Статья. Композитные материалы. 01.2018
статья на тему

Кремнева Л. В.,  Зайцева Н. Н., Галейченко С. Д.

ГБПОУ ВО «Борисоглебский дорожный техникум»

Россия,  г. Борисоглебск

КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Что такое композитные материалы

Многокомпонентные материалы, состоящие из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Такие материалы называют композитными материалами или композитами.

Свойства нового материала количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

Эффективная экономика и развитая инфраструктура любого государства невозможна без строительства надёжных и долговечных мостов. Как показывает мировая практика реальная долговечность мостов, построенных из традиционно используемых в мостостроении материалов (дерева, металла и железобетона), существенно уменьшается в современных условиях.

Основными причинами этого являются:

1. Воздействие кислотных дождей, которые особенно часты в последние десятилетия.
2. Широкое применение химических реагентов в зимнее время для уменьшения скольжения автомобильного транспорта.
3. Высокое загрязнение дорожной одежды различными агрессивными химическими элементами. Перенос  этих химических элементов на колёсах автотранспорта.
4. Значительным ростом нагрузок и увеличением интенсивности эксплуатации.
5. Увеличивающиеся резкие температурные перепады, создающие высокие напряжения в конструкциях пролётных строений.
6. Увеличением локальных разрушений и ростом трещин в конструкциях опор и пролётных строений, из-за эффекта усталости материалов.

В итоге при рассчитанном сроке службы мостов до ста лет, фактически они могут нормально эксплуатироваться не более 50 лет, а необходимость в их капитальном ремонте или усилении возникает уже через 30 лет.

Все эти проблемы, актуальные для всего мирового мостостроения, заставляют проводить поиск эффективных решений для увеличения долговечности мостов.

К современным мостам, в отличие от мостов старой постройки, предъявляются повышенные требования:

• надёжность и долговечность;
• высокое качество применяемых материалов;
• использование при строительстве новейших технологий;
• применение пролётных строений увеличенной длины;
• простой и быстрый монтаж конструкций;
• вандалоустойчивость;
• негорючесть элементов мостовых конструкций;
• стойкость к агрессивным природным и химическим воздействиям;
• уменьшение стоимости мостового перехода;
• наиболее полное соответствие архитектурному облику городов.

Решением проблемы является более широкое применение вместо традиционных железобетона и металла новых композиционных материалов.

Полимерные композитные материалы представляют собой углеродные керамические элементы армированные наполнителями. Основные преимущества композитных материалов для мостостроения:

• неподверженность гниению и коррозии;
• высокая устойчивость к воздействию химических средств и возникновению плесени;
• отсутствие деформации под воздействием низких и высоких температур;
• низкие затраты при эксплуатации;
• значительно меньший вес, чем у стальных или железобетонных конструкций, что приводит к снижению нагрузок на опоры;
• высокая стойкость к механическим и акустическим колебаниям;
• вандалоустойчивость;
• простота выполнения монтажа, малая трудоёмкость и скорость его выполнения;
• сравнительно небольшая стоимость, даже по сравнению с железобетоном;
• негорючесть, которая обеспечивает полную пожаробезопасность;
• нет необходимости в специальном уходе, нанесения защитных покрытий и дополнительной окраске;
• круглогодичное строительство;
• не нанесение вреда окружающей среде, изготовление конструкций в заводских условиях и отсутствие загрязнения строительным мусором стройплощадки;
• применение архитектурных требований, позволяющих проектирование и строительство поистине уникальных мостов.

 Эти достоинства композитных материалов, в частности углепластика и стеклопластика, способствуют их всё более широкому применению для строительства автодорожных и пешеходных мостов.

Ежегодно в мире растёт количество пешеходных и автодорожных мостов, построенных с использованием композитных материалов. В США уже построено более 300 мостовых сооружений, в Голландии – более сорока. Такие мосты сооружены в Испании, Германии, Канаде и многих других странах.

 В нашей стране первый композитный мост сооружён в 2004 году, а сейчас уже построено пешеходных мостов более сорока.

Композитные мостовые конструкции позволяют значительно сократить

расходы на строительство, содержание и ремонт и, одновременно, увеличить срок службы и межремонтные сроки. Тем самым обеспечить в любое время года удобное и безопасное движение транспортных средств и пешеходов.

В современном мостостроении полимерные материалы часто применяются в сочетании с традиционными материалами: сталью, железобетоном. В этой связи возникает важный вопрос о наиболее эффективном сочетании этих материалов.

        Необходимо обратить особое внимание на то, что композиционные
материалы обладают выраженной анизотропией, то есть наиболее эффективно работают на растяжение. Несмотря на это, полимеры могут применяться и в элементах, работающих на сжатие. В таком случае наиболее целесообразно применять их не в виде традиционных массивных элементов, а в виде тонкостенных оболочек в сочетании с традиционными материалами.

       Учитывая вышесказанное, необходимо заметить, что мостовые конструкции из композиционных материалов нельзя проектировать по тем же
самым методикам, что и стальные или железобетонные конструкции. Необходимо разрабатывать новые подходы к проектированию и расчету.