ДЗ-Композиционные материалы. Композиционные материалы
 Скачать 4.03 Mb.
|
Полимеры в строительстве.Говоря о применении новых материалов на основе пластиков в стройиндустрии, стоит заметить следующее. Если в гражданском строительстве в основном применяются «традиционные» материалы, то в таких секторах, как, строительства мостов, железных дорог, мостов и др., у полимерных композитов есть неплохие перспективы. Строительство – это размытый термин, который включает в себя самые разные механические нагрузки, начиная с легких нагрузок, которым подвергаются щиты, корпуса, гнезда для защиты оборудования или звуконепроницаемых стен, и заканчивая сверхвысоким давлением, которое выдерживают опоры для мостов. Для поиска решений, применимых в этих несхожих ситуациях, в гражданском строительстве применяются очищенные пластмассы или композиты: - Обычно применяемые в легких строительных конструкциях. - Периодически используемые в специализированных (нишевых) конструкциях - Предназначенные исключительно для крупных строительных конструкций, например, мостов. На рисунке 1 изображено несколько примеров.  Рисунок 3.1 – Строительные конструкции в гражданском строительстве В гражданском строительстве используются традиционные материалы, например бетон и сталь, для которых характерна низкая стоимость компонентов, но высокая стоимость обработки и установки, а также низкие возможности обработки. Результатом внедрения пластмасс может стать следующее: - сокращение итоговых расходов; - повышение производительности; - снижение веса; - увеличение возможностей при проектировании в сравнении с деревом и металлами; - устойчивость к коррозии; - простота обработки и установки; - определенные полимеры могут пропускать свет и даже быть прозрачными; - простота технического обслуживания; - изоляционные свойства. С другой стороны, следует помнить о старении и механическом сопротивлении. Тем не менее, некоторые проекты, построенные в середине 1950х годов с использованием полиэстера, укрепленного стекловолокном, демонстрируют значительную долговечность. Отрасль гражданского строительства относится к консервативным, и перед расширением использования пластмасс и композитов стоят такие барьеры, как: - Слабая изученность и малый опыт работы с этими материалами в отрасли гражданского строительства. - Сложность перенесения опыта, накопленного в других отраслях промышленности. - Сложность выбора и оценки размеров этих материалов. - Сложность взаимопонимания между представителями различных профессий, обладающими очень разными менталитетами. - Мнение о пластмассах, сложившееся в обществе. - Жесткие окружающие условия на месте строительства. - Сложные условия применения, которые не совсем совпадают с практикой и квалификацией строителей. Прогрессивный ответ пластмасс возрастающим требованиям строительства: от очищенных термопластов к ориентированным композитам с углеродными волокнами Композиты представляют особый интерес для строительной отрасли, так как им присущи высокие коэффициенты [производительность/вес/конечная стоимость]. Более того, возможность задания направления в композитном укреплении расширяет возможности при проектировании в сравнении со сталью. В таблице 3.1 сравнивается несколько случаев, но также существуют и другие промежуточные решения. На рисунке 3.2 приведена схема роста механической эффективности в соответствии с армированием полимера.  Рисунок 3.2 – Механическая эффективность пластмасс Таблица 3.1 – Примеры свойств от очищенных термопластов к однонаправленным композитам
Затраты на материал для композитов всегда превосходят аналогичные затраты на металл, а самое дорогое это углеродно-волоконное армирование (рисунок 3.3). Эти затраты на пластмассы и композиты компенсируются другими преимуществами.  Рисунок 3.3 – Сравнительная стоимость композитов и металла В обмен на высокую стоимость материала композиты предлагают уникальный набор интересных свойств: - снижение веса; - сокращение расходов на сборку; - упрощенная установка; - сокращение операционных расходов; - сокращение итоговых расходов; - сопротивление коррозии; - безопасность. Плотность стали превышает плотность композитов по следующим коэффициентам: - 3.9 против эпоксидной смолы, армированной стекловолокном. - 5.1 против эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном. - 5.8 против эпоксидной смолы, армированной кевларовым волокном. Возможности снижения веса, если использовать композиты вместо стали, менее значительны. В большинстве предлагаемых в настоящее время решений их можно оценить приблизительно в 15-30%. 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 (рисунок 3.4). 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.  Рисунок 3.4 – Бетон 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 (рисунок 3.5).  Рисунок 3.5 – Применение композитной арматуры 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 (рисунок 3.6).  Рисунок 3.6 – Углеродно-эпоксидные сетки 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 (рисунок 3.7). Использование арматуры не потребовалось из-за высокой эластичности и прочности материала, которая была придана ему стальными армирующими волокнами, добавленными в бетонную смесь.  Рисунок 3.7 – Усиленный волокнами бетон | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||