Композитное армирующее изделие

Изобретение относится к композитным армирующим изделиям для строительных конструкций и может быть использовано для армирования бетонных конструкций, крепления различных грунтов и др. Изделие содержит несущий стержень и усиливающую обмотку из волокнистого наполнителя, пропитанного полимерным связующим. Полимерное связующее содержит (мас.%): эпоксидную смолу - 8-14, изометилтетрагидрофталиевый ангидрид - 8-14, ускоритель полимеризации - 0,4-1,0 и модифицирующую добавку - ароматический сопряженный гидроксифенилен - 1,8-3,0. Волокнистый наполнитель выполнен из минеральных углеродных волокон. Изобретение позволяет повысить эксплуатационные характеристики композитного армирующего изделия. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 пр.

 

Изобретение относится к элементам строительных конструкций и может быть использовано для армирования бетонных конструкций, крепления различных грунтов, устройства кирпичной кладки, штроб, производства сеток, заборов, экранов, крепежных штырей, упрочняющей обвязки при прокладке кабельных каналов и др.

Известен стержень для армирования бетона (RU 2220049, B32B 17/04, E04C 5/07, 2003), выполненный из стекловолокнистого ровинга и усиливающей обмотки, пропитанных поочередно полимерным связующим, включающим эпоксидно-диановую смолу, отвердитель - изометилтетрагидрофталиевый ангидрид (ИМТГФА) и ускоритель полимеризации - триэтиламин при следующем содержании компонентов в изделии, мас.%:

стекловолокнистый наполнитель с обмоткой - 60-80;

отвердитель ИМТГФА -10-20;

ускоритель триэтаноламин - 0,01-0,09;

смола - остальное.

Термоотверждение осуществляют при 120-140°С протягиванием пропитанного связующим стекловолокнистого ровинга через две термокамеры с инфракрасным излучателем и через камеру термостатирования в течение 180-240 с.

Недостатками известного стержня для армирования бетона являются недостаточно высокая прочность (предел прочности при растяжении - 1090 МПа) и низкая эластичность, что обусловлено параметрами изготовления стержня и составом связующего.

Известен стержень для армирования бетона по авторскому свидетельству SU 1761903, E04C 5/07, 1992, изготовленный из пучка базальтовых нитей, скрепленных полимерным связующим, и оплетки, выполненной также из базальтовой нити. Полимерное связующее содержит эпоксидную смолу с отвердителем и ускорителем отверждения при соотношении компонентов в композиции, 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, пропитывают связующим, отверждение стержня производят при прохождении его через восемь термокамер в режиме ступенчатого нагрева и охлаждения, а формование осуществляют путем протягивания пропитанного связующим пучка нитей через отжимное устройство и фильеры.

Известный стержень имеет предел прочности на растяжение 1060 МПа и степень полимеризации 82,3 мас.%, что является недостаточным так же, как и недостаточно высокая эластичность.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является стержень для армирования бетона по патенту на полезную модель RU 77309, E04C 5/07, 2008, бюл. 29, который содержит несущий стержень и обмотку. Несущий стержень выполнен из волокнистого наполнителя, пропитанного полимерным связующим на основе эпоксидной смолы, отвердителя и ускорителя полимеризации. Несущий стержень усилен как минимум одним дополнительным жгутом, скрученным как минимум из одной нити волокнистого наполнителя и пропитанным полимерным связующим. Полимерное связующее содержит продукт взаимодействия эпоксидной алифатической смолы ТЭГ-1 с уретановым каучуком при следующем соотношении компонентов, мас.%:

волокнистый наполнитель - 49,8-69,13;

эпоксидная смола ЭД-20 - 17,1-27,6;

отвердитель ИМТГФА - 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.

Недостаток ближайшего аналога заключается в том, что он не обеспечивает достаточную эксплуатационную прочность (предел прочности на растяжение - не более 1460 МПа).

Технической задачей является создание композитного армирующего изделия с высокими эксплуатационными характеристиками.

Технический результат заключается в повышении прочности композитного армирующего изделия при высоких показателях эластичности, долговечности, стойкости к воздействию агрессивных сред.

Технический результат достигается тем, что в композитном армирующем изделии, содержащем несущий стержень и усиливающую обмотку, выполненные из волокнистого наполнителя, пропитанного полимерным связующим на основе эпоксидной смолы, отвердителя - изометилтетрагидрофталиевого ангидрида, ускорителя полимеризации, согласно изобретению, волокнистый наполнитель выполнен из минеральных волокон, а полимерное связующее содержит модифицирующую добавку в виде гидроксилсодержащего ароматического олигомера, при следующем соотношении компонентов в изделии, мас.%:

волокнистый наполнитель	70-80
эпоксидная смола	8-14
изометилтетрагидрофталиевый ангидрид	8-14
ароматически сопряженный гидроксифенилен	1,8-3,0
ускоритель полимеризации	0,4-1,0

Кроме того, согласно изобретению, волокнистый наполнитель выполнен из углеродных волокон.

Кроме того, согласно изобретению, полимерное связующее может содержать модифицирующую добавку на основе лапроксида.

На фигуре представлена таблица, иллюстрирующая зависимость свойств композитного армирующего изделия от количественных соотношений компонентов в его составе.

В таблице представлены следующие составы композиции (мас.%).

1. Состав для изделия, выполненного по ТУ 5769-001-83269053-2010 (в данном составе отсутствует модифицирующая добавка)

стекловолокнистый наполнитель с обмоткой - (60 - 80);

отвердитель ИМТГФА - (10-20);

ускоритель триэтаноламин - (0,01-0,09);

смола - остальное.

2. Состав №1

волокнистый наполнитель - 76,8;

эпоксидная смола - 10;

изометилтетрагидрофталиевый ангидрид - 10;

ароматически сопряженный гидроксифенилен - 1,8;

ускоритель полимеризации - 0,4;

лапроксид БФ - 1.

3. Состав №2

волокнистый наполнитель - 72,6;

эпоксидная смола - 13;

изометилтетрагидрофталиевый ангидрид - 10;

ароматически сопряженный гидроксифенилен - 2,6;

ускоритель полимеризации - 0,8;

лапроксид ДЭГ-1 - 1.

4. Состав №3

волокнистый наполнитель - 72;

эпоксидная смола - 11;

изометилтетрагидрофталиевый ангидрид - 12;

ароматически сопряженный гидроксифенилен - 3,0;

ускоритель полимеризации - 1,0;

лапроксид БФ - 1.

Как видно из таблицы, наилучшие показатели прочностных свойств армирующего изделия достигаются при использовании гидроксилсодержащего ароматического олигомера в количествах, которые приходятся на средние значения указанного интервала его содержания 1,8-3,0% от общего состава композиции.

Композитное армирующее изделие, содержащее несущий стержень и усиливающую обмотку, выполненные из минеральных или углеродных волокон, пропитанных полимерным связующим, содержащим модифицирующую добавку в виде ароматически сопряженного гидроксифенилена со среднечисленной молекулярной массой 300 у.е. марки АРГОФ-3, имеет повышенную прочность на растяжение - от 1500 МПа при других высоких эксплуатационных параметрах. Высокая прочность предлагаемого композитного армирующего изделия обеспечивается за счет повышения прочности полимерной матрицы и повышения прочности сцепления матрицы и волокнистого наполнителя. Введение в полимерное связующее модификатора в виде ароматически сопряженного гидроксифенилена со среднечисленной молекулярной массой 300 у.е. марки АРГОФ-3 в количестве 1,8-3,0 мас.% изделия приводит к структурированию полимерной матрицы, придавая ей высокую прочность, минимальную усадку, устойчивость к температурным, радиационным и химическим воздействиям. Использование модификатора в количестве, меньшем чем 1,8 и большем чем 3,0 мас.%, на повышение прочности связующего не влияет. Наличие гидроксильных групп в эпоксидном связующем способствует хорошему сцеплению матрицы с минеральным или углеродным волокном и несущего стержня с волокном обмотки, что также влияет на повышение прочности композитного армирующего изделия в целом. Применение модификатора на основе простых полиэфиров спиртов, содержащих глицидиловые группы, марок Лапроксид БФ (моноглицедиловый эфир алкилфенола) или Лапроксид ДЭГ-1 (диглицидиловый эфир диэтиленгликоля) в количестве 0,8-1,4 мас.% изделия повышает степень пропитки волокнистого наполнителя, что улучшает эксплуатационные свойства композитного армирующего изделия.

Композитное армирующее изделие содержит несущий стержень с выполненной на нем тангенциальной обмоткой, пропитанные полимерным связующим.

Несущий стержень выполнен из минеральных волокон, например стеклянных или базальтовых. Несущий стержень может быть выполнен из углеродных волокон. Обмотку ровингом или нитями из минеральных или углеродных волокон выполняют с заданным шагом в зависимости от диаметра несущего стержня, создавая периодический профиль композитного армирующего изделия. Несущий стержень и обмотка пропитаны эпоксидным связующим, имеющим в своем составе гидроксилсодержащий ароматический олигомер (АРГОФ-3).

Композитное армирующее изделие имеет ровную, гладкую, блестящую, без трещин и сколов поверхность от светло-желтого до темно-коричневого и черного цвета, в зависимости от используемых волокон.

Изготовление композитного армирующего изделия осуществляют, используя известные операции, включающие формирование несущего стержня, пропитку сформированного стержня полимерным связующим, формирование периодического профиля, полимеризацию связующего в режиме нагрева.

Несущий стержень формируют из однонаправленных минеральных, таких, например, как базальтовые или стекловолокна. Несущий стержень выполняют диаметром от 2 до 19 мм. Сформированный стержень пропитывают в ванне с полимерным связующим. При 70-80 мас.% волокнистого наполнителя в композитном изделии в состав связующего входят эпоксидная смола неотвержденная 8-14 мас.%, отвердитель - изометилтетрагидрофталиевый ангидрид 8-14 мас.%, модификатор - ароматически сопряженный гидроксифенилен со среднечисленной молекулярной массой 300 у.е. марки АРГОФ-3 1,8-3,0 мас.%, ускоритель полимеризации 0,4-1,0 мас.%. Эпоксидную смолу используют, например, марки DER-330. В качестве гидроксилсодержащего ароматического олигомера применяют ароматический сопряженный гидроксифенилен марки АРГОФ 3. Для указанного оптимального соотношения компонентов связующего, влияющих на повышение прочностных характеристик композитного армирующего изделия, в качестве ускорителя полимеризации целесообразно использовать ускоритель марки К-54 (2,4,6-трисдиметиламинометилфенол). В состав связующего может быть добавлен модификатор на основе простых полиэфиров спиртов, содержащих глицидиловые группы, марки Лапроксид БФ (моноглицедиловый эфир алкилфенола) или Лапроксид ДЭГ-1 (диглицидиловый эфир диэтиленгликоля) в количестве 0,8-1,4% массовой доли изделия. Несущий стержень и обмотка могут быть выполнены из углеродных волокон. Композитные армирующие изделия с наполнителем в виде углеродных волокон, пропитанных указанным составом, обладают высокими прочностными характеристиками, но отличаются высокой ценой, поэтому менее востребованы.

Осуществляют тангенциальную обмотку сформированного несущего стержня нитями из базальтовых или стекловолокон, или углеродных волокон с заданным шагом. Во время обмотки нити вдавливаются в несущий стержень, отжимая и впитывая излишки полимерного связующего, за счет чего стержень получается более плотный с ровной, гладкой поверхностью. Полимерное связующее, включающее модификаторы на основе ароматически сопряженного гидроксифенилена со среднечисленной молекулярной массой 300 у.е. марки АРГОФ-3 и на основе простых полиэфиров спиртов, содержащих глицидиловые группы, таких как Лапроксид БФ (моноглицедиловый эфир алкилфенола) или Лапроксид ДЭГ-1 (диглицидиловый эфир диэтиленгликоля), в количестве 0,8-1,4% массовой доли изделия, по своим свойствам дает возможность большей и более качественной пропитки, улучшая тем самым скрепление нитей наполнителя, повышая прочность и водонепроницаемость. Затем в режиме нагрева проводят отверждение полимерного связующего. Использование ускорителя полимеризации марки К-54 (2,4,6-трисдиметиламинометилфенола) значительно ускоряет процесс отверждения связующего. Полученное композитное армирующее изделие охлаждают и разрезают на отрезки заданной длины.

Проведенные исследования заявляемого композитного армирующего изделия показали повышение прочностных свойств по сравнению с ближайшим аналогом: разрушающее напряжение при растяжении изделия из ровинга из алюмоборосиликатного стекла марки Е не менее 1500 МПа, из базальтового стекла не менее 1660 МПа при других высоких характеристиках изделия.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить эксплуатационные характеристики композитного армирующего изделия за счет повышения прочностных свойств изделия при сохранении высоких эксплуатационных параметров изделия.

Ароматический сопряженный гидроксифенилен (АРГОФ-3) может быть получен из резорцина, пирокатехина, пирогаллола и гидрохинона, а также из алкилзамещенных резорцинов, полученных при дистилляции продуктов сжигания сланцев.

Сравнение свойств арматуры в зависимости от содержания модифицирующей добавки в составе изделий
Наименование показателя	% содержание ароматически сопряженного гидроксифенилена
0	1,8	2,6	3
1. Физико-механические:
1.1 Модуль упругости при статическом изгибе поперек волокон, МПа, не менее	-	1100	1200	1150
1.2 Модуль упругости при растяжении, МПа, не менее	1200	1449	1500	1470
1.3 Относительное удлинение при растяжении до деформации, %, не менее	2,2	2,2	2,2	2,2
2. Химические:
2.1 Водопоглащение, %, не более	0,3	0,2	0,2	0,28
2.2 Щелочестойкость (10% раствор гидроксида натрия), %, не более	4,96	4,96	4,96	5,00
2.3 Стойкость к действию серной кислоты, %, не более	0,3	0,28	0,2	0,28
2.4 Стойкость к действию морской воды, %, не более	0,9	0,6	0,5	0

1. Композитное армирующее изделие, содержащее несущий стержень и усиливающую обмотку, выполненные из волокнистого наполнителя, пропитанного полимерным связующим на основе эпоксидной смолы, отвердителя - изометилтетрагидрофталиевого ангидрида, ускорителя полимеризации, отличающееся тем, что волокнистый наполнитель выполнен из минеральных волокон, а полимерное связующее содержит модифицирующую добавку в виде ароматически сопряженного гидроксифенилена, при следующем соотношении компонентов в изделии, мас.%:

волокнистый наполнитель	70-80
эпоксидная смола	8-14
изометилтетрагидрофталиевый ангидрид	8-14
ароматически сопряженный гидроксифенилен	1,8-3,0
ускоритель полимеризации	0,4-1,0

2. Композитное армирующее изделие по п.1, отличающееся тем, что волокнистый наполнитель выполнен из углеродных волокон.

3. Композитное армирующее изделие по п.1, отличающееся тем, что полимерное связующее дополнительно содержит модифицирующую добавку на основе лапроксида.