Стержень для армирования бетона и способ его изготовления

Изобретение относится к композиции и способу изготовления стержня для армирования бетона. Описывается стержень, изготовленный из полимерного связующего и волокнистого наполнителя (мас.%) 49,8-69,13. В качестве волокнистого наполнителя используют нити стеклянных, базальтовых волокон. Полимерное связующее содержит (мас.%): эпоксидную смолу ЭД-20 14,1-27,6, изометилтетрагидрофталевый ангидрид 13,6-22,1, продукт взаимодействия эпоксидной алифатической смолы ТЭГ-1 с уретановым каучуком 0,12-0,42, ускоритель УП-606/2 0,05-0,08. Способ изготовления стержня заключается в том, что как минимум из одной нити волокнистого наполнителя формируют как минимум один усиливающий жгут, причем массовая доля усиливающих жгутов не должна превышать 30% общей массы наполнителя. Нити и жгуты термообрабатывают, пропитывают полимерным связующим, отжимают и объединяют в единый стержень путем выполнения спиральной намотки обмоточным жгутом. Сформированный стержень протягивают через три термокамеры в режиме ступенчатого нагрева. Скорость протягивания 0,055-0,067 м/с. Способ и композиция обеспечивают получение арматурного стержня с высокими прочностными свойствами: деформация при растяжении достигает 5%, прочность на разрыв 1460 МПа. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к элементам строительных конструкций, а именно к арматуре для бетона, составу и способу изготовления ее из неметаллического материала, которая применяется для армирования бетонных конструкций как конструкционный материал для замены металлических и деревянных деталей, для армирования грунта основания зданий и сооружений, в том числе оснований автомагистралей дорог.

Известен стержень для армирования бетона (RU 2220049, опубл. 27.12.2003, В32В 17/04, Е04С 5/07), который получают пропиткой сформированного жгута из стекловолокнистого ровинга полимерным связующим, содержащим эпоксидно-диановую смолу, изометилтетрагидрофталевый ангидрид (ИМТГФА) в качестве отвердителя и триэтаноламин в качестве ускорителя отверждения при соотношении компонентов в стержне, % мас.: наполнитель 60-80, ИМТГФА 10-20, триэтаноламин 0,01-0,09, остальное смола. Термоотверждение осуществляют при 120-140°С протягиванием пропитанного жгута через две термокамеры с инфракрасным излучателем и через камеру термостатирования в течение 180-240 сек. Полученные стержни имеют недостаточную прочность на растяжение 1090 МПа и низкую эластичность. Недостатком процесса является длительное время отверждения связующего.

Известен способ изготовления стержня (RU 2287431, опубл. 20.11.2006, В29С 55/30, Е04С 5/07), в котором из нитей ровинга формируют от 2 до 7 отдельных пучков, затем каждый пучок раздельно пропитывают полимерным связующим на основе эпоксидных смол, отжимают, протягивают по отдельным продольным каналам и формуют профиль арматуры путем объединения пучков ровинга в единый стержень при выполнении спиральной намотки обмоточным жгутом, причем угол схода ровинга с формирующего устройства, при котором осуществляется объединение пучков ровинга, равен 30-179°. После этого стержень поступает в камеру полимеризации, где происходит отверждение связующего. Разрушающее напряжение полученных стержней при разрыве составляет 1331 МПа, относительное удлинение 2,5%.

Недостатком такого способа является недостаточные прочность и эластичность полученных стержней.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является стержень для армирования бетона (SU 1761903, опубл. 15.09.92, Е04С 5/07, прототип), изготовленный из пучка базальтовых нитей, скрепленных полимерным связующим, образованным из эпоксидной смолы с отвердителем и ускорителем отверждения при соотношении компонентов, мас.ч.: базальтовые нити 40,5-69,2, смола эпоксидная ЭД 9-10, отвердитель ИМТГФА 6-7, ускоритель УП 606/2 0,3-0,4. Сформированный пучок базальтовых нитей подвергают термообработке в камере отжига при температуре 150-200°С, затем пропитывают связующим в закрытой ванне при температуре 30-50°С, а отверждение стержня производят при прохождении его через восемь термокамер в режиме ступенчатого нагрева и охлаждения соответственно при температурах, °С: 78-82, 140-150, 158-162, 170-174, 178-180, 169-172, 133-140, 50-60. Формование поперечного стержня осуществляют путем протягивания пропитанного связующим пучка нитей через отжимное устройство и через фильеру, установленную на выходе из пропиточной ванны, через вторую и третью фильеры, установленные после термокамеры до и после оплеточного устройства. Скорость протягивания стержня составляет 0,0075-0,0083 м/с, время полимеризации 867-960 с.

Недостатком полученных стержней является сравнительно низкая эластичность и недостаточная прочность - предел прочности на растяжение 1060 МПа, а также длительность процесса и низкая степень полимеризации связующего (82,3%).

Задачей изобретения является повышение эксплуатационных свойств арматурного стержня, а именно - прочности и эластичности, а также снижение длительности процесса изготовления стержня и повышение степени полимеризации.

Поставленная задача достигается тем, что стержень для армирования бетона состоит из композиции, которая содержит волокнистый наполнитель и полимерное связующее, образованное из эпоксидно-диановой смолы, отвердителя изометилтетрагидрофталевого ангидрида, ускорителя полимеризации УП-606/2 (2,4,6-трис-(диметиламинометил)фенол) и продукта взаимодействия эпоксидной алифатической смолы ТЭГ-1 (глицидиловый эфир триэтиленгликоля) с уретановым каучуком, который представляет собой продукт взаимодействия простого полиэфира политетраметиленгликоля с 2,4-толуилендиизоцианатом, при соотношении компонентов, мас.%: волокнистый наполнитель 49,8-69,13, эпоксидная смола ЭД-20 14,1-27,6, изометилтетрагидрофталевый ангидрид 13,6-22,1, продукт взаимодействия эпоксидной алифатической смолы ТЭГ-1 с уретановым каучуком 0,12-0,42, ускоритель УП-606/2 0,05-0,08.

В качестве волокнистого наполнителя используют нити базальтовых, стеклянных волокон. Снижение и повышение содержания волокнистого наполнителя за пределы указанного интервала ведет к уменьшению прочности стержней. Увеличение содержания связующего, в частности эпоксидной смолы ЭД-20 выше 27,6 мас.% и уменьшение ниже 14,1 мас.% нарушает процесс полимеризации, что снижает прочность стержня и щелочестойкость. Уменьшение содержания ускорителя УП 606/2 приводит к замедлению процесса полимеризации. В результате связующее не успевает загустеть и с избытком отжимается, за счет чего происходит плохое смачивание волокнистого наполнителя. Увеличение УП 606/2 в связующем ускоряет процесс полимеризации, что в свою очередь уменьшает жизнеспособность связующего, а это вызывает неравномерное смачивание, забивание фильер и перерасход связующего.

Отвердитель изометилтетрагидрофталевый ангидрид в сочетании с ускорителем являются инициаторами полимеризации и определяют жизнеспособность полимерного связующего, которая уменьшается при содержании отвердителя выше 22,1 и ниже 13,6 мас.%. Введение в полимерное связующее продукта взаимодействия эпоксидной алифатической смолы ТЭГ-1 с уретановым каучуком в количестве 0,12-0,42 мас.% повышает прочностные свойства полимерного связующего - деформацию при растяжении стержня и щелочестойкость. Увеличение его количества нецелесообразно из-за повышения стоимости стержня.

В способе изготовления стержня для армирования бетона поставленная задача достигается за счет того, что как минимум из одной нити волокнистого наполнителя скручивают как минимум один усиливающий жгут, который совместно с нитями волокнистого наполнителя подвергают термообработке, пропитывают полимерным связующим, отжимают и объединяют в единый стержень при выполнении спиральной намотки обмоточным жгутом. Стержень может содержать один усиливающий жгут и более, которые могут быть сформированы из разного сочетания скрученных нитей, но при этом массовая доля усиливающих жгутов не должна превышать 30% общей массы волокнистого наполнителя. При увеличении количества волокнистого наполнителя, используемого для изготовления усиливающих жгутов более 30%, ухудшается их пропитка связующим, что приводит к снижению прочности стержня. Для осуществления способа используют полимерное связующее, образованное на основе эпоксидно-диановой смолы, отвердителя изометилтетрагидрофталевого ангидрида, ускорителя полимеризации УП-606/2 и продукта взаимодействия эпоксидной алифатической смолы ТЭГ-1 с уретановым каучуком при соотношении компонентов, мас.%: волокнистый наполнитель 49,8-69,13, эпоксидная смола ЭД-20 14,1-27,6, изометилтетрагидрофталевый ангидрид 13,6-22,1, продукт взаимодействия эпоксидной алифатической смолы ТЭГ-1 с уретановым каучуком 0,12-0,42, ускоритель УП-606/2 0,05-0,08.

Количество усиливающих жгутов и нитей волокнистого наполнителя, присутствующих в стержне, зависит от диаметра изготавливаемого стержня, например, для изготовления стержня диаметром 10 мм необходимы нити с 32 бобин, а при изготовлении этого же стержня из нитей волокнистого наполнителя и 3 усиливающих жгутов, сделанных из двух пар скрученных нитей, требуется всего 29 бобин. Заявляемый способ осуществляют на установке, включающей скручивающее устройство, обогреваемую ванну для связующего, камеру отжига, отжимное устройство, оплеточное устройство, камеру полимеризации и отверждения, тянущее устройство и узел резки.

Сформированные жгуты и нити волокнистого наполнителя проходят термообработку в камере отжига при температуре 150-200°С, где удаляется поверхностная влага и замасливатель и поступают в ванну с полимерным связующим, в которую дозируют расчетное количество компонентов связующего. Формование стержня осуществляют путем протягивания пропитанных нитей и жгутов через отжимное устройство, где отжимают излишки связующего и затем объединяют усиливающие жгуты и нити в единый стержень путем осуществления спиральной намотки обмоточным жгутом. Обмотку осуществляют нитью стекловолокна, базальтовой, хлопчатобумажной или жгутом из скрученных нитей диаметром 1-5 мм с шагом оплетки 2-12 мм. После оплеточного устройства стержень протягивают через три термокамеры, где происходит отверждение стержня в режиме ступенчатого нагрева и охлаждения соответственно при температурах, °С, 145-150, 190-200, 145-150. В предлагаемом температурном режиме происходит горячее отверждение стержня и достигается более полная полимеризация. Изменение температурного режима ведет к нарушению процесса полимеризации и нарушению структуры стержня. Использование предлагаемой композиции в заявляемых соотношениях компонентов снижает время отверждения стержня до 100 с и позволяет увеличить скорость протягивания до 0,055-0,067 м/с. Отвержденный стержень охлаждают и разрезают на отрезки необходимой длины.

По данному способу получают стержни с высокой степенью полимеризации 95% и прочностью на растяжение 1460 МПа.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет улучшить свойства стержней для армирования бетона. Добавление к полимерному связующему продукта взаимодействия эпоксидной алифатической смолы ТЭГ-1 с уретановым каучуком улучшает его свойства и свойства композитной арматуры: деформация при растяжении композитной арматуры увеличивается с 2,5% (у аналогов и прототипа) до 5%, и повышается стойкость стержней в щелочной среде.

Новый способ изготовления стрежня за счет введения усиливающих жгутов волокнистого наполнителя, когда жгуты выполнены из скрученных нитей, позволяет увеличить прочность стержня и снизить расход волокнистого наполнителя.

Увеличение скорости протягивания стержня и сокращение камер термоотверждения значительно снижает время изготовления стержня.

Следующие примеры иллюстрируют предлагаемое изобретение, но не ограничивают его.

Пример 1.

19 бобин с нитями стекловолокна устанавливают на этажерке. Нити натягивают, две нити направляют на скручивающее устройство для формирования усиливающего жгута, после чего сформированный жгут и нити проходят камеру отжига при температуре 180°С и поступают в ванну, обогреваемую до 40°С, в которую загружают 2,5 кг полимерного связующего. Полимерное связующее готовят в емкости при перемешивании в следующем соотношении: эпоксидно-диановая смола (ЭД-20) - 1,410 кг, продукт взаимодействия эпоксидной алифатической смолы ТЭГ-1 с уретановым каучуком (УРЭП-ПЛ) - 0,011 кг, изометилтетрагидрофталевый ангидрид (ИМТГФА) - 1,075 кг, УП-606/2 - 0,004 кг. Пропитанные нити и жгуты пропускают через отжимное устройство, при выходе из которого их обматывают жгутом с шагом 12 мм. Сформированный стержень поступает в первую термокамеру с температурой 150°С, затем во вторую с температурой 190°С и в третью с температурой 150°С, скорость протягивания составляет 0,055 м/с. Отвержденный стержень охлаждают водой и разрезают.

Примеры 2-7. Процесс проводят аналогично примеру 1. Условия, соотношения компонентов и свойства полученных стержней приведены в таблице.

1. 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 при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

волокнистый наполнитель	49,8-69,13
эпоксидная смола ЭД-20	14,1-27,6
изометилтетрагидрофталевый ангидрид	13,6-22,1
продукт взаимодействия эпоксидной алифатической
смолы
ТЭГ-1 с уретановым каучуком	0,12-0,42
ускоритель УП 606/2	0,05-0,08

2. Способ изготовления стержня для армирования бетона, включающий термообработку волокнистого наполнителя, пропитку его полимерным связующим на основе эпоксидно-диановой смолы, отвердителя изометилтетрагидрофталевого ангидрида, ускорителя полимеризации УП-606/2, протягивание через отжимное устройство, формование поперечного профиля стержня и отверждение полимерного связующего, отличающийся тем, что как минимум из одной нити волокнистого наполнителя скручивают как минимум один усиливающий жгут, который совместно с нитями волокнистого наполнителя подвергают термообработке, пропитывают полимерным связующим, отжимают, после чего нити и жгут объединяют в единый стержень, при этом массовая доля усиливающих жгутов не превышает 30% общей массы волокнистого наполнителя, а полимерное связующее дополнительно содержит продукт взаимодействия эпоксидной алифатической смолы ТЭГ-1 с уретановым каучуком при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

волокнистый наполнитель	49,8-69,13
эпоксидная смола ЭД-20	14,1-27,6
изометилтетрагидрофталевый ангидрид	13,6-22,1
продукт взаимодействия эпоксидной алифатической
смолы
ТЭГ-1 с уретановым каучуком	0,12-0,42
ускоритель УП 606/2	0,05-0,08.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что формование осуществляют путем протягивания пропитанных нитей и жгутов через отжимное устройство с последующим объединением их в единый стержень путем спиральной намотки обмоточным жгутом.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что отверждение осуществляют в режиме ступенчатого нагрева путем протягивания отформованного стержня через три термокамеры соответственно при температурах °С: 145-150, 190-200, 145-150.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что скорость протягивания составляет 0,055-0,067 м/с.