Создание и применение композиционных материалов в быту и строительстве

Композиционные материалы обладают преимуществами и недостатками. Главное преимущество КМ в том, что они очень прочны и жестки. Композиционные материалы обладают высокой износостойкостью и усталостной прочностью (долговечностью).

Кроме этого, они обладают легкостью. Также, из них можно изготовить размеростабильные конструкции – конструкции, которые сохраняют свои размеры при различных воздействиях. Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

К сожалению, многие композиционные материалы  обладают недостатками. Цены на них  высоки, с чем и борются материаловеды. Для создания КМ необходимо специальное  дорогостоящее оборудование и сырье, что приводит к повышенной наукоемкости производства [2, c.241].                                                                                                   C давних времен люди испытывали нужду в таких материалах, в которых бы сочетались несколько физических свойств сразу. В нынешнее время ситуация не изменилась. Композиционные материалы задействованы почти во всех областях. В первую очередь они являются товарами широкого потребления. Например, железобетон (рис.7)— один из старейших и простейших композиционных материалов. Из КМ делают автомобильные покрышки и лодки из стеклопластика (стекловолокнистого наполнителя). Кроме этого, они входят в состав удилищ для рыбной ловли. Композиты нашли применение и в спорте. Из них                рис.7                              делают оборудования для горнолыжного спорта – палок и лыж. Композиционные материалы нашли применение в машиностроении. В этой области они широко применяются для создания защитных покрытий на трущихся поверхностях (рис.8), а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания, например, поршней. Защитное покрытие имеет низкий коэффициент трения, 0,01 и менее. КМ нашли применение и в авиации и космонавтике. В этих областях с 1960-х годов существует  необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы                                               рис.8            применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шатлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов. Композиты также используются в военной технике. Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) они применяются для производства различных видов брони, например, бронежилетов [5].

Но основное использование они  получили в быту и строительстве. Применение композиционных материалов в этих областях будет рассмотрено в следующем параграфе моего реферата.

§3 Композиционные материалы в быту и строительстве

 Невозможно себе представить, как  люди бы обходились в быту и строительстве без композиционных материалов. Люди являлись, являются и будут являться основными потребителями композиционных материалов. Можно сказать, что они являются «основой» в строительстве и быту. Очень хорошо проявлены преимущества композиционных материалов, употребляющихся в этих областях. Далее будут приведены примеры композиционных материалов, в которых люди проявляют большую заинтересованность.     Одним из самых распространенных строительных композиционных материалов является железобетон. Железобетон — это строительный композиционный материал, представляющий собой залитую бетоном стальную арматуру (совокупность соединенных между собой элементов). На рис.9 изображена арматура для железобетонных конструкций. Термин запатентован в 1867 году Жозефом Монье как материал для изготовления кадок для растений. Этот год принято считать годом изобретения железобетона как универсального несгораемого строительного материала. Уже в XX веке железобетон является наиболее распространённым материалом в строительстве. Термин «железобетон» абстрактен и употребляется обычно в выражении «теория железобетона». Если речь идёт о конкретном объекте, будет правильнее говорить      рис.9  «железобетонная конструкция» или «железобетонный  элемент».      Железобетон обладает как положительными, так и отрицательными качествами. К положительным качествам железобетонных конструкций относятся:    

• невысокая цена (железобетонные конструкции значительно дешевле стальных);
• пожаростойкость (в сравнении со сталью);
• технологичность (несложно при бетонировании получать любую форму конструкции);
• химическая и биологическая стойкость — не подвержен гниению;
• есть возможность создавать сложные формы

К недостаткам железобетонных конструкций  относятся:

• невысокая прочность при большой массе (прочность бетона при растяжении в среднем в 10 раз меньше прочности стали; в больших конструкциях железобетон «несёт» больше своей массы, чем полезной нагрузки). [4, c.34]

Выделяют сборный железобетон (железобетонные конструкции изготавливаются в  заводских условиях, затем монтируются  в готовое сооружение) и монолитный железобетон (бетонирование выполняется  непосредственно на строительной площадке). Главной задачей при проектировании железобетонной конструкции является расчёт армирования. Армирование конструкций выполняется стальными стержнями. Диаметр стержней и характер их расположения определяется расчётами. При этом соблюдается следующий принцип — арматура устанавливается в растянутые зоны бетона либо в преднапряжённые сжатые зоны. В России железобетонные элементы принято рассчитывать:

• по несущей способности (прочность, устойчивость, усталостное разрушение);                     
• по пригодности к нормальной эксплуатации (трещиностойкость, чрезмерные прогибы и перемещения).

По характеру работы выделяют изгибаемые элементы (балки, плиты) и  сжатые элементы (колонны, фундаменты).           При изгибе любого элемента в нём возникает сжатая и растянутая зоны (рис.10), изгибающий момент и поперечная сила. В железобетонной конструкции выделяется две формы разрушения:

• по нормальным сечениям (сечениям, перпендикулярным продольной оси, от действия изгибающего момента);
• по наклонным сечениям (от действия поперечных сил).

В типичном случае армирование балки  выполняется продольной и поперечной                                              рис.10                                                             арматурой (рис.10).                                      1 – верхняя (сжатая) арматура  2 – нижняя (растянутая)                                                  арматура  3 – поперечная арматура  4 – распределительная арматура                               

Основными параметрами конструкции являются: 
L — пролёт балки или плиты, расстояние между двумя опорами. Обычно составляет от 3 до 25 метров; 
H — высота сечения. С увеличением высоты прочность балки растёт пропорционально h²; 
B — ширина сечения; 
a — защитный слой бетона. Служит для защиты арматуры от воздействия внешней среды; 
s — шаг поперечной арматуры.         Арматура (2), устанавливаемая в растянутую зону, служит для упрочнения бетона, который в силу своих свойств быстро разрушается при растяжении. Арматура (1) в сжатую зону устанавливается обычно без расчёта (из необходимости приварить к ней поперечную арматуру), в редких случаях верхняя арматура упрочняет сжатую зону бетона. Растянутая арматура и сжатая зона бетона (и иногда сжатая арматура) обеспечивают прочность элемента по нормальным сечениям (рис.10).  Поперечная арматура (3) служит для обеспечения прочности наклонных сечений (рис.10).   На рис.11 показано разрушение ж/б элемента по нормальным сечениям. На рис.12 показано разрушение ж/б элемента по наклонным сечениям.

                       рис.11                                                                                    рис.12

Распределительная арматура (4) имеет  конструктивное назначение. При бетонировании она связывает арматуру в каркас.

Разрушение элемента в обоих  случаях наступает вследствие разрушения бетона растягивающими напряжениями. Арматура устанавливается в направлении действия растягивающих напряжений для упрочнения элемента.     Небольшие по высоте балки и плиты (до 150 мм) допускается проектировать без установки верхней и поперечной арматуры.       Плиты армируются по такому же принципу, как и балки, только ширина B в случае плиты значительно превышает высоту H, продольных стержней (1 и 2) больше, они равномерно распределены по всей ширине сечения.      Кроме расчёта на прочность для балок и плит выполняется расчёт на жёсткость (нормируется прогиб в середине пролета при действии нагрузки) и трещиностойкость (нормируется ширина раскрытия трещин в растянутой зоне).      При сжатии длинного элемента для него характерна потеря устойчивости (рис.13). При этом характер работы сжатого элемента несколько напоминает работу изгибаемого элемента, однако в большинстве случаев растянутой зоны в элементе не возникает.  Если изгиб сжатого элемента значителен, то он рассчитывается как внецентренно сжатый. Конструкция внецентренно сжатой колонны сходна с центрально сжатой, но, в сущности, эти элементы работают (и рассчитываются) по-разному. Также элемент будет внецентренно сжат, если кроме вертикальной силы на него будет действовать значительная горизонтальная сила (например, ветер, давление грунта на подпорную стенку).   Типичное армирование колонны представлено на рис.13.       В сжатом элементе вся продольная арматура (1) сжата, она воспринимает сжатие наряду с бетоном. Поперечная арматура (2) обеспечивает устойчивость арматурных стержней, предотвращает их выпучивание.      Центрально сжатые колонны проектируются при помощи квадратного сечения.                                                               рис.13                 Массивными считаются колонны минимальная  сторона сечения которых более или равна 400 мм. Массивные сечения обладают способностью к наращиванию прочности бетона длительное время, т.е. с учетом возможного увеличения нагрузок в дальнейшем (и даже возникновения угрозы прогрессирующего разрушения - террористические атаки, взрывы и т.д.) - они имеют преимущество перед колоннами немассивными. Т.о. сиюминутная экономия сегодня не имеет смысла в дальнейшем и кроме этого малые сечения нетехнологичны при изготовлении. Необходим баланс между экономией, массой конструкции и т.н. жизнеутверждающим строительством.      Изготовление железобетонных конструкций включает в себя следующие технологические процессы:            — Подготовка арматуры;           — Опалубочные работы – изготовление, установка и разборка опалубки (элементов и деталей, предназначенных для придания требуемой формы ж/б конструкциям, возводимым на строительной площадке);  
— Армирование железобетона – усиление конструкции другим материалом (осуществляется стальной арматурой). При помощи армирования повышается трещиностойкость, жёсткость и долговечность конструкций;                  — Бетонирование (заливание бетоном стальной арматуры); 
— Уход за твердеющим бетоном.         Для защиты железобетонных конструкций применяются специальные полимерные составы, позволяющие изолировать поверхностный слой железобетона от негативных влияний внешней среды (химические агенты, механические воздействия). Для защиты железобетонного основания применяют различные типы защитных конструкций, позволяющих модифицировать эксплуатационные свойства минеральной поверхности — увеличить износостойкость, уменьшить пылеотделение, придать декоративные свойства (цвет и степень блеска), улучшить химическую стойкость. Полимерные покрытия, наносимые на железобетонные основания, классифицируют по типам: обеспыливающие пропитки, тонкослойные покрытия, наливные полы, высоконаполненные покрытия. Другой метод защиты железобетонных конструкций заключается в покрытии арматуры фосфатом цинка. В результате образуется устойчивое апатитное покрытие [4, c.87].  Из железобетона производят шамотные кирпичи, асбестоцементные трубы, цементо-стружечные плиты, фундаментные блоки, колодезные кольца, перемычки, бордюрные камни и лестничные ступени. Теперь становится понятным, почему люди нуждаются в строительных композиционных материалах.     Одним из самых распространенных полимерных композиционных материалов являются пластмассы. Пластмасса на сегодняшний день является незаменимым материалом не только в производстве, но и в обычном хозяйстве. Пластмассы (пластические массы, пластики) — органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Название «пластмассы» означает, что эти материалы под действием нагревания и давления способны формироваться и сохранять после охлаждения или отвердения заданную форму. Процесс формования сопровождается переходом пластически деформируемого (вязкотекучего) состояния в стеклообразное состояние.       Первая пластмасса была получена английским металлургом и изобретателем А. Парксом в 1855 году. Паркс назвал её паркезин (позже - целлулоид). Развитие пластмасс началось с использования природных пластических материалов (например, жевательной резинки), затем с использованием химически модифицированных природных материалов (таких, как резина, коллаген) и, наконец, пришло к полностью синтетическим молекулам. Преемником паркезина стал ксилонит (другое название того же материала).    В зависимости от природы полимера и характера его перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние при формовании изделий пластмассы делят на:

• Термопласты (термопластичные пластмассы) — при нагреве расплавляются, а при охлаждении возвращаются в исходное состояние.
• Реактопласты (термореактивные пластмассы) — отличаются более высокими рабочими температурами, но при нагреве разрушаются и при последующем охлаждении не восстанавливают своих исходных свойств.

Также газонаполненные пластмассы — вспененные пластические массы, обладающие малой плотностью.           Основные механические характеристики пластмасс те же, что и для металлов. 
Пластмассы характеризуются малой плотностью (0,85—1,8 г/см³), чрезвычайно низкими электрической и тепловой проводимостями, не очень большой механической прочностью. При нагревании (часто с предварительным размягчением) они разлагаются. Не чувствительны к влажности, устойчивы к действию сильных кислот и оснований, отношение к органическим растворителям различное (в зависимости от химической природы полимера). Физиологически почти безвредны. Свойства пластмасс можно модифицировать путём сочетания различных пластмасс друг с другом или с другими материалами, такими как стеклянное волокно, текстильная ткань, введением наполнителей и красителей,  тепло- и светостабилизаторов, облучения и др., а также варьированием сырья. Пластмассы также обладают твердостью, теплостойкостью, температурой хрупкости (морозостойкостью).        Для того, что придать особые свойства пластмассе, в нее добавляют пластификаторы (например, силикон), антипирены и антиоксиданты.   Производство синтетических пластмасс основано на реакциях полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения низкомолекулярных исходных веществ, выделяемых из угля, нефти или природного газа. При этом образуются высокомолекулярные связи с большим числом исходных молекул (приставка «поли-» от греческого «много», например этилен-полиэтилен).       Обрабатывают пластмассы разными способами. Вот некоторые из них:

• Литьё/литьё под давлением (технологический процесс переработки пластмасс путем впрыска их расплава под давлением в форму с последующим охлаждением)
• Экструзия (технология получения изделий путем продавливания расплава пластмасс через формующее отверстие)
• Прессование 
• Вспенивание
• Отливка
• Сварка
• Вакуумная формовка (производство пластмасс в горячем виде методом воздействия вакуума или низкого давления воздуха) и пр.