Инновационная пространственно полимерная решетка

Полезная модель относится к области строительства. Инновационная пространственно полимерная решетка (ИППР) предназначена для армирования строительных конструкций и укрепления слабых оснований промышленных и гражданских сооружений, а также откосов береговых линий и русел водоемов. ИППР может найти применение при сооружении аэродромов, дорожных одежд, при укреплении откосов, при сооружении подпорных стенок и в других вариантах использования в нефтегазовой, транспортной, гидротехнической отраслях строительства, где требуются высокие и стабильные показатели прочности и долговечности возводимых сооружений.

Пространственно полимерная решетка (ППР) с ячеистой структурой для стабилизации и закрепления грунтовой поверхности, соответствующая заявленному полезной модели, выполнена из гибких полос или лент из полиолефинов, преимущественно, из полиэтилена, расположенных в несколько рядов и соединенных между собой в шахматном порядке с возможностью образования при растяжении полос в направлении нормальном к их поверхности ячеистой конструкции. При этом полосы или ленты армированы в продольном направлении арамидными или углеродными нитями. ППР содержит дренажные отверстия, выполненные в форме вытянутых прямоугольников с полуокружностями на коротких сторонах, при соотношении коротких и длинных сторон, соответствующих коэффициенту К, где К=(0,05÷0,4).

Технический результат полезной модели заключается в повышении несущей способности и в стабильности геометрических параметров конструкции, в исключении деформации укрепляемых при помощи ППР грунтовых сооружений, а также в повышении прочности и увеличение срока службы возводимых сооружений. Увеличивается дренажная способность ППР.

Экономический результат полезной модели заключается в снижении стоимости пространственно полимерной решетки, приблизительно, на 20%.

Полезная модель относится к области строительства. Инновационная пространственно полимерная решетка предназначена для армирования строительных конструкций и укрепления слабых оснований промышленных и гражданских сооружений, а также откосов береговых линий и русел водоемов. Заявленная инновационная пространственно полимерная решетка может найти применение при сооружении аэродромов, дорожных одежд, при укреплении откосов, при сооружении подпорных стенок и во многих других вариантах использования в нефтегазовой, транспортной, гидротехнической отраслях строительства, где требуются высокие и стабильные показатели прочности и долговечности возводимых сооружений.

Из уровня техники известны различные устройства (см. патент RU 2129189, опубликованный 20.04.1999, патент RU 2358063, опубликованный 10.06.2009 и патент RU 2152480, опубликованный 10.07.2000) в которых для закрепления поверхностного слоя откоса используются пространственно-полимерные решетки (ППР), в частности, так называемые «георешетки». ППР изготавливают из гибких и прочных полимерных лент, нарезая ленты на мерные полосы и скрепляя их между собой в шахматном порядке поперечными швами, получают ячеистые структуры, способные закреплять и удерживать от смещения массы грунта, загруженные в ячейки. Материалом для изготовления указанных лент, как правило, служит полиэтилен различных марок. Ленты и полосы из полиэтилена являются гибкими, прочными, устойчивыми к воздействию неблагоприятных природных факторов. Однако полиэтилен относится к термопластичным материалам, поэтому при нагревании полиэтилена под нагрузкой, например, под действием солнечных лучей при одновременном воздействии давления грунта, происходит неупругое растяжение термопластичного полимера, которое приводит к деформации всей георешетки и соответствующему перемещению слоя грунта. На устранение указанного недостатка ППР, изготовленных, преимущественно, из полиэтилена направлено заявленное полезная модель.

Из уровня техники известно техническое решение, позволяющее частично преодолеть указанную проблему. На сайте компании PRS - Professional Reinforcement Solutions в 2009 были размещены сведения о геокомпозитном материале «NEOLOY», предназначенном для изготовления георешоток, типа: «NEOWEB». Данный тип георешеток выполнен из лент на основе полимерного материала, матрица которого изготовлена из полиолефинов (в том числе и из полиэтилена) и армирована нановолокнами, в частности, дискретными волокнами из полиэстера или из полиамида (см. http://www.prs-med.com/content.aspx?page=5).

Армирование полимерной матрицы дискретными волокнами увеличивает термическую стабильность материала, однако не полностью решает указанную выше проблему, поскольку дискретные армирующие нановолокна упрочняют матрицу локально. Отдельные волокна связаны между собой по длине материала только прочностью полимерной матрицы, которая сохраняет термопластичные свойства и остается подверженной неупругому растяжению в продольном направлении при смене температурных режимов эксплуатации под нагрузкой.

Известная конструкция решетки выбрана в качестве наиболее близкого аналога заявленной полезной модели.

Заявленная полезная модель направлена на решение задачи повышения прочности и стабильности геометрических параметров конструкции ППР при эксплуатации под нагрузкой и изменении температурных режимов. При этом технический результат модели заключается в повышении несущей способности и исключении деформации укрепляемых грунтовых сооружений, а также в повышении прочности и увеличении срока службы возводимых сооружений.

Другим техническим результатом модели является обеспечение стабильности геометрических параметров конструкции решетки, а также снижение ее стоимости.

Дополнительный технический результат заявленной полезной модели заключается в существенном увеличении дренажной способности заявленной ППР, поскольку армирование позволяет изменить форму и увеличить размер перфорации элементов решетки.

Кроме того заявленная инновационная ППP открывает возможность ее применения в новых областях, требующих повышенных показателей прочности и стабильности сооружений, например в балластном слое насыпи железных дорог, в аэродромных покрытиях, при строительстве защитных военных сооружений и т.д.

Для достижения технического результата предложена пространственно полимерная решетка с ячеистой структурой, предназначенная для стабилизации и закрепления грунтовой поверхности, которая выполнена из гибких полос или лент из полиолефинов, преимущественно, из полиэтилена, расположенных в несколько рядов и соединенных между собой в шахматном порядке по длине полос с возможностью образования при растяжении полос в направлении, нормальном к их поверхности, ячеистой конструкции. При этом полосы или ленты, образующие решетку, армированы, преимущественно, в продольном направлении арамидным или углеродным волокном, в частности, арамидными или углеродными нитями.

Направлением армирования является продольное направление по длине полос или лент, образующих ППР. Однако заявленное устройство предполагает возможность использования полос или лент, содержащих армирующую сетку. При этом поперечное направление не нуждается в армировании, и поперечные нити сетки выполняют вспомогательные функции обеспечения равномерности введения продольных армирующих нитей в полимерную основу. Поперечные нити, даже если они имеются в материале полос, перерезаются при формировании продольных дренажных отверстий, поэтому они не несут армирующей нагрузки.

Преимущество заявленной ППР перед георешетками, армированными дискретными волокнами, заключается в том, что введение в полимерный материал, а именно, в полиэтиленовую матрицу лент, непрерывных волокон в виде армирующих нитей позволяет полностью перенести нагрузку с материала матрицы на материал непрерывных сверхпрочных арамидных или углеродных нитей, обладающих очень высоким модулем упругости, что позволяет исключить неупругое растяжение полученной ППР под нагрузкой при смене температурных режимов эксплуатации.

Продольное армирование лент непрерывными арамидными или углеродными нитями позволяет в итоге снизить стоимость ППР, поскольку позволяет уменьшить толщину полимерной ленты и снизить расход полимера на ее изготовление. Экономический результат состоит в снижении стоимости ППР, приблизительно, на 20%.

При формировании ППР полосы были установлены на ребра и сварены и/или сшиты между собой в шахматном порядке по длине полос с возможностью образования при растягивании полос в направлении, нормальном к поверхности полос, ячеистой конструкции. При этом сварочные швы могут быть выполнены как под углом, так и вертикально по отношению к ребрам полос.

В предпочтительном варианте заявленная ППР содержит полосы или ленты на основе полиэтилена низкого давления при этом в качестве арамидных волокон для армирования полос или лент используются сверхвысокомодульные (СВМ) волокна, в частности волокна марки Кевлар.

В другом варианте при армировании решетки углеродными волокнами в качестве волокон или нитей для армирования полос и лент используются высокопрочные волокна или нити марки Карбон.

Пространственно полимерная решетка характеризуется тем, что расположенные в несколько рядов гибкие полосы или ленты, образующие решетку, соединены между собой сваркой, в частности термосваркой, при этом полученные сваркой швы дополнительно могут быть упрочнены армированием. Наиболее простым вариантом армирования шва, соединяющего соседние полосы между собой, является упрочнение их текстильным швом из любых полимерных нитей, предпочтительно из высокопрочных нитей, например из арамидных нитей. Текстильный шов может быть выполнен из углеродных нитей.

Наличие армирования настолько упрочняет полимерную основу георешетки, что позволяет изменить форму и увеличить дренажные отверстия.

Армирование позволяет также уменьшить толщину ленты, что приводит к экономии полимера и, как следствие, к уменьшению стоимости пространственно полимерной решетки, приблизительно, на 20%, при этом прочность и другие механические характеристики пространственно полимерной решетки сохраняются.

В соответствии с заявленной полезная моделью дренажные отверстия выполняются в форме вытянутых прямоугольников с полуокружностями на коротких сторонах, при соотношении коротких и длинных сторон, соответствующих коэффициенту К, где К=(0,05÷0,4).

В формуле указаны предельные значения коэффициента К, так при значении К=0,05 получается, практически, разрез, что вызывает появление нежелательной концентрации напряжений на концах разреза, а степень перфорации в нерастянутом виде будет менее 1%, чего недостаточно для дренажных функций.

При значении коэффициента К=1 форма отверстия соответствует кругу и при этом не возникает желаемого эффекта отклонения сторон прямоугольников в разные стороны. Указанный эффект может возникнуть только при их большой вытянутости дренажного отверстия, т.е. при значении К менее 0,4.

Эмпирическим путем установлено, что соотношение коротких и длинных сторон дренажного отверстия, предпочтительно, соответствует К=(0,13÷0.23).

Пространственно полимерная решетка может содержать дренажные отверстия, расположенные рядами, причем в одном ряду длинные стороны прямоугольников расположены параллельно к длинной стороне полосы или ленты. При этом дренажные отверстия соседних рядов размещены друг под другом с образованием столбцов. Таким образом, дренажная структура решетки оптимально формируется, когда дренажные отверстия размещены группами, состоящими из одинакового количества строк (рядов) и столбцов.

Заявленная ППР характеризуется тем, что в растянутом состоянии, когда ячейки засыпаны грунтом, длинные стороны дренажных отверстий из-за неравномерности давления щебня на стенки получают возможность отклоняться в разные стороны от поверхности полосы или ленты, увеличивая тем самым площадь отверстий и дренажную способность решетки до 2-х раз, одновременно противодействуя перемещению решетки в направлении перпендикулярном к поверхности грунта.

Пространственно полимерная решетка, соответствующая заявленной полезной модели, имеет преимущество перед георешеткой-прототипом, поскольку она армирована в продольном направлении не дискретными, а непрерывными арамидными или углеродными волокнами или нитями (шаг армирования составляет 1-5 мм).

В соответствии с заявленной полезной моделью армирующие волокна или нити могут быть введены в состав полимерных лент различными методами.

В том случае, если армирующие волокна или нити введены в полиэтиленовые полосы или ленты заявленной решетки в виде сетки, то в качестве основы сетки располагают армирующие нити, предназначенные для продольного армирования полосы или ленты, а в качестве утка сетки располагают вспомогательные нити, устанавливающие шаг армирования.

Наиболее предпочтительным вариантом осуществления заявленной полезной модели является изготовление пространственно полимерной решетки с ячеистой структурой для стабилизации и закрепления грунтовой поверхности, выполненной из гибких полос, преимущественно, из полиэтилена низкого давления, армированных в продольном направлении арамидными или углеродными нитями, при следующем соотношении компонентов в масс.%:

Арамидная или углеродная нить 0,2-3,

Полиэтилен низкого давления - остальное.

Полезная модель иллюстрируется фигурами 1-6 и примерами.

На фиг.1 изображен фрагмент ленты, предназначенной для изготовления заявленной ППР.

На фиг.2 показано поперечное сечение ленты, показанной на фиг.1 для варианта с односторонним размещением армирующих нитей.

На фиг.3 показан в увеличенном масштабе фрагмент поперечного сечения заявленной ленты, приведенного на фигуре 2.

На фиг.4 показано поперечное сечение ленты для варианта с двухсторонним размещением армирующих нитей.

На фиг.5 показан в увеличенном масштабе фрагмент поперечного сечения заявленной ленты, приведенного на фигуре 4.

На фиг.6 показана заявленная инновационная пространственно полимерная решетка

На фигуре 1 показан предпочтительный вариант изготовления полимерной ленты 1, содержащей армирование и дренажные отверстия, предназначенной для изготовления заявленной ППР. Гибкая полимерная лента 1, предназначенная для производства ППР, содержит в продольном направлении армирующие нити 2, например, арамидные нити или нити из углеродных волокон. При этом полимерная лента изготовлена перфорированной, имеет толщину 1-2 мм, а также имеет текстуру на внешней поверхности, которая характеризуется наличием выступов 3 высотой 0,2-0,4 мм. Полимерная лента 1 для изготовления заявленной ППР содержит матрицу на основе полиэтилена 4. Указанная полиэтиленовая матрица 4 армирована в продольном направлении, например, арамидной нитью 2 с шагом армирования h, при этом h=1÷5 мм.

Полимерная лента 1 содержит сквозные дренажные отверстия 5 (перфорацию), которые расположены между армирующими нитями 2 и выполнены продолговатой формы, вытянутой вдоль направления армирования. То есть, дренажные отверстия 5 выполнены в форме вытянутых прямоугольников с полуокружностями радиуса R на коротких сторонах, при этом высота прямоугольника составляет величину 2R. Указанные отверстия 5 ориентированы длинными сторонами L параллельно краям ленты и армирующим нитям 2.

Как показано на фигурах 2-3 армирующие нити 2 могут быть расположены вблизи одной боковой поверхности ленты, и размещены предпочтительно, в углублениях между соседними текстурными выступами 3. В другом варианте, показанном на фигурах 4-5, армирующие нити 2 расположены вблизи обеих боковых поверхностей ленты, и также размещены в углублениях между текстурными выступами 3.

На фигуре 6 показан общий вид растянутой ППР в аксонометрической проекции. Ленты 1, образующие ППР, поставлены на ребра и соединены между собой швами 6, повышенной прочности.

Пример 1. Изготовили пространственно полимерную решетку (ППР) с ячеистой структурой, предназначенную для стабилизации и закрепления грунтовой поверхности, которую выполнили из гибких полос согласно заявленному полезной модели. Ленту армировали в продольном направлении арамидной нитью диаметром 0,05 мм при следующем соотношении компонентов (в масс.%): арамидная СВМ нить 0,2 масс.%, полиэтилен низкого давления - остальное. Полимерная лента была изготовлена толщиной 1,27 мм. Лента имела текстуру на внешней поверхности при высоте выступов 0,3 мм. Армированную ленту изготовили по экструзионной технологии, при этом армирующую нить заправляли в расплавленную массу полиэтилена низкого давления сразу после выхода ленты из экструзионной головки и перед входом ленты в первую пару формующих валков. Шаг армирования был выбран 5 мм. Задавали шаг армирования при помощи металлической гребенки, через которую пропускали нити перед вводом в полимерную ленту.

Дренажные отверстия были выполнены в форме вытянутых прямоугольников длиной L=20 мм (длина прямоугольника) с полуокружностями на коротких сторонах при R=1,5 мм, при соотношении коротких и длинных сторон, соответствующих коэффициенту К.

В этом случае K=2·R/(L+2·R)=2·1.5/(20+2·1,5)=0,13, а степень перфорации составляет 6%. Полученную ленту порезали на мерные полосы для изготовления ППР заданного размера.

При формировании ППР полосы были установлены на ребра и сварены между собой при помощи термосварки в шахматном порядке по длине полос с возможностью образования при растягивании полос в направлении, нормальном к поверхности полос, ячеистой конструкции. При этом сварочные швы выполнены вертикально по отношению к ребрам полос.

Испытание ППР показала повышение всех показателей прочности по сравнению с прототипом. Долгосрочные испытания заявленной ППР показали высокий уровень прочности сварного шва. Испытания проводились путем подвешивания образцов ППР из заявленного материала под нагрузкой 72 кг на срок 30 суток. При проведении указанного испытания все образцы провисели под грузом без разрушения указанный срок 30 суток. Таким образом, ППР, соответствующая заявленному полезной модели, выдерживает нормативное долгосрочное испытание на прочность сварного шва.

Кроме того, ленты, из которых была изготовлена ППР, показали упругий разрыв, практически, без удлинения.

Полученные при испытаниях данные подтверждают, что достигается технический результат заявленного полезной модели по повышению прочности и стабильности геометрических параметров конструкции ППР, поскольку армированные полимерные ленты не деформируются в грунте под действием перепадов температур под нагрузкой.

Пример 2. Изготовили пространственно полимерную решетку (ППР) аналогично примеру 1. ППР изготовили с ячеистой структурой, выполненной из гибких лент, армированных в продольном направлении арамидной нитью диаметром 0,2 мм при следующем соотношении компонентов (в масс.%): арамидная СВМ нить 3,0 масс.%, полиэтилен низкого давления - остальное. Полимерная лента изготовлена перфорированной, при этом она имеет толщину 1,8 мм, а также имеет текстуру на внешней поверхности, которая характеризуется наличием выступов высотой 0,4 мм. Ленту изготовили по экструзионной технологии, при этом армирующую нить заправляли в расплавленную массу полиэтилена низкого давления после выхода ленты из экструзионной головки перед входом ленты в первую пару формующих валков. Шаг армирования был выбран 2 мм. Задавали шаг армирования при помощи предварительно изготовленной сетки, которую ввели в полимерную ленту. Для этого армирующие арамидные нити расположили в качестве основы сетки, а в качестве утка использовали вспомогательную капроновую, полиэтиленовую или полиэфирную нить, только чтобы обеспечить заданный шаг армирования.

Дренажные отверстия были выполнены в форме вытянутых прямоугольников длиной L=20 мм (длина прямоугольника) с полуокружностями на коротких сторонах при R=3 мм.

В этом случае K=2·R/(L+2·R)=2·3/(20+2·3)=0,23, а степень перфорации составила 12,6%.

Полученную ленту порезали на мерные полосы для изготовления ППР заданного размера. При формировании ППР полосы были установлены на ребра и сначала сварены при помощи ультразвуковой сварки, а затем дополнительно сшиты арамидной нитью между собой по линиям сварных швов (в другом варианте сварной и текстильный шов располагали параллельно на расстоянии 5 мм) в шахматном порядке с возможностью образования при растягивании полос в направлении, нормальном к поверхности полос, ячеистой конструкции. При этом швы выполнены под углом по отношению к ребрам полос.

Испытания, проведенные как в примере 1, показали, что ППР с армированными швами имеет еще более высокую длительную прочность в сравнении с прототипом.

1. Пространственно полимерная решетка с ячеистой структурой для стабилизации и закрепления грунтовой поверхности, выполненная из гибких полос или лент из полиолефинов, преимущественно из полиэтилена, расположенных в несколько рядов и соединенных между собой в шахматном порядке с возможностью образования при растяжении в направлении, нормальном к их поверхности, ячеистой конструкции, отличающаяся тем, что полосы или ленты армированы преимущественно в продольном направлении арамидным или углеродным волокном, в частности арамидными или угреродными нитями.

2. Пространственно полимерная решетка по п.1, отличающаяся тем, что полосы или ленты для образования решетки выполнены из полиэтилена низкого давления.

3. Пространственно полимерная решетка по п.1, отличающаяся тем, что она армирована в продольном направлении непрерывными арамидными или углеродными волокнами или нитями с шагом армирования 1-5 мм.

4. Пространственно полимерная решетка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве арамидных нитей для армирования полос или лент используются сверхвысокомодульные (СВМ) нити, в частности нити марки Кевлар.

5. Пространственно полимерная решетка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве углеродных волокон или нитей для армирования полос или лент используются высокопрочные волокна или нити марки Карбон.

6. Пространственно полимерная решетка по п.1, отличающаяся тем, что расположенные в несколько рядов гибкие полосы или ленты, образующие решетку, соединены между собой сваркой.

7. Пространственно полимерная решетка по п.6, отличающаяся тем, что полученные сваркой швы дополнительно упрочняются армированием.

8. Пространственно полимерная решетка по п.7, отличающаяся тем, что полученные сваркой швы упрочняются текстильным швом.

9. Пространственно полимерная решетка по п.8, отличающаяся тем, что текстильные швы выполнены при помощи арамидных или углеродных нитей.

10. Пространственно полимерная решетка по п.1, отличающаяся тем, что полосы или ленты, образующие решетку, снабжены дренажными отверстиями.

11. Пространственно полимерная решетка по п.10, отличающаяся тем, что дренажные отверстия выполнены в форме вытянутых прямоугольников с полуокружностями на коротких сторонах, при соотношении коротких и длинных сторон, соответствующих коэффициенту К, где К=(0,05÷0,4).

12. Пространственно полимерная решетка по п.11, отличающаяся тем, что соотношение коротких и длинных сторон дренажного отверстия преимущественно соответствует К=(0,13÷0,23).

13. Пространственно полимерная решетка по п.10, отличающаяся тем, что дренажные отверстия расположены рядами, причем в одном ряду длинные стороны прямоугольников расположены параллельно к длинной стороне полосы или ленты.

14. Пространственно полимерная решетка по п.10, отличающаяся тем, что дренажные отверстия соседних рядов размещены друг под другом с образованием столбцов.

15. Пространственно полимерная решетка по п.10, отличающаяся тем, что дренажные отверстия размещены группами, состоящими из одинакового количества строк (рядов) и столбцов.

16. Пространственно полимерная решетка по п.10, отличающаяся тем, что в растянутом и засыпанном состоянии длинные стороны дренажных отверстий выполнены с возможностью отклоняться в разные стороны от поверхности полосы или ленты, увеличивая тем самым площадь отверстий и их дренажную способность.

17. Пространственно полимерная решетка по п.1, отличающаяся тем, что она армирована в продольном направлении непрерывными арамидными или углеродными волокнами или нитями с шагом армирования 1-5 мм.

18. Пространственно полимерная решетка по п.1, отличающаяся тем, что армирующие волокна или нити введены в полиэтиленовые полосы или ленты в виде сетки, в которой в качестве основы расположены армирующие нити, предназначенные для продольного армирования, а в качестве утка расположены вспомогательные полимерные нити, устанавливающие шаг армирования.

19. Пространственно полимерная решетка по п.1, отличающаяся тем, что полосы армированы в продольном направлении арамидными или углеродными нитями при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Арамидная или углеродная нить 0,2-3

Полиэтилен низкого давления Остальное