Применение композитных материалов в строительстве

Цель исследования - установление преимуществ и недостатков использования полимерных материалов в строительстве. Проблема исследования состоит в необходимости изучения передовых технологий в строительстве, которые позволяют улучшить качество и износостойкость объекта. Теоретико-методологическая база исследования включает в себя анализ работ отечественных и зарубежных исследователей.

Для начала стоит сказать, что композитные материалы состоят из двух компонентов, один из которых называется армирующей фазой и состоит из волокон, листов или частиц, а другой называется фазой матрицы и встроен в армирующую фазу. В качестве армирующих и матричных материалов можно использовать металл, керамику или полимер.

Армирующие материалы обычно прочны и имеют низкую плотность, тогда как матрица обычно пластичная или шероховатая. При правильном планировании и изготовлении композита в нем сочетаются прочность арматуры и ударопрочность матрицы для достижения сочетания желаемых качеств, которых нет ни в одном традиционном материале. Помимо бетона, матрица может быть изготовлена из различных твердеющих пластиков или мягких материалов, таких как термореактивные полиэфиры или силикон, в то время как арматура может быть изготовлена из более твердого пластика, стекла, углеродных волокон или более гибких, но проч- ных материалов, таких как льняное или конопляное волокно [1].

Например, при проектировании конструкции может потребоваться как прочность, так и ударная вязкость, которые имеют обратную зависимость и не могут быть представлены одним материалом. Когда ни один традиционный материал не может удовлетворить всем проектным требованиям для данного применения, композитный материал может оказаться наилучшим вариантом.

Композиты могут быть изготовлены с широким диапазоном сочетаний модуля упругости, прочности и ударной вязкости благодаря разнообразию доступных армирующих и матричных материалов, а также способности смешивать их в широком диапазоне объемных долей. Единственным недостатком композитов является то, что они часто дороже традиционных материалов.

Первые упоминания о полимернокомпозитной арматуре относятся ко второй половине 20 века, а исследования по созданию высокопрочной неметаллической арматуры, изучению ее свойств и рациональной области применения были начаты в Соединенных Штатах еще в 1960 году. Как известно, композиты, армированные волокнами или нитевидными волокнами, называются волокнистыми, примерами которых являются кирпичи с соломой и папье-маше. Следует отметить, что изменение размерной конфигурации и концентрации волокон способствует ши- рокому варьированию свойств материала [2].

Известно, что композитные материалы более безвредны для окружающей среды, чем традиционные строительные материалы, такие как сталь, каменная кладка и штукатурка. Снижение прочности и жесткости стальных конструкций из-за коррозии требует периодического осмотра, технического обслуживания и ремонта. Аналогичным образом, растрескивание под напряжением, вызванное воздействием горячих / холодных атмосферных воздействий, сокращает срок службы бетонных конструкций. Использование композитных материалов в бетонных конструкциях снижает материальный ущерб, причиняемый землетрясениями.

Исследователи Кузеванов Д.В., Уманский А.М. отмечают следующие преимущества использования композитной арматуры при строительстве гражданских объектов: сравнительно низкая плотность; высокая удельная прочность и жесткость; высокая химическая и коррозионная стойкость; технологичность переработки в изделия; возможность управлять энергетическими потоками за счет рационального расположения фитингов; наличие особых свойств (радиопрозрачность, термостойкость и т.д.). Однако следует отметить, что композиционные материалы также обладают рядом недостатков: одни и те же свойства могут отличаться в десятки раз в зависимости от направления внешнего воздействия (расположение вдоль волокон или поперек); высокий удельный объем; гигроскопичность - свойство материала, которое характеризуется поглощением водяных паров из воздуха); токсичность [3].

Ключевые свойства композитных материалов для строительства включают модуль Юнга (жесткость при растяжении или сжатии), огнестойкость, усталостный ресурс, устойчивость к вибрации и гармоническим нагрузкам, соединяемость и, в зависимости от области применения, также химическую стойкость. Коррозионностойкие материалы, такие как полимеры, армированные стекловолокном (GFRP), стали использовать в качестве альтернативы арматуры бетона. Стекловолокно и полимер, армированный углеродным волокном (углепластик), обладают стойкостью к высоким температурам и прочностью при относительно низкой стоимости [2].

Прочность керамической матрицы может быть повышена различными методами: включением наночастиц или новых элементов, регулированием микроструктуры, порошковой металлургией и другими. Например, температура спекания материала влияет на фазообразование и микроструктуру материала, следовательно, влияя на конечные свойства, такие как прочность при сжатии. В сочетании с более прочной керамической матрицей, армированной неагрессивными материалами, возможно, удастся устранить недостатки железобетона, а также снизить огромные экологические издержки традиционного бетона.

Чрезвычайно малый вес армированных волокнами полимеров (FRP) позволяет быстрее и проще монтировать конструкции и может способствовать их длительному сроку службы. FRP обычно изготавливаются из таких материалов, как углерод, стекло, асбест, бериллий, молибден или ароматические полиамиды, с матрицами из эпоксидной смолы, полиэфира или винилового эфира. Добавки и модификаторы могут повысить полезность полимерной матрицы, улучшить ее технологичность или продлить долговечность композита. Свойства композита FRP, такие как прочность и жесткость, зависят от используемых волокон. Поскольку волокна, используемые в большинстве конструкционных композитов FRP, являются непрерывными и ориентированы в определенных направлениях

Руднев И.В., Токарева А.Р., Конду-ров Н.К в своем исследовании говорят об активном применении в последние годы системы внешнего армирования строительных конструкций на основе углеродных лент и ламелей FibArm. Прогрессивная технология предполагает обклеивание высокопрочными материалами поверхности той конструкции, которую необходимо усилить, при помощи эпоксидных компаундов. Технология позволяет исправить недочеты, допущенные при проектирова- нии объекта, повысить износостойкость конструкций, и как следствие - увеличить срок службы [4].

Вязкоупругие материалы – это материалы, обладающие вязкими и упругими характеристиками при деформации, как и бетон, многие пластмассы, металлы при высоких температурах и многие другие строительные материалы. Во многих строительных и инженерных проектах такие материалы требуются для рассеивания энергии, действуя как амортизаторы, компенсирующие ожидаемое перемещение конструкции.

В гражданском строительстве преобладают в основном три типа волокон; это углеродные, стеклянные и арамидные волокна, а композит часто называют армирующим волокном. Они обладают разными свойствами. Все волокна, как правило, обладают более высокой нагрузочной способностью, чем обычная сталь, и обладают линейной упругостью до разрушения. Наиболее важными свойствами, которые различаются между типами волокон, являются жесткость и деформация при растяжении

Композитные материалы, изготовленные из чередующихся вязкоупругих и твердых армирующих материалов, широко используются и специально разработаны для оптимального поглощения вибраций ожидаемой частоты для их конкретного применения. Большие здания и мосты должны регулярно подвергаться значительным колебаниям в своей конструкции из-за ветра и других вибраций, например, вызванных транспортными средствами, и, таким образом, современные прочные композитные материалы уменьшат веро- ятность разрушения конструкций и требования к техническому обслуживанию.

Стекловолокно обычно получают путем смешивания кварцевого песка, известняка, фолиевой кислоты и других второстепенных ингредиентов, которые затем нагревают до тех пор, пока они не расплавятся примерно при 1260 °C. Расплавленное стекло пропускается через мелкие отверстия в платиновой пластине, охлаждается, собирается и наматывается. Эти волокна, сплетенные в различные формы, обладают высокими электроизоляционными свойствами, низкой восприимчивостью к влаге и значительными механическими свойствами [5].

Хотя стекловолокно на сегодняшний день является наиболее распространенным армирующим материалом, во многих современных композитных материалах в настоящее время используются тонкие волокна из чистого углерода. Существует два основных типа углерода, которые могут быть использованы – графит и углеродные нанотрубки. Оба они представляют собой чистый углерод, но атомы углерода расположены в разных кристаллических конфигурациях.

Таким образом, композитные материалы получают все большее распространение во многих областях народного хозяйства, в том числе в строительстве, благодаря своим высоким прочностным параметрам при низких весовых характеристиках. В настоящее время композитный материал является наиболее перспективным материалом в строительстве. Использование композитных материалов в строительстве для изготовления, усиления и ремонта железобетонных конструкций способствует их облегчению.