Доля полимерных композитов в общем объеме стройматериалов остается низкой. Композит выгодно применять там, где его высокая стоимость компенсируется особыми свойствами…

Говоря о применении новых материалов на основе пластиков в стройиндустрии, стоит заметить следующее. Если в гражданском строительстве в основном применяются «традиционные» материалы, то в таких секторах, как, строительства мостов, железных дорог, мостов и др., у полимерных композитов есть неплохие перспективы.

Строительство
Строительство – это размытый термин, который включает в себя самые разные механические нагрузки, начиная с легких нагрузок, которым подвергаются щиты, корпуса, гнезда для защиты оборудования или звуконепроницаемых стен, и заканчивая сверхвысоким давлением, которое выдерживают опоры для мостов.
Для поиска решений, применимых в этих несхожих ситуациях, в гражданском строительстве применяются очищенные пластмассы или композиты:
- Обычно применяемые в легких строительных конструкциях.
- Периодически используемые в специализированных (нишевых) конструкциях
- Предназначенные исключительно для крупных строительных конструкций, например, мостов.
На рисунке 1 изображено несколько примеров.

Рисунок 1: Строительные конструкции в гражданском строительстве

В гражданском строительстве используются традиционные материалы, например бетон и сталь, для которых характерна низкая стоимость компонентов, но высокая стоимость обработки и установки, а также низкие возможности обработки. Результатом внедрения пластмасс может стать следующее:
- Сокращение итоговых расходов.
- Повышение производительности.
- Снижение веса.
- Увеличение возможностей при проектировании в сравнении с деревом и металлами.
- Устойчивость к коррозии.
- Простота обработки и установки.
- Определенные полимеры могут пропускать свет и даже быть прозрачными.
- Простота технического обслуживания.
- Изоляционные свойства.

С другой стороны, следует помнить о старении и механическом сопротивлении. Тем не менее, некоторые проекты, построенные в середине 1950х годов с использованием полиэстера, укрепленного стекловолокном, демонстрируют значительную долговечность.

Отрасль гражданского строительства относится к консервативным, и перед расширением использования пластмасс и композитов стоят такие барьеры, как:
- Слабая изученность и малый опыт работы с этими материалами в отрасли гражданского строительства.
- Сложность перенесения опыта, накопленного в других отраслях промышленности.
- Сложность выбора и оценки размеров этих материалов.
- Сложность взаимопонимания между представителями различных профессий, обладающими очень разными менталитетами.
- Мнение о пластмассах, сложившееся в обществе.
- Жесткие окружающие условия на месте строительства.
- Сложные условия применения, которые не совсем совпадают с практикой и квалификацией строителей.

Прогрессивный ответ пластмасс возрастающим требованиям строительства: от очищенных термопластов к ориентированным композитам с углеродными волокнами
Композиты представляют особый интерес для строительной отрасли, так как им присущи высокие коэффициенты [производительность/вес/конечная стоимость].
Более того, возможность задания направления в композитном укреплении расширяет возможности при проектировании в сравнении со сталью.
В таблице 1 сравнивают несколько случаев, но также существуют и другие промежуточные решения.

Таблица 1: Примеры свойств от очищенных термопластов к однонаправленным композитам

На рисунке 2 приведена схема роста механической эффективности в соответствии с армированием полимера.

Рисунок 2: Механическая эффективность пластмасс

Затраты на материал для композитов всегда превосходят аналогичные затраты на металл, а самое дорогое это углеродно-волоконное армирование (см. Рисунок 3). Эти затраты на пластмассы и композиты компенсируются другими преимуществами.

Рисунок 3: Сравнительная стоимость композитов и металла

В обмен на высокую стоимость материала композиты предлагают уникальный набор интересных свойств:
- Снижение веса
- Сокращение расходов на сборку
- Установка
- Сокращение операционных расходов
- Сокращение итоговых расходов
- Сопротивление коррозии
- Безопасность.

Снижение веса
Плотность стали превышает плотность композитов по следующим коэффициентам:
- 3.9 против эпоксидной смолы, армированной стекловолокном.
- 5.1 против эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном.
- 5.8 против эпоксидной смолы, армированной кевларовым волокном.
Возможности снижения веса, если использовать композиты вместо стали, менее значительны. В большинстве предлагаемых в настоящее время решений их можно оценить приблизительно в 15-30%.

Сокращение расходов на сборку и установку
Повторное проектирование компонентов, внедрение нескольких функций, а также выбор новых технологий сборки – вот некоторые из самых важных источников сокращения расходов при использовании пластмасс и композитов.
Высокая стоимость материалов в вышеуказанных случаях полностью или частично оправдывается значительным сокращением расходов на сборку:
- При объединении существующих конструкций плитами, армированными углеродным волокном, весом 5 кг вместо стальных, весом 94 кг, затраты на материалы в значительной степени компенсируются сокращением расходов на сборку в жестких условиях: очень изолированные работы, сложность доступа в горах и другое. Работу может выполнить один человек, которому не будут нужны тяжелые механизмы.
- В случае дорожного моста длиной 14 м, высокие расходы компенсируются облегчением установки благодаря весу, который составляет одну четверть от веса обычного моста. Если мост доставить в виде двух секций, то его можно установить за один день. Это означает, что возникнет гораздо меньше проблем для передвижения транспорта.
- Для морской нефтяной вышки стоимость компонента из стеклопластика в настоящий момент аналогична стоимости коррозионностойкой стали или меньше нее. К тому же, сокращаются расходы на установку (период настройки можно отделить).

Сокращение инвестиционных расходов
Когда низкий вес становится решающим фактором, например в случае передвижного моста, использование композитов позволяет изготовить более простой и дешевый каркас и механизмы, что приводит к значительной экономии на инвестициях.

Сокращение операционных расходов
Благодаря наличию такого свойства, как сопротивление коррозии, компоненты работают в течение долгого периода времени без необходимости часто проводить работы по ремонту и/или замене.
В действительности, происходит резкое сокращение прямых расходов на техническое обслуживание, а срок службы возрастает, что оказывает огромное влияние на долгосрочную прибыльность.

Сокращение итоговых расходов
В целом, расходы на сырьевой материал композитов значительно превышают аналогичные расходы по металлам. Поэтому использование композитов экономически рентабельно только в том случае, если расходы приблизительно равны расходам на стальные элементы после установки или, в худшем случае, в конце срока службы. На данный момент пластмассовый компонент, армированный стеклом, в 1,5-2,5 раза дороже компонента из углеродистой стали, но в целом его стоимость аналогична компоненту из коррозионностойкой стали или ниже. Тем не менее, расходы на установку сокращаются (период установки может сократиться в четыре раза, средства перевозки и подъема обладают меньшей массой), а расходы после установки составляют не более:
- 60-90% в сравнении с углеродистой сталью.
- 40-80% в сравнении с нержавеющей сталью.
Низкий вес пластмасс, армированных стеклом, позволяет реализовать экономию на инвестициях по конструкциям и установленным средствам подъема.

Безопасность
Отсутствие процесса, проходящего при высоких температурах, который необходим для обеспечения безопасности для сварочного армирования из стали.
Снижение количества утечек, происходящих в результате коррозии, приводит к снижению риска загрязнения окружающей среды антикоррозионными химическими веществами.
Армированные стеклом пластмассы, в отличие от стали, не генерируют искры в момент удара, что дополнительно повышает уровень безопасности.

Антикоррозионные свойства
Одной из главных проблем при использовании стали является коррозия. Наиболее агрессивными являются H2S, CO2 и хлориды, связанные с водой и кислородом. Ежегодно в нефтяной промышленности расходуется несколько миллиардов долларов в связи с расходами на обеспечение защиты и замену стальных компонентов. Поэтому антикоррозионные свойства композитов могут способствовать значительной экономии.
Низкая теплопроводность композитов ослабляет проблему конденсации и последующей влажной коррозии.

Примеры рабочих компонентов и компонентов, использующихся при гражданском строительстве
- Экологические звукоизолирующие барьеры из акриловых или поликарбонатных панелей.
- Кожухи, корпуса, гнезда для защиты оборудования (лифты, вентиляторы) из полиэстера, армированного стекловолокном.
- Заполнение трещин в бетоне эпоксидной смолой.
- Острия свай для заборов из полиуретана, полученного реакционным инжекционным формованием.
- Кабельные полки в одноосноориентированных профилях.
- Каркасы из одноосноориентированного полиэстера, армированного стекловолокном.
- Мачты и столбы.
- Колонны и балки из одноосноориентированных труб, заполненных бетоном.
- Опалубка, футеровка из полиэстера, армированного стекловолокном.
- Плиты, армированные углеродным волокном, для укрепления конструкций наподобие моста.

Товарные композиты – ненасыщенный полиэстер, армированный стекловолокном – для широкого применения
- Пешеходный мост длиной 120 м и шириной 2 м: механические свойства, прочность, простота установки (низкий вес) и технического обслуживания.
- Мост длиной 40 м и шириной 3 м для пешеходов, механизированные устройства для расчистки снега и оборудование весом до 5 тонн: механические свойства, прочность, вдвое меньший вес в сравнении со стальными компонентами, значительно более высокая устойчивость перед коррозией.
- Компоненты дорожных саней: механические свойства, устойчивость к воздействию погоды и разумная цена.
- Панели для звукоизолирующих стен легче обрабатывать, чем такие традиционные материалы, как бетон.
- Поперечные балки мостового настила из самозатухающего композита: эти балки, уложенные на базовую конструкцию моста, легко приладить и демонтировать.
- Огнеупорные панели и конструкции для нефтевышек: снижение веса.
- Панели, многослойные структуры для подводных устий нефтяных скважин из полиэстера, армированного стекловолокном с пенопластовой сердцевиной из полиэтилена: устойчивость к ударам, управляемая плавучесть, снижение веса.
- Пешеходные мостики для технического обслуживания подземных туннелей из одноосноориентированного композита: сокращение объема технического обслуживания.
- Дымовые трубы для фабрик диаметром до 7 м.
- Лопасти для ветротурбин длиной до 12,5 м: механические свойства, устойчивость к воздействию погоды и усталостная прочность.
- Мачты для флагов высотой до 18 метров.
- Опоры для телеграфных столбов из листовых композитов (SMC).
- Каркасы из одноосноориентированного полиэстера, армированного стекловолокном.
- Столбы для телефонных линий, изготовленные из самозатухающего полиэстера, армированного стекловолокном, методом центробежного формования.
- Кабельные полки для туннеля под Ла-Маншем, из огнеупорных акриловых одноосноориентированных секций.

Чем больше специализированных отраслей, тем больше специализированных композитов
1) Композиты с фенольными матрицами используются для изготовления безопасных навесов и покрытий пола в нефтяных вышках,

2) Композиты с эпоксидными матрицами используются в мощных механических системах, например:
- Укрепление существующих бетонных конструкций эпоксидным слоистым пластиком, армированным углеродным волокном. Вес плит составляет 5 кг в сравнении с 94 кг веса стальных компонентов. Более высокая стоимость (до 10 раз) приемлема только для ремонта в жестких условиях.
- Более жесткие плиты для повышения эффективности существующих зданий или проектов: повышение механических свойств при помощи небольшого количества эпоксидных препрегов, армированных углеродным волокном и характеризующихся низким весом, позволяет увеличить выдерживаемую нагрузку.
- Огнеупорные панели: оболочка, которая может соприкоснуться с огнем, состоит из алюминия; другой оболочкой является эпоксидная смола, армированная стекловолокном.
- Ремонт металлических конструкций в морских нефтяных вышках при помощи распорных плит из эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном: низкий вес, простое техническое обслуживание и отверждение при температуре окружающей среды на месте применения компенсируют высокую цену.
- Стержни и кабели для придания устойчивости ТВ-антеннам: механические свойства и режим работы в условиях окружающей среды.
- Кабели для предварительно напряженного бетона: баланс между механическими свойствами и устойчивостью к воздействию погоды, могут быть до четырех раз легче стали.
- Заполнение трещин в бетоне эпоксидной смолой.

Мосты: большие перспективы для композитов
Ниже приводятся несколько примеров областей применения, в которых интенсивно ведутся испытания и внедряется промышленное применение:
- Круглые стержни, в которых использовано стекловолокно с одноосной ориентацией, заданной полимером.
- Анкерные устройства, в которых полимер отлит вокруг пучков одноосно ориентированного волокнистого пластика внутри стальной трубы.
- Системы предварительного напряжения в форме одноосно ориентированного волокнистого пластика, плоских лент или круглой арматуры, в которых используются арамидные волокна.
- Плиты, армированные углеродным волокном и присоединяемые в качестве внешнего укрепления для ремонта поврежденных конструкций и увеличения полезной нагрузки.
- Укрепления, в которых используются сравнительно толстые профили, полученные из одноосноориентированного волокнистого пластика и приклеенные на подготовленную поверхность; в других применяется более тонкая система, которая может принять форму поверхности.
- Усиление каменных конструкций полосами углеродного волокна для сопротивления землетрясениям.
- Системы из полиэстера и арамидного троса, в которых используются параллельные волокна, покрытые экструдированной термопластичной оболочкой, которая защищает волокна от ультрафиолета.
- Укрепление бетонных труб с помощью стеклопластиковых труб, изготовленных методом накальной обмотки и заполненных цементом.
- Ремонт стальных/бетонных мостов при помощи конструкций перекрытий из стеклопластика, которые составлены из пластин, соединенных рычажной системой.
- Мост Aberfeldy Footbridge состоял из главной конструкции, составленной из канатного висячего стеклопластикового настила, который удерживался на весу арамидными тросами Parafil, идущими от стеклопластиковых вышек. Впоследствии он был укреплен в некоторых местах стеклопластиковым армированием, что позволило использовать его для легких колясок.
- Подъемный мост, который можно использовать для тяжелых грузовиков, с легким настилом, который легко поднимать, сделанный из стеклопластика, полученного методом из одноосно ориентированного волокнистого пластика.
- Легковесный мост в Швейцарии, двухпролетный балочный мост, изготовленный из стандартного одноосно ориентированного волокнистого полимера. Этот мост был спроектирован таким образом, чтобы его можно было демонтировать каждый год перед таянием снега. Низкий вес позволяет производить установку на место при помощи вертолета.

В целом, композиты применяются в особых случаях, когда можно оправдать высокие расходы на сырьевой материал. Например, использование очень дорогостоящих композитов (цена которых может превышать стоимость традиционных материалов до десяти раз) может быть оправдано в определенных участках железнодорожных туннелей, где время эффективной работы ограничено 4 часами.

Рынок гражданского строительства разделен на две части:
- традиционная, где используются товарные композиты
- очень перспективное направление с широкими возможностями развития строительных проектов наподобие мостов.

Тем не менее, доля композитов в общем количестве используемых материалов остается низкой. Композиты применяются в специализированном производстве, где высокая стоимость сырьевого материала компенсируется особыми свойствами полимеров, в частности низким весом, который упрощает и ускоряет установку (мосты), прозрачностью (звуконепроницаемые барьеры), простотой обработки…

http://www.omnexus.com