Реферат. Композиционные материалы, используемые для защиты конструкций от разрушения

• Название: Композиционные материалы, используемые для защиты конструкций от разрушения
• Дата: 28.02.2023
• Размер: 35.52 Kb.
• Имя файла: Реферат.docx
• Тип: Реферат; #959396

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Технологические машины и оборудование»
Тема реферата:

«Композиционные материалы, используемые для защиты конструкций от разрушения»
Бакалавр гр. БНП 20-01 Р.А.Ахметкеримов
Проверил,

доц., канд. техн. наук В.А. Гафарова
Уфа 2023

Оглавление

Введение 3

1.Композиционные или композитные материалы 4

2.Применение композитных материалов в строительстве 5

3.Виды, свойства композитных материалов 7

3.1 Композиционные материалы с металической решеткой 8

3.2 Композиционные материалы с неметалической решеткой 8

4.Композиты и бетон 10

Заключение 13

Список использованной литературы 14

Введение

За последнее десятилетие в связи с износом зданий и сооружений возросла потребность в усилении конструкций, в частности железобетонных, как одного из самых распространенных типов строительных конструкций. Такая потребность существовала издревле, поэтому к настоящему времени предложено большое количество способ. Помимо восстановления первоначальной несущей способности железобетонных элементов во время ремонта, реконструкции или по условиям эксплуатации зачастую возникает необходимость в увеличении их несущей способности.

Хорошей альтернативой классическому усилению железобетонных конструкций сталью является усиление композитными материалами. Эти материалы относительно новый и недавно вышли на широкий рынок.

1. Композиционные или композитные материалы

Композиционный материал - неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу, обеспечивающую совместную работу армирующих элементов.

Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик. В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещино-стойкость материала, и в композитах, в отличие от металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

2. Применение композитных материалов в строительстве

Строительная индустрия постоянно развивается, открываются новые площадки, строятся различные объекты. Композиционные материалы стали неотъемлемой частью этой сферы, сейчас уже трудно представить масштабные строительные работы без использования композита. Существуют разные типы композиционных материалов, они различаются по своему составу и свойствам. Наиболее распространены и востребованы в строительстве, например, такие виды, как сэндвич-панели, углепластиковые панели, слоистые материалы, текстолиты, стеклопластики. Все они обладают высокими эксплуатационными характеристиками и декоративным эффектом.

Композит применяется не только при возведении жилых объектов. Трудно представить мост или плотину, где бы не использовались углепластиковые панели. Различные архитектурные элементы, такие как арки или купола, тоже зачастую создаются с применением композиционных материалов. Это выгодно для застройщиков, поскольку обеспечивает им значительную экономию на возведении конструкций, монтаже, хранении и перевозке материала, и при этом надежность, качество и прочие эксплуатационные характеристики будущего здания никак не страдают.

Композиты являются достаточно эффективными, применение в строительстве достаточно распространено благодаря ряду преимуществ этих материалов.

1. 
   Изделия получаются очень прочные, некоторые виды композиционных материалов, например, стеклопластики, по своей прочности способны соперничать с металлом. При этом они отличаются гибкостью и хорошо переносят различные воздействия.
   
2. 
   Композиты отличаются своей легкостью, по сравнению с аналогами. Легкие балки, изготовленные из стекловолокна, гораздо лучше подходят для создания перекрытий в больших помещениях, чем металлические.
   
3. 
   Получившаяся конструкция не потеряет в прочности и качестве, но при этом требует гораздо меньших усилий во время проведения монтажных работ.
   
4. 
   Материалы отличаются высокой устойчивостью к воздействию агрессивной среды, поэтому из них можно создавать не только внутренние конструкции, но и использовать для внешних, открытых воздействию солнечных лучей, осадков и резкой смене температур.
   
5. 
   Химические реагенты не страшны композитным материалам, поэтому их можно использовать, например, для возведения складов, где будут храниться химикаты.
   

Благодаря новым технологиям, современные композиты перестали быть пожароопасными, они не позволяют пламени распространиться, практически не дымят и не выделяют опасных ядовитых веществ.

Из КМ возможно изготовить размерно-стабильные конструкции, причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами.

У композитов есть не только преимущества, но и недостатки, которые сдерживают их распространение на строительном рынке.

1. 
   Высокая стоимость — основная проблема композиционных материалов. Для их изготовления необходимо специальное сырье и современное оборудование, поэтому и готовые изделия получаются достаточно дорогими.
   
2. 
   Материалы обладают гигроскопичностью, то есть, легко впитывают влагу, что ведет к дальнейшему разрушению. Поэтому их необходимо дополнительно укреплять при производстве влагостойкими защитными средствами.
   
3. 
   Некоторые композиционные материалы имеют низкую ремонтопригодность, что повышает стоимость их эксплуатации.
   

Насколько оправданным будет использование композитов, зависит от конкретных целей, условий, общего бюджета. Впрочем, современные технологии позволяют изобретать новые формы и виды таких материалов, поэтому, возможно, в будущем они станут менее дорогими и более распространенными, а также обзаведутся улучшенными характеристиками.

3. Виды, свойства композитных материалов

Все композиционные материалы изготавливаются по похожей структуре у них есть армирующее вещество и матрица. Арматура — это то, что передает материалу физические и химические свойства, является его основой. А матрица придает изделию форму, фиксируя арматуру определенным образом.

Можно выделить некоторые примеры самых распространенных в строительстве композитов:

1. 
   Бетоны. Их матрица может быть как традиционной, цементной, так и созданной на основе новых технологий — полимерной. Разновидностей бетонов существует огромное множество, они отличаются своими свойствами и областью применения — от обычных до декоративных. Современные бетоны по своей прочности приближаются к металлическим конструкциям.
   
2. 
   Органопластические композиты. Их основным наполнителем являются синтетические волокна, изредка используются и природные материалы. Матрицей обычно служат различные смолы. Органопластики достаточно легкие, хорошо держат удар, сопротивляются динамическим нагрузкам, но при этом плохо выдерживают растяжения и сгибы. Древесные композиционные материалы также относятся к органопластикам по классификации.
   
3. 
   Стеклопластики армируются стеклянными волокнами, а в качестве формирующей матрицы для их изготовления применяют особые синтетические смолы или термопластичные виды полимеров. Материал обладает устойчивостью, прочностью, низкой теплопроводностью, но при этом свободно пропускает радиосигналы.
   
4. 
   Углепластики представляют собой соединение углеводородных волокон и различных полимеров. Обладают более высокой упругостью, чем стеклопластики, легкие и достаточно прочные.
   
5. 
   Текстолиты — это слоистые материалы, армированные тканями на основе различных волокон. Заготовки-полотна заранее пропитывают смолой, а затем прессуют с использованием режима высокой температуры, получая готовый к применению пласт. Поскольку наполнители могут быть очень разными, то и свойства значительно разнятся.
   

Наибольшее применение в строительстве и технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами.

К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами;

1. Композиционные материалы с металической решеткой

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

2. Композиционные материалы с неметалической решеткой

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная.

Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.

Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) 20-30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала.

Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвигах и сжатии и сопротивление усталостному разрушению. По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей.

Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.

4. Композиты и бетон

Преимущества композиционных материалов хорошо проявляются при армировании бетона и строительстве.

Недорогой и разносторонний, бетон является одним из лучших строительных материалов во многих предложениях. Являясь настоящим композитом, типичный бетон состоит из гравия и песка, связанных вместе в матрице из цемента, с металлической арматурой, обычно добавляемой для усиления прочности. Бетон превосходно ведет себя при сжатии, но становится хрупким и непрочным при растяжении. Растягивающие напряжения, так же как и пластическая усадка во время отверждения, приводят с трещинам, которые поглощают воду, что, в конечном счете, приводит к коррозии металлической арматуры и существенной потере монолитности бетона при разрушении металла.

Композитная арматура утвердилась на строительном рынке благодаря доказанному сопротивлению коррозии. Новые и обновленные конструкторские руководства, и тестовые протоколы облегчают инженерам выбор армированных пластиков.

Усиленные волокнами пластики (стеклопластик, базальтопластик) с давних пор рассматривались как материалы, позволяющие улучшить характеристики бетона.

Композитная арматура: признанная технология.

За последние 15 лет композитная арматура перешла от экспериментального прототипа к эффективному заменителю стали во многих проектах, особенно в связи с повышением цен на сталь. «Стеклопластиковая арматура часто используется, и это очень конкурентный рынок».

Для некоторых конструкторских проектов, таких как оборудование для магниторезонансной томографии в больницах, или приближение к будкам-пунктам взимания дорожной оплаты, которые используют технологию радиочастотной идентификации для определения уже оплативших покупателей, композитная арматура является единственным выбором. Стальная арматура не может быть использована, потому как интерферирует с электромагнитными сигналами. В добавление к электромагнитной прозрачности, композитная арматура также необычайно стойкая к коррозии, легкая по весу – около одной четверти от веса аналогичной стальной, и является теплоизолятором, потому как препятствует протеканию тепла в строительных конструкциях.

Композитные сетки в сборных бетонных панелях: высокий потенциал углеродно-эпоксидные сетки C-GRID заменяют традиционную сталь или арматуру в сборных структурах в качестве вторичного армирования.

C-GRID является крупной сеткой из жгутов на основе углерода/эпоксидной смолы. Используется как замена вторичной стальной армирующей сетки в бетонных панелях и архитектурных приложениях. Размер сетки меняется как в зависимости от бетона и типа заполнителя, так и от требований к прочности панели

Армированный волокнами бетон: появление прочности.

Использование коротких волокон в бетоне для улучшения его свойств было признанной технологией на протяжении десятилетий, и даже веков, если принять во внимание, что в Римской Империи строительные растворы были армированы конским волосом. Армирование волокнами усиливает прочность и упругость бетона (способность к пластической деформации без разрушения) посредством удерживания части нагрузки при повреждении матрицы и препятствуя росту трещин.

«Добавление волокон позволяет материалу деформироваться пластично и выдерживать растягивающие нагрузки».

Усиленный волокнами бетон был использован для изготовления этих предварительно напряженных мостовых балок. Использование арматуры не потребовалось из-за высокой эластичности и прочности материала, которая была придана ему стальными армирующими волокнами, добавленными в бетонную смесь.

Заключение

Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами.

У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.

Композиционный материал конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия.

Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Список использованной литературы

1. 
   Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. - М.: Стройиздат, 1986.
   
2. 
   Микульский В.Г., Горчаков Г.И., Козлов В.В., Куприянов В.Н., Орентлихер Л.П., Рахимов Р.З., Сахаров Г.П., Хрулев В.М. Строительные материалы / Под ред.В.Г. Микульского. - М.: АСВ, 1996, 2000.
   
3. 
   Рыбьев И.А., Арефьева Т.Н., Баскаков Н.С., Казенова Е.П., Коровников БД., Рыбьева Т.Г. Общий курс строительных материалов / Под ред. И.А. Рыбьева. М.: Высшая школа, 1987.
   
4. 
   Хигерович М.И., Горчаков Г.И., Рыбьев И.А., Домокеев А.Г., Ерофеева Е.А., Орентлихер Л.П., Попов Л.Н., Попов К.Н. Строительные материалы / Под ред.Г.И. Горчакова. - М: Высшая школа, 1982.
   
5. 
   Эвальд В.В. Строительные материалы, их изготовление, свойства и испытания. - С. -Пб. -Л. -М: 1896-1933, 14-ое изд.
   
6. 
   Композиционные материалы волокнистого строения.К., 1970.