Композиционные материалы в строительстве дома. Композитные материалы в строительстве

Композиционные материалы обладают великолепными свойствами, композиты это материалы будущего. Такие слова мы нередко слышим по радио и телевизору, но слышим мы их в связи с применением композитов в технике. А используются ли эти замечательные материалы в строительстве и, особенно в строительстве частных загородных домов?

Композиционные материалы – это материалы, состоящие из двух основных составляющих, первое из которых – как правило, волокнистый материал, который придает изделиям прочность и связующий материал – матрица. Обычно все твердые искусственные материалы делят на конгломераты и композиционные материалы. Конгломераты представляют собой механическое смешение компонентов, а свойства целого изделия зависят от свойств наименее прочного составляющего. Части, составляющие массив композиционных материалов в изделии функционируют не обособленно, а совместно, что придает композитам новые свойства. Примерами композиционных материалов служат асбестоцемент, стеклопластики и углепластики, материалы на основе древесных волокон. А основными свойствами композиционных материалов, отличающих их от остальных, является высокая прочность при небольшой массе.

Такие свойства как высокая прочность и малая масса определяют сферу применения композитов – это техника (особенно авиа- и автомобилестроение). Естественно, что такие интересные свойства композиционных материалов привлекают и внимание строителей. А возможно ли их использование в строительстве домов? Оказывается, эти материалы уже давно используются в строительстве, причем как при возведении современных многоэтажных домов, так и при строительстве обычных сельских домов.

К волокнистым композитам относятся стеклопластики, древесностружечные (ДСП) и древесно-волокнистые (ДВП) плиты, а также многие другие листовые, плитные и рулонные материалы. Как говорилось выше, полимерный волокнистый композиционный материал включает два основных компонента: армирующие волокна (или ткань) и связующее (матрицу) – полимер или каучук. Сочетание в одном материале таких разнородных компонентов – волокна (стеклянного, асбестового, древесного и др.) и полимера создает легкий материал, обладающий высокой прочностью на растяжение и изгиб.

Наиболее известным и распространенным в строительстве композиционным материалом является . Это цементный искусственный каменный материал, упрочненный асбестовым волокном. Цементный камень обладает высокой прочностью на сжатие и плохо сопротивляется растягивающим нагрузкам. Введение асбеста значительно повышает механические свойства материала, в результате материал получает такие качества как высокая прочность на растяжение, огнестойкость, долговечность, низкой тепло- и электропроводность. Асбестоцементные изделия это: профилированные листы для кровель (шифер) и обшивки стен, водопроводные, канализационные, вентиляционные трубы.

Еще один вид композитов, представляющий собой искусственный стеновой каменный материал это фибробетон. Фибробетон обладает повышенной трещиностойкостью, прочностью на растяжение, ударной вязкостью, сопротивлением истираемости. Для армирования бетона применяются различные металлические и неметаллические волокна. В качестве фибр применяют тонкую проволоку, базальтовые и асбестовые волокна. Такой материал получается более легким чем железобетон, что делает монтаж конструкций на месте строительства более легким.

Системы внешнего армирования углеродными лентами для реконструкции любых инженерных конструкций набирают популярность в России. Благодаря своим уникальным характеристикам они незаменимы в ремонте ветхого жилья. А в числе перспективных разработок для нового строительства: углепластиковая арматура и фибробетоны.

Системы внешнего армирования углеродным волокном предназначены для ремонта и усиления несущих конструкций зданий с целью устранения последствий разрушения бетона и коррозии арматуры в результате длительного воздействия природных факторов и агрессивных сред в процессе эксплуатации сооружений.

На стадии строительства и эксплуатации система внешнего армирования позволяет решить следующие задачи: устранить ошибки проектирования или исполнения работ, увеличить несущую способность конструкций при увеличении расчетных нагрузок, а также устранить последствия повреждения несущих конструкций возникшие в ходе эксплуатации.

Системы внешнего армирования необычайно легки в применении. Технология предполагает наклеивание высокопрочных материалов на поверхность усиливаемой конструкции с помощью эпоксидных компаундов. Преимущества применения Системы внешнего армирования очевидны. Это прежде всего сокращение временных и трудовых затрат. При усилении Системой внешнего армирования не требуется никакой дополнительной громоздкой техники. Работы можно проводить без остановки эксплуатации зданий и сооружений.

Для нового строительства зданий жилого фонда одним из наиболее перспективных продуктов из полимерных композиционных материалов на основе углеродного волокна является композитная углеволоконная арматура. Основные направления применения углепластиковой арматуры в новом строительстве: высокоответственные конструкции, требующие уникальных свойств материалов; конструкции, работающие в условиях высокоагрессивных сред; высокопрочные элементы сложных конструктивных схем и решений. Также углепластиковую арматуру применяют при ремонте и реконструкции железобетонных и каменных конструкций в качестве внешней арматуры. Преимущества материала: огнеупорность, жаростойкость, химическая устойчивость, радиационная стойкость, ударная вязкость и т.д.

Важнейшим направлением в строительстве является снижение энергоемкости, трудоемкости, материалоемкости изготовления изделий и конструкций, повышение их качества, надежности. Одно из возможных решений этой проблемы – применение композиционных материалов, достоинством которых, является возможность создавать из них элементы с параметрами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям работы конструкций.

их отличии от других, традиционных изделий

Без современных инновационных технологий невозможно создать новейшие решения в области строительства, а также в коммерческом и жилом строительстве, в реставрационных работах автомобильных дорог. Раньше в этих технологиях использовались изделия из стали, алюминия, железобетона, но на сегодняшний день нет ничего более современного, прочного и экологичного, чем синтетические композитные изделия из полимерных соединений.

Как правило, состав композитного материала включает в себя два трипа составляющих: связующее (матрица) или армирующий материал. Благодаря матрице изделие обеспечивается определенной формой и фиксирует армирующий материал. За счет этого матрица усиливается и передает свои свойства изделию. Подобное совмещение этих характеристик в веществах гарантированно создает принципиально новый композитный материал.

Тип армирующего вещества определяет виды композитных материалов. По этой характеристике они могут быть наполненными, иметь волокнистую, слоистую структуру, а также быть насыпными и скелетными. Свойства, которыми обладает тот или иной композитный материал зависит от сочетания физических, механических, химических характеристик, которыми будет обладать матрица и армирующий материал. Композитные материалы в последнее время стали очень популярными и очень часто применяются в разных сферах. Это легко объяснить тем, что у этих материалов есть целый ряд преимуществ, которые отличают их от других, традиционных изделий.

К основным достоинствам композитных материалов относятся свойства, благодаря которым синтетические материалы обладают более высокой прочностью и устойчивостью к деформациям, разрывам, сжатиям, срезам и скручиваниям. Помимо этого, полимерные синтетические материалы являются более легкими по массе, удобными для транспортировки и установки. При этом есть хорошая возможность также и оптимизировать затраты на эти позиции.

Композит устойчив к химическому воздействию агрессивной среды, атмосферные осадки ему тоже не повредят. Материал не боится резких перепадов температур, способен эффективно использоваться в разных температурных режимах при неблагоприятных климатических условиях. Ко всему перечисленному, можно сказать, что этот материал целиком безопасен для окружающей среды и полностью соответствует всем экологическим требованиям.

Особенности композитов.

Композитные материалы имеют свои особенности, которые очень выгодно отличают их среди традиционных стройматериалов. Новые материалы создаютсяблагодаря естественным стремлениям разработчиков улучшать характеристики конструкций, которые эксплуатируются в данный момент, а также тех, которые вводятся в эксплуатацию. Эти технологии, осваиваясь строителями, дают новую возможность для разработки более современных сооружений и технологий. Одним из максимально ярких проявлений особенностей разработки полимерных материалов, является тот факт, что композит очень широко применяется в разных областях строительства.

Композитные материалы можно весьма справедливо назвать сырьем для строительства двадцать первого века. Они имеют высочайшие физико-механические свойства при невысокой плотности. Они более крепкие, нежели стальные и алюминиевые сплавы.

Композитные материалы являются многосложными гетерогенными (разнородными) структурами, которые образовываются соединением армирующих элементов с изобтропным связующим. Армирующий элемент может иметь вид тонкого волокна, нити, жгута или ткани, обеспечивает физические свойства этого материала, который будет гарантированно прочным и жестким в направлении ориентации волокна, а матрица обеспечит цельность конструкции. Нынешние композитные материалы имеют удельную прочность и жесткость в направлении армирования, и этот показатель более, чем в 4 раза может превышать показатели стальной, алюминиевой арматуры и изделий из титановых сплавов.

При помощи внешней нагрузки на материал в момент разрушения определяется прочность конструкции. Жесткостью или модулем упругости называют характеристики материалов, которые определяют смещение сооружений под воздействием внешнего напряжения. Эта характеристика прямо пропорциональна явлению потери устойчивости сооружения, в момент, когда в нем развиваются переменные значения и возникает большая нагрузка на основание. В такие моменты несущая конструкция может быть разрушена. Удельной прочностью и удельной жесткостью является отношение предельного напряжения к модулю упругости в соответствии с плотностью материала. При более высоких удельных свойствах материалов, конструкция будет более легкой и прочной и порог потери устойчивости намного выше.

Для армирования материалов, как правило, используют высокопрочные волокна из стекла, базальта, арамида, углеродных, борных, органических соединений, а также из металлической проволоки и нитевидных кристаллов. Эти компоненты для армирования могут применяться в виде моноволокна, нити, проволоки, жгутов, а также ткани или сетки.

В композитном материале матрица является важнейшей составляющей, благодаря которой обеспечивается цельность композиции, фиксируется его форма и расположение армирующего волокна. Благодаря материалу матрицы можно обеспечить оптимальный метод изготовления элементов, а также выбрать соответствующий уровень рабочей температуры композита, стойкость к химическим раздражителям, поведение композита при влиянии атмосферных осадков и повышенных или пониженных температур.

Матрицей могут выступать материалы из эпоксидной, полиэфирной и некоторых других термореактивных, полимерных и термопластичных материалов. В композитных материалах волокнистой структуры, напряжение, которое возникает под воздействием внешних нагрузок, воспринимается высокопрочными волокнами. Они же и обеспечивают прочность сооружения по направлению армирования. Благодаря направленному характеру свойств композитных материалов, они имеют превосходные качества. Из композитных материалов могут создаваться конструкции со свойствами, заданными ранее и максимально соответствующие специфике и свойствам работ. Благодаря многообразию волокон и материалов для матрицы, а также схемы по котором происходит процесс армирования при создании композита, есть возможность целенаправленно производить регулирование прочности, жесткости, уровня рабочей температуры, химической стойкости и других свойств.

Широкие возможности технологического процесса производства материалов разных по форме определяют широкий ассортимент композитных материалов, которые можно сделать. При соблюдении всех технологий, необходимо применение специальных агрегатов и оборудования, оснастки и других станков. С помощью этой техники арматурные стержни можно гнуть в различных направлениях для самых нестандартных строительных решений.

В данном разделе мы можем подробно рассмотреть, что используется для изготовления композитных материалов, какой вид армирующего материала и матрицы можно применять, а также какие виды технологий применяются при производстве.

Композитные материалы и технологии.

Армирующие материалы для композитов:

		1. Стекловолокно. В технологии производства композитных материалов используются такие армирующие материалы, как стекловолокно. Этот материал является производной формой стекла, расплавленного методом экструзии. В процессе изготовления через прядильные фильтры пропускаются расплавленные нити, которые становятся очень прочными. Этот материал, в отличие от изделий из стекла, не бьется, не ломается, но при этом остается очень прочным и позволяет производить из него ткани и кабели для различного назначения. Как правило, его очень часто и широко применяют в строительстве домов, фундаментов для капитального строительства, а также реконструкционных работ в автодоре. Стекловолокно также используют для теплоизоляции фасадов, и звукоизоляции. Регулярно используется стекловолокно и для отделочных и конструкционных материалов, например стеклопластиковой арматуры, облицовочных панелей, досок, черепицы из стекловолокна. Этот материал обладает огнестойкостью, поэтому он безопасен для любых помещений, как коммерческих, так и жилых. Если сравнить стекловолокно с обычными материалами, то композит выгодно отличается и по цене. Даная технология позволяет производить материалы, имеющие удельную прочность выше, нежели удельная прочность стали. А еще очень важно, что стекловолокну можно придать абсолютно любую форму.
		2. Базальтовое волокно. Еще одним очень популярным материалом для производства композита является базальтовое волокно, которое производится из горных пород, соответствующих по конструкции с базальтом, базанитом и габрадиабазом. Также используются и комбинации этих материалов. Данное волокно производят в специальных печах при высокой температуре. Материалы плавятся и свободно стекают сквозь особый отвод. Базальтовое волокно может быть двух типов - штапельным и непрерывным, отличия этих двух видов в свойствах самого материала. Его очень широко применяют в производстве фильтров. Этот материал обладает легкостью и прочностью, благодаря чему его успешно используют для армирования бетонных сооружений. Базальтовая фибра применяется в строительстве, благодаря чему конструкция значительно улучшает свои качества в плане ударной прочности, морозостойкости и водонепроницаемости сооружений. Из базальтового волокна изготавливают теплоизоляцию и огнезащиту, базальтопластиковую арматуру, наполнители для фильтров со сверхтонкой очисткой, смеси для армирования бетона, изоляцию различных станков, которые работают в неблагоприятных погодных условиях и при очень низких температурах. Из этого материала изготавливают базальтовые маты и плиты из волокна, которые в последствие используются для обшивки трубопроводов. Основными преимуществами изделий из базальтового волокна являются такие свойства, как высокая стойкость к химическому воздействию, низкая масса и очень выгодная цена. Пористая структура базальтового волокна не угнетает пропускную способность, а фибра, произведенная из базальтовых волокон, не подвергается коррозии и не обладает катодным эффектом, в отличие от металлических изделий.
		3. Углеродное волокно. В производстве композитных материалов используют также и углеродное волокно. Этот материал представляет собой вещество, в составе которого находится только карбонатный углерод. Этот материал был впервые изготовленный и запатентованный Томасом Эдисоном в конце 19 века, является сверхпрочным элементом, который можно получить с помощью метода обработки органического волокна высокими температурами. Производство композиционных материалов из углеродного карбоната представляет весьма непростой процесс, который осуществляется комплексно. После того, как материал окончательно застынет и графитизируется, количество чистого углерода в волокне будет составлять около 99%. Углеродные композиты применяются, в основном, в области производства фрагментов летательных аппаратов, а также устройств, которые испытывают постоянные высокие нагрузки. Плавится этот материал при очень высокой температуре, поэтому его успешно применяют для термоизоляции в производстве вакуумных печей. К тому же, углеродный композит имеет свойство эффективно поглощать электромагнитные волны, что широко используется в радиотехнике. Углеволокно обладает крайне высокой химической стойкостью. Применяют его в производстве космических аппаратов, сверхзвуковых самолетов, деталей гоночных машин, экранов, поглощающих электро-магнитные волны, а также для производства профессионального спортивного инвентаря. Если сравнивать углекарбонатное волокно с традиционными материалами, то новый технологический материал обладает легкостью и прочностью, благодаря чему им можно заменить любой пластик и металл.
		4. Арамидное волокно. Арамидное волокно также очень часто применяется в производстве композитных материалов. Его еще иногда называют кевларом. Он представляет собой прочный синтетических материал, получаемый из сополимерных нитей посредством нагрева их до пяти ста градусов. Этот материал имеет несколько разновидностей, таких как пара-арамидные и мета-арамидные волокна. Последние обладают очень высокой термостойкостью, благодаря чему их можно применять для создания аксессуаров в одежде. Волокна из арамида широко применяются во многих видах промышленности. Они сочетают в себе легкость и прочность. Их применяют для конструирования авиакосмических аппаратов, деталей гоночных автомобилей, а также для производства спецодежды и экипировки гонщиков, военных, пожарных и других специальных сфер. Немаловажно, что арамид используют для производства бронежилетов, оплетки кабелей, сверхпрочных троссов, огнезащитной одежды, армирования автомобильных шин. Этот материал имеет очень высокий уровень прочности на разрыв, а также высокую стойкость к химическому воздействию и высокой температурой плавления. Благодаря таким качествам арамидное волокно практически не имеет аналогов, что позволяет производить из него ровинги. Они представляют собой жгуты, собранные из нитей этого волокна. Ровинги могут различаться по плотности или по толщине, это зависит от количества нитей волокон в жгуте, диаметра нити, вида сырья, из которого его производят.

На основе вышеописанных волокон производятся ровинги. Ровинг - представляет собой жгут собранный из нитей непрерывного волокна. Ровинги различаются: плотностью или толщиной - количеством нитей волокна в жгуте, диаметром единичной нити, видом сырья из которого они произведены, видом замасливателя и предназначением. Свое основное обозначение они имеют в тексах ("tex") — это вес 1-го километра ровинга в граммах. Поставляются ровинги в бобинах или катушках, герметично упакованных в пленку.

		Стеклянный ровинг является непрерывным жгутом, сотканным из стеклонити. Для того что бы обозначить толщину ровинга, которая зависит от того, сколько нитей в него входит, применяют величину текс («tex»). В основном, ровинг производят на специальных тростильно-мотальных агрегатах, используя отдельные нити стекловолокна. Стекложгут в готовом виде прописывают специальным клеем из термопласта, который называется замасливатель. При помощи ровинга из стекла можно изготавливать арматуру, разнообразные профили, а также вращательные цилиндры, трубы, цистерны, которые можно использовать для того, чтобы хранить и транспортировать химические реагенты. Ровинг можно применять, как армирующий материал. Благодаря тому, что цена на него очень доступна, материал легкий и пластичный, его очень часто применяют в отделочных работах и декорировании фасадов. Также, ровинг используют для наполнения пластиков, изготовления пултрузионных профилей, строительной арматуры, армирования теплопласта, а также для изготовления стеклоткани, улучшения качества асфальтобетонного покрытия, а также для изготовления труб и ёмкостей, которые используются при высоком давлении. Изделия, в основе которого лежит стеклянный ровинг, имеют множество достоинств. Прежде всего, это доступная цена, высокая прочность, безопасность, стойкость к неблагоприятным условиям, невосприимчивость к повреждениям и может быть использована в качестве теплоизоляционного материала в течение долгого времени.
		Ровинг из базальта является, по сути, жгутом, в котором равномерно натянуты цельные базальтовые нити. Что бы изготовить нити, крупнофракционный базальтовый щебень дробят, просеивают, промывают и просушивают. После этот состав загружается в рекуперативные печи для плавки, где крошка нагревается до 1500 градусов. Состав начинает плавиться и стекать в фидер, после чего поступает в фильерный питатель, откуда его вытягивают с помощью специального устройства, которое образует непрерывные нити. Способ прядения определяет каким будет ровинг - однопрокатным с прямыми нитями или сложенным. Высокая прочность и невосприимчивость вещества к агрессивной среде позволяет ровингу использоваться в производстве труб для транспортирования химических веществ, газов, находящихся в условиях высокой температуры и горюче-смазочных материалов. Ровинг на основе базальта используют также и для изготовления ткани и препрегов, строительной арматуры, армирования пластика и бетонных изделий, для изготовления крышных установок и облицовочного материала, в производстве термоизоляционных матов, для улучшения асфальтового покрытия в строительных и реконструкционных работах на дорогах.
		Ровинг из углерода представляет собой пряди, сотканные из цельных углеродных волокон. Нити волокна, которые входят в состав материала имеют очень маленький диаметр, до 15 микрон, благодаря чему жгут имеет очень высокую прочность на разрыв. Также, материал имеет очень маленький вес. Во время изготовления ними нагревают до 1700 градусов, химически обрабатываются, благодаря чему происходит карбонизация. Ровинги продаются в катушках, при этом их необходимо хранить в сухом месте. Углеродный ровинг можно применять на стройках, в области судостроения и авиационного производства. Высокие механические свойства, которыми обладают ровинги, позволяют ламинировать, армировать системы, в составе которых содержится эпоксидная, виниловая, полиэстровая смола. Ровинги, в составе которых есть нити углерода используют в медицинских целях, в строительстве, электротехники, авиастроении и ракетостроении, в нефтяной промышленности, космической промышленности, при изготовлении спортивных снарядов. Преимущества углеродного ровинга очевидны - по сравнению с традиционно используемыми материалами, он имеет высокую прочность на разрыв, не ржавеют, и выдерживают экстремально высокие температуры. Волокна из углерода, которые входят в состав жгутоа, способны задерживать альфа частицы, а их свойства позволяют создавать бесшовные изделия сложных форм.

Виды композитных связующих. Матрицы композитов:

1. Эпоксидное связующее.

Композитные связующие и матрицы могут быть различных видов. Очень часто используется эпоксидное связующее, которое образовано из вещества эпоксидной группы. Этот материал имеет трехмерную структуру, которая устойчива к воздействию щелочных, кислотных и галогеновых растворов. Связующее из эпоксида широко применяется в самых различных отраслях промышленности. Его применяют с целью склеить различные типы армирующих элементов и получить качественный композитный материал. Также, его используют как герметирующее средство для электронных приборов, различных плат и других устройств. Широко применяется это связующее в строительных работах, а также в бытовых целях.

2. Полиимидные связующие.

Не менее известным и популярным является связующее из полиимида. Эти вещества относятся к теплостойкому классу материалов, имеющих сложную структуру, имеющую большое количество связей между частицами. Благодаря теплостойкости этих частиц, этот материал используется, как связующее в системах теплозащиты космических кораблей, в ракетостроительной промышленности, а также многих других изделий, которые используются при агрессивно высоких температурах. Выбирая этот тип связующего, необходимо учитывать фактор токсичности этого материала, очень высокий уровень вязкости при обычных температурах, достаточно высокую цену, которая связана с длительным процессом производства.

3. Полиэфирное связующее.

Связующие из полиэфира - это продукт, который образовался в процессе полимеризации эфиров с насыщенными частицами. Особенность этого вещества заключается в том, что в нем присутствует высокий процент стирола, возникающий в процессе полимеризации. Это может приводить к двум негативным особенностям этого материала - кроме пористой структуры, он может быть еще и токсичным. Однако, эта связка более дешевая, нежели эпоксидное связующее, а также имеет меньшую вязкость и наносить его легче.

4. Фенолформальдегидное связующее.

Связующее из фенолформальдегида отличается особенностью, что уровень рабочей температуры может быть очень высоким. Также, немаловажно, что этот материал очень доступен, поскольку является побочным продуктом синтеза нефтяных продуктов. Он имеет хорошую текучесть, благодаря чему можно получить изделия различных конфигураций. Благодаря применению этого связующего материала можно получить хорошо пропитываемый армирующий элемент в композитном материале.

5. Углеродное связующее.

Углеродное связующее позволит произвести изделие, обладающее очень высокими физическими и механическими свойствами. Его коэффициент линейного теплового расширения ≈10-7- 10-8; коэффициент теплопроводности до 1000 Вт/м.К; модуль упругости Е≈600 ГПа. Это вещество, также имеет отличные электротехнические свойства, а также высокую химическую инертность. Эту связку применяют в процессе изготовления сопловых блоков моторов, термостойкой плитки, а также в элементах электротехники.

6. Цианат-эфирное связующее.

Цианат-эфирное связующее вещество имеет высокую радиационную стойкость, изменяемые механические свойства, которые зависят от времени обработки, а также низкое влагопоглощение и низкую диэлектрическую постоянную. Кроме того, связующие из цианат-эфира являются очень стойкими к изменениям температур, которые в других материалах могут вызывать микротрещины, а затем распад вещества. Благодаря этим свойствам цианат-эфир широко используют в композитных материалах для космической промышленности. Вещество применяется для изготовления рефлекторов, обтекателей, антенн, отражателей, а также размеростабильных пространственных структур.

ГЕЛЬКОУТЫ Для покрытия композитных материалов, используют модицифированные смолы, которые называются гелькоуты. Их изготавливают из полиэфирной или эпоксидной смолы, благодаря чему композит будет иметь гладкую глянцевую поверхность. Нанесение гелькоута необходимо производить с помощью краскопульта, что гарантирует равномерный слой, без отслаивания. В процессе формирования детали, зачастую используют специальный гелькоут матричного вида, который можно наносить более толстым слоем. Как правило, этой смолой покрывают стеклопластиковые изделия, благодаря чему создается дополнительная защита и продлевается срок эксплуатации материалов. Также, с помощью гелькоута поверхность окрашивается в необходимый цвет.

Информацию о технологиях производства композитных материалов можно прочитать

Рассмотрены ряд областей применения ПКМ в строительной индустрии в России и за рубежом, преимущества и недостатки ПКМ в сравнении с традиционными материалами. Приведены тенденции развития технологий изготовления и применения таких изделий, как композитная арматура и композитные мостовые настилы. Выделены основные сдерживающие факторы развития рынка ПКМ строительного назначения в России.

В настоящее время на мировом рынке наблюдается увеличение объемов применения ПКМ в строительной индустрии. Так, в 2010 году объем рынка полимерных композиционных материалов (ПКМ) в сегменте «строительство» составил ~3,1 млн. долларов (~17% от общего объема). По прогнозам экспертов объем данного сегмента увеличится к 2015 году до 4,4 млн. долларов. Применение ПКМ в строительстве позволяет уменьшить массу строительных конструкций, повысить коррозионную стойкость и стойкость к воздействию неблагоприятных климатических факторов, продлить межремонтные сроки, выполнять ремонт и усиление конструкций с минимальными затратами ресурсов и времени. Однако необходимо отметить, что развитие отечественного рынка ПКМ строительного назначения, как и всего рынка ПКМ в целом, значительно уступает мировому. В последние годы принимается ряд мер, направленных на развитие технологий и производства ПКМ, среди которых формирование в 2010 году технологической платформы «Полимерные композиционные материалы и технологии». Одним из инициаторов создания технологической платформы является ВИАМ, принимающий активное участие в работе по развитию композитной отрасли и формированию рынка композиционных материалов и соответствующих технологий в Российской Федерации не только в сегменте авиационной промышленности, но и в других сегментах, в том числе в строительном .

Как отмечалось выше, «строительный» сегмент занимает существенную часть рынка ПКМ. Основными областями применения ПКМ являются: арматура и гибкие связи; шпунтовые сваи и ограждения; сэндвич-панели, оконные и дверные профили; элементы мостовых конструкций (пешеходные мосты, переходы, несущие элементы, элементы ограждения, настилы, вантовые тросы); системы внешнего армирования.

Принимая во внимание острую необходимость в масштабном строительстве новых и реконструкции имеющихся объектов транспортной инфраструктуры, основное внимание в данной статье будет уделено таким областям применения ПКМ, как композитная арматура и элементы мостовых конструкций.

За рубежом широкое внедрение композитной арматуры в качестве армирующего материала строительных бетонных конструкций началось с 80-х годов прошлого столетия, в первую очередь при строительстве мостов и дорог. В Советском Союзе научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке и применению композитной арматуры начались в 50-е годы прошлого столетия. В 1963 г. в г. Полоцке был сдан в эксплуатацию цех по опытно-промышленному производству стеклопластиковой арматуры, а в 1976 году в НИИЖБ и ИСиА были разработаны «Рекомендации по расчету конструкций со стеклопластиковой арматурой» . Таким образом, научно-технический задел по изготовлению композитной арматуры был создан еще в Советском Союзе. Композитная арматура на основе непрерывного волокнистого наполнителя и полимерной матрицы имеет ряд значительных преимуществ по сравнению со стальной арматурой (в том числе и с антикоррозионным покрытием), среди которых малая плотность (в 4 раза легче стальной), высокая коррозионная стойкость, малая теплопроводность, диэлектрические свойства, более высокая прочность. Малая плотность и высокая коррозионная и химическая стойкость особенно важны при строительстве объектов транспортной инфраструктуры (дороги, мосты, эстакады), прибрежных и портовых сооружений.

В последние годы в России обозначился резкий рост интереса к выпуску композитной арматуры, предназначенной для армирования бетонных строительных конструкций. В качестве армирующего наполнителя в арматуре может использоваться стекловолокно, непрерывное базальтовое волокно, а также углеродное волокно. Наиболее распространенный способ изготовления композитной стекло- или базальтопластиковой арматуры - безфильерная пултрузия (нидлтрузия, плейнтрузия). Среди отечественных производителей стекло- и базальтопластиковой арматуры - ООО «Бийский завод стеклопластиков», ООО «Гален», ООО «Московский завод композитных материалов» и многие другие. Углепластиковая арматура производится ХК «Композит». В табл. 1 и 2 приведены характеристики отечественной и зарубежной композитной арматуры.

Таблица 1

Характеристики российской композитной арматуры

Таблица 2

Характеристики зарубежной композитной арматуры

Видно, что российские образцы композитной арматуры не уступают по характеристикам зарубежным аналогам. Однако композитная арматура не находит пока достаточно широкого применения в практике строительства в РФ. Одной из причин этого, по мнению авторов, является недостаточная нормативно-техническая база, регулирующая выпуск и применение композитной арматуры. Хотя производителями арматуры были выполнены значительные работы , способствующие скорейшему созданию ГОСТ на композитную арматуру , требуется разработка ряда стандартов и рекомендаций для проектировщиков и строителей. Для сравнения, в США институт бетона (ACI) в 2012 году выпустил третью редакцию руководства по проектированию, впервые выпущенного в 1999 г., в то время как отечественные рекомендации по расчету конструкций со стеклопластиковой арматурой разработаны в 1976 г. . Кроме того, более активному применению композитной арматуры препятствует небольшой опыт работы с ней как строителей, так и конструкторов и архитекторов.

В настоящее время можно выделить две основные тенденции развития технологии изготовления композитной арматуры за рубежом: использование двухслойной арматуры с сердечником из композита, армированного непрерывными волокнами, и внешней оболочки, армированной рубленным волокнистым наполнителем, и разработку технологий изготовления арматуры с использованием термопластичной полимерной матрицы. В качестве примера рассмотрим разработки компаний Composite rebar technologies Inc. и Plasticomp LLC . Первая разработка университета штата Орегон представляет собой полую композитную арматуру и способ ее изготовления. Композитная арматура включает в себя полый сердечник, состоящий из армированной непрерывными волокнами термореактивной смолы, и внешнего слоя - оболочки, состоящей из смолы, армированной рублеными волокнами. Внешняя оболочка прикрепляется химически и физически к сердечнику на одном из этапов непрерывного технологического процесса. Внешний и внутренний диаметр арматуры, их соотношение, а также состав внешней оболочки можно варьировать в достаточно широких пределах, что дает значительные возможности для адаптации продукта к нуждам широкого круга потребителей. Среди преимуществ такой композитной арматуры стоит отметить возможность использования полости внутри сердечника для прокладки электрических или оптико-волоконных кабелей и размещения датчиков состояния конструкции, также они могут использоваться для подачи теплоносителя и создания таким образом не замерзающего мостового пролета. Наличие полого сердечника позволит соединять секции арматуры друг с другом, что также позволит расширить способы ее применения. Внешний слой, армированный рубленым волокном, предохраняет сердечник от механических повреждений во время транспортировки и применения, а также препятствует проникновению влаги к сердечнику арматуры.

Вторая разработка компании Plasticomp LLC представляет собой технологию изготовления композитной арматуры с использованием термопластичной матрицы. Технологический процесс начинается с изготовления премикса проталкиванием непрерывного волокнистого наполнителя в поток расплава термопластичного связующего, находящегося под высоким давлением и движущегося с большой скоростью. Роторный нож, расположенный по пути следования потока, режет смесь «волокнистый наполнитель-матрица» на короткие отрезки. Далее шнековый смеситель перемешивает рубленое волокно и термопластичную матрицу в расплавленный компаунд, пригодный для дальнейшего экструдирования. Полученный компаунд подается в Т-образную головку экструдера, где он наносится на непрерывный армирующий наполнитель, предварительно пропитанный термопластичным полимером (например, по классической пултрузионной технологии). Таким образом, получается композитная арматура на основе термопластичной полимерной матрицы, состоящая из сердечника, армированного непрерывным волокнистым наполнителем и внешней оболочки также из термопластичной матрицы армированной рубленым волокном. Преимуществами такой системы является большая устойчивость термопластичной матрицы к ударам и образованию микротрещин, возможность нагрева и придания необходимой формы прутку арматуры, возможность использования вторичного полимерного сырья и вторичной переработки самой композитной арматуры. Кроме того, использование вторичного сырья для термопластичной матрицы, а также потенциально возможное ускорение процесса изготовления продукции (не требуется время для отверждения смолы, как в случае реактопласта) может сделать данный процесс более экономически выгодным, чем традиционно используемые технологи изготовления композитной арматуры.

Основными направлениями развития отечественного производства композитной арматуры являются применение в качестве армирующего наполнителя непрерывного базальтового волокна и модификация составов связующих и технологического оборудования с целью улучшения свойств и повышения производительности производства .

Благодаря низкой плотности и высокой устойчивости к негативным воздействиям окружающей среды, ПКМ способны обеспечить значительные преимущества над материалами, традиционно применяемыми в строительстве объектов инфраструктуры, в том числе в строительстве мостов. Мосты, путепроводы, эстакады - сложные инженерно-технические сооружения, к которым предъявляются высокие требования по надежности и долговечности. В Северной Америке и Европе ведутся активные работы по применению ПКМ в мостостроении. Мосты с применением элементов из ПКМ возводятся более 15 лет, и объем строительства таких мостов увеличивается. Меняется и класс мостов - от первых экспериментальных пешеходных мостов к автомобильным мостам длиной до 20 м . В зарубежных странах основными областями применения ПКМ при строительстве мостов являются композитная арматура, мостовые настилы и пешеходные мосты. Ведутся работы по разработке и созданию вантовых тросов из ПКМ , а также быстровозводимых мостов с применением элементов несущих конструкций из ПКМ . По мнению автора работы , наиболее перспективными областями применения ПКМ являются пешеходные мосты и мостовые настилы. Стоит отметить, что в РФ активно ведутся работы по разработке технологий изготовления и проектирования пешеходных композитных мостов, построен и успешно эксплуатируется ряд объектов , в то время как вопросам разработки, проектирования и применения мостовых настилов из композиционных или гибридных материалов с использованием ПКМ для автомобильных и железнодорожных мостов уделяется меньше внимания.

Мостовые настилы, применяемые за рубежом, делятся по способу установки: укладываемые на опоры моста или на продольные балки; а также по структуре: многоячеистые (типа сотовых конструкций) или сэндвич-панели (композитные плиты с вспененным заполнителем между ними). При изготовлении настилов применяют пултрузию и намотку (изготовление плит и трубчатых/коробчатых структур между плитами), а для изготовления сэндвич-панелей применяют RTM-технологию. В качестве непрерывного волокнистого армирующего наполнителя используется стекловолокно, а в качестве полимерной матрицы - полиэфирные, эпоксидные и винилэфирные смолы. Для соединения элементов конструкции настила применяют склеивание и/или механическое крепление . Основными способами крепления настила из ПКМ как к опорным элементам, так и между собой являются механический способ (как правило, при помощи болтового соединения) и склеивание. Традиционно применяемый механический способ крепления является надежным и отработанным способом, однако необходимость проделывать отверстия для крепежа в элементах настила ухудшает прочностные характеристики и повышает чувствительность конструкции к факторам окружающей среды. Способ клеевого крепления является более прогрессивным, поскольку обеспечивает прочное и быстрое соединение без нарушения структуры материала (нет необходимости делать отверстия под крепеж), однако существует и ряд недостатков таких, например, как сложность соблюдения требований по подготовке поверхностей и условий окружающей среды при склеивании во время работы на объекте, отсутствие на данный момент методов надежного неразрушающего контроля качества склеивания на объекте - клеевое соединение плохо работает на «расслаивание».

Для повышения надежности и прочностных характеристик настилов, а также снижения их стоимости ведутся работы по созданию гибридных настилов с применением бетонных или железобетонных элементов . Кроме того, возможно применение различных технологических приемов. Так, описанный в работе способ внешней обмотки настила, состоящего из выполненных намоткой коробчатых профилей и полученных пултрузией композитных листов, усиливающим наполнителем позволяет повысить несущую способность настила и его жесткость.

Помимо таких преимуществ настилов из ПКМ, как малая плотность, что позволяет уменьшить нагрузку на опоры и снизить их материалоемкость, легкость установки (требуется техника с меньшей грузоподъемностью, более простая технология установки) и высокая коррозионная устойчивость, позволяющая уменьшить эксплуатационные расходы, существует ряд недостатков и проблем. Среди недостатков - высокая стоимость композитных настилов (в США стоимость настила из ПКМ в 2 раза выше стоимости аналогичного железобетонного настила); сложности с разработкой эффективных конструкций крепления «панель-панель» и «панель-продольная балка»; отсутствие полноценных стандартов и руководств по проектированию; недостаточное количество данных по прочностным характеристикам при комбинированном воздействии механических нагрузок и факторов окружающей среды. В связи с этим актуальными являются работы, посвященные системам крепления, разработке рекомендаций по проектированию и эксплуатации композитных настилов, методам прогнозирования прочности, характера разрушения и усталостной долговечности настилов из ПКМ. Значительного внимания также заслуживают работы по применению «умных» композитов, интегрированию датчиков напряженно-деформированного состояния конструкции в ее композитные элементы и применению современных систем диагностики состояния конструкции .

В заключении необходимо отметить, что существует отставание от США, ряда Европейских стран и Китая по целому ряду позиций:

В области разработки нормативно-технической документации на выпуск и применение композитной арматуры и мостовых настилов из ПКМ;

В области технологий изготовления изделий из ПКМ строительного назначения.

Накоплен существенно меньший опыт по применению ПКМ в строительных конструкциях и эксплуатации подобных конструкций. Практически отсутствуют отечественные производители оборудования. Однако повышение интереса к применению ПКМ в строительстве, ряд мер правительства по стимулированию рынка композиционных материалов, а также усилия производителей композитов по совершенствованию нормативно-технической базы создают благоприятные условия для активизации работ по разработке и применению конкурентоспособных изделий из ПКМ отечественного производства в строительной индустрии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
2. Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 231–242.
3. Рекомендации по расчету конструкций со стеклопластиковой арматурой (Р-16-78) /НИИЖБ и ИСиА. М. 1976. 21 с.
4. Луговой А.Н., Савин В.Ф. О стандартизации подходов к оценке характеристик стержней из волокнистых полимерных композиционных материалов //Стройпрофиль. 2011. №4. C. 30–32.
5. ГОСТ 31938–2012 Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия.
6. Malnati P. A hidden revolution: FRP rebar gains strength //Composites Technology 2011. №12. Р. 25–29.
7. Hollow composite-material rebar structure, associated components, and fabrication apparatus and methodology WO 2012/039872; опубл. 29.05.2012.
8. Device and method for improved reinforcing element with continuous center core member with long fiber reinforced thermoplastic wrapping WO 2009/032980; опубл. 12.05.2009.
9. Чурсова Л.В., Ким А.М., Панина Н.Н., Швецов Е.П. Наномодифицированное эпоксидное связующее для строительной индустрии //Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 40–47.
10. Keller T. Material-tailored use of FRP composites in bridge and building construction /In: CIAS international seminar. 2007. P. 319–333.
11. Zhou A., Lesko J. State of the Arte in FRP bridge decks /In: FRP composites: materials, Design, and Construction. Bristol. 2006. (Электронный ресурс).
12. Peng Feng, Lieping Ye Behaviors of new generation of FRP bridge deck with outside filament-wound reinforcement /In: Third International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE 2006). Miami. 2006. P. 139–142.
13. Wu Z.S., Wang X. Investigation on a thousand-meter scale cable-stayed bridge with fibre composite cables /In: Fourth International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE 2008). Zurich. 2008. P. 1–6.
14. Chin-Sheng Kao, Chang-Huan Kou, Xu Xie Static Instability Analysis of Long-Span Cable-Stayed Bridges with Carbon Fiber Composite Cable under Wind Load //Tamkang Journal of Science and Engineering. 2006. V. 9. №2. P. 89–95.
15. Bannon D.J., Dagher H.J., Lopez-Anido R.A. Behavior of Inflatable Rigidified Composite Arch Bridges /In: Сomposites & Polycon-2009. American Composites Manufacturers Association. Tampa. 2009. Р. 1–6.
16. Rapidly-deployable light weight load resisting arch system: pat. 20060174549A1 US; опубл. 10.08.2006.
17. Ушаков А.Е., Кленин Ю.Г., Сорина Т.Г., Хайретдинов А.Х., Сафонов А.А. Мостовые конструкции из композитов //Композиты и наноструктуры. 2009. №3. C. 25–37.
18. Kayler K. The largest composite bridge ever constructed in the world //JEC Composites Magazine. 2012. №77. P. 29–32.
19. Drissi-Habti M. Smart Composites for Durable Infrastructures – Importance of Structural Helth monitoring /In: 5th international conference on FRP Composites. Beising. 2010. Р. 264–267.
20. Каблов Е.Н., Сиваков Д.В., Гуляев И.Н., Сорокин К.В., Дианов Е.М., Васильев С.А., Медведков О.И. Применение оптического волокна в качестве датчиков деформации в полимерных композиционных материалах //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2010. №3. С. 10–15.
21. Сиваков Д.В., Гуляев И.Н., Сорокин К.В., Федотов М.Ю., Гончаров В.А. Особенности создания полимерных композиционных материалов с интегрированной активной электромеханической актюаторной системой на основе пьезоэлектриков //Авиационные материалы и технологии. 2011. №1. С. 31–34.

Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.