RU2612284C1

RU2612284C1 - Composite reinforcement

Info

Publication number: RU2612284C1
Application number: RU2015138277A
Authority: RU
Inventors: Александр Тевьевич Беккер; Андрей Михайлович Уманский
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2017-03-06

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: invention relates to construction, namely non-metallic composite reinforcement, which is used for reinforcing thermally insulated wall structures, monolithic concrete and prefabricated structures, for use in structural elements of buildings in the form of individual bars for reinforcing the foundation bed of buildings and structures, including foundations for highways and roads, and for anchoring retaining walls and structures in the ground. The invention comprises a support rod of glass or basalt roving and high modulus fibers impregnated with a binder. The binder is a composition of epoxy-diane resin, polyethylene amine hardener, dibutyl phthalate plasticizer and carbon nanocomposite additive in the amount of up to 1% by volume of the binder resin. The additive contains multi-layer carbon nanotubes in the quantity of no less than 45-50% by weight of carbon nanocomposite additions; it is made of brown sphagnum in conditions of mechanic activation of its pyrolysis products for at least 8 hours of treatment.

EFFECT: invention allows to obtain reinforcement with high elastic modulus with reduced amounts of high-modulus fibers being used, which allows to meet the requirements of reinforced products in terms of their degree of deformation.

2 dwg

Description

Изобретение относится к строительству, а именно к неметаллической композитной арматуре, которая применяется для армирования термоизоляционных стеновых конструкций, монолитных бетонных и сборных конструкций, для использования в конструктивных элементах зданий в виде отдельных стержней, для армирования грунта основания зданий и сооружений, в том числе оснований автомагистралей и дорог, для анкеровки в грунте подпорных стен и сооружений.The invention relates to construction, namely to non-metallic composite reinforcement, which is used for reinforcing heat-insulating wall structures, monolithic concrete and prefabricated structures, for use in structural elements of buildings as separate rods, for reinforcing the soil of the base of buildings and structures, including the foundations of highways and roads, for anchoring in the ground retaining walls and structures.

Известна арматура стеклопластиковая, содержащая несущий стержень из высокопрочного полимерного материала и обмотку с уступами, которые выполнены в виде жгута нитей, пропитанных связующим и спирально нанесенных с натягом (см. RU №2194135, МПК Е04С 5/07, 2002 г.). Данный вид арматуры содержит несущий стержень из высокопрочного полимерного материала (например, стекловолокно ГОСТ 17139-79, СВМ ТУ 6-06-1153-78), который относится к низкомодульным стеклянным волокнам, обеспечивающим получение арматуры с модулем упругости до 55000 МПа и пределом прочности до 1000 МПа. При использовании данной арматуры для армирования бетонных плит наблюдаются повышенные прогибы, что ухудшает качество изделий.Known fiberglass reinforcement containing a supporting rod of high-strength polymeric material and a winding with ledges, which are made in the form of a bundle of threads impregnated with a binder and spirally applied with interference (see RU No. 2194135, IPC Е04С 5/07, 2002). This type of reinforcement contains a supporting rod of high-strength polymer material (for example, fiberglass GOST 17139-79, SVM TU 6-06-1153-78), which refers to low-modulus glass fibers, providing reinforcement with an elastic modulus of up to 55,000 MPa and tensile strength up to 1000 MPa. When using this reinforcement for reinforcing concrete slabs, increased deflections are observed, which affects the quality of the products.

Известна также арматура композитная, содержащая несущий стержень из базальтового или стеклянного ровинга, пропитанного эпоксидной смолой (см. RU №77310, МПК Е04С 5/07, 2008 г.). При этом несущий стержень выполнен из высокопрочного полимерного материала, на котором сформирована обмотка жгутами нитей противоположного направления навивки, причем соотношение площадей сечений первого обмоточного жгута и второго обмоточного жгута, навитого в противоположном направлении, находится в пределах от 1 до 150, а угол навивки второго обмоточного жгута составляет 92-150°.Composite reinforcement is also known, containing a supporting rod made of basalt or glass roving impregnated with epoxy resin (see RU No. 77310, IPC Е04С 5/07, 2008). In this case, the supporting rod is made of high-strength polymer material on which the winding is formed by bundles of threads of the opposite direction of winding, and the ratio of the cross-sectional areas of the first winding bundle and the second winding bundle, wound in the opposite direction, is in the range of 1 to 150, and the angle of winding of the second winding the tow is 92-150 °.

Однако бетонные изделия, изготовленные с использованием арматуры данного вида, в отличие от стальной арматуры имеют повышенную деформативность и ширину раскрытия трещин, что обусловлено недостаточным модулем упругости композитной арматуры.However, concrete products made using reinforcing bars of this type, unlike steel reinforcing bars, have increased deformability and crack opening width, which is caused by insufficient elastic modulus of composite reinforcement.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения модуля упругости арматуры при растяжении за счет повышения прочностных характеристик эпоксидной смолы связующего, используемого при создании композитной неметаллической арматуры.The present invention solves the problem of increasing the tensile modulus of elasticity of the reinforcement by increasing the strength characteristics of the epoxy resin binder used to create composite non-metallic reinforcement.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении несущей способности эпоксидной смолы связующего, используемого при создании композитной неметаллической арматуры, при этом обеспечивается возможность получения арматуры с модулем упругости порядка Е_р=200000 МПа при пониженном расходе высокомодульных волокон. Причем повышение модуля упругости арматуры до названного уровня позволяет удовлетворить требования к армируемым ими изделиям по деформативности.The technical result obtained when solving the problem is expressed in increasing the bearing capacity of the epoxy resin binder used to create composite non-metallic reinforcement, while it is possible to obtain reinforcement with an elastic modulus of the order of E _p = 200000 MPa with a reduced consumption of high-modulus fibers. Moreover, increasing the modulus of elasticity of the reinforcement to the named level allows us to satisfy the requirements for deformable products reinforced by them.

Для решения поставленной задачи арматура композитная, содержащая несущий стержень из базальтового или стеклянного ровинга и высокомодульные волокна, пропитанных связующим, отличается тем, что в качестве связующего используют композицию, включающую эпоксидно-диановую смолу, отвердитель полиэтиленполиамин и пластификатор дибутилфталат, причем к связующему вводят добавку углеродного нанокомпозита, в количестве до 1% от объема смолы связующего композитной арматуры, при этом добавка содержит многослойные углеродные нанотрубки в количестве не менее 45-50% от массы добавки углеродного нанокомпозита и сформирована из сфагнума бурого в условиях механоактивации продуктов его пиролиза в течение не менее 8 часов обработки.To solve the problem, the composite reinforcement containing a supporting rod of basalt or glass roving and high-modulus fibers impregnated with a binder is characterized in that the binder uses a composition comprising an epoxy-diane resin, a polyethylene polyamine hardener and a dibutyl phthalate plasticizer, and a carbon additive is introduced to the binder nanocomposite, in an amount up to 1% of the resin volume of the binder composite reinforcement, while the additive contains multilayer carbon nanotubes in the amount of at least 45-50% by weight of the carbon nanocomposite additive and is formed from brown sphagnum under conditions of mechanical activation of its pyrolysis products for at least 8 hours of treatment.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».A comparative analysis of the features of the claimed solution with the signs of the prototype and analogues indicates the conformity of the claimed solution to the criterion of "novelty."

Признаки отличительной части решают следующие функциональные задачи.The features of the distinctive part solve the following functional tasks.

Признак, указывающий, что «в качестве связующего используют композицию, включающую эпоксидно-диановую смолу, отвердитель полиэтиленполиамин и пластификатор дибутилфталат, причем к связующему вводят добавку углеродного нанокомпозита», обеспечивает возможность повысить прочностные характеристики композиционных материалов, поскольку углеродные нанотрубки (УНТ) обладают высокими механическими характеристиками и могут применяться как эффективное средство повышения физико-механических свойств композитов. Это объясняется тем, что свободные химические связи УНТ обеспечивают лучшее сцепление компонентов и, как следствие, повышение прочности материала. Углеродные нановолокна и нанотрубки выполняют функцию армирующего материала благодаря высокой прочности и большому модулю упругости и являются центрами направленной кристаллизации.A sign indicating that “a binder is used a composition comprising an epoxy-diane resin, a hardener polyethylene polyamine and a dibutyl phthalate plasticizer, and a carbon nanocomposite additive is added to the binder”, it makes it possible to increase the strength characteristics of composite materials, since carbon nanotubes (CNTs) have high mechanical characteristics and can be used as an effective means of increasing the physicomechanical properties of composites. This is due to the fact that the free chemical bonds of CNTs provide better adhesion of the components and, as a result, increase the strength of the material. Carbon nanofibres and nanotubes function as a reinforcing material due to their high strength and large modulus of elasticity and are centers of directional crystallization.

Признаки, указывающие, что добавку углеродного нанокомпозита вводят «в количестве до 1% от объема смолы связующего композитной арматуры», обеспечивают ее эффективность, и при этом указанное ее количество не приводит к удорожанию арматуры.Signs indicating that the carbon nanocomposite additive is added “in an amount up to 1% of the resin volume of the binder composite reinforcement”, ensure its effectiveness, and at the same time, its indicated amount does not lead to an increase in the cost of the reinforcement.

Признаки, указывающие, что «добавка содержит многослойные углеродные нанотрубки в количестве не менее 45-50% от массы добавки углеродного нанокомпозита», позволяют упростить процесс получения кондиционной добавки, исключая сложную процедуру повышения доли углеродных нанотрубок в составе добавки после завершения процесса механоактивации сфагнума бурого.Signs indicating that “the additive contains multilayer carbon nanotubes in an amount of at least 45-50% of the mass of the carbon nanocomposite additive” make it possible to simplify the process of producing a conditioned additive by eliminating the complicated procedure of increasing the proportion of carbon nanotubes in the composition of the additive after completion of the mechanical activation of brown sphagnum.

Признаки, указывающие, что добавка «сформирована из сфагнума бурого в условиях механоактивации продуктов его пиролиза в течение не менее 8 часов обработки» обеспечивают преобразование не менее 45-50% от массы исходного продукта - аморфного углерода (продукта пиролиза сфагнума бурого) в углеродные нанотрубки (при увеличении продолжительности обработки, доля нанотрубок возрастает, а доля аморфного углерода будет, соответственно, снижаться).Signs indicating that the additive “is formed from brown sphagnum under conditions of mechanical activation of its pyrolysis products for at least 8 hours of processing” provide the conversion of at least 45-50% by weight of the initial product - amorphous carbon (brown sphagnum pyrolysis product) into carbon nanotubes ( with an increase in processing time, the fraction of nanotubes increases, and the proportion of amorphous carbon will accordingly decrease).

Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на фиг. 1 показана схема известной установки, обеспечивающей изготовление заявленной композитной арматуры; на фиг. 2. показано сечение арматурного стержня периодического профиля (во впадине, между выступами).The invention is illustrated using the drawings, where in FIG. 1 shows a diagram of a known installation for the manufacture of the claimed composite reinforcement; in FIG. 2. shows a cross section of a reinforcing bar of a periodic profile (in a hollow, between protrusions).

На чертежах показаны источник материала (штабель) 1 с ровингом 2 и высокомодульными волокнами 3, пропиточная камера 4, станок для формирования армопояса 5, туннельная печь 6, ванна водяного охлаждения 7, средство протяжки 8, средство автоматической резки 9, бухтонамотчик 10. Кроме того, показан готовый арматурный стержень, содержащий скрученные жгуты ровинга 2, высокомодульные волокна 3 и связующее 11.The drawings show a source of material (stack) 1 with roving 2 and high-modulus fibers 3, an impregnation chamber 4, a machine for forming an arm belt 5, a tunnel furnace 6, a water cooling bath 7, a broaching tool 8, an automatic cutting tool 9, a coiler 10. In addition , shows a finished reinforcing bar containing twisted roving ropes 2, high modulus fibers 3 and a binder 11.

Арматурный стержень состоит из ровинга 2 (жгутов) низкомодульных волокон, например полиэфирных (Е_р=45000 МПа), стеклянных (Е_р=55000 МПа) или базальтовых (Е_р=75000 МПа), и высокомодульных волокон 3 с модулем упругости, превышающим модуль упругости стальной арматуры (Е_р=200000 МПа), например, углеродных волокон (Е_р=230000÷800000 МПа), борных волокон (Е_р=400000÷800000 МПа), кевларовых волокон (Е_р=150000÷4000000 МПа), волокон сверхвысокомолекулярных полимеров (Е_р=180000÷450000 МПа).The reinforcing bar consists of roving 2 (tows) of low-modulus fibers, for example polyester (E _p = 45000 MPa), glass (E _p = 55000 MPa) or basalt (E _p = 75000 MPa), and high-modulus 3 fibers with an elastic modulus exceeding the modulus the elasticity of steel reinforcement (E _p = 200,000 MPa), for example, carbon fibers (E _p = 230,000 ÷ 800,000 MPa), boron fibers (E _p = 400,000 ÷ 800,000 MPa), Kevlar fibers (E _p = 150,000 ÷ 4,000,000 MPa), fibers ultra-high molecular weight polymers (E _p = 180,000 ÷ 450,000 MPa).

В качестве связующего 11 используют композицию, включающую эпоксидно-диановую смолу ЭД-20 (ГОСТ 10587-84) 80% от объема связующего, отвердитель полиэтиленполиамин ПЭПА (ГОСТ 2548-77) 15% от объема связующего, пластификатор дибутилфталат (ГОСТ 8728-88) 5% от объема связующего, причем к связующему вводят добавку углеродного нанокомпозита, в количестве до 1% от его объема эпоксидно-диановой смолы. При этом добавка углеродного нанокомпозита содержит многослойные углеродные нанотрубки в количестве не менее 45-50% от массы добавки углеродного нанокомпозита и аморфный углерод не более 50-55% от массы добавки углеродного нанокомпозита и сформирован из сфагнума бурого в условиях механоактивации продуктов его пиролиза.As a binder 11, a composition is used that includes ED-20 epoxy resin (GOST 10587-84) 80% of the binder volume, hardener polyethylene polyamine PEPA (GOST 2548-77) 15% of the binder volume, dibutyl phthalate plasticizer (GOST 8728-88) 5% of the volume of the binder, and an additive of a carbon nanocomposite is added to the binder in an amount of up to 1% of its volume of the epoxy-diane resin. In this case, the carbon nanocomposite additive contains multilayer carbon nanotubes in an amount of not less than 45-50% by weight of the carbon nanocomposite additive and amorphous carbon not more than 50-55% of the mass of the carbon nanocomposite additive and is formed from brown sphagnum under conditions of mechanical activation of its pyrolysis products.

Процедура изготовления нанокомпозита включает сбор мха сфагнума бурого (Sphagnum fuscum), на болотах нижнего Приамурья, его просушку и просеивание для удаления избыточной влажности и инородных примесей, измельчение для достижения дисперсности 100-150 мкм. Далее из этого материала получают углерод с аморфной структурой, его пиролитической обработкой при температуре 950°C, проводят химическую отмывку продукта пиролиза в смеси кислот, нейтрализацию и сушку аморфного углерода. Затем углеродную модификацию подвергают циклической механохимической обработке на вариопланетарной мельнице Pulverisette-4 фирмы Fritsch (Германия). Механореактор мельницы изготовлен из коррозионно-стойкой стали с вставкой из твердого сплава ВКб. Размалывающие тела - шары из сплава ВКб диаметром 16 мм. Частота вращения главного диска - 400 мин^-1, частота вращения сателлитов - 800 мин^-1, интенсивность (отношение массы исходных материалов к массе размалывающих шаров) - 1:50.The procedure for manufacturing a nanocomposite includes the collection of brown sphagnum moss (Sphagnum fuscum) in the marshes of the lower Amur Region, its drying and sieving to remove excess moisture and foreign impurities, and grinding to achieve a dispersion of 100-150 microns. Further, carbon with an amorphous structure is obtained from this material, its pyrolytic treatment at a temperature of 950 ° C, chemical washing of the pyrolysis product in a mixture of acids, neutralization and drying of amorphous carbon are carried out. Then, the carbon modification is subjected to cyclic mechanochemical treatment at the varioplanetary mill Pulverisette-4 of the company Fritsch (Germany). The mill mechanoreactor is made of corrosion-resistant steel with an insert of VKb hard alloy. Grinding bodies - VKB alloy balls with a diameter of 16 mm. The rotation frequency of the main disk is 400 min ^-1 , the rotation frequency of the satellites is 800 min ^-1 , the intensity (the ratio of the mass of the starting materials to the mass of grinding balls) is 1:50.

Изменение структуры аморфного углерода в процессе его механической обработки в планетарной мельнице начинается после 8 ч обработки, при этом образуются углеродные нанотрубки диаметром 10-20 нм. После 10 ч механоактивации весь объем обрабатываемого материала состоит из углеродных нанотрубок диаметром 10-70 нм (и чем дольше он перерабатывается, тем меньше его содержание в добавке).A change in the structure of amorphous carbon during its mechanical treatment in a planetary mill begins after 8 hours of treatment, and carbon nanotubes with a diameter of 10–20 nm are formed. After 10 hours of mechanical activation, the entire volume of the processed material consists of carbon nanotubes with a diameter of 10-70 nm (and the longer it is processed, the lower its content in the additive).

Нанокомпозит вводят в состав эпоксидно-диановой смолы до добавления отвердителя и пластификатора. Состав тщательно перемешивают в течение 2-3 минут. Далее в полученную смесь вводят необходимое количество отвердителя, исходя из соотношения компонентов, и повторяют перемешивание в течение 2 минут. Температура смешивания: 22-25°C. Максимальная порция смешивания не должна превышать 2,5 кг.The nanocomposite is introduced into the epoxy-diane resin before the addition of hardener and plasticizer. The composition is thoroughly mixed for 2-3 minutes. Next, the required amount of hardener is introduced into the mixture, based on the ratio of the components, and stirring is repeated for 2 minutes. Mixing temperature: 22-25 ° C. The maximum mixing dose should not exceed 2.5 kg.

После этого полученное связующее заливается в пропиточную камеру 4 линии по производству композитной арматуры.After that, the resulting binder is poured into the impregnation chamber 4 lines for the production of composite reinforcement.

Далее процесс изготовления арматуры композитной не отличается от обычно реализуемого, на показанной на фиг. 1 известной линии.Further, the manufacturing process of composite reinforcement does not differ from that usually implemented in that shown in FIG. 1 famous line.

Ровинг 2 и высокомодульные волокна 3 в заданных количествах сматываются известным образом с бухт (на чертежах не показаны), установленных в источнике (штабеле) 1, с обеспечением их скручивания, после чего жгут протягивается через пропиточную камеру 4, на выходе из которой лишнее связующее отжимается из него. Далее жгут оказывается в станке для формирования армопояса 5, обеспечивающем придание жгуту заданного сечения (соответствующего сечению готового арматурного стержня). Затем сформированная заготовка проходит через туннельную печь 6, где обеспечивается быстрое твердение связующего, после чего ванна водяного охлаждения 7 обеспечивает охлаждение арматурного стержня до комнатной температуры. Средство протяжки 8 выполнено в виде приводных валиков, обеспечивающих фрикционную протяжку жгута через упомянутые узлы линии. Далее осуществляется намотка готового арматурного стержня на бухтонамотчик 10. Средство автоматической резки 9 обеспечивает перерезание плети арматурного стержня при заполнении съемной бобины (катушки) – на чертежах не показана. Далее заполненная съемная бобина удалаяется, на ее место устанавливается новая, конец плети арматурного стержня фиксируется на ней и процесс намотки готового арматурного стержня продолжается. Введение углеродных нанотрубок в эпоксидный композит способствует значительному (75-97 %) увеличению модуля ползучести при растяжении и повышению (7-15 %) модуля упругости при сжатии.Roving 2 and high-modulus fibers 3 in predetermined quantities are wound in a known manner from bays (not shown in the drawings) installed in the source (stack) 1, ensuring their twisting, after which the bundle is pulled through the impregnation chamber 4, at the exit of which the excess binder is squeezed out of him. Next, the tourniquet is in the machine for forming the armored belt 5, which ensures that the tourniquet gives the given section (corresponding to the section of the finished reinforcing bar). Then, the formed preform passes through the tunnel kiln 6, where the binder is quickly hardened, after which the water cooling bath 7 provides cooling of the reinforcing bar to room temperature. The broaching tool 8 is made in the form of drive rollers, providing friction pulling the tow through the mentioned nodes of the line. Next, the finished reinforcing bar is winded onto the bobbin winder 10. The automatic cutting tool 9 provides for the cutting of the reinforcing bar whip when filling the removable bobbin (coil) —not shown in the drawings. Next, the filled removable bobbin is removed, a new one is installed in its place, the end of the reinforcing bar lash is fixed on it and the winding process of the finished reinforcing bar continues. The introduction of carbon nanotubes into an epoxy composite contributes to a significant (75-97%) increase in tensile creep modulus and an increase (7-15%) in compression modulus.

Использование заявленной арматуры композитной для армирования бетонных изделий не отличается от использования известной стальной арматуры и обеспечивает сопоставимые с ней параметры армируемым ею изделиям по деформативности.The use of the claimed composite reinforcement for reinforcing concrete products does not differ from the use of the known steel reinforcement and provides comparable parameters with the deformability of the products reinforced by it.

Claims

Composite reinforcement containing a supporting rod made of basalt or glass roving and high-modulus fibers impregnated with a binder, characterized in that the binder uses a composition comprising an epoxy-diane resin, a polyethylene polyamine hardener and a dibutyl phthalate plasticizer, and a carbon nanocomposite is added to the binder, up to 1% of the resin volume of the binder composite reinforcement, while the additive contains multilayer carbon nanotubes in an amount of at least 45-50% by weight of the additive carbon nanocomposite and formed from brown sphagnum under conditions of mechanical activation of its pyrolysis products for at least 8 hours of treatment.