RU2818634C1 - Combined metal-fiber rope - Google Patents

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: invention relates to production of reinforcement articles for reinforcement of concrete structures. Disclosed is a combined metal-fiber rope twisted from at least three twisted bundles of glass, basalt, carbon or synthetic fiber, wherein includes a central straight metal core, around which bundles are wound with a calculated pitch, wherein the twisting around the core is made in the opposite direction from the bundles twisting, cross-sectional area of the metal core is from 2 to 25 % of the total cross-sectional area of the rope.

EFFECT: reduces fragility of the rope, which can take any shape when bent and enables to use it for making composite polymer articles for reinforcing conventional and prestressed concrete structures.

5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к строительству, конкретно к изготовлению арматурных изделий для армирования бетонных конструкций.The invention relates to construction, specifically to the production of reinforcement products for reinforcing concrete structures.

Известна стеклокомпозитная арматура для армирования бетонных конструкций (В.С.Плевков и др.Прочность и трещиностойкость изгибаемых элементов с преднапряженной стеклокомпозитной арматурой. Томск, ТГАСУ, 2021). Арматура состоит из пучка стекловолокон, пропитанных связующим, обычно, эпоксидной смолой. Арматура обладает высокой прочностью на растяжение.Glass-composite reinforcement is known for reinforcing concrete structures (V.S. Plevkov et al. Strength and crack resistance of bending elements with prestressed glass-composite reinforcement. Tomsk, TGASU, 2021). The reinforcement consists of a bundle of glass fibers impregnated with a binder, usually epoxy resin. The reinforcement has high tensile strength.

Недостатки композитной арматуры - низкий модуль упругости на растяжение и низкая предельная деформация при разрыве (не более 2%).The disadvantages of composite reinforcement are the low tensile modulus of elasticity and low ultimate strain at break (no more than 2%).

Известна «гибридная» композитная арматура для армированных бетонных изделий, состоящая из смеси стеклянных и углеродных волокон, пропитанных полимерным связующим (Патент RU №2612374 Гибридная композитная арматура. Опубликовано: 09.03.2017 Бюл.№ 7). Углеродные волокна вводятся для повышения модуля упругости на растяжение с целью большей совместимости арматуры и бетонной матрицы в изделиях, причем объемное содержание связующего 13-17%, углеродных волокон -3-15% от объема композитного стержня, причем углеродные волокна равномерно расположены по контуру сечения на расстоянии от края 2-3 мм. Модуль упругости гибридной арматуры повышается пропорционально количеству высокомодульных углеродных волокон, вводимых в состав смеси.There is known “hybrid” composite reinforcement for reinforced concrete products, consisting of a mixture of glass and carbon fibers impregnated with a polymer binder (RU Patent No. 2612374 Hybrid composite reinforcement. Published: 03/09/2017 Bulletin No. 7). Carbon fibers are introduced to increase the tensile modulus of elasticity in order to increase the compatibility of the reinforcement and concrete matrix in products, with the volume content of the binder being 13-17%, carbon fibers being 3-15% of the volume of the composite rod, and the carbon fibers being evenly spaced along the contour of the section on distance from the edge 2-3 mm. The modulus of elasticity of hybrid reinforcement increases in proportion to the amount of high-modulus carbon fibers introduced into the mixture.

Недостаток гибридной композитной арматуры - низкая предельная деформация при разрыве (не более 2%). Повышенная хрупкость объясняется аналогичными свойствами стеклянных и углеродных волокон.The disadvantage of hybrid composite reinforcement is the low ultimate strain at break (no more than 2%). The increased fragility is explained by similar properties of glass and carbon fibers.

Известны арматурные канаты, состоящие из низкомодульного стеклопластикового сердечника и внешней навивки из металлической проволоки (Патент RU № 2569650 Арматурный канат. Опубликовано: 27.11.2015 Бюл. № 33). Арматурный канат, содержащий сердечник и свитые в продольном направлении и навитые на сердечник проволочные пряди, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде пучка из отдельных прямолинейных стержней из низкомодульного высокопрочного композитного материала.Reinforcing ropes are known, consisting of a low-modulus fiberglass core and an external winding of metal wire (Patent RU No. 2569650 Reinforcing rope. Published: November 27, 2015 Bulletin No. 33). A reinforcing rope containing a core and wire strands twisted in the longitudinal direction and wound onto the core, characterized in that the core is made in the form of a bundle of individual straight rods made of low-modulus high-strength composite material.

Недостатки известного арматурного каната: низкая прочность (по сравнению с цельным стеклокомпозитным или стальным канатом), так как не удается организовать совместную работу на растяжение разнодлинных элементов - прямолинейных из стеклопластика и спиральных из металлической проволоки.Disadvantages of the known reinforcing rope: low strength (compared to solid fiberglass or steel rope), since it is not possible to organize joint tensile work of different length elements - straight ones made of fiberglass and spiral ones made of metal wire.

Известна металлостеклопластиковая арматура, состоящая из композитного силового стержня и размещенного в центре сечения металлического сердечника (Патент RU №120984 Арматура композитная стеклометаллопластиковая. Опубликовано: 10.10.2012 Бюл. № 28). Арматура композитная металло-стеклопластиковая, содержит несущий стержень, у которого рельеф поверхности создан обмоточным жгутом, несущий стержень выполнен в виде «композитной матрицы», состоящей из стального сердечника и стеклопластиковых нитей, пропитанных связующим композитным веществом и нанесенных на стальной сердечник, обмоточный стеклопластиковый жгут при помощи многозаходной навивки навит на пропитанную эпоксидным компаундом внешнюю поверхность стержня.There is known metal-fiberglass reinforcement, consisting of a composite load-bearing rod and a metal core placed in the center of the cross-section (Patent RU No. 120984 Composite glass-metal-plastic reinforcement. Published: 10.10.2012 Bulletin No. 28). Composite metal-fiberglass reinforcement, contains a load-bearing rod, the surface relief of which is created by a winding strand, the load-bearing rod is made in the form of a “composite matrix”, consisting of a steel core and fiberglass threads, impregnated with a composite binder and applied to the steel core, a winding fiberglass strand with using multi-pass winding, it is wound onto the outer surface of the rod impregnated with epoxy compound.

Недостатком известного решения является низкая прочность (по сравнению с цельным стеклокомпозитным стержнем), так как стеклопластиковые композиты из однонаправленных волокон разрушаются при растяжении из-за продольных трещин, в результате образования которых происходит расслоение стержня в поперечном направлении, нарушая сцепление гладкого металлического сердечника и стеклопластикового материала.The disadvantage of the known solution is low strength (compared to a solid glass composite rod), since fiberglass composites made of unidirectional fibers are destroyed in tension due to longitudinal cracks, as a result of which the rod delaminates in the transverse direction, disrupting the adhesion of the smooth metal core and the fiberglass material .

В качестве прототипа предложенного изобретения, приняты волоконные арматурные канаты, состоящие из нескольких жгутов стеклянного, базальтового или углеродного ровинга, скрученных или свитых в один элемент (Патент RU №164110 Арматурный канат, Опубликовано: 20.08.2016, Бюл. № 23). Арматурный канат из непрерывных стекло- или базальтовых волокон толщиной 9 - 25 мкм, собранных в жгуты, скручен из 3-4х жгутов в 30 - 300 круток на погонный метр, а жгуты скручены в 20-200 круток на погонный метр в противоположном направлении крутки каната, с возможностью последующей пропитки его связующим и образования композитной арматуры. Свивка жгутов и каната в разных направлениях позволяет обеспечивать устойчивость сечения непропитанного каната от самопроизвольной расплетки. Таким образом, канат представляет собой полуфабрикат для изготовления полимерных композитных арматурных изделий любой формы, от прямолинейных стержней до спиралей, пружин, хомутов, связей, ломаной и криволинейной формы после пропитки и отвердевания связующего материала.As a prototype of the proposed invention, fiber reinforcing ropes were adopted, consisting of several bundles of glass, basalt or carbon roving, twisted or twisted into one element (Patent RU No. 164110 Reinforcing rope, Published: 08/20/2016, Bulletin No. 23). A reinforcing rope made of continuous glass or basalt fibers with a thickness of 9 - 25 microns, collected into bundles, is twisted from 3-4 bundles in 30 - 300 twists per linear meter, and the bundles are twisted in 20-200 twists per linear meter in the opposite direction of twist of the rope , with the possibility of subsequent impregnation with a binder and the formation of composite reinforcement. Laying the strands and rope in different directions makes it possible to ensure the stability of the section of the unimpregnated rope from spontaneous unraveling. Thus, the rope is a semi-finished product for the manufacture of polymer composite reinforcing products of any shape, from straight rods to spirals, springs, clamps, ties, broken and curved shapes after impregnation and hardening of the binder material.

Недостатком известной конструкции каната, принятой за прототип предложенного изобретения, является низкий (по сравнению с арматурной сталью) модуль упругости на растяжение, снижающий трещиностойкость армируемых бетонных изделий, и повышенная хрупкость (предельные деформации на растяжение не превышают 2,5%).The disadvantage of the known rope design, adopted as the prototype of the proposed invention, is the low (compared to reinforcing steel) tensile modulus of elasticity, which reduces the crack resistance of reinforced concrete products, and increased fragility (ultimate tensile deformation does not exceed 2.5%).

Целью изобретения является устранение недостатков прототипа: повышение модуля упругости на растяжение, повышение трещиностойкости армируемых бетонных изделий за счет снижения хрупкости каната: - с одновременным использованием всех его положительных качеств.The purpose of the invention is to eliminate the shortcomings of the prototype: increasing the tensile modulus of elasticity, increasing the crack resistance of reinforced concrete products by reducing the fragility of the rope: - with the simultaneous use of all its positive qualities.

Технической задачей изобретения является создание строительного изделия с улучшенными технологическими свойствами (гибкость, способность принимать любую форму) и повышенными показателями прочности и деформативности, а также с возможностью использования для изготовления композитных полимерных изделий для армирования обычных и преднапряженных бетонных конструкций.The technical objective of the invention is to create a building product with improved technological properties (flexibility, ability to take any shape) and increased strength and deformability, as well as the possibility of use for the manufacture of composite polymer products for reinforcing conventional and prestressed concrete structures.

Поставленная задача решается за счет того, что известный канат (Патент RU №164110 Арматурный канат, Опубликовано: 20.08.2016 Бюл. № 23), состоящий из нескольких скрученых жгутов волоконного ровинга или нитей, свитых в канат в противоположном от жгутов направлении дополнительно оснащается металлическим сердечником в виде одной или нескольких металлических проволок, стержня или гибкого канатика. Сердечник выполняется прямолинейным, а волоконные жгуты обвивают его с определенным шагом по длине. Канат может пропитываться полимерным или минеральным связующим и использоваться для армирования монолитных и сборных бетонных, гипсобетонных, полимербетонных, асфальтобетонных, серобетонных, грунтоцементных и др. конструкций (включая конструкции, выполненные из бетонов тяжелых, легких, ячеистых и пр.). Металлический сердечник может выполняться из различных сортов стали и сплавов цветных металлов, имеющих высокий модуль упругости на растяжение. Площадь сечения металлического сердечника может варьироваться от 2 до 25% от общей площади сечения каната, в зависимости от назначения армируемого изделия. Повышенный расход металла в сечении повышает модуль упругости арматуры на растяжение, в то время как повышенный расход минерального волокна повышает прочность на разрыв. Регулируя соотношение и геометрию укладки композита и металла в сечении, а также вид металла и волокна, можно получать материал с заданными свойствами в широком диапазоне задач.The problem is solved due to the fact that the well-known rope (RU Patent No. 164110 Reinforcing rope, Published: 08/20/2016 Bulletin No. 23), consisting of several twisted bundles of fiber roving or threads twisted into a rope in the direction opposite to the bundles, is additionally equipped with a metal a core in the form of one or more metal wires, a rod or a flexible cord. The core is made straight, and the fiber bundles wrap around it with a certain step along the length. The rope can be impregnated with a polymer or mineral binder and used for reinforcing monolithic and prefabricated concrete, gypsum concrete, polymer concrete, asphalt concrete, sulfur concrete, soil cement and other structures (including structures made of heavy, light, cellular concrete, etc.). The metal core can be made of various types of steel and non-ferrous metal alloys with a high tensile modulus of elasticity. The cross-sectional area of the metal core can vary from 2 to 25% of the total cross-sectional area of the rope, depending on the purpose of the reinforced product. Increased consumption of metal in the section increases the tensile modulus of elasticity of the reinforcement, while increased consumption of mineral fiber increases tensile strength. By adjusting the ratio and geometry of laying the composite and metal in the cross-section, as well as the type of metal and fiber, it is possible to obtain a material with specified properties in a wide range of tasks.

Содержание изобретения поясняется на фиг. 1-4. The content of the invention is illustrated in Fig. 1-4.

Фиг.1 показан внешний вид каната из трех жгутов и одной проволоки. Figure 1 shows the appearance of a rope made of three bundles and one wire.

1 – канат 1 – rope

2 – металлический сердечник 2 – metal core

3 – композитный жгут3 – composite harness

Фиг.2 – сечение комбинированного металлостеклопластикового каната.Figure 2 – cross-section of a combined metal-fiberglass rope.

Фиг.3 – сечение комбинированного металлостеклопластикового каната из четырех жгутов и четырех плющеных проволок. Figure 3 – cross-section of a combined metal-fiberglass rope made of four bundles and four rolled wires.

Фиг. 4 – график зависимости «нагрузка-деформация» для стеклопластикового арматурного каната в комбинации с металлической проволокой из низколегированной упрочняющейся стали. Fig. 4 – graph of the “load-deformation” relationship for a fiberglass reinforcing rope in combination with metal wire made of low-alloy hardening steel.

Фиг. 2 и Фиг. 3 рассматриваются как пример использования.Fig. 2 and Fig. 3 is considered as a usage example.

Техническим результатом заявленного решения является создание строительного изделия с улучшенными технологическими свойствами (гибкость, способность принимать любую форму) и повышенными показателями прочности и деформативности, а также с возможностью использования для изготовления композитных полимерных изделий для армирования обычных и преднапряженных бетонных конструкций. The technical result of the claimed solution is the creation of a building product with improved technological properties (flexibility, ability to take any shape) and increased strength and deformability, as well as the ability to be used for the manufacture of composite polymer products for reinforcing conventional and prestressed concrete structures.

Осуществление изобретения.Implementation of the invention.

Канат 1 может перерабатываться в арматурное изделие на оборудовании пултрузионного производства композитной арматуры дополнительно снабженного крутильно-намоточным станком. Вначале из пряди ровинга производят скручивание жгутов (3) с проектным числом круток на каждый метр длины с одновременной намоткой на катушки или барабаны. Затем скручивают канат (1) из нескольких жгутов (3) и сердечника (2), причем скрутку вокруг сердечника (2) выполняют в противоположную сторону от крутки жгутов. Этим обеспечивается устойчивость от расплетки волоконной части каната.Rope 1 can be processed into a reinforcement product on equipment for pultrusion production of composite reinforcement, additionally equipped with a torsion-winding machine. First, strands of roving are twisted into bundles (3) with a designed number of twists per meter of length, with simultaneous winding on coils or drums. Then the rope (1) is twisted from several strands (3) and a core (2), and the twisting around the core (2) is performed in the opposite direction from the twist of the strands. This ensures resistance to unraveling of the fiber part of the rope.

Комбинированный металловолоконный канат, свитый из по меньшей мере трех скрученных жгутов из стеклянного, базальтового, углеродного или синтетического волокна, отличающийся тем, что включает центральный прямолинейный металлический сердечник, вокруг которого навиты жгуты с расчетным шагом, причем скрутка вокруг сердечника выполнена в противоположную сторону от скрутки жгутов, площадь сечения металлического сердечника от 2 до 25% от общей площади сечения каната.A combined metal fiber rope, twisted from at least three twisted strands of glass, basalt, carbon or synthetic fiber, characterized in that it includes a central straight metal core, around which the strands are wound with a calculated pitch, and the twisting around the core is made in the opposite direction from the twist bundles, the cross-sectional area of the metal core is from 2 to 25% of the total cross-sectional area of the rope.

На следующей стадии канат (1) пропитывают связующим и термообрабатывают по известной пултрузионной технологии. Из каната могут изготавливать арматурные изделия, например, хомуты для свай прямоугольные, квадратные или круглой формы. Для этого пропитанные канаты наматывают на формы и термообрабатывают. Для пропитки армокаркасов или других изделий большого размера, не вмещающихся в линии изготовления арматуры, следует применять компаунды холодного отверждения. Многие полимерные смолы, обладающие повышенной вязкостью, плохо пропитывают готовые канаты. В этом случае целесообразно выполнять пропитку расплавом модифицированной серы, которая низковязкая и не требует термообработки.At the next stage, the rope (1) is impregnated with a binder and heat treated using known pultrusion technology. Reinforcing products can be made from rope, for example, clamps for rectangular, square or round piles. To do this, impregnated ropes are wound onto forms and heat treated. For impregnation of reinforced frames or other large-sized products that do not fit into reinforcement production lines, cold-curing compounds should be used. Many polymer resins with high viscosity do not saturate finished ropes well. In this case, it is advisable to perform melt impregnation with modified sulfur, which is low-viscosity and does not require heat treatment.

Канат отличается тем, что сердечник выполнен из плющеной металлической проволоки, канат скручен в 5-40 скруток на один погонный метр, а каждый жгут – 10-60 скруток в противоположную сторону, пропитан полимерным или серным связующим.The rope is distinguished by the fact that the core is made of rolled metal wire, the rope is twisted into 5-40 twists per linear meter, and each bundle is 10-60 twists in the opposite direction, impregnated with a polymer or sulfur binder.

Кроме того, канату перед термообработкой предана изогнутая форма. In addition, the rope is given a curved shape before heat treatment.

Пример конструкции комбинированной металлокомпозитной канатной арматуры для армирования бетонного изделия. An example of the design of combined metal-composite rope reinforcement for reinforcing a concrete product.

Арматурный композитный канат (1) состоит из трех стекловолоконных жгутов (3) и стального сердечника (2). Жгуты пропитаны полимерным связующим. Рассмотрим поведение образцов арматуры из каната, если их подвергнуть растяжению на разрывной машине. The reinforcing composite rope (1) consists of three fiberglass strands (3) and a steel core (2). The bundles are impregnated with a polymer binder. Let us consider the behavior of samples of rope reinforcement if they are subjected to tension in a tensile testing machine.

Образец – арматура стеклокомпозитная полимерная, круглого сечения, армированная по центру низкоуглеродистой проволокой. Механические свойства компонентов арматуры резко отличаются. Прочность стеклокомпозита на растяжение до трех раз выше прочности стали, при этом модуль упругости стали приблизительно в 4 раза выше, чем у стеклокомпозита. Стеклополимерный композит очень хрупкий, а сталь имеет ярко выраженную площадку текучести. На фиг. 4 показаны графики зависимости «нагрузка-деформация» для металлического стержня (кривая А-А), для стеклокомпозитного каната (кривая В-В) и для комбинированного элемента, состоящего из стеклокомпозитного каната с металлическим проволочным сердечником с соотношением 3:1 (стеклокомпозит: металл) (кривая С-С). Все образцы одинакового сечения.The sample is glass-composite polymer reinforcement, round cross-section, reinforced in the center with low-carbon wire. The mechanical properties of reinforcement components differ dramatically. The tensile strength of glass composite is up to three times higher than that of steel, while the modulus of elasticity of steel is approximately 4 times higher than that of glass composite. The glass-polymer composite is very brittle, and steel has a pronounced yield plateau. In fig. Figure 4 shows load-deformation graphs for a metal rod (curve A-A), for a glass composite rope (curve B-B) and for a combined element consisting of a glass composite rope with a metal wire core with a ratio of 3:1 (glass composite: metal ) (C-C curve). All samples are of the same cross-section.

В этом варианте, по мере роста растягивающей нагрузки удлинение металлостеклокомпозитного стержня подчиняется «правилу смеси», модуль упругости в начальном диапазоне нагрузки пропорционален объемному соотношению стеклокомпозита и стали в сечении стержня. При достижении определенного уровня напряжений (точка Е), такая сталь начинает «течь», но не разрушается. После этого вклад стальной проволоки в общее сопротивление некоторое время остается практически постоянным, сталь продолжает сопротивляться и воспринимать свою часть нагрузки до удлинения 10-15 %. При этом, сопротивление комбинированного каната продолжает оставаться близким к своему максимальному значению (точка D) до удлинения 7-8 %. In this option, as the tensile load increases, the elongation of the metal-glass-composite rod obeys the “mixture rule”; the elastic modulus in the initial load range is proportional to the volumetric ratio of the glass-composite and steel in the cross-section of the rod. When a certain stress level is reached (point E), such steel begins to “flow”, but does not collapse. After this, the contribution of the steel wire to the total resistance remains practically constant for some time; the steel continues to resist and take its part of the load until the elongation is 10-15%. At the same time, the resistance of the combined rope continues to remain close to its maximum value (point D) until an elongation of 7-8%.

Таким образом, при превышении границы текучести металлического сердечника стержень продолжает работать с образованием пластических деформаций, не свойственных для «чистого» стеклокомпозита – материал приобретает свойство «псевдопластичности», т.е. со значительным увеличением предельной деформации при разрыве.Thus, when the yield limit of the metal core is exceeded, the rod continues to work with the formation of plastic deformations that are not characteristic of “pure” glass composite - the material acquires the property of “pseudo-plasticity”, i.e. with a significant increase in the ultimate strain at break.

Эффект армирования бетонных конструкций такой сталью – исключение возможности хрупкого разрушения при превышении предельной деформации стеклокомпозита. При определенных сочетаниях (стеклокомпозит: металл) такая арматура может соответствовать требованиям, предъявляемым к арматуре для строительства в сейсмических районах, что отличает ее от обычной стеклокомпозитной арматуры (Свод правил СП 14.13330.2014 «СНиП II-7-81* Строительство в сейсмических районах.»)The effect of reinforcing concrete structures with such steel is to eliminate the possibility of brittle fracture when the maximum deformation of the glass composite is exceeded. With certain combinations (glass composite: metal), such reinforcement can meet the requirements for reinforcement for construction in seismic areas, which distinguishes it from conventional glass composite reinforcement (Code of Rules SP 14.13330.2014 “SNiP II-7-81* Construction in seismic areas. ")

Технологический эффект дополнительно заключается в том, что канату, армированному пластичной проволокой можно придавать любую сложную форму до или после пропитки связующим (до термообработки) и получать арматурные изделия сложной формы для бетонных конструкций.The technological effect additionally lies in the fact that a rope reinforced with plastic wire can be given any complex shape before or after impregnation with a binder (before heat treatment) and obtain reinforcement products of complex shapes for concrete structures.

Claims (5)

1. Комбинированный металловолоконный канат, свитый из по меньшей мере трех скрученных жгутов из стеклянного, базальтового, углеродного или синтетического волокна, отличающийся тем, что включает центральный прямолинейный металлический сердечник, вокруг которого навиты жгуты с расчетным шагом, причем скрутка вокруг сердечника выполнена в противоположную сторону от скрутки жгутов, площадь сечения металлического сердечника от 2 до 25% от общей площади сечения каната.1. A combined metal fiber rope, twisted from at least three twisted bundles of glass, basalt, carbon or synthetic fiber, characterized in that it includes a central straight metal core, around which the bundles are wound with a calculated pitch, and the twist around the core is made in the opposite direction from twisting of bundles, the cross-sectional area of the metal core is from 2 to 25% of the total cross-sectional area of the rope. 2. Канат по п.1, отличающийся тем, что сердечник выполнен из плющеной металлической проволоки. 2. The rope according to claim 1, characterized in that the core is made of flattened metal wire. 3. Канат по п. 1, отличающийся тем, что канат скручен в 5-40 скруток на один погонный метр, а каждый жгут – 10-60 скруток в противоположную сторону.3. The rope according to claim 1, characterized in that the rope is twisted in 5-40 twists per linear meter, and each bundle is 10-60 twists in the opposite direction. 4. Канат по пп. 1-3, отличающийся тем, что канат пропитан полимерным или серным связующим.4. Rope according to paragraphs. 1-3, characterized in that the rope is impregnated with a polymer or sulfur binder. 5. Канат по п.4, отличающийся тем, что канату перед термообработкой придана изогнутая форма.5. The rope according to claim 4, characterized in that the rope is given a curved shape before heat treatment.