CC BY
91
ГРНТИ 67.11.31
Омаров Жумабек Мухтарович
к.т.н., ассоц. профессор (доцент), кафедра «Архитектура и дизайн», Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: zhumabek-omarov@mail.ru Жолдыбаев Шахман Серикбаевич
к.т.н., доцент, кафедра «Технологические машины и строительства», АО «Жезказганский университет имени О. А. Байконурова», г. Жезказган, 600100, Республика Казахстан, e-mail: schachman@mail.ru
Жандалинова Кульжамал Айтпаевна
к.т.н., ассоц. профессор (доцент), кафедра «Архитектура и дизайн»,
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова,
г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан,
e-mail: parasat1@mail.ru
Оразова Динара Казбековна
PhD, ассоц. профессор (доцент), кафедра «Промышленное,
гражданское и транспортное строительство»,
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: d-orazova@bk.ru
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В СТРОИТЕЛЬНОЙ ОТРАСЛИ
Одним из стратегических направлений в странах СНГ являются ускоренное жилищное строительство, а также модернизация и развитие жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), основанное на современных инновационных строительных материалах и технологиях. Особое место в современном мире занимает быстрейшее развитие индустриальных высокоинновационных безотходных технологий — «Зеленые технологии», а также высокоэффективных композитных материалов—«Интеллектуальные материалы», без активного внедрения и использования которых немыслимо инновационное развитие современной строительной науки и экономики в 21 веке.
Рассмотрены вопросы по мировым тенденциям развития и использования в строительстве традиционных и современных композитных материалов.
Ключевые слова: традиционные материалы, композитные материалы, интеллектуальные материалы, инновации, наноструктурные модифицированные материалы, светопрозрачные материалы.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из стратегических направлений в странах СНГ являются ускоренное жилищное строительство, а также модернизация и развитие жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), основанное на современных инновационных строительных материалах и технологиях. Особе место в современном мире занимает быстрейшее развитие индустриальных высокоинновационных безотходных технологий - «Зеленые технологии», а также высокоэффективных
композитных материалов - «Интеллектуальные материалы», без активного внедрения и использования которых немыслимо инновационное развитие науки и экономики в 21 веке [1-3].
Объем мирового рынка использования композитных материалов составляет порядка 12 млн. тонн в год, в денежном выражении более 900 млрд долларов и ближайшие пять лет по прогнозам ученых и экспертов ее доля в мировом ВВП увеличится в 10 и более раз. Объемы производства композитных материалов в странах СНГ находятся на низком уровне, например даже в России производится всего несколько десятков тысяч тонн и составляет всего 0,5 % от мирового объема, хотя имеются огромные запасы сырья и отходов для их производства.
Производство строительных материалов - одна из ресурсоемких отраслей экономики. Высокая ресурсоемкость является одним из важнейших факторов, сдерживающих развитие этой отрасли, а, следовательно, всего строительного комплекса, в том числе развития и модернизации ЖКХ. Известно, что затраты на материалы составляют более половины общей стоимости строительно-монтажных работ и около трети капитальных вложений во весь строительный комплекс страны. Поэтому для снижения затрат на капитальное строительство необходимо в первую очередь добиться существенного уменьшения затрат в производстве строительных материалов и изделий. Решение этой задачи тесно связано с активным использованием в производстве строительных и инновационных материалов и технологий, а также техногенных отходов. Все это в комплексе позволяет достичь существенного снижения затрат на материальные и финансовые ресурсы, значительно снизить энергоемкость производства и технологий, а также благоприятно повлияет на экологическую обстановку в регионах накапливания техногенных отходов [4-8].
Данные исследования как никогда актуальны для Казахстана, где в основном преобладает производство с небольшой добавленной стоимостью и необходим ускоренный переход всей экономики на рельсы современного инновационного развития, основанного на наукоемких, высокоэффективных, высокоэкологичных материалах и технологиях. Для инновационного развития строительной отрасли и жилищно-коммунального хозяйства нужно в первую очередь активно развивать производство современных композитных материалов и изделий, что резко снижает затраты на материалы и финансовые ресурсы, а также намного увеличивает срок службы зданий и сооружений, а также их экологические показатели, архитектуру и дизайн и т.д.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Композиционные материалы (композиты) - многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы
по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик [9-12].
То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце. Одно из самых древних, по всей видимости, описаний изготовления композиционного материала приводится в Ветхом Завете (Исход, гл. 5):
«И пришли надзиратели сынов Израилевых и возопили к фараону, говоря: «Для чего ты так поступаешь с рабами твоими? Соломы не дают рабам твоим; а кирпичи, говорят нам, делайте. И вот рабов твоих бьют; грех народу твоему». Но он сказал: «Праздны вы, праздны; поэтому и говорите „Пойдем, принесем жертву Господу». Пойдите же, работайте. Соломы не дадут вам, а положенное число кирпичей давайте».
Подобные технологии существовали у многих народов. Инки использовали растительные волокна при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса.
Другой композит, известный еще в Древнем Египте, содержал намного больший процент волокон, чем египетские кирпичи. Оболочки для египетских мумий делали из кусков ткани или папируса, пропитанных смолой или клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в 18 в. (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины 20 в. Из папье-маше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель.
Пожалуй, в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из распространенного в наши дни композиционного материала - древесностружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), которые выдерживают большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4-6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями.
Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы -металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы - полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.
Структура композиционных материалов. По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами - кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси [10-13].
В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.
Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25 % (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15 % (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов -нового класса композиционных материалов - еще меньше и составляют 10-100 нм.
Полимерные композиционные материалы (ПКМ). Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30 % веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000 $. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ [9, 14].
А) Стеклопластики - полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей - куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора.
В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось - она стала служить только для склеивания прочных волокон между
собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80 % по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.
Стеклопластики - достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.
Б) Углепластики - наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление - 220 °С, карбонизация -1000-1500 °С и графитизация - 1800-3000 °С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5 % по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученноеуглеволокно имеет различную структуру.
Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков - чаще всего - термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики - очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.
Низкая степень развития производства композитных материалов обусловлена целым рядом причин: это в первую очередь зависимость от импорта качественного сырья и высокотехнологического оборудования, отсутствия в странах СНГ единых норм и правил проектирования и эксплуатации композиционных материалов и конструкций, технических регламентов и т.д. Затрудняет внедрение композиционных материалов и изделий также отсутствие высококвалифицированных кадров по их проектированию, изготовлению и обслуживанию. Все это требует комплексной перестройки научно-производственной инфраструктуры отраслей экономики, выпуск продукции которых в 21 веке невозможен без использования композиционных материалов и изделий. Внедрение этих наукоемких и высокоэффективных материалов и технологий возможен только при условии консолидации всех заинтересованных участников. Поэтому для успешной реализации поставленных задач в данной отрасли всем производителям необходимо объединиться [14-21].
Сейчас одной из первоочередных задач является формирование нормативной базы, развитие исследовательской деятельности и формирование современной системы подготовки специалистов для этой отрасли.
Самым древним композитным материалом является саманный кирпич, который состоит из двух экологически чистых природных материалов - это глины и соломы, данный строительный материал актуален и по сей день во всем мире.
Одним из перспективных новых композиционных материалов для строительства являются экологически чистые и дешевые супернаполненные пластмассы на основе минеральных наполнителей и термопластов, способные заменить дорогую пластмассу, сочетающие в себе лучшие свойства полимеров со специальными характеристиками. Введение минеральных наполнителей в полимеры позволяет улучшить прочностные показатели, огнестойкость, тепло- и электрофизические свойства, снизить токсичность при горении и т.д. СНП могут применяться в качестве конструкционных, отделочных материалов, трубопроводов, обладающих повышенной огнестойкостью, стойкостью к воздействию агрессивных и атмосферных факторов, в том числе к солнечной радиации в условиях длительной эксплуатации, водостойкости и кислотности. НА их основе, композиционные материалы с заданными свойствами и высокой долговечностью [20].
Будущим строительного материаловедения является применение нано-технологического процесса формирования структуры современных строительных материалов, предусматривающих их сборку или самосборку «снизу-вверх», то есть дизайн материала или изделия, который заключается в контролируемом и управляемом воздействии на процесс структурообразовании, начиная с наноразмерного уровня. Результатом такого подхода будет получение новых по составу и качественно отличающихся по структуре и свойствам конструкционных, теплоизоляционных, отделочных и других материалов, в полной мере отвечающих современным тенденциям развития архитектурных форм, конструктивных решений и технологии возведения объектов промышленного и гражданского строительства. Уже получены новые конструкционные композитные материалы с уникальными прочностными характеристиками, новые виды арматурных сталей, высокопрочная арматура из композитных материалов с высокими температурными и упругими показателями, уникальные нанопленки для покрытия светопрозрачных конструкций, самоочищающие и износостойкие покрытия, паропроницаемые и гибкие стекла с высокими теплотехническими показателями и т.д. [21].
ВЫВОДЫ
В настоящее время проводятся теоретические и экспериментальные, исследования направленные на разработку методов наноструктурного модифицирования материалов, а также получены в результате исследований новые инновационные материалы и изделия, т.е. созданы «Интеллектуальные материалы», которые в зависимости от температуры, влажности и освещения окружающей среды могут автоматически изменять свои соответствующие качественные и количественные показатели, т.е изменять свою структуру так, что могут снижать или увеличивать свою тепло-, влаго- и светопроводность и т.д.
В последние годы очень актуальным стало в мире использование наряду с современными композитными материалами в строительстве традиционных природных
материалов таких, как саман, бутовый камень, материалы из рассыпной и прессованной соломы, из цельной и измельченной древесины (стружка, измельченные ветки, спрессованные листья и т.д.). Во первых это экологически чистые строительные материалы, во вторых современные препараты по санитарной и дезинфекционной обработке данных материалов в разы увеличивают их стойкость к различным вредителям и атмосферным осадкам, а также хорошо подобранная наружная и внутренняя конструктивная защита и отделка придают им не только высокие показатели по атмосферной и конструкционной стойкости, но и придают им современную архитектурную и дизайнерскую форму и выразительность. Многие, сохранившиеся до нашего времени, древние здания и сооружения, построенные их этих традиционных материалов, особенно на юге и востоке Казахстана, такие как буддийские, исламские культовые сооружения, храмы, мечети, медресе, усыпальницы, обсерватории и т.д. на протяжении тысячелетий украшают бескрайние просторы Казахстана.
Использование композитных материалов в строительстве поможет в ближайшее время значительно снизить материальные и финансовые затраты как на новое строительство, так и при модернизации и развития жилищно-коммунального хозяйства, научные исследования и использование результатов в этой области позволят перейти всей отрасли экономики на рельсы ускоренного инновационного развития.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Современные строительные материалы и товары. Справочник. - М. : Эксмо, 2006. - 576 с.
2 Строительное материаловедение / Под общ. ред. В. А. Невского. - Ростов на Дону : Феникс, 2007. - 571 с.
3 Лысенко, Е. И., Котлярова, Л. В., Ткаченко, Г. А., Трищенко, И. В., Юндин, А. Н. Современные отделочные материалы / под общ. ред. проф. А. Н. Юдина. - Ростов на Дону : Феникс, 2003. - 448 с.
4 Архитектура, строительство, дизайн [Текст] : учебник для вузов / под. общ. ред. А. Г. Лазарева. - Ростов-на-Дону, 2005. - 320 с.
5 Архитектура, строительство, дизайн [Текст]: учебник для вузов / под ред. А. Г. Лазарева. - 2-е изд. - Ростов на Дону : Феникс, 2006. - 316 с.
6 Архитектура, строительство, дизайн [Текст]: учебник для вузов. под ред. А. Г. Лазарева. - 4-е изд. - Ростов на Дону: Феникс, 2009. - 316 с.
7 Байер, В. Е. Материаловедение для архитекторов, реставраторов, дизайнеров : Учеб. пособие / В. Е. Байер. - М. : ООО «Транзиткнига», 2004. - 260 с. : ил.
8 Логанина, В. И. Искусство интерьера. Современные материалы для отделки : учебное пособие для вузов / В. И. Логанина, С. Н. Кислицина, С. М. Саденко. - Ростов-на-Дону : Феникс, 2006. - 252 с. : ил.
9 Флеров, А. В. Материаловедение и технология художественной обработки металлов [Текст] : учебник/ А. В. Флеров. - М. : Издательство В. Шевчук, 2001. - 288 с. : ил.
10 Лейкин, А. Е., Родин, Б. И. Материаловедение - М. : В.Ш., 1971.
11 Айрапетов, Д. П. Архитектурное материаловедение. - М. : Стройиздат. 1986.
12 Байер, В. Е. Материаловедение для архитекторов : Учебное пособие. - М.: АСТ, Транзиткнига: Астрель, 2005.
13 Строительные материалы. - М., Феникс, 2009.
14 Ивлиев, А. А., Кальгин, А. А., Скок, О. М. Отделочные строительные материалы. - М., 1998.
15 Лебедев, М. М. Индустриальные методы отделки зданий. - М., 1988.
16 Киреева, Ю. И. Современные строительные материалы и изделия. -Феникс, 2010.
17 Сатбаев, Б. Н. Особенности получения жаростойких сплавов и композиционных материалов // Наука и техника Казахстана. - 2003. - № 3. - C. 45-49
18 Справочник : Штукатурные работы внутри помещений. - Дикта, 2009.
19 Логанина, В. И., Кислицина, С. Н., Саденко, С. М. Искусство интерьера. Современные материалы для отделки. - Феникс, 2006.
20 Филимонов Б.П. Отделочные работы. Современные материалы и новые технологии. - М. : Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006.
21 Сарсенбай, А. С., Станевич, В. Т., Кудрышова, Б. Ч., Капустин, А. П. Повышение эффективности арболитовых композиций комплексными добавками // Наука и техника Казахстана. - 2019. - № 1. - C. 44-50
Материал поступил в редакцию 16.12.19.
Омаров Жумабек Мухтарович
т^.к., доцент, кауымд. профессор (доцент), «Сэулет жэне дизайн» кафедрасы,
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы, e-mail: zhumabek-omarov@mail.ru Жолдыбаев Шахман Серикбаевич
т^.к., доцент, «Технологияльщ машиналар жэне курылыс» кафедрасы,
«0. А. Байкоцыров атындаFы ЖезказFан университет» АК,
ЖезказFан к., 600100, Казакстан Республикасы,
e-mail: schachman@mail.ru
Жандалинова Кульжамал Айтбаевна
т^.к., доцент, кауымд. профессор (доцент),
«Сэулет жэне дизайн» кафедрасы,
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^
Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы,
e-mail: parasat1@mail.ru
Оразова Динара Казбековна
PhD, кауымд. профессор (доцент),
«Энеркесштж жене келж курылысы» кафедрасы,
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекеттiк университетi,
Павлодар к., 140008, Казакстан Республикасы,
e-mail: d-orazova@bk.ru
Материал баспаFа 16.12.19.тYстi.
^урылыс саласында композитт1 материалдарды пайдалану
ТМД елдерiндегi стратегиялъщ багыттарыныц 6ipi жедел туреын уй салу, сондай-ац цазiргi замангы инновациялъщ цурылыс материалдары мен технологияларына нег1зделген тургын уй-коммуналдыц шаруашылыгын жацгырту жэне дамыту (ТКШ) болып табылады. Щазiргi элемде индустриалды жогары инновациялыц цалдыцсыз технологияларды — «Жасыл технологиялар», сондай — ац тшмдшШ жогары композиттж материалдарды — «Зияткерлж материалдар» тез дамытуерекшеорыналады, оларды белсендi енг1зус1з жэне пайдаланусыз 21 гасырда цазiргi замангы цурылысгылымы мен экономиканыц инновациялыц дамуы мумкш емес.
Дэстyрлi жэне цазiргi замангы композиттж материалдардыц цурылысында даму мен пайдаланудыц элемдi кyрдiстерi бойыншам эселелер царалды.
Кiлттi свздер: дэстyрлi материалдар, композиттж материалдар, зияткерлж материалдар, инновациялар, наноцурылымды тyрлендiрiлген материалдар, жарыцвттзгш мвлдiр материалдар.
Omarov Zhumabek Mukhtarovich
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
Department of Architecture and Design,
S. Toraighyrov Pavlodar State University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: zhumabek-omarov@mail.ru
Zholdybaev Shakhman Serikbaevich
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
Department of «Technological Machines and Construction»,
«O. A. Baykonurova Zhezkazgan University» JSC,
Zhezkazgan, 600100, Republic of Kazakhstan,
e-mail: schachman@mail.ru
Zhanalinova Kulzhamal Aytpayevn
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
Department of Architecture and Design,
S. Toraighyrov Pavlodar State University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: parasat1@mail.ru
Orazova Dinara Kazbekovna
PhD, Associate Professor, Department of Industrial, Civil and Transport Construction, S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan, e-mail: d-orazova@bk.ru
Use of composite materials in the construction industry
One of the strategic directions in the CIS countries is accelerated housing construction, as well as modernization and development of housing and communal services (HCS), based on modern innovative building materials and technologies. A special place in the modern world is occupied by the fastest development of industrial high-innovation non-waste technologies (Green Technologies), as well as highly efficient composite materials (Intellectual Materials), without the active introduction and use of which the innovative development of modern construction science and economics in the 21st century is unthinkable.
Issues of global trends in development and use of traditional and modern composite materials in the construction industry are considered.
Keywords: traditional materials, composite materials, intelligent materials, innovation, modified nanostructured materials, translucent materials.
