26 февраля 2017г.
Современная техника предъявляет самые разнообразные требования к полимерным материалам. Допустим, нужно повысить прочность и жесткость полимера, снизить его стоимость, уменьшить плотность. С каждой из этих задач успешно справляются добавлением в полимер различных наполнителей. Каких именно? Это зависит от конкретных запросов потребителей материала. Например, прочность повышают введением в полимер упругих высокопрочных волокон, а снижения стоимости добиваются, наполняя полимер такими дешевыми продуктами, как речной песок, опилки, цементная пыль.
Наполнители необязательно должны быть твердыми. Можно наполнить полимеры газом, тогда мы получим газонаполненные полимеры -- пенопласты. Так решается задача резкого снижения плотности полимерных материалов. Намного сложнее наполнить полимеры жидкостью, чтобы она была равномерно распределена в виде дисперсных капель, но в литературе можно найти описание методов получения и таких материалов.
Материалы, содержащие две или более фазы, именуются композиционными, или просто композитами. Напомним, что латинское compositio означает составление, сочинение. Если одна из составляющих фаз-- полимер, а другие -- твердые, жидкие или газообразные вещества, то мы имеем дело с полимерными композиционными материалами (ПКМ). Целью работы является изучение свойств полимеров на базе композитной арматуры и сравнение их со свойствами стальной арматуры, относящейся к области строительства. Для достижения данной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Исследовать физико-механические свойства композитных арматур, выполненных из стекловолокнистых и базальтовых волокон.
2. Сравнить физико-механические свойства композитных арматур изготовленных из стекловолокнистых и базальтовых волокон со стальной арматурой.
В Европе о полимерах длительное время ничего не было известно. Однако еще в XVIII веке естествоиспытатели Жорж Бюффон и Рене Реомюр, наблюдавшие за пауками, высказали предположение, что если удастся отыскать «клейкую жидкость», подобную той, из которой образуется паутина, то из нее можно будет изготавливать паутинообразные нити. В первой трети ХХ века ассортимент материалов для получения полимеров значительно расширился эфирами целлюлозы, полиамидами, синтетическими каучуками. В последнем случае решающая роль принадлежит отечественным химикам – Ипатьеву Владимиру Николаевичу и Лебедеву Сергею Васильевичу. Химия и физика полимеров, объединенные в последние годы термином «наука о полимерах», стали в настоящее время самостоятельными разделами науки и достигли высокого уровня. Химия полимеров возникла только в связи с созданием Бутлеровым Александром Михайловичем теории химического строения. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учѐные многих стран.
Современные полимеры, например, композитные материалы. Композитные материалы - это искусственно созданные неоднородные материалы, состоящие из двух или более компонентов с чѐткой границей раздела между ними.
Компоненты композитов можно разделить на матрицу (связующее) и армирующие элементы (наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жѐсткость и устойчивость), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.
Для создания композиции используются самые разные армирующие материалы. Матрицей для производства стекловолокна является фенолформальдегидная смола, используемая для получения слоистых материалов, как пластиков, так и волокон, обладающих высокими физико-механическими свойствами и находящих применение в качестве конструкционного и облицовочного материала в самолето- машино- судостроении, строительстве.
Получают фенолформальдегидную смолу реакцией поликонденсации фенола с формальдегидом.
С6Н5ОН + НСОН + С6Н5ОН → С6Н5 ─ СН2 ─ С6Н5 + Н2О … фенол формальдегид
Или п С6Н5ОН + п НСОН → ( -С6Н6ОСН2- )п + п Н2О фенол формальдегид пластмасса
Характеристики и свойства создаваемого изделия зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения. При совмещении армирующих элементов и матрицы (матрица - это непрерывная полимерная фаза, в объеме которой распределены частицы наполнителя, имеющие четко выраженную границу раздела с полимером) образуется композиция, обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и новые свойства, которыми отдельные компоненты не обладают. Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители. Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Все это нам показалось очень интересным, поэтому темой для научной стали не просто полимеры, а композитные материалы. Чтобы глубже понять природу композитных материалов, мы остановились на композитах, используемых в строительстве, где все чаще и чаще стала применяться стеклопластиковая арматура различных видов и типоразмеров (разных диаметров). Для более глубокого понимания этого вопроса мы обратились в Самарский Государственный технический университет на кафедру «Сопротивления материалов и строительной механики», где в рамках хоздоговорных работ проводились испытания физико-механических свойств композитной арматуры. Композитная арматура представляет собой особо прочные стрежни, любой строительной длины с ребристой поверхностью спиралеобразного профиля (армопояс).
Для исследования были взяты образцы композитной арматуры того же диаметра, что и испытываемые образцы стальной арматуры. Используя туже разрывную машину, установили, что при растяжении стало заметно отсутствие стадии появления шейки при увеличении растягивающей нагрузки, что подтвердило ее более высокую прочность. В машину на растяжение устанавливается образец из стали, который соответствует стальной арматуре класса А – III. При плавном нагружении образец стал заметно удлиняться с образованием в средней его части так называемой «шейки» и в дальнейшем с сильным хлопком – разрушился. Приложенную к испытываемому образцу растягивающую нагрузку F определяли по силоизмерителю разрывной машины.
Композитная арматура представляет собой особо прочные стрежни, любой строительной длины с ребристой поверхностью спиралеобразного профиля (армопояс). Существуют разные виды полимерной арматуры – это стеклопластиковая, базальтопластиковая, стеклопластиковая арматура с базальтовым армирующим слоем. Композитная полимерная арматура предназначена для применения в бетонных конструкциях. Для исследования были взяты образцы композитной арматуры того же диаметра, что и испытываемые образцы стальной арматуры. Используя туже разрывную машину, установили, что при растяжении стало заметно отсутствие стадии появления шейки при увеличении растягивающей нагрузки, что подтвердило ее более высокую прочность.
Сравним параметры образцов стальной и композитной арматуры по графику: когда стальная арматура (зеленая линия графика), пройдя упругую стадию и вступив в стадию текучести, приблизилась к зоне разрушения, то композитная арматура продолжает работать, увеличивая свой предел прочности. Предел прочности композитной стеклопластиковой арматуры.
(красная линия графика) в полтора раза выше, а композитной базальтовой (синяя линия графика) выше более чем в два раза.
Некоторые сравнительные характеристики стальной арматуры класса А– III и композитной базальтовой арматуры внесены в таблицу
Преимущества стеклопластиковой арматуры заключаются в следующем:
1 .Высокая прочность (прочность на разрыв составляет 1200 МПа, что в 2 раза выше прочности на разрыв стальной арматуры класса A-III);
2 .Химическая и коррозионная стойкость (высокая устойчивость к водным, щелочным и кислотным средам). Относится к материалам 1-ой группы химической стойкости. Изделиям из них гарантируется долговечность и отсутствие возможности растрескивания и разрушения армированных бетонных конструкций
вследствие внутренних напряжений, возникающих в процессе коррозии и коррозионного разбухания, как это происходит в случаях со стальной арматурой.
3 .Малый удельный вес (в равнопрочном соотношении вес композитной арматуры
меньше в 9-11 раз);
4 .Долговечность
(прогнозируемый
срок службы
–
80 лет,
определен путем
лабораторных испытаний при создании условий ускоренного старения)
5 .Низкая теплопроводность, ниже, чем теплопроводность металла более чем в 10 раз, следовательно, композитная строительная арматура, в отличие от стальной –
не
является мостиком холода в армированной бетонной конструкции.
6
.Не токсична по степени воздействия на организм человека и окружающую среду. 7.Диэлектрик (не проводит электрический ток).
Проведенные испытания показали, что, у композитной арматуры прочность на разрыв в 2 раза выше прочности стальной арматуры класса A-III, коррозионные свойства
на уровне
хорошей нержавеющей стали, а вес, в равнопрочном соотношении, меньше в 9 раз, что делает ее применение в строительстве целесообразным, более удобным в производстве, и более дешевым. Кроме того из-за отсутствия коррозии арматуры повышается долговечность
работы изделия, сокращаются дорогостоящие ремонтные работы.
Список литературы
1.
Александров, А.В. Основы теории упругости и пластичности. Учебник для строит. спец-тей вузов. / А.В. Александров.-2-е издание, исправл. – М.: Высшая школа. 2002.-400 с.
2. Вольмир,
А.С. Сопротивление материалов. Лабораторный практикум. Учебное пособие для вузов / А.С. Вольмир, Ю.П. Григорьев, В,А. Марьин, В.А. Марьин, А.И. Станкевич. – 2-е изд., - М.: Дрофа, 2004. – 352с.
3.Кленин В.И. Высокомолекулярные соединения : учебник / В. И. Кленин, И. В. Федусенко. –Санкт-Петербург : Лань,
2013. – 509 с.
.
4. Материаловедение/ Под ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1986.Киреев 4.В.В. Высокомолекулярные соединения. – М.: Издательство Юрайт, 2013. –
602 с.
5. Ю.Э. Сеницкий, А.П.Литиков Пат. 127922 Российская федерация, МКП G01N3/08. Устройство для испытания полимерной арматуры периодического профиля; заявитель и патнтообладатель СГАСУ.
6.
Ю.Э. Сеницкий, А.П.Литиков Пат. 131161 Российская федерация, МКП G01N3/08. Устройство для испытания композитной арматуры ; заявитель и патнтообладатель СГАСУ.
7. Семчиков Ю.Д.
Введение в
химию полимеров : учебное пособие / Ю.
Д. Семчиков, С.
Ф. Жильцов, С. Д. Зайцев. – СПб. : Лань, 2012. – 367 c. 9.Сутягин В.М., Бондалетова Л.И. Химия и физика полимеров: Учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – 208 с.
8.Тагер А.А. и др. Физико-химия полимеров. – М.: Научный мир, 2007. – 576 с.
9. Чертков И.Н. Эксперимент по полимерам. – М.: Просвещение, 1998г.
