Применение инновационных композитных материалов в усиление железобетонных элементов конструкций

Применение инновационных композитных материалов в усиление железобетонных

элементов конструкций Бащжанов А. Е.

Бащжанов Арман Елюбаевич /Bashhzhanov Arman Eljubaevich - магистр технических наук,

направление «Строительство»,

кафедра строительства и жилищно-коммунального хозяйства,

Карагандинский государственный технический университет, г. Караганда

Аннотация: обоснование и разработка технологии усиления железобетонных конструкций с

использованием новых композиционных материалов на основе углеродных сеток, обработанных низковязким эпоксидным составом, в ремонтном материале на цементной основе, позволяющих улучшать условия эксплуатации сооружений, увеличивать межремонтные сроки и, соответственно, снизить стоимость эксплуатации.

Ключевые слова: использование новых композиционных материалов, обеспечивающих долговечность конструкций подземных сооружений при их усилении за счет повышения коррозионной стойкости элементов усиления.

Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов.

По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсноармированные, или дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в композиционных материалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне - и хим. стойкость.

По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и др. композиты.

Наибольшее применение в строительстве и технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальд., полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), орг. (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлич. композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой; Композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидокремниевыми и др. жаростойкими волокнами и SiC. При использовании углеродных, стеклянных, арамидных и борных волокон, содержащихся в материале в кол-ве 50-70 %, созданы композиции (см. табл 1) с уд. прочностью и модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые композиционные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и др. свойствам. Так, армирование сплавов А1 волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить т-ру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500 °С. Армирование проволокой (из W и Мо) и волокнами тугоплавких соединений используют при создании жаропрочных композиционных материалов на основе Ni, Cr, Со, Ti и их сплавов. Так, жаропрочные сплавы Ni, армированные волокнами, могут работать при 1300-1350 °С. При изготовлении металлических волокнистых композиционных материалов нанесение металлической матрицы на наполнитель осуществляют в основном из расплава материала матрицы, электрохимическим осаждением или напылением. Формование изделий проводят главным образом методом пропитки каркаса из армирующих волокон расплавом металла под давлением до 10 МПа или соединением фольги (матричного материала) с армирующими волокнами с применением прокатки, прессования, экструзии при нагревании до температуры плавления материала матрицы.

Таблица1. Свойства некоторых композиционных материалоов

СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Матрица Армирующий идлолнителъ Плотность. г/см* <гТГ*' Модуль упругости.

Эпоксидна* Полимерные Сгеалптое 1.9 2.2 1.2 2.5 50 68

•олокно Оргашпсаое 1.3-1.4 1.7 2.5 75 90

(рамилпое) волокно Углеродное 1.4 1.5 0.8 1.5 120 220

•олокио Борное мло1Но 2.0 2.1 1.0 1.7 220

Алюминием*

Магнием*

Никелем*

Углеродна*

Керамически

Металлические

Борное аолокно 2,6 1.0 I.S

Углеродное 2.3 0.8-1.0

аолокно

Борное волокно 2.0 0.7 1.0

Углеродное 1.8 0.6 0.8

волокно

Вольфрамом* I2.S 0.8

проволока

Молибденом* 9.3 0.7

проволока

Углеродные

Углеродно* 1.5 1.8 0.3$ 1.0*

волокно .

Керамические

Волокно 3,2 0.48 *

карбида кремни*

220 250 200-220

200 220 180 220

265

235

120 220

* Прочность при нтгибс

Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами.

У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.

Компаозитный материал конструкционный ( металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элнменты в виде нитей, волокн, или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными углеродными, стеклынными волокнами, жгутами или тканями на их основе алюминий армированный нитями стали, бериллия.

Комбинурую объемное содержание компонентов можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упрогости, адрозивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглошающими и другими специальными свойствами.

Литература

1. СН РК 1.04-04-2002. Обследование и оценка технического состояния зданий и сооружений. - Комитет по

делам строительства МИиТ РК, Строительные нормы Республики Казахстан/ Нугужинов Ж.С. и др.-Астана: 2003. - С.68.

2. СНиП 1.04-04-2002 «Обследование и оценка технического состояния зданий и сооружений».

3. Eurocode 2 «Бетонные конструкции, конструкции из обычного и предварительного железобетона».