Композитные строительные материалы

Почему тормозится применение композитов в строительстве

Проблеме увеличения долговечности строительных конструкций зданий и сооружений, автомобильных дорог посвящено множество научных работ и жарких дискуссий. С главным выводом согласны практически все: эту задачу возможно решить только при помощи комплексного подхода. Как здесь могут помочь композитные материалы?

Заменим сталь на композиты

Существенно увеличить срок службы железобетонных конструкций поможет замена металлической арматуры на композитную. Для армирования несущих и ограждающих конструкций сегодня разработаны и применяются композитные арматуры с применением полимеров из углеродного волокна, стекло- и базальтопластика.

Отметим, что композитный (или композиционный) материал является конструкционным и может быть как металлическим, так и неметаллическим. В его состав входят усиливающие элементы в виде волокон и нитей из более прочного материала.

Например, пластик армируют углеродными, борными и стеклянными волокнами, а алюминий — нитями из бериллия или стали. Варьируя наполнение, можно получить композиционные материалы с заданными параметрами по прочности, коррозионной или абразивной стойкости. Кроме того, такие материалы могут приобретать необходимые диэлектрические, магнитные и другие свойства.

Характеристики композитной арматуры из стекла и углепластика

Но вернемся к практическому применению композитов в строительстве. Сами полимерные композиты, изделия и конструкции из них давно нашли в мировой строительной индустрии достаточно широкое применение.

Более 30% от всего мирового объема выпускаемых полимерных композиционных материалов используется именно в стройиндустрии, а это около 4 млн т. Наибольшее применение они находят при строительстве транспортной инфраструктуры, в жилищно-коммунальном хозяйстве, при возведении промышленных и жилых зданий.

А вот в нашей стране, несмотря на призывы властей и соответствующую программу (еще в 2013 году премьер-министр Дмитрий Медведев утвердил комплекс мероприятий по совершенствованию механизмов производства композиционных материалов и изделий из них, подготовленную упраздненным ныне Минрегионом РФ), применение композитов до сих пор находится на недопустимо низком уровне.

По разным оценкам, потребление полимерных композитов в отечественной строительной отрасли составляет от 0,5 до 2% от общемирового объема, а это лишь капля в море: всего 6—7 тыс. т. В число «приятных исключений» входит недавно открытый ГК «Мортон» в подмосковном Наро-Фоминске ДСК «Град», где в производстве панелей используется арматура из композитных материалов.

В чем же причина такого незавидного положения дел в масштабах страны? В незнании или непонимании преимуществ композитных материалов? В боязни всего нового? Или же в бюрократических проволочках?

Не хотят или не могут?

Как говорят эксперты, специалисты строительной отрасли зачастую просто не обладают информацией о возможностях композиционных материалов. Многие из них до сих пор не знакомы с соответствующими документами, которые регламентируют требования к применению в строительстве полимерных композитов. А отчасти строители просто игнорируют существующие нормативы, которые подтверждают возможность применения полимерных композиционных материалов.

— Система, созданная в Минстрое и ЖКХ РФ для внедрения инноваций, не только не работает, но и не позволяет их внедрять, — констатирует исполнительный директор Союза производителей композитов Сергей Ветохин. — Это связано в первую очередь с отсутствием необходимой правовой базы. Для того чтобы система заработала, необходимо внести изменения в действующие нормативные правовые документы.

Впрочем, лед, похоже, наконец тронулся. В Минпромторге РФ подготовлены методические рекомендации по разработке региональных программ внедрения и практического применения композитов в строительстве. Такие программы сегодня уже разрабатываются отдельных регионах, в частности в Ленинградской, Смоленской и Волгоградской областях, в Санкт-Петербурге, Хабаровском крае и в других субъектах РФ.

Ударим композитом по российским дорогам

Особенно активно внедрением современных материалов занимаются в Росавтодоре. Около года назад здесь была принята «Программа Федерального дорожного агентства по внедрению композиционных материалов (композитов), конструкций и изделий на 2015—2020 гг.».

Многие необходимые элементы для ремонта и строительства дорог с применением композитов уже выпускают предприятия отрасли. Это различная арматура, армирующие сетки, элементы дорожной инфраструктуры: лотки, заграждения, шумопоглощающие экраны, столбы освещения и т.д.

В конце 2015 года на заседании Научно-технического совета Росавтодора в г. Санкт-Петербурге будут подведены итоги реализации комплексной программы по внедрению композитных материалов в регионах.

— Уже сегодня видно, что применение при проектировании и строительстве объектов транспортной инфраструктуры полимерных композитных материалов и конструкций (таких как армирование нежестких дорожных одежд с помощью композитных георешеток, внедрение систем водоотведения с дорожного полотна и мостовых сооружений, изготовление перильных ограждений на основе стеклопластика) способствует росту темпов их применения и предотвращению использования контрафактной продукции на федеральных дорогах страны, — подчеркивает начальник Управления научно-технических исследований и информационного обеспечения Федерального дорожного агентства Александр Бухтояров.

Так что сегодня использование конструкций из композитов стало одним из приоритетных направлений инновационного развития дорожного хозяйства.

Что ж, как говорится, всем бы так.

Слово за вами, строители и коммунальщики

А вот в строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве применение композитных изделий до сих пор находится в эмбриональном состоянии.

В основном в проекты реконструкции и модернизации жилищного строительства закладываются изделия из таких традиционных материалов, как железобетон, сталь и чугун. Хотя применение композитов для канализационных труб, коллекторов, труб горячего и холодного водоснабжения позволило бы существенно повысить эффективность эксплуатации строящихся и действующих объектов.

При этом применение композитных изделий и материалов на пилотных и экспериментальных строительных объектах подтверждает и доказывает необходимость и обоснованность их применения.

Так что же нужно сделать, чтобы современные и столь необходимые строительные материалы заняли свое достойное место? Кто ответит за то, что в этом отношении Россия плетется в хвосте мирового прогресса?

Ответ очевиден. За низкое внедрение композитов в строительстве и жилищно-коммунальной сфере отвечает профильное ведомство — Министерство строительства и ЖКХ РФ, которому давно уже пора взять пример с коллег из Федерального дорожного агентства.

Ну а мы, журналисты, можем лишь обратиться к профессиональному сообществу с пафосными словами в духе прежних первомайских призывов: «Строители и коммунальщики! Активнее берите пример с российских дорожников, идущих в авангарде внедрения композитных материалов! Ура!»

Композиционные материалы

Композиционным материалом или композитом называют гетерогенную систему, состоящую из сильно различающихся по свойствам, взаимно нерастворимых друг в друге компонентов. Композиционные материалы состоят из относительно пластичной фазы — матрицы или основы и более твердых компонентов, являющихся наполнителями. Свойства композитов зависят как от свойств матрицы и наполнителя, так и от расположения наполнителя в матрице.

По типу расположения наполнителя, композиционные материалы подразделяют на дисперсно-упрочненные, волокнистые и слоистые.

Волокнистые композиционные материалы

Волокнистые композиты представляют собой матрицу армированную наполнителем или т.н. арматурой. Роль арматуры выполняют волокна различной формы: нити, стержни, ленты или сетки. Армирование волокнистых композитов может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме. Прочность и жесткость таких материалов определяется свойствами армирующих волокон. Технологически, волокнистые композиты получить намного сложнее, чем дисперсно-упрочненные композиты. К волокнистым материалам, которые применяются в промышленности можно отнести:

• полимеры на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными волокнами (стеклопластики), углеродными волокнами (углепластики), органическими волокнами (органопластики), борными волокнами (боропластики),
• металлические композиционные материалы на основе сплавов Mg, Al, Ti, Cu, Сг, Ni, армированных борными, углеродными или карбидокремниевыми волокнами. В этой группе, в качестве армирующего компонента может применяться стальная, молибденовая или вольфрамовая нить,
• композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы),
• композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными или жаростойкими волокнами.

Слоистые композиционные материалы

Слоистые композиционные материалы состоят из чередующихся слоев наполнителя и матричного материала. Часто такую конструкцию называю сэндвич. Слои материала-наполнителя композита могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев наполнителя с разными механическими свойствами. Для слоистых композиций обычно используют неметаллические материалы. Ярким представителем слоистых композитов является материал на основе фенолформальдегидных смол с углеродным или стекловолокном. Такие материалы применяются в ракетно-космической отрасли.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

В дисперсно-упрочненные керамические материалы, для придания им высокой прочности, износостойкости и повышения других эксплуатационных свойств, вводят мелкие равномерно распределенные частицы карбидов, оксидов, нитридов и др. В этих материалах эксплуатационные свойства, также как и в инструментальных сталях и твердых сплавах, зависят от дисперсности частиц, их размеров и плотности распределения. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее композитный материал, но при этом он имеет более низкую ударную вязкость и пластичность. Частицы наполнителя создают эффективное сопротивление движению дислокаций вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дисперсно-упрочненные композиты могут работать при достаточно высоких температурах.

В качестве наполнителя дисперсно-упрочненных композитов применяют частицы тугоплавких фаз типа Al₂O3, SiO₂, BN, SiC. В промышленности обычно применяют дисперсно-упрочненные композиты на алюминиевой или никелевой основе. Основными представителями этого вида композиционных материалов являются материалы из спеченной алюминиевой пудры — сплав САП. Эти сплавы состоят из алюминиевой матрицы, которая упрочняется частицами оксида алюминия.

На сегодняшний день применяются следующие марки сплава САП

• САП-1, содержащие 6-9% Al₂O3
• САП-2, содержащие 9-13% Al₂O3
• САП-3, содержащие 13-18 % Al₂O3

При увеличении концентрации Al₂O3 возрастает прочность композиционных материалов. Так, сплав САП-1 имеет σ_в = 270 МПа, σ₀₂ = 210 МПа, а САП-3: σ_в = 410 МПа, σ₀₂ = 330 МПа.

Сплавы САП применяют в авиационной промышленности для изготовления деталей с высокой прочностью и коррозионной стойкостью, работающих при температурах до 300-500 °С.

Композитные материалы для строительства

Системы внешнего армирования углеродными лентами для реконструкции любых инженерных конструкций набирают популярность в России. Благодаря своим уникальным характеристикам они незаменимы в ремонте ветхого жилья. А в числе перспективных разработок для нового строительства: углепластиковая арматура и фибробетоны.

Системы внешнего армирования углеродным волокном предназначены для ремонта и усиления несущих конструкций зданий с целью устранения последствий разрушения бетона и коррозии арматуры в результате длительного воздействия природных факторов и агрессивных сред в процессе эксплуатации сооружений.

На стадии строительства и эксплуатации система внешнего армирования позволяет решить следующие задачи: устранить ошибки проектирования или исполнения работ, увеличить несущую способность конструкций при увеличении расчетных нагрузок, а также устранить последствия повреждения несущих конструкций возникшие в ходе эксплуатации.

Системы внешнего армирования необычайно легки в применении. Технология предполагает наклеивание высокопрочных материалов на поверхность усиливаемой конструкции с помощью эпоксидных компаундов. Преимущества применения Системы внешнего армирования очевидны. Это прежде всего сокращение временных и трудовых затрат. При усилении Системой внешнего армирования не требуется никакой дополнительной громоздкой техники. Работы можно проводить без остановки эксплуатации зданий и сооружений.

Важнейшим направлением в строительстве является снижение энергоемкости, трудоемкости, материалоемкости изготовления изделий и конструкций, повышение их качества, надежности. Одно из возможных решений этой проблемы – применение композиционных материалов, достоинством которых, является возможность создавать из них элементы с параметрами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям работы конструкций.

Композиты — городские технологии

Композиты в ремонте участка МКАД

Ремонт музея «Воды» с применением композитов

Композитные перила установили в регионах России

Испытания балок и колонн, усиленных углеволокном

Система внешнего армирования незаменима для сейсмоусиления кирпичных зданий

Система внешнего армирования незаменима для ремонта зданий и сооружений

Система внешнего армирования незаменима для сейсмоусиления зданий и сооружений

Преимущества использования композитов в строительстве

Доска, армированная композитами, не ломается под напором невероятного веса.

Испытания балок и призм, армированных углеродными лентами

• Отраслевое применение
• Инженерное решение
• Техническая информация
• Реализованные проекты

• Товарные группы
• Система Внешнего Армирования FibArm
• Арматура композитная

Система внешнего армирования на основе углеродной ткани позволяют увеличивать несущую способность и усиливать конструкции в сжатые сроки и меньшими трудозатратами по сравнению с традиционными способами, а также значительно увеличивает срок службы конструкции.

Композиционные материалы и их классификация

Композиционные материалы (композиты, КМ) – искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более неоднородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединяемых между собой физико-химическими связями.

Одним из компонентов композиционных материалов является арматура, или наполнитель, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, а другим компонентом – матрица (или связующее), обеспечивающая совместную работу армирующих элементов. В качестве матрицы используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы, в зависимости от типа которых композиционные материалы получают общее название.

Упрочнителями служат стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, боридов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. При формировании композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих элементов композиций.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно в зависимости от назначения получить материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т.п.

Композиционные материалы имеют высокую удельную прочность, жесткость (модуль упругости 130–140 ГПа), высокие износостойкость, усталостную прочность. Из них можно изготовить размеростабильные конструкции. Композиционные материалы являются весьма перспективными конструкционными материалами для многих отраслей машиностроения.

Но некоторые виды композитов имеют недостатки: высокую стоимость, анизотропию свойств, повышенную наукоемкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно, развитого промышленного производства и научной базы.

Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице и природе компонентов, схеме расположения наполнителей, по природе компонентов, структуре композиционного материала.

По природе компонентов композиционные материалы делят на четыре группы:

1. КМ, содержащие компоненты из металлов или сплавов,
2. КМ, включающие компоненты из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.,
3. КМ, состоящие из неметаллических элементов, углерода, бора и др.,
4. КМ, содержащие компоненты из органических соединений (эпоксидные, полиэфирные, фенольные и другие смолы).

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты.

Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами. Механические свойства композита могут изменяться за счет ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами позволяет придать материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях). За счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси. В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель располагаются слоями.

Остальные классы композиционных материалов характеризуются наполнением матрицы частицами армирующего вещества, различающегося дисперсностью частиц. Так, дисперсно-упрочненные композиты включают от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Композиты, упрочненные частицами, содержат 20–25% (по объему) частиц размером более 1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов, составляют 10–100 нм.

Композиционные материалы, области применения

Высокая коррозионная стойкость, способность к восприятию ударных нагрузок, отличное качество поверхности, красивый внешний вид обусловили широкое применение композиционных материалов практически во всех отраслях промышленности.

Видное место занимают эти материалы в производстве изделий для автомобильного и городского транспорта. Из них изготавливают корпуса легковых автомобилей, автобусов, детали внутреннего интерьера, кабины грузовиков, баки для горючего, цистерны для перевозки жидких и сыпучих грузов, корпуса и детали внутреннего интерьера трамваев и автобусов.

Широкое применение нашли композиционные материалы в авиационной и ракетно-космической технике, где используются такие их свойства, как высокая удельная прочность и стойкость к воздействию высоких температур, стойкость к вибрационным нагрузкам, малый удельный вес. Из этих материалов изготавливаются корпусные детали и детали внутреннего интерьера.

Очень широко композиционные материалы применяются в области судостроения. Уникальные свойства композиционных материалов позволяют изготавливать высокопрочные, легкие корпуса катеров, яхт, шлюпок.
Из композиционных материалов также изготавливаются спасательные шлюпки для танкеров, перевозящих нефтепродукты. Такие шлюпки способны вынести экипаж судна из зоны разлившейся горящей нефти в случае аварии. Этой возможности позволили достигнуть уникальные свойства применяемых материалов, их высокая теплоизоляция и огнестойкость.

Развитие промышленности композитов в районе Персидского залива происходит чрезвычайно быстро. Композиционные материалы применены в одном из наиболее престижных проектов в регионе — строительстве гостиницы Jumeirah Reach Tower. Гостиница Jumeirah Reach Tower, строительство которой уже закончено в Дубаи, как объявляют, является самым высоким зданием гостиницы в мире. Ее высота 321 метр, это выше, чем Эйфелева башня в Париже. Приблизительно 33 000 квадратных метров сэндвичевых панелей соединяют гостиничные номера и гиганский, почти 200 метров высотой атриум. Панели произведены из композиционных материалов. Огнестойкая смола и гелькоут были спроектированы и полностью проверены для использования в этом проекте. Рекомендация и опыт этого проекта, как ожидается, вызовет значительный интерес в строительной промышленности.

В области железнодорожного транспорта композиционные материалы постепенно занимают лидирующее место благодаря своим великолепным свойствам. С каждым годом все больше компаний переходят на изготовление из композиционных материалов не только отдельных деталей, но и кузовов в целом.

Настоящий переворот совершили композиционные материалы в области сельского хозяйства. Антикоррозионные свойства этих материалов позволяют применять их там, где не выдерживают другие материалы. Это элементы животноводческих ферм, емкости для хранения минеральных удобрений, отходов, сельскохозяйственных заготовок. Композиционные материалы используются для изготовления кузовов сельскохозяйственной техники. Это позволяет значительно сэкономить средства не только при производстве, но и в процессе эксплуатации, так как в межсезонье трактора, уборочные машины не требуют затрат на обслуживание кузовных деталей, а срок службы этих деталей намного больше.

Одной из все более расширяющихся областей применения композиционных материалов является мостостроение. Использование стеклопластика открывает перспективный путь строительства мостов из новых материалов. Рассматриваемое строительство — мост длиной 40 метров, протянутый поперек одной из наиболее загруженных железных дорог в Дании. Изготовлен первый композитный мост, специально разработанный, для создания железнодорожных переходов. Ключевым условием создания моста, для одной из наиболее загруженных железных дорог Дании, было то, что он должен был быть установлен в самые сжатые сроки. В то же время сооружение должно было соответствоватьопределенным практическим и эстетическим критериям. Мост был смонтирован за 16 часов. Работа была выполнена ночью. Мост состоял из трех компонентов, которые были установлены на опоры с болтами — кстати, единственные элементы моста, требующие соединений.

Композиционные материалы будут все больше и больше использоваться как Материал в наземном строительстве. Налицо многочисленные преимущества: мосты из композиционных материалов, которые требуют только косметического обслуживания в течение более чем 50 последующих лет. Подобный мост, построенный из стали весил бы 28 тонн и нуждался в замене некоторых частей каждые 25 лет. То же самое применимо и к железобетонному мосту, который весил бы 90 тонн. Одно из главных преимуществ конструкций из композитов, имеющих небольшую массу, состоит в том, что они требуют меньших, менее дорогих опор. Кроме того, они не подвержены коррозии. Мост разработан из стандартных профилей и может производиться по более низкой стоимости, чем аналогичный стальной или бетонный мост.

Новый сложный мост был построен в Швейцарских Альпах прошлой осенью. Этот мост состоит из двух элементов, весящих по 900 кг, которые были установлены при помощи вертолета. Элементы были склеены и соеденены болтами вместе. Мост, собранный из стали, едва ли смог бы транспортироваться вертолетом. Еще одно преимущество проекта состоит в том, что мост может быть легко демонтирован в случае весенних наводнений.

В оборонной промышленности композиционные материалы сыграли важную роль в стратегии и направлении новейших разработок. Так защитные каски, бронежилеты, традиционно изготавливаемые во всех странах многие годы из металла, в настоящее время также изготавливаются из композиционных материалов. Скоростные суда, транспортные корабли, самолеты невидимки, все это создано только благодаря использованию композиционных материалов, постоянному поиску новых материалов и технологий.

В очень большом количестве композиционные материалы используются в нефтеперерабатывающей промышленности. В настоящее время из этих материалов изготавливают элементы нефтяных платформ, трубы для нефте- и газопроводов. В этом году заканчивается строительство завода в Узбекистане по производству труб для нефте- и газопроводов. Мощность предприятия определяется исходя из объема потребления только огнестойкого ненасыщеного полиэфира в колличестве 6,5 тыс. тонн в год.

Лопасти и корпуса ветряных электростанций, трейлера, рефрежераторы, предметы бытового назначения, сантехника, искусственный мрамор, полимербетон, гидроизоляция тонелей метрополитенов, изолирующие накладки, сидения для транспорта и общественных мест, малые архитектурные формы, мебель, все это и многое другое в настоящее время производится из композиционных материалов.