Применение полимерных композиционных материалов в строительных конструкциях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение полимерных композиционных материалов в строительных конструкциях

Семенов В.В.

Кравец А.И.

Аннотации

Задача исследования - рассмотреть вопрос применения полимерных композиционных материалов в строительных конструкциях. Описаны деформационно-прочностные характеристики отдельных видов полимеров, применяющихся в промышленном и гражданском строительстве. Рассмотрены особенности использования данных полимеров в различных средах материалов. Выявлена необходимость применения в строительной отрасли России полимерных композиционных материалов. Однако процесс их внедрения в данную отрасль происходит медленно, так как производство части данных материалов достаточно трудо- и ресурсозатратно. Государству следует принимать необходимые законодательные акты и нормы для более интенсивного внедрения полимеров в различные отрасли человеческой деятельности.

Ил. 1. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы; несущие конструкции; предел прочности; строительство.

APPLICATION OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS IN BUILDING CONSTRUCTION

V. Semenov, A. Kravets

Irkutsk National Research Technical University,

83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The article poses the problem of considering the use of polymer composite materials in building structures. Deformation-strength characteristics of some types of polymers used in industrial and civil construction are shown. The features of the use of materials in various media are considered. It was found that the use of polymer composite materials should be introduced in Russia. But this process is rather slow, since some of the materials are labor-consuming and resource-intensive for production. The state should take the necessary legislative acts and norms for the greater introduction of polymers into various fields of human activity.

Illustrations: 1. References: 7

Key words: polymer composite materials, bearing structure, breaking point, building.

На сегодняшний день становится очевидным, что строительная отрасль нуждается в новых материалах с повышенными прочностными свойствами. Такие материалы, получаемые посредством соединения двух и более строительных материалов, называются композиционными.

Композиционные материалы - многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и проч. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих.

Если матричная фаза композиционного материала образована полимером, то перед нами полимерный композиционный материал (ПКМ).

Повышения коррозионной стойкости и стойкости к воздействию неблагоприятных климатических факторов, продления межремонтных сроков, выполнения ремонта и усиления конструкций с минимальными затратами ресурсов и времени можно достичь посредством использования ПКМ.

В строительстве особо ценными являются конструкционные материалы, то есть такие, которые используются в конструкциях зданий и сооружений, воспринимающих силовую нагрузку (например, несущая стена или межэтажное перекрытие). К основным типам конструкционных материалов в строительстве относятся:

· Природные каменные материалы (гравий, песок, глина, щебень).

· Искусственные каменные материалы (силикатный кирпич и т.д.).

· Вяжущие материалы (цемент, строительная известь и т.д.).

· Почти все металлы (различные сплавы, сталь, чугун).

· Полимеры (пластмассы и т.д.).

· Древесные материалы.

· Композиционные материалы.

В качестве конструкционных полимерных материалов используют главным образом армированные пластмассы. Для строительных конструкций применяют следующие виды материалов и изделий, изготовленных на основе полимеров: стеклопластик, органическое стекло, винипласт листовой, сотопласт и т.п. [1]. Рассмотрим их подробнее.

1. Стеклопластик - это полимер, состоящий из матрицы и армирующего компонента (наполнителя) в виде стекловолокна. Тонкие высокопрочные стеклянные волокна обеспечивают прочность и жесткость стеклопластика. Связующее придает материалу монолитность, способствует эффективному использованию механических свойств стеклянного волокна и равномерному распределению усилий между волокнами, защищает волокно от химических, атмосферных и других внешних воздействий, а также само воспринимает часть усилий, развивающихся в материале при работе под нагрузкой. Наиболее прочными являются стекловолокнистые анизотропные материалы (СВАМ).

Стекловолокнистые анизотропные материалы - слоистые стеклопластики, получаемые горячим прессованием стеклошпона, изготовленного из ориентированного стеклянного волокна и связующего (БФ-4, эпоксидно-феноло-формальдегидного, полиамидно-эпоксидного и др.).

Для хаотически армированных композиций длина армирующих волокон оказывает существенное влияние на все упруго-прочностные показатели стеклопластика (табл. 1). Разрушение происходит главным образом по границе раздела "полимер - стекловолокно", когда наступает равенство между касательными напряжениями и прочностью сцепления связующего с поверхностью армирующих элементов.

Таблица 1

Механические свойства стекловолокнистых анизотропных материалов

2. Органическое стекло, или полиметилметакрилат (ПММА) - акриловая смола, синтетический виниловый полимер метилметакрилата, термопластичный прозрачный пластик. Оргстекло получают двумя способами: экструзией и литьем. Сам способ производства накладывает ряд ограничений и определяет некоторые свойства пластика.

Экструзионное оргстекло [2] получают методом непрерывной экструзии (выдавливания) расплавленной массы гранулированного ПММА через щелевую головку с последующим охлаждением и резкой по заданным размерам.

Блочное (литьевое) оргстекло получают методом заливки мономера ММА между двумя плоскими стеклами с дальнейшей его полимеризацией до твердого состояния.

Области применения: осветительная техника (плафоны, перегородки, лицевые экраны, рассеиватели), наружная реклама (лицевые стекла для коробов, световых букв, формованные объемные изделия), торговое оборудование (подставки, витрины, ценники), сантехника (оборудование ванных комнат), строительство и архитектура (проемы, перегородки, купола, танц-полы, объемные формованные изделия, аквариумы), транспорт (остекление самолетов, катеров, обтекатели), приборостроение (циферблаты, смотровые окна, корпуса, диэлектрические детали, емкости).

Технические характеристики органического стекла представлены в табл. 2.

Таблица 2

Технические характеристики оргстекла

3. Винипласт - жесткая термопластичная непрозрачная не содержащая пластификатора пластическая масса на основе поливинилхлорида и перхлорвиниловой смолы, содержащая также термо- и светостабилизаторы, антиоксиданты, предотвращающие разрушение материала при переработке и эксплуатации, смазывающие вещества (облегчающие его обработку и переработку), пигменты или красители для получения цветных изделий [3]. Применяется для изготовления трубопроводов, емкостей, листов, профилей в строительстве, химическом машиностроении и др.

Технические характеристики винипласта представлены в табл. 3.

Таблица 3

Технические характеристики винипласта

4. Сотопласт (изображен на рисунке) - особый вид теплоизоляционного материала из пластических масс, имеющих полости (ячейки) правильной геометрической формы, обычно в виде пчелиных сот (шестигранников) с размером сторон 5-10 мм, иногда до 20 мм. По сравнению с пено- и поропластом имеет геометрически более правильную структуру ячеек, но отличается более выраженной анизотропией свойств [4]. Он может быть получен на основе бумаги, бязи, стеклоткани, фольги и других рулонных или листовых материалов и отличается от пенопласта сравнительно более высокой прочностью и теплостойкостью.

Сотопласт

В последние годы в России обострился интерес к выпуску полимерной композиционной арматуры [2, 5] предназначенной для армирования бетонных строительных конструкций. В качестве армирующего наполнителя может использоваться стекловолокно, непрерывное базальтовое, а также углеродное волокно.

Арматура применяется для улучшения свойств конструкции. Однако несущая неармированная конструкция также может быть выполнена из ПКМ.

Так как для изготовления несущих конструкций в основном применяется бетон, то целесообразно рассмотреть его модификацию полимерами.

Полимерцементный бетон - это искусственный каменный материал, где заполнителями являются песок и щебень (то есть минеральное вяжущее), а связующим помимо цемента является еще и полимер, который составляет 10-20 % от вяжущего. При таком соотношении в полимерцементном бетоне сохраняется сплошность цементного геля, а полимер, обволакивая цементные сростки и зерна заполнителя, дополнительно склеивает их. Увеличение концентрации полимера нежелательно, так как нарушается сплошность цементных новообразований, и происходит снижение прочности полимерцементных бетонов.

Полимерцементный бетон применяют для устройства износоустойчивых полов, аэродромных покрытий, резервуаров под нефтепродукты, а также монолитных конструкций, работающих в агрессивных средах [6].

Бетонополимер - это затвердевший бетон, пропитанный полимером.

Бетон имеет микротрещины, каверны, пустоты, которые понижают его прочностные характеристики, снижают водостойкость и т.п.

Для уменьшения хрупкости бетона применяют волокнистые наполнители - стекловолокна и др. Полимербетон отличается от обычного цементного бетона не только химической стойкостью (особенно по отношению к кислотам), но и высокими показателями прочности, в особенности при растяжении (7-20 МПа) и изгибе (16-40 МПа).

Фибробетон (бетон, армированный полимерным заполнителем) - высокотехнологичный материал для монолитного строительства, получаемый путем добавления фибры в бетон. Фибра представляет собой микроарматуру, которая равномерно армирует бетон во всех плоскостях, снижает образование усадочных трещин, повышает его марку, прочность и ударостойкость [7].

В качестве фиброволокна может использоваться:

1. Стальное волокно - наиболее часто применяемый материал, который имеет повышенную прочность на растяжение и разрыв, практически не дает усадки и трещин в процессе эксплуатации, морозоустойчив, водопроницаем, жаропрочен.

Сталефибробетон применяется при возведении монолитных фундаментов и берегозащитных полос. Используется при устройстве промышленных полов и тоннелей. Достаточно часто сталефибробетон применяют для возведения каркасов зданий и при строительстве монолитных бетонных сооружений.

2. Стеклянное волокно. Характеризуется высокой ударной прочностью, термоустойчивостью, водонепроницаемостью, стойкостью к химическому воздействию и истиранию. Пластично, так как имеет высокий модуль упругости.

Стеклофибробетон применяется при фасадной отделке жилых зданий, устройстве шумозащитных щитов, в качестве гидроизоляционного материала во время строительства водоочистных сооружений.

3. Базальтовое волокно. Обладает повышенной прочностью и высокой стоимостью. Придает бетону высокую ударопрочность, устойчивость к деформациям и образованию трещин.

Бетон с такими волокнами используется в бетонных конструкциях, которые в процессе эксплуатации испытывают повышенные нагрузки, таких как бетонные перекрытия, фундаменты, дорожные покрытия и автостоянки, резервуары и дамбы, железнодорожные сооружения.

4. Синтетические волокна (полиэтилен, полипропилен и т.д.). Бетон благодаря им получает свойства неэлектропроводности, высокую прочность на растяжение, устойчивость к химическим веществам, стойкость к критическим температурам. Также, самое главное, синтетические волокна значительно снижают вес бетонного изделия.

Бетон, армируемый такими волокнами, наиболее востребован при производстве пеноблоков, ячеистых бетонов и возведении легких конструкций и сооружений.

Фибробетон широко используется в промышленности и строительстве. С его применением производят наиболее требовательные к нагрузкам конструкции и сооружения бытового и промышленного назначения [7].

В качестве несущих конструкций в гражданском строительстве используется фибробетон со стальными или базальтовыми волокнами.

К достоинствам такого бетона можно отнести малую трудоемкость при изготовлении изделий из него, высокие эксплуатационные характеристики, устойчивость к резким перепадам температуры, в сравнении с обычным бетоном срок службы конструкций из фибробетона больше в 15-20 раз.

К недостаткам данного фибробетона относится большая наукоемкость производства и высокая стоимость. Чем больше используется армирующих волокон из ПКМ в бетоне, тем выше итоговая стоимость получаемого бетонного изделия.

В композите частицы наполнителя практически не деформируются вместе с полимерной матрицей из-за большой разницы в модулях упругости компонентов. Следовательно, в процессе деформирования на границе "полимер - наполнитель" возникают перенапряжения, способствующие появлению трещин в матрице. В случае невысокой адгезии (плохого сцепления между полимерной матрицей и наполнителем) между компонентами может происходить отслаивание полимера от наполнителя при деформировании ПКМ. Таким образом, при деформировании материала частицы наполнителя являются источником дефектов и трещин в полимере. Размер этих трещин пропорционален размеру дисперсных частиц. Если размер частиц наполнителя меньше критического, то образующиеся трещины или отслоения не вызывают разрушения материала. Введение высокодисперсного наполнителя увеличивает прочность ПКМ.

Применение полимерных материалов и пластмасс во всех отраслях народного хозяйства позволяет экономить черные и цветные металлы, древесину, цемент, стекло и прочие природные материалы. В настоящее время во всем мире наблюдается увеличение объемов применения ПКМ в строительной индустрии. Их использование в строительстве позволяет уменьшить массу строительных конструкций, повысить их 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. Проблемы применения и распространения полимерных композиционных материалов на отечественном рынке: отсутствие системы целевой финансово-экономической поддержки и системы поддержки применения продукции; недостаточная информированность работников органов управления и отраслей применения продукции из композитов; отсутствие системы подготовки, переподготовки и повышения квалификации кадров; отсутствие нормативной базы, сметных норм и системы контроля качества и безопасности. полимер строительство деформационный

К первоочередным задачам развития данной отрасли можно отнести:

· Создание новых или модернизация действующих производств.

· Создание системы поддержки применения продукции в городском хозяйстве и системы подтверждения соответствия композитов и изделий из них.

· Системное развитие образовательных, консалтинговых и инжиниринговых услуг.

· Образовательная работа с кадрами, как композитной отрасли, так и отраслей потребителей продукции.

Библиографический список

1. Кербер М.Л., Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. СПб.: Профессия, 2008. 560 с.

2. Маклакова Т.Г. Архитектура. М.: Издательство АСВ, 2004. 472 с.

3. Тихонов Ю.М., Панибратов Ю.П., Мещеряков Ю.Г., Зверев В.Б., Малахов О.М., Архитектурное материаловедение. М.: Издательский центр "Академия", 2013. 288 с.

4. Давыдов Е.Ю., Никитенко М.И., Шайтаров Л.Д. Строительные конструкции. Металлические конструкции, основания и фундаменты: учеб. пособ. Минск: УП "Технопринт", 2005. 330 с.

5. Семёнов В.В., Буторов И.А. Напряженно-деформированное состояние бетонной балки, армированной стеклопластиковой арматурой [Электронный ресурс] // Молодежный вестник ИрГТУ: электронный журнал. 2015. № 4. URL: http://mvestnik.istu.irk.ru/?ru/journals/2015/04 (14.03.2017).

6. Малушко Т.Ю. Строительные материалы и изделия. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. 42 с.

7. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. М.: Издательство АСВ, 2004. 560 с.

Размещено на Allbest.ru