стержень переменного сечения из композиционного материала

Формула изобретения

1. Стержень переменного сечения из композиционного материала, выполненный из ровинга минерального или химического волокна, скрепленного отвержденным полимерным связующим, и имеющий анкерные утолщения, отличающийся тем, что стержень выполнен многослойным и содержит несущий внутренний слой с продольным расположением волокон, последующий, по меньшей мере, один слой с поперечным расположением волокон, утолщения выполнены путем навивки волокон на наружный слой и имеют выпуклую или вогнутую или выпукло-вогнутую форму, при этом внутренний слой, наружный слой и анкерные утолщения сформированы за один технологический цикл и выполнены монолитно.

2. Стержень по п.1, отличающийся тем, что внутренний слой выполнен из ровинга стекловолокна, наружный слой и анкерные утолщения - из ровинга базальтового волокна.

3. Стержень по п.1, отличающийся тем, что внутренний слой, наружный слой и анкерные утолщения выполнены из ровинга стекловолокна.

4. Стержень по п.1, отличающийся тем, что внутренний слой, наружный слой и анкерные утолщения выполнены из ровинга базальтового волокна.

5. Стержень по п.1, отличающийся тем, что в зависимости от назначения анкерные утолщения выполнены по всей длине стержня, или на конце стержня, или у конца стержня.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, а именно к стержням переменного сечения из композиционных материалов, которые могут быть использованы в качестве связующих связевых элементов стеновых ограждающих конструкций, монолитных железобетонных и сборных конструкций, а также в конструктивных элементах зданий в виде отдельных стержней для армирования оснований автомагистралей и дорог.

Известен стержень для армирования бетона (патент РФ 2220049, МКИ Е04С 5/07, опубл. 2003 г.), полученный из волокнистого наполнителя, пропитанного полимерным связующим на основе эпоксидной диановой смолы, отвердителя и ускорителя, причем в качестве наполнителя используют стекловолокнистый ровинг.

Известны варианты арматуры стеклопластиковой (патент РФ 2194135, МКИ Е04С 5/07, опубл. 2002 г.), содержащие несущий стержень из высокопрочного полимерного материала и обмотку с уступами, выполненными в виде жгута нитей, пропитанных связующим и спирально нанесенных с натягом, равным 1/2-1/10 диаметра вдавливания жгута в поверхность несущего стержня, диаметр навивки жгута составляет до 2 диаметров несущего стержня.

Известен стержень для армирования бетона (патент РФ 2054508, МКИ Е04С 5/07, опубл. 1996 г.), содержащий ровинг базальтового волокна, снабженный покрытием из ровинга арамидного или углеродного волокна, скрепленных отвержденным полимерным связующим.

Известен многослойный стержень для армирования бетона (патент РФ 2052606, МКИ Е04С 5/07, опубл. 1996 г.), содержащий внутренний слой из ровинга базальтового волокна, сердечник и наружный слой из ровинга арамидного или углеродного волокна, скрепленные отверженным полимерным связующим.

Вышеперечисленные конструкции стержня не имеют в сечении утолщений, что приводит к недостаточно прочному их закреплению в строительных конструкциях и ограничивает сферу их применения.

Известен стержень для армирования бетонных конструкций (патент РФ 2249085, МКИ Е04С 5/07, опубл. 2005 г.), выбранный за прототип, выполненный из ровинга минерального волокна, скрепленного отвержденным минеральным связующим, имеющий анкерные зацепы в виде коническо-цилиндрических утолщений, причем анкерные зацепы выполнены по всей длине стержня, максимальная величина сечения цилиндрической части коническо-цилиндрического утолщения составляет от 1,5d до 2d, а расстояние между анкерными зацепами составляет от 50d до 200d, где d - диаметр стержня.

Недостатком известной конструкции стержня является то, что формирование анкерного зацепа осуществляется путем закладки формообразующих заготовок в формируемый стержень, что снижает несущую способность стержня и требует дополнительного изготовления закладных элементов.

Задачей изобретения является изготовление монолитного стержня переменного сечения (без применения закладных элементов), повышение эксплуатационных характеристик.

Предлагаемое изобретение позволяет формировать стержень из композиционного материала с различной формой анкерных утолщений и получить монолитный стержень переменного сечения с высокими эксплуатационными свойствами. Изготовление стержня с последовательным формированием слоев позволяет применять различные сочетания минеральных и химических волокон, формировать стержни с заданными физико-химическими свойствами (не изменяя технологическую линию) и тем самым расширить спектр применения.

Кроме того, изменение толщины слоев и концентрации волокон позволяет широко варьировать свойства изделия.

Технический результат достигается тем, что стержень переменного сечения из композиционного материала, выполненный из ровинга минерального или химического волокна, скрепленного отвержденным полимерным связующим и имеющий анкерные утолщения, согласно изобретению стержень выполнен многослойным и содержит несущий внутренний слой с продольным расположением волокон, последующий, по меньшей мере, один слой с поперечным расположением волокон, утолщения выполнены путем навивки волокон на наружный слой и имеют выпуклую или вогнутую или выпукло-вогнутую форму, при этом внутренний слой, наружный слой и анкерные утолщения сформированы за один технологический цикл и выполнены монолитно.

В частном случае внутренний слой выполнен из ровинга стекловолокна, наружный слой и анкерные утолщения - из ровинга базальтового волокна

В частном случае внутренний слой, наружный слой и анкерные утолщения выполнены из ровинга стекловолокна.

В частном случае внутренний слой, наружный слой и анкерные утолщения выполнены из ровинга базальтового волокна.

В зависимости от назначения анкерные утолщения выполнены по всей длине стержня или на конце стержня или у конца стержня на наружный слой.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен стержень в поперечном сечении. На фиг.2 - стержни переменного сечения с анкерными утолщениями, расположенными у конца стержня. На фиг.3 - стержни переменного сечения с анкерными утолщениями, расположенными на конце стержня. На фиг.4 - стержни переменного сечения с анкерными утолщениями по всей длине стержня.

Стержень 1 переменного сечения из композиционного материала выполнен многослойным и содержит один внутренний слой 2 с продольным расположением волокон, являющийся несущим, и последующий, по меньшей мере, один слой с поперечным расположением волокон 3, полученный посредством кольцевой намотки на несущий слой 2. В зависимости от требуемой толщины и заданных свойств стержня, слоев с продольным расположением волокон может быть несколько (3, 4). Стержень 1 содержит анкерные утолщения 5, сформированные посредством навивки волокон на наружный слой 4. Анкерные утолщения могут быть выполнены выпуклой 6, 7, или вогнутой 8, или выпукло-вогнутой 9 формы.

Изготовление монолитного стержня переменного сечения осуществляются следующим образом.

Предварительно в блоке управления задаются определенные параметры: длина стержня, форма утолщения (выпуклая (коническая или коническо-цилиндрическая) или вогнутая, или выпукло-вогнутая), размеры утолщения (длина, диаметр), расстояние между анкерными утолщениями, скорость формирования стержня, начальная скорость и время протяжки при формировании анкерного утолщения.

Бобины с ровингом устанавливают на бобинодержателе с натяжными блоками и выравнивающими гребенками. Количество бобин подбирают в зависимости от тех ровинга, требуемого диаметра несущего внутреннего слоя 2 и степени наполнения.

Через шпулярник ровинг с продольным расположением волокон равномерно распределяется в натяжителе, проходит через счетно-измерительное устройство, затем через горизонтальный распределитель подается в камеру нагрева для удаления избыточной влажности и замасливателя, после чего проходит через пропиточную камеру с полимерным связующим и отжимное устройство с блоком фильер.

На сформированный внутренний слой 2 посредством устройства продольно-кольцевой обмотки укладывают второй слой ровинга 3 с поперечным расположением волокон. Для формирования нескольких слоев ровинга (3, 4) в технологическую линию дополнительно включают несколько последовательно установленных устройств обмотки.

При формировании стержня счетно-измерительное устройство непрерывно определяет расстояние при протяжке и передает импульсы в блок управления, где при получении информации заданной величины посредством системы датчиков автоматически включается устройство формирования анкерного утолщения. Устройство формирования анкерного утолщения выполнено в виде устройства поперечной навивки волокон, соединенное с устройством регулирования уровня натяжения и приспособлением для пропитки.

Одновременно с началом формирования утолщения 5 скорость устройств поперечно-кольцевой обмотки, формирующих слои 3 и 4, снижается практически до нулевой, значительно понижается скорость протяжного механизма.

Формирование анкерного утолщения 5 обеспечивается посредством автоматизации скоростей протяжки во временных интервалах формирования частей анкера 5 с заданной формой (профилем).

Например, при формировании утолщения конической (выпуклой) формы 6 скорость протяжки дифференцированно снижается от начальной до средней части анкера 5, а затем дифференцированно повышается от средней части до конечной. При формировании утолщения коническо-цилиндрической формы 7 скорость протяжки дифференцированно снижается до начала средней части анкера 5, затем остается постоянной и затем дифференцированно повышается от конца средней части до конечной. При формировании анкерного утолщения вогнутой формы 8 скорость протяжки дифференцированно повышается от начальной до средней части анкера 5, а затем дифференцированно понижается от средней части до конечной.

При формировании утолщения выпукло-вогнутой формы 9 используется комбинация дифференцирования скоростей протяжки.

Кроме того, эффективность формирования анкерного утолщения 5 достигается за счет того, что во временном интервале формирования частей анкера одновременно с изменением скорости протяжки изменяется скорость поперечной навивки в устройстве формирования анкерного утолщения, т.е. дифференцированно увеличивается, а затем дифференцированно уменьшается или дифференцированно увеличивается, остается постоянной, а затем дифференцированно уменьшается.

Дифференцированная скорость протяжки с одновременной многократной навивкой волокон на сформированный наружный слой 3 или 4 обеспечивают заданные размеры и форму анкера. Скорости на каждом этапе формирования анкера задается программным обеспечением.

При достижении заданной длины анкера счетно-измерительное устройство передает информацию в блок управления, который автоматически изменяет частотные характеристики протяжного механизма и механизма продольно-кольцевой обмотки и отключает устройство формирования анкерного утолщения.

Сформированный стержень заданного переменного сечения проходит стадию полимеризации с дальнейшим направлением через укладчик в протяжной механизм и затем на линию резки или намотки.

Изготовление стержней с заданным расстоянием между анкерными утолщениями обеспечивается временным интервалом между моментами включения и выключения устройства поперечной навивки волокон.

Таким образом, последовательное непрерывное формирование внутреннего несущего слоя, наружного слоя и анкерных утолщений позволяет получить монолитный стержень переменного сечения с высокими эксплуатационными свойствами и прочной структурой, с заданной формой и размерами утолщений, а также с заданным расстоянием между ними.

Взаимно перпендикулярное расположение волокон позволяет повысить несущую способность стержня и его механические характеристики. Изменение толщины слоев и концентрации волокон позволяет широко варьировать свойства.

Различная форма утолщений позволят повысить закрепляемость стержней в строительных конструкциях, а следовательно, их надежность. Кроме того, длина анкерных утолщений, расстояние между ними, расположение на несущем стержне влияют на величину напряженности.

Анкерные утолщения могут быть расположены по всей длине стержня (фиг.4), или на конце несущего стержня (фиг.3), или у конца несущего стержня (фиг.2).

Изготовление стержня с последовательным формированием слоев позволяет применять различные сочетания минеральных и химических волокон, формировать стержни с заданными физико-химическими свойствами (не изменяя технологическую линию) и тем самым расширить спектр применения. Например, за счет добавки волокон проводников в несущий продольный слой можно придать стержню электропроводность вдоль заданной оси.

Пример 1

Стержень переменного сечения содержит внутренний слой, наружный слой и анкерные зацепы, выполненные из ровинга стекловолокна. Монолитный стержень получен по вышеописанному способу.

Стекловолокно является наиболее дешевым и доступным сырьем, при этом полученный стержень обладает достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами.

Коэффициент теплопроводности составляет 0,034-0,04 Вт/мК.

Прочность при растяжении при 20°С составляет 100%.

Пример 2

Стержень переменного сечения содержит внутренний слой, наружный слой и анкерные зацепы, выполненные из ровинга базальтового волокна.

Базальтовое волокно работоспособно в широком диапазоне температур (от -260 до 700°С), при которых разрушаются углеродные (600...800°С) и стеклянные (ниже -60°С и выше 500°С) волокна. Базальтовые стержни сохраняют свои свойства при длительной эксплуатации в различных условиях, не выделяя вредных для людей и природы химических соединений под воздействием окружающей среды. Согласно проведенным исследованиям средний срок службы составляет 50-100 лет. Кроме того, базальтовые стержни обладают повышенной стойкостью к вибрациям, повышенной стойкостью к агрессивным средам, обладают шумопоглощающими свойствами.

Коэффициент теплопроводности составляет 0,031-0,038 Вт/мК.

Прочность при растяжении при 20°С составляет 100%.

Пример 3

Стержень переменного сечения содержит внутренний слой, выполненный из ровинга стекловолокна, наружный слой и анкерные зацепы - из ровинга базальтового волокна.

Изготовление стержней на основе стекловолокна с «армированием» базальтовыми волокнами является наиболее предпочтительным, т.к. изготовление является более дешевым (в сравнении с примером 2), при этом стержень обладает высокими конструкционными, теплозвукоизоляционными, диэлектрическими и другими свойствами, позволяющими широко использовать их в строительстве.