новые композиционные дорожно-строительные материалы. Новые композиционные. Лекция 1 Новые композиционные дорожностроительные материалы
 Скачать 6.3 Mb.
|
|
Лекция 1 Новые композиционные дорожно-строительные материалы Композиционные материалы Понятие о композитах Роль композитов в техническом прогрессе человечества Применение композитов в древности Области применения композитов Классификация композитов Особенности композитов по сравнению с традиционными материалами Композиционный материал (композит, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. Естественные композиционные материалы Древесина Кость Известняк ракушечник Искуственные композиционные материалы Бронза Асфальтобетон ДСП Пластик КОМПОЗИТЫ ПОЛИМЕРЫ ПОЛИМЕРЫ КОМПОЗИТЫ МЕТАЛЛЫ МЕТАЛЛЫ КЕРАМИКА КЕРАМИКА Золото Медь Бронза Железо Чугуны Стали Сплавы Суперсплавы Сплавы на основе титана, циркония и т.д. Легкие сплавы Аморфные металлы Алюмо-литиевые сплавы Двухфазные стали Микролегированные стали Новые суперсплавы Дерево Кожа Волокна Клеи Резина Бакелит Нейлон ПЭ, ПК, ПС, ПП и др. Акрилы Эпоскиды Полиэстеры Высоко модульные Высоко-температурные Токопроводящие Армированные кирпичи Бумага Стеклопластики Углепластики Арамидные композиты ММК Керамические Камни Кремень Глина Стекло Цемент Огнеупорная керамика Портланд- цемент Кварцевое стекло Пирокерамика Высокопрочная керамика Относительная доля материалов, используемых человеком в процессе эволюции Понятие о композиционных материалах Состав и форма компонентов определены заранее Компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства материала КМ представляют собой гетерофазные системы, получаемые из двух или более компонентов с различными функциями Доля второго по объему компонента должна быть не ниже 5% Физико-химические свойства компонентов должны существенно различаться Искусственные композиты получают смешением исходных компонентов Характерные признаки композиционных материалов Понятие о композиционных материалах Классификация композиционных материалов: по природе матрицы по природе армирующего компонента по характеру взаимодействия матрицы и упрочнителя по форме элементов упрочнителя по конструктивному признаку упрочнителя по назначению Виды композиционных материалов матрицы (связующего компонента)матрицы (связующего компонента) армирующего элемента (наполнителя, упрочнителя) Композиционные материалы состоят из: Структура композиционных материалов В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. МАТРИЦА непрерывна по всему объему материала АРМИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ – это прерывный (дискретный) компонент, разделенный в объеме композиции Кроме двух основных компонентов в состав композиционных материалов могут входить элементы, выполняющие другую функцию (изоляционную, защитную и т.д.) Матричными материалами могут быть неорганические и органические вяжущие, полимеры, керамика, металлы и их сплавы, находящиеся в твердом кристаллическом или аморфном состоянии. Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды, обеспечивает равномерное распределение напряжений по объему материала Матрица должна обеспечить физико-химические (теплофизические, механические, электрические и др.) технологические (уровень рабочих температур, характер изменения свойств под воздействием среды и др.) свойства материала Она определяет метод изготовления изделий. Понятие о композиционных материалах В качестве армирующих (упрочняющих) компонентов выступают волокнистые или слоистые материалы различной природы, а также тонкодисперсные порошкообразные частицы или более крупные зерна По механической структуре композиты делятся на несколько основных классов: Волокнистые Упрочненные частицами Нанокомпозиты Слоистые Дисперсноупрочненные Волокнистые композиты армируются волокнами или нитевидными кристаллами. Величина отношения длины к толщине элемента равна 10 и более. Чем больше эта величина, тем выше степень упрочнения материала. Обрезки волокон. применяемые для упрочнения – фибры. Волокна обычно используют в виде пучков (нити, жгуты). Даже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к существенному улучшению механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации, размера и концентрации волокон. Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя) В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в триплексах, фанере, клееных деревянных конструкциях и слоистых пластиках. Отношение площади элемента упрочнителя к его толщине стремится к бесконечности. Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% (по объему), дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов еще меньше и составляют 10-100 нм. Форма элементов упрочнителя влияет на физические свойства композиционных материалов. Материалы с порошкообразными упрочнителями – изотропны, высокий предел прочности на сжатие Слоистые упрочнители – анизотропия свойств, высокий предел прочности на изгиб. В конструкционных композитах главное - это достижение высокой удельной прочности (коэффициента конструктивного качества), высокой коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности и долговечности. Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя) СЛОИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ [+θ/-θ/+θ] [0/90/0] θ x y x y [θ/θ/θ] = [θ]3 Перекрестно-армированный композит Ортогонально-армированный композит Однонаправленный композит θ x y Среди слоистых композитов различают однонаправленные композиты, где волокна направлены под одинаковыми углами θ во всех слоях. У перекрестно-армированных композитов углы укладки волокон чередуются в чередующихся слоях. У ортогонально-армированных композитов в чередующихся слоях чередуется продольное и поперечное направление укладки волокон. Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя) Металлические панели + сотовый заполнитель Панели: металлические листы волокнистые композиты дерево Заполнитель: полимерная пена древесина (бальзовое дерево) сотовый заполнитель Панель Заполнитель Деревянные панели + деревянный заполнитель Композитные панели + пенистый заполнитель В сэндвич композитах две тонкие, но жесткие панели соединены друг с другом при помощи легкого заполнителя, толщина которого значительно превышает толщину соединяемых панелей. Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя) Сэндвич-композиты Сэндвич композиты представляют собой особый класс композитов, где две тонкие, но жесткие панели соединяют друг с другом при помощи легкого заполнителя, толщина которого значительно превышает толщину соединяемых панелей. В качестве панелей обычно используют металлические листы (чаще всего, это алюминий или титан) или волокнистые композиты, а в качестве заполнителя – пену из полиуретана, поливинилхлорида или полиэтилена, древесину бальзового дерева или сотовый заполнитель, изготовленный из композитного материала, или металла. Основное преимущество сэндвич композитов состоит в том, что обладая низким весом, они демонстрируют повышенную жесткость при изгибе. Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя) . Изгиб сотовой панели Изгиб лыж при карвинге Основное преимущество сэндвич композитов – отличная сопротивляемость изгибу при малом весе Углепластик или карбон Это полимерные композиционные материалы из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность — от 1450 кг/м3. Материалы эти отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малым весом. Нередко они бывают прочнее стали, но гораздо легче по весу. Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя) Углеродные нанотрубки 1 мкм Пример применения КМ с углеродными нанотрубками Углеродные нанотрубки на сегодняшний момент представляют один из лучших материалов для применения в области радиоэлектроники. Например, микросхемы с использованием углеродных нанотрубок работают быстрее полупроводниковых и требуют меньше пластиковых транзисторов, а также не нуждаются в дополнительной защите от того же ультрафиолета. Фактор энергопотребления при этом особенно важен: гибкая электроника на транзисторах с углеродными нанотрубками предполагается мобильной, то есть не требующей сетевого питания. Прочность композита слагается из: прочности заполнителя, прочности матрицы и прочности контактного слоя самая важная с точки зрения создания композитов Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Границы раздела, в первую очередь адгезионное взаимодействие волокна с матрицей, определяют уровень свойств композитов и их постоянство в условиях эксплуатации. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений. Большое значение имеет расположение элементов композитного материала, как в направлениях действующих нагрузок, так и по отношению друг к другу, т.е. упорядоченность. Высокопрочные композиты, как правило, имеют высокоупорядоченную структуру. Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя) По конструктивному признаку упрочненияКМ с хаотическим упрочнением Одномерно - армированные Двумерно - армированные Пространственно – армированные Возможны различные схемы укладки упрочнителя Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя) Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя) Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого существенно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Признаком композиционного материала является заметное взаимное влияние составных элементов композита , т.е. их новое качество, эффект. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, применяя специальные дополнительные реагенты и т.д., получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. В композиционных материалах разнородные компоненты создают синергетический эффект - новое качество материала, отличное от свойств исходных компонентов, т.е. когда «целое больше, чем сумма составных частей» ОГРАЖДАЮЩИЙ ЗАБОР ДЛЯ АВТОМАГИСТРАЛЕЙ Трудоемкость монтажа в 10 раз ниже, чем при установке полотна из колючей проволоки. Расход строительных растворов в 5 раз ниже, чем при установке деревянных опор. Ограждающий забор для скоростных автомобильных дорог из базальтового композита является оптимальным решением как с точки зрения оптимизации затрат на строительство и эксплуатацию ограждающего забора, так и охраны окружающей среды, включая безопасность животных, пытающихся преодолеть ограждение. Нити сетки ограждающего забора обеспечивают прозрачность ограждения и не причиняют ранений животным, пытающимся преодолеть забор, при этом не допускают проникновения на автомобильную дорогу пешеходов. Композиционные материалы в дорожном строительстве ТРУБА ДЛЯ УСТРОЙСТВА ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ Шероховатость внутренней поверхности стеклопластиковых труб составляет не более 24 микрон. Поэтому пропускная способность их выше на 15%, чем у новой металлической трубы на протяжении всего срока службы. Срок эксплуатации данного сооружения из стеклопластиковых труб не менее 50 лет при соблюдении технологии монтажа. Стеклопластиковые трубы в течении всего срока эксплуатации НЕ требуют работ по гидроизоляции, так как стеклопластик стоек к агресивным средам и сохраняет свои физико-механические свойства неизменным на протяжении всего жизненного цикла. Монтаж труб Стыковка труб производится при помощи муфтового или раструбного соединения. При монтаже не требуется специальная монтажная техника, используются простейшие приспособления и подъемная техника средней грузоподъемности (до 8-12 тонн), а также экскаваторы. Композиционные материалы в дорожном строительстве ШУМОЗАЩИТНЫЕ ЭКРАНЫ Шумозащитные экраны из композитных материалов не подвержены коррозии и имеют высокую антивандальную устойчивость. Высокое качество и долговечность материалов, Отличные шумопоглощающие свойства, Стойкость покрытия, Коррозийная устойчивость к специфическим особенностям российского климата, Снижение стоимости жизненного цикла. Композиционные материалы в дорожном строительстве СБОРНО-РАЗБОРНОЕ ДОРОЖНОЕ ПОКРЫТИЕ (СРДП) Свойства материала: Легкость Многократность использования Долговечность Оптимальный коэффициент трения Высокая морозостойкость СРДП-20 – покрытия для устройства площадок различного назначения, временных дорожных покрытий для автомобилей и строительной техники весом от 20 до 100 тонн. Данное покрытие отличается простотой монтажа. Вес одного изделия при габаритных размерах 1000 х 2400 х 20 мм - 44 кг, выдерживает нагрузки до 20 тонн. Композиционные материалы в дорожном строительстве КОМПОЗИТНАЯ АРМАТУРА Вес в равнопрочном соотношении в 9 раз меньше металлической Неподверженность всем видам коррозии, гниению, короблению Уникальная химическая стойкость (калийная среда, соляная кислота, щелочи, морская вода и другие агрессивные среды) Хорошие электроизоляционные свойства (диэлектрик) Низкая теплопроводность Повышение эксплуатационной надежности и долговечности конструкций и изделий Меньшие затраты на транспортировку конструкций и их элементов к месту монтажа вследствие меньшего веса По затратам композитная арматура выгодней металлической в 2 раза. По технико-экономическим характеристикам композитная арматура заменяет традиционную стальную, при этом по удельным прочностным показателям существенно превосходит традиционную арматуру: Композиционные материалы в дорожном строительстве ОПОРЫ ОСВЕЩЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИТА Композитные опоры освещения предназначены для крепления: осветительных элементов (ламп, прожекторов и т.п.) линий электропередачи систем кабельного телевидения телефонных кабелей знаков дорожного движения сезонных и праздничных украшений Преимущества композитной опоры в сравнении с опорами из стали, алюминия, бетона: Большая пассивная безопасность; Небольшой вес Добавкой красителей в компаунд - окраска в любой цвет; Устойчивость к царапинам, имеет гладкую поверхность; При необходимости покрывается изолирующим материалом (антивандальное покрытие ); Опора устойчива к коррозии, не подвержена атмосферному воздействию, СО2 и соли (срок эксплуатации > 25 лет); В процессе эксплуатации не деформируется, не выделяет вредных веществ, не оказывает помех работе светильника; Не требует постоянного технического обслуживания; Экологически безвредна; Низкие расходы на транспортировку и установку; Не проводит электричество и не подвержена воздействию вихревых токов, ускоряющих процесс коррозирования железобетонных и металлических опор. Опоры отличаются коррозионной и химической стойкостью, долговечностью, простотой монтажа. Применение композитного материала в качестве основы обеспечивает легкий вес магистральной конструкции – а значит, снижение транспортных расходов и безопасность. В отличие от традиционных, опоры безопасны при столкновении с транспортными средствами. Композиционные материалы в дорожном строительстве Композиционные материалы в дорожном строительстве ОПОРЫ ДОРОЖНЫХ ЗНАКОВ устойчивы к износу, не подвержены коррозии, негативным атмосферным явлениям не требуют специального обслуживания (чистка от ржавчины, покраска, заделывание трещины и т.д.) Экономия времени, рабочей силы и оборудования чрезвычайно удобны и малозатратны в монтаже, легко транспортируются Рассчитаны на применение во всех ветровых зонах Экологически безопасны Энергопоглощающий материал ВОДООТВОДНЫЕ ЛОТКИ Экономия времени в сравнении с бетонными лотками:
при монтаже лотков – до 3-4 раз; снижение стоимости монтажа 1 п/м не менее чем в 3 раза; возможность монтажа в недоступных для механизмов местах Сохранение в течение всего срока эксплуатации упругих характеристик. Высокая стойкость ко всем видам коррозии. Мобильность при необходимости изменения форм и габаритных размеров лотков. Высокая морозостойкость. Стойкость к ультрафиолетовому излучению. Высокая ремонтопригодность. Возможность изготовления лотков под проектную нагрузку. Прогнозируемый срок службы – не менее 30 лет. Малый вес (легче бетонных в 8-10 раз). Композиционные материалы в дорожном строительстве ТРУБА И КОЛОДЦЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ЛИВНЕВЫХ ВОДОСТОКОВ Преимущества, продолжительный срок службы – более 50 лет; низкий вес, по сравнению с трубами из традиционных материалов; простота и удобство монтажа, отсутствие сварочных работ; высокая коррозийная и химическая стойкость; стойкость к абразивному износу; низкая шероховатость внутренней стенки трубы, что обеспечивает снижение гидравлических потерь; высокие экологические и санитарно-гигиенические характеристики. Трубы поставляются диаметром от 300 до 3 000 мм, длиной до 12 м. Напорные трубы рассчитаны на номинальное давление до 32 атм и жесткость от 1 250 до 15000 Па. Применение стеклопластиковых труб даёт хороший экономический эффект, выражающийся в малых затратах на эксплуатацию и техническое обслуживание, большом сроке службы и низкой стоимости монтажа. Композиционные материалы в дорожном строительстве Бетоны — самые распространенные композиционные материалы. В настоящее время производится большая номенклатура бетонов, отличающихся по составам и свойствам. Современные бетоны производятся как на традиционных цементных матрицах, так и на полимерных (эпоксидных, полиэфирных, фенолоформальдегидных, акриловых и т.д.). Современные высокоэффективные бетоны по прочности приближаются к металлам. Органопластики — композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже — природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, обладают относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе. Композиционные материалы в дорожном строительстве Стеклопластики - полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Стеклопластики обладают высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом. Углепластики - наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Матрицами в угепластиках могут быть как термореактивные, так и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики — очень легкие и, в то же время, прочные материалы. На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы — наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Композиционные материалы в дорожном строительстве Преимущества и недостатки композиционных материалов Производство сверхпрочных материалов Производство сверхтвердых материалов Уменьшение эффективной массы изделий Проблема создания материалов выдерживающих механические нагрузки при высоких температурах Возросли требования к чистоте материалов Защита материалов от химического взаимодействия с окружающей средой Создание композиционных материалов с заданными свойствами Разработка широкого спектра функциональных наноматериалов Современные проблемы материаловедения |