Передовые композиционные материалы (ACM) - Строительство и ремонт

Передовые композиционные материалы (ACM) можно определить как комбинацию материалов, расположенных соответствующим образом с использованием армирующих волокон, тщательно подобранных матриц, а иногда и вспомогательных материалов, таких как клеевая основа и другие вставки. Эти комбинации после соответствующих манипуляций и обработки приводят к готовой структуре/изделию с синергетическими свойствами, т.е. свойствами, достигаемыми после изготовления, которые не могут быть получены отдельными компонентами, действующими по отдельности. АКМ можно разделить на различные категории на основе микроструктур, многофазности, армирования, способа упаковки волокон, слоистых композиций, метода составления, методов обработки матричной системы и т.д.

Основными компонентами АКМ являются (i) армирование (волокна) (ii) матрица (iii) сотовый заполнитель/клеи (для структур с песчаным заполнителем). В последнее время было разработано большое разнообразие волокнистых материалов различных форм, видов и размеров для использования в АКМ и в строительной промышленности. Стальные, стеклянные, углеродные, арамидные (кевлар), борные, карбид кремния, нитраты кремния, глиноземные волокна являются одними из широко используемых высокоэффективных армирующих волокон в АКМ. Арматура может называться по-разному в зависимости от размера, например, “ус” (< 0,025 мм), волокно (0,025 - 0,8 мм), проволока (0,8 - 6,4 мм), стержень (6,4 - 50 мм) и пруток (> 50 мм).

В целом, непрерывная арматура нитевидного типа важна с точки зрения структурного применения. Именно арматура в первую очередь отвечает за механические свойства АКМ. Обычно вся арматура (волокна) прочнее стали при растяжении, но слабее при сдвиге (т.е. хрупкий), требующий наполнителя (матрицы), относительно прочного на сдвиг, который защитит арматуру от истирания или коррозии под воздействием окружающей среды. Матрица также помогает распределить нагрузку от арматуры, поглотить энергию, уменьшить концентрацию напряжений и предотвратить распространение трещин. В качестве матрицы используются термореактивные и термопластичные типы органических полимеров (например, эпоксидные, фенольные, полиамидные смолы и т.д.).

Кратко рассмотрены некоторые из важных волокон, используемых в качестве арматуры в АКМ, а также их характерные свойства.

i) Углеродные/графитовые волокна

Углеродные волокна производятся в больших объемах из нефтяных смол. Они имеют низкую стоимость и низкий модуль упругости. В настоящее время технология производства углеродных волокон обычно основана на термическом разложении различных органических прекурсоров. Полиакрилонитрил (ПАН), смола, полиэфиры, полиамид, поливиниловый спирт, поливинилхлорид, полифенилен и фенольные смолы были рассмотрены и исследованы как потенциальные материалы-прекурсоры для производства углеродных волокон. Они производятся путем термообработки прекурсора до температуры до 10000С в инертной атмосфере.

Углеродные волокна имеют очень маленький диаметр и производятся в виде непрерывных матов, жгутов, непрерывных прямых волокон. Они обладают высокой прочностью, высоким модулем упругости, низкой плотностью, малым весом, значительным преимуществом в стоимости и обработке, превосходной ползучестью и усталостной прочностью. Пултрудированные композиты, армированные углеродом, отличаются смазывающей способностью, износостойкостью, способностью рассеивать тепло, устойчивостью к щелочным и почвенным растворам. Углеродные волокна в целом не подвержены воздействию влаги, атмосферы, растворителей, оснований и т.д. В таблице № 1 показаны свойства углеродных волокон.

ii) Стекловолокно

По удельной прочности (т.е. отношению прочности к весу) стекловолокно является одним из самых прочных и наиболее часто используемых конструкционных материалов. Некоторые волокна, прошедшие лабораторные испытания, показали прочность до 6896 МПа, а коммерческие марки варьируются от 3448 до 4830 МПа. Непрерывные стеклянные нити производятся двумя основными способами, т.е. методом мраморного расплава и методом прямого расплава соответственно. Для минимизации деградации стеклянных волокон, связанной с истиранием, перед сборкой волокон в нити проводится поверхностная обработка (сортировка). Обычно используются круглые и прямые стекловолокна диаметром от G (9-10,2 мм) до T (22,9-24,1 мм). Стекловолокно выпускается в различных формах, таких как непрерывная форма, тканый ровинг, наплавочные маты, трехмерные и многомерные (такие как 5-D, 7-D, 11-D) и т.д. Существует несколько типов стекловолокна с различным химическим составом, обеспечивающим специфические физические/химические свойства.

E-стекло (кальциевый алюмоборосиликатный состав) лучше всего подходит для конструкционного использования общего назначения. S-стекло (магниевый алюмоборосиликатный состав) – это специальное стекло с более высокой прочностью на разрыв и модулем упругости, хорошей термостойкостью, сильной устойчивостью к кислотам. Эти свойства делают волокна S-стекла подходящим выбором в АКМ для использования в условиях повышенной температуры и влажной среды. С-стекло обладает хорошей химической стабильностью в химически агрессивных средах. Т-стекловолокно имеет улучшенные характеристики по сравнению с Е-стеклом, такие как увеличение прочности на разрыв на 36%, увеличение модуля растяжения на 16%, повышенная теплостойкость, улучшенные свойства ударной, электрической, термической и химической стойкости. R-стекло (магний-известково-алюмосиликатное) имеет более высокую прочность на разрыв и модуль упругости по сравнению с E-стеклом, а также более высокую устойчивость к усталости, температурному старению и коррозии. A-стекло, ECR-стекло, AR-стекло, D-стекло – это некоторые типы стекловолокна.

Таблица № 2: Свойства стекловолокна.

E-стекло

R-стекло

D-стекло

S-стекло

Плотность (г/см3)

2.60

2.55

2.16

2.49

Прочность на разрыв (Mpa)

3400

4400

2500

4580

Модуль упругости при растяжении (Гпа)

86.93

Удлинение при разрыве (%)

4.5

5.2

5.4

Диаметр нити

3-14

—

iii) Арамидные волокна

Арамидные волокна (ароматический полиамид) были представлены компанией Dupont под названием Kevlar. Считается, что ароматический полиамид получают путем поликонденсации диаминов и галогенидов диацидов в растворе при низкой температуре. Анизотропная структура арамидного волокна обеспечивает более высокую прочность и модуль упругости в продольном направлении волокна. Арамид устойчив к усталости, обладает хорошей вязкостью и общими характеристиками устойчивости. Применение арамидного волокна в гражданских структурах включает в себя канаты, кабели, тендоны предварительного напряжения, трубы, стены и т.д. В таблице № 3 приведены свойства арамидных волокон.

Таблица 3. Свойства арамидных волокон

Полиэстер

МОНЕКС

Кевлар29

Кевлар49

Тефлон

Плотность 9/см3

1.38

1.44

1.45

2.15

Прочность при растяжении (МПа)

900

670

2700

3500

Модуль упругости при растяжении (ГПа)

135

133

Удлинение при разрыве %

10-15

20-30

2.5

10-12

iv) Линейные органические волокна

В будущем это волокно может стать одним из основных видов арматуры для гражданских и строительных конструкций. Это высокопрочное и высокомодульное органическое волокно может быть получено путем выстраивания молекулярной структуры простого полимера в прямую линию во время производства. Свойства этого волокна включают жесткость (240 ГПа), низкую плотность (0,97), модуль растяжения (117 ГПа) и прочность на разрыв (2,9-3,3 ГПа).

v) Другими известными высокоэффективными волокнами являются волокна из бора и карбида кремния (Sic). Также разработаны керамические волокна (включая оксидные и неоксидные). Другие доступные органические волокна – акрил, нейлон, полибензимидазол (PBI), полиэстер, полипропилен и тефлон.

АКМ КАК РЕИНФОРСМЕНТ, КАБЕЛИ И ТЕНДОНЫ

1. АКМы в сравнении со сталью

Технические свойства АКМ зависят от типа армирующих волокон, их формы, стиля, пропорции, направления и т.д. Характерные свойства прутков ACMs по сравнению с высокопрочной сталью (см. рис. I) можно суммировать следующим образом:

i) Все АКМ прочнее стали.

ii) ACMs с углеродными волокнами имеет ту же жесткость, что и сталь.

iii) АКМ с углеродными волокнами жестче, чем АКМ с арамидными волокнами, которые, в свою очередь, прочнее стали.

iv) Деформационные характеристики всех АКМ линейны вплоть до разрушения.

v) Все АКМ обладают меньшей пластичностью и непредсказуемым пластическим поведением.

vi) Из-за их более высокой прочности и низкой жесткости компоненты ACMs развивают гораздо большие деформации в пределах упругости по сравнению со сталью.

vii) ACMs имеет низкую прочность связи, которая может быть преодолена путем обеспечения механических креплений и обработки поверхности прутков ACMs.

Такие свойства АКМ, как коррозионная стойкость, легкость, высокая прочность на растяжение, высокая усталостная прочность, устойчивость к экстремальным воздействиям окружающей среды, нулевая электропроводность, высокая ударопрочность, гладкая и тонкая отделка различных цветов, простота изготовления, обработки, возведения, виброгасящие характеристики делают его намного более совершенным, эффективным и надежным строительным материалом вместо стали.

2. ACMs в качестве кабелей и сухожилий.

О применении АКМ в мостах в качестве тросов и сухожилий сообщалось из разных стран. Поскольку тросы из АКМ намного легче и прочнее обычных стальных тросов, с помощью тросов из АКМ можно преодолевать гораздо большие расстояния. В прибрежных районах, где коррозия стальных тросов является очень большой проблемой, тросы ACMs оказываются эффективной и действенной альтернативой. Самое современное применение – это вантовые мосты. Пултрудированные тросы и сухожилия ACMs, поддерживающие бетонные настилы и балки мостов, делают конструкции прочнее и долговечнее стальных.

Ниже приведены некоторые тематические исследования по использованию АКМ в качестве тросов и сухожилий.

Пултрудированные тросы с использованием нескольких сотен параллельных композитных проволок из углеродных волокон (диам. 6 мм, пултрудированных из 500000 углеродных волокон) с использованием системы эпоксидных смол. Сплетенные в пучки провода встраиваются в полимерную матрицу, после чего неуглеродные радикалы сгорают в инертной атмосфере и замещаются углеродом. Эти пултрудированные тросы могут в два-три раза превышать удельную прочность стали и могут прослужить более 100 лет, позволяя строить вантовые мосты большей длины (до 6-9 км). Стальные тросы на таком расстоянии ломались бы под собственным весом.
В настоящее время серьезно рассматривается идея соединения Европы и Африки через Гибралтарский пролив с помощью вантового моста из композитного углеродного волокна (см. рис. 2).
Мост Ullenbergstrace в DUSSEL-DORF и мост Marienfelde в Германии являются первыми видами пост-напряженных мостов, в которых сухожилия выполнены с использованием стекловолокна ACM. Оба моста имеют по два пролета длиной от 20 до 25 м. Были отмечены трудности при креплении анкерных креплений к сухожилиям. Сообщалось о соскальзывании и преждевременном разрыве сухожилий. Поскольку модуль упругости стекловолокна ACM, сухожилия низкий, что приводит к деформации до 2% на уровне рабочего напряжения во время начального предварительного напряжения, что приводит к очень большому удлинению сухожилий предварительного напряжения и должно быть обеспечено длинными анкерными креплениями и достаточным пространством за анкерными креплениями. (см. рис. 3, 4)
О мостах с предварительно напряженной плитой на балках и пост-напряженных с использованием сухожилий из арамидных волокон ACM и сухожилий из углеродных волокон ACM сообщалось из Японии.
Мост Heavy Assault, изготовленный для армии США, перевозится в трех соединенных секциях на бронетранспортере, раскладывается гидравлически для создания пролета длиной 106 футов и выдерживает нагрузку в 70 тонн. Двенадцать углеродно-эпоксидных хордов длиной около 38 футов и сечением 4×5 дюймов поддерживают конструкцию.
ARAPREE – это композитный тендер предварительного напряжения, состоящий из арамидных нитей и эпоксидной матрицы. Механические свойства прямоугольной полосы (20 мм x 1,5 мм) с 50%-ным объемом волокон: прочность на разрыв 2800 МПа, модуль Юнга 125-130 ГПа, деформация разрушения 2,4%, плотность 2,4, релаксация от 15 до 20%.
AFRP ROD от Teijin – еще один армирующий бетон сухожилие материал с использованием арамидных волокон Technora. Механические свойства типичного стержня диаметром 6 мм с 65% объема волокон составляют прочность на разрыв 1862 МПа, модуль растяжения 52,9 ГПа, деформация при разрушении 3,7%, релаксация 7-14%.
CFCC – композитный трос из углеродного волокна от Tokyo Rope Manufacturing Company. Углеродное волокно на основе ПАН пропитано эпоксидной смолой. Механические свойства типичного кабеля (семь прядей, диаметр 0,49 дюйма): прочность на разрыв 2118 МПа, модуль растяжения 137 ГПа, удельный вес 1,5, удлинение при разрыве 1,57 %, потеря релаксации до 2,46 %, ползучесть 0,04 %, напряжение связи 7,2 МПа.

3. АКМ в качестве армирующего материала

Сообщается, что балки, армированные АКМ, ведут себя так же, как и стальные балки в перекрытиях и балках1. Из-за их меньшего модуля Юнга прогиб рассматривался как ограничивающий критерий в случае балок, армированных АКМ. В перекрытиях стержни ACM используются в качестве арматуры в виде композитных сеток, при сравнении со стальной сеткой, максимальная нагрузка, выдерживаемая перекрытием, армированным сеткой ACM, была равна или больше, чем перекрытие, армированное стальной сеткой2. Плиты, армированные 3-D непрерывным углеродным волокном и нагруженные, демонстрировали нелинейное поведение и снижение жесткости на стадии после растрескивания3.

Kajima-FRC сообщил о типе композитного бетона под названием 3R-FRC, в котором 3-D ткань, изготовленная путем переплетения ровингов волокна в трех направлениях, пропитывается эпоксидной смолой и отверждается, и используется в качестве основного армирования. Волокно представляет собой гибрид углеродных, арамидных и винилоновых волокон на основе ПАН. NEFMAC также является одним из видов композитной арматуры для бетона. Гибрид непрерывных углеродных, стеклянных и арамидных волокон пропитывается смолой и формируется в сетку, позволяющую использовать более тонкие участки бетона.

ЭКОНОМИКА ЗАТРАТ

В целом композитные продукты для основного армирования бетона, кабелей и сухожилий дороже стали по соотношению веса и массы, что запрещает широкое использование АКМ в конструкциях. Однако вес не является логической основой для сравнения стоимости. Более рациональной основой должна быть прочность. Устойчивость к коррозии, немагнитные свойства, низкая электропроводность, стойкость к атмосферным воздействиям, легкий вес и другие свойства АКМ могут сыграть важную роль для инженеров при выборе арматуры АКМ вместо обычной стали. Если учитывать стоимость восстановления и ремонта конструкций R.C.C. от коррозии, то стоимость АКМ может быть сравнима со сталью. С увеличением объема использования, принятием хорошей схемы проектирования, расширением возможностей применения, развитием технологии стоимость АКМ будет значительно снижаться в будущем.

Читайте далее: