Арматура для конструкций на основе цемента и стали

Изобретение относится к компоненту, который может быть использован в строительном секторе. Компонент изготовлен из бетона, минерала на основе цемента или стали и стабилизирован с помощью волокнистых материалов. В качестве промежуточного слоя между бетоном, минералом на основе цемента или сталью и волокнистым материалом использован каменный материал с коэффициентом теплового расширения, который находится между соответствующим коэффициентом теплового расширения бетона или стали, используемых в каждом случае, и коэффициентом теплового расширения соответствующего волокна, используемого в каждом случае. Изобретение обеспечивает повышение физико-механических свойств изделий. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Армированный сталью бетон представляет собой сочетание смеси минералов на основе цемента и стальной арматуры, что придает минеральному компоненту недостаточную устойчивость при растяжении.

Это означает, что минеральный компонент может абсорбировать давление без разрушения или поломки вследствие статических или динамических нагрузок. Только тогда материал может быть использован в строительном секторе для сооружения зданий, мостов и других конструкций, а также их компонентов, таких как готовые балки, стены, потолки, полы или железнодорожные шпалы.

Таким образом, соединение превосходно работает в условиях изменений температуры, которые обычно воздействуют на строения в процессе эксплуатации, потому что сталь и бетон имеют практически одинаковые коэффициенты теплового расширения, составляющие приблизительно 10-12×10^-6/K,

По различным причинам стальная вставка имеет свои пределы, с одной стороны, в отношении долговечности, и, с другой стороны, сталь стала предметом критики исследователей климата вследствие высоких уровней высвобождения СО₂ в производстве нерафинированной стали массового применения, поскольку приблизительно 50% всей стали, производимой в настоящее время, используют в строительном секторе в форме арматурного материала для бетона.

Помимо стали, в качестве арматуры могут быть использованы другие растяжимые материалы, производство которых является менее энергоемким и высвобождает меньшее количество СО₂, но превосходное соответствие свойств стали с бетоном является труднодостижимым с применением других материалов.

По этой причине согласно настоящему изобретению для этой цели предложена одна дополнительная стадия, чтобы получать материалы способом замещения стали в бетонных конструкциях, в результате чего способ становится более благоприятным для окружающей среды без одновременного создания трудностей в многочисленных отраслях промышленности для решения проблемы СО₂.

Изначально только сталь должна быть замещена в качестве арматуры для бетона.

Настоящее изобретение основано на ранее запатентованных изобретениях с применением волокнистых материалов для стабилизации каменных материалов всех типов. Рассмотрим, в частности, документ ЕР 106 20 92, в котором описано, как каменные материалы, такие как материалы, созданные природой, могут быть сделаны гибкими посредством арматуры с применением углеродных волокон. Камень и углерод имеют идеально совместимые свойства, чтобы сохранять устойчивость в широком температурном диапазоне без разделения. Другое изобретение, описанное в документе ЕР 08 850 003.8, описывает, почему это происходит. Пористость камня компенсирует различные коэффициенты расширения посредством объемной сжимаемости при том условии, что камень находится под воздействием предварительного напряжения. Это проявляется в форме гибкости.

Описанное в настоящем документе новое изобретение предусматривает одну дополнительную стадию и рассматривает модули упругости различных материалов не только под давлением, но также в условиях растягивающего напряжения, поскольку природный камень, например, имеет значительно более высокую прочность при растяжении, чем цемент или бетон. Природный камень, например, не только имеет такую же плотность, как алюминий, что является удивительным; еще более удивительным является то, что он также имеет приблизительно такую же жесткость или модуль упругости, которая составляет в зависимости от типа гранита от 40 до 90 ГПа. Модуль упругости чистого алюминия составляет 70 ГПа.

Эта относительно высокая гибкость может быть использована без разрушения при том условии, что не превышено предельное давление нагрузки в диапазоне давления и предельное растягивающее усилие для камня в случае растягивающей нагрузки. Здесь использованы сведения, согласно которым камень не только обладает объемной сжимаемостью, как описано в документе ЕР 08 850 003.8, но также может расширяться в объеме без разрушения до своего предела текучести.

Благодаря этой природной гибкости, камень становится посредником для материалов, имеющих различные коэффициенты расширения, потому что он имеет коэффициент расширения, который, например, точно находится между соответствующими коэффициентами углерода и бетона. Таким образом, это также применяется к стали. Следовательно, камень может служить не только в качестве посредника между бетоном и углеродными волокнами, но также в качестве посредника между углеродными волокнами и сталью. Это свойство приобретает интерес, например, для восстановления мостов, изготовленных не только из бетона, но также из стали. Это превращает камень в посредника для соединения различных материалов, имеющих различные коэффициенты теплового расширения, который, вследствие своей объемной сжимаемости под давлением и относительно высокой упругости при растяжении, которое регулируется волокном, обеспечивает передачу мощности без образования волосных трещин, также, в частности, не в том случае, когда большие изменения температуры вызывают механическое напряжение соединения. Это делает возможным введение длинных углеродных волокон в бетонные и стальные конструкции без отделения всего композиционного материала от своего соответствующего композиционного партнера в случае больших изменений температуры. Коэффициент расширения длинных углеродных волокон составляет приблизительно 1×10^-6/K, а коэффициент расширения бетона в зависимости от типа бетона составляет 10-12×10^-6/K.

Если выбран каменный посредник с коэффициентом расширения, который составляет 5-6×10^-6/K, что имеет место в случае большинства природных камней, оказывается возможной стабилизация бетона в температурном диапазоне от -40°С до 80°С без создания перегрузок в каком-либо граничном слое вследствие различных изменений длины, что приводит к разрыву адгезионных связей между материалами. Это создает постоянное соединение между длинными углеродными волокнами и бетоном или сталью.

Предложенное соединение также может быть использовано для восстановления мостов, изготовленных из бетона или стали, которые снова могут быть сделаны долговечными с применением наклеенной нижней ленты, изготовленной из камня и углерода.

На фиг. 1 и 2 представлен компонент, который может быть использован в строительном секторе, а именно бетонный модуль (1) (блок на фиг. 1 и пластина на фиг. 2), который стабилизирован полосой покрытого волокном гранита (2), где углеродный волокнистый слой (3) (волокнистый материал), который расположен между двумя каменными слоями (2) (каменный материал), имеет небольшой или нулевой непосредственный контакт с бетоном. Каменный материал (2) используется в качестве промежуточного слоя между бетоном (или минералом на основе цемента или сталью) и волокнистым материалом (3). Каменный материал (2) имеет коэффициент теплового расширения, который находится между соответствующим коэффициентом теплового расширения бетона или стали, используемых в каждом случае, и коэффициентом теплового расширения соответствующего волокна, используемого в каждом случае. Толщина каменного слоя определяет температурный диапазон, в котором не превышено расслаивающее напряжение для материалов, имеющих различные коэффициенты расширения. Чем больше допустимый температурный диапазон, тем большое соотношение толщины каменных слоев и толщины углеродного слоя. Углеродный слой отделен на торцевых поверхностях, если это необходимо, эластичной прокладкой (4) в канавке (5) в целях предотвращения отрыва углеродного и бетонного материалов в этой точке, которая может представлять собой исходную точку для постепенного разрушения.

Соответствующее гофрирование состоящей из углерода и камня конструкции и возникающее в результате растяжение углеродной конструкции может значительно увеличивать некритичный температурный диапазон и оптимизировать фрикционную адгезию между камнем и бетоном в различных условиях напряжения. Каменный блок имеет нелинейную форму.

На фиг. 3 представлено поперечное сечение плоского устройства, такого как стена, где бетонная конструкция (1) заключена в двух каменных плитах (3), покрытых углеродом (2). Здесь также непосредственный контакт между бетоном и длинным углеродным волокном механически разделен имеющим соответствующую толщину каменным слоем.

На фиг. 4 представлена такая же конструкция, как на фиг. 3, но с дополнительным слоем (4), изготовленным из камня, который защищает углеродный слой от воздействия погодных условий и ультрафиолетового света.

На фиг. 5 представлен блок, изготовленный из стали (1) со слоем камня (2), который приклеен снизу, и слоем углеродных волокон (3), также прикрепленным снизу посредством клея. Когда изменяется температура, стальная балка (1) может расширяться вследствие высокой упругости подходящего каменного материала без отслаивания углеродного слоя от камня и без необходимости изгиба стальной балки, например, в том случае, если опора на обоих концах под действием своего собственного веса претерпевает изгибающее усилие в противоположном направлении. Благодаря каменному слою, который компенсирует расширение стальной детали, стальная балка может оставаться прямой без отрыва стабилизирующего углеродного слоя.

Во всех случаях связанные матрицей длинноволокнистые слои могут состоять из углеродных волокон, стеклянных волокон или каменных волокон, или смеси указанных волокон и идеально удерживать каменный материал в состоянии предварительного напряжения, как описано в документе ЕР 08 850 003.8. Идеальное фрикционное соединение между цементом и камнем устанавливается, когда камень имеет шероховатую поверхность и в идеальном случае не имеет полностью линейной формы, т.е. содержит канавки с регулярными интервалами на обеих сторонах или поверхностях и/или имеет волнообразную форму, если это необходимо, что усиливает фрикционное соединение камня и бетона и допускает растяжение волокна. Матрица, которая создает соединение между волокнами и каменным материалом, состоит из связующих веществ на основе синтетических смол или растворимого стекла; здесь также оказывается полезной шероховатая поверхность камня. Здесь являются пригодными все высокорастяжимые длинные волокна, которые могут быть использованы качестве заместителей стали для арматуры бетона, причем указанные волокна включают, в частности, углеродные волокна, а также обладающие высокой жесткостью стеклянные волокна и каменные волокна или, возможно, природные волокна или смеси указанных волокон.

Если углеродные волокна или конопляные волокна изготовлены из биомассы и, таким образом, имеют отрицательный баланс высвобождения СО₂, то защите климата может способствовать замещение стали, имеющей положительный баланс высвобождения СО₂. В идеальном случае, здесь также могут быть использованы материалы на основе цемента, которые создают низкие уровни высвобождения СО₂, или производство которых также предусматривает отрицательный баланс высвобождения СО₂ в течение цикла эксплуатации.

1. Компонент, который может быть использован в строительном секторе, изготовленный из бетона, минерала на основе цемента или стали, который стабилизирован с помощью волокнистых материалов, отличающийся тем, что в качестве промежуточного слоя между бетоном, минералом на основе цемента или сталью и волокнистым материалом использован каменный материал с коэффициентом теплового расширения, который находится между соответствующим коэффициентом теплового расширения бетона или стали, используемых в каждом случае, и коэффициентом теплового расширения соответствующего волокна, используемого в каждом случае.

2. Компонент по п. 1, отличающийся тем, что камень представляет собой природный камень, искусственный камень или керамический материал.

3. Компонент по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что стабилизирующие камень волокна представляют собой углеродные волокна, стеклянные волокна, каменные волокна, или природные волокна, или смесь указанных волокон.

4. Компонент по пп. 1-3, отличающийся тем, что каменные слои являются предварительно напряженными посредством волокна.

5. Компонент по пп. 1-4, отличающийся тем, что волокна связаны посредством смолы или растворимого стекла и присоединены к камню.

6. Компонент по пп. 1-5, отличающийся тем, что содержащие волокно и камень конструкции выполнены в бетоне.

7. Компонент по пп. 1-6, отличающийся тем, что содержащие волокно и камень конструкции прикреплены к поверхности бетонных или стальных конструкций.

8. Компонент по пп. 1-7, отличающийся тем, что каменные плиты или каменные блоки имеют шероховатую поверхность.

9. Компонент по пп. 1-8, отличающийся тем, что каменные блоки имеют нелинейную форму.

10. Компонент по п. 9, отличающийся тем, что каменные блоки имеют волнообразную форму.

11. Компонент по пп. 1-10, отличающийся тем, что каменные блоки или каменные плиты имеют канавки, желобки или углубления, которые расположены с определенными интервалами и улучшают адгезию между камнем и бетоном или цементом.