Композиционные строительные материалы

Композиционные материалы представляют собой созданные в искусственных условиях неоднородные сплошные материалы, которые состоят из 2-х и более слоев с четко разделенной границей. В состав большинства композитов входит матрица и армирующие элементы, выполняющие функцию обеспечения механических свойств – жесткости, прочности. Чтобы сохранить исходные характеристики компонентов, используются специальные технологии, направленные на обеспечение их прочной связи. Все преимущества отдельно взятых материалов объединяются. Повышается устойчивость к появлению трещин и статическая прочность. Однородные материалы такими свойствами, как правило, не обладают.

зависимости от вида армирования композиты делятся на:

− дисперсно-упрочняющие композиты, представляющие собой материал, в матрице которого равномерно распределены частицы. Концентрация мелких и средних частиц может достигать 25 % по объему. При этом всю нагрузку воспринимает матрица;

− волокнистые композиты, представляющие собой материал, в котором высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения и обеспечивают жесткость и прочность композита.Особенность волокнистых композитов – равномерное распределение волокон в пластичной матрице, объемная доля которых может достигать 75 % и более.

Компоненты композиционных материалов должны обладать хорошей совместимостью. Это относится не только к прочности сцепления (адгезии) между разными составляющими, но и к ряду других свойств.

В композиционных материалах разнородные компоненты создают синергетический эффект, то есть приобретается новое качество материала, отличное от свойств исходных компонентов.

Свойства композитов определяются высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе «матрица-волокно».

По плотности композиционные строительные материалы подразделяют на следующие группы:

– особо легкие (средняя плотность < 400 кг/м3);

– легкие (средняя плотность 400…1200 кг/м3);

– обычные (средняя плотность 1200…2200 кг/м3);

– тяжелые (средняя плотность 2200…2800 кг/м3);

– особо тяжелые (средняя плотность > 2800 кг/м3

По способу твердения в зависимости от особенности микроструктуры композит строительные материалы подразделяют на следующие группы:

– твердеющие при понижении температуры (водные растворы, асфальтовые, битумные, металлические, керамические, стекла, каменное литье, серы, термопластичные полимеры);

– твердеющие в результате удаления части компонентов жидкой фазы – растворителей или разбавителей (лакокрасочные составы, эмульсии, холодные мастики и замазки);

– твердеющие в процессе физико-химического взаимодействия с газообразными средами (воздухом, углекислым газом, кислородом) – материалы на основе воздушной извести и жидкого стекла;

– твердеющие в результате физико-химического взаимодействия с жидкими средами (водой, растворами солей, щелочей, кислот) с образованием новых продуктов реакций – материалы на основе минеральных вяжущих;

– твердеющие в результате реакций полимеризации и поликонденсации термопластичных или термореактивных синтетических полимеров (замазки, шпаклевки, клеи, связующие полимеррастворов и полимербетонов, стеклопластики, дерево пластики и др.);

– твердеющие в результате высокотемпературных процессов (керамика, ситаллы).

В зависимости от строения макроструктуры композиционные строительные материалы подразделяют на следующие группы:

– дисперсно-наполненные (мастики, шпаклевки, замазки, клеи, растворы), содержащие связующее вещество и дисперсный наполнитель;

– дисперсно-армированные (стеклопластики, асбестоцемент и др.), состоящие из связующих веществ и волокнистых хаотично расположенных наполнителей;

– волокнистые композиты (фанера, стекловолокнистые анизотропные материалы, стеклотекстолиты), включающие связующие вещества и ориентированные волокна;

– растворы – материалы, состоящие из вяжущего вещества и мелкого заполнителя;

– бетоны – материалы, состоящие из вяжущего вещества, крупного и мелкого заполнителя (полимербетоны и бетонополимеры).

По виду вяжущего композиционные строительные материалы подразделяют на следующие группы:

– материалы на основе минеральных вяжущих веществ;

– материалы на основе органических вяжущих веществ;

– материалы на основе полимерных синтетических связующих;

– материалы на основе комплексных вяжущих веществ.

По назначению композиционные строительные материалы подразделяют на следующие группы:

– конструкционные материалы, предназначенные для изготовления строительных конструкций: несущих, ограждающих, технологических емкостей и оборудования;

– теплоизоляционные материалы, применяемые для изоляции ограждающих конструкций, зданий, сооружений, технологического оборудования и приборов от тепла и холода;

– гидроизоляционные материалы, применяемые для производства гидроизоляционных, пароизоляционных, кровельных и отделочных работ;

– химически стойкие материалы, применяемые для устройства химически стойкой облицовки или отделки существующих объектов и сооружений;

– электроизоляционные материалы, применяемые для диэлектрических конструкций и аппаратов;

– отделочные материалы, применяемые для улучшения архитектурной выразительности, а также для реставрации или ремонта строительных объектов;

– материалы специального назначения: радиационно-стойкие, огнестойкие, огнеупорные и др.

Полимеры

Полимерные материалы представляют природные или синтетические высокомолекулярные органические соединения, состоящие из огромного количества атомов. Строение молекул полимеров может иметь линейный или объёмный характер. Полимеры, молекулы которых имеют линейное строение, обладают термопластичностью — размягчаясь при нагревании они вновь затвердевают при охлаждении. Размягчение и отвердевание можно проводить многократно. Многократное нагревание с последующим охлаждением не вносит существенных изменений в свойства материала (полиэтилен, полистирол). Полимеры, имеющие объёмное строение молекул, обладают термореактивностью — они не могут многократно обратимо расплавляться и затвердевать. При первом нагревании они становятся пластичным и принимают заданную форму, переходя в неплавкое и нерастворимое состояние (фенопласты).

По упругим свойствам полимеры подразделяют на:

пластики (жёсткие)

эластики (эластичные).

Полимерные материалы содержат три группы веществ:

связующие

пластификаторы

наполнители.

Связующими веществами служат синтетические смолы. В качестве пластификаторов вводя глицерин, камфору и др. вещества, которые повышают эластичность и пластичность полимеров, облегчая их переработку. Наполнители (порошковые, волокнистые) придают полимерным изделиям большую механическую прочность, предотвращают усадку. Кроме этого, в состав вводят пигменты, стабилизаторы, ускорители твердения и др. вещества.

При изготовлении полимерных строительных материалов, изделий и конструкций наибольшее применение находят полиэтилен (плёнки, трубы), полистирол (плиты, лаки), полихлорвинил (линолеум), полиметилметакрилат (органическое стекло).

Благодаря хорошим механическим свойствам, эластичности, электроизоляционным качествам, способности принимать любую форму в процессе переработки полимерные материалы нашли широкое применение во всех областях строительства и в нашей повседневной жизни.

Полимеры в зависимости от метода получения подразделяют на полимеризационные и поликонденсационные. Полимеризационные полимеры получают путём полимеризации. К ним относятся полиэтилен, полистирол. Поликонденсационные полимеры получают методом поликонденсации. К ним относятся полиэфирные, акриловые, кремнийорганические и др. смолы, полиэфиры, полиуретановые каучуки.

Полиэтилен получают полимеризацией этилена из попутного и природного газа. Он стареет под действием солнечной радиации, воздуха, воды. Его плотность 0,945 г/см³, морозостойкость −70 °C термостойкость всего 60-80 °C. По способу получения различают полиэтилен высокого давления (ПВД), низкого давления (ПНД) и на окисно-хромовом катализаторе (П). При нагревании до 80 °C полиэтилен растворяется в бензоле, четырёххлористом углероде. Применяют его для изготовления плёнок отделочных материалов.

Полиизобутилен — каучукоподобный или жидкий эластичный материал, получаемый полимеризацией изобутилена. Он легче полиэтилена, менее прочен, обладает очень малой влаго- и газопроницаемостью, почти не стареет. Применяют его для изготовления гидроизоляционных тканей, защитных покрытий, плёнок, в качестве добавок в асфальтобетонах, вяжущего для клеев и др.

Полистирол — термопластичная смола, продукт полимеризации стирола (винилбензола). Применяют его для изготовления плит, облицовочных плиток, лаков эмалей и др.

Полиметилметакрилат (органическое стекло) — образуется в процессе полимеризации метилового эфира в результате его обработки метакриловой кислотой. В начале образуется метилметакрилат в виде бесцветной, прозрачной жидкости, а затем получают стеклообразный продукт в виде листов, трубок… Они очень стойки к воде, кислотам и щелочам. Применяют их для остекления, изготовления моделей.

Трубы из полимерных материалов широко применяют при строительстве напорных трубопроводов (подземных и надземных), оросительных систем, закрытого дренажа, трубчатых гидротехнических сооружений. В качестве материала для изготовления полимерных труб используют полиэтилен, винипласт, полипропилен, фторопласт.

Полиэтиленовые трубы изготавливают методом непрерывной шнековой экструзии (непрерывное выдавливание полимера из насадки с заданным профилем). Полиэтиленовые трубы морозостойки, что позволяет эксплуатировать их при температурах от −80 °C до +60 °C.

Гидротехнические сооружения работающие в условиях агрессивной среды, действия больших скоростей и твёрдого стока, защищают специальными покрытиями или облицовками. С целью предохранения сооружений от этих воздействий, увеличения их долговечности используют полимерные мастики, полимерные бетоны, полимербетоны, полимеррастворы.

Полимерные мастики — предназначены для создания защитных покрытий, предохраняющих конструкции и сооружения от воздействия механических нагрузок, истирания, перепадов температур, радиации, агрессивной среды.

Полимерные бетоны — цементные бетоны, в процессе приготовления которых в бетонную смесь добавляют кремнийорганические или водо-растворимые полимеры. Такие бетоны имеют повышенную морозостойкость, водонепроницаемость.

Полимербетоны — это бетоны, в которых вяжущими материалами служат полимерные смолы, а заполнителем — неорганические минеральные материалы.

Полимеррастворы отличаются от полимербетонов тем, что не имеют в своём составе щебня. Их применяют в качестве гидроизоляционных, антикоррозионных и износоустойчивых покрытий гидротехнических сооружений, полов, труб.