Гибридная композитная арматура

Гибридная композитная арматура

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к строительству, а именно к композитной полимерной арматуре, которая применяется для армирования бетонных, асфальтобетонных и кирпичных конструкций, эксплуатируемых в нормальных и агрессивных условиях.

Из уровня техники известен арматурный стержень переменного сечения из композиционного материала, включающий стекловолокно, волокна большей прочности и связующее, причем основу стержня составляют продольно расположенные пучки стекловолокна и 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 (RU 126031, опубл. 2013.03.20).

Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является арматура композитная по патенту RU 2405092 (опубл. 27.11.2010), содержащая несущий стержень из низкомодульных волокон и обмотки с уступами. Несущий стержень выполнен армированными высокомодульными волокнами при отношении линейных плотностей низкомодульных волокон к высокомодульным от 1,5 до 5, причем высокомодульные волокна собраны в пучки, равномерно расположенные в массиве низкомодульных волокон.

Недостатком данного вида композитной арматуры является то, что при расчете модуля упругости не учитывается содержание полимерного связующего в композитном стержне, что является недостатком технологии изготовления.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение модуля упругости и прочности при растяжении композитной арматуры и возможность их регулирования.

Для достижения указанного технического результата создается гибридная композитная арматура, состоящая из непрерывных стеклянных и углеродных волокон, собранных в единый стержень многокомпонентным эпоксидным связующим, содержание многокомпонентного эпоксидного связующего составляет 13-17%, а объемное содержание углеродных волокон - 3-15% от объема композитного стержня, причем углеродные волокна равномерно расположены по контуру сечения арматуры на расстоянии от края сечения арматуры, равном 2-3 мм, остальной объем композитной арматуры занимают стеклянные волокна, при этом модуль упругости рассчитывается по формуле:

Е_теор=Е_с.в×(1-V_у.в-V_эп.св)+E_y.в×(1-V_c.в-V_эп.св),

где Е_теор - теоретическое значение модуля упругости, Е_с.в, Е_у.в - модули упругости стекловолокна, углеродного волокна, эпоксидного связующего соответственно; V_c.в, V_у.в, V_эп.св - объемное содержание стекловолокна, углеродного волокна, многокомпонентного эпоксидного связующего соответственно.

Повышение модуля упругости и прочности при растяжении гибридной композитной арматуры достигнуто за счет оптимального содержания многокомпонентного эпоксидного связующего и размещения в определенном порядке в массиве композитного стержня углеродных волокон, а именно на расстоянии от края сечения арматуры, равном 2-3 мм. Данное расположение исключает деформацию углеродных волокон при образовании профиля гибридной композитной арматуры и обеспечивает прямолинейную работу волокон. Внешний профиль создается либо напылением адгезивного слоя, либо обмоткой, либо частичным деформированием арматурного стержня.

При расчете теоретического модуля упругости пользовались «правилом смесей». Было учтено, что волокна имеют очень высокие значения по сравнению с модулем упругости полимерной матрицы, поэтому допущено Е_эп.св=0, при этом учтено объемное содержание связующего. Кроме этого в расчете приняты следующие допущения: волокно является длинным и имеет прямолинейную форму; нагрузка действует только на концах волокна; изгибной жесткостью волокна можно пренебречь.

Формула расчета модуля упругости приняла следующий вид:

Е_теор=Е_с.в×(1-V_у.в-V_эп.св)+E_y.в×(1-V_c.в-V_эп.св) (1)

где Е_теор - теоретическое значение модуля упругости, Е_с.в, Е_у.в - модули упругости стекловолокна, углеродного волокна, эпоксидного связующего соответственно; V_c.в, V_у.в, V_эп.св - объемное содержание стекловолокна, углеродного волокна, многокомпонентного эпоксидного связующего соответственно.

Отличием математической формулы (1) от формулы, представленной в аналоге патента RU 2405092, является то, что представленное выражение учитывает объемное содержание многокомпонентного эпоксидного связующего, это позволяет проводить более точные расчеты теоретического модуля упругости.

В экспериментальных работах применялись углеродные волокна с модулем упругости Е_у.в=220 ГПа и стеклянные волокна с Е_с.в=80 ГПа. Результаты расчета по формуле (1) представлены в таблице 1.

Из теоретического расчета видно, что оптимальное содержание многокомпонентного эпоксидного связующего 13-17%.

Были исследованы образцы стеклокомпозитной арматуры и гибридной композитной арматуры с различными схемами расположения углеродного волокна. Результаты испытаний показали высокую сходимость теоретических и экспериментальных значений модуля упругости и эффективность расположения углеродных волокон по контуру при их объемном содержании 3-15%. Большее внедрение углеродных волокон не дает существенного эффекта.

Предлагаемая конструкция иллюстрируется чертежами, где изображены:

На фиг. 1 - общий вид гибридной композитной арматуры с продольным расположением углеродных волокон.

На фиг. 2 - поперечное сечение гибридной композитной арматуры с равномерно расположенными углеродными волокнами.

Арматура содержит углеродные (1) и стеклянные (2) волокна, пропитанные многокомпонентным эпоксидным связующим (3), следующего состава: эпоксидная смола; отвердитель; ускоритель; модифицирующая нанодобавка.

Гибридная композитная арматура, состоящая из непрерывных стеклянных и углеродных волокон, собранных в единый стержень многокомпонентным эпоксидным связующим, отличающаяся тем, что содержание многокомпонентного эпоксидного связующего составляет 13-17%, а объемное содержание углеродных волокон - 3-15% от объема композитного стержня, причем углеродные волокна равномерно расположены по контуру сечения арматуры на расстоянии от края сечения арматуры, равном 2-3 мм, остальной объем композитной арматуры занимают стеклянные волокна, при этом модуль упругости рассчитывается по формуле:

Е_теор=Е_с.в×(1-V_у.в-V_эп.св)+E_y.в×(1-V_c.в-V_эп.св),

где Е_теор - теоретическое значение модуля упругости, Е_с.в, Е_у.в - модули упругости стекловолокна, углеродного волокна, эпоксидного связующего соответственно; V_c.в, V_у.в, V_эп.св - объемное содержание стекловолокна, углеродного волокна, многокомпонентного эпоксидного связующего соответственно.