Применение современных композиционных материалов в строительстве

Все традиционно применяемые в строительстве материалы основаны на природных вяжущих (скрепляющих) веществах, т.е. матрицах: глина, цемент, асбест, гипс и др. Эти вещества добываются или производятся в огромных количествах, а значит они дешевы. Однако, они имеют высокий удельный вес, низкие физико-механические характеристики на изгиб и растяжение, низкую стойкость к агрессивным средам.

Композит же напротив имеет относительно высокую стоимость, но также и обладает малым удельным весом, высокими физико-механическими характеристиками, стойкостью к агрессивным средам, тепло- и звукоизоляционными свойствами, светопрозрачностью и пр.

Удельная прочность и жесткость строительных конструкций из стеклопластиков и углепластиков значительно выше, чем конструкций, изготовленных из большинства традиционных материалов. Эти показатели у стеклопластиков в 7-10 раз выше, чем у стали; в 6-8 раз, чем у пиломатериалов; в 5-7 раз, чем у прессованной фанеры.

К КМ, применяемым в строительстве, кроме традиционных (высокая прочность и жесткость, относительно низкая стоимость, технологичность и др.) предъявляют также специфические требования:

1. Огнестойкость (негорючесть);

2. Удовлетворение санитарным нормам по уровню выделения вредных продуктов;

3. Долговечность (светостойкость, атмосферостойкость, срок службы, исчисляемый десятками и сотнями лет).

Кроме этого, к строительным конструкциям часто предъявляют повышенные требования, касающиеся износа, декоративного вида, акустики, теплоизоляции и др.

Горючесть (воспламеняемость) строительных пластиков и их атмосферная и химическая стойкость являются определяющими при выборе материалов для будущего здания, потому что даже некоторые из наименее огнеопасных пластиков выделяют при горении очень большое количество дыма, в состав которого входят такие компоненты как хлор, фтор, азот.

Наиболее широко стеклопластики применяют в строительстве временных сооружений, выставочных павильонов, торговых точек, летних домиков и т.п. В сельском хозяйстве – при сооружении теплиц, парников, хранилищ и т.д.

Слоистые материалы – текстолиты на стекло и асботканей используются в качестве перегородок, кровли, обшивочного материала и ограждений. Но основное применение текстолитов – это изготовление панелей различного назначения. Наибольшее применение получили 3-х слойные или сэндвич-панели с теплоизолятором и обшивками, из композита, заключенными, как правило, в стальную раму.

Одно из главных достоинств панелей из стеклопластиков – их небольшая масса: при выполнении одних и тех же функций 1 м2 стеновых панелей из стеклопластиков весит примерно в 4,5 раза меньше 1 м2 кирпичных трехслойных панелей, а 1 м2кровельных панелей – в 3-4 раза меньше панелей из железобетона.

Один условный квадратный метр промышленного здания с панелями из стеклопластиков весит в 4,5-5 раз меньше, чем из обычных кирпично-бетонных материалов. В сравнении с кирпичными стеновые панели с применением стеклопластиков в 2-3 раза легче, но более капиталоемки, что приводит к перерасходу совокупных приведенных затрат. Вместе с тем одна из панелей потолочных перекрытий (трехслойная стеклопластиковая панель с асбестоцементными обшивками на стальной раме) позволяет получить экономию совокупных приведенных затрат.

Наибольшее и эффективное применение сэндвич-панелей получило при строительстве быстровозводимых и временных зданий и сооружений: спортивных и торговых центров, сельскохозяйственных сооружений, мобильных жилых композитов, зданий пищевой промышленности.

В условиях России ожидаются следующие экономические преимущества сэндвич-панелей перед кирпичными зданиями:

— вдвое снижаются затраты на проектирование зданий;

— на 30-40 снижаются затраты на возведение (монтаж);

— снижаются затраты на транспортировку материалов (т.к. отпадает необходимость использования специального большегрузного транспорта (трейлеров);

— снижается время монтажа, значит снижаются затраты на аренду подъемного и др. спец. оборудования.

Отдельно следует отметить применение углеслеклопластиковых панелей в качестве обогреваемой опалубки при непрерывной заливке бетона при сооружении мостов, плотин, каркасов высотных зданий.

В настоящее время широкое распространение получили декоративные и защитные панели, а также легко транспортируемые и устанавливаемые сборные конструкции из композиционных материалов: оболочки, купола, своды, арки, консольно-балочные системы, опоры, навесы, панели, стеновые перегородки, листы для внутренней и наружной отделки, резервуары, бункеры силосных башен, облицовки ванны, санузлы, плавательные бассейны, камины, столбы и опоры для линий электропередач, карнизы, балконные плиты, ограждения лестницы и балконы, холодная прозрачная кровля, плинтусы, подоконники, полупрозрачные и другие плиты для световых двориков, плиты для огнестойких перегородок, элементы вентиляционных систем, использующиеся для технического, сельскохозяйственного и жилого строительства.

Особый интерес для строительства представляют волокнистые светопрозрачные стеклопластики. Для светопрозрачных кровель их применяют как самостоятельно, так и совместно с другими материалами. Для производственных работ проще, если кровля выполнена из одного вида материала.

Светопрозрачные покрытия выгодны для промышленных зданий, эксплуатируемых в условиях выделения агрессивных газов или паров и расположенных в районах с влажным и теплым климатом. Их применение экономически более выгодны, даже если они дороже обычных материалов.

Примером светопрозрачного стеклопластика может быть материал «ФИБРОЛАЙТ». «ФИБРОЛАЙТ» – это универсальный светопрозрачный материал (К = 92%) с хорошими физико-механическими характеристиками и низкой теплопроводностью, что позволяет ему с успехом заменять стекло в покрытиях теплиц, парников и др. сельскохозяйственных сооружениях. Не бьется при ударе градин, пыль и грязь смываются естественными осадками. Удобный монтаж к каркасу – на стандартные саморезы с прессшайбой и резиновой прокладкой, может подвергаться демонтажу и повторно использоваться. Поскольку является светопроводником и теплоизолятором – снижает потребность в освещение о обогреве помещений.

Для проведения выставок широко применяются натяжные и воздухоопорные конструкции (павильоны), поддерживаемые избыточным давлением воздуха и состоящие из однослойной мембраны, прикрепленной вдоль края анкерами к фундаменту. Мембрана может быть изготовлена из стеклоткани, покрытой полихлорвинилом. Она имеет высокую степень прозрачности и в ясный день пропускает внутрь павильона мягкий свет в количестве, более чем достаточном для освещения экспонатов. Избыточное внутренне давление, необходимое для поддержания павильона, составляет всего сотые доли атмосферы при достаточно большой подъемной силе.

При устройстве козырьков над входами и навесов над балконами или верандами они не имеют никаких ограничений, соответствуют предъявляемым требованиям, а по некоторым показателям (малая масса, светопрозрачность, высокие декоративные данные, простота применения т.д.) даже превосходят применяемые в этих целях традиционные материалы. Опыт изготовления временных зданий и сооружений из стеклопластиков позволяет формировать санитарно-технические узлы в виде единого блока с заранее смонтированными электропроводкой и гибкими (из поливинилхлорида) трубопроводами систем водоснабжения, способными расширяться без разрушения при замерзании в них воды.

В проектировании и строительном производстве есть примеры получения плоских и пространственных ферм из стеклопластиковых элементов. Стержни ферм изготовляют из стеклопластиков уголкового, трубчатого или других профилей, получаемых методом пултрузии.

Одно из основных сфер применения пултрузионных профилей – ферменные конструкции, например, пешеходных мостов. Первый в России пешеходный мост из стеклопластиковых профилей был спроектирован и создан в 2004 году на основе существующих нормативных документов для мостов из традиционных материалов и ТУ на пултрузионный стеклопластик, т.е. все технологические решения построения ферм и соединения профилей через косынки и уголки применены без учета особенностей и возможностей композита. Но и в этом случае получен впечатляющий результат: при ширине настила 3 мм, длине пролетов 2 – по 13 м и 1 – по 15 м, он имел массу около 10 тонн и был смонтирован за 12 часов. Расходы на его эксплуатацию снизились в 100 раз.

Строительство других мостовых переходов под высоконагруженные авто и железнодорожные магистрали (в т.ч. мобильные – новое слово в практике) показали:

— снижение массы настила моста до 60%;

— снижение общей стоимости работ до 10% за счет снижения расходов на транспортировку, монтаж, расходов на строительство опор;

— замена чугунных перильных ограждений дает снижение массы до 13 раз и снижение эксплуатационных затрат в 80 раз;

— минимальное время остановки движения магистрали;

— продление срока службы.

Другим направлением использования стеклопластиковых стержней является замена стальной арматуры в железобетонных конструкциях. Это обусловлено высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, а также низкой тепло- и электропроводностью стеклопластика. Однако, ввиду высокой стоимости стеклопластиковая арматура (СПА) используется только там, где под действием агрессивной среды происходит интенсивное разрушение ЖБК.

Внутренняя СПА применяется в конструкциях, работающих в средах, агрессивных к стальной арматуре, и не агрессивных по отношению к бетону.

Гораздо чаще применяется наружная СПА необходимая в случаях когда ЖБК работает в средах, разрушающих бетон. К таким средам в первую очередь относится морская вода.

Возможность изготовления долговечных свай для морских сооружений заложена в применении поверхностного стеклопластикового армирования. Такие конструкции по коррозионной стойкости и морозостойкости не уступают конструкциям, выполненным полностью из полимерных материалов, а по прочности, жесткости и устойчивости их превосходят.

Долговечность конструкций с внешним стеклопластиковым армированием определяется коррозионной стойкостью стеклопластика. Благодаря герметичности стеклопластиковой оболочки бетон не подвергается воздействию среды и поэтому его состав может подбираться только исходя из требуемой прочности.

Основная идея конструкций с внешним армированием состоит в том, что герметичная стеклопластиковая оболочка, надежно защищает бетонный элемент от воздействия внешней среды и, одновременно, выполняет функции арматуры, воспринимая механические нагрузки.

Возможны два пути получения бетонных конструкций в стеклопластиковых оболочках. Первый включай изготовление бетонных элементов, их сушку, а затем заключение в стеклопластиковую оболочку, путем многослойной обмотки стекломатериалом (стеклотканью, стеклолентой) с послойной пропиткой смолой. После полимеризации связующего обмотка превращается в сплошную стеклопластиковую оболочку, а весь элемент – в трубобетонную конструкцию.

Первый путь получения СПА-конструкций дает возможность создания предварительного поперечного обжатия бетона, что существенно повышает прочность и снижает деформативность получаемого элемента. Это обстоятельство особенно важно, так как деформативность трубобетонных конструкций не позволяет в полной мере воспользоваться значительным увеличением прочности.

Второй основан на предварительном изготовлении стеклопластиковой оболочки и последующим заполнении ее бетонной смесью.

Испытания показали, что стойкость СПА в кислой среде более чем в 10 раз, а в растворах солей более чем в 5 раз выше стойкости стальной арматуры. Наиболее агрессивной для СПА является щелочная среда. Снижение прочности СПА в щелочной среде происходит в результате проникновения жидкой фазы к стекловолокну через открытые дефекты в связующем, а также посредством диффузии через связующее.

Традиционные способы усиления и восстановления железобетонных конструкций достаточно трудоемки и часто требуют продолжительной остановки производства. В случае агрессивной среды после ремонта требуется создать защиту сооружения от коррозии. Высокая технологичность, малые сроки твердения полимерного связующего, высокая прочность и коррозионная стойкость внешнего стеклопластикового армирования предопределили целесообразность его использования для усиления и восстановления несущих элементов сооружений. Применяемые для этих целей способы зависят от конструктивных особенностей ремонтируемых элементов.

Внешнее армирование разделяется на сплошное и дискретное. Сплошное армирование представляет собой листовую конструкцию, полностью покрывающую поверхность бетона, дискретное – элементы сетчатого типа или отдельные полосы. Наиболее часто осуществляется одностороннее армирование растянутой грани балки или поверхности плиты. Срок эксплуатации железобетонных конструкций при воздействии агрессивных сред резко сокращается. Замена их стеклопластбетонными ликвидирует затраты на капитальные ремонты, убытки от которых существенно возрастают, когда на время ремонта требуется остановка производства. Капиталовложения на возведение СПА конструкций значительно больше чем железобетонных. Однако через 5 лет они окупаются, а через 20 лет экономический эффект достигает двукратной стоимости возведения конструкций.

Автор: Ю.В. Костылев