Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
.5 Композиционные материалы на неорганической матрице Неорганические матрицы различают по следующим видам: цементные (на основе портландцемента и его разновидностей); цементно-песчаные; кера- мические (на основе оксидной и безоксидной керамики); углеродные. Неорганические матрицы армируют металлическими, природными, син- тетическими и минеральными волокнами, сетками и пленками. Требования к 77 Таблица 10 – Эксплуатационные свойства волокнистых КПМ Показатель Значение показателя для стеклопластиков асбопластиков стекловолокнитов на термопластичной матрице кремнийорга нических на термопластичной матрице Анилино фенолофор мальдегид- ная смола + 62 % СВ Кремнийор- га ническое связующее + 60 % СВ Поли- амид-66 +40 % СВ Поли- бути ленте- реф талат + 30 % СВ Полисуль- фон + 30 % СВ Феноль- ного марки К-6 К- 41-5 КМ К-218 Паронита Марки ПОН (об- щего назначения) Полиэти- лен +17…50% АВ Плотность, кг/м³ 1700…1900 1800…2000 1460 1520 1450 1950 1800 … 1900 1800 … 2000 1600…20 00 - Предел проч- ности при рас- тяжении, сжа- тии, изгибе, МПа 80…120 130…200 120…200 15…17 40…85 40…110 217 - 294 136 - 196 126 - 168 - 80 - - 132 …142 - 120 …147 6 - - 10,5…12, 5 - - Ударная вяз- кость, кДж/м² 30…100 20…90 - - - 20 15… 20 3,8 … 6,2 - - Модуль упру- гости при изги- бе, МПа - - 11200 9450 8400 1500… 25000 - - - 2,8…5,8 Теплостой- кость по Мар- тенсу, °С - - 260 220 190 200 350 350 100 70 Температур- ный коэффици- ент линейного расширения α10000,1/°С - - 2,52 2,16 2,52 2,5…2,8 - - - 2,9 78 окончаниение таблицы 10 Показатель Значение показателя для углеродопластиков боропластиков органопластиков металлопластиков карбоволокнитов на термопластичной матрице бороволок- нита на термо- пластич- ной мат- рице органово- локнита на термо- пластич- ной мат- рице метал ловолок- нита на термоп ластич ной матри- це Фенольная смола +50% УВ Цикло алифа тическая эпоксид ная смола +60 % УВ Полиа мид-66 + 30 % УВ Поли суль фон +30 % УВ НТ-Х-904 (США) Поли- мидная смола + 60 % БВ Смола ВР- 907 + 60 % волокна кевлар-49 (США) Поли- амид-68 + 20 % ВАП Эпоксид ная смола + 50 % алюми ниевых волокон Полипро- пилен + 20 % стальных волокон Плотность, кг/м³ 2300 1550 1280 1370 - - 1370 1100 - 2300 Предел прочно- сти при растя- жении, сжатии, изгибе, МПа 84 224 151 1650 1430 1650 245 - 307 160 - 224 - - 500 - - 1650 700 250 700 130…150 - 140 25 90…150 60…95 40…50 - - Ударная вяз- кость, кДж/м² - - - - - - - 26 - - Модуль упруго- сти при изгибе, МПа 14000 124000 20300 14350 70000 220000 87000 11000 - - Тепло- стойкость по Мартенсу, °С - - 267 137 - - - - - - Темпера- турный коэф- фициент линей- ного расшире- ния α10000,1/°С - - 1,89 1,08 - - - - - - 79 эксплуатационным свойствам композиционного материала влияют на выбор типа армирующего компонента. На цементной матрице изготавливают следующие виды композиционных материалов: асбестоцемент; армоцемент; стеклоцемент; арболит и цементно- стружечные, цементно-волокнистые материалы. Асбоцемент –композиционный строительный материал, представляющий собой затвердевший цементный камень, армированный волокнами асбеста (рису- нок 42). Асбест – природный минерал волокнистой структуры, способный при меха- нической обработке расщепляться на отдельные волокна. Для изготовления ком- позиционных строительных материалов применяют асбест 3, 4, 5 и 6-го – сортов с длиной армирующего волокна от 0,3 до 10 мм. Асбест несгораем, мало тепло- и электропроводен. Степень насыщения цементной матрицы армирующим компо- нентом зависит от назначения материала. а б Рисунок 42 – Асбестоцементная плита: а – рядовая АП, б – краевая АПК – полые листы: 1 – гнутый асбестоцементный лист; 2 – алюминиевые заклепки; 3 – торцевая заглушка из асбестоцемента; 4 – минеральный войлок, наклеенный на битум; 5 – деревянная бобышка В материалах для листовых изделий количество асбеста составляет 10…18 % по массе; для труб, коробов, швеллеров и т. п. – 15…21 %. Листовые изделия выпускают в виде плиток, плоских и профилированных листов толщиной от 4 до 10 мм в основном методом прессования по мокрому или сухому способу. В по- следнее время все чаще применяется способ вакуумирования, что позволяет полу- 80 чать изделия с повышенными прочностными и стойкостными характеристиками. Методом экструзии изготавливают асбоцементные изделия сложного профиля – стеновые панели, швеллеры, панели перегородок и т. п. Трубы и короба из ас- боцемента могут иметь толщину стенок от 7 до 43,5 мм. Выпускают напорные трубы нескольких марок с рабочим давлением 0,3…0,2 МПа. Средняя плотность асбоцементных изделий – 1550…2000 кг/м³, прочность на сжатие – 14…25 МПа, морозостойкость – 50…100 циклов (рисунки 43, 44). Рисунок 43 – Фрагмент стеновой панели типа «сандвич»: 1 – асбестоцементный плоский лист; 2 – обрамление из деревянных брусков; 3 – пено- пласт ФРП - 1 81 Рисунок 44 – Асбестоцементные экструзионные панели: 1 – угловые; 2 – переходные; 3 – панели перегородок Армоцемент и (или) сталефибробетон – композиционный строительный материал, представляющий собой затвердевший цементно-песчаный камень, рав- номерно армированный по объему металлическими волокнами в виде сеток или хаотично расположенных отрезков, длина которых составляет 80…120 их диамет- ров. Металлические волокна в сечении могут иметь форму круга, овала или мно- гоугольника. Площадь поперечного сечения волокон не более 1 мм². Модуль упругости при растяжении волокон – (180…220) 10³ МПа и прочность на растяже- ние – 800…3100 МПа, удлинение при разрыве – 3…4 %, плотность – 7,8 г/см³. Цемент для изготовления сталефибробетонов должен иметь марку не ниже 500. При изготовлении армоцементных композиционных материалов максимальный размер частиц песка – D max зависит от параметров армирования и определяется по формуле Dmax = (√ h² + (1/2)²) - 0,3 , где h – расстояние между сетками. 82 Эксплуатационные свойства сталефибробетонных изделий зависят от соот- ношения между удобоукладываемостью матрицы и количеством волокнистой ар- матуры. График на рисунке 45 составлен для тканой сетки с ячейками 7×7 мм. По оси ординат отложены показатели удобоукладываемости в секундах, по оси абс- цисс – расплыв стандартного конуса в миллиметрах. Если применяют сетку с ячейкой 5×5 мм, то требования к удобоукладываемости матрицы увеличиваются на 40 %, а при сетке с ячейкой 10×10 мм они снижаются на 30 %. При хаотичном армировании учитывается среднее расстояние между армирующими компонента- ми. Рисунок 45 – График для определения подвижности це- ментно-песчаной смеси в зави- симости от требуемой формуе- мости (Ф) армоцемента: 1, 3, 5, 8, 12 – число се- ток, Т – время вибрирования, сек. Р. к.– расплыв основания конуса, мм Армоцемент и стале- фибробетон применяют для изготовления тонкостенных несущих и ограждающих строительных конструкций зданий и сооружений, при строительстве резервуаров, в судостроении, аэродромостроении и т. п. Толщина стенок таких конструкций – 15…30 мм. Они отличаются повышенными требованиями по водонепроницаемо- сти, вязкости разрушения, ударной вязкости и морозостойкости. Стеклоцемент –композиционный строительный материал, представляю- щий собой затвердевший цементный камень, армированный стеклянными волок- нами, расположенными хаотично или в виде сеток и тканей. Стеклянное волокно для армирования цементной матрицы бывает трех типов – А, Е и С. Тип А синте- зирован на основе оксидов натрия и кальция, содержит щелочей более 10 % по массе. Тип Е – бесщелочное боросиликатное волокно. Тип С – малощелочное во- локно с повышенной химической стойкостью по отношению к цементу. Плот- ность стекловолокон составляет 2,20…2,55 г/см³, модуль упругости (70…90)10³ МПа, удлинение при разрыве – 3…4 %. Для изготовления матрицы используют малощелочные гидравлические вяжущие – глиноземистый цемент и его разновид- ности. Наличие стекловолокна в цементной матрице композиционного материала существенно, на 18…50 %, снижает его прочность при сжатии. Однако прочность композиционного материала при растяжении возрастает в 2,0…2,5 раза при насы- щении цементной матрицы армирующим стеклянным волокном в количестве до 10 % по массе. Стеклоцемент текстолитовый получают путем пропитки стеклот- 0 20 40 60 80 100 125 145 165 185 205 Р. к., мм Т, с 1 3 5 8 12 83 кани водоцементной или водополимерцементной суспензией. Получается негорю- чий водонепроницаемый материал, водопоглощение которого не превышает 20 %, прочность при изгибе более 15 МПа, а масса 1 м² от 1,6 до 2, 5 кг при морозо- стойкости не менее 40 циклов. Из стеклоцементных материалов изготавливают конструкции оболочек, коробчатые и гофрированные панели, гидроизоляцию ре- зервуаров, профили типа уголков, швеллеров, тавров и т. п. Арболит –композиционный строительный материал, представляющий со- бой затвердевший цементный камень, хаотично армированный природными орга- ническими волокнами (ГОСТ 19222). По плотности арболит различают: теплоизо- ляционный – с плотностью менее 500 кг/м³, конструкционный – с плотностью 500…800 кг/м³. Среднюю плотность и показатель теплопроводности арболита предопределяет тип армирующего компонента (таблицы 11, 12). Таблица 11 – Средняя плотность арболита в зависимости от вида заполнителя Арболит Класс по прочно- сти при сжатии Марка по прочно- сти при осевом сжатии Средняя плотность, кг/м³, арболита на измель- ченной древесине костре льна, дробленых стеблях хлопчатника костре конопли дробленой рисовой соломе Теплоизо- ляционный В 0,35 В 0,75 В 1,0 М 5 М 10 М 15 400…500 450…500 500 400…500 450…500 500 400…500 450…500 500 500 - - Конструк- ционный В 1,5 В 2,0 В 2,5 В 3,5 - М 25 М 35 М 50 500…600 500…700 600…750 700…850 550…650 600…700 700…800 - 550…650 600…700 - - 600…700 - - - Таблица 12 – Теплопроводность арболита в зависимости от вида заполнителя Вид заполнителя Теплопроводность арболита, Вт/(м°С), при средней плотности, кг/м³ 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Измельченная древе- сина 0,08 0,09 0,095 0,105 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 Дробленые стебли хлопчатника и рисовой соломы, костры льна и конопли 0,07 0,075 0,08 0,095 0,105 0,11 0,12 - - - Механические свойства арболита ухудшаются с увеличением его влажно- сти, особенно интенсивно в диапазоне от 0 до 25 % по массе. Сорбционное увлаж- нение арболита зависит от его средней плотности и вида заполнителя. При отно- сительной влажности среды 40…90 % сорбционная влажность составляет 4…12 %, т. е. арболит негигроскопичен, биостоек и при плотности более 400 кг/м³ – не- горюч. Строительные конструкции из арболита обязательно должны защищаться от атмосферных воздействий и офактуриваться слоем цементно-песчаного раство- ра изнутри толщиной не менее 20 мм. Наименование арболита в зависимости от 84 вида органического заполнителя должно соответствовать ГОСТ 25192. Проекти- рование состава арболита осуществляют в соответствии с требованиями СН 549- 82 «Инструкция по проектированию, изготовлению и применению конструкций и изделий из арболита». Арболит применяют в строительстве в качестве перегоро- дочного и стенового материала, самонесущих конструкций жилых и обществен- ных зданий, как плиты покрытия в совмещенных кровлях преимущественно сель- ских зданий различного назначения (рисунок 46). Рисунок 46 – Конструкционное решение стеновых панелей для промышленных и сельскохозяйственных каркасных зданий. Общий вид: а – анкера закладных деталей; б – панель однослойная рядовая; в – однослойная панель- перемычка; г – трехслойная панель: 1 – подъемные петли; 2 – закладные детали крепления оконных переплетов; 3 – закладные детали крепления к каркасу зданий; 4 – цементно-песчаный раствор М100; 5 – арболит; 6 – мон- тажная арматура; 7– рабочая арматура; 8 – бетон В2; 9 – арболит В1 85 Цементно-стружечные плиты –композиционный строительный материал, представляющий собой затвердевший цементный камень, хаотично армированный дробленой стружкой, толщина которой – 0,2…0,3 мм, а длина – 10…30 мм (ГОСТ 26816). Цементно-стружечные плиты не воспламеняются, атмосфероустойчивы, не подвержены воздействию термитов и грибков, хорошо склеиваются с древеси- ной, полимерами и металлами, пилятся, фрезеруются и сверлятся. При средней плотности 1100…1200 кг/м³ их модуль упругости при сжатии и изгибе составляет 2500 МПа, при растяжении – 3000 МПа, при сдвиге – 1200 МПа. Прочность при соответствующих видах нагрузок составляет 8…12 % от модуля упругости. В за- висимости от относительной влажности среды и структуры цементно-стружечных плит их сорбционная влажность составляет 10…20% по массе, теплопроводность в состоянии равновесной влажности – 0,33…0,44 Вт/(м°С), паропроницаемость – 0,23 мг/(м ч Па). В воде цементно-стружечные плиты набухают. Изменение ли- нейных размеров после 24-часовой выдержки в воде: по толщине – 2 %, по длине – 0,3 %. Звукоизолирующая способность достигает 45 дБ, цементно-стружечные плиты относятся к трудно сгораемым материалам. Их чаще всего применяют в ка- честве обшивки ограждающих конструкций. Рисунок 47 – Утепление кровли жилого дома цементным фибролитом: 1 – рулонное покрытие кровли; 2 – железобетонные кровельные плиты; 3 – дополнитель- ный слой цементного фибролита шириной 25 см; 4 – стропильная балка; 5 – цементно- фибролитовые плиты в два слоя; 6 – дополнительное утепление стены цементным фибролитом; 7 – колонна; 8 – ригель; 9 – железобетонный настил перекрытия Фибролит – композиционный строительный материал, представляющий со- бой затвердевший цементный камень, хаотично армированный минерализованной древесной стружкой длиной около 500 мм (ГОСТ 8928). Стружку для изготовле- 86 ния фибролита готовят в соответствии с ГОСТ 5244 из древесины хвойных пород. Портландцемент не ниже марки 400 должен соответствовать ГОСТ 10178. Фибро- лит трудносгораемый и биостойкий материал плотностью 300, 400 и 500 кг/м³, выпускаемый в виде плит толщиной 24, 32, 50, 75 и 100 мм, длиной 2000, 2400 и 3000 мм, шириной 500, 550 и 1150 мм. По назначению фибролитовые плиты под- разделяют на теплоизоляционные (плотностью 300 и 350 кг/м³), конструктивные (плотностью 400 и 500 кг/м 3 ) и акустические (толщиной 35 мм). Модуль упруго- сти фибролита составляет 300…500 МПа, сорбционная влажность может дости- гать 20% по массе, теплопроводность в сухом состоянии – 0,07…0,1 Вт/(м°С), во- допоглощение – до 45 % по массе, прочность – 0,2…0,3 % от модуля упругости. Фибролитовые плиты используют в строительстве для звукоизоляции лестничных клеток, вестибюлей, холлов, междуэтажных перекрытий, теплоизоляции ограж- дающих конструкций жилых, производственных и общественных зданий (рисунок 47). Ксилолит – композиционный строительный материал, представляющий собой затвердевший камень магнезиально-каустического цемента, хаотично арми- рованный (опилками, стружками и др.) природными органическими волокна. В зависимости от технологии изготовления различают ксилолит прессованный с плотностью 1550 кг/м³ и свободно сформованный с плотностью 1000…1200 кг/м³, физико-механические свойства этих материалов приведены в таблице 13. Таблица 13 – Физико-механические показатели монолитного и прессованного ксилолита Показатель Ксилолит прессованнный Ксилолит свободноформован- ный, монолитный Средняя плотность, кг/м³ 1550 1000…1200 Сопротивление, МПа: - при сжатии - при растяжении - при изгибе 85,4 25,4 48,9 20…35 3…5 – Теплопроводность, Вт/(м°С) 0,45…0,48 0,16…0,4 Водопоглощение через 12 ч, % 2,1 – Водопоглощение через 9 суток, % 3,8 – Ксилолит не горит, обладает высокой ударной вязкостью и механической прочностью, не скользит, устойчив к минеральным и растительным маслам, что делает этот материал чрезвычайно привлекательным в качестве материала для по- лов в зданиях промышленного, сельскохозяйственного и общественного назначе- ния. Особенно эффективно применение ксилолитовых полов во взрывоопасных помещениях и медицинских учреждениях, где необходимо иметь неэлектропро- 87 водные и не искрящие полы. Ксилолит конкурирует по показателю истираемости с такими природными материалами, как базальт и гранит. Ксилолит применяют при устройстве одно- и двухслойных полов промышленных и общественных зда- ний и для изготовления подоконных досок (ТУ 10-69-РСФСР-259-86). Фибропенобетон – композиционный строительный материал, представляю- щий собой затвердевший цементный бетон ячеистой структуры, хаотично армиро- ванный отрезками синтетических волокон (ТУ 5830-017-0269111-96 и ТУ 5767- 033-02069119-2003). Сырьем для изготовления фибропенобетона служат следую- щие материалы. Портландцемент и его разновидности марки не ниже 400 (ГОСТ 10178), за исключением сульфатостойкого и пластифицированного. Мелкий за- полнитель – песок или топливные шлаки с размером частиц не более 2,5 мм; золы уноса ТЭС, полые микросферы, шламовые отходы химводоочистки, мягкий мел и т. п. Волокна синтетические (полиамидные, полиэфирные, полипропиленовые) длиной не более 100 мм и диаметром не более 0,05 мм. Соотношение между моду- лями упругости волокна и композиционного материала должно быть не менее 5:1. Пенообразователи – клееканифольный, смолосапониновый, ПО 3-НП, ПБ-1 и др., любые пригодные для изготовления пенобетонов. Вода водопроводная. Физико- механические свойства фибропенобетона представлены в таблице 14. Таблица 14 – Физико-механические свойства фибропенобетона Плотность, кг/м³ Прочность при сжатии, МПа Прочность на растяжение при изгибе, МПа Морозостойкость, циклы Теплопроводность, Вт/(м°С) 200 0,5 0,2…0,3 Не норм. 0,05 300 0,7…0,9 0,2…0,5 Не норм. 0,07 400 1,0…1,2 0,5…0,8 Не норм. 0,10 500 1,5…2,0 0,7…1,0 30…50 0,12 600 2,0…2,5 0,9…1,3 50…80 0,14 700 2,5…3,5 1,1…1,8 80…120 0,18 800 3,5…5,0 1,5…2,8 100…150 0,21 900 4,0…7,5 2,0…3,5 100…150 0,24 1000 5,0…10,0 2,5…4,5 100…150 0,29 У фибропенобетона прочность на растяжение при изгибе составляет 35…60 % от прочности на сжатие, поэтому строительные конструкции из него обладают улучшенными технико-экономическими свойствами. Керметы – это композиционные металлокерамические материалы кристал- лической структуры, в которых дисперсные кристаллы керамики, составляющей до 90 % общего объема, заключены в металлическую матрицу. В качестве керамической составляющей используются оксиды Al, Be, Mg, Zr, Th, U, карбиды W, Ti, Nb, Cr и бориды Zr, Тi; в качестве металлической со- ставляющей – тугоплавкие металлы. 88 Карбид вольфрама – твердая хрупкая керамика, а кобальт – ковкий пластич- ный металл, между ними существуют прочные адгезионные связи. Такая структу- ра повышает на порядок величину энергии разрушения композита по сравнению с карбидом вольфрама и обеспечивает керметам необходимую пластичность. Керметы характеризуются высокой твердостью, прочностью, жаростойко- стью и жаропрочностью. Высокотемпературные керметы используются для изготовления деталей, ра- ботающих на износ или в качестве режущих инструментов (материалы на основе карбидов и нитридов W, Ti, Te, Hf в сочетании с кобальтом и другими металлами). Керметы используются в специальных областях техники – в атомных реак- торах (тепловыделяющие элементы и другие детали из композиций UO 2 – Al, MgO – Ni, Al 2 O 3 – Cr), в электротехнике, в тормозных устройствах (фрикционные мате- риалы, содержащие металлические и керамические компоненты). |