП II-7-81* Строительство в сейсмических районах.»)

Технологический эффект дополнительно заключается в том, что канату, армированному пластичной проволокой можно придавать любую сложную форму до или после пропитки связующим (до термообработки) и получать арматурные изделия сложной формы для бетонных конструкций.

Изобретение относится к изготовлению арматурных изделий для армирования бетонных конструкций. Заявлен комбинированный металловолоконный канат, свитый из по меньшей мере трех скрученных жгутов из стеклянного, базальтового, углеродного или синтетического волокна, при этом включает центральный прямолинейный металлический сердечник, вокруг которого навиты жгуты с расчетным шагом, причем скрутка вокруг сердечника выполнена в противоположную сторону от скрутки жгутов, площадь сечения металлического сердечника от 2 до 25% от общей площади сечения каната, что позволяет снизить хрупкость каната, который при изгибе может принимать любую форму и позволяет его использовать для изготовления композитных полимерных изделий для армирования обычных и преднапряженных бетонных конструкций. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Комбинированный металловолоконный канат, свитый из по меньшей мере трех скрученных жгутов из стеклянного, базальтового, углеродного или синтетического волокна, отличающийся тем, что включает центральный прямолинейный металлический сердечник, вокруг которого навиты жгуты с расчетным шагом, причем скрутка вокруг сердечника выполнена в противоположную сторону от скрутки жгутов, площадь сечения металлического сердечника от 2 до 25% от общей площади сечения каната.

2. Канат по п.1, отличающийся тем, что сердечник выполнен из плющеной металлической проволоки.

3. Канат по п. 1, отличающийся тем, что канат скручен в 5-40 скруток на один погонный метр, а каждый жгут – 10-60 скруток в противоположную сторону.

4. Канат по пп. 1-3, отличающийся тем, что канат пропитан полимерным или серным связующим.

5. Канат по п.4, отличающийся тем, что канату перед термообработкой придана изогнутая форма.