68664

Композиционные материалы. Арамидное волокно и ткани на их основе

Доклад

Производство и промышленные технологии

Стальная проволока перерабатывается в тканые сетки которые используются для получения композиционных материалов с ориентацией арматуры в двух направлениях. Особенностью является то что матрицу образуют различные полимеры служащие связующими для арматуры которая может быть в виде волокон ткани пленок стеклотекстолита.

Русский

2015-01-15

293.81 KB

14 чел.

Композиционные материалы – искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называетсяматрицей. Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала, называется арматурой. Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред. Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Вместо термина армирующий компонент можно использовать термин наполнитель.

Классификация композиционных материалов

По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы:

  1.  с нульмерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;
  2.  с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;
  3.  с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:

  1.  с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;
  2.  с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;
  3.  с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

  1.  композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;
  2.  композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;
  3.  композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;
  4.  композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.

Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений.

В композиционных материалах с нульмерным наполнителем наибольшее распространение получила металлическая матрица. Композиции на металлической основе упрочняются равномерно распределенными дисперсными частицами различной дисперсности. Такие материалы отличаются изотропностью свойств.

В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные частицы наполнителя препятствуют развитию пластической деформации. Эффективное упрочнение достигается при содержании 5…10 % частиц наполнителя. Армирующими наполнителями служат частицы тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов. Дисперсионно упрочненные композиционные материалы получают методами порошковой металлургии или вводят частицы армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава.

Промышленное применение нашли композиционные материалы на основе алюминия, упрочненные частицами оксида алюминия (Al2O3). Их получают прессованием алюминиевой пудры с последующим спеканием (САП). Преимущества САП проявляются при температурах выше 300oС, когда алюминиевые сплавы разупрочняются. Дисперсионно упрочненные сплавы сохраняют эффект упрочнения до температуры 0,8 Тпл.

Сплавы САП удовлетворительно деформируются, легко обрабатываются резанием, свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Из САП выпускают полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб, фольги. Из них изготавливают лопатки компрессоров, вентиляторов и турбин, поршневые штоки.

В композиционных материалах с одномерными наполнителями упрочнителями являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон, проволоки, которые скрепляются матрицей в единый монолит. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены в пластичной матрице. Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров.

Материалы, армированные нитевидными монокристаллами, были созданы в начале семидесятых годов для авиационных и космических конструкций. Основным способом выращивания нитевидных кристаллов является выращивание их из перенасыщенного пара (ПК-процесс). Для производства особо высокопрочных нитевидных кристаллов оксидов и других соединений осуществляется рост по П-Ж-К – механизму: направленный рост кристаллов происходит из парообразного состояния через промежуточную жидкую фазу.

Осуществляется создание нитевидных кристаллов вытягиванием жидкости через фильеры. Прочность кристаллов зависит от сечения и гладкости поверхности.

Композиционные материалы этого типа перспективны как высокожаропрочные материалы. Для увеличения КПД тепловых машин лопатки газовых турбин изготавливают из никелевых сплавов, армированных нитями сапфира (Al2O3), это позволяет значительно повысить температуру на входе в турбину (предел прочности сапфировых кристаллов при температуре 1680oС выше 700 МПа).

Армирование сопл ракет из порошков вольфрама и молибдена производят кристаллами сапфира как в виде войлока, так и отдельных волокон, в результате этого удалось удвоить прочность материала при температуре 1650oС. Армирование пропиточного полимера стеклотекстолитов нитевидными волокнами увеличивает их прочность. Армирование литого металла снижает его хрупкость в конструкциях. Перспективно упрочнение стекла неориентированными нитевидными кристаллами.

Для армирования композиционных материалов применяют металлическую проволоку из разных металлов: стали разного состава, вольфрама, ниобия, титана, магния – в зависимости от условий работы. Стальная проволока перерабатывается в тканые сетки, которые используются для получения композиционных материалов с ориентацией арматуры в двух направлениях.

Для армирования легких металлов применяются волокна бора, карбида кремния. Особенно ценными свойствами обладают углеродистые волокна, их применяют для армирования металлических, керамических и полимерных композиционных материалов.

Эвтектические композиционные материалы – сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. В отличие от обычных композиционных материалов, эвтектические получают за одну операцию. Направленная ориентированная структура может быть получена на уже готовых изделиях. Форма образующихся кристаллов может быть в виде волокон или пластин. Способами направленной кристаллизации получают композиционные материалы на основе алюминия, магния, меди, кобальта, титана, ниобия и других элементов, поэтому они используются в широком интервале температур.

Полимерные композиционные материалы. Особенностью является то, что матрицу образуют различные полимеры, служащие связующими для арматуры, которая может быть в виде волокон, ткани, пленок, стеклотекстолита. Формирование полимерных композиционных материалов осуществляется прессованием, литьем под давлением, экструзией, напылением.

Широкое применение находят смешанные полимерные композиционные материалы, куда входят металлические и полимерные составляющие, которые дополняют друг друга по свойствам. Например, подшипники, работающие в условиях сухого трения, изготовляют из комбинации фторопласта и бронзы, что обеспечивает самосмазываемость и отсутствие ползучести.

Созданы материалы на основе полиэтилена, полистирола с наполнителями в виде асбеста и других волокон, обладающие высокими прочностью и жесткостью.

Усиление конструкции – это задача, требующая действительно индивидуального подхода, как с технической, так и с экономической стороны. Ниже мы проведем классификацию методов и способов усилений, относящихся к распространенным случаям усиления автомобильных и железнодорожных мостов, промышленных и гражданских сооружений. Важнейшим критерием классификации послужило решение вопроса: осуществляется ли усиление путем сознательного введения перераспределения внутренних сил в конструкции (группа активных методов), или данный метод может вызывать вышеупомянутое перераспределение, но не решает основной задачи усиления объекта (пассивный метод). Пассивные методы: - увеличение сечения конструкции путём добавления армирования и бетонирования; - наклеивание и механический монтаж стальных полос или листового металла; - наклеивание композитных волоконных и углеволоконных элементов. Активные методы: - перераспределение сил в поперечном направлении, путём догружения средних балок и разгрузки крайних, в многобалочной системе; - монтаж добавочных усиливающих элементов - несущих балок; - уменьшение веса конструкции, путём замены бетонных элементов на стальные; - обжатие конструкции внешними металлическими полосами и канатами; - наклеивание предварительно напряжённых углеволоконных лент. Самым лучшим и современным методом является усиление строительных бетонных и железобетонных конструкций путем наклеивания углеволоконных листов и элементов. Эффективность такого метода усиления многократно доказана на практике и используется в мировом строительстве на протяжении 20 лет. В России данная технология применяется уже более 15 лет, и получила высокое распространение, как в гражданском, так и в промышленном строении. Данная методика усиления является самым современным и «бережным» методом восстановления и повышения эксплуатационных характеристик конструкций. Преимущество данного метода, отличающее его от всех остальных - это простота и исключительно малая трудоёмкость. Комплекс углеволоконных материалов позволяет производить ремонт и увеличение несущей способности конструкций в следующих случаях: при увеличении нагрузок - повышенные постоянные нагрузки; - повышенные транспортные нагрузки; - установка тяжелых станков в промышленных зданиях; - изменения способа эксплуатации здания. при повреждении элементов конструкции - старение материалов конструкции; - коррозия стальной арматуры; - столкновение с транспортом; - пожар; - землетрясение. для улучшения эксплуатационной надежности - уменьшение деформации; - уменьшение напряжения стальной арматуры; - уменьшение ширины трещин. при изменении конструкционной системы - удаление стен или колонн; - удаление участков настила для отверстий; - при изменении технических условий; - землетрясение; - приспособление к новым проектным требованиям. для устранения дефектов конструкции - недостаточное армирование; - недостаточная структурная глубина.

К достоинствам систем углеволоконных материалов можно отнести следующие моменты: - низкий вес; - умеренная средняя толщина; - легкая транспортировка (рулоны); - простые пересечения пластин; - экономная укладка – отсутствие тяжелого оборудования для подготовки и укладки; - очень высокая прочность; - поставляется с разным модулем эластичности; - отличная стойкость к усталости; - высокая стойкость к щелочам; - отсутствие коррозии; - чистые края без выступающих волокон; - удобство при наклеивании на вертикальные и потолочные поверхности; - высокая адгезия к различным основаниям; - высокие механические свойства; - не требует отдельного грунтования; - клеевые составы не содержат растворителей. На сегодняшний день в ряде крупных научно-исследовательских институтов России были проведены исследования и испытания по системе усиления различных конструкций углепластиковыми материалами. В Москве на базе ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко и НИИЖБ под руководством Грановского А.В. была проведена серия испытаний по снип железобетонных и кирпичных колонн, усиленных бандажами из углеродных холстов, в ходе которых было установлено, что их несущая способность может быть увеличена почти в 2 раза по сравнению с эталоном. Данная работа была опубликована в ряде журналов, таких как: «ПГС» №3 за 2007г., «Жилищное строительство» №2 за 2006г. а также «Сейсмическое строительство» №2 за 2007г. НИЦ «Мосты» произвел испытания по усилению балок мостовых пролетов, на основании которых выпустил ТУ 5851-001-13613997-04 по усилению балок композитными материалами, а в дальнейшем и СТО. Масштабные испытания по данной тематике проводили такие крупные институты, как «УралНИИАС» и 26-й институт министерства обороны. В ходе всех этих работ были испытаны по госту различные конструкции, усиленные углепластиковыми элементами внешнего армирования и получены положительные отзывы по данной системе усиления. Что отдельно хотелось бы отметить, и это подтвердилось проведенными испытаниями, - эта технология позволяет восстановить практически до своих первоначальных значений даже сильно разрушенные и аварийные конструкции. Эффективность усиления бетонных конструкций композитными лентами очень высокая. В зависимости от вида лент, количества их слоёв и рода действующей нагрузки, предельная грузоподъёмность элемента может увеличиться в 2 - 3 раза по сравнению с не усиленным элементом. В особенности это касается балок. Обычно достаточно, чтобы усиление составляло от десяти до нескольких десятков процентов, чего почти всегда удаётся достигнуть. Существующий опыт в области усиления различных конструкций позволяет показать следующие случаи применения: - усиление при обычной нагрузке балок и плит - углеволоконные элементы приклеиваются согласно так называемой эпюры моментов, они бывают разной длины и могут быть наклеены в 1 или больше слоёв (здесь присутствует определённая аналогия к схеме армирования стержнями в изгибаемых элементах); - усиление в связи с опасением возможного образования трещин в бетоне от недостаточного обжатия корродированных напрягаемых элементов в сборных железобетонных или монолитных балках – в этом случае углеволоконные элементы наклеиваются „от опоры к опоре”, т.е. по всей длине элемента; - усиление в связи со срезывающими или главными растягивающими напряжениями – в этом случае отрезки углеволоконных элементов наклеиваются по боковым поверхностям (обычно балок) и в направлениях отогнутых арматурных стержней; - усиление колонн – в этом случае углеволоконные элементы наклеиваются в виде бандажей, а при достаточно большой высоте, и по длине колонны. Чтобы достичь эффективного усиления при помощи лент, необходимо строго соблюдать технологический регламент, прежде всего при подготовке поверхности усиливаемой конструкции. К тому же опыт компании «АльянсСтрой» показывает, что работы по усилению чаще всего используются в комплексе с конструктивным ремонтом бетона и структурным восстановлением при помощи инъектирования и инъецирования.

Арамидное волокно и ткани на их основе

Арамид применяется, как в чистом виде волокна и ткани, так и в композиционных материалах на основе различных смол. Синтетическое волокно арамида обладает высочайшей прочностью (разрывная прочность 250-600 кг/мм²) при малой плотности 1400-1500кг/м³,высоким сопротивлениям ударам и динамическим нагрузкам при таких уникальных характеристиках волокно обладает высокой термической стойкостью, способно работать при высоких температурах и считается трудно горючим . В композиционных материалах арамид применяют, как армирующий материал, такие композиты называют органопластик, обладают высокой удельной прочностью при растяжении и минимальным весом. Волокна имеют желтый цвет.

История появления: арамидное волокно было получено в 60-х годах в компании DuPont, волокно получило название Kevlar и стало нарицательным. Позже в СССР было получено волокно арамида аналог Kevlar, но по собственной технологии, это волокно называется СВМ.

Области применения: из-за своих высоких характеристик волокно арамида нашло самое широкое применение в самых различных отраслях промышленности. Самое известное применение волокна это средства защиты: пуленепробиваемые бронежилеты, каски и огне защита, например костюмы для пожарных и перчатки. Так же арамидное волокно применяют для армирования автомобильных шин, волоконно-оптических кабелей, диффузорах акустических динамиков, для изготовления сверхпрочных тросов, лент и тканей. Обширное применение арамидные волокна получили в композиционных материалах на основе винилэфирных и эпоксидных смол. Благодаря уникальным свойствам такие композиты применяют в авиастроение и ракетостроении для изготовления различных деталей работающих на растяжение, в сосудах внутреннего давления, высокоскоростных маховиков. В сочетании с другими армирующими материалами, арамидные волокна применяют в судостроении для производства корпусов яхт, лодок и катеров премиум класса или для военных целей. Нашло свое место применение композитных материалов с арамидом и в космонавтике, наряду с углепластиком, где в некоторых узлах и деталях он стал незаменим. Широкое распространение в области тюнинга автомобилей и автоспорта, изготавливаются аэродинамические обвесы, сидения, элементы интерьера и силовые конструкции.

Основные определения: единицей, характеризующей комплексную нить, где используется арамидное волокно, является детекс (detex) — вес 10 км нити.

Плотность: отношение массы к объему, измеряется в граммах на м².

Линейная плотность: количество волокон на 1 см² в каждом из направлений плетения, например 4×4, что означает что в 1 см² 4 продольных и 4 поперечных волокон.

Основные виды плетений:

Полотняное плетение — наиболее простой и обычный тканый материал. Нити основы и утка переплетаются поочередно. Наиболее устойчивый вид плетения. Обозначение в импортных материалах: PLAIN WEAVE, P, PLAIN.

Саржевое плетение — каждая нить основы и утка переплетаются через две нити. Обозначение в импортных материалах: TWILL, T.

Сатиновое плетение — каждая нить основы и утка проходит над несколькими нитями основы и утка в зависимости от раппорта переплетения, т.е. над 3,5,7 и большим числом нитей. Такие ткани имеют большую рыхлость и гибкость, но с другой стороны, и большую величину изменения расстояния между соседними нитями. Обозначение в импортных материалах: SATIN WEAVE, R.

Основные данные при выборе ткани:

  1.  Плотность: 200 г/м.
  2.  Плетение: Plain.
  3.  Линейная плотность: 8.5×8.5.
  4.  Толщина: 0,33.
  5.  Ширина: 120 см.

Армирующие волокна — сравнение и свойства

Армирующие волокно

Плотность, кг/м³

Предел прочности на разрыв GPa

Модуль упругости GPa

Удлинение, %

Температуростойкость, °C

Стекловолокно

2.52

3.4

73

3.5 - 4

400 - 500

Углеродное волокно (н.м.)

1.75

4.5

230

1.8 - 2.1

300 - 400

Углеродное волокно (с.м.)

1.8

5

290

1.5 - 1.7

300 - 400

Углеродное волокно (в.м.)

1.85

2.5 - 4

400 - 600

0.5 - 0.9

300 - 400

Арамидное волокно (н.м.)

1.44

3.6

120

2.5

400 - 500

Арамидное волокно (в.м)

1.44

3.45

160

1.9

400 - 500

Полиэтиленовое волокно

0.97

2.6 - 3

90 - 110

3 - 3.5

145 - 155

Борное волокно

2.57

3.6

400

Алюмосиликат

3.3

2.0

300

Нержавеющая стальная проволока

7.9

1.45

197

Струнная проволока

7.8

2.41

207

Различия в прочности стеклянных волокон в соответствии с типом:

  1.  (Рубленный стекломат) — 150 MPa;
  2.  R (Напыленный рубленный ровинг) — 80 MPa;
  3.  WR (ткань) — 250-300 MPa;
  4.  MA (мультиаксиальная ткань) — 350-450 Mpa.

Углеродное волокно и ткани из углеродных волокон

Углеродные волокна и ткани на их основе применяются для армирования композиционных материалов, они применяются с эпоксидными, винилэфирными, полиамидными и фенолформальдегидными смолами, такие композиты называются углепластик. Высокая прочность и жесткость при малом весе основные преимущества углепластика, кроме этого углеродные волокна и углепластик имеют очень низкий, практически нулевой коэффициент линейного расширения и проводят электричество. Преимущества применения: углепластики позволяют уменьшить вес конструкции на 15-45%, высокая стойкость к коррозии и различным деформациям, возможность создания изделий высокой сложности. История появления: Фактически, современные углеродные волокна появились с 50 годов ХХ века в институте промышленных исследований Асаки, Япония. Углеродные волокна для упрочнения композитов было начато в 1963 году в Англии.

Области применения: первыми начали применять композиты на основе углепластика военные специалисты, в военно-промышленном комплексе и углепластик первое время считался секретным. Сейчас, углепластик используется в серийном авиастроении, благодаря малому весу (это один из самых важных параметров в авиастроении) и превосходных прочностных свойств, углепластик крепко занял свое положение в этой отрасли, не представить без него и развитие космонавтики, где он считается не заменимым.

Сочетания таких уникальных параметров не обошли стороной и другие высокотехнологичные и наукоемкие отрасли такие как: медицина (протезы, сухожилия и пр.) благодаря совместимости с тканями и мех. свойств и судостроение, производство корпусов яхт и катеров, нельзя представить современные спортивные яхты без углепластиковых мачт, частей корпуса и многих других деталей.

Угольные материалы успешно применяют в строительстве: упрочнение бетонных конструкций, ремонт мостов и пр. Свою популярность и легендарность среди углепластик получил благодаря автомобилестроению, его начали применять при изготовлении монококов, для знаменитых болидов F1. После укоренения в автоспорте, углепластик получил новое сокращенное имя «carbon». Он стал одним из самым важных элементов в тюннинге автомобилей, еще потому что обладает оригинальным внешним видом. Углепластик широко применяется в производстве спортинвентаря: теннисные ракетки, удочки, рамы для велосипедов и т.д. Так же он применяется в изделиях узкого специального назначения для лопастей ветряных электрогенераторов, различных подшипников в гидротурбинах. Широкую популярность набирает применение углепластика для отделки его можно увидеть в таких деталях как: кейсы и акустические боксы, и для декорирования мебели.

Другие: музыкальные инструменты-скрипки, виолончели. Различные профили, трубы, листы, кронштейны, тормозные и колесные диски для авто, весла, в Li батареях, морские буровые платформы.

Основные определения: «К» — число тысяч элементарных углеродных волокон в нити (Самое меньшее и самое дорогое углеродное волокно — 1К, наиболее распространенное углеродное волокно 3К, существуют также нити из углеродного волокна с К = 6, 12, 24, 48.)

Плотность: отношение массы к объему, измеряется в граммах на м².

Линейная плотность: количество волокон на 1 см². в каждом из направлений плетения, например 4×4, что означает что в 1 кв. см. 4 продольных и 4 поперечных волокон.

Основные виды плетений:

  1.  Полотняное плетение. Наиболее простой и обычный тканый материал. Нити основы и утка переплетаются поочередно. Наиболее устойчивый вид плетения. Обозначение в импортных материалах: PLAIN WEAVE, P, PLAIN.
  2.  Саржевое плетение. Каждая нить основы и утка переплетаются через две нити. Обозначение в импортных материалах: TWILL, T.
  3.  Сатиновое плетение. Каждая нить основы и утка проходит над несколькими нитями основы и утка в зависимости от раппорта переплетения, т.е. над 3,5,7 и большим числом нитей. Такие ткани имеют большую рыхлость и гибкость, но с другой стороны, и большую величину изменения расстояния между соседними нитями. Обозначение в импортных материалах: SATIN WEAVE, R.
  4.  Корзинное плетение и плетение типа Lenо. Обозначение в импортных материалах: BASKET WEAVE и LENO.

Основные данные при выборе ткани:

  1.  Плотность: 200 г/м.
  2.  Плетение: Plain.
  3.  Линейная плотность: 4×4.
  4.  Толщина: 0,33.
  5.  Волокно: 3k x 3k.
  6.  Ширина: 120 см.

Углеродные и графические волокна обладают целым рядом особенностей по физико-техническим и химическим свойствам. Эти волокна имеют высокий придел прочнисти (временное сопротивление σB) и модуль упругости E при растяжении, что определяет их промышленную ценность (Таб. 1.1).

Таб. 1.1 Свойства наиболее распространенных металлических и неметаллических армирующих материалов

Волокно (проволока)

ρ, м³

Тпл, °C

σB, МПа

σB/ρ, МПа/кг*м-3

Е, ГПа

E/ρ, МПа/кг*м-3

Алюминий

2 687

660

620

2 300

73

270

Окись алюминия

3 989

2 082

689

1 700

323

810

Алюмосиликат

3 878

1 816

4 130

10 600

100

260

Асбест

2 493

1 521

1 380

5 500

172

690

Бериллий

1 856

1 284

1 310

7 100

303

1630

Карбид бериллия

2 438

2 093

1 030

4 200

310

1270

Окись бериллия

3 020

2 566

517

1 700

352

1160

Бор

2 521

2 10

3 450

150

441

1750

Углерод

1 413

3 700

2 760

157

200

1410

Стекло перспективное

2 493

1 650

6 890

277

124

497

Стекло E

2 548

1 316

3 450

136

72

280

Стекло S

2 493

1 650

4 820

194

85

340

Графит

1 496

3 650

2 760

184

345

2300

Молибден

0 166

2 610

1 380

14

358

350

Полиамид

1 136

249

827

73

2,8

25

Полиэфир

1 385

248

689

49

4,1

29

Кварц

2 188

1 927

-

-

70

320

Сталь

7 811

1 621

4 130

53

200

256

Тантал

1 656

2 996

620

3,7

193

116

Татан

4 709

1 668

1 930

41

115

245

Вольфрам

19 252

3 410

4 270

22

400

207

Монокарбид вольфрама

15 651

2871

730

4,6

717

458

Композитная арматура (англ. fibre-reinforced plastic rebar, FRP rebar) — неметаллические стержни из стеклянных, базальтовых, углеродных или арамидных волокон, пропитанных термореактивным или термопластичным полимернымсвязующим и отверждённых. Арматуру, изготовленную из стеклянных волокон, принято называть стеклопластиковой (АСП), из базальтовых волокон — базальтопластиковой (АБП), из углеродных волокон — углепластиковой. Для сцепления с бетоном на поверхности композитной арматуры в процессе производства формируются специальные рёбра или наносится покрытие из песка.

Благодаря своим физико-механическим характеристикам и техническим преимуществам композитная арматура может являться альтернативой арматуре из металла, как обладающую сочетанием высокой прочности и коррозионнойстойкости. Однако, у композитной арматуры есть слабое место - низкий модуль упругости - примерно в 3-4 раза ниже, чем у стальной (для базальтопластиковой и стеклопластиковой арматуры). Композитная арматура значительно снижает свои прочностные свойства при нагреве. У композитной арматуры практически отсутствует площадка текучести и разрушение при растяжении носит хрупкий характер. Поэтому основное назначение композитной арматурыгибких связей для трёхслойных кирпичных и других штучных материалов, монолитных железобетонных стен с кирпичной облицовкой.

Преднапряжение композитной арматуры возможно, но только до 40% от разрывной прочности. Преднапряжение композитной арматуры с анкеровкой в виде спиральной навивки затруднительно.

Применение полимерных композиционных материалов в строительных конструкциях

Рассмотрены ряд областей применения ПКМ в строительной индустрии в России и за рубежом, преимущества и недостатки ПКМ в сравнении с традиционными материалами. Приведены тенденции развития технологий изготовления и применения таких изделий, как композитная арматура и композитные мостовые настилы. Выделены основные сдерживающие факторы развития рынка ПКМ строительного назначения в России.

 

В настоящее время на мировом рынке наблюдается увеличение объемов применения ПКМ в строительной индустрии. Так, в 2010 году объем рынка полимерных композиционных материалов (ПКМ) в сегменте «строительство» составил ~3,1 млн. долларов (~17% от общего объема). По прогнозам экспертов объем данного сегмента увеличится к 2015 году до 4,4 млн. долларов. Применение ПКМ в строительстве позволяет уменьшить массу строительных конструкций, повысить коррозионную стойкость и стойкость к воздействию неблагоприятных климатических факторов, продлить межремонтные сроки, выполнять ремонт и усиление конструкций с минимальными затратами ресурсов и времени. Однако необходимо отметить, что развитие отечественного рынка ПКМ строительного назначения, как и всего рынка ПКМ в целом, значительно уступает мировому. В последние годы принимается ряд мер, направленных на развитие технологий и производства ПКМ, среди которых формирование в 2010 году технологической платформы «Полимерные композиционные материалы и технологии». Одним из инициаторов создания технологической платформы является ВИАМ, принимающий активное участие в работе по развитию композитной отрасли и формированию рынка композиционных материалов и соответствующих технологий в Российской Федерации не только в сегменте авиационной промышленности, но и в других сегментах, в том числе в строительном [1, 2].

Как отмечалось выше, «строительный» сегмент занимает существенную часть рынка ПКМ. Основными областями применения ПКМ являются: арматура и гибкие связи; шпунтовые сваи и ограждения; сэндвич-панели, оконные и дверные профили; элементы мостовых конструкций (пешеходные мосты, переходы, несущие элементы, элементы ограждения, настилы, вантовые тросы); системы внешнего армирования.

Принимая во внимание острую необходимость в масштабном строительстве новых и реконструкции имеющихся объектов транспортной инфраструктуры, основное внимание в данной статье будет уделено таким областям применения ПКМ, как композитная арматура и элементы мостовых конструкций.

За рубежом широкое внедрение композитной арматуры в качестве армирующего материала строительных бетонных конструкций началось с 80-х годов прошлого столетия, в первую очередь при строительстве мостов и дорог. В Советском Союзе научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке и применению композитной арматуры начались в 50-е годы прошлого столетия. В 1963 г. в г. Полоцке был сдан в эксплуатацию цех по опытно-промышленному производству стеклопластиковой арматуры, а в 1976 году в НИИЖБ и ИСиА были разработаны «Рекомендации по расчету конструкций со стеклопластиковой арматурой» [3]. Таким образом, научно-технический задел по изготовлению композитной арматуры был создан еще в Советском Союзе. Композитная арматура на основе непрерывного волокнистого наполнителя и полимерной матрицы имеет ряд значительных преимуществ по сравнению со стальной арматурой (в том числе и с антикоррозионным покрытием), среди которых малая плотность (в 4 раза легче стальной), высокая коррозионная стойкость, малая теплопроводность, диэлектрические свойства, более высокая прочность. Малая плотность и высокая коррозионная и химическая стойкость особенно важны при строительстве объектов транспортной инфраструктуры (дороги, мосты, эстакады), прибрежных и портовых сооружений.

В последние годы в России обозначился резкий рост интереса к выпуску композитной арматуры, предназначенной для армирования бетонных строительных конструкций. В качестве армирующего наполнителя в арматуре может использоваться стекловолокно, непрерывное базальтовое волокно, а также углеродное волокно. Наиболее распространенный способ изготовления композитной стекло- или базальтопластиковой арматуры – безфильерная пултрузия (нидлтрузия, плейнтрузия). Среди отечественных производителей стекло- и базальтопластиковой арматуры – ООО «Бийский завод стеклопластиков», ООО «Гален», ООО «Московский завод композитных материалов» и многие другие. Углепластиковая арматура производится ХК «Композит». В табл. 1 и 2 приведены характеристики отечественной и зарубежной композитной арматуры.

 

Таблица 1

Характеристики российской композитной арматуры

Характеристика

Значения характеристики для композитной арматуры

из стеклопластика

из углепластика

ТУ 2296-001-20994511–2006

(ООО «Бийский завод стеклопластиков»)

ТУ 5714-007-13101102–2009 (ООО «Гален»)

ТУ 5769-001-09102892–2012

(ООО «Московский завод композитных материалов»)

ТУ 1916-001-60513556–2010

(ХК «Композит»)

Предел прочности при растяжении, МПа

1100

1000

1200

1600

Модуль упругости при растяжении, ГПа

50

45

55

130

 

Таблица 2

Характеристики зарубежной композитной арматуры

Характеристика

Значения характеристики для композитной арматуры

из стеклопластика

из углепластика

Glass V-rod HM (Pultrall)

Aslan 100 (Hughes

Brothers, Inc.)

Aslan 200 (Hughes

Brothers, Inc.)

Carbon V-rod

(Pultrall)

Предел прочности при растяжении, МПа

1000–1300

413–896

2068–2241

1350–1765

Модуль упругости при растяжении, ГПа

62–66

46

124

127–144

Относительное удлинение при разрыве, %

1,7–2,6

0,9–1,9

1,67–1,81

1,2–1,3

 

Видно, что российские образцы композитной арматуры не уступают по характеристикам зарубежным аналогам. Однако композитная арматура не находит пока достаточно широкого применения в практике строительства в РФ. Одной из причин этого, по мнению авторов, является недостаточная нормативно-техническая база, регулирующая выпуск и применение композитной арматуры. Хотя производителями арматуры были выполнены значительные работы [4], способствующие скорейшему созданию ГОСТ на композитную арматуру [5], требуется разработка ряда стандартов и рекомендаций для проектировщиков и строителей. Для сравнения, в США институт бетона (ACI) в 2012 году выпустил третью редакцию руководства по проектированию, впервые выпущенного в 1999 г., в то время как отечественные рекомендации по расчету конструкций со стеклопластиковой арматурой разработаны в 1976 г. [6]. Кроме того, более активному применению композитной арматуры препятствует небольшой опыт работы с ней как строителей, так и конструкторов и архитекторов.

В настоящее время можно выделить две основные тенденции развития технологии изготовления композитной арматуры за рубежом: использование двухслойной арматуры с сердечником из композита, армированного непрерывными волокнами, и внешней оболочки, армированной рубленным волокнистым наполнителем, и разработку технологий изготовления арматуры с использованием термопластичной полимерной матрицы. В качестве примера рассмотрим разработки компаний Composite rebar technologies Inc. [7] и Plasticomp LLC [8]. Первая разработка университета штата Орегон представляет собой полую композитную арматуру и способ ее изготовления. Композитная арматура включает в себя полый сердечник, состоящий из армированной непрерывными волокнами термореактивной смолы, и внешнего слоя – оболочки, состоящей из смолы, армированной рублеными волокнами. Внешняя оболочка прикрепляется химически и физически к сердечнику на одном из этапов непрерывного технологического процесса. Внешний и внутренний диаметр арматуры, их соотношение, а также состав внешней оболочки можно варьировать в достаточно широких пределах, что дает значительные возможности для адаптации продукта к нуждам широкого круга потребителей. Среди преимуществ такой композитной арматуры стоит отметить возможность использования полости внутри сердечника для прокладки электрических или оптико-волоконных кабелей и размещения датчиков состояния конструкции, также они могут использоваться для подачи теплоносителя и создания таким образом не замерзающего мостового пролета. Наличие полого сердечника позволит соединять секции арматуры друг с другом, что также позволит расширить способы ее применения. Внешний слой, армированный рубленым волокном, предохраняет сердечник от механических повреждений во время транспортировки и применения, а также препятствует проникновению влаги к сердечнику арматуры.

Вторая разработка компании Plasticomp LLC представляет собой технологию изготовления композитной арматуры с использованием термопластичной матрицы. Технологический процесс начинается с изготовления премикса проталкиванием непрерывного волокнистого наполнителя в поток расплава термопластичного связующего, находящегося под высоким давлением и движущегося с большой скоростью. Роторный нож, расположенный по пути следования потока, режет смесь «волокнистый наполнитель–матрица» на короткие отрезки. Далее шнековый смеситель перемешивает рубленое волокно и термопластичную матрицу в расплавленный компаунд, пригодный для дальнейшего экструдирования. Полученный компаунд подается в Т-образную головку экструдера, где он наносится на непрерывный армирующий наполнитель, предварительно пропитанный термопластичным полимером (например, по классической пултрузионной технологии). Таким образом, получается композитная арматура на основе термопластичной полимерной матрицы, состоящая из сердечника, армированного непрерывным волокнистым наполнителем и внешней оболочки также из термопластичной матрицы армированной рубленым волокном. Преимуществами такой системы является большая устойчивость термопластичной матрицы к ударам и образованию микротрещин, возможность нагрева и придания необходимой формы прутку арматуры, возможность использования вторичного полимерного сырья и вторичной переработки самой композитной арматуры. Кроме того, использование вторичного сырья для термопластичной матрицы, а также потенциально возможное ускорение процесса изготовления продукции (не требуется время для отверждения смолы, как в случае реактопласта) может сделать данный процесс более экономически выгодным, чем традиционно используемые технологи изготовления композитной арматуры.

Основными направлениями развития отечественного производства композитной арматуры являются применение в качестве армирующего наполнителя непрерывного базальтового волокна и модификация составов связующих и технологического оборудования с целью улучшения свойств и повышения производительности производства [9].

Благодаря низкой плотности и высокой устойчивости к негативным воздействиям окружающей среды, ПКМ способны обеспечить значительные преимущества над материалами, традиционно применяемыми в строительстве объектов инфраструктуры, в том числе в строительстве мостов. Мосты, путепроводы, эстакады – сложные инженерно-технические сооружения, к которым предъявляются высокие требования по надежности и долговечности. В Северной Америке и Европе ведутся активные работы по применению ПКМ в мостостроении. Мосты с применением элементов из ПКМ возводятся более 15 лет, и объем строительства таких мостов увеличивается. Меняется и класс мостов – от первых экспериментальных пешеходных мостов к автомобильным мостам длиной до 20 м [10–12]. В зарубежных странах основными областями применения ПКМ при строительстве мостов являются композитная арматура, мостовые настилы и пешеходные мосты. Ведутся работы по разработке и созданию вантовых тросов из ПКМ [13, 14], а также быстровозводимых мостов с применением элементов несущих конструкций из ПКМ [15, 16]. По мнению автора работы [10], наиболее перспективными областями применения ПКМ являются пешеходные мосты и мостовые настилы. Стоит отметить, что в РФ активно ведутся работы по разработке технологий изготовления и проектирования пешеходных композитных мостов, построен и успешно эксплуатируется ряд объектов [17], в то время как вопросам разработки, проектирования и применения мостовых настилов из композиционных или гибридных материалов с использованием ПКМ для автомобильных и железнодорожных мостов уделяется меньше внимания.

Мостовые настилы, применяемые за рубежом, делятся по способу установки: укладываемые на опоры моста или на продольные балки; а также по структуре: многоячеистые (типа сотовых конструкций) или сэндвич-панели (композитные плиты с вспененным заполнителем между ними). При изготовлении настилов применяют пултрузию и намотку (изготовление плит и трубчатых/коробчатых структур между плитами), а для изготовления сэндвич-панелей применяют RTM-технологию. В качестве непрерывного волокнистого армирующего наполнителя используется стекловолокно, а в качестве полимерной матрицы – полиэфирные, эпоксидные и винилэфирные смолы. Для соединения элементов конструкции настила применяют склеивание и/или механическое крепление [11]. Основными способами крепления настила из ПКМ как к опорным элементам, так и между собой являются механический способ (как правило, при помощи болтового соединения) и склеивание. Традиционно применяемый механический способ крепления является надежным и отработанным способом, однако необходимость проделывать отверстия для крепежа в элементах настила ухудшает прочностные характеристики и повышает чувствительность конструкции к факторам окружающей среды. Способ клеевого крепления является более прогрессивным, поскольку обеспечивает прочное и быстрое соединение без нарушения структуры материала (нет необходимости делать отверстия под крепеж), однако существует и ряд недостатков таких, например, как сложность соблюдения требований по подготовке поверхностей и условий окружающей среды при склеивании во время работы на объекте, отсутствие на данный момент методов надежного неразрушающего контроля качества склеивания на объекте – клеевое соединение плохо работает на «расслаивание».

Для повышения надежности и прочностных характеристик настилов, а также снижения их стоимости ведутся работы по созданию гибридных настилов с применением бетонных или железобетонных элементов [10, 18]. Кроме того, возможно применение различных технологических приемов. Так, описанный в работе [12] способ внешней обмотки настила, состоящего из выполненных намоткой коробчатых профилей и полученных пултрузией композитных листов, усиливающим наполнителем позволяет повысить несущую способность настила и его жесткость.

Помимо таких преимуществ настилов из ПКМ, как малая плотность, что позволяет уменьшить нагрузку на опоры и снизить их материалоемкость, легкость установки (требуется техника с меньшей грузоподъемностью, более простая технология установки) и высокая коррозионная устойчивость, позволяющая уменьшить эксплуатационные расходы, существует ряд недостатков и проблем. Среди недостатков – высокая стоимость композитных настилов (в США стоимость настила из ПКМ в 2 раза выше стоимости аналогичного железобетонного настила); сложности с разработкой эффективных конструкций крепления «панель–панель» и «панель–продольная балка»; отсутствие полноценных стандартов и руководств по проектированию; недостаточное количество данных по прочностным характеристикам при комбинированном воздействии механических нагрузок и факторов окружающей среды. В связи с этим актуальными являются работы, посвященные системам крепления, разработке рекомендаций по проектированию и эксплуатации композитных настилов, методам прогнозирования прочности, характера разрушения и усталостной долговечности настилов из ПКМ. Значительного внимания также заслуживают работы по применению «умных» композитов, интегрированию датчиков напряженно-деформированного состояния конструкции в ее композитные элементы и применению современных систем диагностики состояния конструкции [19–21].

В заключении необходимо отметить, что существует отставание от США, ряда Европейских стран и Китая по целому ряду позиций:

– в области разработки нормативно-технической документации на выпуск и применение композитной арматуры и мостовых настилов из ПКМ;

– в области технологий изготовления изделий из ПКМ строительного назначения.

Накоплен существенно меньший опыт по применению ПКМ в строительных конструкциях и эксплуатации подобных конструкций. Практически отсутствуют отечественные производители оборудования. Однако повышение интереса к применению ПКМ в строительстве, ряд мер правительства по стимулированию рынка композиционных материалов, а также усилия производителей композитов по совершенствованию нормативно-технической базы создают благоприятные условия для активизации работ по разработке и применению конкурентоспособных изделий из ПКМ отечественного производства в строительной индустрии.

Модифицирующие волокна «ВСМ» – новое качество бетона

«Бетон – основной материал, используемый в жилищном и транспортном строительстве. Поэтому есть все основания считать его стратегическим, государственно-важным материалом». (Из материалов II Национального Конгресса «Приоритеты развития экономики»). А.А. Савельев - директор департамента исследований и разработок ООО «Си-Айрлайд».

В наши дни строительство неразрывно связано с вопросами, повышения качества, долговечности, экономичности бетона и железобетона. Основная задача, это получение бетон-матрицы, основного конструкционного строительного материала с заданными свойствами: прочного, водонепроницаемого, морозостойкого, коррозионностойкого, трещиноустойчивого композита.

Замечено и то, что армирование бетона волокнами уменьшает и его растрескивание при усадке. Таким образом, технология армирования приобрела в последние годы большую популярность. Но только ли она сама обеспечивает новое качество бетона? Конечно, нет. Очень важное значение имеет и качество армирующих добавок. И тут важно, чтобы волокна, помимо функции механического схватывания также выполняли роль химического катализатора процессов твердения бетона, способствуя достижению новых высоких параметров его прочности. Именно такими качествами обладают волокна, разработанными специалистами ООО «Си Айрлайд» (г. Челябинск). В прогнозировании стойкости, долговечности бетона поровая структура играет основную роль. Ее характеристики обусловливают процесс разрушения бетона конструкции, его непроницаемость. В теории расчета долговечности бетона наряду с другими факторами установлена взаимосвязь дифференциальной структуры пор и коэффициентов интенсивности напряжений, определяющими эксплуатационный ресурс конструкции. Тем не менее, практическое определение этих характеристик, осуществляется экспериментально или на основании полуэмпирических зависимостей. Известно, что наиболее многочисленная и ответственная за свойства бетона доля пор – капилляры. Они проницаемы для воды, являются причиной проникания ее внутрь бетона конструкции, способствуют накоплению и развитию трещин.

В этой связи научно-практический интерес представляют технологии, в которых используются высокоэффективные технические приемы, в частности, применение дисперсных синтетических волокон-наполнителей несущих на поверхности волокна ненасыщенный гидроксилированный покров, являющий источником свободной (избыточной) энергии.

Морозостойкость цементного камня и бетонов — важнейшее свойство, в большой мере определяющее долговечность гидротехнических, дорожных сооружений, Признавая эффект повышения морозостойкости бетона благодаря воздухововлечению, следует обратить внимание на том, что для дорожных покрытий, повышенное содержание эмульгированного воздуха приводит к увеличению истираемости бетона, Кроме того, вовлечённый воздух в бетоне является ослабляют сечение бетона в конструкции и снижают его прочность. Таким образом, для обеспечения, нормированного ГОСТ 26633 воздухововлечения 5% в бетонной смеси, для бетона дорожного покрытий, прочность бетона при сжатие уменьшится на ~ 30% по сравнению с бетоном без вовлечённого воздуха, что необходимо учитывать при подборе состава дорожного бетона приводящего к увеличению расхода цемента.

Известно, что свойства морозостойкости бетона зависят от плотности цементного камня, т.е. от дифференциальной пористости и фазового состава цементного камня. В развитии технологии бетона решающую роль сыграли сформированные в результате многочисленных исследований и подтвержденные практикой научные основы модифицирования бетонов добавками-модификаторами цементных систем. Анализ данных показывает, что для повышения морозостойкости бетона совершенно не обязательно использовать рекомендуемые научной литературой и нормативными документами только воздухововлекаюшие добавки. Заданные показатели морозостойкости могут быть обеспечены другими методами. На этом предположении основано другое важное достижение науки о бетоне, которое можно сформулировать как разработку научных основ первичной защиты бетона и железобетона от коррозии и повышения его морозостойкости. Плотность фазовых контактов и, соответственно, структуры, по Тэйлору, во многом зависит от условий формирования кристаллогидратов при гидратации основного минерала цемента. Преобладание в структуре цементного камня более дисперсных и устойчивых гидросиликатов является фактором повышения прочности и плотности фаз кристаллизационной структуры и определяет связь морозостойкости с другими фазовыми и поровыми параметрами структуры цементного камня, И закономерное стремление специалистов-бетоноведов добиться условий, во время которых капиллярные поры заполняются гидратными новообразованиями.

Систематические исследования на стыке фундаментальных наук позволили сформулировать основные требования к будущему типу дисперсно-армирующих волокон обладающих особенностями химических интенсификаторов твердения, для комплексного воздействия на свойства цементных композитов. Исходя из данных предпосылок, предложен метод модификации цементных систем полифункциональным коаксиальным волокном – «ВСМ» обладающим синергетическим действием объединяющим регулирование твердения клинкерного цемента и компонентом обеспечивающим армирование цементной матрицы.

При использовании модифицирующих волокон значительную роль в процессах структурообразования играет энергетическое состояние их поверхности, определяющее контактную зону в системе «вяжущее - волокно». С целью усиления адгезии волокон и вяжущего и повышения их структурообразующего значения разработаны различные методы модификации поверхности волокна, главными из которых является композитное и химическое модифицирование путем введения в расплав оболочки активных составляющих.

Модифицированная поверхность оболочки волокна, определяет функциональное действие для направленной кристаллизации цементного камня. Привитые органические соединения содержат активные одну или несколько полярных групп типа гидро-. гисульфо-, амино- и карбоксигрупп (-ОН, -СООН, -NH2 –SiOH, и т.д.), способных реагировать с цементными минералами и продуктами их гидратации, в соответствии с теорией взаимодействие адсорбционных активных центров Льюиса и Бренстеда.

Располагаясь на поверхности волокна в инициативном состоянии, функциональные концевые группы и неорганические модификаторы направлено воздействуют на процесс гидратации, формируя кристаллизированные сростки кристаллогидратов вдоль протяжения волокна, фазовый состав которого отличаются от состава основной матричной части.

Установлено, что волокна «ВСМ» катализируют реакции образования гидросиликатов кальция группы CSH вблизи поверхности волокна. Эти межфазные системы составляют основу образующихся плотных контактных зон и всей матричной части бетона. Повышенная концентрация кристаллогидратов вблизи поверхности раздела фаз (волокно - цементный камень), обеспечивает упрочнение цементной матрицы.

Интегральная прочность цементного композита в присутствии «ВСМ» определяется рядом факторов, где существенное значение приобретает величина взаимодействия матрицы и поверхности волокна так и величина когезии межфазового слоя новообразований. При достаточно высокой концентрации и удельной поверхности волокон и также при соответствующей толщине и минералогическом составе слоя начинает играть роль третья фазовая составляющая со своей зависимостью напряженно-деформационных характеристик. Теория межфазовых явлений в этой системе может рассматриваться как совокупность трех основных частей - адсорбции продуктов гидратации на поверхностях волокна, адгезии новообразований к этим поверхностям и минералогического состава и свойств полимеризованного межфазного слоя на границе раздела цементная матрица - волокно «ВСМ».

Так как волокна, являющиеся носителями активных центров, имеют протяженную структуру и распределены в объеме бетона равномерно то, при оптимальной дозировке, обеспечивают многоуровневую компоновку, структуры, запуская механизм самоармирования. Технология модифицирования цементной матрицы армирующими волокнами сконцентрирована так, что в итоге в бетоне за счет гидратации цемента получились, и преобладала волокнистая гидросиликатная связка более совершенной структуры. Это явление оказывает непосредственное влияние на прочность цементного камня, от которой существенно зависят такие характеристики бетона, как прочность, модуль упругости, и повышенное содержание гелевых и в сокращение объема капиллярных пор. Исследования этого процесса и управление им являются важным звеном в формировании свойств цементного композиционного материала.

Определены особенности структурообразования при твердении вяжущих в присутствии «ВСМ»:

  1.  возрастание роли первичной коагуляционной структуры, на основе которой развивается плотная и прочная конечная структура камня;
  2.  снижение деформации усадки и внутренних напряжений.

Практическое использование результатов исследований и разработок модифицирующих волокон «ВСМ» на десятках предприятий свидетельствует о большой научно-практической ценности работы:

  1.  проведены подборы составов бетонов с применением «ВСМ» и оценивалось действие волокна на изменение свойств морозостойкости. Бетонные смеси изготавливались с подвижностью от П2 до П4. Испытания проводились в лабораторных и производственных условиях без применения воздухововлекающих добавок. Однако показатели качеств бетонов с волокном по трещиностойкости, морозостойкости и водонепроницаемости превысили заданные проектом.

Достоинством модифицирующей добавки «ВСМ» с функцией армирования цементного камня является представленное в ней комплексное решение прикладных задач связанных с созданием строительных композитов с высокими эксплуатационными свойствами:

  1.  упрочнение бетонов – достигается перераспределением дифференциальной пористости цементного камня в сторону меньших по размеру гелевых пор, что обусловливает формирование цементного камня с меньшим количеством капиллярных пор.
  2.  ускорение начальной стадии химического твердения цементных систем с активизированными волокнами, где привитые функциональные молекулярные кластеры служат центрами кристаллизации;
  3.  образование гидросиликатных кластеров «вяжущее волокно» за счет высокой поверхностной энергии активных молекул на поверхности волокон и упрочнение контактной межфазовой зоны между цементным камнем и поверхностью волокна.

ПОВЕДЕНИЕ БЕТОННЫХ КОЛОНН, ОГРАНИЧЕННЫХ

ТРУБАМИ ИЗ СТЕКЛОПЛАСТИКА

 

Традиционные методы усиления конструкций, такие, как предварительное натяжение арматуры и упрочнение стальными плитами, имеют недостатки из-за коррозии стали и большого веса. Прогрессивными композиционными материалами являются полимеры, армированные волокнами (ПАВ), и их можно использовать для ограничения бетонных колонн, в результате чего повышается прочность на сжатие и вязкость, возрастает долговечность. Использование ПАВ в качестве усиления бетонных колонн получило распространение в Европе, Японии и Северной Америке. ПАВ-оболочка успешно использовалась для реконструкции бетонных колонн. Однако ПАВ используются и в новых конструкциях бетонных колонн. Заполненные бетоном ПАВ-трубы производятся на строительной площадке или полигоне. Трубы выступают в качестве опалубки, защитной оболочки, ограничителя, усиления, противодействуя срезу и изгибу. Так как использование волокнистых композитов для ограничения бетона является относительно новым подходом, теоретические работы в этой области все еще малочисленны, а модели, применявшиеся первоначально для поперечного усиления сталью, не совсем применимы при усилении ПАВ. Поведение бетона, ограниченного композитным материалом, отличается от поведения бетона, ограниченного сталью.

Для однонаправленных композитов характерна линейная зависимость «напряжение-деформация» вплоть до разрушения, максимальные напряжения и деформации намного выше предела текучести стали. Ограниченный композитом бетон достигает одновременно своих наибольших осевых напряжений и деформаций, в то время как ограниченный сталью бетон медленно теряет прочность с увеличением осевой деформации и вследствие текучести стали. Кроме того, радиальные деформации при максимальном осевом напряжении намного выше в ограниченном композитном бетоне, чем в ограниченном сталью бетоне.

Существующие модели обоймы более подходят для бетона, ограниченного сталью, чем для бетона, ограниченного композитом. Применение этих моделей к бетону, ограниченному ПАВ-трубами, может привести к переоценке прочности, что приводит к ненадежному проекту.

Воздействия окружающей среды, такие как низкие температуры, радиация и высокая влажность могут значительно нарушить конструкционную целостность и долговечность бетонных колонн. Чтобы избежать этого, можно укладку бетона производить в несъемную опалубку в виде ПАВ-трубы. Достигается двойной эффект: защита бетона от резких воздействий среды и увеличение прочности и вязкости колонн, обусловленное обоймой. Как следствие, вытекает дополнительная экономия материалов вследствие сокращения площади поперечного сечения при заданной проектной нагрузке, а также использования ПАВ-труб в качестве опалубки.

В настоящее время бетонные колонны большей частью усиливаются продольными стальными стержнями с поперечными связями или спиралями. Бетон внутри спиралей или связей ограничен в боковом направлении. Стальные трубы используются в бетонных колоннах как изначальное усиление вместо продольных стальных стержней. Проведены обширные исследования бетонных колонн в стальной обойме. Экспериментальные исследования показывают, что в заполненных бетоном стальных трубах наблюдается довольно малое взаимодействие между бетоном и сталью. Существуют две причины такого явления. Во-первых, бетон в большом диапазоне напряжений имеет меньший коэффициент Пуассона, чем сталь, и, следовательно, отделяется от трубы, когда оба материала испытывают осевую деформацию. Во-вторых, усадка бетона вызывает расслаивание на границе раздела двух материалов при любом нагружении. В результате такие колонны разрушаются вследствие продольной текучести стали, если предел текучести меньше, чем 400 МПа, или вследствие дробления бетона, если предел текучести выше, чем 530 МПа.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78737. ВИХОВНИЙ ЗАХІД «СВЯТО БУКВАРЯ» 42.5 KB
  Сценарій заходу Свято Букваря Вчитель. Увага увага Любі гості мами й тата В нас Букварикове свято Добре що прийшли до нас Ви у перший клас. Ось і дзвіночок веселий кличе завзято Першокласників на свято.
78738. Свято Книги 53.5 KB
  Сухомлинський Свято Книги. Запрошую Під оплески у костюмах заходять книги: художня книга підручник словник енциклопедія довідник. Шлях розвитку книги був тривалим і дуже складним.
78739. Свято мами 49 KB
  У травні, коли розцвітають весняні квіти і дзвенить пташиний спів, теплий весняний вітер приносить до нас свято Матері. Ще у 1914 році Конгрес США прийняв Постанову про введення нового державного свята – Дня матері. А причетна до цього молода американка Анна Джарвіс. Вона втратила матір.
78740. Свято Миколая 53 KB
  Ой хто хто Миколая любить Ой хто хто Миколаю служить Тому святий Миколай На всякий час помагай Миколаю Ой глянь глянь на Вкраїну рідну. Іде до нас крізь ниви й гори Святий угодник Миколай. Історія свідчить що Миколай жив за часів імператора Костянтина у ІУ ст.
78741. СВЯТО ОСЕНІ 67.5 KB
  Щедра осінь давно у дорозі І добра принесла і краси. Але осінь у жовтому листі В цьому році найкраща у нас. Осінь осінь В гості тебе просимо З щедрими хлібами високими снопами З листопадом і дощем з перелітнім журавлем.
78742. Сценарій позакласного мистецтвознавчого заходу «Світ як велика симфонія» 503 KB
  Обладнання: мультимедійний проектор та екран, ноутбук чи системний блок ком’ютера, активні колонки, тематичні стіннівки, присвячені творчості М.К.Чюрльоніса, публікації «Музичний» живопис Чюрльоніса для подарунку гостям і учасникам проекту, роздатковий матеріал – кросворди на кожен учнівський стіл...
78743. Сценарій урочистої лінійки, присвяченої святу Першого дзвоника і Дню знань 56.5 KB
  В зеленім лісі побував якийсь художник і поволі Дерева перефарбував У золотисто-жовтий колір. Ведучий - Ти хто такий? – всі здивувались. Тебе не бачили ми досі. То придивіться, - хтось озвавсь. І всі побачили – це осінь. Ведучий А з нею в кожен дім прийшло радісне свято – День знань.
78744. БУДЬ ОБЕРЕЖНИМ НА ДОРОЗІ! 69 KB
  Навчальна: Поглибити знання учнів про правила дорожнього руху; повторити основні правила пішоходів та автомобілістів. Розвиваюча: сприяти розвитку мислення, мовлення, пам’яті, навичок поведінки на дорозі. Виховна: виховувати повагу до оточуючих, увагу, ввічливість.
78745. ПРОЩАВАЙ, БУКВАРИКУ! 81 KB
  Мета: Вчити дітей виразно декламувати вірші, формувати інтерес до читання. Розвивати акторські здібності, уяву, вміння фантазувати. Виховувати у дітей любов до книги, дружні стосунки, родинні почуття.