Минусы композитной арматуры

Недостатки

Низкая жёсткость

Модуль упругости ( E {\displaystyle E} ) композитной арматуры в 4 раза меньше, чем у стальной арматуры (45 ГПа у АСП против 200 ГПа у АIII). Низкая жесткость композитной арматуры не позволяет реализовать ее высокий прочностной потенциал при армировании бетона. Согласно п.6.1.14 Свода правил СП 63.13330.2012 предельная деформация бетона при работе на растяжение составляет около ε ≈ 0 , 0002 {\displaystyle \varepsilon \approx 0,0002} . При такой деформации ( ε {\displaystyle \varepsilon } ) напряжение в АСП по закону Гука ( σ = E ε {\displaystyle \sigma =E\varepsilon \ } ) составит 45ГПа*0,0002=9МПа, что составляет около 1% от прочности АСП на разрыв.

При сравнительном нагружении бетона, армированного композитной арматурой и бетона, армированного стальной арматурой, при одинаковых деформациях армированного бетона по закону Гука напряжение в композитной арматуре будет в 4 раза меньше, чем в стальной арматуре. В связи с этим для придания бетону той же прочности коэффициент армирования (соотношение площадей арматуры и бетона) для композитной арматуры должен быть в 4 раза выше, чем для стальной арматуры.

Низкая жесткость некоторых видов композитной арматуры резко ограничивает её применение в строительстве.

Отсутствие пластичности

У композитной арматуры отсутствует площадка текучести и разрушение при растяжении носит хрупкий характер. В связи с этим невозможно изменить форму арматуры без нагрева.

Низкая теплостойкость

АСП теряет несущие свойства при 150°С, АБП — при 300°С (стальная арматура работает до 500°С).

Высокая вредность

При резке АСП образуется пыль, состоящая из тончайших стекловолоконных игл. Она загрязняет рабочее место, инструмент и средства защиты. Высок риск получения стеклянных заноз, повреждений глаз и дыхательных путей.

Применение композитной арматуры

Композитная арматура применяется в промышленном и гражданском строительстве для возведения жилых, общественных и промышленных зданий, в малоэтажном и коттеджном строительстве для применения в бетонных конструкциях, для слоистой кладки стен с гибкими связями, для ремонта поверхностей железобетонных и кирпичных конструкций, а также при работах в зимнее время, когда в кладочный раствор вводятся ускорители твердения и противоморозные добавки, вызывающие коррозию стальной арматуры.

В дорожном строительстве применяется для сооружения насыпей, устройства покрытий, для элементов дорог, которые подвергаются агрессивному воздействию противогололёдных реагентов, для смешанных элементов дорог (типа «асфальтобетон — рельсы»). Также применяется для укрепления откосов дорог, в строительстве мостов (проезжая часть, ездовое полотно пролётных строений, опоры диванного типа), для берегоукрепления, в виде сеток в основание асфальта.

Существуют следующие мировые бренды стеклопластиковой арматуры, производимые в ряде стран: Schӧck, Dextra, Aslan, V-rod, DACOT, TUF-Bar, ATP-FRP Italy, FRP-Composites.

В России применение композитной арматуры с каждым годом увеличивается. Появляются крупные проектные и строительные компании, массово использующие в строительстве композитную арматуру. Этому способствует появление нормативных документов: ГОСТ 31938-2012, СНиП 52-01-2003, СП.

ПКА и АНК-С применяется в армогрунте, габионах, в креплении горных выработок стеклопластиковыми анкерами, крепление грунта по трассе проходки тоннелей, в буроинъекционных анкерных микросваях с тягой из стальной или неметаллической композитной арматуры, закрепляемой в скважине путём инъекции цементного раствора.

Стеклопластиковая арматура рекомендована для применения в качестве рабочей арматуры в бетонных конструкциях, используемых в районах с сейсмичностью 7-9 баллов.

Для несущих элементов погружных и буроинъекционных нагелей возможно применение АНК взамен следующих видов стальной арматуры: — горячекатаная арматурная сталь периодического профиля класса АIII (A 400), AIV (A 600), AV (A 800) по ГОСТ 5781; — термомеханически упрочненная арматурная сталь периодического профиля класса Ат400с, Ат500с, Ат600, Ат600с, Ат800 по ГОСТ 10884; — сталь арматурная винтового профиля по ТУ-14-2-686-86, ТУ-14-1-5492-2004.

АНК может быть использована для укрепления грунтового основания под различными строительными конструкциями, в т.ч. под водопропускными сооружениями, заложенными в теле насыпей различного назначения.

Характеристики композитной арматуры

Характеристики	Металлическая арматура класса А-III (А400) ГОСТ 5781-82	Неметаллическая композитная арматура (АСП — стеклопластиковая, АБП — базальтопластиковая) ГОСТ 31938-2012
Материал	Сталь 35ГС, 25Г2С, 32Г2Рпс	АСП — стеклянные волокна диаметром 13-16 микрон связанные полимером; АБП — базальтовые волокна диаметром 10-16 микрон связанные полимером
Удельный вес	По строительным нормам	Легче металлической арматуры
Временное сопротивление при растяжении, МПа	390	600-1200 — АСП (с увеличением диаметра временное сопротивление растяжению уменьшается, например АСП8-1200, АСП16-900, АСП20-700) 700—1300 — АБП
Модуль упругости, МПа	200 000	45 000-АСП 60 000-АБП
Относительное удлинение, %	0,195	2,2-АСП и АБП
Характер поведения под нагрузкой (зависимость «напряжение-деформация»)	Кривая линия с площадкой текучести под нагрузкой	Прямая линия с упруголинейной зависимостью под нагрузкой до разрушения
Коэффициент линейного расширения αх×10-6°C-1	13-15	9-12
Плотность, т/м³	7,85	1,9-АСП и АБП
Коррозионная стойкость к агрессивным средам	Разрушается с выделением продуктов коррозии	Нержавеющий материал первой группы химической стойкости
Теплопроводность	Теплопроводна	Нетеплопроводна
Электропроводность	Электропроводна	Неэлектропроводна — диэлектрик
Выпускаемые профили	6-80	Россия: 4-20. Иностранные поставщики 6-40
Длина	Стержни длиной 6-12 м (унифицированный размер — в связи с требованием перевозки)	Любая длина по требованию заказчика
Экологичность	Экологична	Экологична — не выделяет вредных и токсичных веществ
Долговечность	По строительным нормам	Прогнозируемая долговечность не менее 80 лет
Замена арматуры по физико-механическим свойствам (кроме величины удлинения под нагрузкой)	5Вр-1 проволока 6А-III 8А-III 10А-III 12А-III 14А-III 16А-III	— АСП-4, АБП-4 АСП-6, АБП-6 АСП-8, АБП-8 АСП-8, АБП-8 АСП-10, АБП-10 АСП-12, АБП-12
Замена арматуры по величине удлинения под нагрузкой (одинаковое удлинение под одинаковой нагрузкой, в пределах упругой деформации стальной арматуры)	6А-III 8А-III 10А-III 12А-III 14А-III 16А-III	АСП-12 АСП-16 АСП-20 — — —

> См. также

• Композитные гибкие связи
• Стеклопластик
• Арматура

Арматурные прутья из углепластика

Из всех видов композитной арматуры углепластиковая является самой прочной и дорогостоящей, ее применение должно быть экономически обоснованным. Материал представляет собой прутья диаметром от 4 до 32 мм длиной до 12 м, с целью повышения адгезии они имеют ребристую или покрытую песком поверхности. В основном используются в качестве альтернативы или усиления металлической арматуры в фундаментах, стяжках и ЖБИ, но в ряде случаев они незаменимы.

1. Классификация и описание
2. Область применения углепластика
3. Список преимуществ и недостатков
4. Правила вязки стержней
5. Мнения застройщиков

Разновидности, характеристики и особенности

Общие технические условия регламентированы ГОСТ 31938-2012. В зависимости от материала стержней выделяют следующие виды неметаллической арматуры:

• Стеклопластиковая, из склеенных в пруток полимерных волокон с накрученной поверх стеклянной нитью. Реализуется в кольцах и бухтах, из всех композитных типов арматуры имеет самую низкую прочность и термоустойчивость.
• Базальтопластиковая арматура – на основе нитей из расплавов твердых пород: базальта или габбро-диабаза.
• Углеродные прутья, получаемые путем пропитки синтетическими смолами термически разложенных полиакрилонитрильных или гидратцеллюлозных волокон и протяжкой их через высокопрочные формы.

Характеристики последней разновидности говорят сами за себя:

• Высокая прочность на разрыв – от 2000 до 3000 МПа, что позволяет использовать при заливке фундаментов и изготовлении ЖБИ прутьев с меньшим диаметром.
• Удельный вес – не более 1600 кг/м3.
• Модуль упругости в пределах 350 ГПа, в этом плане углепластиковая арматура в 7 раз лучше обычной стекловолоконной.
• Огнестойкость – до 600 °C.
• Коэффициент теплопроводности – 0,55-1 Вт/м·°С.
• Материал химически инертен и обладает абсолютной коррозионной стойкостью.

Сфера применения

Композитная арматура востребована в жилищно-гражданском, промышленном, горнодобывающем и дорожном строительстве. Высокая прочность и антикоррозийная устойчивость делают ее незаменимой при возведении объектов, подверженных частым влажностным нагрузкам или эксплуатируемым в воде. К таким относят подтапливаемые фундаменты, колодцы, септики, ж/б емкости, очистные сооружения, системы канализации, мелиорации и водоотвода, мосты, опоры, объекты береговой линии, в том числе морские. Допускается использование этой арматуры при изготовлении предварительно напряженных ЖБИ.

В частной сфере потребность в углепластиковых прутьях возникает при заложении фундаментов ниже нулевой отметки грунта, строительстве домов с подвалами. Практика показывает, что основания и объекты, армированные таким прутьями, хорошо выдерживают вибрационные нагрузки. К альтернативным вариантам относят усиление металлических каркасов и аналогичных поддерживающих конструкций. Имея более низкий коэффициент теплопроводности в сравнении со сталью, композиты применяются с целью армирования кладки из пено- или газоблоков и других легких марок бетона.

Плюсы и минусы

К достоинствам этой разновидности относят:

• Химическую инертность, стойкость к коррозии, агрессивным средам и биологическим воздействиям.
• Низкий вес и снижение трудозатрат при доставке и вязке армоконстуркций.
• Высокую прочность основы, углеродные волокна выдерживают нагрузки на разрыв в 2-3 раза лучше стали.
• Близкий к бетону коэффициент теплового расширения и низкую теплопроводность. Это исключает риск образования трещин и мостиков холода при заливке единых монолитов или армировании кладки из строительных блоков.
• Хорошие диэлектрические свойства, материал беспрепятственно пропускает радиоволны и не меняет свои показатели под влиянием э/м излучения.
• Долговечность, заявленный производителями срок службы составляет 75 лет, отзывы потребителей подтверждают неизменность форм, внешнего вида и прочности в процессе эксплуатации.

К эксплуатационным недостаткам арматуры из углепластика относят отсутствие возможности изгиба непосредственно на стройплощадке (читайте о том, как гнуть металлическую арматуру), снижение прочностных характеристик при растрескивании и потерю полезных свойств при нагреве (в отличие от полностью соответствующей пожарным нормам стали композиты в лучшем случае являются самозатухающими). Изогнутые формы производят исключительно в заводских условиях, что приводит к потребности в точной схеме армирования и ее строгого выполнения. Эта разновидность обходится дорого, число ее изготовителей ограничено, по отзывам на рынке встречается много подделок с низкой прочностью.

Технология вязки

Соединение композитных прутьев осуществляется внахлест, с шагом ячеек сетки или соседних рядов в пределах 25 см. Проведение сварки в данном случае крайне затруднительно, на больших площадках могут использоваться специальные накладки, но чаще всего фиксацию проводят с помощью вязальной проволоки или пластиковых хомутов. В процессе вязки отслеживается ровность вертикальных рядов и надежность закрепления углов, особенно это актуально при бетонировании заглубленных фундаментов. Низкий вес углепластика с одной стороны облегчает работы, с другой – делает каркас менее устойчивым к смещению при заливке строительного раствора.

С целью упрощения процесса все инструменты и крепежи подготавливают заранее. Для надежной фиксации прутьев с сечением в пределах 16 мм потребуется около 20 см мягкой проволоки, вязка узлов может быть любой: угловой, двурядной, крестовой. Собранный каркас нуждается в выравнивании и надежной основе, по аналогии с металлическим его устанавливают на специальные пластиковые опоры.

Отзывы о материале

«Использовал композитные арматурные прутья при заливке ленточного основания на подтапливаемой местности, вложения были значительные, сэкономить удалось только на доставке и вязке. Результатом остался доволен: фундамент второй год стоит без смещения и подвижек. Недостатков не заметил, но обратил внимание, что по ходу заливки каркас следует придерживать, он получился в разы легче металлического».

Владимир, Нижний Новгород.

«При бетонировании фундаментов имел дело с разными видами арматуры, в том числе с композитной. Считаю ее главным недостатком хрупкость, работа с прутьями требует осторожности, особенно в момент выгрузки. Они не гнутся, но в этом нет необходимости, хомуты хорошо держат стыки, каркас получается прочный и легкий. К однозначным плюсам отношу инертность и коррозийную устойчивость».

Роман, Ростов.

«Решил купить углепластиковую арматуру с целью укрепления заглубленной плиты, сетку вязал со стандартным шагом 25×25 см с помощью проволоки. За исключения высокой цены минусов у материала не заметил, начитавшись отзывов, ожидал, что часть прутьев разобьется, но в итоге на момент соединения все они были целые».

Александр, Москва.

«Считаю арматуру из углепластика для частного строительства неоправданной, при сильном риске коррозии или необходимости облегчения конструкции лучше купить более дешевые стекловолоконные или базальтовые прутья, а углерод ввести в раствор в виде фибры. По моему опыту это поможет сэкономить на каркасе до 40 %, а в прочности фундамент или стяжка только выиграет. Гнуть композиты нельзя в любом случае, в бухту скатываются исключительно тонкие, поэтому для усиления углов советую комбинировать углепластик или стекловолокно с металлом».

Сергей, Воронеж.

Добавить отзыв

Стоимость материала

Тип арматурных прутьев, производитель	Диаметр, мм	Цена за 1 п.м., рубли
FibARM Rebar, ХК «Композит» С финишным песочным покрытием или навивкой	4	165
	6	265
	8	570
	10	760
	12	1070

Что собой представляет арматура из стеклопластика

Так называемая композитная арматура – это стержень из стеклопластика, вокруг которого намотана углепластиковая нить, служащая не только для усиления конструкции такого изделия, но и для обеспечения его надежного сцепления с бетонным раствором. У арматуры данного типа есть как плюсы, так и минусы, и к ее использованию следует подходить очень взвешенно.

Элементами для фиксации углепластиковых арматурных прутков между собой служат пластиковые хомуты. Удобно, что для соединения элементов такой арматуры не требуется использование сварки, что, несомненно, является большим плюсом.

Скрепление стеклопластиковой арматуры с помощью фиксаторов и хомутов

Оценивая целесообразность использования стеклопластиковой арматуры, необходимо рассмотреть все плюсы и минусы ее применения в отдельных ситуациях. Такой подход позволит обеспечить высокую эффективность этого материала как средства укрепления строительных конструкций различного назначения.

Если не учитывать характеристики стеклопластиковой арматуры и не сопоставлять их с параметрами аналогичных изделий, изготовленных из металла, можно нанести серьезный вред будущей строительной конструкции или элементам отделки. Именно поэтому прежде чем приступать к выбору элементов для армирования конструкций из бетона, следует разобраться, в каких случаях применение тех или иных изделий является более целесообразным.

Физико-механические свойства композитной арматуры различных типов

Основные преимущества

Среди преимуществ, которыми отличается углепластиковая арматура, стоит выделить следующие.

• Важным преимуществом стеклопластиковой арматуры является ее небольшой удельный вес, что дает возможность использовать ее для армирования легких конструкций из ячеистого бетона и некоторых других строительных материалов. Это позволяет значительно снизить вес конструкций, которые армируются с ее помощью. Между тем вес обычной бетонной конструкции при использовании стеклопластиковой арматуры снизится незначительно, так как сам строительный материал обладает внушительной массой.
• Низкая теплопроводность также относится к преимуществам стеклопластиковой арматуры. При использовании такой арматуры в бетонных конструкциях не образуется мостиков холода (чего нельзя сказать об армирующих элементах из металла), что значительно улучшает их теплоизоляционные параметры.
• Высокая гибкость стеклопластиковой арматуры позволяет отгружать ее заказчику в бухтах, а не нарезанной отдельными прутками. Благодаря компактной форме упаковки транспортировать такую арматуру значительно проще, для чего можно использовать багажник любого легкового автомобиля, а это серьезно сокращает расходы на доставку материала к месту выполнения строительных работ. Использование армирующих элементов, которые отгружаются не нарезанными прутками, а в бухтах, позволяет также снизить расходы материала за счет уменьшения количества нахлестов. Это положительным образом сказывается как на прочностных характеристиках будущей бетонной конструкции, так и на ее стоимости, что особенно важно при выполнении строительных работ.
• Достаточно спорным считается такое преимущество стеклопластиковой арматуры, как ее долговечность внутри бетонной конструкции. Арматура из металла, находясь в изолированном состоянии, также не подвергается негативному влиянию внешних факторов, что обеспечивает долговечность ее использования.
• Углепластиковая арматура – это диэлектрический материал, что является преимуществом изделий из данного материала. Проводящая электрический ток металлическая арматура больше подвержена коррозии, что негативным образом сказывается на ее долговечности.
• По сравнению с армирующими элементами из металла, стеклопластиковые изделия не подвержены воздействию химически активных сред. Такое преимущество стеклопластиковой арматуры особенно актуально в случаях возведения строений в зимнее время, когда в бетон добавляются различные солевые растворы, ускоряющие процесс застывания.
• Являясь диэлектриком, углепластиковая арматура не создает радиопомех внутри здания, в отличие от металлических прутков. Такое преимущество важно тогда, когда в бетонной конструкции имеется много армирующих элементов. В противном случае использование композитной арматуры не станет минусом, но будет не столь актуально.

Главные достоинства композитной арматуры

Имеются у стеклопластиковой арматуры и недостатки, о которых также следует знать ее потенциальным потребителям.

Главные недостатки

Недостатки стеклопластиковой арматуры связаны со следующими ее характеристиками.

• К минусам стеклопластиковой арматуры относится, в частности, то, что она не выдерживает воздействия высоких температур. В то же время сложно представить ситуацию, когда арматурный каркас, находящийся внутри бетона, может быть нагрет до температуры 200 градусов.
• Достаточно высокая стоимость – это условный недостаток, если учитывать тот факт, что для армирования бетонных конструкций можно использовать стеклопластиковую арматуру меньшего диаметра в сравнении с изделиями из металла.
• Арматура из углепластика плохо гнется. Этот недостаток ограничивает ее использование при создании укрепляющих каркасов для бетонных конструкций. Между тем выполнить гнутые участки арматурного каркаса можно и из стальных элементов, а затем нарастить их при помощи стеклопластиковых прутков.
• Арматура, изготовленная из стеклопластика, плохо выдерживает нагрузки на излом, что очень критично для бетонных конструкций. Соответственно, их усиливающий каркас должен успешно выдерживать такие нагрузки, чем не может похвастаться арматура, выполненная из композитных материалов.
• В отличие от металлического арматурного каркаса, стеклопластиковые изделия обладают меньшей жесткостью. Из-за этого недостатка они плохо переносят вибрационные нагрузки, возникающие при их заливке с помощью автомобильного миксера. При использовании такой техники арматурный каркас подвергается значительным механическим нагрузкам, которые могут вызвать его поломку и нарушение пространственного положения его элементов, поэтому к жесткости подобных бетонных конструкций предъявляются достаточно высокие требования.

Разрыв арматуры в следствии недостаточного связующего в структуре стержня

Рассматривая преимущества и недостатки стеклопластиковой арматуры, сложно сказать, насколько она лучше или хуже изготовленной из металла. В любом случае к выбору этого материала следует подходить очень обоснованно, используя его для решения тех задач, для которых он действительно предназначен.

Сферы применения стеклопластиковой арматуры

Арматура, изготовленная из композитных материалов, правила укладки которой несложно изучить по соответствующим видео, используется и в капитальном, и в частном строительстве. Поскольку капитальное строительство осуществляется силами квалифицированных специалистов, которые хорошо знакомы с нюансами и недостатками применения тех или иных строительных материалов, остановимся на особенностях использования такого материала при возведении частных малоэтажных строений.

Сферы использования композитной арматуры

• Арматура, изготовленная из композитных материалов, успешно используется для укрепления фундаментных конструкций следующих типов: ленточных, высота которых больше, чем глубина промерзания почвы, и плитных. Применение арматуры из углепластика для укрепления фундаментов целесообразно лишь в тех случаях, когда строение возводится на хорошем грунте, где бетонные основания не будут подвергаться нагрузкам на излом, которые стеклопластиковые элементы могут просто не выдержать.
• При помощи стеклопластиковой арматуры укрепляют стены, кладка которых выполняется из кирпича, газосиликатных и других блоков. Следует отметить, что в качестве связующего элемента стен композитная арматура очень популярна среди частных застройщиков, которые используют ее не только для укрепления кладки несущих конструкций, но и для обеспечения их связки с облицовочными перегородками.
• Этот материал активно используется и для связки элементов многослойных панелей. Структура последних включает в себя слой утеплителя и бетонные элементы, которые и связываются между собой при помощи стеклопластиковой арматуры.
• Благодаря тому, что арматура рассматриваемого типа лишена такого недостатка, как подверженность коррозии, ее часто используют для укрепления различных гидротехнических сооружений (к примеру, плотин и бассейнов).
• В тех случаях, когда необходимо эффективно увеличить жесткость клееных деревянных балок, их также укрепляют при помощи стеклопластиковой арматуры.
• Используется этот материал и в дорожном строительстве: с его помощью укрепляют слой асфальтового полотна, который подвергается повышенным нагрузкам в процессе своей эксплуатации.

Резюмируя все вышесказанное, следует отметить, что применять стеклопластиковую арматуру можно достаточно эффективно, если учитывать ее недостатки и связанные с ними ограничения, которые оговариваются производителем.

Способна ли арматура из стеклопластика заменить аналоги из металла

Несмотря на то, что арматура, изготовленная из композитных материалов, является достаточно новым материалом на строительном рынке, уже можно найти множество рекомендаций (и даже видео) по ее применению. Учитывая данные рекомендации, можно сделать вывод о том, что применять стеклопластиковую арматуру лучше всего для укрепления стен, возводимых из кирпича и строительных блоков, а также для связи несущих стен с межкомнатными перегородками.

Усиление стен из газосиликатных блоков 4-миллиметровой композитной арматурой

Преимуществами использования такой арматуры является то, что она не подвержена коррозии, а также что она не создает мостиков холода, как это происходит с армирующими прутками из металла. Использование такой арматуры для укрепления фундаментных конструкций обосновано в тех случаях, когда возводится не слишком тяжелая постройка и строительство осуществляется на грунте, отличающемся высокой устойчивостью.

В любом случае успешность использования этого нового строительного материала пока не подтверждена длительной практикой, поэтому, применяя его, любой застройщик действует на свой страх и риск. Специалисты, имеющие большой опыт в строительстве, рекомендуют для конструкций, к которым предъявляются высокие требования по надежности, устойчивости и долговечности, использовать все же армирующие каркасы, изготовленные из традиционных металлических элементов.

Структура композитных материалов

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами — кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придаёт материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счёт добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных плёнок.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочнённых частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20—25 % (по объёму), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15 % (по объёму) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов — нового класса композиционных материалов — ещё меньше и составляют 10—100 нм.

Полимерные композитные материалы (ПКМ)

Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях даёт значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30 % веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

А) Стеклопластики — полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формируют 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.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей — куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось — она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80 % по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Стеклопластики — достаточно дешёвые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т. п.

Б) 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. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление — 220° С, карбонизация — 1000—1500° С и графитизация — 1800—3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5 % по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков — чаще всего — термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики — очень лёгкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, чёрного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении лёгких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композитные углеграфитовые материалы — наиболее термостойкие композитные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолётов, тормозные колодки и диски для скоростных самолётов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

В) Боропластики — композитные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедрённые в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетённых вспомогательной стеклянной нитью или лентой, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твёрдости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30 % стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.

Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Г) 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, а также полиимиды. Материал содержит 40—70 % наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров — полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т. п. — варьируется в значительно больших пределах — от 2 до 70 %. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.

Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т. д.

Д) Полимеры, наполненные порошками. Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформальдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола — вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до её затвердевания, увеличивает её прочность. Созданный им материал — бакелит — приобрёл большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя — пресс-порошок — под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это — ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день.

Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дёшевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет даёт возможность окрашивать материал. Применяют для изготовления жёстких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т. д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т. п. По-прежнему широко применяют органические наполнители — древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.

Е) Текстолиты — слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов — покрытия для кухонных столов — трудно переоценить.

Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие — на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон — хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т. д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Композитные материалы с металлической матрицей

При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т. д. Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы различной дисперсности.

Свойства дисперсноупрочненных металлических композитов изотропны -одинаковы во всех направлениях. Добавление 5-10 % армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности композита по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в жаропрочный хромоникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия из этого сплава способны к длительной работе, с 1000° С до 1200° С. Дисперсноупрочненные металлические композиты получают, вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой металлургии.

Армирование металлов волокнами, нитевидными кристаллами, проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость металла. Например, сплавы алюминия, армированные волокнами бора, можно эксплуатировать при температурах до 450—500° С, вместо 250—300° С. Применяют оксидные, боридные, карбидные, нитридные металлические наполнители, углеродные волокна. Керамические и оксидные волокна из-за своей хрупкости не допускают пластическую деформацию материала, что создаёт значительные технологические трудности при изготовлении изделий, тогда как использование более пластичных металлических наполнителей позволяет переформование. Получают такие композиты пропитыванием пучков волокон расплавами металлов, электроосаждением, смешением с порошком металла и последующим спеканием и т. д.

В 1970-х появились первые материалы, армированные нитевидными монокристаллами («усами»). Нитевидные кристаллы получают, протягивая расплав через фильеры. Используются «усы» оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т. д. длиной 0,3-15 мм и диаметром 1-30 мкм. Армирование «усами» позволяет значительно увеличить прочность материала и повысить его жаростойкость. Например, предел текучести композита из серебра, содержащего 24 % «усов» оксида алюминия, в 30 раз превышает предел текучести серебра и в 2 раза — других композиционных материалов на основе серебра. Армирование «усами» оксида алюминия материалов на основе вольфрама и молибдена вдвое увеличило их прочность при температуре 1650° С, что позволяет использовать эти материалы для изготовления сопел ракет.

Композитные материалы на основе керамики

Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растёт незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам — материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твёрдые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники — это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т. д.

Керамические композитные материалы получают методами горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием под давлением) или методом шликерного литья (волокна заливаются суспензией матричного материала, которая после сушки также подвергается спеканию).

• Композитная арматура
• Гибридный материал

Литература

• Кербер М. Л., Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. — СПб.: Профессия, 2008. — 560 с.
• Васильев В. В., Механика конструкций из композиционных материалов. — М.: Машиностроение, 1988. — 272 с.
• Карпинос Д. М., Композиционные материалы. Справочник. — Киев, Наукова думка
• СП 164.1325800.2014 Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования.
• Техническое заключение по результатам лабораторных испытаний арматурных выпусков из стеклопластика, установленных в монолитный бетон, на действие продольных относительно оси выпуска усилий // Tekhnicheskoe zaklyuchenie po rezul’tatam laboratornyh ispytaniy armaturnyh vypuskov iz stekloplastika, ustanovlennyh v monolitnyy beton, na deystvie prodol’nyh otnositel’no osi vypuska usiliy
• Высокопрочные системы усиления ITECWRAP/ITECRESIN. Екатеринбург: ООО НИИ Высокопрочные системы усиления ИНТЕР/ТЭК, 2010. 69 с. // Vysokoprochnye sistemy usileniya ITECWRAP/ITECRESIN. Yekaterinburg: OOO NII Vysokoprochnye sistemy usileniya INTER/TEK, 2010. 69.
• Коршунов, Я. Бурейская ГЭС: сверхпроектные работы/ Я. Коршунов // Газета «Вестник РусГидро».№ 4 — 2014. С.8. // Korshunov, Ya. Bureyskaya GES: sverhproektnye raboty/Ya. Korshunov//Gazeta «Vestnik RusGidro» #4-2014. P.8
• Усиление железобетонных конструкций (Пособие П 1-98 к СНиП 2.03.01-84*). Минск, 1998. // Usilenie zhelezobetonnyh konstrukciy (Posobie P 1-98 k SNiP 2.03.01-84*). Minsk, 1998.
• Хозин В. Г., Пискунов А. А., Гиздатуллин А. Р., Куклин А. Н.//Сцепление полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном / Известия КГАСУ № 1(23) — 2013. С.1-8
• Хозин В. Г., Пискунов А. А., Гиздатуллин А. Р., Куклин А. Н.//Сцепление полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном / Известия КГАСУ № 1(23) — 2013. С. 1-9

	Композиционный материал на Викискладе

• Журнал Механика композиционных материалов и конструкций
• «Композиты из наукограда» Телесюжет
• «Технология чёрного крыла» Телесюжет