Обзор композитных материалов для усиления стороительных конструкций

Усиление строительных конструкций и элементов проводится для восстановления или увеличения их несущей способности. Традиционные способы укрепления — армирование, наращивание сечения, установка обойм и рубашек, торкретирование — имеют ряд недостатков и ограничений, которых лишена технология усиления композитами.

Что такое композиционные материалы?

Композиционные материалы (КМ) — это многокомпонентные системы, состоящие из пластичной матрицы (связующего), выступающей основанием, и разнородных наполнителей, улучшающих прочностные характеристики. Наполнители равномерно распределены в связующем.

В материалах четко сохраняется граница раздела компонентов, которые работают синергетически — свойства КМ количественно и качественно отличаются от характеристик каждого из его составляющих, включают параметры, которыми изолированные компоненты не обладают.

Связующий придает изделию необходимую форму и однородность. От его характеристик зависят технологические режимы получения КМ и их эксплуатационные качества: прочностные показатели, плотность, рабочие температуры, сопротивление разрушению и влиянию внешней среды.

Наполнители вводят в разные виды композитных материалов для увеличения их прочностных показателей, жесткости, гибкости и эластичности. Также они позволяют менять электрофизические и теплофизические показатели изделия.

Свойства композиционных материалов

Свойства КМ зависят от физических и механических характеристик элементов и силы их связи. Механические параметры КМ определяются качествами, ориентацией, объемным содержанием волокон и способностью связующего передавать им приложенную нагрузку.

Путем комбинирования объемного содержания веществ получают материалы с необходимыми для решения конкретных задач значениями, существенно превосходящими параметры традиционных материалов, например:

• высокая удельная и усталостная прочность;
• легкость;
• высокая жесткость;
• износостойкость, в том числе в экстремальных условиях;
• низкая теплопроводность;
• малое температурное расширение;
• устойчивость к коррозии;
• химико-биологическая устойчивость.

Классификация композиционных материалов

Виды композитных материалов выделяют в зависимости от природы и структуры составляющих. По материалу связующего композиты делятся на металлические и неметаллические. В роли металлической основы выступают алюминий, магний, никель и их сплавы. Композиты с такой матрицей упрочняются волокнами или мелкодисперсными тугоплавкими частицами, которые не растворяются в металле.

Неметаллические связующие бывают углеродными, полимерными и керамическими. Упрочнителями выступают различные волокна, нитевидные кристаллы и проволоки из металла.

По форме упрочнителя выделяют следующие виды композитных материалов:

• волокнистые — разнородные волокна из стекла, углерода, бора, металла или органики либо нитевидные кристаллы из оксида бериллия, нитрида и оксида алюминия, нитрида и карбида кремния, карбида бора;
• дисперсно-упрочненные — тонкодисперсные порошки и наночастицы из металлов, стекла, углерода и других веществ;
• слоистые — любые типы нитей и их комбинации, уложенные ленточным, тканевым или сеточным способом.

По конфигурации наполнители делятся на волокна, жгуты, нити, ленты, многослойные ткани. Они могут иметь ориентацию в матрице или существовать беспорядочно. Заполнители с ориентацией бывают мононаправленными и перекрестно-армированными, могут находиться в двумерном или пространственном положении. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80%, в неориентированных — 20-30%.

Виды композитных материалов могут быть изотропными, то есть сохраняют постоянство физических параметров во всех направлениях, и анизотропными. Возможны гибридные варианты: в преимущественно изотропных материалах в зоне упрочнителей наблюдается анизотропия.

Разновидности композитов

Стеклопластик

Состоит из синтетического полимерного связующего и стеклянного упрочнителя — нитей, жгутов, стеклянных матов или тканей, порубленых волокон. К связующим этого вида композитов относятся полиэфирные, эпоксидные, феноло-формальдегидные и кремнийорганические смолы, алифатические полиамиды, полиимиды, поликарбонаты и другие полимеры.

Стеклопластики отличаются повышенными прочностными и диэлектрическими показателями, низкими значениями плотности и теплопроводности, химической инертностью. Их механические параметры зависят в основном от параметров наполнителя и прочности его взаимосвязи с матрицей, а температуры, в которых возможна переработка и эксплуатация — от связующего.

Дисперсно-наполненные полимеры

В этих КМ в роли упрочнителя используются порошки: песок, мел, глина, тальк, керамика, стеклянные шарики, сажа. В результате получаются пластичные составы, применяемые при создании отделочных и стройматериалов, трубопроводов, санитарной техники. Обычно эти составы обладают повышенной прочностью, а иногда и хорошими декоративными качествами.

Текстолиты

В их основе лежит полимерная матрица, а упрочнителем служит полотно из углеродных, хлопчатобумажных, базальтовых, асбестовых или стеклянных нитей. Ввиду вариативности заполнителей разнятся свойства и сфера применения текстолитов.

Углепластик

Наполнителями в таких КМ выступают соединения углерода в форме нитей, волокон или листов. Углеродное сырье проходит через окисление, карбонизацию и графитизацию, после которых из него удаляются все побочные соединения до достижения 99,5% углерода. При смешивании этого углерода с пластиком получаются прочные и жесткие вещества, по ряду свойств превосходящее металл. Углепластики проводят электричество, устойчивы к большим нагрузкам и являются легкими, что делает их ценным материалом для снижения веса сооружений и конструкций.

Боропластик

В этих КМ в роли наполнителя используются борные волокна, матрицы — реактопласт или стекловолокно. Боропластики обладают повышенными показателями прочности и устойчивости на сжатие. Однако этот материал малостоек к воздействию высоких внешних температур и его сложно формовать вследствие твердости и хрупкости борных нитей.

Органопластик

Для производства органопластиков используются органические компоненты, на которые приходится от 2 до 70% от массы состава. Органика бывает представлена нитями, волокнами или листами. Связующее может быть термопластичным или термореактивным. Этот класс материалов отличаются более низкой плотностью по сравнению с углепластиками, легкостью и повышенной прочностью на растяжение.

Применение композитных материалов в строительстве

В строительстве различные виды композитных материалов используются для решения многих задач: усиления композитными материалами железобетонных конструкций, устройства берегоукреплений и противофильтрационных завес, ведения строительных работ в сложных условиях эксплуатации и под влиянием химически активных веществ. Из КМ изготавливают системы внешнего армирования, полимерные понтоны, шпунтовые профили, несущие элементы другие строительные компоненты.