Арматурный стержень переменного сечения из композиционного материала

(57) Техническое решение относится к области строительства. Арматурный стержень переменного сечения из композиционного материала, включающий стекловолокно, волокна большей прочности и связующее, отличающийся тем, что основу стержня составляют продольно расположенные пучки стекловолокна, причем внутри массива из пучков стекловолокна, параллельно продольной оси стержня, радиально симметрично относительно этой оси, дискретно расположены пучки волокон с большей, по сравнению со стекловолокном, прочностью, предпочтительно волокна базальта, при этом пучки волокон с большей прочностью пропитаны и монолитно соединены с массивом пучков из стекловолокна отвержденным связующим. Техническим результатом является улучшение физико-механических качеств выпускаемой арматуры и возможность регулирования ее прочности на растяжение. 1 н.п. ф-лы, 21 з.п. ф-лы, 8 илл.

Техническое решение относится к области строительства, а именно к композитной арматуре для армирования строительных конструкций.

Из уровня техники известна композитная арматура для строительных конструкций стержень для армирования бетона, полученный из волокнистого ровинга, пропитанного связующим, отличающийся тем, что в качестве связующего содержит гибридное связующее, включающее полиизоцианат и натриевое жидкое стекло с модулем 2-5 (RU 2286315 С1, С04В 26/16, 27.10.2006).

Также из уровня техники известен стержень для армирования бетона, содержащий волокнистый наполнитель, пропитанный полимерным связующим на основе эпоксидно-диановой смолы, отвердителя изометилтетрагидрофталевого ангидрида, ускорителя полимеризации УП-606/2, отличающийся тем, что полимерное связующее дополнительно содержит продукт взаимодействия эпоксидной алифатической смолы ТЭГ-1 с уретановым каучуком. RU 2381905C2, В32В 17/04, 20.02.2010.

Наиболеее близким аналогом к заявленному техническому решения является арматурный элемент, содержащий стержень, образованный из полимерного связующего и ориентированных вдоль оси стержня нитей из прочного низкомодульного материала с анкерными зацепами по концам в виде утолщений, отличающийся тем, что утолщения анкерных зацепов выполнены обмоткой жгутом из того же материала, что и стержень. RU 82244U1, Е04С 5/07, 20.04.2009.

Недостатками указанных технических решений является недостаточная стойкость связующего и невозможность регулирования прочности арматуры.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является улучшение качества выпускаемой арматуры.

Техническим результатом является улучшение физико-механических качеств выпускаемой арматуры и возможность регулирования ее прочности на растяжение.

Поставленная задача решается за счет того, что согласно техническому решению, арматурный стержень переменного сечения из композиционного материала, включающий стекловолокно, волокна большей прочности и связующее, отличающийся тем, что основу стержня составляют продольно расположенные пучки стекловолокна, причем внутри массива из пучков стекловолокна, параллельно продольной оси стержня, радиально симметрично относительно этой оси, дискретно расположены пучки волокон с большей, по сравнению со стекловолокном, прочностью, предпочтительно волокна базальта, при этом пучки волокон с большей прочностью пропитаны и монолитно соединены с массивом пучков из стекловолокна отвержденным связующим.

Волокна большей прочности могут состоять из базальта и/или амфиболитов и/или базанитов и/или и/или габродиабазов.

Волокна большей прочности могут быть расположены внутри стекловолокон пучками ровинга, причем ровинги расположены по окружности, т.е. центры их лежат на одной окружности, при этом соседние пучки ровинга соприкасаются и монолитно соединены между собой, образуя в поперечном сечении окружность или концентрические окружности каркас подобный цилиндрической оболочке.

Предпочтительно, что прочность стержня на растяжение растет в линейной зависимости от процентного содержания базальтового волокна внутри стекловолокна.

Пучки волокон большей прочности могут состоять из базальтовых и/или углеродных и/или пара-арамидных и/или полиамидных волокон.

Арматурный стержень может дополнительно включать сердечник, выполненный из, по крайней мере, одного пучка волокон с большей, по сравнению со стекловолокном, прочностью и состоит из продольно расположенных базальтовых и/или углеродных и/или пара-арамидных и/или полиамидных волокон.

Связующее может включать полимерную основу и равномерно распределенный в ней наполнитель.

Предпочтительно что, что наполнителем является дисперсный, предпочтительно, мелкодисперсный и/или нанодисперсный порошковый наполнитель.

Преимущественно, что наполнитель образует пространственную матрицу внутри связующего стрежня.

Порошковым наполнителем может являеться технический углерод и/или углеродосодержащий продукт или материал, например, измельченные сажа или графит, уголь, продукты горения.

Размер частиц, углерода, введенных в связующее, предпочтительно, составляет от 20 до 70 нм.

Порошковым наполнителем может являться полимер, предпочтительно, полиолефин, например, полиэтилен и/или полипропилен, либо поликарбонат и/или полистирол.

Порошковым наполнителем могут являться микрошарики или микросферы, например, стеклянные, алюмосиликатные или пластиковые с размером фракций от 5 до 1000 мкм.

Порошковым наполнителем может являться цемент и/или микроцемент - измельченный микродисперсный цемент с размером фракции от 0,5 до 15 мкм.

Наполнителем может являться рубленное и/или измельченное, предпочтительно, мелкодисперсное и/или нанодисперсное волокно, например, стекловолокно, базальтовое, асбестовое или углеродное волокно.

Предпочтительно, что дисперсный наполнитель включает наноночастицы углерода, либо полностью состоит из наноночастиц углерода.

Дисперсным наполнителем может являться диоксид кремния или аэросил, предпочтительно, нанодисперсный с размером фраций от 15 до 200 нм.

Дисперсным наполнителем может являться мелкодисперсный металлический порошок или оксид титана алюмосиликат, например, мелкодисперсный слюдяной порошок.

Дисперсным наполнителем может являться керамический порошок, например, порошок нитрида кремния с размером фракций 0,02-15 мкм, предпочтительно, с размером фракции около 1 мкм.

Дисперсным наполнителем может являться нанокремнезем и/или наносиликат и/или цеолит.

Предпочтительно, что основа содержит до 30% равномерно распределенного по ее объему наполнителя, который, предпочтительно, содержит не менее 1% наночастиц.

На фиг.1 изображен арматурный стержень (вид сбоку)

На фиг.2-7 поперечные разрезы стержней

На фиг.8 изображен график линейной зависимости предела прочности на растяжение в зависимости от содержания базальтовых волокон внутри стекловолокон (зависимость прочности от процентного содержания).

Арматурный стержень 1 переменного сечения из композиционного материала, включающий стекловолокно 2, волокна большей прочности и связующее, отличающийся тем, что основу стержня составляют продольно расположенные пучки стекловолокна, причем внутри массива из пучков стекловолокна, параллельно продольной оси 3 стержня, радиально симметрично относительно этой оси, дискретно расположены пучки волокон 4 с большей, по сравнению со стекловолокном, прочностью, предпочтительно волокна базальта, при этом пучки 4 волокон с большей прочностью пропитаны и монолитно соединены с массивом пучков из стекловолокна отвержденным связующим (фиг.2).

С внешней стороны расположены стекловолокна, внутри которых равномерно распределены волокна с большей прочностью.

Волокна большей прочности состоят из базальта, например, из смеси базальта и/или амфиболитов базанитов и/или габродиабазов с диметром волокон 0,5-12 мкм.

Волокна большей прочности расположены внутри стекловолокон пучками продольного ровинга, причем ровинги расположены по окружности (в поперечном разрезе фиг.2-7), т.е. их условные центры их лежат на одной окружности, при этом соседние пучки ровинга соприкасаются и монолитно соединены между собой, образуя в поперечном сечении окружность 5 (кольцо, фиг.4) или концентрические окружности (условно не показаны) создавая, таким образом, пространственный каркас подобный цилиндрической оболочке внутри стекловолокона стержня. Также, аналогичным образом, т.е. в непосредственном контакте друг с другом (с соседними пучками) возможно радиальное расположение волокон (фиг.5)

Прочность стержня на растяжение растет в линейной зависимости от процентного содержания базальтового волокна внутри стекловолокна (см. график на (фиг.8).

Внутри стекловолокна могут быть расположены пучки волокон 4 большей прочности, которые состоят из углеродных или пара-арамидных или полиамидных волокон или базальтовых волокон, либо из их смеси, составленной в ровинг.

Арматурный стержень дополнительно включает сердечник 6, выполненный из, по крайней мере, одного пучка волокон с большей, по сравнению со стекловолокном, прочностью и состоит из продольно расположенных базальтовых и/или углеродных и/или пара-арамидных и/или полиамидных волокон.

Связующее является полимерным связующим, предпочтительно, эпоксидной и/или винилэфирной и/или полиэфирной смолой или их смеси. Предпочтительно, использование эпоксидных смол.

Связующее для повышения физико-механических качеств арматуры и снижения затрат может включать полимерную основу и равномерно распределенный в ней наполнитель 7.

В предпочтительном случае наполнителем является дисперсным, предпочтительно, мелкодисперсный и/или нанодисперсный порошковый наполнитель измельченный до микро - или наноразмеров.

Обволакиваемые связующим частицы наполнителя, в предпочтительном случае соприкасаясь между собой, образует пространственную матрицу внутри связующего стрежня. В зависимости от наполнителя они могут упрочнять матрицу посредством образования связей на молекулярном случае, что касается наполнителя из полиолефиновой крошки, чему способствует процесс нагревания стержня для отверждения связующего в виде смолы.

Порошковым наполнителем может являться технический углерод и/или углеродосодержащий продукт, либо аналогичный материал, например, измельченные сажа или графит, уголь, продукты горения, причем размер углерода, введенных в связующее, составляет от 20 до 70 нм, т.е. углерод или углеродосодержащие продукты состоят из наноночастиц углерода или полностью состоят из наноночастиц углерода.

Наполнителем может также является полимер, предпочтительно, полиолефин, например, полиэтилен и/или полипропилен, либо поликарбонат и/или полистирол. Полимер (измельченный пластик) введенный в связующее может быть измельчен до порошка или представлять собой тонкие мелкодисперсные волокна. Порошок предпочтительнее, т.к. постепенном введении в связующее он менее склонен к комкованию и более равномерно распределяется в объеме связующего.

Порошковым наполнителем могут являться микрошарики или микросферы, например, стеклянные, алюмосиликатные или пластиковые с размером фракций от 5 до 1000 мкм. Кроме того порошковым наполнителем может являться цемент, либо измельченный микродисперсный цемент с размером фракции от 0,5 до 15 мкм.

Также в качестве наполнителя в связующее может быть введено рубленное или измельченное, предпочтительно, мелкодисперсное и/или нанодисперсное волокно 8 (фиг.6), например, стекловолокно, базальтовое, асбестовое, углеродное волокно или их смесь. Мелкодисперсность или нанодисперсность волокна обусловлена необходимостью однородности смеси со связующим без отсутствия крупных комков и конгломератов измельченного волокна для изотропности свойств стержня. В случае использования в качестве наполнителя волокна получаемая матрица более устойчивая и конечная прочность стержня и другие характеристики, такие как трещиностойкость. Однако волокна более склонны к комкованию и производство в этом случае более трудоемко. По этой же причине желательно, чтобы размер волокон не превышал нескольких тысяч микрон.

Дисперсным наполнителем может также являться мелкодисперсный или нанодисперсный металлический порошок, предпочтительно, с размером фракций от 15 до 200 нам.

Также наполнителями могут быть такие оксиды как оксид титана алюмосиликат, например, мелкодисперсный слюдяной порошок, диоксид кремния (Аэросила).

Кроме того в качестве дисперсного наполнителя может быть использован керамический порошок, минералы, содержащие кремний например, порошок нитрида кремния с размером фракций 0,02-15 мкм, предпочтительно, с размером фракции около 1 мкм, а также нано силикат и/или цеолит.

Полимерная основа содержит до 30%, предпочтительно, 15-20% наполнителя, который, предпочтительно, содержит не менее 1% нано частиц. При этом экономится значительная часть дорогостоящего связующего, возрастают физико-механические свойства стержня, его химическая стойкость и стойкость к ультрафиолетовому и др. излучению, использование наночастиц позволяет значительно увеличить перечисленные свойства, кроме некоторые нанодобавки, например, нано диоксид кремния могут ускорить такие свойства как ускорение твердения связующего.

1. Арматурный стержень переменного сечения из композиционного материала, включающий стекловолокно, волокна большей прочности и связующее, отличающийся тем, что основу стержня составляют продольно расположенные пучки стекловолокна, причем внутри массива из пучков стекловолокна, параллельно продольной оси стержня, радиально симметрично относительно этой оси, дискретно расположены пучки волокон с большей по сравнению со стекловолокном прочностью, предпочтительно волокна базальта, при этом пучки волокон с большей прочностью пропитаны и монолитно соединены с массивом пучков из стекловолокна отвержденным связующим.

2. Арматурный стержень по п.1, отличающийся тем, что волокна большей прочности состоят из базальта, и/или амфиболитов, и/или базанитов, и/или габродиабазов.

3. Арматурный стержень по п.1, отличающийся тем, что волокна большей прочности расположены внутри стекловолокон пучками ровинга, причем ровинги расположены по окружности, т.е. центры их лежат на одной окружности, при этом соседние пучки ровинга соприкасаются и монолитно соединены между собой, образуя в поперечном сечении окружность или концентрические окружности, создавая каркас, подобный цилиндрической оболочке.

4. Арматурный стержень по п.1, отличающийся тем, что прочность стержня на растяжение растет в линейной зависимости от процентного содержания базальтового волокна внутри стекловолокна.

5. Арматурный стержень по п.1, отличающийся тем, что пучки волокон большей прочности состоят из базальтовых, и/или углеродных, и/или пара-арамидных, и/или полиамидных волокон.

6. Арматурный стержень по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает сердечник, выполненный из, по крайней мере, одного пучка волокон с большей по сравнению со стекловолокном прочностью и состоит из продольно расположенных базальтовых, и/или углеродных, и/или пара-амидных, и/или полиамидных волокон.

7. Арматурный стержень по п.1, отличающийся тем, что связующее включает полимерную основу и равномерно распределенный в ней наполнитель.

8. Арматурный стержень по п.5, отличающийся тем, что наполнителем является дисперсный, предпочтительно мелкодисперсный и/или нанодисперсный порошковый наполнитель.

9. Арматурный стержень по п.1, отличающийся тем, что наполнитель образует пространственную матрицу внутри связующего стрежня.

10. Арматурный стержень по п.8, отличающийся тем, что порошковым наполнителем является технический углерод и/или углеродосодержащий продукт или материал, например измельченные сажа или графит, уголь, продукты горения.

11. Арматурный стержень по п.11, отличающийся тем, что размер частиц углерода, введенных в связующее, составляет от 20 до 70 нм.

12. Арматурный стержень по п.8, отличающийся тем, что порошковым наполнителем является полимер, предпочтительно полиолефин, например, полиэтилен и/или полипропилен, либо поликарбонат и/или полистирол.

13. Арматурный стержень по п.6, отличающийся тем, что порошковым наполнителем являются микрошарики или микросферы, например, стеклянные, алюмосиликатные или пластиковые с размером фракций от 5 до 1000 мкм.

14. Арматурный стержень по п.8, отличающийся тем, что порошковым наполнителем является цемент и/или микроцемент - измельченный микродисперсный цемент с размером фракции от 0,5 до 15 мкм.

15. Арматурный стержень по п.6, отличающийся тем, что наполнителем является рубленное и/или измельченное, предпочтительно мелкодисперсное и/или нанодисперсное, волокно, например стекловолокно, базальтовое, асбестовое или углеродное волокно.

16. Арматурный стержень по п.1, отличающийся тем, что дисперсный наполнитель включает наночастицы углерода либо полностью состоит из наночастиц углерода.

17. Композитная арматура по п.1, отличающаяся тем, что дисперсным наполнителем является диоксид кремния или аэросил, предпочтительно нанодисперсный, с размером фракций от 15 до 200 нм.

18. Арматурный стержень по п.1, отличающийся тем, что дисперсным наполнителем является мелкодисперсный металлический порошок или оксид титана алюмосиликат, например мелкодисперсный слюдяной порошок.

19. Композитная арматура по п.1, отличающаяся тем, что дисперсным наполнителем является керамический порошок, например порошок нитрида кремния с размером фракций 0,02-15 мкм, предпочтительно с размером фракции около 1 мкм.

20. Арматурный стержень по п.1, отличающийся тем, что дисперсным наполнителем является нанокремнезем, и/или наносиликат, и/или цеолит.

21. Арматурный стержень по п.1, отличающийся тем, что связующее содержит до 30% равномерно распределенного по ее объему наполнителя, который предпочтительно содержит не менее 1% наночастиц.