Композиционные материалы в строительстве_уч.пособ. Композиционные материалы в строительстве
 Скачать 3.84 Mb.
|
|
ГЛАВА 7. ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 7.1. Общие понятия и положения Современные полимерные материалы, в первую очередь полимерные композиционные материалы (композиты, или ПКМ), являются основой для создания самых разнообразных из- делий бытового и технического назначения, науки, спорта и туризма, медицины и многих дру- гих областей применения. Давно прошло время, когда основными конструкционными мате- риалами были только металлы, камень, керамика, древесина, текстиль из природных волокон. И хотя эти традиционные материалы сегодня имеют такое же важное значения, технический прогресс был бы невозможен без создания новых материалов с заданными функциональными свойствами. Поэтому в развитых странах огромное значение уделяется как совершенствова- нию традиционных видов материалов, так и принципиально новым материалам — композици- онным, их созданию, изучению свойств, расширению областей применения. Среди современных материалов важное значение имеют полимерные материалы конст- рукционного назначения, в том числе армированные полимерные материалы (волокнистые полимерные композиты), применение которых дает существенные преимущества в техноло- гичности, снижении материалоемкости и стоимости изделий, улучшении их эксплуатацион- ных характеристик, повышении надежности. Появление полимерных материалов относится к середине XX в., и в настоящее время они широко используются во многих видах изделий и конструкций. Можно смело прогнози- ровать дальнейшее развитие этой области в XXI в., когда на базе новых технологий и совре- менного материаловедения будут существенно улучшены уже проверенные виды полимер- ных материалов и созданы материалы с новыми более высокими функциональными характе- ристиками. Полимерные материалы конструкционного назначения можно условно разделить на две основные группы. 1. Ненаполненные пластмассы без наполнителей — чистые смолы, в основном термо- пласты — полиолефины, полиамиды, полиэфиры, полиуретаны и другие. Это чисто поли- мерные материалы с небольшим количеством добавок (красителей, пластификаторов и ста- билизаторов). К ним относятся следующие: − органическое стекло (полиметилметакрилат) — имеет высокую светопрозрачность (пропускает 91 % солнечного света, до 75 % ультрафиолетовых лучей), легче обычно- го стекла, не обладает хрупкостью, легко обрабатывается, применяется для остекления детских учреждений, больниц и санаториев. Недостаток органического стекла — низ- кая поверхностная прочность и старение; − полистирол — обладает химической стойкостью, высокими электроизоляционными свойствами, прозрачен, легко окрашивается. Применяется как отделочный материал для стен помещений с повышенной влажностью, для изготовления вентиляционных решеток, дверных ручек и получения пенопластов. К недостаткам следует отнести его хрупкость, низкую теплостойкость, старение; − полиамиды (найлон, капрон и др.) — обладают малой истираемостью, высокими элек- троизоляционными и антифрикционными свойствами. Применяются для изготовления мелких строительных деталей, санитарно-технических изделий, профилей, коврового покрытия полов; − поливинилхлорид жесткий (винипласт) — термопластичный материал, выпускается в виде жесткого листа или профиля любой конфигурации. Бывает двух марок: ВН (непрозрачный) и ВП (прозрачный). Листовой непрозрачный винипласт использу- ется для устройства антикоррозионных вентиляционных коробов в промышленном строительстве, водосточных труб, желобов, облицовки перегородок и дверей. Про- зрачный материал применяется в светопрозрачных конструкциях-панелях, фонарях, перегородках; 74 − фиторопласты — обладают высокой химической стойкостью, хорошими электроизо- ляционными и антифрикционными свойствами. Применяются в химическом машино- строении, мостостроении (в опорных частях и накаточных устройствах при надвижке пролетных строений мостов); − пленочные материалы (пленки полиэтиленовые, поливинилхлоридные и др.) — полу- чают экструзией или вальцово-каландровым способом. Полимерные пленки обладают водо-, паро- и газонепроницаемостью, являются гидроизоляционными материалами повышенного качества. Применяются для устройства гидроизоляции в тоннеле- и мос- тостроении, гидротехническом и промышленном строительстве. Выпускаются просве- чивающиеся, полупрозрачные пленочные материалы. Они эластичны, легко моются, износо- и водостойки, поэтому их можно использовать для декоративной отделки стен помещений с влажным режимом работы. В качестве ненаполненных пластмасс используются в основном термопласты — полио- лефины, алифатические и ароматические полиамиды, полисульфоны, фторопласты, эласто- меры (резины) и др., в редких случаях реактопласты. 2. Полимерные композиционные материалы — многокомпонентные материалы. Их свойства существенно зависят от состава и свойств составляющих их компонентов, взаимно- го расположения компонентов, взаимодействия между ними и межфазной границы между компонентами. В свою очередь полимерные композиты можно также условно разделить на две основ- ные группы: − дисперсно-наполненные пластики — состоят из полимерной матрицы и порошкооб- разного или коротковолокнистого наполнителя, вводимого для придания материалу определенных функциональных свойств, или удешевляющего материал без заметного изменения его механических или других функциональных свойств, иногда их называ- ют просто — «наполненные пластики»; − волокнистые полимерные композиты — состоят из армирующего волокнистого на- полнителя и полимерного связующего матрицы. Основные виды полимерных конструкционных материалов, в основном композиты, суммированы в табл. 7.1. Таблица 7.1 Основные виды полимерных конструкционных материалов Материалы Наполнители Матрицы (связующие) Без наполнителей – Термопласты Дисперсно-наполненные композиты Дисперсные наполнители (по- рошки, короткие волокна) Термопласты, реактопласты, углеродная матрица Волокнистые/текстильные композиты (армированные полимерные материа- лы или армированные пластики) Волокнистый наполнитель (нити, текстиль, бумага), ните- видные кристаллы Термопласты, реактопласты, углеродная матрица, эласто- меры Композиты с комбинированным на- полнителем Волокнистый наполнитель и дисперсные добавки Термопласты, реактопласты, углеродная матрица В дисперсно-наполненных пластиках используются различные виды органических и не- органических наполнителей с небольшими размерами частиц (значительно меньше критиче- ского, включая короткие волокна), матриц термо- и реактопластов, а также эластомеров. К дисперсно-наполненным относятся также волокнистые композиты, волокна которых имеют более низкие физико-механические характеристики, чем у матрицы, поэтому они, строго го- воря, не являются армирующими компонентами. Однако в ряде случаев такой состав позво- ляет придавать материалу специфические функциональные свойства, например, антифрик- ционные при применении полиамидных или фторполимерных волокон. 75 Свойства волокнистых полимерных композитов существенно зависят от составляющих их компонентов, их состава и свойств, взаимного расположения, свойств межфазной границы раздела, а в некоторых случаях от диффузии компонентов матрицы в волокна. В армирован- ных полимерных материалах используются различные виды органического и неорганическо- го волокнистого наполнителя в виде резаных волокон, нитей, лент, жгутов, тканей, нетканых материалов и войлоков, нитевидных кристаллов и других волокнистых структур. Основу армированных полимерных материалов составляют волокнистые армирующие наполнители, объединенные в монолитный композиционный материал матрицей или связую- щим. В армированных полимерных материалах в качестве матрицы могут быть использова- ны различные полимеры — термопласты и реактопласты, а также эластомеры (каучуки и ре- зины). Для армирования современных композитов наряду с традиционными природными во- локнами и стекловолокнами все шире применяются армирующие химические волокна и нити с высокими механическими и термическими характеристиками, позволяющие создавать кон- струкционные материалы с совершенно новыми функциональными свойствами. В качестве матрицы в дисперсно-наполненных и волокнистых полимерных композици- онных материалах применяются различные виды полимеров: − термопласты — полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, полисуль- фоны, фторопласты и др.; − реактопласты — фенопласты (фенол-формальдегтдные, фенольные), аминопласты (ме- ламино- и мочевиноформальдегидные), эпоксидные, полиэфирные, полиимидные, крем- нийорганические и другие. В резино-текстильных материалах и изделиях используются различные виды эластоме- ров — природные и синтетические каучуки. В волокнистых полимерных композитах армирующий наполнитель, состоящий из воло- кон или нитей, воспринимает механические нагрузки, определяя основные механические свойства материала — прочность, деформативность, жесткость. Полимерная матрица (свя- зующее), находящаяся в межволоконном пространстве, служит для распределения механиче- ских напряжений между волокнами или нитями (хотя матрица тоже частично воспринимает механические нагрузки) и, что очень важно, определяет монолитность материала. Расположение волокон или нитей в армированном композиционном материале должно зависеть от направления действующих нагрузок с целью наиболее полной реализации физико- механических свойств в готовом материале или изделии. Расположение волокон задается как структурой волокнистого наполнителя, так и условиями получения материала/изделия. Самостоятельную группу полимерных композиционных материалов составляют резино- текстильные материалы и изделия. Процессы их изготовления, свойства и применение прин- ципиально иные, по сравнению с конструкционными волокнистыми полимерными композита- ми. Их особенностью является не только применение высокоэластичной полимерной матрицы (каучука, резины), но и то, что эти армированные материалы создаются почти исключитель- но как готовые изделия. В отличие от конструкционных композитов в резинотекстильных материалах и изделиях работают проклеенные нити, их расположение также определяется направлениями действующих нагрузок. 7.2. Композитная арматура В настоящее время производятся следующие виды арматуры из композитных материалов: − арматура композитная полимерная; − фибробетон со стальной и неметаллической фиброй; − системы внешнего армирования (холсты, ткани, ламелии, ламинаты); − композитные трубы; − композитные профили (уголки, швеллеры, тавры и т.д.); − композитные шпунты. Неметаллическая композитная арматура (англ. fibre-reinforced plastic rebar, FRP rebar) представляет собой композиционный материал, состоящий из связующего синтетического 76 полимера и армирующих нитевидных волокон. В зависимости от типа армирующих волокон различают композитную арматуру: углепластиковую, стеклопластиковую, базальтопласти- ковую и органопластиковую арматуру. Основные преимущества конструкций, армированных композитной арматурой, заключаются в долговечности и коррозионная стойкости, электромагнитной нейтральности, диэлектрических свойствах арматуры, высокой прочности и низком удельном весе арматуры. Композитная арма- тура применяется при берегоукреплении, в морских и припортовых сооружениях, в изделиях из бетонов с преднапряженным и ненапряжнным; дорожных и тротуарных плитах и др. Начало применения композитных материалов в технике относится к середине про- шлого века. Неметаллическая арматура — это композитный материал, состоящий из пучка ориенти- рованных волокон диаметром 8–20 мкм и полимерного связующего, чаще всего на основе эпоксидной смолы и ее модификаций. Содержание волокна (наполнителя) составляет при- мерно 80–85 % по массе. Волокна в арматуре воспринимают растягивающие усилия, их ме- ханические свойства предопределяют прочность и деформативиость арматуры. Полимерное связующее играет роль клеящей среды, которая объединяет отдельные во- локна в монолитный стержень и тем самым обеспечивает совместную работу волокон. Кроме того, связующее защищает волокно от непосредственного воздействия влаги, различных хи- мических реагентов и механических повреждений. В зависимости от вида волокна неметаллическую арматуру можно подразделить на стек- лопластиковую, для изготовления которой используют стеклянные волокна, базальтопласти- ковую — базальтовые волокна, углепластиковую — углеродные волокна и т.д. В нашей стране наиболее широко изучена и применяется стеклопластиковая арматура. Ведутся науч- но-исследовательские работы по созданию и определению возможных областей применения других видов неметаллической арматуры, изготавливаемой на основе базальтовых, углерод- ных и ара минных волокон. Свойства композитной арматуры можно подобрать путем выбора смолы, типа арми- рующего материала, ориентации армирующего материала и его содержания. Выбор волокон основывается на требованиях к прочности, жесткости и долговечности, а выбор матрицы за- висит от окружающей среды, в которой будет находиться композит, и технологии производ- ства самого композита. Все указанные волокна выдерживают значительные напряжения, различаются по своим физическим свойствам, наиболее важные из которых — жесткость и деформация растяже- ния. Свойства этих типов волокон представлены на рис. 7.1. Рис. 7.1. Диаграмма растяжения для основных типов армирующих волокон 77 Механические свойства композитной арматуры улучшаются при увеличении содержания армирующего материала. Однако существует предел, после которого увеличение количества волокна в композите не обеспечивает дальнейшего улучшения его свойств. Это объясняется тем, что полимерная матрица не может окружить все волокна, если они расположены слиш- ком плотно. Сравнительные характеристики некоторых волокон представлены в табл. 7.2. Таблица 7.2 Сравнительная характеристика различных видов волокон Свойства Вид волокон углеродные стеклянные базальтовые Плотность, ×10 −3 кг/м 3 1,5–1,8 2,5 2,75 Предел прочности при растяжении, ГПа 1,5–3,5 3–4,6 1,8–2,8 Модуль упругости при растяжении, ГПа 150-600 70–85 95–100 Термический коэффициент линейного расширения, град −1 –1,5 × 10 −6 5,6 × 10 −6 4,5 × 10 −6 Теплостойкость, ℃ 700–2000 500 600 Углеродные волокна обладают комплексом ценных механических и химико-физических свойств, поэтому проявили себя как наиболее подходящие для применения в строительстве. Они обладают высокой тепло- и атмосферостойкостью, устойчивостью к действию света и прони- кающей радиации, химической стойкостью ко многим реагентам (концентрированные кислоты и щелочи, практически все растворители). На них воздействуют лишь сильные окислители при нагревании. Углеродные волокна биостойки и биоинертны, жаростойки и трудногорючи. Они мало гигроскопичны, но благодаря развитой поверхности адсорбируют водяные пары (до влаж- ности порядка 0,2–2 %), не меняя при этом своих физико-механических свойств. Углеродные волокна имеют различные электрофизические свойства (от полупроводни- ков до проводников) и, хотя сами не подвержены коррозии, могут вызывать электрохимиче- скую коррозию при контакте со сталью. Углеродные волокна выдерживают высокие циклические нагрузки, не подвержено пол- зучести или коррозии под напряжением, а релаксация напряжений и коэффициент термиче- ского расширения у него меньше, чем у стальных канатов, применяемых для предваритель- ного напряжения бетона. В зависимости от технологии производства и исходного материала углеродные волокна можно условно разделить на две группы: высокомодульные и высокопрочные. Существуют также волокна, в которых сочетаются высокая прочность и высокий модуль упругости. Од- ним из недостатков углеродных волокон является их невысокая относительная деформация при разрыве. Углеродные композиты имеют самую высокую стоимость из рассматриваемых типов. Существует множество разновидностей волокон из стекла, из них в строительстве в ос- новном применяются три типа: Е, S и AR. Стеклопластик обладает высокой прочностью, низкой теплопроводностью, устойчивостью к агрессивным средам и резким перепадам температур, био-, влаго- и атмосферостойкостью. Стеклопластик трудногорюч и при пожаре не выделяет ядовитых газов. Кроме того, по срав- нению с углепластиком он имеет хорошие электроизоляционные свойства. К недостаткам стеклопластика следует отнести подверженность коррозии под напряже- нием, релаксации напряжений, а также чувствительность к влажности и щелочам. Это отно- сится к алюмоборосиликатному стекловолокну, поэтому при изготовлении ПКМ с примене- нием этого волокна к полимерному связующему предъявляют повышенные требования по химической защите волокна от воздействия агрессивных сред. Этим требованиям наи- лучшим образом отвечает эпоксифенольное полимерное связующее. 78 Наиболее дешевым является стекловолокна типа E, что делает его наиболее применяе- мым. Стекловолокно типа S обладает более высокой прочностью и модулем упругости по сравнению с другим типом. Кроме того, к настоящему времени как в нашей стране, так и за рубежом, разработаны щелочестойкие (AR) стекловолокна с применением циркония. Арамид — сокращенное название ароматического полиамида. Высокопрочные и высоко- модульные арамидные волокна обладают уникальным комплексом свойств: высокой прочно- стью при растяжении и модулем упругости, хорошими усталостными и диэлектрическими свойствами, незначительной ползучестью. Благодаря низкой плотности арамидные волокна по удельной прочности превосходят все известные в настоящее время армирующие волокна и металлические сплавы. Арамидные волокна отличаются хорошей способностью к текстильной переработке: так, сохранение прочности после ткачества составляет 90 % исходной прочности нитей, что дает возможность применять их в качестве тканых армирующих материалов. Арамидные волокна являются наиболее термостойкими из всех рассмотренных, однако они чувствительны к влажности и ультрафиолетовому излучению, а также подвержены ре- лаксации и коррозии под напряжением. Из-за этого арамид сравнительно редко применяются в строительстве — в основном для защиты колонн от ударной и взрывной нагрузки. Альтернативными материалами, близкими по объему производства и стоимости к стек- лянным волокнам, являются базальтовые. Как видно из табл. 7.2, по своим физико-меха- ническим характеристикам базальтовые волокна близки к стеклянным. В то же время при сравнении их химического состава с наиболее распространенными алюмоборосиликатными волокнами наблюдается присутствие значительного количества (более половины) оксидов металлов, что делает их более хемо- и термостойкими. Базальтовые волокна в качестве армирующего наполнителя используют в виде коротких ультратонких волокон (диаметром d = 0,4 мкм), коротких тонких (d = 3– 4 мкм) и длинно- мерных (d = 9–12 мкм) волокон, крученых нитей, лент, тканей различного переплетения. Базальт относится к числу аморфных неорганических полимеров с различным составом звеньев в полимере. В зависимости от места нахождения базальта его состав изменяется в узких пределах и соответственно не столь резко изменяются и его свойства. Оксиды желе- за, присутствующие в структуре волокон базальта, придают им бурую окраску. Базальтовые волокна формуют из расплава по технологии, близкой к производству стек- лянных волокон из природного сырья вулканического происхождения. Колебания в парамет- рах свойств волокон определяются условиями формования (длительностью, степенью гомо- генизации расплава, температурой вытяжки) и диаметром волокон. Базальтовое волокно производят из различных горных пород близких по химическому составу — базальта, базанитов, амфиболитов, габро- диабазов или их смесей. Производство базальтовых волокон основано на получении расплава базальта в плавильных печах и его свободном вытекании через специальные устройства. Температура плавления — 1450 °С. Ба- зальтовое волокно имеет лучшие физико-механические свойства, чем у стекловолокна и су- щественно дешевле, чем углеродное волокно. Главные преимущества — огнестойкость и те- пло и звукоизолирующая способность, стойкость к химическому воздействию: базальтовые волокна обладают хорошей стойкостью к действию органических веществ (масел, раствори- телей и др.) , а также к воздействию щелочей и кислот. Роль полимерной матрицы в ПКМ заключается в придании изделию необходимой формы и создании монолитного материала. Матрица объединяет в одно целое многочисленные во- локна и позволяет композиции воспринимать различного рода внешние нагрузки: растяже- ние (как в направлении армирования, так и перпендикулярно ему), сжатие, изгиб, сдвиг. В то же время матрица принимает участие в создании несущей способности композиции, обеспечивая передачу усилий на волокна. За счет пластичной матрицы осуществляется пере- дача усилий от разрушенных или дискретных (коротких) волокон соседним волокнам и умень- шение концентрации напряжений вблизи различного рода дефектов. Матрица служит и за- щитным покрытием, предохраняющим волокна от механических повреждений и окисления, поэтому должна выдерживать большие деформации, чем волокна. От полимерной матрицы зависят тепло- влагостойкость, стойкость к действию агрессивных сред, прочностные, ди- 79 электрические и другие свойства композитной арматуры. Поэтому полимерную матрицу для композитов выбирают исходя из условий эксплуатации изделия. В целом, чем меньше смолы в композите (при условии его полной пропитки), тем проч- нее готовое изделие и тем меньше его масса. В качестве матрицы для волокнистых полимерных композиционных материалов, приме- няемых в строительстве, в настоящее время наиболее часто применяются полиэфирные и эпоксидные смолы, относящиеся к так называемым термореактивным смолам. Эти смолы обладают высокими упруго-прочностными характеристиками, хорошей технологичностью и термостойкостью. Их недостатком является низкая вязкость разрушения, определяемая ма- лой долей пластических деформаций. Основные свойства применяемых при изготовлении композитной арматуры смол представлены в табл. 7.3. Таблица 7.3 |