Гибкая полоса из полимерного материала, содержащая армирующие элементы, способ ее изготовления и объемная ячеистая конструкция, выполненная с ее использованием
Изобретение относится к области строительства, а именно к созданию объемных ячеистых конструкций, например геоячеек или пространственно-полимерных георешеток, используемых для усиления геотехнических сооружений и укрепления слабых оснований промышленных и гражданских объектов, а также откосов береговых линий и русел водоемов, при строительстве аэродромов, дорожных одежд, откосов, подпорных стенок. Изобретение может быть использовано в нефтегазовой, транспортной, гидротехнической и других отраслях народного хозяйства. Гибкая полоса из полимерного материала для изготовления объемной ячеистой конструкции содержит армирующие элементы и выступы, размещенные на поверхности полосы. Армирующие элементы размещены в контакте с поверхностью полосы и внедрены в указанные выступы в местах пересечения между собой выступов и армирующих элементов. Технический результат состоит в расширении арсенала средств, обеспечивающих создание объемных ячеистых конструкцией из гибких полос полимерного материала, которые характеризуются высокими показателями удельной прочности на разрыв, а также повышенной стойкостью к разрезанию полимерного материала армирующими элементами при поперечных нагрузках. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники
Изобретение относится к области строительства, а именно к созданию объемных ячеистых конструкций, например, геоячеек или пространственно-полимерных георешеток, используемых для армирования геотехнических конструкций и укрепления слабых оснований промышленных и гражданских сооружений, откосов береговых линий и русел водоемов, при строительстве аэродромов, дорожных одежд, откосов, подпорных стенок. Полоса может найти применение и в других отраслях строительства, требующих повышенных и стабильных показателей прочности и долговечности возводимых сооружений.
Уровень техники
Из уровня техники известны различные варианты изготовления полимерной полосы или ленты, содержащей армирующие элементы, предназначенной для использования в строительных технологиях. Например, из описания патент США US8182177, МПК: E02D29/02, опубликованного 22.05.2012, известна армированная стабилизирующая полоса, предназначенная для использования в земляных сооружениях. Указанная армированная стабилизирующая полоса содержит по меньшей мере на части своей длины армирующий элемент в виде шнура, расположенного внутри нее продольно. При этом следует отметить, что данный источник раскрывает армированную полосу, которая не является гибкой (легко сгибаемой), поэтому не может использоваться для изготовления объемных ячеистых конструкций, типа геоячеек. Указанная полоса применяется в плоских конструкциях. Кроме того, при получении данной полосы предусмотрено введение армирующего шнура в канал, который предварительно выполняют в корпусе полосы в продольном направлении. Операция изготовления специального канала для каждого армирующего элемента, а также размещения и закрепления армирующего элемента в указанном канале, является весьма трудоемкой, что значительно осложняет технологию изготовления.
Из описания патента Республики Корея KR101079004, МПК: D03D11/00; E02D17/20; E02D29/02, опубликованного 01.11.2011 известна полимерная полоса, армированная жгутами волокон, способ ее изготовления и плоская георешетка, изготовленная с ее использованием. Изобретение направлено на минимизацию ухудшения механических свойств при введении в состав полосы вспененного полимера за счет контроля размера и количества микропор пены.
Полимерная полоса включает в себя продольно расположенные жгуты волокон, размещенные в матрице из термопластичного полимера. Матрица полосы представляет собой вспененный полимер, содержащий мелкие поры, средний диаметр которых составляет 0,1-60 мкм. Пористость полимерной матрицы составляет 10 - 70%. Общая площадь поперечного сечения жгутов армирующих волокон составляет от 10 до 80% от поперечного сечения армированной полимерной полосы. Данная полоса не предназначена для использования в составе объемных ячеистых конструкций, типа геоячеек.
Из описания патента Республики Корея KR102073975, МПК: E02D29/02; E02D3/00, опубликованного 06.02.2020, известен способ производства ленты из вспененного термопластичного полимера, армированного волокном, собранным в пучки или жгуты. Лента используется при строительстве подпорных стен.
Причем в центре поперечного сечения ленты в продольном направлении матричного полимерного материала образована полость. Лента согласно данному изобретению выполнена из материала, который является легким и гибким, а кроме того, в материале ленты образована перфорация, обеспечивающая дренажные свойства материала ленты. Поверхность материала ленты имеет рельеф с продольными выступами по всей длине, при этом жгуты армирующих волокон, расположены под выступами рельефа. Лента не используется для изготовления геоячеек.
Из описания патента Китая на полезную модель CN212248182 (U), МПК: E01C3/04; E02D3/00; G01D21/02, опубликованного 29.12.2020, известна «Информационная геотехническая гибкая армированная полоса для изготовления плоской георешетки». Данная полоса содержит гибкую пластиковую матрицу, оптическое волокно и стальную проволоку для армирования. Из продольных полос поперечных полос методом плетения формируют плоскую георешетку, которую используют при сооружении подпорных стен. Полоса не используется для изготовления геоячеек.
В описании патента США US7993080, МПК: E02D17/18, опубликованном 09.08.2011, раскрыта объемная ячеистая конструкция для создания сейсмостойкой системы удержания земли при помощи геоячеек. Геоячейки изготовлены с использованием гибких полос из армированного волокном термопластичного полимера, являющегося сплавом или смесью полиолефина и технических термопластов, полиамида, полиэфира или многослойных полимеров, таких как многослойный полиэтиленовый полиамид или полиэтиленовый полиэфир. Материал, из которого изготовлены геоячейки, характеризуется модулем упругости при растяжении при скорости деформации 10% в минуту не менее 0,8 ГПа, пределом прочности при скорости деформации 10% в минуту не менее 10 МПа и показателем деформации ползучести не более 20% при нагрузке 50% предела текучести в течение 500 часов при 23°C. Этот полимерный материал подходит для изготовления полос для геоячеек.
В описании данного изобретения представлен пример, согласно которому полиэтилен высокой плотности, имеющий плотность 0,941 г/см3, был замешан в расплаве с помощью одношнекового экструдера при 260°C и экструдирован через плоскую фильеру, в которой ровинг из стекловолокна подавался в расплав, чтобы получить армированную непрерывным волокном композитную полосу. Содержание волокон в полимере установлено на уровне 15% от веса полосы. Расплав каландрировали, чтобы сформировать тисненую полосу, имеющую среднюю толщину 1,2 мм. Исходя из того, что армирующие элементы в виде стекловолокна подавались в объем расплава полимера, то получили армированную непрерывным волокном композитную полосу, в которой стекловолокно размещено внутри полимерной матрицы полосы, следовательно, при высоких поперечных нагрузках возможно прорезание тонкой полосы (1,2 мм) армирующими элементами, если диаметр армирующих элементов сопоставим с толщиной полосы.
Из описания евразийского патента EA014781, МПК: B32B27/08; C08J3/20; C08K7/00; E02D17/20, опубликованного 28.02.2011, известно «Геотехническое изделие и способ его изготовления». В соответствии с формулой изобретения известно геотехническое изделие, содержащее по крайней мере один слой, имеющий коэффициент теплового расширения меньше чем примерно 150 ppm/°С при температуре окружающей среды; сопротивление воздействию кислой среды больше, чем у полиамида, и/или сопротивление воздействию щелочной среды больше, чем у полиэтилентерефталата (ПЭТФ); сопротивление воздействию углеводородов больше, чем у полиэтилена высокой плотности (ПЭВП); модуль текучести по крайней мере 400 МПа при температуре 25°С, под нагрузкой, равной 20%, напряжения пластического течения и в продолжение 60 мин согласно стандарту ISO 899-1 Международной организации по стандартизации; 1% секущий модуль упругости при изгибе не менее чем по крайней мере 700 МПа при температуре 25°С согласно стандарту ASTM D790 Американского общества по испытанию материалов; причем по крайней мере один слой состоит из состава, содержащего: (а) примерно от 1 до 94,5% от веса состава по крайней мере одного полимера или олигомера, включающего в среднем по крайней мере одну функциональную группу на цепь полимера или олигомера, выбранную из карбоксила, ангидрида, оксирана, аминогруппы, амидогруппы, сложноэфирной группы, оксазолина, изоцианата или любых их комбинаций; (b) примерно от 5 до 98,5% от веса состава по крайней мере одного технического термопласта; (c) примерно от 0,5 до 94% от веса состава по крайней мере одного и (d) дополнительно, примерно до 93,5% от веса состава немодифицированного полиолефина, терполимера или сополимера этилена.
В качестве армирующего наполнителя предполагается использование порошка и/или нитевидных кристаллов, и/или волокон. Кроме того, в описании патента указано, что в одном из своих исполнений геотехническое изделие включает в себя элементы, повышающие трение по крайней мере на одной наружной поверхности изделия, где повышающие трение элементы включают, например, текстуры, и/или выпуклый рельеф, и/или рельеф с впадинами, и/или сквозные отверстия, и/или пальцеобразные тиснения, и/или волосообразные тиснения, и/или волнообразные тиснения, и/или выдавленные линии, и/или тиснения в виде связанных волокон или крупинок либо их сочетаний, и/или точек, и/или плетенок, и/или их комбинаций.
Таким образом, из данного патента известно использование тиснения для создания рельефа поверхности, а армирующие наполнители традиционно введены во внутренние слои полимерной матрицы.
Из описания патента США US8790036, СМПК: C09K17/00; E01C3/04, (PRS MEDITERRANEAN LTD [IL]), опубликованного 29.07.2014, известны «Геотехнические структуры и способ их изготовления». В патенте раскрыты геотехнические структуры, образованные из геосинтетического изделия и инкапсулированного гранулированного материала, диспергированного внутри или на поверхности материала изделия. В конкретных вариантах осуществления в качестве геосинтетического изделия используется геоячейка. Среди прочего, геотехнические конструкции могут использоваться для формирования дорог, автостоянок, мощеных поверхностей, а также земляного полотна и фундаментов автомобильных и железных дорог. В описании патента также раскрыта водопроницаемая геотехническая структура для использования на откосах, каналах, стенах и тротуарах. Для таких применений желательно сочетание высокой гидравлической проводимости, отличной устойчивости к эрозии и высокой несущей способности. Геотехническая структура содержит слой инкапсулированного гранулированного материала, который обеспечивает пористость даже при уплотнении. Геосинтетическое изделие может быть георешеткой, геоячейкой, геотканью, содержащими рубленные волокна или естественно волокнистый материал. Примеры волокон/волокнистых материалов включают стеклянные волокна, джутовые волокна, волокна кенафа, волокна конопли, льняные волокна, полиэфирные волокна и полиамидные волокна. Как описано ранее, инкапсулированный гранулированный материал либо помещается внутри материала георешетки/геоячейки/геоткани, либо на них. В случае рубленых волокон и естественно волокнистого материала волокна смешиваются с инкапсулированным гранулированным материалом, а затем уплотняются вместе с образованием геотехнической структуры. Волокна, размещенные в полимерной матрице, однако описание патента US8790036 не содержат рисунков или чертежей, более подробно поясняющих размещение волокон в материале полимерной ленты.
Из описания международной заявка WO2011045458, МПК: E01C11/16; E01C3/00; E02D17/20, опубликованной 21.04.2011, известен «Текстурированный или нетекстурированный перфорированный материал ячейки для объемной ячеистой защитной системы». Материал ячейки, поверхность которого перфорирована, позволяет проходить через отверстия перфораций корням, песку, а также трубам и кабелям, взаимодействуя с ячеистым материалом. Перфорация улучшает дренажные свойства, но не улучшает возможности быстрого закрепления ячеистой конструкции на грунте.
Из описания евразийского патента EA031743, МПК: E02D 17/20, опубликованного 28.02.2019, известно «Устройство для передачи нагрузки от развернутой сотовой конструкции, предназначенной для удерживания материала, сотовая ограничивающая система и способ передачи нагрузки от развернутой сотовой ограничивающей конструкции». Для изготовления сотовой конструкции используются перфорированные полимерные ленты, которые кроме круглых дренажных отверстий дополнительно содержат овальные отверстия для троса и крепежного ключа. Наличие овальных отверстий улучшает возможности быстрого закрепления ячеистой конструкции на грунте за счет использования соединительного крепежного ключа.
Из описания патента РФ на полезную модель RU186059, МПК: E02D 17/20, (ООО "ПРЕСТОРУСЬ" [RU]), опубликованного 28.12.2018, известен «соединитель георешеток». Соединитель георешеток представляет собой крепежный ключ для быстрого монтажа георешеток и закрепления в них армирующего троса.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения в отношении заявленной полосы из полимерного материала для изготовления объемной ячеистой конструкции является гибкая полимерная полоса, раскрытая в описание патента RU2474637, МПК: E01C 3/00, E02D 17/20, опубликованном 10.02.2013 и в п.12 его формулы изобретения. Указанная полоса выполнена из мерных отрезков полимерной ленты, содержащей в продольном направлении армирующие нити, и предназначена для производства пространственной полимерной решетки. Недостатком указанного технического решения является глубокое вдавливание армирующих нитей в полимерную матрицу ленты, в частности, внедрение армирующих нитей в ленту на глубину не менее толщины армирующей нити. Однако с учетом того, что для обеспечения высокой гибкости указанная лента имеет относительно малую толщину не более 1-2 мм, то диаметр использованной для армирования в данном изобретении нити, составляющий 0,2 мм, сопоставим с толщиной самой ленты, из-за чего возникает риск разрезания ленты армирующей нитью в условиях эксплуатации при высоких поперечных нагрузках.
Из описания патента РФ №2625058, МПК: E02D17/20, опубликованного 11.07.2017, известен выбранный за прототип способ изготовления гибкой армированной полосы из термопластичного полимерного материала, включающий:
экструдирование расплавленного материала с получением полимерного полотна,
укладку армирующих нитей на полотно,
каландрирование полотна при его нагреве до 120-200°С с обеспечением вдавливания армирующих нитей в полотно,
разрезание армированного полотна на листы,
перфорирование листов с получением дренажных отверстий,
раскрой листов на полосы,
причем используют армирующие нити, выполненные из полиэфира или лавсана состоящие из по меньшей мере двух волокнистых элементов, скрученных по всей своей длине, а перед укладкой армирующих нитей на полотно осуществляют их пропитку
каландрирование полотна осуществляют с обеспечением вдавливания армирующих нитей на глубину более 0,25 мм.
Недостатком известного способа является глубокое вдавливание армирующих нитей в материал полосы при каландрировании, что ослабляет стойкость полосы на срез при поперечных нагрузках.
Из описания патента РФ №2625058, МПК: E02D17/20, опубликованного 11.07.2017, известна объемная ячеистая конструкция, выполненная в виде армированной объемной георешетки из гибких полимерных полос, расположенных рядами и соединенных между собой в шахматном порядке по длине с образованием при растяжении в нормальном к их поверхности направлении объемной ячеистой конструкции, при этом полосы снабжены дренажными отверстиями, а также армированы в продольном направлении нитями, отличающаяся тем, что армирующие нити состоят из по меньшей мере двух волокнистых элементов, скрученных по всей своей длине.
Недостатком указанного технического решения является глубокое вдавливание армирующих нитей в полимерную матрицу ленты, в частности, внедрение армирующих нитей в ленту на глубину толщины армирующей нити, из-за чего возникает риск разрезания ленты армирующей нитью при высоких поперечных нагрузках на ячеистую конструкцию.
Заявленное изобретение направлено на преодоление недостатков, выявленных в аналогах, известных из уровня техники.
Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является расширении арсенала средств для усиления строительных конструкций и укрепления слабых оснований промышленных и гражданских сооружений, откосов береговых линий и русел водоемов, которая решается путем создание высокопрочных объемных ячеистых конструкций повышенной эксплуатационной надежности и стойкости при повышенных поперечных нагрузках за счет использования новой структуры гибкой полосы из полимерного материала, содержащей армирующие элементы на поверхности полосы, получение которой обеспечивается заявленным способом изготовления.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат заключается в расширении арсенала средств, обеспечивающих создание объемных ячеистых конструкцией из гибких полос полимерного материала, содержащих армирующие элементы, которые характеризуются высокими показателями удельной прочности, а также повышенной стойкостью к прорезанию полимерного материала армирующими элементами при поперечных нагрузках.
Для решения поставленной задачи заявлена группа изобретений, включающая гибкую полосу из полимерного материала для изготовления объемной ячеистой конструкции, способ изготовления гибкой полосы и объемная ячеистая конструкция, выполненная из упомянутых гибких полос.
Заявленная гибкая полоса из полимерного материала для изготовления объемной ячеистой конструкции содержит армирующие элементы и выступы, размещенные на поверхности полосы, причем армирующие элементы размещены в контакте с поверхностью полосы и внедрены в указанные выступы в местах пересечения между собой выступов и армирующих элементов.
В качестве армирующих элементов гибкая полоса из полимерного материала может содержать синтетические волокна, а также длинномерные нити или жгуты из них. Кроме того, армирующими элементами для заявленной полосы могут служить тканые или нетканые текстильные ленты, и тканые или вязаные сетки на основе полимерных материалов, оптическое волокно, проволочные элементы, стекловолокно, полоски стеклоткани, жгуты или нити из стекловолокна, а также минеральные волокна, например, базальтовые или асбестовые волокна, а также нити и тканые либо плетеные элементы из них.
В предпочтительном варианте заявленная гибкая полоса дополнительно характеризуется тем, что выступы, размещенные на поверхности полосы, образуют регулярный рельеф в виде тиснения, а армирующие элементы расположены на полосе в продольном направлении и выполнены в виде армирующих нитей из высокопрочных волокон, при этом высота выступов тиснения, толщина армирующей нити и толщина гибкой полосы, предпочтительно, связаны между собой следующим соотношением:
0,01 ≤ (a+c)/d ≤ 4, где
а - высота выступов тиснения, а=0,01-2 мм,
с - толщина нити, с=0,01-2 мм,
d - толщина гибкой полосы, d=1-2 мм.
Заявленная гибкая полоса в качестве армирующих нитей содержит нити, предпочтительно, с ворсистой поверхностью, выбранные из группы, включающей, лавсановые текстурированные нити, кордные нити, полиэфирные нити, полиамидные нити, полипропиленовые нити, полиэтиленовые нити, вискозные нити, полиэфирные лавсано-штапельные нити, либо упомянутые нити, комбинированные с композитными материалами. При этом прочность гибкой полосы и ее шаг ее армирования связаны следующим соотношением:
0,005 ≤ R×(h/b)×d ≤ 12, где
R - прочность гибкой полосы при растяжении при максимальной нагрузке кН/м,
b - шаг армирования; b ≥ 0,002 м,
d - толщина гибкой полосы, d=0,001-0,002 м,
h – ширина гибкой полосы, h=0,05-0,3 м.
Гибкая полоса в предпочтительном варианте реализации изобретения выполнена со сквозными овальными отверстиями.
Дополнительно гибкая полоса может быть выполнена со сквозными круглыми отверстиями для дренажа, при этом дренажные отверстия имеют диаметр предпочтительно от 6 до 13 мм, а общая площадь перфорации составляет от 3 до 25% на каждые 150 - 250 мм длины полосы.
Заявленная гибкая полоса дополнительно характеризуется тем, что в качестве полимерного материала она содержит полиэтилен низкого давления (HDPE) или линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE) или смесь полиэтилена низкого давления (HDPE) и линейного полиэтилена низкой плотности (LLDPE).
В другом варианте изготовления гибкая полоса в качестве полимерного материала может содержать полипропилен (PP) или гомополимер пропилена (PP HO), или металлоценовый полипропилен (MPP), или статистический сополимер пропилена (PPCP).
Заявлен способ изготовления гибкой полосы для производства объемной ячеистой конструкции, при этом указанная полоса выполнена из полимерного материала и содержит армирующие элементы и выступы, размещенные на поверхности полосы. Способ включает в себя экструзию полимерного материала с получением заготовки, укладку армирующих элементов на поверхность заготовки, обработку заготовки в валках с формированием на поверхности заготовки выступов, раскрой заготовки на полосы. При обработке заготовки в валках на этапе формирования выступов дополнительно осуществляют внедрение армирующих элементов в указанные выступы в местах пересечения между собой выступов и армирующих элементов.
Способ изготовления гибкой полосы для объемной ячеистой конструкции в предпочтительном варианте характеризуется тем, что при обработке заготовки в валках выступы на поверхности полосы формируют путем образования регулярного рельефа в виде тиснения, а армирующие элементы располагают в продольном направлении, при этом в качестве армирующих элементов используют армирующие нити из высокопрочных волокон, в частности крученые синтетические нити с ворсистой поверхностью, при этом обеспечивают следующее соотношение высоты выступов тиснения, толщины армирующих нитей и толщины гибкой полосы:
0,01 ≤ (a+c)/d ≤ 4, где
а - высота выступов тиснения, а=0,01-2 мм,
с - толщина нити, с=0,01-2 мм,
d - толщина гибкой полосы, d=1-2 мм.
В одном из вариантов исполнения заявленного изобретения при осуществлении способа перед раскроем экструдированной заготовки на полосы осуществляют перфорирование заготовки с получением сквозных овальных отверстий.
В другом варианте исполнения заявленного изобретения при осуществлении способа перед раскроем экструдированной заготовки на полосы осуществляют дополнительное перфорирование заготовки с получением сквозных круглых отверстий для дренажа, при этом дренажные отверстия выполняют диаметром предпочтительно от 6 до 13 мм, при общей площади перфорации от 3 до 25% на каждые 150 - 250 мм длины полосы.
При осуществлении заявленного способа перед укладкой армирующих элементов на поверхность заготовки предусматривается возможность проведения пропитки армирующих элементов адгезионным составом и/или составом, повышающим их стойкость к неблагоприятным природным воздействиям.
Заявлена объемная ячеистая конструкция, выполненная из гибких полос полимерного материала, содержащих армирующие элементы и выступы, размещенные на поверхности полос, при этом полосы расположены рядами, соединенными между собой в шахматном порядке по длине с образованием при растяжении в нормальном к их поверхности направлении объемной ячеистой конструкции. При этом армирующие элементы размещены в контакте с поверхностью полосы и внедрены в выступы, размещенные на поверхности полосы в местах пересечения между собой выступов и армирующих элементов.
Объемная ячеистая конструкция в предпочтительном варианте исполнения характеризуется тем, что входящие в ее состав гибкие полосы из полимерного материала выполнены со сквозными круглыми отверстиями для дренажа, размещенными продольными рядами между армирующими элементами за исключением зон соединения полос, при этом дренажные отверстия имеют диаметр предпочтительно от 6 до 13 мм, а общая площадь перфорации составляет от 3 до 25% на каждые 150 - 250 мм длины полосы.
Объемная ячеистая конструкция может быть выполнена с дополнительными сквозными овальными отверстиями для быстрого монтажа с помощью крепежного ключа, при этом отверстия расположены в зоне соединения полос и имеют продолговатую форму, вытянутую в направлении армирования и выполнены в промежутке между армирующими элементами.
В другом варианте исполнения объемная ячеистая конструкция может быть выполнена со сквозными овальными отверстиями для быстрого монтажа с помощью крепежного ключа так, что отверстия, которые расположены вблизи торцевых участков полос, могут быть вытянуты как в поперечном направлении, так и в продольном направлении.
Краткое описание чертежей
Чертежи представлены для лучшего понимания заявленного изобретения, однако специалисту в данной области техники будет очевидно, что раскрытая группа изобретений не ограничивается вариантом, представленным на чертежах.
На фигуре 1 представлен отрезок гибкой полосы из полимерного материала на виде сверху.
На фигуре 2 представлен фрагмент гибкой полосы из полимерного материала в объемном изображении.
На фигуре 3 в увеличенном масштабе представлен фрагмент гибкой полосы из полимерного материала, показанный на фиг.2.
На фигуре 4 представлен общий вид объемной ячеистой конструкции, выполненной из гибких полос, показанных на фиг.1.
Осуществление изобретения
На фигуре 1 представлен отрезок гибкой полосы 1 из полимерного материала показанный на виде сверху. Гибкая полоса 1 содержит армирующие элементы 2 и круглые дренажные отверстия 3, что соответствует одному из предпочтительных вариантов ее изготовления. На фигурах 2 и 3 в увеличенном масштабе показано, что поверхность заявленной полосы содержит выступы 4, которые образуют регулярный рельеф в виде тиснения. На фигурах 2 и 3 показано, что армирующие элементы 2 размещены в контакте с поверхностью полосы 1 и внедрены в указанные выступы 4 в местах пересечения между собой выступов 4 и армирующих элементов 2. Таким образом снимается проблема по ограничению толщины армирующих элементов, так как находясь на поверхности полосы, армирующие элементы не уменьшают критическое поперечное сечение полосы, отвечающее за ее прочность на разрез при поперечной нагрузке. Размещение армирующих элементов на поверхности полосы дополнительно улучшает ее эксплуатационные свойства за счет повышения коэффициента трения при взаимодействии полосы с частицами грунта или иного заполнителя объемной ячеистой конструкции. Заявленное изобретение обеспечивает не только высокую удельную прочность полосы и стойкость на разрезание при поперечных нагрузках, но также улучшает условия стабилизации грунта при использовании заявленной полосы в составе объемной ячеистой конструкции.
Как показано на фигуре 1, армирующие элементы 2 расположены на полосе 1 в контакте с наружной поверхностью полосы 1 в продольном направлении и предпочтительно выполнены в виде армирующих нитей. При этом в зависимости от высоты выступов 4 тиснения будет изменяться удерживающая способность армирующей нити материалом выступов 4, причем для обеспечения заданной величины эксплуатационной надежности полосы 1 должно выполняться следующее условие, согласно которому высота выступов 4 тиснения, толщина армирующих элементов 2 (армирующей нити) и толщина гибкой полосы 1, связаны между собой следующим соотношением:
0,01 ≤ (a+c)/d ≤ 4, где
а - высота выступов тиснения, а=0,01-2 мм,
с - толщина нити, с=0,01-2 мм,
d - толщина гибкой полосы, d=1-2 мм.
При соблюдении указанного соотношения обеспечивается заданный уровень эксплуатационной надежности заявленной полосы и изготовленной из нее объемной ячеистой конструкции, при изгибах полосы армирующие элементы из нее не выдергиваются и прочно удерживаются в выступах тиснения по всей длине полосы.
Заявленная гибкая полоса в качестве армирующих элементов 2, предпочтительно, содержит нити с ворсистой поверхностью (на чертеже не показано), поскольку после экструзии при обработке горячей заготовки полосы в валках, создающих рельеф тиснения, ворсинки нитей дополнительно взаимодействуют с размягченным полимерным материалом заготовки, в результате чего прочность сцепления армирующих элементов с полимерной матрицей повышается.
В предпочтительном варианте в качестве армирующих элементов 2 полоса 1 содержит нити, выбранные из группы, включающей, лавсановые текстурированные нити, кордные нити, полиэфирные нити, полиамидные нити, полипропиленовые нити, полиэтиленовые нити, вискозные нити, полиэфирные лавсано-штапельные нити, либо упомянутые нити, комбинированные с композитными материалами. Основные преимущества полос, армированных нитями данной группы, заключается в однородности материала нитей, повышенной адгезии с полимерной матрицей что упрощает технологию изготовления отсутствием необходимости применять клеевые растворы для обработки нитей. Кроме того, нити указанной группы характеризуются, высокой химической стойкостью, высокими эксплуатационными характеристиками при повышенных температурах эксплуатации, возможностью переработки материла нитей во вторичное сырье, что способствует снижению загрязнения окружающей среды.
Кроме того, прочность гибкой полосы 1 и ее шаг ее армирования в предпочтительном варианте изготовления связаны соотношением, которое регламентирует уровень запаса прочности полосы на разрыв:
0,005 ≤ R×(h/b)×d ≤ 12, где
R - прочность гибкой полосы при растяжении при максимальной нагрузке, кН/м,
b - шаг армирования; b ≥ 0,002 м,
d - толщина гибкой полосы, d=0,001-0,002 м,
h – ширина гибкой полосы, h=0,05-0,3 м.
Соблюдение данного соотношения при изготовлении полосы позволяет более точно прогнозировать уровень ее прочности, что позволяет надежно обеспечить заданный прочности в готовом изделии. Прочность гибкой полосы при растяжении при максимальной нагрузке составляет не менее R = 5-40 кН/м.
Гибкая полоса 1 в предпочтительном варианте реализации изобретения выполнена со сквозными овальными отверстиями 5, которые показаны на фиг.4. Основные преимущества при изготовлении полосы 1 с овальными отверстиями заключаются в увеличение дренажной способности, ускорении монтажа секций объемной ячеистой конструкции, а также возможности замены ранее известных металлических монтажных скрепок (отказ от дорогого оборудования) на полимерные крепежные элементы - крепежные ключи. Кроме того, выполнение отверстий способствует облегчению объемной ячеистой конструкции, выполненной из гибких полос.
Гибкая полоса может быть дополнительно выполнена со сквозными круглыми отверстиями для дренажа, при этом в заявленной ячеистой конструкции дренажные отверстия полосы имеют диаметр предпочтительно от 6 до 13 мм, а общая площадь перфорации составляет от 3 до 25% на каждые 150 - 250 мм длины полосы. Площадь перфорации влияет на водопропускную способность объемной ячеистой конструкции, тем самым предотвращая влагонасыщение материала ее заполнителя, приводящее к риску разрушению конструкции. В зависимости от скорости потока воды, геометрических размеров полосы и площади перфорации изменяется водопропускная способность объемной ячеистой конструкции.
Заявленная гибкая полоса дополнительно характеризуется тем, что в качестве полимерного материала она содержит полиэтилен низкого давления (HDPE) или линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE) или смесь полиэтилена низкого давления (HDPE) и линейного полиэтилена низкой плотности (LLDPE).
Основные преимущества полос из линейного полиэтилена низкой плотности (LLDPE) заключаются в высокой химической стойкости данного полимера; высоких эксплуатационных характеристиках как при высоких, так и низких температурах; большой устойчивости к растрескиванию; улучшенной стойкости к проколу, а также повышенной стойкости к повреждениям при монтаже. Изготовление полосы 1 из данного полимера обеспечивает успешное применение объемной ячеистой конструкции в районах крайнего севера.
Основные преимущества полос из композиции (смеси) полиэтилена низкого давления (HDPE) и линейного полиэтилен низкой плотности (LLDPE) заключаются в высокой химической стойкости смеси указанных полимеров; высоких эксплуатационных характеристиках сварных швов, как при достаточно высоких, так и низких, температурах; высокая устойчивость к растрескиванию, а также повышенная стойкость к повреждениям при монтаже. Изготовление полосы 1 из смеси указанных полимеров обеспечивает успешное применение объемной ячеистой конструкции в районах крайнего севера.
В другом варианте изготовления гибкая полоса в качестве полимерного материала может содержать полипропилен (PP) или гомополимер пропилена (PP HO), или металлоценовый полипропилен (MPP), или статистический сополимер пропилена (PPCP) или их смеси различного состава. Основные преимущества полос из композиций полипропилена заключаются в высокой химической стойкости; обеспечении высоких эксплуатационных характеристиках при высоких температурах использования; низкое относительное удлинение при повышенных температурах эксплуатации. Изготовление полосы 1 из композиций указанных видов полипропилена обеспечивает успешное применение объемной ячеистой конструкции в жарких странах и иных местах применения при высоких температурах эксплуатации.
В составе предложенной группы изобретений заявлен способ изготовления гибкой полосы для производства объемной ячеистой конструкции, при этом указанная полоса 1 выполнена из полимерного материала и содержит армирующие элементы 2 и выступы 4, размещенные на поверхности полосы 1. Способ включает в себя экструзию полимерного материала с получением плоской заготовки, укладку армирующих элементов 2 на поверхность заготовки, обработку заготовки в валках с формированием на поверхности заготовки выступов 4, раскрой заготовки на полосы. Причем при обработке заготовки в валках на этапе формирования выступов 4 дополнительно осуществляют внедрение в них армирующих элементов 2 в местах пересечения между собой выступов 4 и армирующих элементов 2.
Способ изготовления гибкой полосы 1 для последующего создания объемной ячеистой конструкции в предпочтительном варианте осуществления характеризуется тем, что после этапа экструзии при обработке заготовки в валках, например, в каландрах, выступы 4 на поверхности полосы формируют путем образования регулярного рельефа в виде тиснения. Тиснением применительно к осуществлению заявленного способа называют выдавливание валками регулярного рельефа, содержащего выступы и впадины определенной формы. Например, на фиг. 2 в качестве регулярного рельефа показаны углубления в виде ромбов с перегородками между ними, выступающими над поверхностью полосы, которые образованы тиснением на поверхности размягченного нагревом полимерного материала заготовки. Нагрев полимерного материала выполняется предварительно для осуществления экструзии. Затем горячую заготовку, вышедшую из плоскощелевой головки экструдера, охлаждают и стабилизируют в валках (каландрах), имеющих на своей рабочей поверхности регулярный рельеф, который и отпечатывается на поверхности полимерной заготовки с образованием упомянутого рельефа имеющего выступы 4.
На поверхности указанной заготовки, полученной в результате экструзии полимерного материала, располагают армирующие элементы 2 в продольном направлении по длине заготовки. При этом в качестве армирующих элементов 2 предпочтительно используют армирующие нити из высокопрочных волокон, в частности крученые синтетические нити с ворсистой поверхностью, при этом соблюдают следующее соотношение высоты выступов 4 тиснения, толщины армирующих элементов 2 в виде нитей и толщины гибкой полосы 1:
0,01 ≤ (a+c)/d ≤ 4, где
а - высота выступов тиснения, а=0,01-2 мм,
с - толщина нити, с=0,01-2 мм,
d - толщина гибкой полосы, d=1-2 мм.
Как пояснялось вышеуказанное условие соблюдают, поскольку от высоты выступов 4 тиснения зависит удерживающая способность армирующей нити материалом выступов 4, величину которого регулируют для обеспечения заданной величины эксплуатационной надежности полосы 1.
В одном из вариантов исполнения заявленного изобретения при осуществлении способа осуществляют перфорирование заготовки с получением сквозных овальных отверстий.
В другом варианте исполнения заявленного изобретения при осуществлении способа перед раскроем экструдированной заготовки на полосы осуществляют дополнительное перфорирование заготовки с получением сквозных круглых отверстий для дренажа, при этом дренажные отверстия выполняют диаметром предпочтительно от 6 до 13 мм, при общей площади перфорации от 3 до 25% на каждые 150 - 250 мм длины полосы.
При осуществлении заявленного способа при необходимости перед укладкой армирующих элементов на поверхность заготовки предусматривается возможность проведения пропитки армирующих элементов адгезионным составом и/или составом, повышающим их стойкость к неблагоприятным природным воздействиям. Поскольку армирующие нити частично лежат на внешней поверхности полосы и открыты к воздействию природных факторов, то пропиткой предусмотрена их защита от ультрафиолетовых лучей, влаги и микрофлоры.
После экструзии, обработки в валках и перфорирования проводят сварку армированных заготовок в блоки на установках ультразвуковой сварки, после чего производят раскрой на ленты и полосы.
В составе предложенной группы изобретений заявлена объемная ячеистая конструкция, выполненная из гибких полос 1 полимерного материала, содержащих армирующие элементы 2 и выступы 4, размещенные на поверхности полос 1, при этом полосы расположены рядами, соединенными между собой в шахматном порядке по длине с образованием при растяжении в нормальном к их поверхности направлении объемной ячеистой конструкции. При этом армирующие элементы 2 размещены в контакте с поверхностью полосы и внедрены в выступы 4, размещенные на поверхности полосы 1 в местах пересечения между собой выступов 4 и армирующих элементов 2.
Объемная ячеистая конструкция в предпочтительном варианте исполнения представляет собой геоячейки или так называемую пространственную георешетку, которая характеризуется тем, что входящие в ее состав гибкие полосы 1 из полимерного материала выполнены со сквозными круглыми отверстиями 3 для дренажа, размещенными продольными рядами между армирующими элементами 2 за исключением зон соединения полос, при этом дренажные отверстия 3 имеют диаметр предпочтительно от 6 до 13 мм, а общая площадь перфорации составляет от 3 до 25% на каждые 150 - 250 мм длины полосы 1.
Объемная ячеистая конструкция может быть выполнена с дополнительными сквозными овальными отверстиями 5, которые показаны на фиг.4 и служат для быстрого монтажа с помощью крепежного ключа, при этом отверстия расположены в зоне соединения полос и имеют продолговатую форму, вытянутую в направлении армирования и выполнены в промежутке между армирующими элементами 2.
В другом варианте исполнения объемная ячеистая конструкция может быть выполнена со сквозными овальными отверстиями для быстрого монтажа с помощью крепежного ключа так, что отверстия, которые расположены вблизи торцевых участков полос, могут быть вытянуты как в поперечном направлении, так и в продольном направлении.
Пример.
Объемная ячеистая конструкция (пространственная георешетка) изготовлена из гибких полос термопластичного полимерного материала типа HDPE, в частности на основе газофазного полиэтилена низкого давления по ГОСТ 16338-85 в виде композиции на основе полиэтилена низкого давления с добавлением красителя, стабилизатора и других добавок, модифицирующих свойства полимерного материала полосы по предъявляемым техническим требованиям. При изготовлении полосы возможно добавление в исходную полимерную композицию дробленых отходов - регранулят собственного производства.
Изготовление полимерной армированной заготовки методом экструзии осуществлялось на технологической линии экструзии и включало в себя входной контроль сырья, подготовку полимерной композиции на основе полиэтилена низкого давления с добавлением красителя, стабилизатора и модифицирующих добавок, подачу полимерной композиции в загрузочный бункер экструдера, экструзию полимерной заготовки с использованием плоскощелевой головки с обеспечением толщины заготовки d=0,001-0,002 м; (1-2 мм).
После выхода заготовки из экструдера осуществляли армирование заготовки армирующими элементами в виде высокопрочных вискозных нитей толщиной 1 мм, в частности, с использованием текстурированных кордовых нитей с ворсовой поверхностью. Нити укладывали на поверхность горячей заготовки тремя группами по три нити с шагом 2 мм между нитями в группе, как показано на фиг.1. Горячую заготовку с уложенными на нее армирующими нитями вводили в валки - каландры с рельефной поверхностью, где осуществляли охлаждение и стабилизацию полимерного материала заготовки. Под давлением валков на поверхности заготовки продавливали рельеф, имеющий углубления и выступы высотой, приблизительно 1 мм, так что армирующие нити толщиной 1 мм были захвачены материалом выступов на всю толщину в местах их взаимного пересечения, и после охлаждения нити прочно удерживались на поверхности полимерной заготовки.
После охлаждения провели, перфорацию заготовки с образованием продольных рядов круглых дренажных отверстий, расположенных между группами армирующих элементов, как показано на фиг.1.
После выполнения дренажной перфорации провели продольную резку заготовки на ленты заданной ширины h=0,05-0,3 м; (5-30 см). Затем осуществили поперечную резку лент по заданной длине на полосы, укладку полос в блоки по заданному количеству штук; контроль; упаковку и приемосдаточные испытания. Прочность гибкой полосы при растяжении под максимальной нагрузкой составила R = 40 кН/м.
Экономичность и экологичность технологии производства заявленного изделия обеспечивается полной переработкой полученных отходов и повторным их использованием в производстве.
При необходимости на готовой полосе дополнительно осуществляют пробивку овальных отверстий под новый тип соединителя георешеток, например, под крепежный ключ типа «ФАСТ-лок».
Для создания из полученных полос секций ячеистой конструкции проводят сварку армированных полос в блоки на установках ультразвуковой сварки. Завершают изготовление продукта проведением приёмо-сдаточных испытаний каждой секции объемной ячеистой конструкции с последующей обвязкой и упаковкой их на паллеты.
Преимуществом заявленного изобретения является дальнейшее расширение арсенала средств в виде объемных ячеистых конструкций, которые находят широкое применение для армирования строительных сооружений и укрепления слабых оснований промышленных и гражданских объектов, а также откосов береговых линий и русел водоемов.
Изобретение позволяет создавать высококачественные объемные ячеистые конструкций, обладающие повышенной прочностью, эксплуатационной надежностью и стойкостью при поперечных нагрузках за счет использования новой конструкции гибкой полосы из полимерного материала, содержащей армирующие элементы, расположенные на внешней поверхности полосы, закрепление которых на полосе обеспечивается заявленным способом изготовления. Прочность гибкой полосы при растяжении при максимальной нагрузке составляет не менее R = 5-40 кН/м в зависимости от объема армирования.
Технический результат достигается путем создания объемных ячеистых конструкцией из гибких полос на основе полимерного материала, содержащих армирующие элементы прочно закрепленные на поверхности полосы в выступах тиснения, так что полоса характеризуется высокими показателями удельной прочности, а также стойкости к разрезанию полимерного материала армирующими элементами при поперечных нагрузках. Способ изготовления полосы характеризуется простотой, надежностью, экономичностью и экологичностью, а также широким спектром возможностей оптимального выбора материалов для изготовления полимерной матрицы гибкой полосы и ее армирующих элементов.
1. Гибкая полоса из полимерного материала для изготовления объемной ячеистой конструкции, содержащая армирующие элементы и выступы, размещенные на поверхности полосы, отличающаяся тем, что армирующие элементы размещены в контакте с поверхностью полосы и внедрены в указанные выступы в местах пересечения между собой выступов и армирующих элементов.
2. Гибкая полоса по п. 1, отличающаяся тем, что выступы, размещенные на поверхности полосы, образуют регулярный рельеф в виде тиснения, а армирующие элементы расположены в продольном направлении и выполнены в виде армирующих нитей, при этом высота выступа тиснения, толщина армирующей нити и толщина гибкой полосы связаны между собой следующим соотношением:
0,01 ≤ (a+c)/d ≤ 4, где
а - высота выступов тиснения, а=0,01-2 мм,
с - толщина нити, с=0,01-2 мм,
d - толщина гибкой полосы, d=1-2 мм.
3. Гибкая полоса по п. 2, отличающаяся тем, что в качестве армирующих нитей она содержит нити, предпочтительно, с ворсистой поверхностью, выбранные из группы, включающей лавсановые текстурированные нити, кордные нити, полиэфирные нити, полиамидные нити, полипропиленовые нити, полиэтиленовые нити, вискозные нити, полиэфирные лавсано-штапельные нити, либо упомянутые нити, комбинированные с композитными материалами.
4. Гибкая полоса по п. 2, отличающаяся тем, что прочность гибкой полосы и ее шаг армирования связаны следующим соотношением:
0,005 ≤ R×(h/b)×d ≤ 12, где
R - прочность гибкой полосы при растяжении при максимальной нагрузке, кН/м,
b - шаг армирования; b ≥ 0,002 м,
d - толщина гибкой полосы, d=0,001-0,002 м,
h - ширина гибкой полосы, h=0,05-0,3 м.
5. Гибкая полоса по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена со сквозными овальными отверстиями.
6. Гибкая полоса по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена со сквозными круглыми отверстиями для дренажа, при этом дренажные отверстия имеют диаметр предпочтительно от 6 до 13 мм, а общая площадь перфорации составляет от 3 до 25% на каждые 150-250 мм длины полосы.
7. Гибкая полоса по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве полимерного материала она содержит полиэтилен низкого давления (HDPE) или линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE) или смесь полиэтилена низкого давления (HDPE) и линейного полиэтилена низкой плотности (LLDPE).
8. Гибкая полоса по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве полимерного материала она содержит полипропилен (PP), или гомополимер пропилена (PP HO), или металлоценовый полипропилен (MPP), или статистический сополимер пропилена (PPCP).
9. Способ изготовления гибкой полосы из полимерного материала для производства объемной ячеистой конструкции, содержащей армирующие элементы и выступы, размещенные на поверхности полосы, включающий: экструзию полимерного материала с получением заготовки, укладку армирующих элементов на поверхность заготовки, обработку заготовки в валках с формированием на поверхности заготовки выступов, раскрой заготовки на полосы, отличающийся тем, что при обработке заготовки в валках на этапе формирования выступов осуществляют внедрение армирующих элементов в указанные выступы в местах пересечения между собой выступов и армирующих элементов.
10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что при обработке заготовки в валках выступы на поверхности полосы формируют путем образования регулярного рельефа в виде тиснения, а армирующие элементы располагают в продольном направлении, при этом в качестве армирующих элементов используют армирующие нити из высокопрочных волокон, в частности крученые синтетические нити с ворсистой поверхностью, при этом обеспечивают следующее соотношение высоты выступов тиснения, толщины армирующих нитей и толщины гибкой полосы:
0,01 ≤ (a+c)/d ≤ 4, где
а - высота выступов тиснения, а=0,01-2 мм,
с - толщина нити, с=0,01-2 мм,
d - толщина гибкой полосы, d=1-2 мм.
11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что осуществляют перфорирование заготовки с получением сквозных овальных отверстий.
12. Способ по п. 9, отличающийся тем, что перед раскроем на полосы осуществляют перфорирование заготовки с получением сквозных круглых отверстий для дренажа, при этом дренажные отверстия выполняют диаметром предпочтительно от 6 до 13 мм, при общей площади перфорации от 3 до 25% на каждые 150-250 мм длины полосы.
13. Способ по п. 9, отличающийся тем, что перед укладкой армирующих элементов на полотно осуществляют их пропитку адгезионным составом и/или составом, повышающим стойкость к неблагоприятным природным воздействиям.
14. Объемная ячеистая конструкция, выполненная из гибких полос из полимерного материала, содержащих армирующие элементы и выступы, размещенные на поверхности полос, при этом полосы расположены рядами, соединенными между собой в шахматном порядке по длине с образованием при растяжении в нормальном к их поверхности направлении объемной ячеистой конструкции, отличающаяся тем, что армирующие элементы размещены в контакте с поверхностью полосы и внедрены в выступы, размещенные на поверхности полосы в местах пересечения между собой выступов и армирующих элементов.
15. Объемная ячеистая конструкция по п. 14, отличающаяся тем, что гибкие полосы из полимерного материала выполнены со сквозными круглыми отверстиями для дренажа, размещенными продольными рядами между армирующими элементами за исключением зон соединения полос, при этом дренажные отверстия имеют диаметр предпочтительно от 6 до 13 мм, а общая площадь перфорации составляет от 3 до 25% на каждые 150-250 мм длины полосы.
16. Объемная ячеистая конструкция по п. 14, отличающаяся тем, что она выполнена со сквозными овальными отверстиями для быстрого монтажа с помощью крепежного ключа, отверстия расположены в зоне соединения полос и имеют продолговатую форму, вытянутую в направлении армирования и выполнены в промежутке между армирующими элементами.
17. Объемная ячеистая конструкция по п. 14, отличающаяся тем, что она выполнена со сквозными овальными отверстиями для быстрого монтажа с помощью крепежного ключа, причем отверстия расположены вблизи торцевых участков полос и вытянуты в поперечном направлении.
18. Объемная ячеистая конструкция по п. 14, отличающаяся тем, что она выполнена со сквозными овальными отверстиями для быстрого монтажа с помощью крепежного ключа, причем отверстия расположены вблизи торцевых участков полос и вытянуты в продольном направлении.
19. Объемная ячеистая конструкция по п. 14, отличающаяся тем, что она представляет собой пространственную георешетку.
