Композиционные материалы: виды, применение в строительстве и основные преимущества
Строительная индустрия постоянно развивается, открываются новые площадки, строятся различные объекты.
Композиционные материалы стали неотъемлемой частью этой сферы, сейчас уже трудно представить масштабные строительные работы без использования композита.
Стойкий, легкий и прочный, он имеет значительные преимущества перед природными материалами, обладающими большим весом и не имеющими значительных способностей к изменению формы.
Композиционные материалы в строительстве
Существуют разные типы композиционных материалов, они различаются по своему составу и свойствам. Наиболее распространены и востребованы в строительстве, например, такие виды, как сэндвич-панели, углепластиковые панели, слоистые материалы, текстолиты, стеклопластики. Все они обладают высокими эксплуатационными характеристиками и декоративным эффектом.
Композит применяется не только при возведении жилых объектов. Трудно представить мост или плотину, где бы не использовались углепластиковые панели. Различные архитектурные элементы, такие как арки или купола, тоже зачастую создаются с применением композиционных материалов. Это выгодно для застройщиков, поскольку обеспечивает им значительную экономию на возведении конструкций, монтаже, хранении и перевозке материала, и при этом надежность, качество и прочие эксплуатационные характеристики будущего здания никак не страдают.
Дизайнеры используют композит в моделизме. Оригинальные расцветки, возможность создавать необычные причудливые формы — все это можно увидеть, если рассмотреть всевозможные композиционные материалы на www.hccomposite.com. С такими ресурсами можно создавать действительно необычные архитектурные сооружения, которые будут еще и надежными и долговечными.
Виды, характеристики и свойства
Все композиционные материалы изготавливаются по похожей структуре — у них есть армирующее вещество и матрица. Арматура — это то, что передает материалу физические и химические свойства, является его основой. А матрица придает изделию форму, фиксируя арматуру определенным образом.
Можно выделить некоторые примеры самых распространенных в строительстве композитов:
- Бетоны. Их матрица может быть как традиционной, цементной, так и созданной на основе новых технологий — полимерной. Разновидностей бетонов существует огромное множество, они отличаются своими свойствами и областью применения — от обычных до декоративных. Современные бетоны по своей прочности приближаются к металлическим конструкциям.
- Органопластические композиты. Их основным наполнителем являются синтетические волокна, изредка используются и природные материалы. Матрицей обычно служат различные смолы. Органопластики достаточно легкие, хорошо держат удар, сопротивляются динамическим нагрузкам, но при этом плохо выдерживают растяжения и сгибы. Древесные композиционные материалы также относятся к органопластикам по классификации.
- Стеклопластики армируются стеклянными волокнами, а в качестве формирующей матрицы для их изготовления применяют особые синтетические смолы или термопластичные виды полимеров. Материал обладает устойчивостью, прочностью, низкой теплопроводностью, но при этом свободно пропускает радиосигналы.
- Углепластики представляют собой соединение углеводородных волокон и различных полимеров. Обладают более высокой упругостью, чем стеклопластики, легкие и достаточно прочные.
- Текстолиты — это слоистые материалы, армированные тканями на основе различных волокон. Заготовки-полотна заранее пропитывают смолой, а затем прессуют с использованием режима высокой температуры, получая готовый к применению пласт. Поскольку наполнители могут быть очень разными, то и свойства значительно разнятся.
Преимущества, недостатки и применение
Поскольку композиты являются достаточно эффективными, применение в строительстве достаточно распространено благодаря ряду преимуществ этих материалов.
- Изделия получаются очень прочные, некоторые виды композиционных материалов, например, стеклопластики, по своей прочности способны соперничать с металлом. При этом они отличаются гибкостью и хорошо переносят различные воздействия.
- Композиты отличаются своей легкостью, по сравнению с аналогами. Легкие балки, изготовленные из стекловолокна, гораздо лучше подходят для создания перекрытий в больших помещениях, чем металлические. Получившаяся конструкция не потеряет в прочности и качестве, но при этом требует гораздо меньших усилий во время проведения монтажных работ.
- Материалы отличаются высокой устойчивостью к воздействию агрессивной среды, поэтому из них можно создавать не только внутренние конструкции, но и использовать для внешних, открытых воздействию солнечных лучей, осадков и резкой смене температур.
- Химические реагенты не страшны композитным материалам, поэтому их можно использовать, например, для возведения складов, где будут храниться химикаты.
- Благодаря новым технологиям, современные композиты перестали быть пожароопасными, они не позволяют пламени распространиться, практически не дымят и не выделяют опасных ядовитых веществ.
У композитов есть не только преимущества, но и недостатки, которые сдерживают их распространение на строительном рынке.
- Высокая стоимость — основная проблема композиционных материалов. Для их изготовления необходимо специальное сырье и современное оборудование, поэтому и готовые изделия получаются достаточно дорогими.
- Материалы обладают гигроскопичностью, то есть, легко впитывают влагу, что ведет к дальнейшему разрушению. Поэтому их необходимо дополнительно укреплять при производстве влагостойкими защитными средствами.
- Некоторые композиционные материалы имеют низкую ремонтопригодность, что повышает стоимость их эксплуатации.
Композиционные материалы, как и любые другие, имеют свои достоинства и недостатки.
Насколько оправданным будет использование композитов? Зависит от конкретных целей, условий, общего бюджета. Впрочем, современные технологии позволяют изобретать новые формы и виды таких материалов, поэтому, возможно, в будущем они станут менее дорогими и более распространенными, а также обзаведутся улучшенными характеристиками.
Основа дома – композитный продукт
Во Флориде США создали продукт, который может заменить бетонные блоки, дерево и сталь в жилищном и коммерческом строительстве. В настоящее время этот материал начали выпускать на новой производственной линии в Киссимми, штат Флорида.
Производственный и сборочный процессы, разработанные и запатентованные Composite Building Structures Ltd. (CBS), используют стекловолокно и смолы для создания композитной основы, которая является более крепкой и устойчивой, чем какой-либо другой материал, использующийся в настоящее время.
Созданный материал может выдержать ветер со скоростью до 350 миль/ч, обеспечивая большую безопасность во время ураганов и торнадо. Он также поддается легкой деформации, не изменяя своей структуры, что позволяет использовать его в районах с повышенной сейсмичностью. Кроме этого, новый материал пожаробезопасен, устойчив к появлению плесени, не поддается воздействию термитов и других вредителей, а также не создает помехи для электронных и радиосигналов, что делает его высокоэффективным строительным материалом выбора в нашем беспроводном мире.
Новый продукт также предоставляет много преимуществ для тех, кто стремится к лучшей жизни. Ведь для строительства дома в 2 000 кв. футов уйдет всего лишь 1 тонна композитного материала, в то время как древесины понадобится 17 тонн, а бетона – 41 тонну. Производство композита на линиях трех заводов может ежегодно спасти как минимум 70 кв. миль леса от вырубки.
Более того, имеется возможность собирать панели из композита высотой до 50 футов прямо на производственной линии завода, тем самым упрощая процесс строительства дома. Панели стен и крыши монтируются в соответствии с проектом дома и поставляются на объект строительства. Возведение дома вплоть до крыши производится в течение одного дня и охватывает монтаж окон, дверей, обшивки, изоляции и электрических коробок на месте, без строительного мусора. Затем застройщик заполняет внутреннее пространство и выполняет окончательную отделку дома. Для перевозки на строительный участок панелей для одного дома понадобится всего лишь один грузовик.
Что касается стоимости, этот композитный материал сопоставим по цене с деревянной конструкцией дома, но с гораздо меньшей неустойчивостью в ценообразовании.
Объект в Киссимми – второй в мире завод по сборке нового композитного материала. Первый завод должен вступить в строй в штате Алабама. Две фабрики, работающие 24 часа в день, могут производить материал для 7 200 домов в год.
В настоящее время основатель заводов Джеймс Антоник находится в переговорах с инвесторами и строителями о лицензировании дополнительных заводов на всей территории Соединенных Штатов. В планах Антоника выйти с новым композитным материалом на мировой рынок жилищного строительства. Он встретился с инвесторами и правительственными должностными лицами многих зарубежных стран, где имеется нехватка жилья, для обсуждения своего продукта и подачи заявки в жилищном и коммерческом строительстве.
Композиционные строительные материалы
Композиционные материалы представляют собой созданные в искусственных условиях неоднородные сплошные материалы, которые состоят из 2-х и более слоев с четко разделенной границей. В состав большинства композитов входит матрица и армирующие элементы, выполняющие функцию обеспечения механических свойств – жесткости, прочности. Чтобы сохранить исходные характеристики компонентов, используются специальные технологии, направленные на обеспечение их прочной связи. Все преимущества отдельно взятых материалов объединяются. Повышается устойчивость к появлению трещин и статическая прочность. Однородные материалы такими свойствами, как правило, не обладают.
зависимости от вида армирования композиты делятся на:
− дисперсно-упрочняющие композиты, представляющие собой материал, в матрице которого равномерно распределены частицы. Концентрация мелких и средних частиц может достигать 25 % по объему. При этом всю нагрузку воспринимает матрица;
− волокнистые композиты, представляющие собой материал, в котором высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения и обеспечивают жесткость и прочность композита.Особенность волокнистых композитов – равномерное распределение волокон в пластичной матрице, объемная доля которых может достигать 75 % и более.
Компоненты композиционных материалов должны обладать хорошей совместимостью. Это относится не только к прочности сцепления (адгезии) между разными составляющими, но и к ряду других свойств.
В композиционных материалах разнородные компоненты создают синергетический эффект, то есть приобретается новое качество материала, отличное от свойств исходных компонентов.
Свойства композитов определяются высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе «матрица-волокно».
По плотности композиционные строительные материалы подразделяют на следующие группы:
– особо легкие (средняя плотность
– обычные (средняя плотность 1200…2200 кг/м3);
– тяжелые (средняя плотность 2200…2800 кг/м3);
– особо тяжелые (средняя плотность > 2800 кг/м3
По способу твердения в зависимости от особенности микроструктуры композит строительные материалы подразделяют на следующие группы:
– твердеющие при понижении температуры (водные растворы, асфальтовые, битумные, металлические, керамические, стекла, каменное литье, серы, термопластичные полимеры);
– твердеющие в результате удаления части компонентов жидкой фазы – растворителей или разбавителей (лакокрасочные составы, эмульсии, холодные мастики и замазки);
– твердеющие в процессе физико-химического взаимодействия с газообразными средами (воздухом, углекислым газом, кислородом) – материалы на основе воздушной извести и жидкого стекла;
– твердеющие в результате физико-химического взаимодействия с жидкими средами (водой, растворами солей, щелочей, кислот) с образованием новых продуктов реакций – материалы на основе минеральных вяжущих;
– твердеющие в результате реакций полимеризации и поликонденсации термопластичных или термореактивных синтетических полимеров (замазки, шпаклевки, клеи, связующие полимеррастворов и полимербетонов, стеклопластики, дерево пластики и др.);
– твердеющие в результате высокотемпературных процессов (керамика, ситаллы).
В зависимости от строения макроструктуры композиционные строительные материалы подразделяют на следующие группы:
– дисперсно-наполненные (мастики, шпаклевки, замазки, клеи, растворы), содержащие связующее вещество и дисперсный наполнитель;
– дисперсно-армированные (стеклопластики, асбестоцемент и др.), состоящие из связующих веществ и волокнистых хаотично расположенных наполнителей;
– волокнистые композиты (фанера, стекловолокнистые анизотропные материалы, стеклотекстолиты), включающие связующие вещества и ориентированные волокна;
– растворы – материалы, состоящие из вяжущего вещества и мелкого заполнителя;
– бетоны – материалы, состоящие из вяжущего вещества, крупного и мелкого заполнителя (полимербетоны и бетонополимеры).
По виду вяжущего композиционные строительные материалы подразделяют на следующие группы:
– материалы на основе минеральных вяжущих веществ;
– материалы на основе органических вяжущих веществ;
– материалы на основе полимерных синтетических связующих;
– материалы на основе комплексных вяжущих веществ.
По назначению композиционные строительные материалы подразделяют на следующие группы:
– конструкционные материалы, предназначенные для изготовления строительных конструкций: несущих, ограждающих, технологических емкостей и оборудования;
– теплоизоляционные материалы, применяемые для изоляции ограждающих конструкций, зданий, сооружений, технологического оборудования и приборов от тепла и холода;
– гидроизоляционные материалы, применяемые для производства гидроизоляционных, пароизоляционных, кровельных и отделочных работ;
– химически стойкие материалы, применяемые для устройства химически стойкой облицовки или отделки существующих объектов и сооружений;
– электроизоляционные материалы, применяемые для диэлектрических конструкций и аппаратов;
– отделочные материалы, применяемые для улучшения архитектурной выразительности, а также для реставрации или ремонта строительных объектов;
– материалы специального назначения: радиационно-стойкие, огнестойкие, огнеупорные и др.
Полимеры
Полимерные материалы представляют природные или синтетические высокомолекулярные органические соединения, состоящие из огромного количества атомов. Строение молекул полимеров может иметь линейный или объёмный характер. Полимеры, молекулы которых имеют линейное строение, обладают термопластичностью — размягчаясь при нагревании они вновь затвердевают при охлаждении. Размягчение и отвердевание можно проводить многократно. Многократное нагревание с последующим охлаждением не вносит существенных изменений в свойства материала (полиэтилен, полистирол). Полимеры, имеющие объёмное строение молекул, обладают термореактивностью — они не могут многократно обратимо расплавляться и затвердевать. При первом нагревании они становятся пластичным и принимают заданную форму, переходя в неплавкое и нерастворимое состояние (фенопласты).
По упругим свойствам полимеры подразделяют на:
Полимерные материалы содержат три группы веществ:
Связующими веществами служат синтетические смолы. В качестве пластификаторов вводя глицерин, камфору и др. вещества, которые повышают эластичность и пластичность полимеров, облегчая их переработку. Наполнители (порошковые, волокнистые) придают полимерным изделиям большую механическую прочность, предотвращают усадку. Кроме этого, в состав вводят пигменты, стабилизаторы, ускорители твердения и др. вещества.
При изготовлении полимерных строительных материалов, изделий и конструкций наибольшее применение находят полиэтилен (плёнки, трубы), полистирол (плиты, лаки), полихлорвинил (линолеум), полиметилметакрилат (органическое стекло).
Благодаря хорошим механическим свойствам, эластичности, электроизоляционным качествам, способности принимать любую форму в процессе переработки полимерные материалы нашли широкое применение во всех областях строительства и в нашей повседневной жизни.
Полимеры в зависимости от метода получения подразделяют на полимеризационные и поликонденсационные. Полимеризационные полимеры получают путём полимеризации. К ним относятся полиэтилен, полистирол. Поликонденсационные полимеры получают методом поликонденсации. К ним относятся полиэфирные, акриловые, кремнийорганические и др. смолы, полиэфиры, полиуретановые каучуки.
Полиэтилен получают полимеризацией этилена из попутного и природного газа. Он стареет под действием солнечной радиации, воздуха, воды. Его плотность 0,945 г/см³, морозостойкость −70 °C термостойкость всего 60-80 °C. По способу получения различают полиэтилен высокого давления (ПВД), низкого давления (ПНД) и на окисно-хромовом катализаторе (П). При нагревании до 80 °C полиэтилен растворяется в бензоле, четырёххлористом углероде. Применяют его для изготовления плёнок отделочных материалов.
Полиизобутилен — каучукоподобный или жидкий эластичный материал, получаемый полимеризацией изобутилена. Он легче полиэтилена, менее прочен, обладает очень малой влаго- и газопроницаемостью, почти не стареет. Применяют его для изготовления гидроизоляционных тканей, защитных покрытий, плёнок, в качестве добавок в асфальтобетонах, вяжущего для клеев и др.
Полистирол — термопластичная смола, продукт полимеризации стирола (винилбензола). Применяют его для изготовления плит, облицовочных плиток, лаков эмалей и др.
Полиметилметакрилат (органическое стекло) — образуется в процессе полимеризации метилового эфира в результате его обработки метакриловой кислотой. В начале образуется метилметакрилат в виде бесцветной, прозрачной жидкости, а затем получают стеклообразный продукт в виде листов, трубок… Они очень стойки к воде, кислотам и щелочам. Применяют их для остекления, изготовления моделей.
Трубы из полимерных материалов широко применяют при строительстве напорных трубопроводов (подземных и надземных), оросительных систем, закрытого дренажа, трубчатых гидротехнических сооружений. В качестве материала для изготовления полимерных труб используют полиэтилен, винипласт, полипропилен, фторопласт.
Полиэтиленовые трубы изготавливают методом непрерывной шнековой экструзии (непрерывное выдавливание полимера из насадки с заданным профилем). Полиэтиленовые трубы морозостойки, что позволяет эксплуатировать их при температурах от −80 °C до +60 °C.
Гидротехнические сооружения работающие в условиях агрессивной среды, действия больших скоростей и твёрдого стока, защищают специальными покрытиями или облицовками. С целью предохранения сооружений от этих воздействий, увеличения их долговечности используют полимерные мастики, полимерные бетоны, полимербетоны, полимеррастворы.
Полимерные мастики — предназначены для создания защитных покрытий, предохраняющих конструкции и сооружения от воздействия механических нагрузок, истирания, перепадов температур, радиации, агрессивной среды.
Полимерные бетоны — цементные бетоны, в процессе приготовления которых в бетонную смесь добавляют кремнийорганические или водо-растворимые полимеры. Такие бетоны имеют повышенную морозостойкость, водонепроницаемость.
Полимербетоны — это бетоны, в которых вяжущими материалами служат полимерные смолы, а заполнителем — неорганические минеральные материалы.
Полимеррастворы отличаются от полимербетонов тем, что не имеют в своём составе щебня. Их применяют в качестве гидроизоляционных, антикоррозионных и износоустойчивых покрытий гидротехнических сооружений, полов, труб.
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-19; Нарушение авторского права страницы