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

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 1 – Номенклатура композиционных строительных материалов на полимерной матрице

с сообща-

ющими

Компози

ионные мате

иалы на полиме

ной мат

Компоненты в тве

дой

азе

Компоненты

в газовой фазе

Дисперсные

Волокнистые

Слоистые

с закрыты-

ми порами

Др

евесные плиты

Волокниты

Угле

опласты

бо

опластики

ганосиликатные мате

иалы

итопласты

По

ошковые

ено- и аминопласты

Саженаполненные ка

ки

Металлонап

авленные пластики

Конст

ру

кционные

(

общетехнические

)

пластики

Текст

ур

ованные к

исталлические полиме

Смеси полимеров

Нетканые мате

иалы

Стеклопластики, асбопластики,

гле

одопластики

Др

евесно-слоистые пластики

Гетинаксы

Ду

бли

ованные пластики на тканевой основе

Текстолиты

Металлопласты

По

опласты

Сотопласты

Пенопласты

Пластики с полыми наполнителями

(

синтаковые

)

Компози

ионные мате

иалы на полиме

ной мат

Компоненты в тве

дой

азе

Компоненты

в газовой фазе

Дисперсные

Волокнистые

Слоистые

с закрыты-

ми порами

Др

евесные плиты

Волокниты

Угле

опласты

бо

опластики

ганосиликатные мате

иалы

итопласты

По

ошковые

ено- и аминопласты

Саженаполненные ка

ки

Металлонап

авленные пластики

Конст

ру

кционные

(

общетехнические

)

пластики

Текст

ур

ованные к

исталлические полиме

Смеси полимеров

Нетканые мате

иалы

Стеклопластики

асбопластики

гле

одопластики

Др

евесно-слоистые пластики

Гетинаксы

Ду

бли

ованные пластики на тканевой основе

Текстолиты

Металлопласты

По

опласты

Сотопласты

Пенопласты

Пластики с полыми наполнителями

(

синтаковые

)

Таблица 3 – Номенклатура и свойства наиболее распространенных

волокнистых армирующих компонентов

Волокно

Плот-

ность,

кг/м

Предел проч-

ности при рас-

тяжении, МПа

Модуль

упругости,

МПа

Температура

деструкции,

Полиамидное

(капрон)

1140 770...850 3200..3500 200…220

Полиэфирное

(лавсан)

1380 800...1000 2000...2500 240…260

Полиакрило-

нитрильное

(нитрон)

1170 460...560 4600...5800

—

Поливинил-

спиртовое

(винол)

1260 600... 1000 25000 230

Полиамидное

1300...

1400

800...2000 20000...45000 300

Арамидное

1400...

1490

2000...4000 100000... 1500000

—

Углеродное

низкопрочное

1450...

1800

600... 1500 75000... 200000

300...400

(потеря

прочности)

Углеродное

высокопрочное

1700...

2000

2000...3500 200000... 600000

300…400

(потеря

прочности)

Борное

2400...

2600

5000...7000 До 450000 2500

Стеклянное

алюмо-

боросиликатное

2600 1400...2200 60000

700

(плавление)

Стальное 7800 4100...5000 200000 1620

Титановое 4700 1900...2000 115000 1600

Окись алюминия 3990 680...700 323000 2080

Хризотил-асбест 2490 1350...1500 172000 1520

Хлопок 1500 500...600 4900 320

Таблица 4 – Эксплуатационные свойства волокнистых КПМ

Значение показателя для

стеклопластиков асбопластиков

стекловолокнитов на термопластичной

матрице

кремнийорга-

нических

на термопластич-

ной матрице

Показатель

Анилинофе-

нолофор-

мальдегид-

ная

смола

+62% СВ

Кремний-

органичес-

кое свя-

зующее

+60% СВ

Поли-

амид-66

+40%

СВ

Поли-

бути-

лентере-

фталат

+30% СВ

Поли-

суль-

фон

+30%

СВ

феноль-

ного

марки

К-6

К-41-5 КМК-

218

Паро-

нита

марки

ПОН

(обще-

го на-

значе-

ния)

Полиэти-

лен

+17..50

%АВ

Плотность,

кг/м

1700...1900 1800...2000 1460 1520 1450 1950

1800...

1900

1800...

2000

1600...

2000

—

Предел прочности,

при

-растяжении,

- сжатии,

- изгибе, МПа

80... 120

130...200

120...200

15...17

40... 85

40..110

217

—

294

136

—

196

126

—

168

—

132...142

—

120..147

—

10,5...12,5

—

Ударная вязкость,

кДж/м

30.. .100 20...90

— — —

20 15...20 3,8...6,2

— —

Модуль упругости

при изгибе, МПа

—

11200

9450

8400

1500...

...25000

— — —

2,8...5,8

Теплостойкость по

Мартенсу,

— —

260 220 190 200 350 350 100 70

Температурный ко-

эффициент линейного

расширения α·10

-1

—

2,52

2,16

2,52

2,5…2,8

—

2,9

продолжение таблицы 4

Значение показателя для

углеродопластиков боропластиков органопластиков металлопластиков

Показатель

карбоволокнитов на термопластичной

матрице

боро-

волок-

нита

на термо-

пластич-

ной мат-

рице

органово-

локнита

на тер-

мопла-

стичной

матрице

металло-

волокни-

та

на термо-

пластич-

ной мат-

рице

Феноль-

ная смо-

ла +50%

УВ

Циклоа-

лифатиче-

ская,

эпоксид-

ная смола

+60% УВ

Поли-

амид-66

+30% УВ

Поли-

сульфон

+30% УВ

НТ-Х-

904

(США)

Поли-

амидная

смола

+60% БВ

Смола ВР-

907 +60%

волокна

кевлар-49

(США)

Поли-

амид-68

+20%

ВАП

Эпок-

сидная

смола

+50%

алюми-

ниевых

волокон

Поли-

пропи-

лен

+20%

стальных

волокон

Плотность, кт/м

2300 1550 1280 1370 — — 1370 1100 — 2300

Предел прочности,

МПа, при

— растяжении,

— сжатии,

— изгибе

224

151

1650

1430

1650

245

—

307

160

—

224

—

500

—

1650

700

250

700

130...150

—

140

90...150

60...95

40...50

—

Ударная вязкость,

кДж/м

— — — — — — — 26 — —

Модуль упругости при

изгибе, МПа

14000 124000 20300 14350 70000 220000 87000 11000 — —

Теплостойкоть по

Мартенсу, °С

— — 267 137 — — — — — —

Температурный коэф-

фициент линейного

расширения α·10

, °С

-1

— — 1,89 1,08 — — — — — —

Самым распространенным КПМ являются стеклопластики. Получают их

путем пропитки синтетическим связующим стеклянного волокна (ограниченной

или неограниченной длины) с последующим уплотнением (штампованием, про-

тяжкой через фильтры). Стеклопластики выпускаются в виде листов (ГОСТ 9590),

плит (ГОСТ 10499), скорлуп и труб (ГОСТ 12496), погонажных профилей (ГОСТ

19111). В стеклопластиках высокая прочность сочетается с низкой плотностью и

теплопроводностью, радиопрозрачностью и прекрасными электроизоляционными

свойствами.

Асбопластики получают путем пропитки распушенного асбестового во-

локна полимерным связующим (ГОСТ 5-78 Е). Это теплостойкие КПМ, сохра-

няющие свои механические свойства при температурах до +400

С. Известным ас-

бопластиком является паронит (ГОСТ 481) – материал на основе каучука, асбе-

стового волокна и порошковых наполнителей. Из паронита изготавливают про-

кладки для герметизации сред избыточного давления при строительстве резервуа-

ров, в неподвижных соединениях деталей машин.

Волокниты – КПМ, состоящие из рубленного волокна, пропитанного тер-

мореактивным полимером. Если волокно хлопковое или

химическое, то такой

КПМ называется органоволокнитом. Если волокно углеродное – карбоволокни-

том, борное – бороволокнитом и т.д. Матрицы волокнитов изготавливают в ос-

новном из фенолоформальдегидной смолы резольного или новолачного типа. Ес-

ли используется другой полимер, то к слову «волокнит» добавляют начальные

слоги из его названия. Например, мелаволокнит – КПМ на основе меламино-

формальдегидной

смолы. Из волокнитов изготавливают плиты и строительные

панели, строительные изделия, подвергающиеся в процессе эксплуатации удар-

ным нагрузкам.

Углепластики (карбопластики) – КПМ, состоящие из углеродных волокон

и синтетического полимера (ГОСТ 27939). Это высокопрочные, жесткие, терми-

чески и химически устойчивые материалы, малотепло- и электропроводные, с

низким коэффициентом линейного расширения. Углепластики применяют при

строительстве

защитных экранов от электромагнитного излучения.

Текстолиты – материалы, состоящие из слоев ткани, пропитанной терморе-

активным синтетическим полимером (ГОСТ 28787, ГОСТ 2910, ГОСТ 10316).

Эти материалы характеризуются высокой прочностью, малой чувствительностью

к колебаниям температур. В зависимости от вида ткани (армирующего компонен-

та) различают:

- стеклотекстолиты (на основе стеклоткани);

- асбестотекстолиты (на основе асбестовой ткани);

- органотекстолиты (на основе синтетических тканей);

- карботекстолиты (на основе угольных тканей).

Текстолиты применяют в качестве изоляционных или конструкционно-

изоляционных и отделочных материалов. Из них изготавливают трехслойные па-

нели (рисунок 2), оболочки, волокнистую кровлю и другие изделия сложной

формы (например, из стеклотекстолита -

корпуса судов, из асботекстолита - эле-

менты теплозащиты вращающихся печей.

1 – обшивка; 2 – клеевая пленка; 3 – сотовая панель

Рисунок 2 – Трехслойные панели с поперечным (а) и параллельным (б)

расположением сотопласта

Текстолиты выпускают в виде листов длиной 2400 мм, шириной 800…1200

мм и толщиной 9…35 мм. Плотность текстолитов зависит от типа армирующей

ткани: например, плотность стеклотекстолита 1850 кг/м

; асботекстолита – около

2000 кг/м

; органотекстолита – 1450 кг/м

. Предел прочности при растяжении мо-

жет достигать 300 МПа, при сжатии – 100 МПа, при изгибе – 150 МПа.

Гетинакс – материал, состоящий из бумаги, пропитанной термореактивным

синтетическим полимером (ГОСТ 2718). Гетинакс характеризуется высокой

прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Плиты и скорлупы

из него успешно применяются при строительстве объектов электро- и радиотех-

нического назначения, при защите строительных

конструкций от коррозии и от-

делке интерьеров.

Декоративные бумажно-слоистые пластики – отделочные листовые ма-

териалы, изготавливаемые методом горячего прессования пакета из нескольких

слоев бумаги, предварительно пропитанного синтетическим полимером (ГОСТ

9590). Верхний слой такого пластика изготавливается из бумаги с рисунком: ими-

тация ценных пород древесины, орнамент или жанровое изобретение. Размеры

листов бумажно-слоистого пластика: длина – 400…3000 мм, ширина – 400…1600

мм, толщина 1…3 мм. Предел прочности при изгибе – не менее 100 МПа, плот-

ность 1400 кг/м

. Эти материалы широко применяют в отделке интерьеров и при

изготовлении мебели.

Металлопласты – материалы, получаемые путем напыления порошкооб-

разного полимера (полиэтилена, фторопласта, поливинилхлорида и др.) на тонкий

металлический лист. Металлопласты эффективно эксплуатируются в интервале

температур от -40

С до +65

С. Их можно штамповать и сваривать электродуго-

вой сваркой без удаления полимерного покрытия. Металлопласты широко приме-

няются в строительстве в качестве кровельных и отделочных материалов.

Смеси – группа полимерных композиционных материалов, структура кото-

рых состоит из двух непрерывных фаз (взаимопроникающих сеток) материалов

матрицы и армирующего компонента. Номенклатура этой группы КПМ быстро

увеличивается. В нее входят смеси, где оба компонента имеют полимерную осно-

ву, либо матрица полимерная, а армирующий компонент минеральный. Совме-

щать компоненты смесей можно в твердом и жидкотекучем состоянии. На основе

смесей можно получить материалы с уникальными свойствами. Например, при

введении полиуретанового армирующего компонента в матрицу из полиамида,

существенно улучшаются его

пластические свойства. Свойства смесей некоторых

конструкционных термопластов приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Физико-механические свойства смесей

Составы

Показатель Эпоксидно-

окситерпе-

новый

ЭКР-22

Эпоксидно-

полиамид-

ный

Эпоксидно-

полиэфир-

ный К-115

Эпоксидно-

фурановый

ЭФК-1

Эпоксидно-

трихлорди-

фенильный

ЭКТ-1

Предел прочности,

МПа, при:

— растяжении

— сжатии

— изгибе

14...20

80...110

30...40

17...30

80...90

60...80

16...25

80...120

43...45

12...17

60...90

30...40

110

Модуль упругости,

МПа

11000 — 15000 — —

Средняя плот-

ность, кг/м

2000 2000 2000 — 2000

Ударная вязкость,

кДж/м

6000 12000 8000

4000...

...6000

—

Продолжение таблицы 5

1 2 3 4 5 6

Водопоглощение

за 30 сут., %

0,28...0,45 1 0,35...0,5 — 0,3

Относительное уд-

линение при раз-

рыве, %

0,28...2,0 3,7 0,275 2,25 —

Химическая cтой-

кость, % концен-

трации реагента:

— соляная к-та

— серная к-та

— азотная к-та

— фосфорная к-та

— едкий натр

— ацетон

— бензин

— масло

Нестоек

Стоек

Нестоек

Стоек

Нестоек

Стоек

—

Нестоек

Стоек

Нестоек

Полимерцемент – одна из самых известных смесей применяемых в строи-

тельстве. В качестве органического компонента в смесях применяют водные дис-

персии поливинилацетата, натуральный и синтетический латексы, водораствори-

мые эпоксидные, полиэфирные, фурановые и карбамидные полимеры. В качестве

неорганического компонента используют портландцемент и его разновидности,

глиноземистый и магнезиальный цементы, жидкое стекло и строительный

гипс.

Полимерные компоненты обеспечивают коррозионную стойкость в агрес-

сивных средах, высокую ударную вязкость КПМ, однако снижают модуль упру-

гости.

Полимерцементы применяют при устройстве гидро- и маслоизоляции, при

изготовлении железобетонных конструкций, работающих в условиях растяжения;

для устройства полов в цехах промышленных зданий. Плотность полимерцемента

составляет 1700…2000 кг/м

, прочность при растяжении – 15-30 МПа, при сжатии

30…100 МПа, при изгибе – 30…80 МПа.

1.4 Композиционные материалы на основе неорганической матрицы

Неорганические матрицы различают по следующим видам:

- цементные (на основе портландцемента и его разновидностей);

- цементно-песчанные;

- керамические (на основе оксидной и безоксидной керамики);

- углеродные.

Неорганические матрицы армируют металлическими, природными, синте-

тическими и минеральными волокнами, нитевидными кристаллами, сетками и

пленками. Требования к эксплуатационным свойствам композиционного мате-

риала влияют на выбор типа армирующего компонента.

На цементной матрице изготавливают следующие виды композиционных

материалов:

- асбестоцемент;

- армоцемент;

- стеклоцемент;

- арболит и цементностружечные, цементоволокнистые материалы.

Асбестоцемент – композиционный строительный материал, представляю-

щий собой затвердевший цементный камень, армированный волокнами асбеста.

Асбест – природный минерал волокнистой структуры, способный при механиче-

ской обработке расщепляться на отдельные волокна. Для изготовления компози-

ционных материалов применяют асбест 3, 4, 5, 6 сортов с длиной армирующего

волокна от 0,3 до 10 мм. Асбест несгораем, малотепло

- и электропроводен. Сте-

пень насыщения цементной матрицы армирующим компонентом зависит от на-

значения материала. В материалах для листовых изделий количество асбеста со-

ставляет 10…18% по массе; для труб, коробов, швеллеров – 15…21%. Листовые

изделия выпускают в виде плиток, плоских и профилированных листов толщиной

от 4 до 10 мм методом прессования по мокрому или сухому способу.

Методом экструзии изготавливают асбестоцементные изделия сложного

профиля – стеновые панели, швеллеры, панели перегородок.

На основе асбестоцемента изготавливаются напорные трубы с рабочим дав-

лением 0,3..1,2 МПа, а также короба вентиляционные с толщиной стенок от 7 до

43.5 мм. Средняя плотность асбестоцементных изделий – 1550…2000 кг/м

, проч-

ность на растяжение – 14…25 МПа, морозостойкость – 50…100 циклов.

На рисунках 3-6 представлены различные изделия на основе асбестоцемен-

та.

1 – гнутый асбестоцементный лист; 2 – алюминиевые заклепки; 3 – торцевая за-

глушка из асбестоцемента; 4 – минеральный войлок, наклеенный на битум;

5 – деревянная бобышка

Рисунок 3 – Асбестоцементная рядовая АП (а)

и краевая АПК (б) – полые плиты

1 – асбестоцементный плоский лист; 2 – обрамление из деревянных брусков;

3 – пенопласт ФРП-1

Рисунок 4 – Фрагмент стеновой панели типа «сэндвич»

1 – угловые; 2 – переходные; 3 – перегородки

Рисунок 5 – Асбестоцементные экструзионные панели