用於混凝土元件的加強部和用於生產加強的混凝土元件的系統和方法

2023-11-10 05:10:32

專利名稱：用於混凝土元件的加強部和用於生產加強的混凝土元件的系統和方法
技術領域：
本發明涉及用於加強混凝土元件的加強部和加強系統。此外，本 發明涉及用於生產這種加強部的方法和用於製造加強的混凝土元件的 方法。加強部包括至少一個由少量單個纖維絲形成的細長纖維繩，這 些纖維絲一起提供纖維繩。纖維繩可優選地塗覆有粒狀材料，例如砂， 該砂被附著到繩的外部表面上。此外，本發明涉及一種用於固結這種 加強的混凝土元件的方法。
背景技術：
熟知的是，使用鋼加強混凝土結構使得載荷和力從混凝土傳遞到 加強部，目的是獲得拉伸載荷和力由加強部承受，而壓縮載荷和力由
混凝土自身承受的結構。加強條的標準長度是12米，而粗度可以在4) 6mm和d)48mm之間變化。明顯的是，這種鋼尺寸代表大的重量和剛 性，使它難以在結構中處理和放置加強部。當放置鋼的加強部時，加 強條必須預彎曲並隨後在模板中被系接在一起，以便將加強部放置在 期望張力的截面中。
在要加強較大的長度的情況下加強條必須彼此重疊，在剪力通過 混凝土從一個條傳遞到另一個條時傳遞正應力和張力。這些條的焊接 也是可能的。作為一般規則，常規鋼加強部需要至少30mm的混凝土 覆蓋，而同時，在混凝土結構的表面邊緣中經受大的張力集中。因此， 裂紋可能容易地出現在這些區域，使水可能滲入混凝土結構，腐蝕鋼 加強部。這種腐蝕將加強部的體積增加到超過其原始體積，產生張力 並可能引起層裂。
熟知的是，使用碳纖維產品作為加強部，嵌在混凝土中或粘合到 混凝土體的表面。
從本申請人自己的WO 03/025305 Al，已知一種用於製造用於混凝 土的加強元件的方法，加強部包括細長、優選地連續的碳纖維纖維束， 浸透有塑性材料的基質，然後它被彎曲。包括大量單根纖維的纖維束 隨後被浸透並在硬化之前進入含有比如砂的粒狀材料的鍍池，所述粒 狀材料附著到纖維束的表面而不透入各纖維之間。在硬化處理期間， 粒狀材料固定到所述表面，因此形成加強元件。
NO 138.157示出用於預加應力的混凝土結構的環加強，其中環加 強包括數個浸透樹脂的玻璃纖維繩，通過緊密連接到每個環的浸透樹 脂的玻璃纖維的加強繩，增加每個環的橫截面積。
EP 1180565公開了一種用於加強的混凝土的柔性加強，該柔性加 強具有高的彈性模量的柔性帶的形式。所述帶布置在至少兩個加強條 周圍，並且張緊帶的各端部以便形成圍繞加強條的環，形成剛性連接。
已知的是，構造由分離的、獨立的碼頭元件組成的混凝土浮動碼 頭，其中成對的碼頭元件在其角部區域連接在一起。為此目的，豎直 凹部或凹口與水平管道一起布置在每個碼頭元件的每個角部，水平管 道從凹部穿過元件壁延伸並在元件的端部壁延伸出。水平布置的錨定 裝置在每個元件的所述凹部之間通過所述管道延伸，以便組裝和互連 兩個碼頭元件。
因為凹部和管道，每個角部暴露到大的張力和載荷。因此，有必 要大大加強角部和包圍凹部的截面。
然而，所述角部區域已被證明是容易損壞的，並且當碼頭元件暴 露到大的載荷和力時，儘管大大加強，混凝土仍然被粉碎。
要解決的問題是，除了維持高度的抗拉強度外，還要保證低重量 和高的抗腐蝕性，即使在高溫(比如,例如高強度的火引起的溫度)下 也維持良好的強度。
要解決的另外問題是當生產如此的加強部時增加生產率，並且也 用來提供特製的加強部方案，同時顯著減小生產設施和機械的投資需 求。
要解決的又一個問題是，在各種結構需要或多或少複雜的特製加 強部的情況下，減少鋪設加強部的範圍和所需時間。

發明內容
因此，本發明的目的是提供用於具有改善特性的混凝土的加強系 統，給予要被澆鑄的結構改善的強度和增加的壽命，並且同時減小所 生產的混凝土結構的維護需要。
根據本發明的加強系統的又一目的是，如果混凝土結構暴露於火， 延長混凝土結構的結構載荷承載能力。
根據本發明的加強系統的又一目的是提供簡單且柔性的加強系 統，使得可以修改加強系統並設計加強系統的尺寸以適應複雜的結構 元件。
加強系統的又一目的是提供一種加強部，該加強部對於操作者來 說鋪設簡單，並且至少部分地消除重的手工提升作業。
通過如在獨立權利要求的特徵部分中進一步限定的加強系統和生 產方法實現上述目的。在獨立權利要求中限定本發明的優選實施例。 根據本發明的加強系統中的必要要素是使用嵌在基質中的封閉的 加強環，該加強環由多個連續的纖維製成，例如由棉或玄武巖製成， 其中所述環在形成後硬化，並且所述環由一層比如例如砂的粒子塗覆。 所述環優選地為細長並且可以以封閉環或細長巻繞的形式，沿縱向方 向布置並且相應的環或巻繞沿橫向方向。環或巻繞的半圓端部構造成 用作錨定加強部的端部。通過提供螺旋加強部，也可以至少部分地實 現環加強的效果。當這種螺旋加強部嵌在硬化的混凝土中時，螺旋加 強部將用作多軸加強部。
當使用根據本發明的加強部時，加強部的端部區域中出現力的急 劇的或突然的集中將少得多。如果有必要"連接"加強部，則可對應 於傳統鋼加強部施加常規重疊。主要區別在於，除了在加強環之間傳 遞剪切應變之外，力從一個加強元件傳遞到相鄰加強部，在兩個重疊 的環的端部之間的混凝土中形成局部壓縮區。由於混凝土可抵抗大的 壓縮力，在該載荷傳遞區中可能的裂紋或微裂紋將由壓縮力封閉，而 不是如同常規加強部可能出現的情況那樣展開。這種壓縮力的大小取 決於數個參數，尤其取決於複合加強部和周圍的混凝土之間的粘結。
加強部由複合材料製成，其中包含碳纖維或玄武巖纖維。
根據本發明的加強環具有良好的材料特性，比如高的抗拉強度， 低重量和高的耐腐蝕性。此外，即使在高溫下，例如在經受高強度的 火期間，也維持高的抗拉強度。
測試顯示，根據本發明的加強部的強度比鋼高四倍，而重量比鋼 低四倍。因此，當使用根據本發明的加強部時，可以獲得顯著的重量 節省。
此外，應當理解，由於根據本發明的加強部具有高度的固有耐腐 蝕性，因此加強部可放置在要被加強的混凝土元件附近或其表面上，
因此需要減小或沒有混凝土覆蓋。因此，加強部可放置在真正需要它 的地方。


現在將參考附圖更詳細地描述本發明，其中
圖1示意性地示出穿過加強的混凝土元件的豎直截面，其中示出 根據本發明的原理的兩個加強環；
圖2示出由多個封閉加強環形成的加強網的一個實施例的視圖； 圖3示出由縱向和橫向布置的多個連續加強環形成的加強網的替
代實施例；
圖4示出多個共軸且同心布置的根據本發明的加強環；
圖5示意性地示出穿過浮橋的水平截面，其中根據本發明的加強 環用於加強浮橋；
圖6示意性地示出穿過加強部的豎直截面，該加強部與圖5中示 出的浮橋單元結合使用；
圖7示意性地示出穿過圖5中示出的浮橋單元的豎直截面；
圖8示意性地示出通過塑性材料製造纖維束的第一步；
圖9示出如何可以製造根據本發明的環；和
圖IO示出沿圖9中的線A-A觀察的穿過加強環11的豎直截面。
具體實施例方式
圖1示意性地示出穿過混凝土元件10的豎直截面，從上面看，示 意性地示出為矩形梁。如示出的，通過兩個加強環11示意性地加強所 述梁。可以使用多個加強環11，但為了簡潔，圖中僅示出兩個加強環 11。然而，應當理解，可以使用大量加強環11，取決於混凝土元件的 設計所考慮的力和載荷。加強環12可以布置在任何優選平面中，所述 優選平面包括水平和豎直平面。如圖1所示，加強環ll布置在水平平 面中， 一個環的一端部與另一個重疊，在它們自身之間形成封閉的柱 形空間12。每個加強環11的相對端部形成封閉的半圓14。
當混凝土元件受到例如由圖1中的箭頭所示的拉伸載荷時，加強 環11的兩個重疊端部將一起形成封閉的柱形空間12，暴露所述空間 12內的混凝土以便壓縮，並且因此用作引起局部預加應力壓縮的端部 錨。因此，環11的端部用作用於加強部的端部錨，而同時環11的直 的部分用作常規加強部。
應當理解，根據示出的實施例的環11可以例如由少量單個纖維絲 形成，這些纖維絲可以通過基質互連以便形成纖維繩，在繩的外部上 塗覆有粒狀材料。粒狀材料可以例如是砂。
環11可以例如具有l-5cm的高度，而厚度可以例如為l-2mm。細 長環11可以通過重複巻繞所述纖維繩而形成，以便形成封閉環11。
環ll可以構造成使得它們的端部例如可以具有半圓或半橢圓的形式。
圖2示出根據本發明的加強部的替代實施例。而且，這個實施例 示出為關於混凝土板10，並且如同圖1中示出的實施例，僅示出加強 部的一層。該實施例包括多個封閉環11，所述多個封閉環前後接連布 置，至少在它們的端部通過細長纖維繩15互連，因此形成加強網或加 強墊。所述細長纖維繩15可以為直繩的形式，或相對於環11垂直定 位的環的形式。這種網或墊可以例如用作用於混凝土地板、混凝土牆 等等的加強部。
如圖中所示的加強部實施例可以例如用作用於混凝土柱的加強部。
圖3示出加強墊的第三實施例，其中環11為橫向巻繞16的形式， 該橫向巻繞由多個細長巻繞17互連。形成巻繞16、 17的纖維繩可以 例如具有如上面相對於圖1指定的尺寸。
如圖3中所示，環16'中的兩個可以布置成使得它們的端部延伸出
混凝土元件10。環16'可以例如用於連接混凝土元件IO到鄰近的混凝
土元件(未示出)。在這種情況下，環可以例如放置在所述鄰近混凝 土元件中的相應的凹部，由此兩個混凝土元件可以原位互相固結。應
當理解，延伸出混凝土元件10的環16，的數量可以是一個或數個，而 不偏離發明構思。
圖4示意性地示出本發明的第三實施例，其中加強環ll-ll"彼此 同心地放置。加強環11具有最長長度，加強環ll'稍微較短，而加強 環ll"具有最短長度。根據這種實施例，通過環11-11"，可以將加強部 的主要部分放置在最需要加強部橫截面的截面中。圖4中示出的混凝 土元件可以例如是在每個端部被支撐的梁。根據這種方案，彎矩可以 在梁的中間部分最大，並且因此這個部分需要最大的加強部。這種實 施例導致最優化地使用材料體積。
圖5和6示出關於一個可能實施例使用的根據本發明的加強環11 的使用的實例，其中環11的每個端部巻繞在柱形管18周圍。根據圖5 和6中示出的實施例，混凝土結構形成浮動碼頭20的一部分，該浮動 碼頭包括數個元件，所述數個元件被系接在一起，用於形成例如長的 模塊化的浮動碼頭等等。圖5示出穿過浮動元件20的水平截面，而圖 6示出了僅示出柱形管18和加強環的部分。根據這個實施例，柱形管 18由柱形鋼管形成，位於浮動體20的角部。然而，應當理解，柱體 18也可以由除鋼之外的材料製成，例如其它類型的金屬或塑性材料。 至於前面示出的實施例，加強環11沿浮動體20的縱向和橫向方向巻 繞在成對的鄰近柱形管18周圍。圖5和6僅示出沿浮動體20的縱向 方向巻繞的那些環11。
為了便於兩個鄰近浮動體20的互連，或系接元件到岸邊錨點22， 對應於柱形體18的每個角部設置有凹部21。相對應地，柱形體18設置有開口且法蘭24設置有孔，形成用於系杆23等的支撐表面，用於
將一個浮動體與另一個浮動體互連或系接在一起或者將一個浮動體互
連或系接到岸邊的錨點。系杆23可通過錨板25連接在柱形體18內部， 使得系杆可以被緊固。如圖5所示，僅僅示出一個這種系杆23。然而， 應當理解，相對於每個柱形體18可以使用這種系杆23，以便固定浮動 體到岸邊的錨22或用於將兩個鄰近的相鄰浮動體20系接在一起。箭 頭P表示在角部作用在浮動體20上的拉力的方向。
應當理解，可以以本領域技術人員己知的任何方式實現系杆的連 接和聯結。
圖7示出穿過圖5中示出的浮動體20的豎直截面，其中示出加強 環11和兩個柱形體18。如示出的，加強部和柱形體一起布置在浮力體 的上半部。
圖8和9示意性地示出製造加強部的纖維形成部分的可能方法， 並示出製造環的方法。如圖8中示出的，在生產線的第一部分中，大 量的連續單纖維或絲26從對應數量的絲或纖維線軸或巻軸Rl被抽出 或拉出。纖維26首先被收集並向下送入浮動塑性材料或基質27的鍍 池，以便被浸透。被收集的纖維束29可以優選地通過從動輥被拉動， 所述從動輥例如附圖標記R2和R3標識的輥。浸透的纖維束被拉過輥 R4，可能通過預張緊所述束將所述束拉出鍍池，這通過包括一對輥的 拉動裝置28可獲得。這些輥28也可用作用以擠出纖維束所浸透的未 硬化塑性材料或基質的可能剩餘的裝置。浸透的纖維束29從輥28被 拉出，例如用來巻繞在如圖9中示出的鼓形體周圍。
圖9示出浸透的但還沒有硬化的纖維束29，該纖維束巻繞在兩個 細長的柱形鼓30周圍。鼓30可以通過一個或更多臂31互連，所述臂 在其中間點可由平行於鼓的軸線的軸32支撐。通過使互連的鼓30繞 其軸線32旋轉，浸透的但未硬化的纖維束29彼此巻繞，形成環形加
強部11。
圖10示出沿圖9中的線A-A觀察的穿過纖維束29的截面。纖維 束29巻繞在鼓體30、 31、 32上，從而給予纖維環11或多或少的圓形 橫截面，如圖10中所示。可替代地，纖維束29可巻繞到所述鼓上使 得所述橫截面成為或多或少的橢圓形。
當環11巻繞為希望的形狀和尺寸時，環的外部可塗覆粒狀材料， 比如砂，並且由此以合適的方式硬化所述環。應當理解，粒狀材料應 該僅僅附著到所述束的外表面，使得所述束29內的纖維不暴露到尖銳 的粒子表面。塗覆在環11的外部上的粒狀材料的目的是當固結時保證 混凝土和纖維束之間的適當粘結。
如果加強部將具有不同的形狀，比如，例如來回巻繞的細長環， 則用於製造浸透的但未硬化的纖維束29的方法將對應於參考圖9描述 方法。然後，纖維束29巻繞在特定形成的模板周圍，給出需要的加強 部形狀，由此在以任何合適方式硬化之前，將粒狀材料施加到纖維束 29的未硬化的表面。
用於纖維束29中的纖維材料可根據本發明由例如具有非常高的熔 點(例如超過IOO(TC)的材料形成，而浸透材料或基質可以例如由塑 性材料(例如熱塑性塑料)製成。碳或玄武巖可以是用於纖維絲26的 合適材料。
使用這種類型的纖維材料的顯著優點是，即使混凝土結構暴露到 例如由火引起的特別溫度，也將保持加強效果的主要部分。即使浸透 材料/基質被熔化或燒掉(在20(TC附近的溫度可能發生)，連續的纖 維束將仍然位於其"混凝土廊道"內，或多或少地免受氧的作用。由 於不存在氧，例如碳和玄武巖的材料或類似類型的材料可耐受很高的 溫度，例如IOO(TC或更高。如果加強環由粗纖維束製成，則圍繞所述環巻繞很少次，這種纖 維束在經受火後將被拉出其"廊道"。如果根據本發明的加強環由較 細的纖維束製成，則圍繞所述環巻繞很多次，所述環將能夠耐受顯著 的張力，即使浸透材料/基質已經蒸發掉。
除非在文中以其它方式明確指出，應當理解，術語環也應當包括 由根據本發明的纖維繩或束形成的巻繞或螺旋。
雖然上面描述了柱形體，但應當理解，術語"柱形體"包括表面 彎曲的物體，纖維加強部巻繞在該表面周圍。柱形體的不打算接觸纖 維加強.部的部分可以具有任何合適形狀。還應當理解，柱形體可以是 實心且緻密的或者可以是空心的，而不偏離發明思想。
此外，應當理解，纖維環可以從粗且長變動到短且細。在組合或 分離的情況下，長且粗的環可以經受張力，而使用大量短環可以防止， 或者至少減少，在受到火的情況下溫度的快速增加引起的混凝土的層 裂。這可能是由於單個環將起作用，即使來自火的熱已經把基質碳化 或蒸發掉。
此外，應當理解，雖然環是橢圓形的，但它們仍然可以具有或多 或少的圓形。
根據本發明的小環適用於噴漿，並且所述環也可防止在混凝土中 形成裂縫和微裂紋。
權利要求
1.用於混凝土元件的加強部，包括至少一個由少量單根纖維絲形成的細長繩，所述纖維絲當嵌在基質中時形成纖維繩，所述纖維繩的外部表面塗覆有粒狀材料，例如砂，其特徵在於所述加強部包括至少一個或更多環，該環通過所述纖維繩的重複卷繞而形成，並且所述環優選地封閉或連續卷繞地鋪設，所述環或所述卷繞的端部用作用於所述混凝土元件中的所述加強部的端部錨。
2. 如權利要求l所述的加強部，其中，使用成對的環，所述環的 端部彼此重疊，在所述混凝土元件中形成受到壓縮的中間區。
3. 如權利要求1或2所述的加強部，其中環的至少一個端部圍繞 嵌入的柱形體延伸。
4. 如權利要求1-3中的一項所述的加強部，其中至少一個環的相 對端部圍繞分離的嵌入的柱形體延伸。
5. 如權利要求3或4所述的加強部，其中所述嵌入的柱形體可以 是緻密的或空心的，並且可以由混凝土、例如鋼的金屬、塑料材料、 紙板或類似材料製成。
6. 如權利要求3或4所述的加強部，其中所述柱形體設置有凹部 或附接裝置，所述凹部或附接裝置構造用於在所述混凝土元件固結前 將所述加強部暴露到張力和/或用作用於鄰近混凝土元件的系接。
7. 如權利要求1-6中的一項所述的加強部，其中所述纖維環由優 選地包括碳或玄武巖的複合材料形成。
8. 如權利要求1-7中的一項所述的加強部，其中所述環具有不同的長度，並且所述環相對彼此同心布置。
9. 用於固結加強的混凝土元件的方法，其中所述加強部至少包括 細長碳纖維環，所述碳纖維環由重複巻繞以便產生加強環的少量單根 纖維絲形成，嵌在基質中並在外部塗覆有一層粒狀材料，例如砂，其特徵在於布置至少一個柱形體；形成為由細長、連續的碳纖維 繩製成的細長加強環的至少一個封閉環的端部布置在所述柱形體周 圍，而相對端部保持固定；所述細長加強環沿其縱向張緊，然後灌注 混凝土，並且然後， 一旦所述混凝土充分硬化就釋放所述張緊。
10. 用於加強混凝土元件的系統，所述混凝土元件意圖連接到鄰 近的分離混凝土元件以便形成互連混凝土結構，其中，加強每個混凝 土元件，並且兩個鄰近的混凝土元件通過中間錨定元件系接在一起，其特徵在於，在每個混凝土元件的每個端部處嵌入載荷承載柱形 體，所述加強部優選地包括至少兩個環，所述至少兩個環優選地以連 續的方式在布置在所述混凝土元件的每個端部處的所述兩個載荷承載 柱形體之間和周圍延伸。
11. 如權利要求IO所述的系統，其中所述加強部包括由纖維組成 的連續繩。
12. 如權利要求ll所述的系統，其中所述碳繩的外部表面設置有 粒狀表面，所述粒狀表面由附著到所述碳纖維的所述外部表面的砂形 成。
13. 如權利要求10-12中的一項所述的系統，其中，在所述兩個柱 形元件中形成凹部，以便促進成對的混凝土元件之間的互連，用於形 成系接的混凝土元件的鏈。
14.用於製造複合材料的加強網的方法，所述加強網包括沿橫向 延伸的環形加強元件和沿縱向延伸的加強元件，其中所述不同取向的 加強元件在節點互連，由此形成加強網，其特徵在於，多個細長環形纖維元件布置在鑽機中，使得所述環 形加強元件相對於彼此正確定位，然後沿縱向延伸的加強元件被拉過 所述鑽機上的所述環形元件並連接到所述環形加強部以便形成加強 網，並且細長繩連接到所述環的端部，所述繩也在所述環的所述端部 固定到所述環。
全文摘要
本發明涉及用於混凝土元件的加強部，包括至少一個由較小量單根纖維絲形成的細長繩，所述纖維絲當嵌在基質中時形成纖維繩，纖維繩的外部表面塗覆有粒狀材料，例如砂。所述加強部包括至少一個或更多環，該環通過所述纖維繩的重複卷繞而形成，並且所述環優選地封閉或連續卷繞地鋪設，環或卷繞的端部用作用於混凝土元件中的加強部的端部錨。本發明也涉及基於上述加強部的加強系統。此外，本發明涉及一種用於製造這種加強系統的方法和一種用於使用這種加強系統的方法。
文檔編號E04CGK101351604SQ200680049843
公開日2009年1月21日 申請日期2006年11月2日 優先權日2005年11月4日
發明者安德斯·亨裡克·布爾 申請人:Bba布萊克布爾股份有限公司