Алексеева Л.Л. Инновационные технологии и материалы в строительной индустрии

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Ангарская государственная техническая академия

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

И МАТЕРИАЛЫ

В СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ

Учебное пособие

по курсу «Перспективные строительные материалы»

для студентов специальностей

270102 «Промышленное и гражданское строительство»

270105 «Городское строительство и хозяйство»

Ангарск 2010

Инновационные технологии и материалы в строительной индустрии. Учебное по-

собие /Алексеева Л.Л. Ангарская государственная техническая академия. – Ан-

гарск: АГТА, 2010, 104 с.

В учебном пособии рассматриваются инновационные пути развития строитель-

ных материалов и технологий ввиду их высокой эффективности и будущего ши-

рокого использования в различных отраслях строительства.

Рецензент: к.т.н., доцент П.А. Шустов

Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом АГТА

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………… 4

1 Композиционные строительные материалы (композиты)……………… 4

1.1 Характеристика композитов……………………………………………….. 4

1.2 Классификация композитов……………………………………………….. 6

1.3 Композиционные материалы на основе органической матрицы……….. 8

1.4 Композиционные материалы на основе неорганической матрицы.. …… 18

2 Композиты на основе дисперсно армированных бетонов………………. 29

2.1 Характеристика дисперсно армированных бетонов……………………... 29

2.2 Материалы для дисперсно армированных бетонов……………………… 38

2.3 Технологические методы изготовления дисперсно армированных……..

бетонов

……………………………………………………………………….

2.4 Области применения дисперсно армированных бетонов……………….. 66

Инновационный потенциал нанотехнологий в производстве

строительных материалов……………………………………………………

3.1 Характеристика нанотехнологий ……………………………………......... 79

3.2 Перспективные нанотехнологии для производства строительных ……..

материалов……………………………………………………………………….

3.2.1 Нанотехнологии активирования (структурирования) воды………........ 81

3.2.2 Нанотехнологии измельчения исходных материалов………………….. 83

3.2.3 Нанотехнологии изготовления и применения нанодисперсной армату-

ры………………………………………………………………………………….

3.2.4 Нанотехнологии использования модифицирующих добавок…………… 86

4 Инновационный

потенциал биотехнологий в строительной ……………..

индустрии…………………………………………………………………………

4.1 Характеристика биотехнологий ……………………………………………. 90

4.2 Применение биотехнологий в производстве древесных композитов……. 90

4.3 Биотехнологии в производстве модификаторов для строительных………

материалов…………………………………………………………………………

4.4 Применение биотехнологий в производстве биоцидных бетонов и

растворов………………………………………………………………….............

4.5 Применение биотехнологий в обработке сырьевых материалов…………. 100

Литература……………………………………………………………………….. 103

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения отдельных

тем курса: «Перспективные строительные материалы». Оно включает сведения о

свойствах, технологиях получения и применения эффективных строительных ма-

териалов, широко используемых во многих видах строительства, а также о мате-

риалах нового поколения, получаемых по новым технологиям.

Всемирный форум по устойчивому развитию человечества, состоявшийся

Иоханесбурге в сентябре 2002 г, определил как одну из главных задач на 21 век

необходимость сочетания социальных, экологических, высокотехнологичных и

экономических вопросов в решении глобальных проблем всей планеты, отдельно

взятых стран и отраслей производства.

Строительство как главная отрасль любой страны должно внести свою леп-

ту в решение поставленных задач по устойчивому

развитию человечества. Доля

строительства будет заключаться в разработке и внедрении инновационных мате-

риалов и технологий их производства, отвечающих поставленным перед челове-

чеством задачам.

1 КОМПОЗИЦИОННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

(КОМПОЗИТЫ)

1.1 Характеристика композитов

Композиты – материалы сложного состава, образующиеся путем сочетания

различных фаз с границей раздела между ними; это гетерофазные системы, полу-

чаемые

из двух и более компонентов с сохранением индивидуальности каждого

из них.

Композиционные материалы состоят из матрицы и армирующего компо-

нента. Компонент, непрерывный в объеме композиционного материала, называет-

ся матрицей (связующим). Компоненты, распределенные в матрице в форме зе-

рен, волокон или пластин, называются дисперсной арматурой (фиброй или арми-

рующим компонентом).

В композиционных материалах разнородные компоненты создают синерге-

тический эффект – новое качество материала, отличное от свойств исходных ком-

понентов. Например, в конструкционных композитах главное – это высокая

удельная прочность (коэффициент конструктивного качества), превышающая

аналогичную характеристику стали во много раз.

В то время как в одних композитах достигается очень выгодное сочетание

легкости и прочности (конструкционные композиты), в других современная тех-

ника ценит редкостное сочетание жесткости, упругости, термостойкости, невысо-

кого трения скольжения. Желаемый комплекс свойств достигается, как правило,

не

за счет создания какого-то нового вещества, а за счет удачного соединения в

одном материале веществ. Выгоды такого обстоятельства очевидны: материал с

новым сочетанием свойств не надо разрабатывать заново и налаживать его произ-

водство, путь этот сложный, длинный, дорогой. Еще одно важное достоинство

композитов – относительная дешевизна, она проистекает из дешевизны приме

няемых наполнителей – здесь часто пригодны даже отходы производства. Кроме

того, наполнитель экономит связующее вещество.

Производство композитов в мире стремительно растет (от 350 тысяч тонн в 1977

году до 5 млн.т в 2009 году).

Наиболее массовый и сравнительно дешевый композит – стеклопластик, где

упрочнитель - стеклянные волокна, а связующий элемент – смолы.

Чего только не делают

в мире из стеклопластиков: корпуса легких самоле-

тов, электротехнические изделия, сборные строительные сооружения, емкости и

трубы, особенно для химически активных продуктов, части автоматики, предметы

спорта и быта, медицины и т.д.

Вслед за стеклопластиком появились новейшие композиты, где в качестве

упрочняющих элементов используются углеродные волокна (органопластики).

Первые в 4,5 раза, вторые

в 5,5 раза легче стали и существенно прочнее. По

удельной прочности они превосходят сталь примерно в 15 раз.

Высокая удельная прочность – отличительная черта композитов. Удельная

прочность характеризует отношение прочности к плотности материала.

В автомашинах, начиная с 90-х годов, композиты не только широко исполь-

зуются, но и доминируют в наиболее перспективных марках, они

не боятся корро-

зии, из них изготавливают кузова, рессоры, рамы, бамперы и т.д. В самолетах-

гигантах «Руслан», «Мрия», «Ил-96», «Вояджер» использовано по 5…6 тонн и

более композитов. Будущее авиастроения – полная замена металла на композиты.

Волокна для композиционных материалов и сами композиционные мате-

риалы превратились в важную статью высокотехнологического экспорта ряда

стран (США, Япония).

Композиты ведут к настоящей революции и в перерабатывающей промыш-

ленности. Если при производстве металлических деталей до 50% металла уходит

в стружку, то при композитах исходный материал используется на 90%.

С учетом меньшей (

примерно в 4 раза) массы, более высокого (в 2…3 раза)

выхода при изготовлении готовых изделий, большей продолжительности экс-

плуатации (в 2…3 раза) 1 тонна композита может заменить 4…5 тонн стали.

Поскольку композиты – это армирующие композиты, заключенные в поли-

мерное, керамическое, металлическое, цементное, бетонное связующее, то, следо-

вательно, это конкуренты практически всем традиционным строительным мате-

риалам.

Дальнейшее создание новых материалов для строительства будет разви-

ваться с использованием теории и технологии композиционных материалов.

1.2 Классификация композитов

Композиционные материалы по вещественной природе матрицы подразде-

ляют на:

- полимерные;

- металлические;

- неорганические;

- комбинированные (полиматричные).

Матрица обеспечивает форму и сплошность материала, перераспределяет

нагрузки по его объему, защищает армирующие компоненты

от механических и

коррозионных воздействий. Вещественная природа матрицы предопределяет тер-

мическую и коррозионную стойкость композиционного материала (далее КМ).

Армирующие компоненты классифицируют в зависимости от:

- геометрических признаков (таблица 1);

- порядка их расположения в матрице.

Армирующие компоненты вводят в матрицу с целью улучшения конструк-

ционных свойств композиционного материала. По порядку расположения арми

рующих компонентов в матрице (макроструктуре) КМ бывают:

- дисперсно упроченные (изотропные);

- дисперсно армированные (анизотропные).

Таблица 1 – Классификация армирующих компонентов по

геометрическим признакам

Армирующий компонент

Геометриче-

ские парамет-

ры в относи-

тельных еди-

ницах

0 0 1 1 1 2 2

Длина 1 1 1...10 10...1000 1000 10.. .100 100

Ширина 1 1 1 1 1 10...100 10

Толщина 1 1 1 1 1 1 1

Форма Сфера Куб Парал-

леле-

пипед

Волокна

ограни-

ченной

длины

Волокна

неогра-

ниченной

длины

Чешуйки

или пла-

стины

Пленки,

ткани

Перечень мате-

риалов, исполь-

зуемых чаще

всего

Порош-

ки и

микро-

сферы

Крстал-

лы

кальци-

та, по-

левого

шпата

Окси-

ды

крем-

ния

или

бария

Нитевид-

ные кри-

сталлы,

стеклово-

локно,

асбест и

т.п.

Металли-

ческая

прово-

лока,

волокна

орг. и

неорга-

нические

Каолин,

слюда,

графит

Метал-

личес-

кие,

поли-

мерные,

мине-

раль-

ные

Примечание. Армирующие компоненты имеют размеры: нульмерные (0) – не менее чем

на порядок меньше наименьшего размера изделия из КМ; одномерные (1) – один из размеров,

соизмеримый с размером изделия из КМ; двухмерные (2) – два размера, соизмеримых с разме-

рами изделия из КМ.

Дисперсно упроченные КМ содержат равномерно распределенные в объеме

матрицы нульмерные армирующие компоненты. Дисперсно армированные КМ

содержат равномерно распределенные в объеме матрицы одно – или двухмерно

армирующие компоненты.

Современные строительные композиционные материалы сочетают высокую

прочность и долговечность с низкой плотностью.

Их применение в строительных конструкциях позволяет снизить нагрузку

на фундаменты на

30…65%, трудоемкость возведения зданий в 1,5…3 раза, мате-

риалоемкость в 3…7 раз. Основные области эффективного использования компо-

зиционных строительных материалов:

- в качестве заменителей металла и других дефицитных строительных мате-

риалов;

- в качестве конструкционных или конструкционно-теплоизоляционных ма-

териалов с улучшенными строительно-эксплуатационными свойствами.

Поскольку композиционные материалы с нульмерными армирующими

компонентами (бетоны, растворы) рассматриваются в других разделах (дисперсно

армированные бетоны), в данном разделе будут рассмотрены только одно- и

двухмерно армированные композиционные материалы.

Композиционные материалы удобнее всего классифицировать по вещест-

венной

природе матрицы. Различают следующие классы КМ:

- на органической (полимерной) матрице;

- на неорганической

1.3 Композиционные материалы на основе органической матрицы

Композиционные материалы на основе органической матрицы (КПМ - ком-

позиционные полимерные материалы) – это:

- пластики, армированные волокнами, тканями или объемными элементами;

- фанера, состоящая из чередующихся слоев древесины и полимерного ма-

териала;

- микрокапсулы;

- сотопласты и др.

Все перечисленные материалы были созданы в 20 веке. Сейчас номенклату-

ра КМ на полимерной матрице насчитывает тысячи наименований, объединяю-

щих материалы с уникальными свойствами (прочностными, коррозионными и

др.).

Уникальные свойства этих материалов – одна из причин, обусловливающих

конкурентоспособность КПМ среди традиционных строительных материалов.

Кроме того, конкурентоспособность

обеспечивается также тем, что изготов-

ление КПМ и изделий на их основе осуществляется с применением совершенных

высокоавтоматизированных технологий. В таблице 2 приведены сведения об ос-

новных технологических схемах производства КПМ.

Таблица 2 – Основные технологические схемы производства КПМ

Технологические

процессы

Операции для армирующих компонентов

рубленых волокон или нитей

сеток, тканей,

непрерывных

волокон

Подготовка армирующего

компонента

Обезжиривание, аппретирование,

рубка, сушка

Обезжиривание, аппрети-

рование, сушка

Приготовление

связующего:

порошкообразного или

гранулированного;

жидкого

Измельчение, отсев нужной фракции, сушка, добавление ка-

тализаторов, пластификаторов и других ингредиентов, гомо-

генизация смеси или приготовление расплава, раствора, дис-

персии или эмульсии с добавлением необходимых ингреди-

ентов.

Приготовление раствора нужной вязкости, введение в него

катализаторов, пластификаторов и др.

Дозировка компонентов Взвешивание наполнителя и связующего в соответствии с

рецептурой

Совмещение

связующего и

армирующего компонента

Смешение связующего и напол-

нителя в мельницах или смеси-

телях с последующей гомогениза-

цией смеси (получение компаун-

дов, премиксов, пресс-порошков),

пропитка связующим отрезков во-

локон в смесителях; сушка или

термическая обработка (частич-

ное отверждение термореактив-

ных связующих)

Пропитка раствором, рас-

плавом, дисперсией,

эмульсией связующего

(получение препрегов)

или нанесение порошко-

образного связующего на

каждый слой арматуры

Приготовление

полуфабриката

Измельчение твердой массы,

таблетирование, гранулирование

или приготовление премиксов

Вырезка или вырубка за-

готовок требуемой фор-

мы, приготовление пак-

стов заготовок, намотка

или выкладка на отправ-

ку, протяжка через фор-

мующую головку (при

изготовлении профиль-

ных изделий)

Формование

изделия

Прямое, литьевое иди профильное

прессование, литье вод давлени-

ем, экструзия, вакуум-

формование, штампование, напы-

ление, пневматическое формова-

ние, спекание

Прямое прессование, ва-

куум-формование, кон-

тактное формование, фор

мование автоклавным

или пресс-камерным ме-

тодом

Калибровка

изделия

Обработка заготовок соответствующим методам до требуе-

мых размеров и формы

Контроль

качества

Контроль качества исходных компонентов, пооперационный

контроль технологического процесса, контроль состава и

свойств КПМ

Механические и другие свойства любого композита определяются тремя

основными параметрами:

- высокой прочностью упрочняющих компонентов;

- жесткостью матрицы;

- прочностью связи на границе матрица-упрочнитель.

Соотношение этих параметров характеризует весь комплекс механических и

других свойств материала и механизм его разрушения.

Поэтому в качестве материала матриц для КПМ чаще всего используются

полимеры

, обладающие достаточной адгезионной прочностью по отношению к

армирующему волокну и низким коэффициентом линейного расширения.

На рисунке 1, а также в таблицах 3, 4 представлены номенклатура компози-

ционных строительных материалов на полимерной матрице, свойства наиболее

распространенных волокнистых армирующих компонентов и эксплуатационные

свойства волокнистых КПМ.