Какие виды композитных материалов применяются в строительстве

Структура композитных материалов

Композитные соединения состоят из двух основных частей. Первая – это матрица, вторая – это наполнитель. Новые композитные вещества превосходят привычно используемые материалы по прочностным, механическим характеристиками и выгодно отличаются по массе, имея легкий вес.

Для примера композитных материалов можно привести клееную фанеру.

По своей структуре композитные материалы можно разделить на несколько групп:

• Волокнистые.
• Дисперсноупрочненные.
• Упрочненные частицами.
• Нанокомпозиты.

Волокнистые композиты – это материалы, улучшение свойств которых производится волокнами или нитевидными кристаллами. Например, кирпич с соломой. Незначительное введение добавки наполнителя приводит к появлению новых, уникальных свойств.

А, к примеру, добавка электропроводящих волокон придает материалу новое свойство – проводить электрический ток.

Если композитный материал имеет слоистую структуру, то в нем матрица и наполнитель располагаются слоями. Примером можно привести стекло, покрытое слоями полимерных пленок.

Другие представители композитных материалов имеют структуру, которая представлена матрицей и наполненными ее частицами, отличающимися по размерам.

• упрочненные материалы имеют 20-25% частиц, размер которых составляет более 1 мкм,
• дисперсноупрочненные – 1-15% частиц, размер которых составляет 0,01-0,1 мкм.
• нанокомпозитные же материалы, имеют частицы, размер которых составляет – 10-100 нм.

Полимерные композитные материалы

Полимерные композитные материалы (ПКМ), имеют в качестве своей базы полимерную основу-матрицу. Это самый многочисленный вид КМ. Их применение позволило значительно снизить вес и улучшить эксплуатационные характеристики многих вещей. Так, к примеру, применение ПКМ при изготовлении искусственного спутника земли привело к снижению его веса, а облегчение на 1 кг дает экономию в 1000 долларов.

Стеклопластики

Полимерные композиты, армирование которых проводят стеклянными волокнами. Данные волокна получают формированием при нагревании неорганического стекла. В качестве матрицы выступают фенольные, эпоксидные смолы или термопластичные полимеры.

Материалы характеризуются: прозрачностью к радиоволнам, прочностью и электроизоляцией, низкой теплопроводностью.

Стеклопластики – это дешевый и доступный материал, его применяют в приборостроении, судостроении, строительстве, при изготовлении спортивных товаров.

Углепластики

В данных КПМ наполнителями служат углеродсодержащие волокна, которые «добывают» из натуральных или искусственно созданных волокон.

Матрицей также служит термореактивный или термопластичный полимер.

Преимущества: низкая плотность, высокий коэффициент упругости, они легкие по массе, но в тоже время очень прочные, хорошо проводят электрический ток.

Применяются в авио-, машино- и ракетостроении, а также при производстве космической техники, спортивных товаров, медицинских протезов.

Боропластики

Матрица – термореактивный полимер.

Наполнитель – борные волокна, борные жгуты.

Борные волокна имеют большую прочность при сжатии, чем волокна других материалов. Поэтому и получаемые с их использованием материалы обладают отличными прочностными, износостойкими характеристиками, а также характеризуются инертностью к агрессивным средам. Но в тоже время, им свойственна хрупкость, что вводит определенные ограничения на использование.

Есть у данных ПКМ еще один минус – высокая цена, по данной причине область их использования достаточно узкая. Применяются главным образом только при изготовлении деталей, которые используются при высокой нагрузке и требует высокой надежности.

Органопластики

Основа – преимущественно используют эпоксидные, полимерные, фенольные смолы.

Наполнитель – искусственные или натуральные волокна. Волокна используются в виде нитей или жгутов, а также «полотен» — ткани, бумаги. Объем наполнителя составляет 40-70%.

Отличаются низкой плотностью, легкостью. Имеют высокую прочность. Отличное сопротивление к ударам, а также устойчивость к динамическому воздействию, нагрузкам. Но при всем при этом их прочность при изгибе и сжатии мала.

Применяются при машино-, авио-, судостроении, космической и авиационной технике, производстве спорт инвентаря и радиоэлектроники.

Полимеры наполненные порошками

В наше время применяют дешевые наполнители, такие как каолин, для термопластичной/термополимерной матрицы. Данные соединения используют для изготовления электроизоляционных материалов, труб. Сажу применяют для наполнения при изготовлении резин.

Текстолиты

Это полимерные материалы, имеющие слоистую структуру и применяемые для изготовления, например кухонных поверхностей, в качестве армирующего элемента используют ткани.

Область применения

Композит используется там, где заливка традиционных бетонных растворов затруднена. Обычно его применяют в труднодоступных районах, в горах, лесных зонах, хотя он подходит для абсолютно любых климатических условий. Чаще всего с помощью заменителей бетона готовят опорные конструкции и отдельные элементы (горизонтальные и вертикальные). Материал применяется для закрепления, ремонта, монтажа, восстановления:

• ограждений из дерева, металла, бетона, кирпича,
• столбиков, беседок, фонарей, террас,
• детских площадок и аттракционов,
• дорожных конструкций — знаков, указателей, шлагбаумов,
• парковок,
• магистралей водо-, газоснабжения,
• мачт, флагштоков.

Актуальность использования

Для достижения устойчивого положения столбов при монтаже ограждения их приходится закапывать в землю и заливать бетоном. С этой целью выкапывается отверстие, ставится столб, после чего промежуток заливается жидкой бетонной (цементно-песчаной) массой. Такой раствор довольно быстро застывает и надежно закрепляет столбики в почве. Тем не менее, конечную прочность цементная смесь обретает только через месяц, и в этот период нельзя производить окончательную установку забора.

Бетонные смеси трудно готовить. Место работы сильно загрязняется, а соединение цемента и песка лучше производить в бетономешалке. Вручную возможно сделать только небольшую порцию, но тщательно промешать ее все равно проблематично. Заменители бетона быстрыми темпами вытесняют традиционные растворы по таким причинам:

• на участке сохраняется чистота,
• готовая смесь заводится без особых усилий,
• устойчивость опор будет выше.

Композитные материалы с металлической матрицей

Название «материалы с металлической матрицей» говорит само за себя. Матрица – металл. Это может быть никель, или алюминий, или медь. Так как мы говорим о композиционных материалах, то нужно указать и наполнитель, в качестве которого применяют волокна. Главное условия при их выборе, они не должны растворяться в матрице. Упрочнение металла за счет использования наполнителей придает ему новые свойства – повышается жаростойкость и прочность. К примеру, алюминий можно использовать при температуре 250-3000С, а если провести его армирование волокнами бора, то температурные рамки расширяется до 450-5000С.

Преимущества и недостатки композитного материала

Применять композиты намного выгоднее и эффективнее, чем бетон, поскольку они обладают рядом достоинств:

1. Скорость. При использовании заменителей полное время на осуществление всех работ сокращается на 80%. Средство после заливки становится прочным уже за 5 минут, готовые конструкции можно эксплуатировать через пару часов.
2. Чистота. На участке не придется делать «генеральную» уборку, что особенно важно для лесных зон, парков, мест отдыха.
3. Малая трудоемкость. Для заливки не надо нанимать бригаду рабочих, а простота процесса позволяет осуществить его своими руками. Нарушить пропорции компонентов почти нереально — все уже отмеряно и расфасовано в удобные упаковки.

1. Прочность. Смеси на основе композитов после полимеризации становятся намного более стойкими к действию повреждающих факторов, нежели бетонные растворы.
2. Экологичность. Составы не включают вредных компонентов, они совершенно безопасны для людей и окружающей среды. Кроме того, композиты не повреждают металл, дерево, не становятся причиной гниения и коррозии.

Использовать заменители бетона можно даже при минусовых температурах (до –25 градусов), что может быть важно при определенных климатических условиях в регионе. Из минусов стоит назвать только более высокую, чем у цемента, цену, но она компенсируется экономией на трудозатратах и оплате работы бригады наемных строителей. Высокие температуры отрицательно сказываются на прочности раствора, поэтому перегрев при его изготовлении должен быть исключен.