RU2612374C1 - Hybrid composite reinforcement - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: hybrid composite reinforcement consists of continuous glass or carbon fibers assembled in a single rod by means of a multicomponent epoxy binder. The multicomponent binder content comprises 13-17%, and the volume content of carbon fibers - 3-15% by volume of the composite rod, carbon fibers being uniformly arranged along the reinforcement section contour at the distance from the reinforcement section edge equal to 2-3 mm; the rest of the composite reinforcement volume is occupied by the glass fibers, the elasticity modulus being calculated as follows: E_theor=E_s.v×(1-V_u.v-V_ep.sv)+E_u.v×(1-V_s.v-V_ep.sv), wherein E_theor is the theoretical value of the elasticity modulus, E_s.v, E_u.v are elasticity moduli of the glass fibers, the carbon fibers and the epoxy binder, respectively; V_s.v, V_u.v, V_ep.sv - the content by volume of the glass fibers, the carbon fibers, and the multicomponent epoxy binder, respectively.

EFFECT: increasing the elasticity modulus and tensile strength of the composite reinforcement, and the possibility of their regulation.

1 tbl, 2 dwg

Description

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.The invention relates to construction, namely to composite polymer reinforcement, which is used for reinforcing concrete, asphalt concrete and brick structures operated in normal and aggressive conditions.

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).The prior art a reinforcing bar of variable cross section made of composite material, including fiberglass, fibers of greater strength and a binder, and the core of the rod is a longitudinally arranged bundles of fiberglass and bundles of fibers with greater strength compared to fiberglass, preferably basalt fibers, with fiber bundles with a greater impregnated with strength and monolithically connected to an array of fiberglass bundles with a cured binder (RU 126031, publ. 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.The closest analogue to the claimed technical solution is composite reinforcement according to the patent RU 2405092 (publ. 11/27/2010), containing a supporting rod of low-modulus fibers and windings with ledges. The supporting rod is made of reinforced high-modulus fibers with a ratio of the linear densities of low-modulus fibers to high-modulus from 1.5 to 5, and high-modulus fibers are collected in bundles uniformly located in the array of low-modulus fibers.

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.The disadvantage of this type of composite reinforcement is that when calculating the elastic modulus, the content of the polymer binder in the composite rod is not taken into account, which is a drawback of the manufacturing technology.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение модуля упругости и прочности при растяжении композитной арматуры и возможность их регулирования.The problem to which the invention is directed is to increase the modulus of elasticity and tensile strength of composite reinforcement and the possibility of their regulation.

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:To achieve the technical result, a hybrid composite reinforcement is created consisting of continuous glass and carbon fibers assembled into a single core with a multicomponent epoxy binder, the content of multicomponent epoxy binder is 13-17%, and the volume content of carbon fibers is 3-15% of the volume of the composite rod moreover, carbon fibers are uniformly located along the contour of the reinforcement section at a distance from the edge of the reinforcement section, equal to 2-3 mm, the rest of the composite reinforcement glass fibers are used, while the elastic modulus is calculated by the formula:

Е_теор=Е_с.в×(1-V_у.в-V_эп.св)+E_y.в×(1-V_c.в-V_эп.св),E _theory = E _s.v × (1-V _s. -V _{ep.sup .} ) + E _y.v × (1-V _s.v -V _ep.sup. ),

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.where E _theory is the theoretical value of the elastic modulus, E _s.v. , E _u.v are the elastic moduli of fiberglass, carbon fiber, epoxy binder, respectively; V _c.v. , _V.v.v , V _ep.sv - volumetric content of fiberglass, carbon fiber, multicomponent epoxy binder, respectively.

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.An increase in the modulus of elasticity and tensile strength of the hybrid composite reinforcement was achieved due to the optimal content of the multicomponent epoxy binder and placement of carbon fibers in a specific order in the array of the composite rod, namely, at a distance of 2-3 mm from the edge of the section of the reinforcement. This arrangement eliminates the deformation of carbon fibers during the formation of the profile of the hybrid composite reinforcement and ensures the linear operation of the fibers. The external profile is created either by spraying the adhesive layer, or by winding, or by partial deformation of the reinforcing bar.

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.In calculating the theoretical modulus of elasticity, the “rule of mixtures” was used. It was taken into account that the fibers have very high values in comparison with the modulus of elasticity of the polymer matrix, therefore, E _ep.sv = 0 is allowed, while the volume content of the binder is taken into account. In addition, the following assumptions were made in the calculation: the fiber is long and has a straight shape; the load acts only at the ends of the fiber; the flexural rigidity of the fiber can be neglected.

Формула расчета модуля упругости приняла следующий вид:The formula for calculating the elastic modulus took the following form:

Е_теор=Е_с.в×(1-V_у.в-V_эп.св)+E_y.в×(1-V_c.в-V_эп.св) (1)E _Theor = E _s.v × (1-V _s. -V _{ep.sup .} ) + E _y.v × (1-V _s.v -V _ep.sup. ) (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.where E _theory is the theoretical value of the elastic modulus, E _s.v. , E _u.v are the elastic moduli of fiberglass, carbon fiber, epoxy binder, respectively; V _c.v. , _V.v.v , V _ep.sv - volumetric content of fiberglass, carbon fiber, multicomponent epoxy binder, respectively.

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.The difference between mathematical formula (1) and the formula presented in the analogue of patent RU 2405092 is that the expression presented takes into account the volume content of a multicomponent epoxy binder, which allows more accurate calculations of the theoretical elastic modulus.

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.In the experimental works, carbon fibers with an elastic modulus E _UV = 220 GPa and glass fibers with Е _SV = 80 GPa were used. The calculation results according to the formula (1) are presented in table 1.

Из теоретического расчета видно, что оптимальное содержание многокомпонентного эпоксидного связующего 13-17%.From a theoretical calculation, it can be seen that the optimal content of multicomponent epoxy binder is 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.Samples of glass composite reinforcement and hybrid composite reinforcement with various carbon fiber layouts were investigated. The test results showed a high convergence of theoretical and experimental values of the elastic modulus and the efficiency of the arrangement of carbon fibers along the contour with a volume content of 3-15%. Greater incorporation of carbon fibers does not produce a significant effect.

Предлагаемая конструкция иллюстрируется чертежами, где изображены:The proposed design is illustrated by drawings, which depict:

На фиг. 1 - общий вид гибридной композитной арматуры с продольным расположением углеродных волокон.In FIG. 1 is a general view of a hybrid composite reinforcement with a longitudinal arrangement of carbon fibers.

На фиг. 2 - поперечное сечение гибридной композитной арматуры с равномерно расположенными углеродными волокнами.In FIG. 2 is a cross-sectional view of a hybrid composite reinforcement with evenly spaced carbon fibers.

Арматура содержит углеродные (1) и стеклянные (2) волокна, пропитанные многокомпонентным эпоксидным связующим (3), следующего состава: эпоксидная смола; отвердитель; ускоритель; модифицирующая нанодобавка.The armature contains carbon (1) and glass (2) fibers impregnated with a multicomponent epoxy binder (3), the following composition: epoxy resin; hardener; accelerator; modifying nanoadditive.

Claims (3)

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:A hybrid composite reinforcement consisting of continuous glass and carbon fibers assembled into a single core with a multicomponent epoxy binder, characterized in that the content of multicomponent epoxy binder is 13-17%, and the volume content of carbon fibers is 3-15% of the volume of the composite rod, moreover carbon fibers are evenly spaced along the contour of the reinforcement section at a distance from the edge of the reinforcement section equal to 2-3 mm, the remaining volume of the composite reinforcement is occupied by glass fibers, while the mode The elasticity is calculated by the formula: Е_теор=Е_с.в×(1-V_у.в-V_эп.св)+E_y.в×(1-V_c.в-V_эп.св),E _theory = E _s.v × (1-V _s. -V _{ep.sup .} ) + E _y.v × (1-V _s.v -V _ep.sup. ), 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.where E _theory is the theoretical value of the elastic modulus, E _s.v. , E _u.v are the elastic moduli of fiberglass, carbon fiber, epoxy binder, respectively; V _c.v. , _V.v.v , V _ep.sv - volumetric content of fiberglass, carbon fiber, multicomponent epoxy binder, respectively.

Images