Перспективы использования композиционных материалов в строительстве

Размещено на http://allbest.ru

Иркутский государственный технический университет

УДК 624.016:539.3

Перспективы использования композиционных материалов в строительстве

Семенов Валерий Васильевич,

кандидат технических наук,

профессор кафедры сопротивления материалов

и строительной механики

Плетнева Виктория Витальевна,

студентка 3 курса института архитектуры и строительства

г. Иркутск

Введение

Эволюция материалов - основа технического прогресса. Значительным шагом в развитии массовой строительной индустрии стало применение новейших композиционных материалов. Благодаря своим уникальным свойствам, композитные материалы уже называют материалами будущего.

Композиционные материалы - искусственные многокомпонентные материалы, состоящие из основы - матрицы, и наполнителей, играющих укрепляющую и некоторые другие роли. Между фазами (компонентами) композита имеется граница раздела фаз, которая способствует повышению трещиностойкости материала.

Появляется возможность подобрать такой состав ингредиентов, при котором получится композит, наилучшим образом отвечающий условиям эксплуатации изделия. Применение композитов обеспечивает сокращение общих расходов на строительство и последующую эксплуатацию, повышение производительности, снижение веса конструкций и изделий, устойчивость конструкций к коррозии и их долговечность.

Состав и структура композитов

Матрицами в композиционных материалах являются металлы, полимеры, цементы и керамика. Некоторые виды матриц, используемых в композитных материалах:

1. Термореактивные полимерные матрицы.

2. Термопластичные полимерные матрицы.

3. Углеродные матрицы.

4. Металлические матрицы.

В качестве наполнителей используются самые разнообразные искусственные и природные вещества в различных формах (крупноразмерные, листовые, волокнистые, дисперсные, мелкодисперсные, микродисперсные, наночастицы). Все используемые для наполнения матрицы волокна можно разделить на короткие и непрерывные.

В строительном производстве применимы и многокомпонентные композиционные материалы, такие как полиматричные, сочетающие несколько матриц и гибридные, включающие несколько разных наполнителей, каждый из которых играет свою роль.

По механической структуре композиты классифицируются на несколько основных групп: волокнистые; слоистые; дисперсно-упрочненные; упрочненные частицами; нанокомпозиты.

Характерные свойства композитных материалов

Композиционный материал обладает сложной гетерогенной структурой. Между компонентами могут возникать различные связи: жесткие, кристаллизационные, упруго-вязко-пластичные и другие. От характера связей зависит целый спектр структурно-реологических свойств. Основными свойствами композита являются малый удельный вес, сравнительно высокие физико-механические характеристики, высокая механическая прочность, высокая усталостная прочность, способность работать в условиях низких и высоких температур и давлений, коррозионная стойкость, низкая тепло- и электропроводность, устойчивость к воздействию агрессивных сред и микроорганизмов, хорошая светопроницаемость, шумоизолирующая способность, простота и легкость монтажа, высокая ремонтопригодность.

Разумеется, следует сказать и о недостатках композитов. Наиболее частые недостатки композиционных материалов: высокая стоимость; анизотропия свойств; повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны. строительный стеклопластиковый композиционный

Наибольшее применение в строительстве получили композиты, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами.

К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлические композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сr, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой; композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидокремниевыми и другими жаростойкими волокнами.

Испытания композитов на примере стеклопластиковой арматуры

Композитная стеклопластиковая арматура для армирования бетонной стяжки пола, фундамента, стен является надежной, современной и удобной заменой стальной арматуре (таблица).

Сравнение стальной и стеклопластиковой арматуры

В НИИЖБ имени А.А. Гвоздева проведены испытания стержней арматуры стеклопластиковой композитной (далее АСК) номерами профиля 6, 8 и 10 мм, длиной 1 м, количеством в серии 5 шт. Анализируя итоги данных испытаний, можно сделать следующие выводы:

Предел прочности при растяжении АСК в зависимости от диаметра находится в пределах от 1250 до 1370 МПа, что превышает прочность стали в несколько раз. Согласно ГОСТ предел прочности при растяжении должен быть не менее 800 МПа. Модуль упругости АСК в зависимости от диаметра находится в пределах от 53000 до 55500 МПа. Снижение прочности при растяжении АСК после воздействия щелочей в зависимости от диаметра составляет от 5 до 20 %.

Предел прочности сцепления с бетоном АСК в зависимости от диаметра находится в пределах от 20,6 до 20,8 МПа, что обеспечивает совместную работу с бетоном. По ГОСТ предел прочности сцепления с бетоном, не менее 12 МПа. Предел прочности сцепления с бетоном АСК после воздействия щелочей в зависимости от диаметра находится в пределах от 13,6 до 17,3 МПа. При этом снижение прочности сцепления с бетоном составляет: для АСК диаметром 6 мм - 34 %; для АСК диаметром 8 мм - 17 %; для АСК диаметром 10 мм - 17 %. Снижение предела прочности при растяжении после выдержки в щелочной среде по нормам должно быть не более 25 %. В целом все показатели отвечают требованиям, описанным в ГОСТ 31938-2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций». Таким образом, основное конкурентное преимущество данного материала перед стандартной металлической арматурой - это высокие прочностные характеристики в сочетании с диэлектрическими свойствами, низкой теплопроводностью и плотностью.

Применение стеклопластиковой арматуры на настоящее время рационально: в фундаментах малоэтажных строений (до 3х этажей); при армировании промышленных полов, в том числе с высокими нагрузками; в бетонных полах, стяжках, отмостках, прижимных стенах; в кирпичной кладке в качестве гибких связей; при армировании дорожных и аэродромных плит; при строительстве бассейнов; при строительстве гидросооружений, береговых укреплений.

Современный рынок композитных материалов

Расширение рынка композитов простимулирует вытеснение устаревших материалов. Результатом более широкого внедрения композитов может стать следующее: сокращение итоговых расходов; повышение производительности; снижение веса; увеличение возможностей при проектировании в сравнении с деревом и металлами; сравнительно высокая устойчивость к коррозии; простота обработки и установки; простота технического обслуживания.

Сопоставляя объемы потребления композитов в разных странах, можно прогнозировать увеличение доли таких материалов в строительстве. Уже сегодня США потребляют 35 % мирового производства композитов, Европа - 22 %, Азия - 43 %, а российский рынок занимает менее 1 %. Однако в последние годы в России неуклонно растет интерес к применению композитов в разных отраслях промышленности (рис. 1, 2, 3).

Рис. 1. Пешеходный мост в районе платформы Чертаново - первый в России цельнокомпозитный мост

Рис. 2. Пешеходный переход над платформой Косино - первый в России мост co сходами, все элементы которого изготовлены из композиционного материала

Рис. 3. Один из филиалов Сбербанка в Магнитогорске, реконструированный с применением углеродного волокна

Не так давно становление индустрии композитов российское руководство выделило в качестве одного из приоритетных направлений развития экономики страны. В конце июля 2013 года Председатель Правительства РФ Дмитрий Медведев утвердил «дорожную карту» по производству композитных материалов. Она направлена на существенное увеличение объемов производства, потребления, экспорта сверхлегких, сверхпрочных, огнеупорных и прочих дешевых «сверхматериалов» и изделий из них. Дорожная карта предусматривает увеличение объема внутреннего производства композитных материалов с нынешних 16,6 млрд рублей до 50 млрд в 2016 году и 120 млрд - в 2020-м.

Отставание России в области производства и использования композитных материалов объясняются следующими причинами:

- отсутствие курса по композиционным материалам в учебном процессе инженеров всех специальностей кроме «летательных аппаратов»;

- недостаток специальной литературы по композитам;

- отсутствие как таковой технической документации;

-отсутствие базы для производства армирующих высокопрочных, высокомодульных волокон и пластин, которой страна лишилась после развала химической и отчасти оборонной промышленности.

Строительная отрасль, среди первых начавшая массовое внедрение композитных инноваций, по-прежнему является одной из самых восприимчивых и перспективных. А обоснованная целесообразность применения таких материалов и поддержка инновационных инициатив правительством вселяет уверенность в динамичном росте сфер применения строительных композитов.

Библиографический список

1. Быков А.С. Строительные материалы и изделия на основе синтетического сырья / А.С. Быков, М.И. Данцин, Г.И. Зохин. - М.: Стройиздат, 1970. - 216 с.

2. Горчаков Г.И. Строительные материалы: учеб. для вузов / Г.И. Горчаков, Ю.М. Баженов. - М.: Стройиздат, 1986. - 688 с.

3. Наполнители для полимерных композиционных материалов / под ред. П.Г. Бабаевского. - М., 1981. - 736 с.

4. Худяков В.А. Современные композиционные строительные материалы: учеб. для вузов / В.А. Худяков, А.П. Прошин, С.Н. Кислицына. - М.: Изд-во АСВ, 2006. - 144 с.

5. Электронный ресурс. - Режим доступа: http: //vestnik.osu.ru/2006_2/46.pdf

6. Электронный ресурс. - Режим доступа: http: //news.rambler.ru/18675489/

7. Электронный ресурс. - Режим доступа: http: //galen.su/press-tsentr/smi-o-nas/kompozitnoye-budushcheye-kpd/

Аннотация

УДК 624.016:539.3

Перспективы использования композиционных материалов в строительстве. Семенов Валерий Васильевич, кандидат технических наук, профессор кафедры сопротивления материалов и строительной механики, e-mail: 665057@mail.ru; Плетнева Виктория Витальевна, студентка 3 курса института архитектуры и строительства, e-mail: vvpletneva@mail.ru. Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

В статье рассматриваются основные особенности многокомпонентных композиционных материалов применяемых и перспективных в строительной отрасли. На примере сравнения традиционного железобетона с бетоном, армированным композиционной арматурой, установлено конкурентное преимущество композитов.

Ил. 3. Табл. 1. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: матрицы и наполнители; свойства; предел прочности; внедрение композиционных иноваций.

Annotation

Prospects for the use of composite materials in construction. Semionov Valeriy, Candidate of Technical Sciences, Professor of Materials Strength and Structural Mechanics

Department, e-mail: 665057@mail.ru; Pletniova Viktoria, a third-year student of Architecture and Construction Institute, tel.:89086622254, e-mail: vvpletneva@mail.ru. Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

The article discusses the main features of multicomponent composite materials used in the construction which are advanced in construction industry. By comparing the traditional ferroconcrete with concrete armoured by concrete composite reinforcement, the authors prove the competitive advantage of composites.

Ill. 3. Tabl. 1. References. 7.

Keywords: matrix and extenders; property; ultimate strength; application innovative production.

Размещено на Allbest.ru