Перспективы применения углеволоконных композитных материалов в промышленном и гражданском строительстве Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 691

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕВОЛОКОННЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОМЫШЛЕННОМ И ГРАЖДАНСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Е.К. Салатов, А.М. Чурсина

Аннотация. В работе показаны актуальность и перспективы применения углеволоконных композитных материалов в промышленном и гражданском строительстве. Представлены преимущества применения элементов из углекомпозитов при усилении конструкций зданий и сооружений. Приведены основные ограничивающие факторы распространения этих инновационных строительных материалов в России.

Ключевые слова: углеволоконные композитные материалы, промышленное и гражданское строительство, здания и сооружения, усиление конструкций.

PROSPECTS FOR THE USE

OF CARBON FIBER COMPOSITE MATERIALS

IN INDUSTRIAL AND CIVIL ENGINEERING

E.K. Salatov, A.M. Chursina

Abstract. The paper shows the relevance, the prospects for the use of carbon fiber composite materials in industrial and civil construction. The advantages of the use of elements of carbon composite in strengthening the structures of buildings and structures are presented. The main limiting factors of the distribution of these innovative building materials in Russia are also given.

Keywords: carbon fiber composite materials, industrial and civil engineering, buildings and constructions, strengthening of structures.

В мире в настоящее время полимерные композитные материалы используются практически во всех отраслях промышленности и строительства. Наиболее перспективными для применения в строительной отрасли являются композиты, армированные углеродным волокном - высокопрочным, высокомодульным, линейно упругим материалом. Углекомпозиты производятся с заранее прогнозируемыми свойствами, наилучшим образом соответствующие требуемым прочностным параметрам и условиям эксплуатации конструкций.

Прогнозируется значительный рост мирового потребления углекомпозитов. В 2017 г. мировой рынок композитов из углеродного волокна составил 25,1 млрд долл., в 2018 г. ожидается рост до 28,4 млрд долл., в 2022 г. - до 45 млрд. В среднем ежегодно объемы потребления увеличиваются на 12,7 % в течение последних пяти лет. В 2017 г. во всем мире было продано 84,2 тыс. т углеволокна, в 2025 г. показатель может вырасти до 180 тыс. т.

Этот рост их потребления, обусловленный увеличением спроса в машиностроении и строительстве, объясняется, в первую очередь, тем, что соотношение весовых прочностных характеристик у таких материалов в значительной степени превосходит соответствующие показатели стали и алюминия, что в конечном итоге положительно сказывается на снижении энергозатрат и других эксплуатационных расходов. По прогнозу, потребление композитных материалов и изделий из них в ближайшие годы вырастет в 10 раз. В отечественной промышленности углеволокно отнесено к группе стратегических, важных для технологической независимости страны, материалов. Поставлена задача увеличить российский рынок к 2025 г. до 3 тыс. т, то есть до 2 % от мирового.

Объем производства композитов в России сегодня не превышает нескольких процентов от мирового рынка. По сути, российский рынок композиционных материалов пока находится на этапе становления, хотя в нашей стране предпринимается немало усилий для его дальнейшего развития и роста. В мае 2015 г. запущен в промышленную эксплуатацию крупнейший в России и ближнем зарубежье завод по производству углеродного волокна «Алабуга-Волок-но». Оборудование завода соответствует всем мировым стандартам, мощность производства составляет более 1,4 тыс. т в год.

По данным компании «UMATEX Group», входящей в состав Госкорпорации «Росатом», занимающей первое место в России и входящей в десятку мировых лидеров по производству углеродного волокна, более 30 % мирового объема производства полимерных композитов, или около 4 млн т, используется в строительстве жилых и промышленных зданий, автодорог и мостов, объектов коммунальной инфраструктуры. Простые композитные материалы, такие как стеклопластики, применяются в строительстве давно и широко, однако новые углеволоконные материалы открывают массу возможностей для улучшения теплоизоляции и энергоэффективности, уменьшения веса конструкций зданий и сооружений, повышения их сейсмоустойчивости, а также создания сложных архитектурных форм. Наиболее активно, по мнению специалистов, в ближайшие годы будет расти применение композитов именно в строительной сфере, в основном в системах внешнего армирования.

Потребление углекомпозитов в России в 2017 г. составило порядка 300 т, это 0,5 % мирового рынка. В строительстве потенциальная потребность на ближайшие 5-7 лет может составить порядка 500 т углеродного волокна. Объем внутреннего спроса на композитные материалы за последние шесть лет вырос более чем в 3,5 раза. Спрос на углеволокно в России в пять раз меньше, чем объем производства завода «Алабуга-Волокно», при этом почти 90 % этой продукции сразу уходит на экспорт в Китай и Западную Европу.

На сегодняшний день потребление композитных материалов на душу населения составляет в России всего 0,5 кг, что в 15 раз меньше, чем в развитых странах. Минпромторгом России реализуется подпрограмма «Развитие производства традиционных и новых материалов», ориентированная на гражданский сектор экономики, где в соответствии с общемировой практикой сосредоточен основной объем потребления композитов. Речь идет о таких направлениях, как транспортная инфраструктура, строительная индустрия, энергетика, электроника и транспортное машиностроение, ЖКХ, нефтегазодобыча, химия и нефтехимия. Разработано три сценария развития рынка композиционных материалов в России до 2020 г. Первый -инерционный, объем рынка составит 30 млрд руб., 64 % будет занимать авиа- и судостроение и космос. Второй - базовый, объем рынка прогнозируется в размере 120 млрд руб., преобладать будет транспортная инфраструктура (19 %). Третий сценарий - целевой, при объеме рынка в 223 млрд руб., лидировать с долей 22 % будет также транспортная инфраструктура, на втором месте - строительная индустрия (18 %), далее - транспортное машиностроение и автопром (16 %). Для выполнения запланированных объемов к 2020 г. даже по базовому сценарию существующие производственные мощности необходимо увеличить в четыре раза, по целевому сценарию - в 12 раз [1].

По итогам выполнения программы и предусмотренных ею инвестпроектов планируется выйти к 2020 г. на объем потребления на человека до 1,5 кг композитов в год. Пока наша страна находится лишь на полпути к этой цифре: хотя рынок растет на 20 % в год, в 2017 г. его объем не превышал 53 млрд руб. Причем до 70 % составят отечественные материалы и изделия, но все более проблемным фактором становится удорожание всех составляющих изготовления в РФ этой продукции.

В России при проектировании объектов строительства с композитными системами внешнего армирования в 45 % случаев применяются импортные материалы. Локализация

производства композитных составляющих и систем внешнего армирования дала бы возможность иностранным производителям не только сократить сроки поставок, но и снизить стоимость продукции на 7-12 %.

Доля РФ в мировом производстве композитных материалов составляет около 1 %, а сама отрасль крайне импортозависима: из-за рубежа ввозятся оборудование и основное сырье - смолы, отвердители, наполнители, препреги. Производством углекомпозитов в России занимаются около полутора сотен предприятий, специальные композитные кластеры созданы в Татарстане, Московской и Саратовской областях.

Между тем среднегодовое потребление композитного ассортимента в США и регионе ЕС, соответственно, в 20 и 12 раз больше, чем в РФ. Опережают нас и КНР с Японией - в 10 и 8 раз. А доля национального производства композитного сырья, полуфабрикатных и готовых изделий из него на рынках этих стран превышает 85 %. В целом за рубежом собственная продукция составляет до 90 % против максимум 60 % в России.

Товарные объемы мирового рынка композитов растут все быстрее. Мировой рынок углеродного волокна ныне достиг 80 тыс. т, к 2025 г. он удвоится. А использование углеволокна и его производных в готовых изделиях растет с 141 тыс. т - в конце 2010-х до 335 тыс. т -к 2025-2026 гг. (рисунки 1 и 2).

В России максимальный объем потребления углеволокна, по разным оценкам, может в середине следующего десятилетия увеличиться до 2 тыс. т (против 550 т в середине 2010-х гг.) при условии минимального повышения цен не более 3,5 % в год. Но эта динамика и прогнозируемый объем несопоставимо ниже, чем в КНР и большинстве западных стран.

61

55

2015 2025 Северная Америка

| Производство Ц Портебление Мощности РФ

2015 2025 ЕС

Дефицит Профицит

20

. 0 0,2 2,1 3,0 ШЩз ,ЛФ

2015 2025 Россия

31

2015 2025 Япония

40

2015 2025 Остальной мир*

2015 2025 Китай

Остальной мир - Австралия, Иран, Индия, Новая Зеландия, Тайвань, Мексика, Южная Корея

Рисунок 1. Объемы потребления углекомпозитов в мире [3]

тыс. тонн

Рисунок 2. Динамика роста потребления углекомпозитов в мире [3]

Еще 40 лет назад применение углеволоконных композитов ограничивалось, в основном, лишь авиакосмической и атомной отраслями промышленности. Одной из главных задач в настоящее время является расширение возможностей масштабного применения композитных материалов в промышленном и гражданском строительстве.

Согласно исторической справке [4] применять углеволокно для усиления и армирования конструкций строительных объектов начали более 30 лет назад. В 1982 г. на юге Германии при усилении железобетонного моста были применены углеродные ленты (совместный проект концерна «SIKA», проектного бюро «Leonhardt, Andrä und Partner» и фирмы «Leoba»). В России первые примеры использования данного материала при усилении железобетонных конструкций относятся к началу нынешнего века, а первые крупные объекты усиления - это автодорожные мосты через реку Кехта на автодороге Москва-Архангельск и через реку Кир-жач трассы М7 Москва - Нижний Новгород.

Проблема недостаточного применения инновационных композитных материалов в строительстве связана с низким уровнем законодательного и нормативного обеспечения отрасли в целом. Обеспеченность нормативными документами - сводами правил, национальными стандартами, где содержались бы требования к проектированию конструкций из композитных материалов и методики расчетов, недостаточна. Возникла острая необходимость перехода от рекомендаций по использованию композитов к конкретизации условий их применения на уровне технических регламентов и сводов правил, однако полностью унифицировать требования к проектированию композитных конструкций в полной мере затруднительно, в первую очередь, из-за разнообразия самих материалов и конструктивных решений их использования. Вопрос отсутствия нормативной технической документации для применения изделий из композитов должен будет решен в ближайшие годы. Это произойдет после утверждения и введения в действие всех сводов правил и стандартов, разработанных в рамках государственной программы.

Развитие композитной отрасли так же ограничивает нехватка квалифицированных кадров. Чтобы начать работать с новыми материалами, недостаточно лишь разрешить их применение, нужно обучить людей. В России предстоит создать систему профессиональной подготовки, переподготовки, повышения и оценки квалификации кадров композитной отрасли. Процесс создания этой системы включает в себя разработку профессиональных

стандартов, корректировку федеральных образовательных стандартов на основе требований профессиональных стандартов и создание экспертных площадок по оценке компетенций и квалификации отраслевых кадровых ресурсов.

Независимо от особенностей применения композитных материалов это приводит к удорожанию строительных проектов, что в перспективе компенсируется снижением эксплуатационных расходов на протяжении всего жизненного цикла объекта. Так например, при использовании композитов стоимость систем водоотведения увеличивается примерно на 20 %, ограждающих конструкций - на 30-40 %. Однако рост капитальных затрат при этом означает снижение эксплуатационных затрат на обслуживание на всех этапах жизненного цикла конструкций, включая осмотры, освидетельствования и ремонты. По предварительным оценкам, через 5 лет эксплуатации зданий и сооружений первоначальные затраты должны окупиться, а через 20 лет экономический эффект может составить двукратную стоимость возведения конструкций. Для полноценного внедрения композитных материалов в строительстве заказчикам работ необходимо учитывать удорожание проектов ради снижения эксплуатационных расходов в будущем.

На сегодняшний день можно насчитать тысячи строительных объектов, во время ремонта и усиления которых использовались технологии с применением углеволоконных композитов. В настоящее время одной из наиболее перспективных сфер их применения является реконструкция и ремонт (усиление) практически любых строительных конструкций гражданских и промышленных зданий и сооружений. Применение конструктивных элементов на основе углеродного волокна может дать вторую жизнь многим ветхим зданиям и сооружениям. Применение современных композиционных материалов при усилении строительных конструкций позволит значительно увеличить межремонтные сроки и сократить объем бюджетных средств, выделяемых на их ремонт и реконструкцию.

Основным преимуществом использования полимерных композиций на основе углеродных лент в системах внешнего армирования является их высокая прочность по сравнению с традиционными материалами. Анализ прочностных характеристик показывает, что углеволокно обладает показателем предела прочности на растяжение 3900 МПа, тогда как арматурная сталь (А500С) всего 500 МПа.

Композитные материалы отличаются от стали тем, что они обладают свойствами, которые могут изменяться в различных направлениях (анизотропные), тогда как сталь имеет подобные свойства во всех направлениях (изотропные). Наиболее распространенный тип композитных полимерных материалов для внешнего армирования бетона построен на основе непрерывного однонаправленного углеродного волокна по длине элемента усиления. При растяжении однонаправленные композитные материалы демонстрируют линейно-упругое напряженно-деформационное состояние до разрушения без пластического деформирования.

Использование полимерных углекомпозитных материалов по сравнению с традиционными, применяемыми в строительстве, в том числе, при реконструкции и усилении несущих элементов зданий и сооружений так же имеет следующие преимущества:

- значительная долговечность, которая приближается к срокам службы конструкций, что составляет не менее 50-70 лет;

- отсутствие значительного увеличения собственного веса конструкции и, соответственно, ее деформативности, что дает возможность увеличить процент полезной нагрузки и уменьшить динамические нагрузки;

- возможность применять композитные элементы с требуемыми свойствами в наиболее напряженных зонах усиливаемых сечений;

- способность элементов из композитных материалов следовать искривлениям и неровностям поверхности усиливаемой конструкции, что трудно реализовать с помощью стальных листов;

- возможность применения элементов усиления из композитов с одновременным предварительным напряжением конструкции;

- возможность релаксации местных напряжений и поперечного выпучивания элементов конструкции;

- отсутствие вероятности хрупкого обрушения конструкций;

- повышение сейсмостойкости реконструируемой (усиливаемой) конструкции;

- высокая стойкость элементов из композитных материалов против коррозии;

- отсутствие размерных ограничений элементов из композитов, используемых для усиления, их длина может достигать 50 м;

- облегченный монтаж при высокой скорости и низкой трудоемкости выполнения работ;

- работы по ремонту (усилению) могут вестись в районах с суровым климатом и низкими температурами;

- практически полное сохранение внешнего вида элемента здания и сооружения, имеющего архитектурную или историческую ценность;

- элементы из композитных материалов требуют минимальных затрат в течение всей продолжительности их эксплуатации.

Использование композитных материалов для усиления строительных конструкций может применяться на стадии проектирования:

- для повышения сейсмостойкости конструкций;

- для повышения прочности конструкций при чрезвычайных нагрузках;

- для повышения несущей способности конструкций реконструируемых зданий и сооружений.

На стадии строительства и эксплуатации:

- для компенсации ошибок проектирования или производства работ (заниженное сечение арматуры, прочность бетона не соответствует проектной, отклонения от проектного положения арматуры);

- при изменении конструктивной схемы элементов здания и сооружения;

- при необходимости образования непроектных проемов;

- в случае увеличения расчетных нагрузок;

- при повреждение несущих конструкций в ходе эксплуатации.

Объемная масса полимерных углекомпозитных материалов в среднем в 5-8 раз меньше, чем у стали, и в 2 раза меньше, чем у алюминия. Пределы прочности при сжатии и растяжении у композитных материалов достаточно высоки и превосходят в этом отношении традиционные строительные материалы силикатной группы (бетон, кирпич). Комплекс свойств строительных материалов в целом можно описать коэффициентом конструктивного качества (отношение показателя прочности к относительной средней плотности), который для кирпичной кладки составляет 0,02 (самый низкий из всех традиционных строительных материалов), бетона класса В10 - 0,06, углеродистой стали обыкновенного качества Ст3 - 0,5, дерева (сосна) - 0,7, дюралюминия - 1,6, полимерных композитов - 2,2 [2].

Таким образом, применение композитных материалов в промышленном и гражданском строительстве не является чем-то необычным во многих европейских и североамериканских странах, а такие страны, как Япония и Китай, широко используют углеволоконные композиты для ремонта и усиления существующих поврежденных конструкций. Эта технология во многих случаях может быть превосходной альтернативой традиционным методам как с технической, так и с экономической точки зрения. При этом понятно, что объем реконструкции и ремонтных работ с применением углекомпозитов значительно возрастет в будущем.

Для новых конструкций применение композитных материалов также очень перспективно и будет зависеть от способности конкурировать с обычными материалами (сталью

и бетоном). Малый вес, разнообразие конструктивных форм и легкая обрабатываемость - три важнейших позитивных аспекта, которые надо учитывать при использовании строительных композитных материалов. Однако на механические характеристики композитов, обладающих анизотропными свойствами, может влиять количество и ориентация армирующих волокон, температура и условия окружающей среды при монтаже и эксплуатации.

Материальные затраты при использовании углеволоконных полимерных композитов в строительстве в несколько раз больше, чем у обычных материалов. Однако стоимость жизненного цикла, включая изготовление, применение, защиту и прогнозируемые расходы на техническое обслуживание, сопоставима или может быть меньше, чем для конструкций из обычных материалов. Внедрение в строительство композитных материалов с высоким коэффициентом конструктивного качества позволит решить основные задачи по снижение веса зданий и сооружений, увеличению сроков их эксплуатации и межремонтного обслуживания.

В долгосрочной перспективе, для использования всего потенциала углеволоконных композитных материалов в промышленном и гражданском строительстве, стоит задача подготовки нового поколения проектировщиков, технологов и производителей работ.

Библиографический список

1. Дмитриев В.Г., Салатов Е.К. Применение углекомпозитов при реконструкции зданий и сооружений транспортной инфраструктуры // Труды 9-й научно-практической конференции с международным участием «Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство». М, 2016. Т. 9 (9).

2. Каблов Е.Н. Композиты: сегодня и завтра // Металлы Евразии. URL: https://viam.ru/sites/default/ files/uploads/pdf_versiya_stati.pdf (дата обращения: 03.12.2018).

3. Углеродное волокно и композитные материалы. URL: http://www.composites-cis.com/assets/files/ presentations2016/umatex.pdf (дата обращения: 03.12.2018).

4. URL: http://umatex.com/applications/construction/ (дата обращения: 03.12.2018).

Е.К. Салатов

Кандидат технических наук,

доцент кафедры зданий и сооружений на транспорте,

Российская открытая академия транспорта Российского университета транспорта (МИИТ)

E-mail: e.salatov@mail.ru

А.М. Чурсина

Магистрант,

Российская открытая академия транспорта Российского университета транспорта (МИИТ)

E-mail: allachursina@inbox. ru