CC BY
7
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Д.Г. Бахолдин, руководитель строительных проектов ООО «Профит» (Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-5-1-189-192
Аннотация. В статье рассматриваются особенности применения композитных материалов при строительстве. Композитные материалы не подвержены коррозии, поэтому рассмотрение применения композитных материалов в железобетонных конструкциях является важной и актуальной темой. Автор приводит положительные и отрицательные последствия использования композитов.
Ключевые слова: композитные материалы, строительство, арматура, матрица, волокна, полимеры, стекловолокно.
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 полимерно-композитной 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., Уман-ский 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. Коррозионностой-кие 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-
повысить износостойкость увеличить
нии объекта
конструкций, и как следствие 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 °С. 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 способству-
ет их облегчению.
Библиографический список
1. Леонов О.А., Артемьева Е.Д. Материаловедение и технология композиционных материалов: учебное пособие. - Красноярск: ФГБУО ВПО «Сибирский Федеральный университет», 2007. - 241 с.
2. Виноградова, Н.А. Сдерживающие факторы использования композитной арматуры / Н А. Виноградова, Ж.С. Теплова // Молодой ученый. - 2016. - № 17 (121). - С. 31-35.
3. Окольникова Г.Э., Герасимов С.В. Перспективы использования композитной арматуры в строительстве / Г.Э. Окольникова, С.В. Герасимов // Экология и строительство. -2015. - № 3. - С. 14-21.
4. Руднев И.В., Токарева А.Р., Кондуров Н.К. Применение композиционных материалов в современном строительстве / И.В. Руднев, А.Р. Токарева, Н.К. Кондуров // Университет-
ский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры. - Оренбург: Оренбургский государственный университет , 2017. - С. 941-943.
5. Эффективное использование передовых композитных материалов в современном строительстве // Ювикс Групп. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://polyalpan-
msk.ru/articles/effektivnoe_ispolzovanie_peredovykh_kompozitnykh_materialov_v_sovremenno m_stroitelstve (дата обращения: 18.05.2024).
6. Композиционные строительные материалы // Центр экспертиз исследований и испытаний в строительстве: [сайт]. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ceiis.mos.ru/presscenter/news/detail/9961052.html (дата обращения: 18.05.2024).
THE USE OF COMPOSITE MATERIALS IN CONSTRUCTION
D.G. Bakholdin, Head of Construction Projects Profit LLC (Russia, Moscow)
Abstract. The article discusses the features of the use of composite materials in construction. Composite materials are not susceptible to corrosion, therefore, consideration of the use of composite materials in reinforced concrete structures is an important and relevant topic. The author cites the positive and negative consequences of using composites.
Keywords: composite materials, construction, reinforcement, matrix, fibers, polymers, fiberglass.
